专利名称：有机相中脂肪酶催化合成β-硝基醇类化合物的方法
技术领域：
本发明涉及e -硝基醇类化合物的合成方法领域，尤其涉及一种有机相中脂肪酶
催化合成e-硝基醇类化合物的方法。
背景技术：
|3 -硝基醇是有机合成中 一类重要的中间体，通过13 _硝基醇合成硝基烯烃、 2-氨基醇和2-硝基酮，可以用于洛尔类药物(《Tetrahedron Lett.》1993， 34， 855-858 ; 《Tetrahedron》1994,50， 12313-12318)和性外激素(《J. Chem. Soc. ， Perkin Trans. 1》 1991,1419-1421)的合成。此外，P-硝基醇还是合成杀菌剂、杀虫剂、抗生素等具有生物活 性物质的原料(《Bull.Chem. Soc. Jpn.》1986， 59， 1753-1759 ;《Chem. Lett.》1983,819-822 ; 《Pestic. Sci.》1982，13， 557-562)。 Henry反应是有机合成中一种常用的碳_碳键生成反应，也是制备P -硝基醇化 合物的有效方法。Trost教授首先利用碱成功地催化了 Henry反应(《Science》1985， 227,908-916)，随后， 一些碱性化合物和碱土金属氧化物被用作Henry反应的催化剂 (《Synthesis》1988， 833-847 ;《Tetrahedron》2001， 57， 915-945)。但是碱催化剂会引起一 些副反应，如醛自身的縮合和康尼加罗反应。此外，当反应底物为芳香醛类化合物时，碱性 催化剂极易使产物发生消去反应生成硝基烯烃化合物。为了克服碱性催化剂的这些不足， 后来发展了一些新颖的催化剂，如铑金属复合物、三烷基氯化硅、LiA14等，但是采用这些 新颖的催化剂反应过程中需要硝基烷烃大大过量，而且时间长，操作复杂(《Tetrahedron Lett.》1991,32,3225-3228 ;《Tetrahedron Lett.》1995， 36， 6531-6534 ;《J. Org. Chem.》 1997,62,425-427)。进而又通过仿生催化，合成了复杂的胺类催化剂(《Synlett》2005， 2817-2819 ;《J. Am. Chem. Soc.》2006， 128， 732-733)，但这类催化剂结构复杂，制备特别困 难且不易得到，同时催化剂的循环使用尚存在问题。 最近，奥地利的Griengl教授报道了第一个生物催化的Henry反应(《Angew. Chem. Int. Ed.》2006， 45， 3454-3456 ;《Adv. Synth. Catal.》2007， 349， 1445-1450)，他们发现来源 于Hevea brasiliensis的醇腈裂合酶(HbHNL)在PBS缓冲液/TBME混合溶液中可以催化 硝基甲烷和苯甲醛发生Henry反应，经过室温反应48小时后，产率63% ， ee值92% 。这一 开创性的工作，展示了酶催化Henry反应的巨大潜力。但裂合酶来源较少，成本较高，而且 该反应时间较长，应用受到限制。因此，研究来源更加丰富的酶来实现快速高效催化Henry 反应具有更重要的意义。 脂肪酶就是一种来源丰富的酶，近年的研究发现脂肪酶具有催化多功能性，例如 脂肪酶通常催化酯键或者酰胺键的合成和水解，但研究发现脂肪酶还可以催化胺解反应 (《Chem. Soc. Rev.》2004， 33， 201-209) ， Diels—Alder(《Angew. Chem. Int. Ed.》2004， 43， 1407-1410)、羟醛縮合反应(《J. Am. Chem. Soc.》2003， 125,874-875)等。其中脂肪酶CAL-B 具有催化碳_碳键和碳_氮键Michael加成反应的新功能(《J. Am. Chem. Soc.》2005， 127， 17988-17989 ;《Chem. Commun.》2004， 1724-1725) ;Lou FW etal.还报道了CAL-B催化硫醇与乙烯酯的Markovnikov加成反应等一系列新现象(《Adv. Synth. Catal.》2008,350， 1959-1962 ;《J.Mo1. Catal. B :Enz》2009，60，64-68)。上述报道表明，脂肪酶可以作为有机 合成反应的催化剂。
发明内容
本发明提供了一种操作简便、反应条件温和、产率高的在有机溶剂中利用脂肪酶 催化合成e-硝基醇类化合物的方法。
—种有机相中脂肪酶催化合成13 -硝基醇类化合物的方法，包括将硝基烷烃、醛
和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在20°C 8(TC反应0. 5小时 5小时，制得 e-硝基醇化合物；其中，每升反应体系中脂肪酶的用量为10000IU 600000IU;1IU = 1 个酶活性单位。
