CC BY
31
УДК 544.473:577.15
Э. Р. Гимранов (студ.), А. Р. Гильванов (магистрант), Н. И. Петухова (к.б.н., доц.), Р. Н. Шахмаев (к.х.н., доц.), Л. Н. Зорина (к.х.н., доц.), В. В. Зорин (д.х.н., проф., чл.-корр. АН РБ, зав. каф.)
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ АЦЕТОФЕНОНА
И 2-АЦЕТОНАФТОНА
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра биохимии и технологии микробиологических производств 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347)2431935, e-mail: chemist.518@mail.ru
E. R. Gimranov, A. R. Gilvanov, N. I. Petukhova, R. N. Shakhmaev, L. N. Zorina, V. V. Zorin
MICROBIOLOGICAL ENANTIOSELECTIVE REDUCTION OF DERIVATIVES OF ACETOPHENONE AND 2-ACETONAPHTHONE
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431935, e-mail: chemist.518@mail.ru
Исследован процесс восстановления ароматических кетонов (производных ацетофенона и 2-ацето-нафтона) с помощью дрожжей КНойоЬоти1а дЫНтв ВКПМ У3576. Показано, что при 30 оС в 0.1 М фосфатном буфере (рН 7) в присутствии экзогенного восстановителя (изопропано-ла) клетки дрожжей трансформируют и-хлора-цетофенон, и-бромацетофенон, 2-бром-1-фенил-этанон, 2-ацетонафтон энантиоселективно с образованием (5)-1-(4-хлорфенил)этанола, (5)-1-(4-бромфенил)этанола в течение 24 ч, (5)-2-бром-1-фенилэтанола и (5)-1-(2-нафтил)этанола в течение 48 ч с высоким выходом и оптической чистотой.
Ключевые слова: (5)-2-бром-1-фенилэтанол; (5)-1-(4-бромфенил)этанол; (5)-1-(2-нафтил)-эта-нол; (5)-1-(4-хлорфенил)этанол; энантиоселек-тивное восстановление; КНойоЬотЫа дЫНтв.
The reduction of aromatic ketones (derivatives of acetophenone and 2-acetonaphthone) in the presence of yeasts Rhodotorula glutinis VKPM Y3576 has been studied. It has been shown that at 30 oC in 0.1 M phosphate buffer (pH 7) in the presence of exogenic reducing agent (isopropanol) yeasts cells transform p-chloroacetophenone, p-bromoacetophenone, 2-bromo-1 -phenylethano-ne, 2-acetonaphthone producing (S)-1-(4-chlorophenyl)ethanol, (S)-1-(4-bromophenyl)-ethanol respectively after 24 hours, (S)-2-bromo-1-phenyl-ethanol and (S)-1-(2-naphthyl)ethanol after 48 hours of transformation with high yield and optical purity.
Key words: (S)-2-bromo-1-phenylethanol; (S)-1-(4-bromophenyl)ethanol; (S)-1-(4-chlorophe-nyl)-ethanol; enantioselective reduction; (S)-1-(2-naphthyl)ethanol; Rhodotorula glutinis.
Оптически активные ароматические спирты являются важными предшественниками в синтезе лекарственных соединений, хираль-ных лигандов и агрохимикатов. В частности, производные 1-(2-нафтил)этанола используются в синтезе гидрохлорида пронеталола, относящегося к группе ^-адреноблокаторов, используемых при гипертензии, лечении сердечной аритмии и предотвращения инфаркта миокарда 1-6. Пронеталол также может использоваться для снижения тремора при болезни Паркинсона 2. 1-(4-Бромфенил)этанол
Дата поступления 20.04.17
используется для получения хиральных фта-лоцианинов, которые обладают сильным фототоксическим эффектом и находят применение в фототерапии 7.
Перспективным подходом к получению энантиомерно чистых ароматических спиртов является биовосстановление прохиральных карбонилсодержащих предшественников с помощью биомассы дрожжей в присутствии доступных экзогенных восстановителей (этанола, изопропанола и др.), необходимых для регенерации внутриклеточных коферментов микроорганизмов (КАБЫ или КАБРЫ) 4-6.
В настоящей работе исследована возможность использования в качестве биокатализатора клеток дрожжей ЯкойоЬоти1а дЫЫпгз ВКПМ У3576 для энантиоселективного восстановления ряда ароматических кетонов: п-хлорацетофенона (1а), п-бромацетофенона (1Ь), 2-бром-1-фенил этанона (1с) и 2-ацето-нафтона (Ы) в соответствующие практически важные спирты ¿"-конфигурации.
