(R)-3-氨基丁醇合成技术新进展

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光学活性的(R)-3-氨基丁醇(其结构见图1)是许多手性药物的关键中间体[1,2],如抗肿瘤药物4-甲基环磷酰胺的关键中间体,它可以衍生为β-内酰胺,成为合成青霉烯类抗生素的重要中间体。

(R)-3-氨基丁醇还是抗HIV药物度鲁特韦(Dolutegr-avir)的关键中间体。度鲁特韦是英国制药巨头葛兰素史克(GSK)旗下抗HIV新药,2013美国FDA批准用于既往已治疗过、或初治HIV-1成人和12岁及以上、体重大于40千克的儿童感染者。凭借优异的疗效和安全性,度鲁特韦成为年销售额达数十亿美元的重磅药物。

在度鲁特韦的合成过程中,(R)-3-氨基丁醇的手性纯度决定了后续中间体的纯度,对合成高质量的度鲁特韦起着举足轻重的作用。因此开发具有高纯度、低成本的(R)-3-氨基丁醇的合成路线是降低度鲁特韦原料药成本,推广其应用范围的关键。

目前文献报道的制备方法多达十余种,通过路线和工艺创新,(R)-3-氨基丁醇的合成在光学纯度、收率和成本等方面均取得了显著发展,本文将重点介绍其最新的合成方法。

1.化学合成技术研究进展

(1)手性原料直接合成法

N.A.Grigorenko等[3]提出了由手性的3-氨基丁酸酯还原制备(R)-3-氨基丁醇的方法,合成路线见图2,使用LiAlH4具有一定的危险性,且还原效率不高。美国专利US2 0100063294[4]提供了一种Ru催化剂配合物,高效实现了3-氨基丁酸酯的还原。该方法步骤少,但手性原料价格昂贵,且不易获取,不适合工业化。

葛兰素史克公司[5]通过手性酰胺一步加氢实现(R)-3-氨基丁醇的制备,见图3,但该手性酰胺仍存在原料价格昂贵、不易获取的缺点。

M.Achmatowicz等[6]报道了以手性的丙氨酸为起始原料,保护氨基,以重氮甲烷增长碳链变为β-氨基酸酯,然后脱除保护基得目标产物,反应原理见图4。该方法使用的重氮甲烷非常危险,难以工业生产。

(2)拆分法

文献[1]公开了以巴豆酸酯为原料,与手性苯乙胺反应,生成具有两个手性中心的一组非对映异构体,通过硅胶柱分离后得到单一的异构体,然后通过酯还原、脱苄得到(R)-3-氨基丁醇,反应过程如图5所示。该方法步骤较多,且使用硅胶柱层析分离非对映异构体,不利于工业化放大生产。

专利CN101417954B[7]介绍了以乙酰乙酸酯和手性苯乙胺反应,生成3-(1’-甲基苄胺)-2-丁烯酸酯非对映异构体3-(1’-甲基苄胺)-2-丁烯酸酯;用三醋酸硼氢化钾将其还原成3-(1’-甲基苄胺)-丁酸酯非对映异构体;然后成盐拆分得到手性纯的3-(1’-甲基苄胺)-2-丁酸酯;该酯经催化还原脱苄后得光学纯3-氨基丁醇,详见图6。该工艺较为复杂,总收率较低。

专利CN106966912B[8]以3-(Boc-氨基)丁酸为起始原料,经手性拆分、硼氢化钠和路易斯酸还原、最后脱保护得到(R)3氨基丁醇,详见图7。该路线所用的原料价廉易得,反应条件温和,工艺稳定性良好,但拆分收率低,使用路易斯酸也将造成废水处理困难。

专利CN107805205A[9]开发了一种仅通过两步还原、一步拆分的制备方法,详见图8。该方法首先通过(R)‑1‑甲基苄胺与丁酮醇发生氨化还原反应,得到3‑(1‑甲基苄胺)‑丁醇消旋体;然后拆分得到(R,R)‑3‑(1’‑甲基苄胺)‑丁醇,最后经脱苄还原,得到(R)‑3‑氨基丁醇。该工艺采用工业上较为成熟的Pd/C催化氢化和酒石酸拆分,Pd/C催化剂和酒石酸均可实现回收套用,产生三废少、工艺简单,但所用手性苯胺价格昂贵,在一定程度上限制了工业化生产。

(3)不对称氢化法

吴生文等[10]提供了一种以乙酰乙酸酯为原料,经乙酸铵缩合得到烯胺中间体,后经铑催化剂选择性氢化得到(R)-3-氨基丁酸酯,获得手性,再水解得(R)-3-氨基丁酸,最后经路易斯酸和硼氢化钠的催化还原,获得(R)-3-氨基丁醇,反应路线见图9。

