微生物细胞非水相催化羰基化合物的不对称还原

论文摘要

在许多领域中,尤其是在药物工业领域,获得单一对映体纯的手性化合物是非常必要的。具有光学活性的卤代β-羟基酯和1-苯乙醇衍生物是合成多种手性药物和其他生物活性化合物的重要砌块。结合非水相生物催化的优势利用微生物细胞催化不对称还原羰基化合物可以有效地制备这些手性醇。建立了用气相色谱法测定手性醇对映体纯度的方法。用β-环糊精（β-CD）手性固定相在气相色谱上分离了乙酰化的4-氯-3-羟基丁酸乙酯,考察了色谱条件对分离的影响。然后拆分了各种外消旋醇,测定并计算热力学数据。结果表明,载气流速、柱温、程序升温速率、起始温度维持时间和进样量对对映体在β-CD上的分离有明显影响;芳基醇无需衍生化普遍能得到较好的分离,β-CD固定相对芳基醇的手性识别明显要优于直链羟基酸酯。通过热力学数据的分析认为,色谱分离过程中存在焓-熵补偿,这些化合物在β-CD固定相上的拆分机理是基本一致的。考察了有机溶剂对微生物细胞的毒性。不同有机溶剂对出芽短梗霉GCMCC 1244细胞的毒性各异,毒性大小与疏水性参数logP存在相关性,logP从3到5是有机溶剂对出芽短梗霉细胞有毒到无毒的过渡区;海藻酸钙细胞固定化可以减少有机溶剂对其的毒害作用;不同生长阶段的微生物细胞对有机溶剂的毒性反应不同,快速生长期（12 h）的细胞较敏感。同一有机溶剂对枯草芽孢杆菌的毒性比出芽短梗霉和酵母要小,后两种微生物的毒性反应相近。在水/有机溶剂两相体系中用出芽短梗霉GCMCC 1244细胞催化4-氯乙酰乙酸乙酯（COBE）制备（S）-4-氯-3-羟基丁酸乙酯（CHBE）。CHBE在水溶液中比较稳定,而COBE容易被分解;两者对微生物细胞都有毒害作用,其中COBE的毒性要大于CHBE;邻苯二甲酸二丁酯是组成水/有机溶剂两相体系的最适有机相,在两相体系中可获得较高的摩尔转化率、光学纯度和产物在有机相中的浓度。通过考察各种影响因素如相体积比、振摇速度、生物量/底物量比、温度以及pH发现,这些因素对反应的摩尔转化率和反应初速度有明显影响,但对产物的光学纯度的影响很小。经过条件优化后,有机相产物浓度可以达到58.2 g/L,总摩尔转化率可以达到93.2%,光学纯度大于97%e.e.;固定化细胞反复利用不理想,COBE还原酶活力的损失并不是最主要的原因,而主要是因为固定化细胞经过反应后脱氢酶活力和还原酶的辅酶浓度大幅下降的缘故,影响了辅酶再生。筛选得到一株能高立体选择地催化还原TFAAE的菌株Saccharoinyces uvarum SW 58,在水/邻苯二甲酸二丁酯两相体系中可以得到较好的结果,优化条件下,摩尔转化率和产物的光学纯度分别可达85.1%和85.4%e.e.;添加合适的共底物、丙稀基溴处理细胞和用冻干细胞可以改善反应的立体选择性,细胞热处理对反应不利。用4种微生物分别在水相体系和水/有机溶剂两相体系催化还原了10种苯烷酮化合

