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Asymmetric transesterification resolution of para-(R,S)-α-phenylethanol by lipase YCJ01

脂肪酶YCJ01拆分对位取代α-苯乙醇



全 文 :第 13卷第 4期
2015年 7月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 13 No􀆰 4
Jul􀆰 2015
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2015􀆰 04􀆰 009
收稿日期:2014-06-06
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)重大项目(2012AA022205);国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB710800)
作者简介:秦  燕(1988—),女,重庆人,硕士研究生,研究方向:生物化工;何冰芳(联系人),教授,E⁃mail:bingfanghe@ njtech.edu.cn
脂肪酶 YCJ01拆分对位取代 α 苯乙醇
秦  燕,李文豪,汪  斌,何冰芳
(南京工业大学 生物与制药工程学院,江苏 南京 211800)
摘  要:利用脂肪酶 YCJ01催化拆分对位取代 α 苯乙醇衍生物。 以异丙醚为反应介质,采用乙酸乙烯酯作为酰基
供体,对 180 mmol / L的 1 (4 甲基苯基)乙醇进行选择性酯化,脂肪酶粗酶粉添加量为 5 g / L,50 ℃反应 21 h后,
底物转化率可达 49􀆰 9%,对映体过量值 e􀆰 e. s、e􀆰 e.p值分别为 97􀆰 1%和 97􀆰 2%,对映体选择性 E>200;同样,对 1 (4
甲氧基苯基)乙醇进行选择性酯化,酰基供体为丁酸乙烯酯,底物浓度 150 mmol / L,脂肪酶粗酶粉添加量为 2􀆰 5
g / L,30 ℃反应 12 h后,底物转化率为 49􀆰 8%,e􀆰 e. s、e􀆰 e.p值分别为 97􀆰 7%和 98􀆰 4%,对映体选择性 E>200,显示了
很好的手性拆分效果。
关键词:耐有机溶剂脂肪酶;手性拆分;Burholderia ambifaria;α 苯乙醇
中图分类号:Q814        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2015)04-0047-05
Asymmetric transesterification resolution of
para⁃(R,S) ⁃α⁃phenylethanol by lipase YCJ01
QIN Yan,LI Wenhao,WANG Bin,HE Bingfang
(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China)
Abstract:Asymmetric transesterification resolution of para⁃(R, S)⁃α⁃phenylethanol was conducted by
lipase YCJ01. The resolution conditions of para⁃(R,S)⁃α⁃phenylethanol were optimized. Reaction was
carried out in isopropyl ether using vinyl acetate as acyl donors with 5 g / L lipase YCJ01 and 180 mmol / L
1⁃(4⁃methylphenyl)ethanol. The mixture was incubated at 50 ℃ for 21 h. After the reaction,the substrate
conversion could reach 49􀆰 96% with e􀆰 e. s = 97􀆰 1%,e􀆰 e.p = 97􀆰 2%,E>200􀆰 Similarly,high enantiomeric
purity(e􀆰 e. s = 97􀆰 7%,e􀆰 e.p = 98􀆰 4%,E>200) and substrate conversion(49􀆰 82%) were achieved at 30
℃ after 12 h in isopropyl ether with 2􀆰 5 g / L lipase YCJ01 and 150 mmol / L 1⁃( 4⁃methoxyphenyl)
ethanol,vinyl butyrate as acyl donors. All results illustrated that lipase YCJ01 was an exploitable
biocatalyst for chiral resolution of pharamaceutical intermediate.