该方法虽然可以通过不对称氢化得到手性源,但是水解工序带来大量的废酸,使用较大当量的路易斯酸催化还原,产生高浓度含盐废水,处理成本高,在一定程度上限制了该工艺的工业化应用。

2.生物合成技术研究进展

(1)重组D-氨基酸脱氢酶催化

专利CN201410372024.X[11]和CN201410375457.0[12]提供了一种(R)-3-氨基丁醇的生物制备方法。首先通过基因工程制备D-氨基酸脱氢酶基因工程菌,后将该工程菌进行培养、提取得到重组D-氨基酸脱氢酶,最后以丁酮醇为原料,经重组D-氨基酸脱氢酶催化反应获得(R)-3-氨基丁醇产品,反应原理如图10所示。该方法采用“一锅煮”式酶催化反应,反应产物易于分离,转化率达到95%以上,收率大于85%,且所需重组D-氨基酸脱氢酶可通过发酵大量生产,适于工业生产应用。

(2)天冬氨酸酶催化

孙传民等[13]利用生物酶法实现了高效、高立体选择性的制备(R)‑3‑氨基丁酸,(R)‑3‑氨基丁酸再经成熟的还原工艺即可得到(R)-3-氨基丁醇,反应原理见图11。该方法使用来自大肠杆菌、具有立体异构催化活性的天冬氨酸酶,将丁烯酸高效地转化为R‑3‑氨基丁酸,反应24h后转化率高达≥98%,ee值≥99.9%,显示出转化效率高,反应时间短,生产成本低,工艺简单、适合进行大生产等诸多优点,显示出较佳的工业化应用前景。

杨卫华等[14]对重组天冬氨酸酶催化工艺进行了改进,以巴豆酸、铵盐为底物,加入含有镁离子的盐,调节pH后加入重组天冬氨酸酶作为催化剂,在适宜温度和碱性条件下反应,反应后经分离、纯化、结晶,获得R‑3‑氨基丁酸。该方法通过控制反应体系的铵根离子,控制了逆反应并减少副产物的生成;利用微滤和纳滤截留菌泥、酶蛋白、硫酸根离子以及色素等杂质,通过连续浓缩结晶,获得光学纯度不低于99.95%的优质产品,产品收率高于85%。

杨卫华等[15]又在此基础上对该工艺系统进行了优化。通过发酵罐、陶瓷膜和连续浓缩结晶装置的合理连接,可进行多次浓缩结晶从而得到高纯度的产品,结晶产生的蒸馏水可用于过滤装置的清洗,使水资源得到合理利用。

(3)转氨酶催化

Khatik等[16]以4-羟基-2-丁酮为原料,通过一步转氨酶催化合成(R)-3-氨基丁醇。该转氨酶可将供体分子中的氨基转移到受体分子中的羰基上,编号为ATA-301、Evo-1.2. 135、Evo-1.2.137等的转移酶表现出非常理想的选择性。美中不足的是作者并未报道相关转氨酶的制备方法。

汤晓玲等[17]对转氨酶技术进行了发展,开发了一种以丁酮醇为原料,经转氨酶催化合成(R)‑3‑氨基丁醇的技术,合成原理如图12所示。此转氨酶来自放线菌、突变体和重组菌。所需的重组转氨酶可通过构建大肠杆菌基因工程菌,然后通过发酵大量制备,相对廉价易得。此反应为底物和酶的“一锅煮”式反应,直接得到(R)‑3‑氨基丁醇。所用原料丁酮醇价廉易得,工业成本低。该工艺开发的转氨酶突变体比野生型具有更优良的催化活性,在最优体系下,对100mM底物的转化率达90%,ee值达到99.9%;对500mM底物的转化率达到78%,ee值达到99.9%,与野生型相比较,对底物转化率分别提高了12%‑25%。

3.结语与展望

(R)-3-氨基丁醇具有手性结构,化学合成过程中基本都涉及手性诱导或手性拆分,而这两种方法在手性翻转时对反应条件要求苛刻,所用原料通常涉及危险化学品,且产生大量的三废;手性翻转由于选择性差,副产物较多,提纯分离复杂,导致化学合成法收率较低、产品光学纯度低、生产成本普遍偏高。

生物催化合成技术具有反应条件温和、效率高、立体和区域选择性强、环境友好等特点,在医药工业中受到广泛关注。此外,利用理性设计和定向进化对生物催化剂进行分子改造,提高催化剂的活性、立体选择性等催化属性。通过对酶法反应装置的优化改进,使其能够更好地实现规模化生产。对于(R)-3-氨基丁醇的合成,生物催化合成技术具有显著优势,目前有关生物催化合成(R)-3-氨基丁醇的报道日渐增多,将逐步替代化学合成,成为(R)-3-氨基丁醇生产的主流技术。

摘要：光学活性的(R)-3-氨基丁醇是许多手性药物的关键中间体,在合成抗癌药、抗生素及抗艾滋病药物度鲁特韦等领域有广泛应用。文章从化学合成法和生物酶催化法两方面对(R)-3-氨基丁醇的最新合成技术进行了综述,重点介绍了生物酶催化法。文章评述了不同工艺的优缺点,并展望了未来的研究方向。

关键词：(R)-3-氨基丁醇,度鲁特韦,拆分,酶催化

参考文献

[1] Ryszard Kinas,Krzysztof Pankiewicz,Wojciech J.Stec et al.J.Org.Chem.,1997,42(9):1650-1652.

