Научная статья на тему 'Энантиоселективный гидролиз бутилового эфира a-аминомасляной кислоты в присутствии Novozym 435'

Энантиоселективный гидролиз бутилового эфира a-аминомасляной кислоты в присутствии Novozym 435 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
245
18
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
A-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА / БУТИЛОВЫЙ ЭФИР A-АМИНОМАСЛЯНОЙ КИСЛОТЫ / NOVOZYM 435 / ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ / ЭНАНТИОМЕРЫ / A-AMINOBUTYRIC ACID / BUTYL ESTER OF A-AMINOBUTYRIC ACID / ENANTIO-SELECTIVE HYDROLYSIS / ENANTIOMERS

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Ленкова А. О., Зорин А. В., Чанышева А. Р., Гельмель К. В., Файзуллина Г. А.

На примере a -аминомасляной кислоты исследована возможность получения энантиомерно чистых a -аминокислот с участием биокатализатора Candida Antarctica (CAL-B) (Novozym 435) путем парциального гидролиза ее бутилового эфира. Установлено, что энантиоселективный гидролиз рацемического бутилового эфира a -аминомасляной кислоты в присутствии ферментного препарата Novozym 435 приводит к образованию R -(-)a -аминомасляной кислоты и бутилового эфира S -(+)a -аминомасляной кислоты с выходами 72 и 94 % от теоретического и оптической чистотой 84% ее и 61% ее, соответственно.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ENANTIOSELECTIVE HYDROLYSIS OF BUTYL ESTER OF a-AMINOBUTYRIC ACID IN THE PRESENCE OF NOVOZYM 435

The possibility of obtaining of enantiomerically pure a -amino acids using a -aminobutyric acid in the presence of biocatalyst Candida Antarctica (CAL-B) (Novozym 435) by partial hydrolysis of its butyl ester is investigated. It is found that the enantioselective hydrolysis of racemic butyl ester of a -aminobutyric acid in the presence of Candida antarctica lipase (Novozym 435) leads to the formation of R -(-)a -aminobutyric acid and butyl S -(+)a -aminobutyrate with 72 and 94 % yields (of theory) respectively and an optical purity of 84% ee and 61% ee, respectively.

Текст научной работы на тему «Энантиоселективный гидролиз бутилового эфира a-аминомасляной кислоты в присутствии Novozym 435»

УДК 547.466.24

А. О. Ленкова (асп.), А. В. Зорин (к.х.н., в.н.с.), А. Р. Чанышева (к.х.н., доц.), К. В. Гельмель (магистрант), Г. А. Файзуллина (магистрант), В. В. Зорин (чл.-корр. АН РБ, д.х.н., проф., зав. каф.)

ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ БУТИЛОВОГО ЭФИРА а-АМИНОМАСЛЯНОЙ КИСЛОТЫ В ПРИСУТСТВИИ NOVOZYM 435

Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра биохимии и технологии микробиологических производств 450062, РБ, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431935, e-mail: chemist.518@mail.ru

A. O. Lenkova, A. V. Zorin, A. R. Chanysheva, K. V. Gelmel, G. A. Faizullina, V. V. Zorin

ENANTIOSELECTIVE HYDROLYSIS OF BUTYL ESTER OF a-AMINOBUTYRIC ACID IN THE PRESENCE

OF NOVOZYM 435

Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431935, e-mail: chemist.518@mail.ru

На примере а-аминомасляной кислоты исследована возможность получения энантиомерно чистых а-аминокислот с участием биокатализатора Candida Antarctica (CAL-B) (Novozym 435) путем парциального гидролиза ее бутилового эфира. Установлено, что энантиоселективный гидролиз рацемического бутилового эфира а-аминомасля-ной кислоты в присутствии ферментного препарата Novozym 435 приводит к образованию ^-(-)-а-аминомасляной кислоты и бутилового эфира 54+)-а-аминомасляной кислоты с выходами 72 и 94 % от теоретического и оптической чистотой 84% ее и 61% ее, соответственно.

Ключевые слова: а-аминомасляная кислота; бутиловый эфир а-аминомасляной кислоты; Novozym 435; энантиоселективный гидролиз; энантиомеры.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания.

