專利名稱:2-丁醇制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及制備2-丁醇的方法,和特別是借助羰基還原酶和輔酶來酶促催化還原2-丁酮制備R-2-丁醇和S-2-丁醇的方法。
在制備藥物活性物質(zhì)時(shí),2-丁醇和特別是手性化合物R-2-丁醇和S-2-丁醇是理想的中間產(chǎn)物。
制備對(duì)映體純的2-丁醇即R-2-丁醇和S-2-丁醇是昂貴的,這是因?yàn)閷?-丁酮直接化學(xué)催化不對(duì)稱還原成R-2-丁醇或者S-2-丁醇至今是不可能的。直接酶促還原的方法迄今也還未有記載。對(duì)映體純的R-2-丁醇和S-2-丁醇在大工業(yè)規(guī)模上僅能繞道通過拆分外消旋體而制備。
已知羰基還原酶(其它名稱醇脫氫酶,氧化還原酶)為用于還原羰基化合物或者用于氧化仲醇的催化劑。這些酶需要輔酶,例如NAD(P)H。借助由高加索酸奶粒狀乳桿菌(Lactobacillus kefir)得到的羰基還原酶和輔酶NADPH還原酮由例如US 5342767已知。
來自莫拉菌屬(Moraxella sp.)的醇脫氫酶的提純和表征由Eur.J.Biochem.254,356-362(1998)已知。
在含水介質(zhì)中借助羰基還原酶將2-丁酮還原為2-丁醇是困難的,這是因?yàn)榉磻?yīng)混合物不容易后處理和2-丁醇非常好地溶于水中。此外,用于分離2-丁醇和水的萃取和蒸餾方法在技術(shù)上是昂貴的。
借助羰基還原酶來將2-丁酮酶促還原成2-丁醇的另一問題在于輔助因素NADH或者NADPH的再生?,F(xiàn)今通常使用的借助2-丙醇再生NAD(P)H的方法在這里同樣是麻煩的,這是因?yàn)?-丙醇使得產(chǎn)物R-2-丁醇和S-2-丁醇更加困難,并且其與R-2-丁醇和S-2-丁醇的完全分離極其昂貴。
在借助2-丙醇同時(shí)進(jìn)行NAD(P)H輔酶再生情況下在含水介質(zhì)中在酶促還原2-丁酮時(shí)的另一問題在于大多數(shù)酶在2-丙醇和2-丁醇含量超過20%時(shí)失活。這意味著,當(dāng)采用過量的2-丙醇開始時(shí),所采用的2-丁酮的最終濃度必須遠(yuǎn)低于10%(w/v)。這些低的可實(shí)現(xiàn)的底物濃度或者產(chǎn)物濃度再次使得從反應(yīng)混合物中分離R-2-丁醇或者S-2-丁醇變得困難。
現(xiàn)在,根據(jù)本發(fā)明的通過借助羰基還原酶和輔酶來酶促催化還原2-丁酮而制備2-丁醇的方法的任務(wù)在于解決上述問題,且其特征在于(a)為還原2-丁酮,使含有羰基還原酶和輔酶的水相和不與所述水相混溶且含有2-丁酮的醇相相接觸,其前提是,在醇相中存在的醇是能夠再生輔酶并具有高于水的沸點(diǎn)的仲醇,接著(b)分離形成的2-丁醇。
因此,在根據(jù)本發(fā)明的方法中借助羰基還原酶將2-丁酮轉(zhuǎn)化為2-丁醇的反應(yīng)在兩相體系中進(jìn)行,所述兩相體系由其中溶解有酶和輔酶的水相和由所述仲醇和2-丁醇形成的有機(jī)相組成。
所述輔酶再生借助不與水混溶且同時(shí)具有盡可能明顯高于水的沸點(diǎn)的仲醇進(jìn)行。經(jīng)證實(shí)有利的是2-戊醇、2-己醇、2-庚醇、2-辛醇和4-甲基-2-戊醇,其中優(yōu)選2-庚醇和2-辛醇。
作為輔酶而言NADH和NADPH是特別合適的。此外,在本發(fā)明方法中,不與水混溶的仲醇導(dǎo)致羰基還原酶的穩(wěn)定化。
使用不與水混溶的仲醇進(jìn)行輔酶再生的優(yōu)點(diǎn)在于,所述仲醇可以以相對(duì)于待還原的底物2-丁酮計(jì)更高程度的過量使用。由此同時(shí)實(shí)現(xiàn)在進(jìn)料中更高的2-丁酮濃度和更高的轉(zhuǎn)化率。因此,優(yōu)選的是醇相中的仲醇和2-丁酮以1∶2至1∶10(2-丁酮∶仲醇)的摩爾比使用,其中1∶2.5至1∶5的摩爾比是特別優(yōu)選的。
根據(jù)本發(fā)明方法的另一優(yōu)選方案在于,以至少5體積%、優(yōu)選10-25體積%的量使用2-丁酮,以總反應(yīng)混合物計(jì)。
