專利名稱：生物催化制備(r)－4,4,4－三氟－3－羥基丁酸乙酯的方法
技術領域：
生物催化制備(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯的方法，屬于生物不對稱還原制備手性鹵代羥基丁酸酯技術領域。
背景技術：
(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯(R)-Ethyl 4，4，4-trifluoro-3-hydroxybutanoate)是一種重要有機合成中間體，是合成抗抑郁劑單胺氧化酶-A抑制劑貝氟沙通(Befloxatone)的手性切塊，還是生產(chǎn)L-三氟蘇氨酸和D-三氟蘇氨酸的前體。由于4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯易于合成且價格低廉，以其為底物進行不對稱還原反應獲取(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯是非常經(jīng)濟有效的制備途徑，而且反應產(chǎn)物(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯不易為微生物代謝利用，用微生物活細胞催化方法制備(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯非常有利。
目前所知的從4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯還原為手性醇的方法主要路徑是微生物催化不對稱還原法，即通過完整的微生物細胞(如面包酵母)的立體選擇性生物催化來實現(xiàn)，但要篩選獲得高立體選擇性的優(yōu)良微生物菌株比較困難；同時也需要添加輔酶，并不斷供給能量物質(zhì)，另外還有底物對菌體的毒性及在水溶液中的不穩(wěn)定性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了產(chǎn)高立體選擇性羰基還原酶的微生物，提供了一種新的能有效催化不對稱還原反應制備手性鹵代羥基丁酸酯的方法，并利用該類微生物菌株催化4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯不對稱還原，以獲得高光學純度、高反應產(chǎn)率、高產(chǎn)物濃度的(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯。
本發(fā)明的技術方案以選擇性羰基還原酶產(chǎn)生菌為出發(fā)菌株，在單一水相體系中，以4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯為底物，在酶反應過程中補充添加底物，并添加葡萄糖和大孔樹脂，制備(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯，步驟如下(1)菌株葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)ATCC26602、CICC 1023、CICC1328、CICC 1494、CICC 1445、CICC 1625，釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)AS2.1429、AS2.23、AS2.146、AS2.240，異常漢遜氏酵母(Saccharomyces Hansenula anomala)AS2300；(2)濕菌體的培養(yǎng)培養(yǎng)基組成以g/L計為醋酸鈉10～100，玉米漿10～100，磷酸二氫鉀1～10，硫酸鎂0.1～1，pH為4～9，溫度20～40℃，培養(yǎng)1～5天，發(fā)酵液過濾獲得濕菌體；(3)配制反應體系以4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯為底物，用0.1M，pH 5.0的檸檬酸緩沖液配制成反應體系，底物濃度以g/L計為10～500；(4)酶轉(zhuǎn)化反應在反應體系中加入濕菌體，加濕菌體量為1～20g/g底物，酶反應溫度為20～50℃，反應時間為1～20小時；在反應過程中補充添加底物，并添加葡萄糖和大孔樹脂，所得的轉(zhuǎn)化液進行手性氣相色譜分析(GC)測定。
(5)轉(zhuǎn)化液后處理轉(zhuǎn)化液過濾或離心分離菌體，清液以乙酸乙酯萃取，吸附樹脂用乙酸乙酯洗脫，合并萃取液和洗脫液，再脫水，脫色，蒸發(fā)回收溶劑，得到無色油狀液體(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯。
產(chǎn)物(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯提取的具體操作為轉(zhuǎn)化反應結束后，將反應液離心(8,000g×20min，4℃)，上清液用等體積的乙酸乙酯進行萃取三次，吸附樹脂用乙酸乙酯洗脫，合并乙酸乙酯萃取液和洗脫液，再向其中加入1～5％(w/v)的無水硫酸鎂，攪勻后靜置過夜，除去殘余的水份。將有機相用濾紙過濾，收集有機相。70℃水浴旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收溶劑，得到無色油狀液體(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯。取(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯0.05g，溶于乙酸乙酯中，定容至5mL，用GC-MASS進行定性分析，樣品與標準品(Sigma Co.)質(zhì)譜圖對照，確定為同一物質(zhì)。
