酶法制备S-西酞普兰关键中间体及动力学研究

论文摘要

西酞普兰对5-羟色胺再摄取的抑制活性主要依赖于S-对映体。S-西酞普兰作为单一对映体药物上市,由于具有低剂量、高疗效等优点,日渐取代消旋西酞普兰,成为最畅销的抗抑郁症药物之一。本文重点研究S-西酞普兰的制备,以西酞普兰关键中间体的拆分为主线,开展了以下四个方面的工作:1.脂肪酶催化转酯化及醇解反应拆分西酞普兰关键中间体,研究拆分过程的动力学并建立模型;2.拆分后底物与产物的分离;3.无效对映体的利用;4.S-西酞普兰的制备及工艺路线放大。首先,研究有机相中脂肪酶催化转酯化反应与醇解反应两条途径远程拆分西酞普兰二醇中间体,并分别建立动力学模型。结果表明转酯化反应的拆分效果优于醇解反应。研究脂肪酶催化转酯化反应远程拆分西酞普兰二醇中间体及动力学。通过筛选,确定Novozym 435为实验用酶,乙酸乙烯酯为酰基供体,乙腈为溶剂。考察了各种因素的影响以及酶的重复利用,确定较优的反应条件为:二醇浓度60mmol/L,二醇与乙酸乙烯酯比例为1:5,酶浓度为10 mg/mL,摇床转速250 r/min,温度30℃。反应22 h后,e.e.s可以达到99.1%,S-二醇收率为40.4%,酶的半衰期可达364.8 h。研究无溶剂体系（乙酸乙烯酯为溶剂）中酶催化转酯化反应动力学。通过计算Thiele模量及Biot数,确定该反应体系中可忽略内、外扩散的影响。实验表明,二醇的R-,S-对映体均对酶产生抑制,产物抑制及酶的失活可以忽略。因此,该反应符合具有底物竞争性抑制的双底物双产物乒乓-双双反应机制。根据反应机理推导动力学方程,并考虑自酯化反应的影响,分别得到R-,S-二醇乙酸酯的反应速率方程。利用Matlab程序对不同底物浓度的时间-浓度过程曲线进行拟合得到模型参数。模型计算值与实验数据能较好的吻合,误差为12.8%。所得模型可较准确预测底物浓度对反应选择性的影响。研究脂肪酶催化醇解反应拆分西酞普兰二醇乙酸酯中间体及其动力学。通过筛选酶、酰基受体及溶剂,确定反应体系为:Novozym 435为实验用酶,异丁醇为酰基受体,溶剂为乙腈与甲基叔丁基醚的混合溶剂（MEBT/MeCN=1:3）;考察各种因素对反应的影响,并优化反应条件。研究表明,酶催化醇解反应符合可逆的竞争性底物及产物抑制乒乓-双双反应机理。根据反应机理推导动力学方程,分别得到R-,S-二醇的反应速率方程。对不同底物浓度的时间-浓度过程曲线进行拟合得到模型参数,模型的计算值与实验数据吻合,误差为11.3%。其次,通过衍生化-萃取法分离拆分所得到的手性二醇及二醇乙酸酯。选用丁二酸酐作为衍生化试剂对二醇进行衍生化,通过筛选确定了甲苯-水相体系为二醇衍生物和二醇乙酸酯的较佳萃取分离体系。考察水相pH值及二醇乙酸酯浓度对分离的影响,得到较优的萃取条件为:水相pH 8.0,二醇乙酸酯初始浓度为10mmol/L,温度25℃。在此萃取条件下,二醇乙酸酯的分配系数为157.7。以S-二醇（ee值为99.5%）与二醇乙酸酯的混合物为原料,经过三次萃取,可分离得到ee值为98.4%的S-二醇,收率为86.0%。该衍生化-萃取法成本低,易放大,可为其他手性芳香胺醇的分离提供思路。第三,结合二次拆分与构型翻转对无效的R-二醇进行利用。将一次拆分后得到的光学纯度较低的二醇乙酸酯水解为二醇后进行二次转酯化拆分。利用动力学模型预测二次拆分过程,并通过实验验证发现控制反应转化率为20.8%,可得到ee值为91.2%的R-二醇乙酸酯。所得的R-二醇乙酸酯在酸性条件下闭环,构型翻转得到ee值为91.0%的S-西酞普兰,收率为98.0%。以ee值为98.2%的S-二醇为原料,在碱性条件下构型保持闭环合成S-西酞普兰,ee值为98.0%,产率为97.8%。最后,逐级放大酶催化转酯化反应并研究S-西酞普兰制备总工艺路线的放大。结合动力学模型预测与实验放大,将酶催化转酯化的反应体积逐步放大到1L和14L,实验结果表明酶催化转酯化反应没有明显的放大效应。研究S-西酞普兰制备的总工艺路线并进行小试放大,为工业化生产奠定基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 西酞普兰简介
• 1.1.1 抑郁症
• 1.1.2 抗抑郁药物
• 1.1.3 西酞普兰
• 1.1.4 西酞普兰的化学合成路线
• 1.1.5 单一西酞普兰对映体的制备
• 1.2 非水相酶催化反应
• 1.2.1 非水介质中酶的催化反应及其特征
• 1.2.2 非水相体系中脂肪酶催化活性与对映选择性调节的研究进展
