手性扁桃酸不同合成方法的比较分析
2009-05-20 18:53:00   来源：本站原创   评论：0 点击：

李桂银1，2，黄可龙1，蒋玉仁1，丁萍1
              （1.中南大学化学化工学院；2.湖南科技职业学院高分子材料与工程系）
摘要：本文对手性扁桃酸的不对称合成法、生物合成法、光学异构体拆分3种合成方法进行了较详细叙述，并对不同的合成方法进行了比较分析。
关键词：扁桃酸，R－(－)－扁桃酸，S－(+)－扁桃酸，合成
　　手征性是自然界的一个关键因素，它是生命物质区别与非生命物质的重要标志。手性药物是指有药理活性作用的单一对映体的化合物药物。现代分子药理学的研究表明：许多药物、农药的生理活性是通过生物体内大分子之间的严格手性匹配与分子识别而实现的。手性异构体在生理活性、药效和毒性等方面存在着明显差异或截然相反的作用。这就引起国际上对手性药物合成和分离分析的高度重视。

　　扁桃酸，又名苦杏仁酸、苯羟乙酸、α－羟基苯乙酸。在有机合成和药物生产中有着广泛的用途，是尿路杀菌剂扁桃酸乌洛托品、末稍血管扩张剂环扁桃酯、滴眼药羟苄唑及乌托品类解痉剂的重要中间体。同时，由于扁桃酸为手性分子，有R－(－)－扁桃酸和S－(+)－扁桃酸两种构型。单一构型的扁桃酸是不对称合成反应中非常重要的手性中间体，被广泛应用于光学纯的氨基酸、血管紧张肽转化酶抑制剂、辅酶A的不对称合成。单一构型的扁桃酸（或扁桃酸衍生物）所合成的药物与外消旋的扁桃酸（或扁桃酸衍生物）相比，不仅药效提高一倍，更关键是副作用下降，而且在许多生物技术方面应用必须要求是单一性化合物。目前市场上对R－型或S－型扁桃酸单体的需求远远大于对其外消旋体的需求。

因此，制备手性扁桃酸已成为合成化学中一个富有挑战性的目标。目前制备扁桃酸的旋光性单体大致有以下三种方法：

（1）不对称合成法：不对称合成法合成扁桃酸近年来受到了重视。

(2)生物合成法：生物合成法是较为常用的方法，它主要是利用酶催化进行合成反应。

(3)光学异构体拆分法：先合成扁桃酸外消旋体,再将其拆分获得手性扁桃酸。本文从这几个方面总结近年来这一领域的研究情况。

1  不对称合成法

　　不对称合成法是直接利用化学合成的方法来合成扁桃酸的异构体的一种方法。利用这种方法合成扁桃酸异构体，可以简化异构体的制备过程，因此这种方法越来越引起化学工作者的兴趣。诱导不对称合成可以采用具有旋光性的单体作为反应底物，也可以采用具有手性的催化剂催化反应。但由于单体和手性催化剂都是比较昂贵的化学品，基于对降低产品成本的考虑，大部分的不对称反应都采用手性催化剂催化反应。
 Blacker等人采用不对称合成法, 以TMSCN为氰化剂， Jacobsen催化剂合成了扁桃酸及其衍生物。所得产物的e.e%为65%～85%。
　　但是该法所采用的催化剂价格昂贵，且回收不便，反应条件的要求也比较严格，造成成本过高，难以工业化生产。
　　吴珊珊等人用自制的手性相转移催化剂（（+）－N－苄基氯化辛可宁、4－硝基苄基氯化辛可宁、盐酸麻黄碱）来催化苯甲醛和氯仿合成手性扁桃酸，在没有外加溶剂的情况下，得不到旋光性扁桃酸；而在有外加溶剂存在时，手性催化剂可以诱导其不对称合成，但是所得的扁桃酸e.e%都不高，最大的仅为3.4%。
　　不对称合成扁桃酸近来受到了重视，德国在这方面进行了一定的基础理论研究，但未能在应用方面开拓。因此国际上仅有少量R型不对称合成产品，而S型产品未见开发。国内有关单位进行了开创性的工作，基本方式为采用固定化的基因工程酶，进行连续化的不对称合成，已完成了小试研究，产品的光学纯度达到99%，其产业化具有重大意义。