Keywords:organic solvent tolerant lipase; chiral resolution; Burholderia ambifaria;α⁃phenylethanol
    光学纯的 α 苯乙醇及其衍生物是许多医药、
精细化学品及香料等物质的合成中间体[1],其中对
位取代的 α 苯乙醇作为代表,其 R 和 S 两种对映
异构体均为重要的医药中间体,(S) 1 (4 甲基苯
基)乙醇是合成食品添加剂姜黄酮的中间体[2];
(S) 1 (4 甲氧基苯基)乙醇是 1 (4 甲基苯
基) 1 ( 4 甲氧基苯基) 乙硫醇的中间体[3];
(R) 1 (4 甲基苯基)乙醇则可以用来合成具有防
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癌功能的硒化合物[4],(R) 1 (4 甲氧基苯基)乙
醇可以合成环丙烷甲酸中间体,进而合成用于治疗
癌症的溶血磷脂酸受体的异恶唑基拮抗剂[5]等。
目前,对位取代 α 苯乙醇衍生物的单一对映体可
以通过不对称合成、化学拆分和酶法拆分等获得,
其中酶法催化的拆分反应具有反应条件温和、手性
选择性高等优点,因而越来越受到人们的重视[6]。
脂肪酶是一类广泛应用于类脂化合物水解、合
成以及酯交换的高效生物催化剂,多数脂肪酶在催
化过程中具有高度的区域选择性、立体选择性,并
且在反应中不需要添加辅因子等特点。 另外,脂肪
酶可以接受众多复杂的非天然化合物作为底物,因
此,利用脂肪酶的高度立体选择性,在有机相中通
过转酯反应进行对位取代的 α 苯乙醇衍生物的手
性拆分备受人们的关注。 然而现有报道中对 1
(4 甲基苯基)乙醇和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇的
酶法拆分的研究比较少,其中 Hatzakis 等[7]对脂肪
酶拆分 1 (4 甲氧基苯基)乙醇做过初步研究,但
是其在拆分过程中转化率较低且产物 e􀆰 e.p值仅为
88%;王晨等[8]研究了多种脂肪酶对 1 (4 甲氧基
苯基) 乙醇拆分,其中 Novozyme 435 及 PS IM
(P􀆰 cepacia)脂肪酶显示了很好的拆分效果,然而在
整个反应体系中底物浓度低,酶用量大。 因而,进
一步开发能够高效拆分 1 (4 甲基苯基)乙醇和
1 (4 甲氧基苯基)乙醇的脂肪酶具有重大意义。
本课题组 Yao等[9]筛选获得 1株耐有机溶剂脂
肪酶产生菌 Burholderia ambifaria YCJ01,该菌株所
产的脂肪酶 YCJ01不仅在 60 ℃下稳定而且用 25%
(体积分数)有机溶剂(甲醇、二甲基亚砜(DMSO)
等)处理 60 d 后仍有较高的活力,展现出了优异的
温度稳定性和有机溶剂耐受性。 在有机相催化方
面具有广泛的应用前景。
本文中,笔者拟采用脂肪酶 YCJ01对 1 (4 甲
基苯基)乙醇和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇的选择性
酯化拆分,优化反应工艺,以期实现这两种医药中
间体的高效手性拆分。
1  材料与方法
1􀆰 1  材料
脂肪酶产生菌 B􀆰 ambifaria YCJ01(CCTCC No:
2011058),该脂肪酶核酸序列 GenBank 登录号为
JQ733583[10]。 1 (4 甲基苯基)乙醇购于东京化成
工业株式会社。 1 (4 甲氧基苯基)乙醇购于阿法
埃莎(天津)化学有限公司。 其他试剂均为市售分
析纯。
1􀆰 2  培养基
活化培养基(LB 培养基,g / L):酵母粉 5、蛋白
胨 10、NaCl 10、琼脂 20。
发酵培养基:糊精 8 g / L、酵母粉 5􀆰 2 g / L、牛肉
膏 7􀆰 8 g / L、MgSO4 0􀆰 5 g / L、K2HPO4 2 g / L、菜籽油 5
mL / L、TritonX 100 0􀆰 75 mL / L。 pH 8􀆰 0。
1􀆰 3  脂肪酶粗酶粉的制备
从冻存管中接菌株 B􀆰 ambifaria YCJ01于 LB平
板上,30 ℃培养 12 h后,接取一环于发酵培养基中,
于 30 ℃、180 r / min的摇床上培养 72 h。
取脂肪酶发酵上清液,置冰水浴中,收集
(NH4) 2SO4 饱和度为 65%时沉淀下来的蛋白,在
pH7􀆰 0、50 mmol / L的磷酸缓冲液中透析 1 d 后,冷
冻干燥得脂肪酶 YCJ01粗酶粉。
1􀆰 4  脂肪酶催化拆分对位取代 α 苯乙醇
转酯化拆分反应在 5 mL 具塞反应瓶中进行。
初始反应体系为 2 mL 预脱水的异丙醚,拆分底物
(R,S) α 苯乙醇衍生物 30 mmol / L,酰基供体(乙
酸乙烯酯、丁酸乙烯酯) 300 mmol / L,添加脂肪酶
YCJ01酶粉 10 mg。 在 180 r / min 的恒温摇床中反
应一定时间,检测底物的转化率和光学纯度。
采用戴安 P680型高效液相色谱(HPLC)检测。
1 (4 甲基苯基)乙醇的检测条件:色谱柱为 Chiral
OJ H 柱(4􀆰 6 mm×250 mm);流动相为正己烷 /异