所述羰基還原酶優(yōu)選以每千克2-丁酮至少2000單位、但優(yōu)選至少10000單位羰基還原酶的量使用,其中上限宜為每千克2-丁酮250000單位羰基還原酶。其中酶單位1U對(duì)應(yīng)于每分鐘(min)轉(zhuǎn)化1μmol 2-丁酮所需的酶量。
經(jīng)證實(shí)特別有效的是,源自近平滑假絲酵母(CandidaParapsilosis)的那些酶作為羰基還原酶或者醇脫氫酶。優(yōu)選的是采用能夠制備基本上為對(duì)映體醇的S-2-丁醇或者R-2-丁醇的羰基還原酶。在此發(fā)現(xiàn),來自近平滑假絲酵母的羰基還原酶能夠?qū)?-丁酮立體有擇地還原成S-2-丁醇,其中取決于所選擇的方法條件,可實(shí)現(xiàn)超過98%所需的對(duì)映體的對(duì)映體純度。
在本發(fā)明方法中形成的2-丁醇存在于仲醇相中并可以與仲醇一起從水相中潷析出來。然后可以以簡單的方式蒸餾得到2-丁醇。
在本發(fā)明方法中還可以使用相應(yīng)的對(duì)映體純S-醇以進(jìn)行輔酶再生。
在反應(yīng)混合物的總體積中水相和有機(jī)相的份額可以變化,其中水相的份額可以降低到3體積%,這導(dǎo)致在由不與水混溶的醇形成的相中存在超過大于90%的所采用的2-丁酮和R-2-丁醇或者S-2-丁醇。
本發(fā)明方法的另一優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)簡單地后處理和分離高純度形式的R-2-丁醇或者S-2-丁醇。產(chǎn)物R-2-丁醇或者S-2-丁醇的分離通過從高沸點(diǎn)的不與水混溶的仲醇中分離出有機(jī)相和蒸餾2-丁酮/2-丁醇而進(jìn)行。
然后可以借助蒸餾得到由大于99%化學(xué)純度且具有大于98%的對(duì)映體純度的2-丁醇/2-丁酮混合物組成的手性產(chǎn)物R-2-丁醇或者S-2-丁醇。
在根據(jù)本發(fā)明方法中所用的底物2-丁酮的濃度優(yōu)選高于5體積%,特別優(yōu)選為10體積%至25體積%。
以水相計(jì),輔酶NAD(P)H的濃度為0.01mM至10mM,特別是0.1mM至1mM。
在本方法所用的水相中優(yōu)選添加緩沖劑,例如pH值為5-10,優(yōu)選pH值為6-9的磷酸鉀、Tris/HCl或者三乙醇胺緩沖液。
在本發(fā)明方法中,所述羰基還原酶可以是完全純化或者部分純化的,以細(xì)胞溶解產(chǎn)物形式或者以整個(gè)細(xì)胞形式使用。其中所采用的細(xì)胞可以以天然形式或者滲透化形式使用。
所述溫度例如為約10℃-60℃,優(yōu)選為25℃-35℃。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以例如在由玻璃或者金屬制成的封閉反應(yīng)容器中進(jìn)行。為此,將組分各自引入到反應(yīng)容器中并在例如氮?dú)饣蛘呖諝獾臍夥障聰嚢?。反?yīng)時(shí)間為1小時(shí)至48小時(shí),特別是2小時(shí)至24小時(shí)。
代替來自近平滑假絲酵母的羰基還原酶,還可以使用其它的能夠?qū)?-丁酮對(duì)映體有擇地還原為S-2-丁醇或者R-2-丁醇的羰基還原酶。
借助下面的實(shí)施例來更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
實(shí)施例1在本實(shí)施例中指出了由2-丁酮制備S-2-丁醇和S-2-丁醇的產(chǎn)率對(duì)所使用的2-丁酮/仲醇(2-庚醇)的比率的依賴性。作為羰基還原酶使用的是來自近平滑假絲酵母的羰基還原酶。輔酶再生借助2-庚醇進(jìn)行。在下面表1中示出了對(duì)于具有不同的2-丁酮/2-庚醇比率的三種進(jìn)料的轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。
表1
所述反應(yīng)按照如下方式進(jìn)行,首先將緩沖液添加到反應(yīng)容器中,然后將NAD和酶溶解在其中。然后將2-庚醇和2-丁酮添加到反應(yīng)容器中。
然后在良好的均勻混合條件下在30℃對(duì)所述反應(yīng)混合物進(jìn)行保溫。當(dāng)不再能觀察到2-丁酮的繼續(xù)轉(zhuǎn)化和因而達(dá)到反應(yīng)平衡時(shí)即終斷反應(yīng)。
由表1可知,S-2-丁醇的產(chǎn)率隨2-庚醇的濃度增加而顯著提高。