Биовосстановление кетонов осуществляли при температуре 30 °С в 0.1 М фосфатном буфере (рН 7), содержащем 3 г/л субстрата и 100 г/л трехсуточной биомассы дрожжей. В качестве экзогенного восстановителя использовали изопропанол в концентрации 10% об.
В результате трансформации п-хлорацето-фенона (1а) и п-бромацетофенона (1Ь) в течение 24 ч установлено, что дрожжи ЯНойоЬоти1а дЫЫтэ ВКПМ У3576 осуществляют восстановление субстратов в соответствующие спирты (2а, 2Ь) с выходом 93 и 95 %, соответственно. Восстановлением 2-бром-1-фе-нилэтанона (1с) и 2-ацетонафтона (Ы) в присутствии ЯНойоЬоти1а дЫЫтэ ВКПМ У3576 в течение 48 ч получены целевые спирты (2с, 2^ с выходами 94 и 93 % соответственно.
Исследование энантиомерного состава продуктов биотрансформации показало, что восстановление п-хлорацетофенона (1a), п-бромацетофенона (1b), 2-бром-1-фенил этанона (1с), 2-ацетонафтона (1d), протекает энантиоселективно с образованием (5)-1-(4-хлорфенил)этанола (2a), (5)-1-(4-бромфенил-)этанола (2b), (5)-2-бром-1-фенилэтанола (2c) и (5)-1-(2-нафтил)этанола (2d) с высокой оптической чистотой (табл. 1).
Таким образом, показано, что Rhodotorula glutinis ВКПМ Y3576 является перспективным биокатализатором для энантио-селективного восстановления производных ацетофенона и 2-ацетонафтона в соответствующие вторичные спирты ¿-конфигурации.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР *Н и С записывали в CDCl3 на приборе Bruker АМ-500 (рабочая частота 500.13 МГц ОН) и 125.76 МГц (13С)), внутренний стандарт — остаточный сигнал CHCl3 или ТМС. Конфигурацию полученных спиртов определяли на поляриметре «Optical Activity Limited» Model AA-55 с использованием 20 мм кюветы.
Биовосстановление осуществляли при 30 оС в 0.1М фосфатном буфере (рН 7), содержащем изопропанол — 10% об., биомассу микроорганизмов — 100 г/л и субстрат — 3 г/л, при перемешивании в течение 24—48 ч. Продукты трансформации были выделены из осветленной центрифугированием (9000 об/мин в течение 15 мин) и насыщенной NaCl реакционной смеси путем трехкратной экстракции диэтило-
Таблица 1
Выходы и оптические свойства спиртов (2а, 2Ь, 2c и 2d), полученных в результате восстановления производных ацетофенона (1а, 1Ь и и 2-ацетонафтона с помощью Rhodotorula д1иИп1в ВКПМ У35761
Спирт Выход 2, % Конфигурация г пзэ Станд. величина Г I25 Оптическая чистота3, % ее
1-(4-хлорфенил)этанол (2a) 93 S -48 -49.0 [81 99
1-(4-бромфенил)этанол (2b) 95 S -37 -37.9 [8] 98
2-бром-1-фенилэтанол (2c) 94 S -38 -39 [91 99
1-(2-нафтил)этанол (2d) 93 S -39 -40 [31 99
1 Условия: 0.1 М фосфатный буфер (рН 7), изопропанол 10% об., субстрат 3 г/л; биомасса 100 г/л; 30 °С, перемешивание.
2 Выход продуктов согласно ГЖХ.
3 Оптическая чистота определена методом энантиоселективной ГЖХ, абсолютная конфигурация про-
дуктов подтверждена исследованием их оптических свойств.
вым эфиром в соотношении 2:1. Объединенные вытяжки сушили над безводным сульфатом магния. Непрореагировавший субстрат отделяли от целевого продукта на хроматографической колонке с силикагелем Мегк 60 (0.063—0.200 мм), элюент — гексан:этилацетат (8:1).
Энантиомерный избыток продуктов определяли на хроматографе «Хроматэк-Крис-талл» 5000.2 с пламенно-ионизационным детектором на энантиоселективной колонке Биреко Бе1аЭЕХ 110 (30 м х 0.25 мм х 0.25 мкм). Режим анализа: температура испарителя — 200 оС, температура детектора — 300 оС, температура колонки — 100—200 оС, скорость нагрева — 5 оС /мин, давление газа-носителя 10 кПа, расход водорода 25 мл/мин, расход воздуха 250 мл/мин, газ-носитель — гелий.