丙醇溶液(体积比为 95 ∶ 5)。 [1 (4 甲氧基苯基)
乙醇的检测条件:色谱柱为 Chiral AD H 柱(4􀆰 6
mm×250 mm);流动相为正己烷 /异丙醇溶液(体积
比为 85 ∶ 15)]。 其余条件如下:流速 1 mL / min;检
测波长 220 nm;柱温 30 ℃。 底物 1 (4 甲基苯基)
乙醇的 R型及 S 型对映体的保留时间分别为 10􀆰 9
min和 12􀆰 6 min,产物酯的 R 型及 S 型对映体的保
留时间分别为 6􀆰 7 和 7􀆰 1 min;底物 1 (4 甲氧基
苯基)乙醇的 R型及 S型对映体的保留时间分别为
6􀆰 2和 6􀆰 4 min,产物酯的 R型及 S型对映体的保留
时间分别为 3􀆰 9和 4􀆰 4 min。
底物转化率(C)= e􀆰 e. s / ( e􀆰 e. s + e􀆰 e.p) ×100%,
底物对映体过量值 ( e􀆰 e. s ) = ( cS - cR ) / ( cS + cR ) ×
100%,产物对映体过量值( e􀆰 e.p)= ( cS1-cR1) / ( cS 1 +
cR1)×100%,对映体选择率 E = ln[1-C(1+e􀆰 e.p) / ln
[1-C(1-e􀆰 e.p)]。 式中:cR、cS为反应后残留 2 个对
映体的浓度(mmol / L),cR1、cS1为反应后生成的酯的
84 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
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2个对映体的浓度(mmol / L)。
2  结果与讨论
2􀆰 1  酶法催化对位取代 α 苯乙醇手性拆分反应中
酯化产物构型分析
    根据现有文献中关于 α 苯乙醇衍生物分析的
相关报道,笔者采用 Chiral OD H 柱(4􀆰 6 mm×250
mm)对反应中底物和产物的构型进行了分析,结合
文献[8,11]可知,对于(R,S) 1 (4 甲基苯基)乙
醇,脂肪酶 YCJ01 可以选择性地催化 S 型的底物生
成酯化产物 S 型的乙酰 对甲基苯乙酯,光学纯的
R 1 (4 甲基苯基)乙醇并未发生反应。 而对于
(R,S) 1 (4 甲氧基苯基)乙醇则结果相反,脂肪
酶 YCJ01优先选择催化 R型底物生成 R 型的丁酰
对甲氧基苯乙酯,S型的1 (4 甲氧基苯基)乙醇未
发生反应,其相关选择性的机制有待于进一步研
究。 据此可以判断其 2 种底物的反应式,如图 1
所示。
图 1  脂肪酶 YCJ01拆分对位取代 α 苯乙醇
Fig􀆰 1  Lipase YCJ01 catalyzed transesterification resolution of para⁃(R,S) ⁃α⁃phenylethanol
2􀆰 2  温度对拆分反应的影响
在生物催化反应中,温度既影响酶的活力,也
影响酶的立体选择性,因而对反应的影响很大[12]。
考察温度对脂肪酶 YCJ01拆分 1 (4 甲基苯基)乙
醇和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇反应的影响,反应 6 h
的结果见图 2。 由图 2 可知:随着温度的升高底物
1 (4 甲基苯基)乙醇和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇
的转化率和 e􀆰 e. s值均呈现先升后降的过程,但是
e􀆰 e.p值在整个升温过程中变化不大,说明脂肪酶
YCJ01 的选择性并没有发生变化。 1 (4 甲基苯
基)乙醇和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇的反应转化率
分别在 50、30 ℃下达到最高,分别为 49􀆰 59%和
49􀆰 34%。 所以,脂肪酶 YCJ01 拆分 1 (4 甲基苯
基)乙醇和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇的最适反应温
度分别为 50、30 ℃。
2􀆰 3  酰基供体与底物摩尔比对拆分反应的影响
对于拆分反应而言,不同的底物有不同的最佳
酰基供体且酰基供体的浓度直接影响酶催化反应
图 2  温度对拆分反应的影响
Fig􀆰 2  Effects of temperature on chiral resolution
of α⁃phenylethanol
的平衡,从而影响反应的速度[13]。 因此,考察 1
94  第 4期 秦  燕等:脂肪酶 YCJ01拆分对位取代 α 苯乙醇
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(4 甲基苯基)乙醇与乙酸乙烯酯的摩尔比和
1 (4 甲氧基苯基)乙醇与丁酸乙烯酯的摩尔比对
脂肪酶 YCJ01 催化转酯反应的影响,反应 6 h 的结
果见图 3。 由图 3可知,随着酰基供体比例的提高,
底物转化率和 e􀆰 e. s值先升后降。 这可能是由于随
着酰基供体比例的提高,反应平衡向正方向进行,
但过高的比例引起底物抑制且降低了反应速率,导