實(shí)施例2在該實(shí)施例中借助三種進(jìn)料表明,水相可以被還原,而基本上沒有改變產(chǎn)率。
表2
實(shí)施例3由該實(shí)施例表明,輔酶再生可以借助不同仲醇進(jìn)行。三種進(jìn)料的結(jié)果在下面表3中示出。
表3
實(shí)施例4通過該實(shí)施例表明了在工業(yè)規(guī)模下的S-2-丁醇的制備。
為了制備S-2-丁醇,將4.96升緩沖液(TEA 100mM,pH=7.0)添加到調(diào)溫到30℃的攪拌反應(yīng)器中。然后將4.96g NAD溶解在緩沖液中并向緩沖液中添加300000單位來自近平滑假絲酵母的羰基還原酶。所述反應(yīng)混合物用76.11升(60.9kg)2-辛醇覆蓋,然后添加12.5升(10kg)底物2-丁酮。
然后開動(dòng)攪拌,并將所述反應(yīng)混合物在良好的均勻混合條件下保溫12小時(shí)。在12小時(shí)后68%的2-丁酮轉(zhuǎn)化為具有98.4%的對(duì)映體純度的S-2-丁醇。
在反應(yīng)結(jié)束后分離并干燥含有2-丁酮/S-2-丁醇的庚醇相。2-丁酮/S-2-丁醇混合物首先借助蒸餾從庚醇相(沸點(diǎn)約158-161℃)中獲得,然后在第二次蒸餾中分離2-丁酮(沸點(diǎn)80℃)和S-2-丁醇(沸點(diǎn)=97-100℃)。
以這種方式可以獲得化學(xué)純度大于99%的S-2-丁醇。
權(quán)利要求
1.通過借助羰基還原酶和輔酶酶促催化還原2-丁酮而制備2-丁醇的方法,其特征在于(a)為還原2-丁酮,使含有羰基還原酶和輔酶的水相和不與所述水相混溶且含有2-丁酮的醇相相接觸,其前提是,在醇相中存在的醇是能夠再生輔酶并具有高于水的沸點(diǎn)的仲醇,接著(b)分離形成的2-丁醇。
2.權(quán)利要求1的方法,其特征在于,所述醇相中的醇是2-戊醇、2-己醇、2-庚醇、2-辛醇或者4-甲基-2-戊醇。
3.權(quán)利要求2的方法,其特征在于,所述醇相中的醇是2-庚醇或者2-辛醇。
4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法,其特征在于,醇相中的仲醇和2-丁酮以1∶2-1∶10(2-丁酮∶仲醇)的摩爾比使用。
5.權(quán)利要求4的方法,其特征在于,所述摩爾比為1∶2.5-1∶5。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的方法,其特征在于,2-丁酮以至少5體積%、優(yōu)選10-25體積%的量使用,以總反應(yīng)混合物計(jì)。
7.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的方法,其特征在于,每千克2-丁酮使用至少2000單位、但優(yōu)選至少10000單位的羰基還原酶。
8.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的方法,其特征在于,使用由近平滑假絲酵母得到的羰基還原酶。
9.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法,其特征在于,通過蒸餾進(jìn)行所形成的2-丁醇的分離。
10.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的方法,其特征在于,使用能夠制備基本上對(duì)映體純的S-2-丁醇或者R-2-丁醇的羰基還原酶。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過用羰基還原酶和輔酶酶促催化還原2-丁酮而制備2-丁醇的方法,且其特征在于為還原2-丁醇,使含有羰基還原酶和輔酶的水相和與所述水相不相混溶并含有2-丁酮的醇相相接觸,前提是在醇相中存在的醇是能夠使輔酶再生和具有高于水的沸點(diǎn)的仲醇,接著使產(chǎn)生的2-丁醇在隨后被分離。
文檔編號(hào)C12P7/16GK1950515SQ200580014840
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者A·古普塔, A·特申特舍, M·博布科瓦 申請(qǐng)人:Iep有限責(zé)任公司