CC BY
17
УДК 547-316.:547-32
DOI: 10.17122/bcj-2018-1-55-58
Е. А. Шейко (магистрант), Е. Э. Медникова (магистрант), Т. Е. Воробьева (магистрант), А. Р. Чанышева (к.х.н., доц.)
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНОГО БИОВОССТАНОВЛЕНИЯ АЦЕТОФЕНОНА В (5>()-1-ФЕНИЛЭТАНОЛ
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра биохимии и технологии микробиологических производств, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431935, e-mail: aliyach@mail.ru
E. A. Sheiko, E. E. Mednikova, T. E. Vorobyeva, A. R. Chanysheva
INVESTIGATION OF ENANTIOSELECTIVE BIOREDUCTION CONDITIONS OF ACETOPHENONE TO (5>()-1-PHENYLETHANOL
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431935, e-mail: aliyach@mail.ru
Исследовано влияние температуры на энантио-селективное биовосстановление ацетофенона до соответствующего спирта ((5)-(—)-1-фенилэта-нола) в присутствии клеток D. carota. Показано, что наиболее эффективно восстановление ацетофенона под действием клеток D. carota протекает при комнатной температуре с образованием (5)-(—)-1-фенилэтанола с выходом 75% и оптической чистотой 97% ее. Повышение температуры до 37 оС, как и понижение до 10 оС и 0 оС приводит к снижению выхода продукта в 2-3 раза.
Ключевые слова: ацетофенон; биовосстановление; вторичные спирты; низкомолекулярные биорегуляторы; ферменты; энантиоселектив-ный биокатализ; (5)-(—)-1-фенилэтанол.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки России в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (№4.6451.2017/8.9).
(R)- и (5)-энантиомеры 1-фенилэтанола, а также их производные являются важными предшественниками низкомолекулярных биорегуляторов и используются в синтезе фармацевтических препаратов, проявляющих анти-депрессантное, антирабическое и антидиабетическое действие 1-5, а также агрохимикатов. R-1-(+)-Фенилэтанол применяется в офтальмологии, а также ингибирует адсорбцию холе-
2
стерина в желудочно-кишечном тракте . На основе производных (5)-(—)-1-фенилэтано-
Дата поступления 13.01.18
The influence of temperature on the enan-tioselective bioreduction of acetophenone to the corresponding alcohol ((S)-(—)-1-phenylethanol) in the presence of D. carota cells was studied. It was shown that the most effective reduction of acetophenone under the action of D. carota cells proceeds at room temperature with the formation of (S)-(—)-1-phenylethanol with a yield of 75% and an optical purity of 97% ee. Increasing the temperature to 37 0C and decreasing to 10 0C and 0 0C leads to a decrease in product yield by 2-3 times.
Key words: acetophenone; bioreduction; enantioselective biocatalysis; secondary alcohols; low-molecular bioregulators; enzymes; enantioselective biocatalysis; (S)-(—)-1-phenylethanol.
This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of Russia in the framework of the state taskin the field of scientific activity (№4.6451.2017 / 8.9).
л а осуществляют синтез оптически активных полимеров, используемых для разделения рацемических смесей органических веществ.
(S)-(—)-1-фенилэтанол также применяют для
1 2
получения жидких кристаллов .
Синтез оптически чистых вторичных спиртов требует специальных подходов. Энан-тиоселективное биовосстановление прохираль-ных карбонильных соединений с использованием клеток открывает новые возможности в стереонаправленном синтезе и является перспективным для получения энантиомерно чистых вторичных спиртов 3-1е.
Известно, что скорость биовосстановления, его энантиоселективность и выходы целевых продуктов существенно зависят от условий проведения реакции (pH, температура, полярность растворителя, косубстраты и др.).
С целью изучения условий получения оптически активного (5)-(—)-1-фенилэтанола нами исследовано влияние температуры на восстановление ацетофенона в присутствии культуры D. carota.
(8)-1-фенилэтанол
ацетофенон
Установлено, что восстановление ацето-фенона с участием биокатализатора D. carota в воде при комнатной температуре в течение 144 ч, приводит к образованию (5)-(—)-1-фе-нилэтанола с выходом 75% и оптической чистотой 97% ее.
При восстановлении ацетофенона в воде при температуре 37 оС в течение 144 ч выход целевого (5)-(—)-1-фенилэтанола снижается и составляет 24%.
Вероятно, это связано с частичной денатурацией ферментов клеток D. carota, обладающих оксидоредуктазной активностью.