В качестве эталона использовали рацемические смеси 1-(4-хлорфенил)этанола, 1-(4-бромфенил)этанола, 1-(2-нафтил)этанола и 2-бром-1-фенилэтанола, полученные встречным синтезом путем восстановления производных ацетофенона и 2-ацетонафтона борогидридом натрия.
1-(4-хлорфенил)этанол (2а). Спектр ЯМР в СЭС13 (8, м.д.): 1.45 д (3Н, СН3), 4.814.89 м (1Н, СН-О), 7.15-7.25 м (4Н, Аг); Спектр 13С ЯМР в СЭС13 (8, м.д.): 24.9 (1С, СН3), 69.5 (1С, СН-О), 126.6 (2С, Аг), 128.4 (2С, Аг), 132.8 (1С, Аг), 144.0 (1С, Аг); ш/г (1отн, %): 155 ([М]+, 20), 143 (25), 141 (94), 139 (39), 113 ( 40), 77 (100), 75 (23), 51 (23), 44 (58), 43 (60).
Литература
1. Шакиров А. Н., Зорин В. В., Петухова Н. И., Вершинин С. С., Шараева А. А., Дельмухаметов Р. Р. Поиск биокатализаторов для кинетического разделения рацемического 2-бром-1-(4-нит-рофенил)этанола // Баш. хим. ж.— 2011.— Т. 18, №4.- C.114-117.
2. Cho B.T., Kang S.Y., Yang W.K. Convenient synthesis of enantiopure ^-adrenergic blockers: (_R)-nifenalol, (_R)-Denopamine, (_R)-Dichloroiso-proterenolol and (R)-Pronethalol // Bull. Korean Chem. Soc.- 2002.- V.23.- Pp.1328-1330.
3. Solak S., Aydemir C., Karakus M., Lonnecke P. Novel Gold (I) and Silver (I) Complexes of Phosphorus-1, 1 ,-dithiolates and Molecular Structure of [O,O'-(Bornyl)2PS2]H3NC(CH3)3 // Chemistry Central Journal.- 2013.- V.7.- Р.89.
4. Шакиров А. Н., Петухова Н. И., Дельмухаметов Р. Р., Коренева С. В., Зорин В. В. Микробиологическое энантиоселективное восстановление ацетофенона и его функциональных производных // Баш. хим. ж.- 2012.- Т.19, №2.-C.71-73.
1-(4-бромфенил)этанол (2b). Спектр ЯМР в CDCl3 (5, м.д.): 1.4 д (3H, CH3), 4.824.88 м (1H, CH-O), 7.18-7.27 м (4H, Ar); Спектр 13С ЯМР в CDCl3 (5, м.д.): 24.3 (1C, CH3), 70.1 (1C, CH-O), 127.3 (2C, Ar), 130.1 (2C, Ar), 133.6 (1C, Ar), 144.2 (1C, Ar); m/z (IomH, %): 201 ([M]+, 12), 186 (39), 184 (43),
156 (22), 121 (26), 78 (45), 77 (100), 51 (26), 50 (19), 43 (69).
2-бром-1-фенилэтанол (2c). Спектр ЯМР в CDCl3 (5, м.д.): 3.41-3.62 м (2H, CH2-Br), 4.86-4.91 м (1H, CH-O), 7.24-7.31 м (5H, Ar); Спектр 13С ЯМР в CDCl3 (5, м.д.): 37.2 (1С, CH2-Br), 75.3 (1C, CH-O), 127.5 (2C, Ar), 128.4 (2C, Ar), 130.3 (1C, Ar), 140.3 (1C, Ar); m/z (IomH.,%): 202 ([M]+, 8), 200 (8),108 (18), 107 (100), 91 (11), 79 (48), 77 (30), 51(28), 44 (15), 39 (10).
1-(2-нафтил)этанол (2d). Спектр ЯМР в CDCl3 (5, м.д.): 1.38 д (3H, CH3), 5.035.11 м (1H, CH-O), 7.45-7.49 м (3H, Ar), 7.82-7.85 м (4H, Ar); Спектр 13С ЯМР в CDCl3 (5, м.д.): 25.41 (1C, CH3), 68.72 (1C, CH-O),
124.0 (1C, Ar), 124.5 (1C, Ar), 125.7 (1C, Ar),
126.1 (1C, Ar), 127.7 (1C, Ar), 127.9 (1C, Ar), 128.1 (1C, Ar), 133.0 (1C, Ar), 133.3 (1C, Ar), 140.1 (1C, Ar); m/z (IomH,, %): 172 ([M]+, 26),
157 (28), 154 (8), 130 (10), 129 (100), 128 (40), 127 (23), 77 (8), 78 (9), 43 (22).
