CC BY
22
Раздел 02.00.03
Органическая химия
УДК 547-316.:547-32
DOI: 10.17122/bcj-2019-2-44-47
А. Р. Чанышева (к.х.н., доц.), Е. А. Шейко (магистрант), Ю. К. Юсупова (магистрант), В. В. Зорин (чл.-корр. АН РБ, д.х.н., проф., зав. каф.)
СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОЕ БИОВОССТАНОВЛЕНИЕ и-МЕТОКСИАЦЕТОФЕНОНА В (5>1-(4-МЕТОКСИФЕНИЛ)ЭТАНОЛ
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
A. R. Chanysheva, E. A. Sheiko, Y. K. Yusupova, V. V. Zorin
STEREOSELECTIVE BIOREDUCTION OF p-METHOXYACETOPHENONE INTO (5)-1-(4-METHOXYPHENYL)ETHANOL
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431935, e-mail: aliyach@mail.ru
Предложен метод синтеза (5)-1-(4-метоксифе-нил)этанола — важного предшественника, используемого в производстве различных лекарственных препаратов, путем биовосстановления прохирального п-метоксиацетофенона в присутствии клеток культуры D. carota. Исследована возможность применения различных экзогенных восстановителей таких как этанол, изопро-панол и глюкоза с целью повышения выхода целевого (5)-1-(4-метоксифенил)этанола и энан-тиоселективности процесса биовосстановления п-метоксиацетофенона.
Ключевые слова: биовосстановление; биокатализатор; вторичные спирты; и-метоксиацето-фенон; (5)-1-(4-метоксифенил)этанол; (_R)-1-(4-метоксифенил)этанол; ферменты; энантио-селективный биокатализ.
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).
(S)-1 -(4-метоксифенил )этанол является предшественником в синтезе циклоалкил[Ь]-индолов, применяемых при лечении аллергических заболеваний, а также используется в синтезе интермедиатов фармацевтических препаратов, снижающих уровень холестерина и липопротеинов в плазме крови (аторвастатин).
The method for the synthesis of (5)-1-(4-methoxy-phenyl)ethanol, an important precursor used in the production of various drugs, by bioreduction of prochiral p-methoxyacetophenone in the presence of D. carota culture cells is offered. The possibility of using of various exogenous reducing agents such as isopropanol, ethanol and glucose to increase the yield of the desired (5)-1-(4-methoxy-phenyl)ethanol and the enantioselectivity of the p-methoxyacetophenone bioreduction process has been investigated.
Key words: bioreduction; biocatalyst; p-methoxyacetophenone; (_R)-1-(4-methoxyphenyl)-ethanol; (5)-1-(4-methoxyphenyl)ethanol; enzymes; enantioselective biocatalysis; secondary alcohols.
The work was supported by the Ministry of Education and Science of Russia within the framework of the basic part of the state task in the field of scientific activity (№.4.6451.2017/8.9)
В свою очередь, (^)-1-(4-метоксифенил)эта-нол может быть использован в синтезе оптически активных 3-арил-3-замещенных пропа-новых кислот, обладающих противовоспалительной активностью 1-3.
Известно, что восстановление п-метоксиа-
Дата поступления 21.02.19
цетофенона приводит к образованию (5)-1-(4-метоксифенил)этанола в присутствии различных биокатализаторов с умеренными выходами и оптической чистотой 4-6.
В последние годы многими авторами работ по энантиоселективному восстановлению прохиральных кетонов отдается предпочтение биокатализаторам на основе клеток растений, поскольку выделение продукта из раствора с этой биомассой менее затруднительно, чем из раствора, содержащего микробную биомассу. Кроме того, биокатализаторы на основе клеток
« 7—13
растений легкодоступны .
Ранее нами было показано, что использование таких экзогенных восстановителей, как этанол, изопропанол, глюкоза позволяет повысить выход целевых спиртов и их оптическую чистоту.
Хотя кинетика накопления продуктов восстановления прохиральных кетонов существенно зависит от активности биокатализатора даже одной и той же природы, присутствие экзогенных восстановителей способствует увеличению выхода целевого продукта.