При понижении температуры реакции до 10 оС и 0 оС скорость биовосстановления и выход S-энантиомерных спиртов также уменьшается в 2—3 раза, при этом оптическая чистота продукта остается на том же уровне.
За ходом протекания реакций следили хроматографически, используя заведомо синтезированные образцы рацемического фенилэ-танола с применением энантиоселективной колонки Astec CHIRALDEXTM B-PM (30 м х 0.25 мм х 0.12 мкм), на которой время удерживания (^)-(+)-1-фенилэтанола меньше, чем (5)-(—)-1-фенилэтанола.
Строение (S)-(—)-1-фенилэтанола подтверждали с помощью методов ЯМР и 13С-спектроскопии и хромато-масс-спектрометрии. Конфигурация (S)-(—)-1-фенил этанол а была подтверждена поляриметрически.
Таким образом, наиболее эффективное восстановление ацетофенона в присутствии клеток D. carota протекает при комнатной температуре, что позволяет получать (S)-(—)-1-фенилэтанол с выходом 75% и оптической чистотой 97% ее.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР *Н и ЯМР 13С записаны на спектрометре Bruker АМ-300 (300.13 МГц (1Н), 75.47 МГц (13C)), в качестве внутреннего стандарта использовали для ЯМР 1Н и ЯМР 13С — ТМС. Спектры ЯМР 13С записаны в режиме полного подавления по протонам, в режиме JMOD.
Масс-спектральный анализ проводили на хромато-масс-спектрометре GCMS-QP2010S Shimadzu (электронная ионизация при 70 эВ) с использованием капиллярной колонки HP-1MS (30 м х 0.25 мм х 0.25 мкм), температура испарителя 280 оС, температура ионизационной камеры 200 оС. Анализ проводили в режиме программирования температуры от 100 до 280 оС со скоростью 20 оС/мин, газ-носитель -гелий (объем потока — 1.1 мл/мин).
Хроматографический анализ проводили на аппаратно-программном комплексе на базе газового хроматографа «Хроматэк-кристалл-5000.2» с пламенно-ионизационным детектором. Использовали энантиоселективную колонку Astec CHIRALDEXTM B-PM (30 м х 0.25 мм х 0.12 мкм).
Поляриметрический анализ осуществляли на автоматическом поляриметре АА-55 Optical Activity Limited (стандартная длина волны 589 нм) в хлороформе.
Получение (5)-(—)-1-фенилэтанола.
Ацетофенон (0.1 г) добавляли в суспензию биокатализатора D. carota (15 г) в 70 мл воды, и реакционную смесь помещали в орбитальный шейкер (150 об/мин) и перемешивали при различных температурах в течение 144 ч. Суспензию фильтровали, биомассу промывали три раза водой. Фильтраты экстрагировали диэтиловым эфиром (3х125 мл). Эфирные вытяжки сушили Na2SO4 и отгоняли на ротор-но-пленочном испарителе.
(5)-(—)-1-Фенилэтанол.
Спектр ЯМР *H, 5, м. д.: 1.42-1.49 д (3H, CH3), 2.6 с (1H,OH), 4.2-4.4 к (1Н, СН), 7.27.35 м (5Н, СНАг). Спектр ЯМР 13C, 5, м. д.: 20.28 (C, CH3), 70.35 (C,CH), 125.27 (2C, СНАг), 127.35 (C, СНАг), 128.12 (2C, СНАг), 145.8 (C, СНАг). Масс-спектр, m/z (10тн , %): 105.1(100), 77.1(93.8), 51.1(36.7), 120.1(32.9), 79.1(26.4), 107.1(25.3), 43.0(21.7), 78.1(14.0), 50.1(13.7), 122.2(9.7).
Синтез рацемического (^),(5)-1-фенилэта-
17
нола осуществляли по известной методике .
Литература
References
1. Семенов А. А. Очерк химии природных соединений.— Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000.— 664с.
2. Suan C.L., Sarmidi M.R. Immobilised lipase-catalysed resolution of (R, S)-1-phenylethanol in recirculated packed bed reactor // Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic.— 2004.— V.28, №2-3.- Pp. 111-119.
3. Lappin G.J., Stride J.D., Tampion J. Biotransformation of monoterpenoids by suspension cultures of Lavandula angustifolia // Phytochemistry.- 1987.- V.26.- Pp.995-997.
4. Hamada H., Nakamura N., Kawabe S., Funamoto T. Enantioselectivity in the reduction of a-dicarvelone by cell suspension cultures of Nicotiana tabacum // Phytochemistry.- 1988.-V.27.- Pp.3807-3808.