2  生物合成法

　　生物催化的手性合成是指利用纯酶或有机体催化潜手性化合物转变为手性化合物的过程。生物催化的手性合成反应具有条件温和、效率高，高度的化学选择性、区域选择性以及对映体选择性等优点，而且生物催化过程具有无毒、无污染和能耗低等特点，是一种环境友好的合成方法，因而得到广泛的应用。
　　国外文献报道制备手性扁桃酸大致有三种方法：一种方法是以苯甲醛和氢氰酸为原料，先制得扁桃腈，后在腈水解酶的作用下，得到R－(－)－扁桃酸。
　　Endo等人将消旋体扁桃腈与Rhodococcus微生物反应，酶催化水解扁桃腈得到R(－)－扁桃酸，R(－)－扁桃酸的光学纯度达100%。
　　其二方法是先合成扁桃酸外消旋体，而后酯化或氨解，获得扁桃酸酯或扁桃酸酰胺，再在酯化水解酶或酰胺水解酶的作用下，得到单一对映体扁桃酸。
　　Ganapati等人首先将外消旋体扁桃酸用交换树脂催化转变为扁桃酸甲酯，而后用假丝酵母中的水解酶立体水解成R(－)－扁桃酸，光学纯度达78%。并且建立了一个双－双酶水解动力学模型。
　　其三方法是以苯乙酮酸为底物直接利用具有氧化还原酶的微生物催化合成手性扁桃酸，多数是形成R(－)－扁桃酸，而S(+)－扁桃酸则很少得到。Takao M等人利用链球菌、假丝酵母、肠球菌、红酵母、酵母等中的还原酶将苯乙酮酸立体还原为R(－)－扁桃酸，光学纯度为100%。
　　国内在利用生物催化合成手性扁桃酸方面进行了尝试，如肖美添等人以苯乙酮酸为原料，利用酵母细胞中的氧化还原脱氢酶，合成了R(－)－扁桃酸，构型对映体过量值为95.1%。李忠琴等以苯乙酮酸为底物，从10株不同种类的菌株中筛选出具有不对称合成（R）－扁桃酸S.c1活性的酵母菌.以此菌为出发菌株，进一步采用紫外和微波复合诱变技术，分别筛选获得突变菌S.c1－MA16和 S.c1－ME10，构型对映体过量值达99.8%。