致转化率和 e􀆰 e􀆰 s值下降。 E 值变化不大,说明脂肪
酶 YCJ01 的选择性并没有发生变化。 当 1 (4 甲
基苯基)乙醇与乙酸乙烯酯和 1 (4 甲氧基苯基)
乙醇与丁酸乙烯酯的摩尔比分别为 1 ∶ 6和 1 ∶ 5时,
转化率达到最高,分别为 49􀆰 64%和 49􀆰 79%。 所以
分别选取 1 (4 甲基苯基)乙醇与乙酸乙烯酯的摩
尔比为 1 ∶ 6和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇与丁酸乙烯
酯的摩尔比为 1 ∶ 5时为最适反应摩尔比。
图 3  酰基供体与底物的摩尔比对拆分反应的影响
Fig􀆰 3  Effects of mole ratio of acyl doner to substrate
on chiral resolution
2􀆰 4  底物浓度对拆分反应的影响
在普通的生物催化体系中,当底物浓度较低
时,反应速率与底物浓度成正比,不存在底物抑制
现象,当底物浓度达到一定程度或过高时,可能会
存在底物抑制和酶活性中心的使用效率受限[14]。
本研究分别在上述优化反应条件下,考察了 1 (4
甲基苯基)乙醇的浓度和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇
的浓度对反应的影响,反应 6 h的结果见图 4。 由图
4可知:当 1 (4 甲基苯基)乙醇和 1 (4 甲氧基
苯基)乙醇处于低浓度时,反应速率随着底物浓度
的提高而加快,当底物浓度分别增加到 180 和 150
mmol / L时,反应速率达到最大值,继续提高时,反应
速率下降。 e􀆰 e.p值变化不大,说明脂肪酶 YCJ01 的
选择性并没有发生变化。 所以 1 (4 甲基苯基)乙
醇和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇的浓度分别为 180
mmol / L(24􀆰 5 g / L)和 150 mmol / L(22􀆰 8 g / L)时为
反应的最适底物浓度。
图 4  底物浓度对拆分反应的影响
Fig􀆰 4  Effects of substrate concentration
on chiral resolution
2􀆰 5  脂肪酶 YCJ01 拆分对位取代 α 苯乙醇的进
程曲线
    在上述优化条件下分别研究了 1 (4 甲基苯
基)乙醇和 1 (4 甲氧基苯基)乙醇的拆分反应进
程曲线,结果见图 5。 由图 5 可知:1 (4 甲基苯
基)乙醇的拆分体系反应 21 h 后,底物转化率达到
49􀆰 96%,e􀆰 e. s值为 97􀆰 1%、e􀆰 e.p值为 97􀆰 2%,对映体
的选择性(E) >200;1 (4 甲氧基苯基)乙醇的拆
分体系反应 12 h 后,底物转化率达到 49􀆰 82%,e􀆰 e. s
值为 97􀆰 7%、e􀆰 e.p值为 98􀆰 4%,对映体的选择性(E)
>200。 Hatzakis等[7]利用脂肪酶拆分 1 (4 甲氧
基苯基)乙醇,其转化率及产物 e􀆰 e.p均较低;王晨
等[8]筛选了对 1 (4 甲氧苯基)乙醇选择性较高的
脂肪酶,而底物浓度仅为 1 mmol / L,脂肪酶用量为
50 U / mL,时空产率低;本研究利用自主研发的脂肪
酶粗酶粉手性拆分对位取代 α 苯乙醇,底物浓度
分别达到了 180 和 150 mmol / L,表明脂肪酶 YCJ01
对对位取代 α 苯乙醇具有很高的催化效率。
05 生  物  加  工  过  程    第 13卷 
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图 5  反应时间对拆分反应的影响
Fig􀆰 5  Effects of feaction time on chiral resolution
3  结论
采用脂肪酶 YCJ01 在非水相体系中拆分对位
取代 α 苯乙醇,在异丙醚体系中,1 (4 甲基苯
基)乙醇和乙酸乙烯酯的浓度分别为 180 mmol / L和
1 080 mmol / L,反应 21 h 后,产物为 S 型的乙酰 对
甲基苯乙酯和 R型的对甲基苯乙醇,底物转化率达
到 49􀆰 90%,e􀆰 e. s为 97􀆰 1%、e􀆰 e.p为 97􀆰 2%,对映体
的选择性 E>200;1 (4 甲氧基苯基)乙醇和丁酸
乙烯酯的浓度分别为 150 mmol / L 和 750 mmol / L,
反应 12 h后,产物为 R 型的丁酰 对甲氧基苯乙酯
和 S 型的对甲氧基苯乙醇,底物转化率达到
49􀆰 82%,e􀆰 e. s为 97􀆰 7%,e􀆰 e.p为 98􀆰 4%,对映体的选
择性(E)>200。 本实验中一直采用游离游离脂肪酶
YCJ01做研究,不可重复利用,在后续的工作中,将
对脂肪酶 YCJ01进行固定化研究,以期提高其在催
化过程中的重复利用率。
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(责任编辑  荀志金)
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