5. Suga T., Lee Y.S., Hirata T. The hydroxylation of ¿8-terpineol and its acetate with the cultured cells of Nicotiana tabacum // Bulletin of the Chemical Society of Japan.- 1983.- V.56.- Pp.784-787.
6. Pawlowicz P., Siewinski A. Enantioselective hydrolysis of esters and the oxidation of aromatic-aliphatic alcohols obtained there from by Spirodela oligorrhiza// Phytochemistry.-1987.- V.26.- Pp.1001-1004.
7. Patel R., Namee C.G., Banerjee A., Howell J.M., Robison R.S., Szarka L.J. Stereoselective reduction of ¿8-keto esters by Geotrichum candidum// Enzyme and Microbial Technology.- 1992.- V.14.- Pp.731-738.
8. Medson C., Smallridge A.J., Trewhella M.A. The stereoselective preparation of ^-hydroxy esters using a yeast reduction in an organic solvent // Tetrahedron: Asymmetry.- 1997.- V.8.-Pp.1049-1054.
9. Чанышева А.Р., Юнусова Г.В., Воробьева Т.Е., Зорин В.В. Энантиоселективный синтез (S)-1-фенилэтанола - предшественника низкомолекулярных биорегуляторов // Экологическая химия.— 2017.- Т.26, №1.- C.6-10.
10. Шакиров А.Н., Петухова Н.И., Дельмухаметов Р.Р., Коренева С.В., Зорин В.В. Микробиологическое энантиоселективное восстановление ацето-фенона и его функциональных производных // Баш. хим. ж.- 2012.- Т.19, №2.- С.71-73.
11. Василова Л.Я., Шакиров А.Н., Петухова Н.И., Шахмаев Р.Н., Зорин В.В. Поиск подходов к стереоконтролю биокатализаторов процесса восстановления 5-гексен-2-она// Баш. хим. ж.-2010.- Т.17, №5.- С.32-36.
12. Калимуллина Л.Я., Петухова Н.И., Зорин В.В. Восстановление ацетофенона с помощью клеток гриба Geotrichum sp. 85-1 в биоэмульсиях// Баш. хим. ж.- 2008.- Т.15, №1.- С.8-10.
13. Петухова Н.И., Коньшина И.И., Спивак А.Ю., Одиноков В.Н., Зорин В.В. Новый биокатализатор для получения S-(—)-2-[6-бензилокси-2,5,7,8- тетраметилхроман-2-ил]этанола - предшественника природных a-токолов // Прикладная биохимия и микробиология.- 2017.-Т.82, №2.- С.188-195.
10.
11.
12.
14. Chanysheva A.R., Yunusova G.V., Vorobyova T.E., Zorin V.V. Enantioselective synthesis of (S)-1-phenylethanol, a precursor to low-
Semenov A.A. Ocherk khimii prirodnykh soedinenii [Essay on the chemistry of natural compounds]. Novosibirsk, Nayka Publ., 2000, 664 p.
Suan C.L., Sarmidi M.R. [Immobilised lipase-catalysed resolution of (R, S)-1-phenylethanol in recirculated packed bed reactor]. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2004, vol.28, no.2-3, pp. 111-119.
Lappin G.J., Stride J.D., Tampion J. [Biotransformation of monoterpenoids by suspension cultures of Lavandula angustifolia]. Phytochemistry, 1987, vol.26, pp.995-997. Hamada H., Nakamura N., Kawabe S., Funamoto T. [Enantioselectivity in the reduction of a-dicarvelone by cell suspension cultures of Nicotiana tabacum]. Phytochemistry, 1988, vol. 27, pp.3807-3808.
Suga T., Lee Y.S., Hirata T.[ The hydroxylation of ¿8-terpineol and its acetate with the cultured cells of Nicotiana tabacum]. Bulletin of the Chemical Society of Japan, 1983, vol.56, pp.784-787. Pawlowicz P., Siewinski A. [Enantioselective hydrolysis of esters and the oxidation of aromatic-aliphatic alcohols obtained there from by Spirodela oligorrhiza]. Phytochemistry, 1987, vol.26, pp.1001-1004.
Patel R., Namee C.G., Banerjee A., Howell J.M., Robison R.S., Szarka L.J. [Stereoselective reduction of ¿8-keto esters by Geotrichum candidum]. Enzyme and Microbial Technology, 1992, vol.14, pp.731-738.