作为优选 所述的硝基烷烃为具有结构式(II)所示结构的化合物，可采用市售产品；
(n)
其中，&为H或甲基；R2为H或甲基。
所述的醛为具有结构式(III)所示结构的化合物，可采用市售产(
O
R;T 、H (III) 其中，R3为H、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基 苯基、呋喃基或吡啶基。 所述的具有结构式(II)所示结构的化合物和结构式(III)所示结构的化合物反
应生成具有结构式(I)所示结构的氮杂环衍生物即P-硝基醇化合物，具体反应式如下
N02 O N02 PH
+
脂肪酶
、R5
有机溶剂
R3 H
(n) an)
式(I)中，^为H或甲基； R2为H或甲基；
R3为H、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基苯基、
呋喃基或吡啶基。 在非水相进行酶催化反应时，油水分配系数即LogP大的疏水溶剂对于酶的活性
4
维持有更好的作用，但疏水溶剂中极性底物的溶解度比较低，而LogP小的强极性溶剂虽然 具有好的底物溶解度，却对酶表面的活性水分子具有剥夺作用而易于导致酶活性降低。因 此，选用LogP小于5的溶剂或混合溶剂，例如本领域有机合成常用的有机溶剂，既有利于反 应底物的溶解，又可以对酶的催化性质具有很好的调节作用。 所述的有机溶剂选自二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二氧六环、丙酮、乙腈、异丙 醚、甲基叔丁基醚、叔丁醇、叔戊醇、甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯、正己烷、环己烷、氯仿、二氯 甲烷中的一种或者两种。 本发明所述的有机溶剂是无水的，可以采用分子筛、无水硫酸镁等干燥剂干燥或 者采用蒸馏、纯化等方法得到无水有机溶剂。 所述的脂肪酶可选用现有技术中通用的脂肪酶，如南极假丝酵母脂肪酶、爪哇白 霉脂肪酶或猪胰脂肪酶等，其可以是游离的脂肪酶，如德国Sigma公司生产的爪哇白霉脂 肪酶或瑞士 Fluka公司生产的猪胰脂肪酶，也可以是固定化的脂肪酶，如丹麦诺维信公司 生产的固定化脂肪酶CAL-B。所用酶的活力为10000IU/g。 增加酶的用量可以提高催化效果，但使用过多的酶容易影响酶在反应体系中的分 散，不利于底物在酶催化位点的进出，从而阻碍反应发生。因此，本发明选用合适的脂肪酶 用量，以利于反应的进行。 每升反应体系中脂肪酶的用量优选为50000IU 600000IU，更优选每升反应 体系中脂肪酶的用量为200000IU 500000IU，最优选每升反应体系中脂肪酶的用量为 300000IU 400000IU。 脂肪酶的最佳反应温度在30°C 40°C，由于有机溶剂的引入，增加了酶的热稳定 性，但是温度过高同样会导致酶活性的丢失，尤其是长时间处于较高温度，也不利于酶活力 的保持。因此，本发明将反应温度和时间控制在一个合适的范围内。 所述的反应温度优选40°C 70°C ，最优选50°C 60°C ，反应时间优选0. 5小时 3小时。 所述的硝基烷烃和醛可根据化学反应计量比加入或过量加入，为了降低原料的消 耗、节约成本，并进一步提高反应产率，醛在反应体系中的浓度优选为0. 2mol/L 2mol/L， 硝基烷烃与醛的摩尔比优选为1 6 : 1，更优选2 3 : l(出于原料成本考虑，一般硝基 烷烃的用量比例可适当加大)。 本发明方法中生成的13 -硝基醇类化合物可通过现有的柱层析色谱法或薄层色 谱法进行分离纯化。例如采用硅胶或氧化铝作为填料的柱层析，采用本领域常规市售硅胶 板的薄层色谱法，洗脱剂或展开剂由石油醚与乙酸乙酯混合组成，其中石油醚与乙酸乙酯
的体积比一般为io : i i : i。 本发明采用在有机溶剂中利用脂肪酶作为催化剂，催化硝基烷烃和醛反应制备
e -硝基醇类化合物，与现有的化学法相比，本发明方法的操作简便，反应条件温和，有效地 避免了消去副反应地发生，实现了 e -硝基醇类化合物的高效合成。
具体实施例方式
实施例1在无水二甲基亚砜中酶催化合成2-硝基-1-(4_硝基苯基)-丙醇
将151克4-硝基苯甲醛(lmol)和150克硝基乙烷(2mo1)加入到经过分子筛除水的二甲基亚砜中形成总体积为11的混合物。然后，添加30克(300000IU)的猪胰脂肪酶， 在8(TC下反应0.5小时，用液相色谱测定P-硝基醇化合物采用C18色谱柱，流动相为甲 醇水溶液(甲醇与水的体积比为35/65)，流速lml/min，检测波长210nm，产率为78%。产 物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下