The possibility of obtaining of enantiomerically pure a-amino acids using a-aminobutyric acid in the presence of biocatalyst Candida Antarctica (CAL-B) (Novozym 435) by partial hydrolysis of its butyl ester is investigated. It is found that the enantioselective hydrolysis of racemic butyl ester of a-aminobutyric acid in the presence of Candida antarctica lipase (Novozym 435) leads to the formation of _R-(-)-a-aminobutyric acid and butyl 5-(+)-a-aminobutyrate with 72 and 94 % yields (of theory) respectively and an optical purity of 84% ee and 61% ee, respectively.

Key words: a-aminobutyric acid; butyl ester of a-aminobutyric acid; Novozym 435; enantio-selective hydrolysis; enantiomers.

This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of Russia in the framework of the state task.

Энантиомерно чистые а-аминокислоты и их производные являются фармакозначимыми соединениями и широко используются при создании лекарственных препаратов 1-3.

Существуют различные синтетические и

биосинтетические подходы к синтезу а-амино-1 4

кислот ' .

Привлекательным и перспективным методом получения а-аминокислот является прямая функционализация енолятов ацилатов под действием хлораминов 5, а также вовлечение

Дата поступления 08.10.16

енолятов ацилатов в реакцию аминирования под действием метоксиамина 6. Однако, выходы целевых а-аминокислот при использовании этих методов не превышают 10—33 %.

Другой перспективный подход к синтезу а-аминокислот, описанный на примере а-ами-номасляной кислоты, включает двухстадий-ную схему, в которой первоначально осуществляют оксиминирование енолятов бутирата лития под действием изобутилнитрита 7 и затем восстановление а-оксиминомасляной кислоты с помощью хлорида олова до рацемической а-аминомасляной кислоты .

Нами с целью разделения энантиомеров а-аминомасляной кислоты была исследована возможность осуществления парциального гидролиза ее бутилового эфира в присутствии ферментного препарата на основе Candida Antarctica (CAL-B) (Novozym 435) по схеме 1.

Синтез а-аминомасляной кислоты и ее бутилового эфира был осуществлен по извест-

7 9

ным методикам .

Установлено, что ферментативный гидролиз бутилового эфира а-аминомасляной кислоты (1) при 20—25 оС в присутствии ферментного препарата Novozym 435 в течение 46 ч приводит к образованию R-(—)- а-аминомасляной кислоты (3) с выходом 36% (72% от теоретического) и оптической чистотой 84% ее (по данным поляриметрических исследований) и бутилового эфира S-(+)- а-аминомасляной кислоты (2) c выходом 47% (94% от теоретического) и оптической чистотой 61% ее (по данным энантиоселективного ГЖХ анализа). С увеличением продолжительности гидролиза оптическая чистота несколько снижается, вследствие медленного гидролиза бутилового эфира S-(+)-а-аминомасляной кислоты.

Строение продуктов подтверждено спектральными методами ЯМР 1Н и С и ХМС.

Экспериментальная часть

Спектры ЯМР 1Н и С записаны в D2O (CDCl3) на приборе Bruker АМ-300 (рабочая частота 300 и 75.47 МГц соответственно), внутренний стандарт — ТМС. Хроматографи-ческий анализ продуктов проводили на программно-аппаратном комплексе Хроматэк-Кристалл 5000.2 с пламенно-ионизационным детектором, газ-носитель — гелий (1.1 мл/ мин), энантиоселективная колонка Astec CHIRALDEX B-PM (30 м х 0.25 мм х 0.12 мкм). Использовали программированный температурный режим: 80—200 °C, скорость подъема температуры 2 оС/мин. Хромато-масс-спект-ральный анализ проводили на приборе GCMS-QP2010S Shimadzu (электронная ионизация при 70 эВ, диапазон детектируемых масс 33350 Да). Использовали капиллярную колонку HP-1MS (30 м х 0.25 мм х 0.25 мкм), температура испарителя 300 температура ионизационной камеры 250 Анализ проводили,

NH2

O

Схема 1.

используя программированный температурный режим от 50 до 300 оС со скоростью 20 оС/мин, газ-носитель — гелий (1.1 мл/ мин). Удельное вращение полученного продукта (3) ([a]D) измеряли на автоматическом поляриметре «Optical Activity Limited» модели АА-55 с галогеновой лампой (стандартная длина волны 589.44 нм). Стандартная величина удельного вращения ^-(-)-а-аминомасля-ной кислоты [a]D20 = —19 (с=4, Н20) 10.