References
1. Shakirov A. N., Zorin V. V., Petukhova N. I., Vershinin S. S., Sharaeva A. A., Del'mukhametov R. R. Poisk biokatalizatory dlya kineticheskogo razdeleniya ratsemicheskogo 2-brom-1 -(4-nitrofenil)etanola [Search of biocatalysts for the kinematic resolution of racemic 2-brom-1-(4-nitrophenyl)ethanol] Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2011, vol.18, no.4, pp.114-117.
2. Cho B. T., Kang S. Y., Yang W. K. [Convenient synthesis of enantiopure ^-adrenergic blockers: (_R)-nifenalol, (_R)-Denopamine, (_R)-Dichloroiso-proterenolol and (_R)-Pronethalol]. Bulletin of the Korean Chemical Society, 2002, vol.23, pp.1328-1330. doi: 10.5012/bkcs.2002.23.9.1328
3. Solak S., Aydemir C., Karakus M., Lonnecke P. [Novel Gold (I) and Silver (I) Complexes of Phosphorus-1, 1 ,-dithiolates and Molecular Structure of [O,O'-(Bornyl)2PS2]H3NC(CH3)3]. Chemistry Central Journal, 2002, vol.7, p.89. doi: 10.1186/ 1752-153X-7-89.
5.
6.
7.
8.
9.
Nakamura K., Yamanaka R., Matsuda T., Harada T. Recent developments in asymmetric reduction of ketones with biocatalysts // Tetrahedron: Asymmetry.- 2003.- V.14.- Pp.2659-2681.
Nakamura K., Kitano, K., Matsuda T., Ohno A. Asymmetric reduction of ketones by the acetone powder of Geotrichum candidum // J. Org. Chem.- 1998.- V.63.- Pp.8957-8964. Ramos A. A., Nascimento F. B., de Souza T. F. M., Omori A. T., Manieri T. M., Cerchiaro G., Ribeiro A. O. Photochemical and Photophysical Properties of Phthalocyanines Modified with Optically Active Alcohols // Molecules.-2015.- V.20.- Pp.13575-13590. Nagaoka H. Chiral Resolution Function with Immobilized Food Proteins // Biotechnol. Prog.-2003.- V.19.- Pp.1149-1155. Basavaiah, D., Reddy, G. J., Rao, K. V. Toward effective chiral catalysts containing the N-P=O structural framework for the borane-mediated asymmetric reduction of prochiral ketones // Tetrahedron: Asymmetry.- 2004.- V.15.- Pp. 1881-1888.
Shakirov A.N., Petukhova N.I., Del'mukhametov R.R., Koreneva S.V., Zorin V.V. Mikrobiologi-cheskoe enantioselektivnoe vosstanovlenie atsetofenona i ego funktsional'nykh 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. Nakamura K., Yamanaka R., Matsuda T., Harada T. [Recent developments in asymmetric reduction of ketones with biocatalysts]. Tetrahedron: Asymmetry, 2003, vol.14., pp. 2659-2681. doi: 10.1016/S0957-4166(03)00526-3.
Nakamura K., Kitano, K., Matsuda T., Ohno A. [Asymmetric reduction of ketones by the acetone powder of Geotrichum candidum]. Journal of Organic Chemistry, 1998, vol.63, pp.8957-8964. doi: 10.1021/jo9812779.
Ramos A.A., Nascimento F.B., de Souza T.F.M., Omori A.T., Manieri T.M., Cerchiaro G., Ribeiro A.O. [Photochemical and Photophysical Properties of Phthalocyanines Modified with Optically Active Alcohols]. Molecules, 2015, vol.20, pp.1357513590. doi: 10.3390/molecules200813575.
Nagaoka H. [Chiral Resolution Function with Immobilized Food Proteins]. Biotechnology progress, 2003, vol.19, pp.1149-1155. doi: 10.1021/bp034059w.
Basavaiah D., Reddy G.J., Rao K.V. [Toward effective chiral catalysts containing the N—P=O structural framework for the borane-mediated asymmetric reduction of prochiral ketones]. Tetrahedron: Asymmetry, 2004, vol.15, pp.18811888. doi: 10.1016/j.tetasy.2004.05.011.
4
5
6
7
8
9