4 NMR(CDC13， S ， ppm) :8. 26-8. 23 (m， 2H) ， 7. 60-7. 57 (m， 2H) ， 5. 55-5. 54， 5. 20-5. 17 (m， 1H) ， 4. 78-4. 69 (m， 1H) ， 3. 08-3. 03 (d， 1H， J 2. 1Hz) ， 1. 487-1. 471，
1. 387-1. 370(d，3H， J 3. 3Hz) 上述结果表明合成产物为2-硝基-l-(4-硝基苯基)-丙醇。
实施例2在无水二甲基亚砜中酶催化合成2-硝基-1- (4-硝基苯基)-乙醇
将151克4-硝基苯甲醛(lmol)和122克硝基甲烷(2mo1)加入到经过分子筛除水 的二甲基亚砜中形成总体积为11的混合物。然后，添加30克(300000IU)的猪胰脂肪酶， 在5(TC下反应0.5小时，用液相色谱测定P-硝基醇化合物采用C18色谱柱，流动相为甲 醇水溶液(甲醇与水的体积比为10/90)，流速lml/min，检测波长210nm，产率为90%，产物 通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下 NMR(CDC13， S ， ppm) :8. 25-8. 23 (m， 2H) ， 7. 63-7. 61 (m， 2H) ， 5. 62-5. 58 (m， 1H)，
4. 63-4. 57 (m， 2H) ， 3. 50-3. 46 (m， 1H) 上述结果表明合成产物为2-硝基-1-(4-硝基苯基)_乙醇。
实施例3在无水N， N- 二甲基甲酰胺中酶催化合成2-硝基_1_苯基乙醇
将212克苯甲醛(2mo1)和366克硝基甲烷(6mo1)加入到经过分子筛除水的N， N-二甲基甲酰胺中形成总体积为31的混合物。然后，添加100克(1000000IU)的南极假丝 酵母脂肪酶，在4(TC下反应2小时，按照实施例1的液相色谱条件测定13 _硝基醇化合物产 率为76%，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下
力NMR(CDC13， S ， ppm) :7. 43—7. 38 (m， 5H) ， 5. 50—5. 46 (m， 1H) ， 4. 66—4. 51 (m， 2H)， 2.92-2.91(d，lH， J 1.8Hz). 上述结果表明合成产物为2-硝基-1-苯基乙醇。 实施例4在无水二氧六环中酶催化合成1-硝基-2- 丁醇 将116克丙醛(2mol)和305克硝基甲烷(5mo1)加入到经过分子筛除水的二氧 六环中形成总体积为31的混合物。然后，添加120克(1200000IU)的爪哇白霉脂肪酶，在 3(TC下反应5小时，按照实施例1的液相色谱条件测定13 -硝基醇化合物产率为55%，产物 通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下 NMR(CDC13， S ， ppm) :4. 47—4. 36 (m， 2H) ， 4. 26 (m， 1H) ， 2. 77—2. 73 (dd， 1H， J
2. 2Hz) ， 1. 62-1. 55 (m， 2H) ， 1. 05—1. 00 (t， 3H， J 7. 6Hz)
上述结果表明合成产物为1-硝基-2- 丁醇。 实施例5在无水叔戊醇溶剂中酶催化合成3-甲基-1-硝基-2- 丁醇
将216克异丁醛(3mo1)和366克硝基甲烷(6mo1)加入到经过分子筛除水的叔戊 醇中形成总体积为31的混合物。然后，添加60克(600000IU)的猪胰脂肪酶，在7(TC下反 应3小时，按照实施例1的液相色谱条件测定13 _硝基醇化合物产率为44% ，产物通过薄层 色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下 丄H NMR (CDC13， S ，卯m) :4. 50—4. 39 (m， 2H) ， 4. 13—4. 10 (m， 1H) ， 2. 68—2. 67 (d， 1H， J2. 4Hz) ， 1. 83-1. 78 (m， 1H) ， 1. OH. 00 (d， 3H， J 2. 8Hz) ， 1. 00-0. 98 (d， 3H， J 3. 4Hz)
上述结果表明合成产物为3-甲基-1-硝基-2- 丁醇。 实施例6在无水二甲基亚砜_丙酮混合溶剂中酶催化合成1_(2-呋喃基)_2-硝 基乙醇 将384克糠醛(4mo1)和488克硝基甲烷(8mo1)加入到经过分子筛除水的二甲基 亚砜_丙酮(体积比为50/50)中形成总体积21的混合物。然后，添加80克(800000IU) 的猪胰脂肪酶，在6(TC下反应0. 5小时，按照实施例2的液相色谱条件测定13 -硝基醇化合 物产率为95%，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下