Нами была изучена возможность оптимизации условий синтеза оптически чистого (S)-1-(4-метокси фенил )этанола из соответствующего n-метоксиацетофенона с участием биокатализатора на основе клеток Daucus carota (морковь дикая) в присутствии экзогенных восстановителей — кофермента КАЭ+(этанол, изопропанол и глюкоза) при различных концентрациях.
Восстановление n-метоксиацетофенона с участием биокатализатора D. carota в воде при комнатной температуре в течение 144 ч приводит к образованию (5)-1-(4-метоксифе-нил)этанола с низким выходом 3.7% и невысокой оптической чистотой 49% ее.
п-мепжсиаиетофенон (5)-1-М-1:етоксифгнил) зтанол
Биотрансформация п-метоксиацетофено-на в присутствии этанола (0—5 %), приводит к образованию (5)-1-(4-метоксифенил)этанола также с низкими выходами 1.2—3.8 % , но несколько более высокой оптической чистотой 28—85 % ее (табл. 1). В присутствии изопропа-нола (0—5 %) удается повысить как выход целевого продукта 3.7—19 %, так и оптическую чистоту 49—80 % ее (табл. 2).
Установлено, что при добавлении в реакционную смесь 3% изопропанола выход и оптическая чистота (5)-1-(4-метоксифенил)эта-нола повышается до 19 и 55 % ее по сравнению
с биовосстановлением в отсутствие экзогенного восстановителя. Добавление 1% изопропа-нола приводит к снижению выхода продукта (11%), при этом оптическая чистота возрастает до 80% ее.
При увеличении содержания этанола и изопропанола в реакционной смеси выход целевого (5)-1-(4-метоксифенил)этанола существенно снижается, что, вероятно, вызвано ингибированием оксидоредуктазы.
Таблица 1
Зависимость выхода и энантиомерной чистоты (5)-1-(4-метоксифенил)этанола от концентрации этанола при биовосстановлении л-метоксиацетофенона
Концентрация этанола, % 0 1 2 3 4 5
Выход, % 3.7 3.3 3.8 2.2 2.4 1.2
Оптическая чистота (ее), % 49 52 28 80 85 76
Т=25—27 °С, растворитель — вода, концентрация субстрата 1.4 г/л
Таблица 2
Зависимость выхода и энантиомерной чистоты (8)-1-(4-метоксифенил)этанола от концентрации изопропанола при биовосстановлении л-метоксиацетофенона
Концентрация изопропанола, % 0 1 2 3 4 5
Выход, % 3.7 11 14 19 12 9
Оптическая чистота (ее), % 49 80 55 55 61 50
T=25—27 °С, растворитель — вода, концентрация субстрата 1.4 г/л
При восстановлении п-метоксиацетофенона в воде при комнатной температуре в течение 144 ч в присутствии эквимолярного количества глюкозы образуется (5)-1-(4-метоксифенил)этанол с выходом 7.3% и оптической чистотой 42% ее.
За ходом протекания реакций следили хромато графически, используя заведомо синтезированные образцы рацемического 1-(4-ме-токсифенил)этанола с применением энантиосе-лективной колонки А81есСНШАЬВЕХТМ В-РМ, на которой время удерживания (й)-1-(4-метоксифенил)этанола меньше, чем (5)-1-(4-метоксифенил)этанола.
Строение (5)-1-(4-метоксифенил)этанола подтверждали с помощью методов ЯМР и 13С-спектроскопии и хромато-масс-спектромет-рии. Конфигурация (5)-1-(4-метоксифенил)-этанола была установлена поляриметрически.
Таким образом, в изученных условиях удается осуществить энантиоселективное вос-
становление п-метоксиацетофенона в (5)-1-(4-метоксифенил)этанол в присутствии доступного биокатализатора на основе D. carota и изо-про-панола в концентрациях 1 и 3 % с выходами 11 и 19 % и оптической чистотой 80 и 55 % ee, соответственно.
