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谷氨酸为手性源的化学合成与生物转化认领

作者：

钱绍松

学位授予单位：

南京大学

摘要：

本文报道了以L—谷氨酸为手性源，通过化学合成、生物转化及化学生物耦合法，制备了一系列用途广泛的化合物。如，L—茶氨酸、谷氨酰胺及其衍生物;L—丙氨酰—L—谷氨酰胺(力肽)和谷胱甘肽等。在文中第二章，首先以中试规模制备了L—茶氨酸和L—谷氨酰胺。即用廉价的L—谷氨酸为原料，采用邻苯二甲酰基(pht)作为保护基，保护L—谷氨酸的α-氨基，醋酐回流10 min使其分子内脱水生成N—邻苯二甲酰—L—谷氨酸酐，在常温、常压条件下，分别与2 mol/L氨水和2 mol/L 乙胺水溶液反应生成中间产物N—邻苯二甲酰—L—谷氨酰胺、N—邻苯二甲酰—L—茶氨酸，中间产物在室温条件下与0.5mol/L水合肼反应48 h脱除保护基，分别以57％、61％的收率得到L—谷氨酰胺和L—茶氨酸。为了解决化学合成的L—茶氨酸旋光偏低的问题，文中采用化学法合成DL—茶氨酸，将其进行乙酰化反应，生成N—乙酰—DL—茶氨酸，然后利用米曲霉氨基酰化酶拆分N—乙酰—DL—茶氨酸获得L—茶氨酸。对氨基酰化酶酶促反应研究表明，在转化温度40℃、转化时间30 h、pH 7.0和底物浓度0.2 mol/L时，目的产物L—茶氨酸的产率最高。为了更好地了解L—茶氨酸的性质，文中报道用X射线单晶衍射法确定了L—茶氨酸的单晶结构。晶体属单斜晶系，P2(1)/c空间群，分子量M=173.19，a=1.954(4)nm，b=0.4761(10)nm，c=0.9781(2)nm，β=90.55(3)°，Z=4，Dc=1.264g/cm3，V=0.9099 nm3，μ=0.10 mm-1，F(000)=372.0。该化合物通过分子间氢键形成了一种三维结构。作为L—谷氨酰胺的替代物，N—乙酰—L—谷氨酰胺在临床上有着重要用途。文中报道了分别以L—谷氨酸和L—谷氨酰胺为原料，制备N—乙酰—L—谷氨酰胺;前者经过酯化、乙酰化和氨解反应得到产物，后者在碳酸钠水溶液中直接与醋酸酐进行酰化反应生成N—乙酰—L—谷氨酰胺。 D型氨基酸的在医药领域有着重要用途，它的研究与开发引起了广泛关注。本文报道了以化学生物耦合法制备光学纯D—谷氨酰胺。首先用化学法合成DL—谷氨酰胺;再利用大肠杆菌(E． coliAS 1.505)谷氨酰胺脱羧酶，将底物．DL—谷氨酰胺中L型对映体完全转化为4-氨基丁酰胺，分离得到D—谷氨酰胺。本文第三章报道以L—谷氨酸为原料，采用化学生物耦合法，制备了D—谷氨酸和γ-氨基丁酸。即利用大肠杆菌L—谷氨酸脱羧酶对L—谷氨酸的专一性脱羧作用，高效制备D—谷氨酸和γ-氨基丁酸。考察了最佳酶法转化条件为：转化温度37℃，pH 4.8，菌体浓度6g/100 mL，吐温—80浓度0.015％，菌龄14 h。此外，还报道了以L—谷氨酸为原料，直接加热脱水同时制备L—焦谷氨酸与DL—焦谷氨酸;以L—酪氨酸正丁酯为拆分剂，化学拆分DL—焦谷氨酸制备D—焦谷氨酸。本文第四章报道了用邻苯二甲酰基为L—丙氨酸的保护基，分别以L—谷氨酸(方案1)和L—谷氨酰胺(方案2)为原料，采用混合酸酐法合成L—丙氨酰—L—谷氨酰胺(力肽);比较两种方案，发现方案2较好，根据方案2，在中试规模制备了力肽。通过考察发现，制备L—丙氨酰—L—谷氨酰胺的最佳条件为：溶剂是乙酸乙酯，温度为0℃，N—Pht—L—丙氨酸与L—谷氨酰胺的摩尔比为1：1。以L—丙氨酸计，总摩尔收率为34.4％。为了解L—丙氨酰—L—谷氨酰胺的分子结构及空间构型，还报道用X射线单晶衍射法确定了L—丙氨酰—L—谷氨酰胺的单晶结构．晶体属正交晶系，P212121空间群，分子量M=252.25，a=0.5028(1)nm，b=1.5261(1)nm，c=1.6336(5)nm，Z=4，Dc=1.337g/cm3，V=1.254 nm3，μ=0.11 mm-1，F(000)=540.0。该化合物通过分子间氢键形成了一种孔状三维结构。本文第五章报道了苄氧甲酰基(Cbz)保护胱氨酸与甘氨酸乙酯缩合制备保护的胱氨酰二甘氨酸乙酯，其脱保护后与pht保护的谷氨酸酐作用合成pht保护的氧化型谷胱甘肽，后经水合肼去保护、电解还原制备了谷胱甘肽。此外，还研究了化学生物耦合法制备谷胱甘肽。首先在中试规模上，以化学法合成的γ-L—谷氨酰—L—半胱氨酸(γ-GS)，代替L—谷氨酸和L—半胱氨酸为原料，利用具有高活性的谷胱甘肽合成酶(GSH Ⅱ)的基因工程菌，将其与甘氨酸生物合成为谷胱甘肽(GSH)。文中还考察了Mg2+与ATP浓度、反应时间、pH值和底物浓度等因素对酶促反应的影响。实验表明，转化时间8 h、pH 7.0、Mg2+与ATP以及底物浓度均为20 mmol/L时，目的产物GSH的产率最高(4.5 g/L)。

摘要译文

关键词：

谷氨酸; 手性源; 化学合成; 生物转化; 化学生物耦合法; 乙酰化反应

学位年度：

2006

学位类型：

博士

学科专业：

植物学

导师：

焦庆才

中图分类号：

O629.71[α-氨基酸及其衍生物];O621.3[有机合成化学]

学科分类号：

070303[有机化学];070306[化学生物学];081704[应用化学]