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 关于不对称合成
• 1.1.1 手性和手性的意义
• 1.1.2 不对称合成制备手性化合物
• 1.2 关于非水相生物催化
• 1.2.1 非水相酶催化
• 1.2.2 非水相中的微生物整细胞催化
• 1.3 关于非水相微生物不对称还原羰基化合物
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 生物催化羰基不对称还原的反应机理
• 1.3.3 氢供体与辅酶再生
• 1.3.4 有机相中微生物细胞催化羰基不对称还原反应的一般形式
• 1.3.5 改善生物催化羰基不对称还原反应立体选择性的方法
• 1.4 生物催化还原制备α-卤代手性醇的研究进展
• 1.4.1 关于光学活性4-氯-3-羟基丁酸乙酯
• 1.4.2 关于（R）-4,4,4-三氟-3-羟基丁酸乙酯
• 1.4.3 关于光学活性的α-卤代-1-苯乙醇衍生物
• 1.5 本论文的研究意义和主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 手性化合物对映体纯度测定方法的建立
• 2.1 前言
• 2.1.1 手性化合物对映体纯度的测定方法
• 2.1.2 手性固定相——环糊精衍生物
• 2.1.3 气相色谱对映体分离的热力学和机理
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 色谱条件优化
• 2.3.2 手性醇及其衍生物在β-CD 上的拆分、热力学参数计算和分离机理的研究
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 有机溶剂对相关微生物细胞毒性的研究
• 3.1 前言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同有机溶剂对出芽短梗霉CGMCC1244 细胞的毒性
• 3.3.2 有机溶剂的生物相容性与logP 值的关系
• 3.3.3 有机溶剂的分子毒性和相毒性
• 3.3.4 有机溶剂对固定化细胞和游离细胞活力保留影响的比较
• 3.3.5 细胞形态的观察
• 3.3.6 有机溶剂对不同生长期细胞的毒性
• 3.3.7 有机溶剂对不同菌种的毒性比较
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 水/有机溶剂两相体系中微生物细胞催化不对称还原4-氯乙酰乙酸乙酯
• 4.1 前言
• 4.1.1 制备光学活性4-氯-3-羟基丁酸乙酯的意义
• 4.1.2 制备光学活性CHBE 的方法
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 水溶液体系中的还原反应
• 4.3.2 底物和产物对微生物细胞糖代谢的影响
• 4.3.3 有机溶剂的选择
• 4.3.4 水/有机溶剂两相体系与水相体系的还原反应过程比较
• 4.3.5 水/有机溶剂两相体系中不对称还原反应的影响因素
• 4.3.6 pH控制下不同底物量的还原
• 4.3.7 两相体系中分批流加底物的反应
• 4.3.8 水/有机溶剂两相体系中固定化细胞催化COBE 的不对称还原
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 水/有机溶剂两相体系中微生物细胞催化不对称还原 4,4,4-三氟乙酰乙酸乙酯
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 菌种的筛选
• 5.3.2 有机溶剂对催化不对称还原制备（R）-TFHBE 的影响
• 5.3.3 相体积比对催化不对称还原制备（R）-TFHBE 的影响
• 5.3.4 振摇速度对催化不对称还原制备（R）-TFHBE 的影响
• 5.3.5 生物量/底物量比值对催化不对称还原制备（R）-TFHBE 的影响
• 5.3.6 温度对催化不对称还原制备（R）-TFHBE 的影响
• 5.3.7 pH 对催化不对称还原制备（R）-TFHBE 的影响
• 5.3.8 在两相体系和水溶液体系中催化不对称还原制备（R）-TFHBE 反应的比较
• 5.3.9 辅助底物对催化不对称还原制备（R）-TFHBE 的影响
• 5.3.10 抑制剂对催化不对称还原制备（R）-TFHBE 的影响
• 5.3.11 冻干细胞催化不对称还原TFAAE
• 5.3.12 细胞热处理
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 水/有机溶剂两相体系中微生物细胞催化还原苯烷酮
• 6.1 前言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 材料
• 6.2.2 方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 微生物细胞催化苯乙酮衍生物的还原
• 6.3.2 水/有机溶剂两相体系中微生物细胞催化2-氯苯乙酮还原的条件研究
• 6.4 小结
• 参考文献
• 论文主要结论
• 论文创新点
• 致谢
• 博士在读期间已发表（含待发表）论