Экспериментальная часть
Спектры ЯМР 1Н 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
Литература
1. Andrade L. H., Utsunomiya R. S., Omori A. T., Porto A. L., Comasseto J. V. Edible catalysts for clean chemical reactions: Bioreduction of aromatic ketones and biooxidation of secondary alcohols using plants // Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic.- 2006.- V.38, №2.- Pp.84-90.
2. Dai Y., Huan B., Zhang H.-S., He Y.-C. Effective Biotransformation of Ethyl 4-Chloro-3-Oxo-butanoate into Ethyl (S)-4-Chloro-3-Hydroxy-butanoate by Recombinant E. coli CCZU-T15 Whole Cells in [ChCl][Gly]-Water Media // Applied Biochemistry and Biotechnology.-2016.- V.181, №4.- Pp.1347-1359.
3. Wei P., Liang J., Cheng J., Zong M.-H., Lou W.Y. Markedly improving asymmetric oxidation of 1-(4-methoxyphenyl)ethanol with Acetobacter sp. CCTCC M209061 cells by adding deep eutectic solvent in a two-phase system // Microbial Cell Factories.- 2016.- V.15, №1.- Pp.1-11.
4. Шакиров А. Н., Дельмухаметов Р. Р., Петухова Н. И., Зорин В. В. Энантиоселективное восстановление п-метоксиацетофенона с помощью дрожжей Pichia Fermentans 87-9 // Баш. хим. ж.- 2015.- Т.22, №1.- С.72-75.
5. Maczka W.K., Mironowicz A. Enantioselective reduction of bromo- and methoxyacetophenone derivatives using carrot and celeriac enzymatic system // Tetrahedron: Asymmetry.- 2004.-V.15.- Pp.1965-1967.
6. Patil D. Biocatalysis using plant material: A green access to asymmetric reduction //
газового хроматографа «Хроматэк-Кристалл-5000.2» с пламенно-ионизационным детектором. Использовали энантиоселективную колонку AstecCHIRALDEXTMB-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-(4-метоксифенил)эта-нола.
п-Метоксиацетофенон (0.1 г) добавляли в суспензию клеток D. carota (15 г) в 70 мл воды, реакционную смесь помещали в орбитальный шейкер (150 об./мин) и перемешивали при комнатной температуре. По завершению реакции суспензию фильтровали, биомассу промывали три раза водой. Фильтраты экстрагировали диэтиловым эфиром (3х125 мл). Эфирные вытяжки сушили Na2SO4 и отгоняли на роторно-пленочном испарителе.
Спектральные характеристики 1-(4-меток-сифенил)этанола совпадают с литературными данными 4.
Синтез рацемического (^),(5)-1-(4-меток-сифенил)этанола осуществляли по известной
14
методике .
References
1. Andrade L. H., Utsunomiya R. S., Omori A. T., Porto A. L., Comasseto J. V. [Edible catalysts for clean chemical reactions: Bioreduction of aromatic ketones and biooxidation of secondary alcohols using plants]. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2006, vol.38, no.2, pp.84-90.
2. Dai Y., Huan B., Zhang H.-S., He Y.-C. [Effective Biotransformation of Ethyl 4-Chloro-3-Oxo-butanoate into Ethyl (5)-4-Chloro-3-Hydroxy-butanoate by Recombinant E. coli CCZU-T15 Whole Cells in [ChCl][Gly]-Water Media]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2016, vol.181, no.4, pp.1347-1359.
3. Wei P., Liang J., Cheng J., Zong M.-H., Lou W.Y. [Markedly improving asymmetric oxidation of 1-(4-methoxyphenyl)ethanol with Acetobacter sp. CCTCC M209061 cells by adding deep eutectic solvent in a two-phase system]. Microbial Cell Factories, 2016, vol.15, no.1, pp.1-11.
4. Shakirov A.N., Del'muhametov R.R., Petuhova N.I., Zorin V.V. Enantioselektivnoe vosstanov-lenie p-metoksiacetofenona s pomoschyu drozhzhei Pichia Fermentans 87-9 [Enantiose-lective reduction of p-methoxyacetophenone by yeast Pichia fermentans 87-9]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2015, vol.22, no. 1, pp.72-75.