• 1.3 生物催化在手性抗抑郁症药物制备中的应用
• 1.4 本文研究思路
• 第二章 有机溶剂中脂肪酶催化转酯化反应拆分西酞普兰中间体
• 2.1 引言
• 2.1.1 手性叔醇的拆分
• 2.1.2 远程拆分
• 2.2 实验材料和方法
• 2.2.1 化学试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验方法与分析方法
• 2.3 酶的筛选
• 2.4 酰基供体的筛选
• 2.5 溶剂的筛选
• 2.6 乙腈体系中脂肪酶催化转酯化反应的条件考察
• 2.6.1 温度对反应的影响
• 2.6.2 摇床转速的影响
• 2.6.3 酶浓度对反应的影响
• 2.6.4 底物二醇与乙酸乙烯酯的摩尔比对反应的影响
• 2.6.5 二醇浓度对反应的影响
• 2.6.6 酶的重复利用情况
• 2.6.7 优化条件下的反应过程曲线
• 2.7 本章小结
• 第三章 无溶剂体系中脂肪酶催化转酯化拆分西酞普兰中间体及其动力学研究
• 3.1 引言
• 3.1.1 双—双反应机制（Bi-Bi Reaction Mechanism）
• 3.1.2 脂肪酶CAL-B催化转酯化的反应机理
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 化学试剂及实验仪器
• 3.2.2 实验方法与分析方法
• 3.3 无溶剂体系中脂肪酶催化转酯化拆分西酞普兰中间体
• 3.3.1 底物抑制与产物抑制的考察
• 3.3.2 酶稳定性的考察
• 3.3.3 扩散的影响
• 3.4 脂肪酶催化转酯化拆分西酞普兰的反应机理
• 3.4.1 乒乓-双双反应（Ping Pong Bi-Bi Reaction）
• 3.4.2 反应动力学模型的推导
• 3.4.3 反应动力学参数拟合
• 3.4.4 动力学模型的应用
• 3.5 本章小结
• 第四章 有机溶剂中脂肪酶催化醇解反应拆分西酞普兰中间体及其动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料和方法
• 4.2.1 化学试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验方法与分析方法
• 4.3 溶剂体系中脂肪酶催化醇解反应拆分消旋二醇乙酸酯的研究
• 4.3.1 酶的筛选
• 4.3.2 底物醇的筛选
• 4.3.3 溶剂的筛选
• 4.3.4 温度的影响
• 4.3.5 酶浓度的影响
• 4.3.6 底物浓度的影响
• 4.3.7 产物浓度的影响
• 4.3.8 内外扩散的影响
• 4.4 脂肪酶催化醇解反应拆分二醇乙酸酯的动力学研究
• 4.4.1 反应机理与动力学模型建立
• 4.4.2 反应动力学参数拟合
• 4.5 本章小结
• 第五章 二醇和二醇乙酸酯的液-液萃取分离及无效对映体利用
• 5.1 引言
• 5.1.1 萃取分离
• 5.1.2 二次拆分
• 5.1.3 非目标对映体的利用
• 5.2 实验材料和方法
• 5.2.1 化学试剂
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 实验方法与分析方法
• 5.3 萃取体系的筛选
• 5.3.1 双有机相萃取体系
• 5.3.2 衍生化试剂的筛选
• 5.3.3 有机相-水相萃取体系
• 5.4 萃取条件优化
• 5.4.1 水相pH对萃取分离的影响
• 5.4.2 二醇乙酸酯浓度对萃取分离的影响
• 5.4.3 实际萃取分离过程
• 5.5 无效的R-对映体的利用
• 5.5.1 二次拆分的模拟预测
• 5.5.2 二次拆分的实验验证
• 5.5.3 R-二醇的构型翻转闭环
• 5.5.4 S-二醇的构型保持闭环
• 5.6 本章小结
• 第六章 S-西酞普兰制备工艺
• 6.1 引言
• 6.2 实验材料和方法
• 6.2.1 化学试剂
• 6.2.2 分析方法
• 6.2.3 实验仪器
• 6.3 酶法拆分西酞普兰二醇中间体的工艺路线放大
• 6.4 西酞普兰拆分的工艺路线
• 6.4.1 酶催化转酯化反应
• 6.4.2 液-液萃取分离二醇与二醇乙酸酯
• 6.4.3 二次拆分
• 6.4.4 无效对映体利用
• 6.4.5 S-二醇的构型保持闭环
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议与展望
• 参考文献
• 主要符号注释表
• 博士期间的研究成果
• 作者简介