Методика синтеза а-оксиминомасляной кислоты 7. В трехгорлую колбу, снабженную магнитной мешалкой, термометром и газоподво-дящей трубкой, в атмосфере аргона помещали 0.01 моль диизопропиламида лития в 30 мл тет-рагидрофурана и охлаждали до 0—5 оС на ледяной бане. Затем, при перемешивании добавляли 0.005 моль масляной кислоты, растворенной в 20 мл абсолютного тетрагидрофурана. Реакционную смесь нагревали до 35—40 оС и перемешивали 40 мин. Затем колбу охлаждали до 20—25 оС и добавляли 0.025 моль изобутилнитрита и перемешивали при 45—50 оС в течение 2 ч. После завершения реакции в реакционную смесь приливали 20—30 мл дистиллированной воды. Водный слой обрабатывали соляной кислотой до рН 1 и экстрагировали диэтиловым эфиром (3 х 30 мл). После упаривания эфира образовывались кристаллы а-оксиминомасляной кислоты.

а-Оксиминомасляная кислота. Выход 78% от теоретического. Тпл. = 159 оС. Спектр ЯМР (D2O, 5, м.д.): 0.96-1.00 т (3Н, СН3), 2.44-2.51 к (2Н, СН2). Спектр ЯМР 13С (D2O, 5, м.д.): 11.97 (1С, СН3), 27.45 (1С, CH2), 157.76 (1С, C=NOH), 169.09 (1С, COOH).

Методика восстановления а-оксимино-масляной кислоты 8. В круглодонную колбу, снабженную магнитной мешалкой, помещали 10 мл концентрированной соляной кислоты, далее порциями добавляли 0.01 моль Sn02 и 0.005 моль а-оксиминомасляной кислоты. Полученную смесь перемешивали в течение 20 минут и оставляли на ночь при комнатной температуре, а затем концентрировали в вакууме до густой массы, которую растворяли в 20 мл воды и нейтрализовали 28% раствором аммиака до рН 7. 0садок удалили и промывали 30 мл воды. Фильтрат выпаривали в вакууме досуха. Полученный остаток перекристаллизо-вывали из этанола (3 х 30 мл). После упарива-

ния этанола образовывались белые кристаллы гидрохлорида а-аминомасляной кислоты.

Гидрохлорид а-аминомасляной кислоты. Выход 53%. Тпл.=300 оС. Спектр ЯМР 1Н (в В20 в 5, м. д.): 1.06 т (3Н, СН3), 1.98-2.08 м (2Н, СН2), 4.12 т (1Н, СН-КН3+). Спектр ЯМР 13С (в Э20 в 5, м. д.): 11.26 (1С, СН3), 25.93 (1С, СН2), 56.71 (1С, СН(КН3+)С00Н), 174.69 (1С, СООН).

Бутиловый эфир а-аминомасляной кислоты синтезировали по методике .

Бутиловый эфир а-аминомасляной кислоты 1. Выход 74% от теоретического. Спектр ЯМР *Н (СБС13, 5, м.д.): 0.81-0.84 т (3Н, СН3), 0.84-0.89 т (3Н, СН3), 1.24-1.36 м (2Н, СН2), 1.49-1.59 м (2Н, СН2), 1.49-1.72 м (2Н, СН2), 3.28-3.33 т (1Н, СНКН2), 4.02-4.06 т (2Н, СН2). Спектр ЯМР 13С (СЭС13, 5, м.д.): 9.66 (1С, СН3), 13.46 (1С, СН3), 18.94 (1С, СН2), 27.78 (1С, СН2), 30.51 (1С, СН2), 55.46 (1С, СНКН2), 64.48 (1С, СН2), 175.92 (1С,

C=O). Масс-спектр, m/z (I0TH, %): 130 (1), 74 (7), 59 (4), 58 (100), 57 (3), 56 (4), 43 (2), 42 (2), 41 (13), 39 (2), 30 (7).

Методика парциального гидролиза рацемического бутилового эфира а-аминомасля-ной кислоты. К 1.6 ммоль бутилового эфира а-аминомасляной кислоты (1) в 2—2.5 мл воды при нормальных условиях (20—25 оС) добавляли 8.7 мг ферментного препарата Novozym 435. Протекание реакции контролировали с использованием метода энантиоселективной газо-жидкостной хроматографии.