5. Maczka W.K., Mironowicz A. [Enantioselective reduction of bromo-and methoxyacetophenone
International Journal of ChemTech Research.-2015.- V.8, №8.- Pp.318-324.
7. Чанышева A.P., Юнусова Г.В., Воробьева Т.Е., Зорин В.В. Энантиоселективный синтез (5)-1-фенилэтанола - предшественника низкомолекулярных биорегуляторов // Экологическая химия.- 2017.- Т.26, №6.- С.6-10.
8. Ishihara K., Hamada H., Hirata T., Nakajima N. Biotransformation using plant cultured cells // Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic.-2003.- V.23.- Pp.145-170.
9. Suga T., Hirata T., Lee Y.S. The enantioselective biotransformation of a-terpineol and its acetate with the cultured cells of Nicotiana tabacum // Chem. Lett.- 1982.- Pp.1595-1598.
10. Чанышева A. P., Воробьева Т. Е., Шейко Е. A., Зорин В. В. Энантиоселективное восстановление ацетофенона лиофилизированными клетками D. Carota // Баш. хим. ж.- 2018.- Т.25, №2.- C.41-45.
11. Чанышева A.P., Воробьева Е.Н., Зорин В.В. Энантиоселективное биовосстановление ацетофе-нона в (Л)-и (5)-1-фенилэтанолы // Экологическая химия.- 2017.- Т.26, №6.- C.296-300.
12. Чанышева A.P., Шейко Е.А., Зорин В.В. Сте-реоселективное биовосстановление гексан-2-она в (25)-(+)-гексан-2-ол // Экологическая химия.- 2018.- Т.27, №4.- C.229-232.
13. Шейко Е. А., Медникова Е. Э., Воробьева Т. Е., Чанышева A. P.// Исследование условий энантиоселективного биовосстановления ацето-фенона в (5)-(-)-1-фенилэтанол / Баш. хим. ж.- 2018.- Т.25, № 1.- C.55-58.
14. Aгрономов A^., Шабаров Ю.С. Лабораторные работы в органическом практикуме.- М.: Химия.- 1974.- C.376.
derivatives using carrot and celeriac enzymatic system]. Tetrahedron: Asymmetry, 2004, vol.15, pp. 1965-1967.
6. Patil D. [Biocatalysis using plant material: A green access to asymmetric reduction]. International Journal of ChemTech Research, 2015, vol.8, no.8, pp.318-324.
7. 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. doi: 10.1134/S107036321613017X.
8. Ishihara K., Hamada H., Hirata T., Nakajima N. [Biotransformation using plant cultured cells]. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2003, vol.23, pp.145-170.
9. Suga T., Hirata T., Lee Y.S. [The enantioselective biotransformation of a-terpineol and its acetate with the cultured cells of Nicotiana tabacum]. Chem. Lett., 1982, pp. 1595-1598.
10. Chanysheva A. R., Vorobyeva T. E., Sheiko E. A., Zorin V. V. Enantioselektivnoe vosstanovlenie acetofenona liofilizirovannymi kletkami D. Carota [Enantioselective Reduction of Acetophe-none by Lyophilized D. Carota Cells]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2018, vol.25, no. 2, pp.41-45.
11. 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.87, no.13, pp.3259-3262. doi: 10.1134/S1070363217130229.
12. Chanysheva A.R.; Sheiko E.A.; Zorin V.V [Stereoselective bioreduction of hexan-2-one into (2S)-( + )-hexan-2-ol]. Russian Journal of General Chemistry, 2018, vol.88, no.13, pp. 2934-2936. doi: 10.1134/S1070363218130170.
13. Sheiko E. A., Mednikova E. Je., Vorobyeva T. E., Chanysheva A. R. Issledovanie uslovii enantio-selektivnogo biovosstanovleniya acetofenona v (S)-(-)-1-feniljetanol [Investigation of enantio-selective bioreduction conditions of acetophenone to (S)-(-)-1-phenylethanol]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2018, vol.25, no. 1, pp.55-58.
14. Agronomov A.E., Shabarov Y.S. Laboratornye raboty v organicheskom praktikume [Laboratory Manual in Organic Chemistry], Moscow: Khimiya Publ., 1974, p.376.