Medson C., Smallridge A.J., Trewhella M.A. [The stereoselective preparation of ^-hydroxy esters using a yeast reduction in an organic solvent]. Tetrahedron: Asymmetry, 1997, vol.8, pp.1049-1054.
Chanysheva A.R., Yunusova G.V., Vorobyova T.E., Zorin V.V. Enantioselektivnyi sintez (S)-1-feniletanola — predshestvennika nizkomoleku-lyarnykh bioregylyatorov [Enantioselective synthesis of (S)-1-phenylethanol, a precursor of low molecular weight bioregulators] Ekologi-cheskaya khimiya [Ecological chemistry], 2017, vol.26, no. 1, pp.6-10.
Shakirov A.N., Petukhova N.I., Delmukhametov R.R., Koreneva S.V., Zorin V.V. Mikrobiologi-cheskoe enantioselektivnoe vosstanovlenie atsetofenona i ego funktsionalnykh proizvod-nykh [Microbiological enantioselective reduction of acetophenone and its functional derivatives] Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2012, vol.19, no.2, pp.71-73. Vasilova L.I., Shakirov A.N., Petukhova N.I., Shakhmaev R.N., Zorin V.V. Poisk podkhodov k stereokontrollyu biokatalizatorov protsessa vosstanovleniya 5-geksen-2-ona [Search for approaches to the stereocontrol of biocatalysts of the 5-hexene-2-one reduction process]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2010, vol.17, no.5, pp.32-36. Kalimullina L.Ia., Petukhova N.I., Zorin V.V. Vosstanovlenie atsetofenona s pomoschyu kletok griba Geotrichum sp. 85-1 v bioemulsiyakh [Reduction of acetophenone by means of fungal cells Geotrichum sp. 85-1 in bioemulsions]. 2018. Том 25. № 1 57
1
2
3
4
5
6
8
9
molecular-weight bioregulators // Russian Journal of General Chemistry.— 2016.— V.86, №13.- Pp.3021-3024.
15. Chanysheva A. R., Vorobyova E. N., Zorin V. V. Enantioselective Bioreduction of Acetophenone into (R)- and (5)-1-Phenylethanols // Russian Journal of General Chemistry.- 2017.- V.26, №6, Pp.296-300.
16. Чанышева A. P., Воробьева E. H, Зорин В. В. Энантиоселективное биовосстановление ацетофе-нона в (R)- и (5)-1-фенилэтанолы // Экологическая химия.- 2017.- T.26, №6.- C.296-300.
17. Агрономов A. E., Шабаров Ю.С. Лабораторные работы в органическом практикуме.- М.: Химия, 1974.- 376 с.
15.
16.
17.
Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2008, vol.15, no.1, pp.8-10. Petukhova N.I., Konshina I.I., Spivak A.I., Odinokov V.N., Zorin V.V. Novyi biokatalizator dlya polucheniya S-(—)-2-[6-benziloksi-2,5,7,8-tetrametilhroman-2-il]etanola — predshestvennika prirodnykh ?-tokolov [A new biocatalyst for the preparation of S-(—)-2-[6-benzyloxy-2,5,7,8-tetramethylchro-man-2-yl] ethanol — precursor of natural a-tokols]. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya [Applied Biochemistry and Microbiology], 2017, vol.82, no.2, pp.188-195. Chanysheva A.R., Yunusova G.V., Vorobyova T.E., Zorin V.V. [Enantioselective synthesis of (S)-1-phenylethanol, a precursor to low-molecular-weight bioregulators]. Russian Journal of General Chemistry, 2016, vol.86, no.13, pp.3021-3024.
Chanysheva A. R., Vorobyova E. N., Zorin V. V. [Enantioselective Bioreduction of Acetophenone into (R)- and (S)-1-Phenylethanols]. Russian Journal of General Chemistry, 2017, vol.26, no.6, pp.296-300.
Chanysheva A. R., Vorobyova E. N, Zorin V. V. Enantioselektivnoe biovosstanovlenie atsetofe-nona v (R)- i (S)-1 -feniletanoly [Enantioselec-tive Bio-Reduction of Acetophenone in (R)- and (S)-1-Phenylethanols] Ekologicheskaya khimiya [Ecological Chemistry], 2017, vol.26, no.6, pp.296-300.
Agronomov A. E., Shabarov I.S. Laboratornye raboty v organicheskom praktikyme [ Laboratory work in organic practice]. Moscow, Khimiya Publ., 1974, 376 p.