_К-(-)-а-аминомасляная кислота 3. Выход 36% (72% от теоретического). [a]D20 = —16.03. Оптическая чистота 84% ее. Спектр ЯМР (D2O, 5, м.д.): 0.92-0.97 т (3Н, СН3), 1.33-1.92 м (2Н, СН2), 3.66-3.70 т (1H, CHNH2). Спектр ЯМР 13С (D2O, 5, м.д.): 11.03 (1С, СН3), 26.19 (1С, СН2), 58.37 (1C, CHNH2), 177.3 (1C, COOH).

Литература

1. Преображенский Н.А., Евстигнеева Р. П. Химия биологически активных веществ.— М: Химия, 1970.- 512 с.

2. Сафарова В.Г., Зорин В.В. Химия биологически активных веществ.- Уфа: Нефтегазовое дело, 2007.- 127 с.

3. Сафарова В. Г., Чанышева А. Р., Зорин В.В. Биологически активные вещества. — Уфа: изд-во УГНТУ, 2016.— 208 с.

4. Грачева И.М., Гаврилова Н.И., Иванова Л.А. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и жиров.— М.: Пищевая промышленность, 1980.— 448 с.

5. Oguri T., Shioiri T., Yamada S. Amino acids and peptides. XV. A new synthesis of а-amino acids by amination of а-metalated carboxylic acids // Chem. Pharm. Bull.— 1975. — №23. — Р. 167-172.

6. Yamada S., Oguri T., Shioiri T. а-Amination of сarboxylic acids: a new synthesis of а-aminoacids / / J. Chem. Soc., Chem. Commun.— 1972.— Р. 623.

7. Хачатурян А.Б., Зорин А.В., Спирихин Л.В., Зорин В.В. Синтез а-аминомасляной кислоты // Баш. хим. ж.— 2010.— Т. 17, №5.— С.30—31.

8. Bixler R., Niemann C. Synthesis of ¿8-(4-Pyridyl)-DL-alanine and of ^-(4-Pyridyl-1-oxide)-DL-, D-, and L-alanine // J. Org. Chem.— 1958. V.23.— P.575-584.

9. Гринштейн Дж. Химия аминокислот и пептидов / Под ред. М.М. Шемякина.— М.: Мир, 1965.— 825 с.

10. Каталог фирмы Sigma-Aldrich, Inc. «D-2-Aminobutyric acid». Электронный ресурс, режим доступа https://www.sigmaaldrich.com /catalog/product/ aldrich/116122.

References

1. Preobrazhenskii N.A., Evstigneeva R.P. Khimiya biologicheski aktivnykh veshchestv [Chemistry of biologically active compound]. Moscow, Khimiya Publ., 1970, 512 p.

2. Safarova V.G., Zorin V.V. Khimiya biologicheski aktivnykh veschestv [Chemistry of biologically active substances]. Ufa, Neftega-zovoe delo Publ., 2007, 127 p.

3. Safarova V.G., Chanisheva A.R., Zorin V.V. Biologicheski aktivnye veshchestva [Biologically active substances]. Ufa, UGNTU Publ., 2016, 208 p.

4. Grachev I.M., Gavrilov N.I., Ivanova L.A. Tekhnologiya mikrobnykh belkovykh preparatov, aminokislot i zhirov [Technology protein preparations, amino acids and fats]. Moscow, Pischevaya promyshlennost' Publ., 1980, 448 p.

5. Oguri, T., Shioiri T., Yamada S. [Amino acids and peptides. XV. A new synthesis of a-amino acids by amination of a-metalated carboxylic acids]. Chem. Pharm. Bull., 1975, no. 23, pp. 167-172.

6. Yamada S., Oguri T., Shioiri T. [a-Amination of carboxylic acids: a new synthesis of a-amino-acids]. J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1972, p. 623.

7. Khachaturyan A.B., Zorin A.V., Spirikhin L.V., Zorin V.V. Sintez a-aminomaslianoi kisloty [Synthesis of a-aminobutyric acid]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2010, v. 17, no. 5, pp. 30-31.

8. Bixler R., Niemann C. [Synthesis of /3-(4-Pyridyl)-DL-alanine and of ¿0-(4-Pyridyl-1-oxide)-DL-, D-, and L-alanine]. J. Org. Chem., 1958, v. 23, pp.575-584.

9. Greenstein J. Khimiya aminokislot i peptidov [Amino acid and peptide chemistry]. Ed. M.M. Shemyiakin. Moscow, Mir Publ., 1965, 825 p.

10. [The company's catalog Sigma-Aldrich, Inc. «D-2-Aminobutyric acid»]. https://www.sigmaaldrich.com /catalog/product/aldrich/116122.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.