力NMR(CDC13， S ，ppm) :7. 42 (m， 1H) ， 6. 40-6. 37 (m， 2H) ， 5. 49-5. 46 (dd， 1H， J 0.8， 0. 8Hz) ， 4. 81-4. 65 (m， 2H) ， 2. 98 (s， 1H) 上述结果表明合成产物为l-(2-呋喃基)-2-硝基乙醇。 实施例7在无水二氧六环_异丙醚混合中酶催化合成1_(2-吡啶基)_2-硝基乙
醇 将107克吡啶甲醛(lmol)和366克硝基甲烷(6mo1)加入到经过分子筛除水的 二氧六环-异丙醚(体积比为70/30)中形成总体积为21的混合物。然后，添加80克 (800000IU)的猪胰脂肪酶，在5(TC下反应1小时，按照实施例2的液相色谱条件测定P _硝 基醇化合物产率为92%，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结 果如下 NMR (CDC13， S ， ppm) :8. 54-8. 53 (m， 1H) ， 8. 48-8. 46 (m， 1H) ， 7. 82-7. 80 (m， 1H)，
7. 36-7. 33 (m， 1H) ， 5. 53-5. 52， 5. 51-5. 50 (dd， 1H， J 1. 4， 1. 6Hz) ， 4. 65-4. 51 (m， 2H) 上述结果表明合成产物为l-(2-吡啶基)-2-硝基乙醇。
权利要求
一种有机相中脂肪酶催化合成β-硝基醇化合物的方法，包括将硝基烷烃、醛和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在20～80℃反应0.5～5小时，制得β-硝基醇化合物；其中，每升反应体系中脂肪酶的用量为10000～600000IU。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的硝基烷烃为结构式(II)所示的化 合物<formula>formula see original document page 2</formula>其中，&为H或甲基，&为H或甲基。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的醛为结构式(III)所示的化合物其中，R3为H、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基苯基、呋喃基或吡啶基。
4. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述的有机溶剂为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二氧六环、丙酮、乙腈、异丙醚、甲基叔丁基醚、叔丁醇、叔戊醇、甲苯、四氢呋喃、 乙酸乙酯、正己烷、环己烷、氯仿、二氯甲烷中的一种或者两种。
5. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述的脂肪酶为南极假丝酵母脂肪酶、爪哇白霉脂肪酶或猪胰脂肪酶。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的反应温度为40 7(TC，反应时间 为0. 5 3小时。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的反应温度为50 60°C。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于每升反应体系中脂肪酶的用量为 50000 600000IU。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于每升反应体系中脂肪酶的用量为200000 500000IU。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于每升反应体系中脂肪酶的用量为300000 400000IU。
全文摘要
本发明公开了一种在有机溶剂中脂肪酶催化合成β-硝基醇类化合物的方法，包括将硝基烷烃、醛和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在20～80℃反应0.5～5小时，每升反应体系中脂肪酶的用量为10000IU～600000IU。本发明方法利用脂肪酶作为催化剂，避免了副反应的发生，与现有的化学合成的方法相比，具有操作简便，反应条件温和，β-硝基醇类化合物的产率高等优点。
文档编号C12P13/00GK101709313SQ200910154529
公开日2010年5月19日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者刘博凯, 吴起, 林贤福 申请人:浙江大学