菌株采用葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)ATCC26602，即SW-58，其轉(zhuǎn)化效果較優(yōu)。
配制反應體系，或采用在濕菌體培養(yǎng)發(fā)酵液中直接添加以g/L計為10～500的4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯為底物。
酶轉(zhuǎn)化反應，底物起始濃度為10g/L，在反應過程中補充添加底物至500g/L。
在反應過程中添加葡萄糖，其濃度為10-70g/L。
在反應過程中添加大孔樹脂，采用添加樹脂是用來吸附底物、產(chǎn)物，以抑制底物、產(chǎn)物對菌體的毒性。樹脂與底物的質(zhì)量比為0.6-6∶1，大孔樹脂為DA201、Hz816、Hz803、AB-8、D4006、HPD300、HPD100A、NAK-II、X-5大孔吸附樹脂，D201GF、D392、D315、D290、D280、D293大孔陰離子樹脂，HD-2、D61、D001、HD-1、D001-CC、D113大孔陽離子樹脂，所述大孔樹脂的孔徑為100～180。上述樹脂均為市獸，如上海華東理工大學華震科技開發(fā)公司、南開大學化工廠等產(chǎn)品。
本發(fā)明篩選得到的能有效催化不對稱還原反應制備手性鹵代羥基丁酸酯的微生物菌株是葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)ATCC26602(即SW-58，江南大學生物催化研究室的保藏編號)、CICC 1023、CICC1328、CICC 1494、CICC1445、CICC 1625，釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)AS2.1429、AS2.23、AS2.146、AS2.240，異常漢遜氏酵母(Saccharomyces Hansenula anomala)AS2300等，將此菌種移種到含1～10(g/L)，4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯的麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基上，20～40℃培養(yǎng)3～7天，檢出在含高濃度4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯培養(yǎng)基上生長的菌落。作為催化不對稱還原反應制備手性鹵代羥基丁酸酯的菌株。
含4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯的麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基由麥芽粉配成10°Be′的麥芽汁加20g/L的瓊脂制成。斜面培養(yǎng)配制含麥芽粉浸汁50～300g/L，瓊脂10～25g/L，pH6～9的培養(yǎng)基。100～121℃滅菌，20～50分鐘，滅菌后冷卻、制成斜面、接種，20～40℃培養(yǎng)2～7天。
底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯與產(chǎn)物(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯的氣相色譜(GC)測定反應結束后，用適量的乙酸乙酯萃取，無水MgSO4脫水，過濾，加入適量內(nèi)標物(十六烷)，定容后用GC分析。使用VARIAN3900氣相色譜儀，VARIAN CP WAX 52CB極性色譜柱(30m×0.25mm×0.25μm)，色譜條件為進樣量0.5μL，進樣口250℃，檢測器250℃，流量2.0ml/min，采用程序升溫100℃保留2min，以5℃/min升溫至180℃，保留5min，載氣H2流速30mL/min，尾吹N2流速25mL/min，燃燒氣H2流速30mL/min，空氣流速300mL/min。
產(chǎn)物(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯對映異構體過量值(e.e.)測定采用手性氣相色譜法。手性色譜柱CP-Chirasil Dex CB 25m×0.25mm×0.25μm；色譜條件為10℃保留2min，以2℃/min升溫至140℃保留2min；進樣量0.2μL；柱流速2.0mL/min；載氣H2流速30mL/min，燃燒氣H2流速30mL/min，空氣流速300mL/min，尾吹N2流速25mL/min；進樣口250℃，檢測器250℃，分流比50∶1。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明篩選獲得了高對映體選擇性的葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)等，在單一水相體系中催化不對稱還原4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯生成的(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯對映體過量值達到89％e.e.，在反應體系中添加樹脂，供給能量物質(zhì)，添加高濃度底物，可以獲得高光學純度、高反應產(chǎn)率、高產(chǎn)物濃度，更主要的是在整個反應過程中不需要添加輔酶。