3  光学异构体的拆分

　　该方法先合成扁桃酸的外消旋体，再采用一定的方法对其进行拆分。
3.1  外消旋扁桃酸的合成
　　外消旋体的制备和拆分是最早的方法,但又是常用的需要完善的方法。外消旋扁桃酸的合成方法归纳起来大概有以下几种。
　　（1）β－羟基苯乙腈及其衍生物的水解
　　以苯甲醛为原料，通过氰基对醛基的亲核加成，得到β－羟基苯乙腈，然后在酸性水溶液中水解，得扁桃酸。
　　这是早期合成扁桃酸系列化合物的方法之一。采用这种方法生产扁桃酸，此方法要经过多步反应，收率偏低，仅为50～52%, 且反应中使用剧毒的氰化物，对人体危害极大。但氰基对醛的亲核加成是较易进行的反应，因此，苯环上有取代基的苯甲醛可用该方法制备相应的扁桃酸衍生物。
　　（2）β，β－二氯苯乙酮水解
　　以苯乙酮为原料，将酮甲基二氯化后，碱性水解，得相应的扁桃酸。
　　Aston于1943年首先用此法合成了扁桃酸，收率(以苯乙酮计)为76～87%。这种方法的关键是在苯乙酮二氯化阶段，要尽量抑制三氯苯乙酮及一氯苯乙酮的产生。杨如圭等人在Aston方法的基础上对扁桃酸的制备及其工艺进行改进,改变了制备中间体二氯苯乙酮的原料比，由原来的1000毫升冰乙酸/2克分子苯乙酮降至250毫升/2克分子苯乙酮，从而节省了大量溶剂，缩小了反应物的体积，有利于扩大生产。同时还设计了一套管道化安全排气系统和封闭式的产品分离洗涤装置，改善了操作安全，但是收率没有得到提高。
　　以苯或取代苯为原料经Friedel－Crafts反应，得相应的二氯苯乙酮，然后碱性水解，得扁桃酸。
　　这种方法与Aston提出的方法相似，两者都是经过二氯苯乙酮中间体，只是前者通过苯乙酮二氯化，而后者是通过苯与二氯乙酰氯的Friedel－Crafts反应直接生成，避免了三氯苯乙酮及一氯苯乙酮的产生。
　　通过β，β－二氯苯乙酮水解合成扁桃酸及其衍生物，也是合成扁桃酸系列化合物的传统方法之一。由于在合成过程中具有催泪刺激性的中间产物β，β－二氯苯乙酮，所带来的环境安全问题，使其生产应用收到很大的限制。
　　（3）相转移催化法
　　以苯甲醛为原料，经相转移催化反应来制取扁桃酸。
　　A.Merz以苄基三乙基氯化铵(TEBA)作催化剂，以氯仿作卡宾的来源，合成了几种扁桃酸衍生物。Cheng等人探讨了β－环糊精(β－CD)与苄基三乙基氯化铵(TEBA)协同增效的复合相转移催化作用，以β－CD/TEBA为催化剂合成了扁桃酸，收率85.7%。张国敏等人合成了一系列新型的二茂铁季铵盐化合物，并作为相转移催化剂与TEBA进行对比催化实验合成了扁桃酸，最高收率为75%。李晓如等人以分子结构为(C8-10H17－21)3N+CH3Cl)的季铵盐A－1为催化剂，合成了扁桃酸，其催化活性优于其他短碳链季铵盐及聚乙二醇。使用A－1时，扁桃酸的最高收率可达92%，A－1在分离过程中不乳化，使产品容易分离，可循环使用。吴百乐等人合成了分子内具有缩乙二醇甲醚链段的季铵盐类催化剂,应用于扁桃酸的合成，收率为85.5%。范学森等人对固载聚乙二醇和固载季铵盐这两种三相相转移催化剂在扁桃酸合成中的催化作用进行了研究，研究结果表明:这两类催化剂对扁桃酸的合成均有明显的催化效果，催化剂可以回收并加以重复使用，且重复使用性能良好。当使用PS－PEG－400时，扁桃酸的最高收率为63%;使用PS－TBA时，扁桃酸的最高收率为81%。
　　用相转移催化来合成扁桃酸方法，由于收率较高、反应条件温和、操作比较简单，受到了人们的广泛重视。随着相转移催化法成功地应用于扁桃酸的合成，人们在不断改进其工艺条件，使得扁桃酸的得率尽可能提高。
　　（4）乙醛酸法
　　Kakim等使乙醛酸与过量的苯在浓硫酸与醋酸介质中回流4小时，得到扁桃酸，收率为75%，纯度很高。K.Sampaku采用阳离子交换树脂，反应24小时，得到80%的扁桃酸。