[2] Tatsuya Shone,Naoki Klse,Fumio Sanda,et al.Tetrahe-dron Letters,1988,29(2):231-234.

[3] N.A.Grigorenko,J.Vepsalainen,A.Jarvinen,et al.Russian Journal of Bioorganic Chemistry,2004,30(4):396-399.

[4] Kuriyama Wataru,Ino Yasunori,Ogata OsamuS.Alcohol production method by reducing ester of lactone with hydr-ogen[P].US:20100063294,2009-09-03.

[5] Wan,Zehong,Zhang,Xiaomin.Bicyclicpyrimidone compou-nds as inhibitors of LP-PLA2[P].WO2014114249,2014-01-23.

[6] Michał Achmatowicz,Agnieszka Szumna,Tomasz Zielinski et al.Tetrahedron.2005,(61):9031-9041.

[7] 林靖,林志刚,阙利民.一种光学纯的3-氨基丁醇的制备方法[P].CN101417954B,2007-10-23.

[8] 刘劲松,王平,于淑玲,等.(R)-3-氨基丁醇的制备方法[P].CN106966912B,2017-04-01.

[9] 娄斌辉,陈晓阳,陈志荣,等.一种(R)‑3‑氨基丁醇的制备方法[P].CN107805205A,2017-11-10.

[10] 吴生文,田重威,胡四明,等.一种光学活性的3‑氨基丁醇和3‑氨基丁酸的制备方法[P].CN104370755B,2014-09-22.

[11] 范文超,丁鹏.一种R‑3‑氨基丁醇的生产方法[P].CN20141 0372024.X,2014-07-31.

[12] 范文超,丁鹏.一种R-3-氨基丁醇的生物制备方法[P].CN1 04131048A,2014-08-01.

[13] 孙传民,程占冰,焦江华,等.酶法制备R-3-氨基丁酸的方法[P].CN109576317A,2017-09-29.

[14] 杨卫华,张飞龙,钱敏帆,等.一种R-3-氨基丁酸的制备方法[P].CN108374027B,2018-03-09.

[15] 杨卫华,张利坤,葛文强,等.一种酶催化合成(R)-3-氨基丁酸、胍基丁胺硫酸盐的工艺系统[P].CN208308872U,2018-04-16.

[16] A.G.Khatik,M.Husain.Enzymatic process for the pre-paration of(R)-3-aminobutan-1-OL,useful in preparation of dolutegravir[P].WO2018020380A1,2017-07-21.

[17] 汤晓玲,郑裕国,郑仁朝,等.一种源自放线菌的转氨酶、突变体、重组菌及应用[P].CN108823179A,2018-06-30.

[18] 高浩凌.(R)-3-氨基-4-芳基丁酸的合成及其在西他列汀合成上应用[D].浙江工业大学,2017.

[19] 毛龙飞,郭敏,毛伸,姜玉钦,李伟,徐桂清.(R)-3-氨基丁醇的合成研究[J].化学研究与应用,2017,29(10):1544-1548.

[20] Weiming Liu,Yi Hu,Ling Jiang,Bin Zou,He Huang.Synthesis of methyl (R)-3-(4-fluorophenyl)glutarate via enzymatic desymmetrization of a prochiral diester[J].Pro-cess Biochemistry,2012,47(7).

[21] Ben Ali Abdelkader,El Bakri Youness,Lai ChinHung,Sebhaoui Jihad,El Ghayati Lhoussaine,Essassi El Mokhtar,Mague Joel T.Crystal structure,computational study and Hirshfeld surface analysis of ethyl(2S,3R)-3-(3-amino-1 H-1,2,4-triazol-1-yl)-2-hy-droxy-3-phenyl-propano-ate.[J].Acta crystallographica.Section E,Crystallographic communic-ations,2019,75(Pt 12).

[22] Ian Egle,Neil MacLean,Lidia Demchyshyn,Louise Edw-ards,Abdelmalik Slassi,Ashok Tehim.(R)-3-(N-Methylpyr-roli-din-2-ylmethyl)-5-(1,2,3,6-tetrahydropyridin-4-yl)-1H-indole derivatives as high affinity h5-HT 1B/1D ligands[J].Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters,2003,13(20).