本發(fā)明微生物轉(zhuǎn)化法相對于傳統(tǒng)的化學不對稱合成法、面包酵母氧化還原方法或用添加輔酶NADH/NAD+的酶催化不對稱還原方法具有以下優(yōu)點①生成的(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯對映體過量值高，達到89％e.e.；②生物催化劑為微生物菌體，可以自行發(fā)酵生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定，成本低廉；③在反應體系中添加樹脂，供給能量物質(zhì)，添加高濃度底物，可以獲得高光學純度、高反應產(chǎn)率、高產(chǎn)物濃度；④在整個反應過程中不需要添加輔酶；⑤反應條件溫和，環(huán)境友好。
生物材料樣品說明本發(fā)明所用的葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)ATCC26602(即SW-58)、CICC 1023、CICC1328、CICC 1494、CICC 1445、CICC 1625，釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)AS2.1429、AS2.23、AS2.146、AS2.240；異常漢遜氏酵母(Saccharomyces Hansenula anomala)AS2300。其中ATCC編號菌種保存于美國模式菌種收集中心，CICC編號菌種保存于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心，AS編號菌種保存中國微生物菌種保藏管理中心。
具體實施例方式
實施例1產(chǎn)羰基還原酶微生物菌株的篩選斜面培養(yǎng)培養(yǎng)基為100mL麥芽汁(含麥芽粉10g)，瓊脂2g，pH 6.0，121℃滅菌20分鐘，滅菌后冷卻接種，菌種為表1所示的各種微生物菌株，28℃培養(yǎng)2天，作為斜面活化種子。
種子培養(yǎng)和發(fā)酵醋酸鈉60g/L，玉米漿30g/L，KH2PO46g/L，MgSO4·7H2O1g/L，pH 6.0，裝液量為250mL三角瓶裝液50mL，120℃滅菌20分鐘，滅菌后冷卻接種斜面種子，160r/min的搖床，28℃培養(yǎng)36小時，作為種子或發(fā)酵酶液。
發(fā)酵酶液中濕菌體量為2.5g/100mL，離心10分鐘(8,000轉(zhuǎn)/分鐘)收集菌體，用檸檬酸緩沖液(0.1M，pH 5.0)清洗兩次，將菌體轉(zhuǎn)入25mL含葡萄糖的相同的緩沖液中，使菌體濃度為發(fā)酵液中的兩倍，同時加入0.25g底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯，于30℃，160r/min下反應。反應6小時結束，離心除去菌體，得上清液。上清液用乙酸乙酯萃取，適量無水MgSO4干燥過夜，過濾后進行氣相色譜分析(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯含量與對映體過量值，結果如表1。
表1產(chǎn)羰基還原酶微生物菌株的篩選


實施例2添加不同葡萄糖濃度對轉(zhuǎn)化的影響葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)ATCC 26602(SW-58)，按實施例1方法產(chǎn)酶培養(yǎng)36小時后，稱取2g濕菌體加于250mL三角瓶裝50mL 0.1M，pH5.0檸檬酸緩沖液中，含底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯量為0.5g/瓶，分別添加不同濃度的葡萄糖，質(zhì)量濃度為0g/L，10g/L，20g/L，30g/L，40g/L，50g/L，60g/L，70g/L，于30℃，160r/min下進行轉(zhuǎn)化反應，反應6小時后結束，測定其產(chǎn)物量及對映體過量值。反應液離心除去菌體，得上清液。上清液用乙酸乙酯萃取，適量無水MgSO4干燥，過濾后進行氣相色譜分析(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯含量與對映體過量值，結果如表2。
表2添加不同葡萄糖濃度對轉(zhuǎn)化的影響

由表2可以看出，添加葡萄糖并不影響產(chǎn)物的對映體過量值，而其產(chǎn)率則隨葡萄糖濃度的增加有所增加。