　　这些以乙醛酸为原料的方法在反应条件、操作过程及后处理上都比其他方法有了较大改善，显示出较好的应用前景。但由于工业上乙醛酸的质量与成本的原因，用此法生产扁桃酸受到了限制。
　　（5）空气氧化苯乙酸法
　　GW.Moersch提出以空气氧化苯乙酸来合成扁桃酸。
　　这种方法的关键是控制氧化的程度， 要防止过度氧化的发生，但该法成本低，操作简单，如果能在氧化程度的控制及工艺上有所突破，无疑是极有前途的。
3.2  拆分方法
　　（1）化学拆分法
　　化学拆分外消旋体是一种传统方法, 它是用手性试剂将外消旋体混合物中的两个对映体转变成非对映体, 然后利用其物理性质差别将非对映体分开(如用重结晶法), 再将所要的非对映体还原为手性扁桃酸。一般是采用麻黄碱、(－)－2－胺基－1－丁醇、谷氨酸、（±）－2－胺基－1－丁醇等手性胺类化合物作为手性拆分剂。
　　John Kazan 等人利用(－)－2－胺基－1－丁醇对扁桃酸进行了拆分，并利用扁桃酸在高温高压下容易消旋化以及拆分剂（－）－2－胺基－1－丁醇稳定的特点，对拆分的副产物进行了消旋，提高了拆分剂的利用率，使该路线更加贴近工业化的要求。1982年Geoge Kesslin等人采用苯基甘氨酸酯对扁桃酸进行拆分，经过多次诱导结晶后，获得了非常好的结果，但是由于成本过高，难以应用。Hiroyuki N等人也在1982年提出了使用（±）－2－胺基－1－丁醇作为拆分剂对扁桃酸或其衍生物进行拆分的方法，但是由于收率比较低、产品质量不高、操作复杂，没有被广泛应用。
　　（2）色谱拆分法
　　聂孟言等人以全甲基β－环糊精(PMBCD) 手性固定相，气相色谱手性分离了扁桃酸酯、α－甲氧基扁桃酸酯、2－羟基－ 3－苯基丙酸酯和2－羟基－4－苯基丁酸乙酯。并结合热力学参数, 探讨了手性拆分机理。辛梅华等人采用二硝基苯甲酰苯基甘氨酸丙基硅胶作手性固定相，高效液相色谱法拆分扁桃酸对映体，并探讨了可能的分离机理。Debowski等人以β－CD作为手性流动相添加剂，用反相高效液相色谱研究了扁桃酸的拆分，但实际效果很不理想。Fujimura等人和Armstrong等人采用β－CD柱研究了扁桃酸及其相关化合物的拆分。Zukowski等人采用低浓度甲基化β－CD (DMZ β－CD和TMZ β－CD)作为流动相添加剂， 在ODS微柱上较好地拆分了扁桃酸及其甲酯和乙酯对映体。阮源萍等采用自行研制的2,6－O－戊基－β－环糊精涂渍Symmetry C8色谱柱，以反相高效液相色谱模式研究了扁桃酸及其类似物等一种外消旋对映体的色谱拆分，取得了较好的拆分效果。
　　（3）其它拆分法
　　唐课文等人用手性配体（ Cu2+ 和N－n－十二烷基－L－羟基脯氨酸）选择性萃取分离了扁桃酸对映体。研究表明N－n－十二烷基－L－羟基脯氨酸适合萃取分离扁桃酸对映体, 具有较大的分配系数和分离因子，对R－扁桃酸对映体萃取能力大于对S－扁桃酸对映体。唐课文等以疏水性L－酒石酸酯为手性选择体,研究了D/L扁桃酸对映体在水－有机溶剂两相体系中的萃取分配行为, 立体选择性萃取分离扁桃酸对映体。
　　Billiet等以γ－CD为手性选择剂，采用毛细管电泳分离扁桃酸对映体，分离度为1.55。许宏琪曾选用含HP－β－CD的Tris－硼酸缓冲液分离扁桃酸，但未详细说明拆分条件及分离度。黄雅燕等人以羟丙基－β－环糊精为手性选择剂，以100mmol/l Tris－磷酸，pH 7.6，150g/l HP－β－CD的运行缓冲液能很好拆分扁桃酸，分离度R为1.29。该法可同时检测生物转化发酵样品中的苯乙酮酸和R,S－扁桃酸2个对映体含量，经济、快速、简便，具有良好的精密度和线性关系。 

　　总之，扁桃酸及其衍生物由于有广泛的应用而倍受重视，目前国际市场上扁桃酸需求约以年均10%左右速度增长，尤其是单一性扁桃酸化合物需求增长速度更快，成为热点的精细 化工中间体，因此人们从不同的角度对其合成作了大量研究，找到了很多实用的路线，相信以后会有更简便，更有效的方法出现。