實施例3不同的菌體量對轉(zhuǎn)化的影響葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)SW-58，按實施例1方法產(chǎn)酶培養(yǎng)36小時后，發(fā)酵酶液中濕菌體量為1.5g/100mL，稱取0.25～2.0g濕菌體加于250mL三角瓶裝0.1M，pH 5.0檸檬酸緩沖液25mL，起始底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯量為0.25g/瓶，于30℃，160r/min下進行轉(zhuǎn)化反應。6小時后反應結束，離心除去菌體，得上清液。上清液用乙酸乙酯萃取，適量無水MgSO4干燥，過濾后進行氣相色譜分析(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯含量與對映體過量值，結果如表3。
表3不同的菌體量對轉(zhuǎn)化的影響

由表3可以看出，隨著菌體量的增加，反應的轉(zhuǎn)化率逐漸上升，而對映體過量值基本沒有變化。
實施例4不同底物濃度對轉(zhuǎn)化的影響葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)SW-58，按實施例1方法產(chǎn)酶培養(yǎng)36小時后，發(fā)酵酶液中濕菌體量為1.5g/100mL，稱取2.0g濕菌體加于250mL三角瓶裝0.1M，pH 5.0檸檬酸緩沖液25mL，起始底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯量為0.13～1.13g/瓶(5～45g/L)，于30℃，160r/min下進行轉(zhuǎn)化反應。6小時后反應結束，離心除去菌體，得上清液。上清液用乙酸乙酯萃取，適量無水MgSO4干燥，過濾后進行氣相色譜分析(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯含量與對映體過量值，結果如表4。
表4不同底物濃度對轉(zhuǎn)化的影響

由表4可知，反應的轉(zhuǎn)化率隨底物濃度的增加而降低，底物濃度超過30g/L以后，反應的轉(zhuǎn)化率和對映體過量值均有明顯的下降。
實施例5轉(zhuǎn)化時間曲線葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)SW-58，按實施例1方法發(fā)酵產(chǎn)酶，按實施例2方法進行轉(zhuǎn)化反應，25mL反應體系中含底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯量為0.6g(24g/L)。于反應不同時間取樣，進行氣相色譜分析(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯含量并計算轉(zhuǎn)化產(chǎn)率，結果如表5。
表5轉(zhuǎn)化時間曲線

由表5可知，轉(zhuǎn)化時間為6h產(chǎn)物濃度最高，對映體過量值不隨轉(zhuǎn)化時間的增加而變化。
實施例6添加樹脂對轉(zhuǎn)化的影響葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)SW-58，按實施例1方法產(chǎn)酶培養(yǎng)36小時后，發(fā)酵酶液中濕菌體量為1.5g/100mL，稱取2.0g濕菌體加于250mL三角瓶裝0.1M，pH 5.0檸檬酸緩沖液25mL，起始底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯量為0.75g/瓶(30g/L)，反應體系中添加樹脂HPD300，添加量按說明書所述范圍，于30℃，160r/min下進行轉(zhuǎn)化反應。6小時后反應結束，濾紙過濾，離心除去菌體，得上清液。上清液用乙酸乙酯萃取，適量無水MgSO4干燥，過濾后進行氣相色譜分析(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯含量與對映體過量值，結果如表6。
表6添加樹脂對轉(zhuǎn)化的影響

由表6可知，通過在反應體系中添加樹脂HPD300后，轉(zhuǎn)化后產(chǎn)物濃度有了明顯的提高，并且對映體過量值也有一定的上升。
實施例7用葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)SW-58，按實施例1方法發(fā)酵產(chǎn)酶，按實施例5方法進行轉(zhuǎn)化，起始底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯濃度30g/L，轉(zhuǎn)化6h反應結束后，將反應液離心(5,000rpm，20min，4℃)，得均一透明的淡黃色上清液300mL，測定(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯的濃度為15.01g/L，上清液用等體積的乙酸乙酯進行萃取三次，合并乙酸乙酯萃取液，再向其中加入1～3％(w/v)的無水硫酸鎂，攪拌后靜置過夜，除去殘余的水份。將所得有機相用濾紙過濾，收集有機相。80℃水浴旋轉(zhuǎn)蒸干溶劑，得無色稠狀產(chǎn)物粗品6.31g，GC分析其純度為71.55％。
粗產(chǎn)品6.31g用硅油浴進行減壓蒸餾，在5～7mmHg條件下，在80～83℃時收集餾分得到(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯產(chǎn)物3.44g，用GC分析含量92.4％，收率70.6％。
取蒸餾產(chǎn)物3.44g在戊烷/乙醚中溶解，于-20℃結晶、重結晶兩次，得精制產(chǎn)物2.82g，用手性GC色譜分析，含量99.2％，對映體過量值達到97.3％e.e.，旋光法測定[α]D24＝+12.40(c＝1.0，CHCl3)，收率88.01％。用GC-MS進行定性分析，與標樣質(zhì)譜圖對照，確定樣品與標準品為同一物質(zhì)(圖譜略)。
權利要求
1.生物催化制備(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯的方法，其特征是以選擇性羰基還原酶產(chǎn)生菌為出發(fā)菌株，在單一水相體系中，以4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯為底物，在酶反應過程中補充添加底物，并添加葡萄糖和大孔樹脂，制備(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯，步驟如下(1)菌株葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)ATCC26602、CICC 1023、CICC 1328、CICC 1494、CICC 1445、CICC 1625，釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)AS2.1429、AS2.23、AS2.146、AS2.240，異常漢遜氏酵母(Saccharomyces Hansenula anomala)AS2300；(2)濕菌體的培養(yǎng)培養(yǎng)基組成以g/L計為醋酸鈉10～100，玉米漿10～100，磷酸二氫鉀1～10，硫酸鎂0.1～1，pH為4～9，溫度20～40℃，培養(yǎng)1～5天，發(fā)酵液過濾獲得濕菌體；(3)配制反應體系以4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯為底物，用0.1M，pH 5.0的檸檬酸緩沖液配制成反應體系，底物濃度以g/L計為10～500；(4)酶轉(zhuǎn)化反應在反應體系中加入濕菌體，加濕菌體量為1～20g/g底物，酶反應溫度為20～50℃，反應時間為1～20小時；在酶反應過程中補充添加底物，并添加葡萄糖和大孔樹脂；(5)轉(zhuǎn)化液后處理轉(zhuǎn)化液過濾或離心分離菌體，清液以乙酸乙酯萃取，吸附樹脂用乙酸乙酯洗脫，合并萃取液和洗脫液，再脫水，脫色，蒸發(fā)回收溶劑，得到無色油狀液體(R)-4，4，4-三氟-3-羥基丁酸乙酯。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述菌株采用葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)ATCC26602，即SW-58。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述配制反應體系，或采用在濕菌體培養(yǎng)發(fā)酵液中直接添加以g/L計為10～500的4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯為底物。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述酶轉(zhuǎn)化反應，底物4，4，4-三氟乙酰乙酸乙酯起始濃度為10g/L，在反應過程中補充添加底物至500g/L。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述酶轉(zhuǎn)化反應，在反應過程中添加葡萄糖，其濃度為10～70g/L。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述酶轉(zhuǎn)化反應，在反應過程中添加大孔樹脂，樹脂與底物的質(zhì)量比為0.6～6∶1，大孔樹脂為DA201、Hz816、Hz803、AB-8、D4006、HPD300、HPD100A、NAK-II、X-5大孔吸附樹脂，D201GF、D392、D315、D290、D280、D293大孔陰離子樹脂，HD-2、D61、D001、HD-1、D001-CC、D113大孔陽離子樹脂，所述大孔樹脂的孔徑為100～180。
全文摘要
生物催化制備(R)－4，4，4－三氟－3－羥基丁酸乙酯的方法，屬于生物不對稱還原制備手性鹵代羥基丁酸酯技術領域。本發(fā)明利用篩選并保藏的高對映體選擇性羰基還原酶的產(chǎn)生菌葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)等，在優(yōu)化條件下發(fā)酵產(chǎn)酶，濕菌體在單一水相體系中，以4，4，4－三氟乙酰乙酸乙酯為底物，并添加葡萄糖和大孔樹脂，制備(R)－4，4，4－三氟－3－羥基丁酸乙酯。當?shù)孜?，4，4－三氟乙酰乙酸乙酯濃度為30g/L，轉(zhuǎn)化6h，得到產(chǎn)物(R)－4，4，4－三氟－3－羥基丁酸乙酯濃度26.2g/L、光學純度88.9％e.e、摩爾轉(zhuǎn)化率87.3％，在整個反應過程中不需要添加輔酶。
文檔編號C12R1/85GK1948499SQ20061008592
公開日2007年4月18日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權日2006年5月26日
發(fā)明者孫志浩 申請人:江南大學