生物素的全合成

化學(xué)進(jìn)展980310Ahinatlo化學(xué)進(jìn)展科技期刊WANFANG DATAProgress in Chemistry1998年第3期No.3 September 1998生物素的全合成周智明楊紅文(北京理工大學(xué)化工與材料學(xué)院北京100081)，摘要本文綜述國外學(xué)者在生物素合成方面所作的工作,簡(jiǎn)述生物素的生化功能,并指出在我國進(jìn)行生物素合成開(kāi)發(fā)研究的必要性和迫切性。關(guān)鍵詞生物素合成生理作用綜述Total Synthesis of BiotinZhou Zhiming Yang Hongwen(College of Chemical Engineering and Materials Science, Beijing Institute ofTechnology, Bejjing 100081 , China)Abstract Synthetic methods of biotin,including its commercial synthesis are reviewed.Itsbiological functions are also briefly described.Key words biotin; synthesis; physiological functions; review一、引言生物素又名維生素H或維生素By ,是一種重要的維生素,它作為成長(cháng)素是整個(gè)生物界所必需的[1]。如果人體缺乏生物素會(huì )引起皮炎和毛發(fā)脫落。若家禽缺乏生物素會(huì )導致生長(cháng)遲緩和發(fā)育不良,甚至導致死亡。因此，生物素是配合飼料的關(guān)鍵組分之一。根據發(fā)展規劃，至2000年，我國飼料添加劑維生素需求量將達2萬(wàn)多噸，其中缺口最大的是生物素。目前國內生物素的生產(chǎn)尚屬空白，使用的生物素基本從日本進(jìn)口。而我國飼料工業(yè)滯后發(fā)展的狀況決定了在短期難以迅速扭轉生物素依靠進(jìn)口的局面。生物素生產(chǎn)投資大，技術(shù)含量高，其生產(chǎn)技術(shù)主要為日本和西歐化工醫藥集團所壟斷。因此，在我國著(zhù)手進(jìn)行生物素合成開(kāi)發(fā)研究，以期進(jìn)一步實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)是非常必要和十分迫切的。本文根據所收集的資料綜述國外學(xué)者在生物素合成方面所作的工作，并簡(jiǎn)述其生化功能。二、生物素的生化功能1.生物素的生理作用[2]生物素的化學(xué)名稱(chēng)為d-順式四氫-2-氧噻嗯并(3,4)咪唑啉-4-中國煤化工MHCN MH言漣的噻吩與尿素結合的并環(huán)(1)。fle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第1/ 11頁(yè)) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310O羧化反應性基團HNNHHCH2 Sm (CH2)4COOH,與賴(lài)氨酸殘基的ε-氨基結合成生物胞素生物素是羧化酶的輔基其活化型是通過(guò)其羧基與酶活性中心的賴(lài)氨酸殘基的ε ~氨基共價(jià)結合成為一種化合物ε -生物素賴(lài)氨酸,稱(chēng)為生物胞素。在羧化作用時(shí),其尿環(huán)上的N★原子可與羧基結合，參與體內固定CO2的羧化反應，它對糖、脂肪、蛋白質(zhì)和核酸等代謝有重要意義。在脂肪酸合成過(guò)程中，作為乙酰輔酶A羧基酶的成分起作用。在葡萄糖合成過(guò)程中作為丙酮酸羧基酶的成分起作用。在氨甲酰酶轉移、嘌呤合成、糖代謝、色氨酸分解中起作用，并與其他維生素發(fā)生相互作用。2.生物素的功用[3]人體對生物素的需求量較小，但也是必不可缺的。在雞蛋清和牛奶中含有-種抗生物素蛋白，可與生物素結合成無(wú)活性而又不易被吸收的結合蛋白。因此國外在食用鮮奶中均加入少量生物素添加劑。人體生物素缺乏時(shí)，可引起皮炎和毛發(fā)脫落，重則發(fā)生脂肪肝、腎病綜合癥并對免疫系統產(chǎn)生巨大的消極影響。生物素是家禽體內主要代謝中所必需的，許多家禽缺乏生物素時(shí)通常會(huì )發(fā)生表皮病變生物素供應不足則會(huì )降低家禽的生產(chǎn)性能。近年來(lái)大量的研究已經(jīng)證實(shí)在種豬飼料中添加生物素會(huì )產(chǎn)生有益的作用。在肉雞飼料中添加生物素顯著(zhù)提高了肉雞的生長(cháng)速度，并降低了死亡率。在產(chǎn)蛋雞飼料中添加生物素則提高了產(chǎn)蛋率，改善了飼料效率，以較少的投入產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益。此外，微生物培養和發(fā)酵工業(yè)也需一些生 物素作為生長(cháng)因子,如培養合成賴(lài)氨酸的棒狀桿菌需加入生物素。生物素在醫學(xué)中可作為生化試劑。三、生物素的全合成1.生物素的工業(yè)化生產(chǎn)方法生物素作為天然化合物存在于動(dòng)物的腎臟、肝臟、蛋黃、牛奶和酵母中，這-點(diǎn)早已被人們所認識，但用人工化學(xué)合成的方法得到生物素還是本世紀中葉的事情。1943年首 先由Harris [4]合成出生物素，1947年再由Baker[5]發(fā)明了新的合成方法。然而，這兩種方法距工業(yè)化生產(chǎn)相差甚遠。兩年后,Goldberg和Sternbach的發(fā)明成功地實(shí)現了生物素的規?；I(yè)生產(chǎn)[6]，并獲得美國專(zhuān)利，其合成方法見(jiàn)反應式(1)。此方法用二氨基丁二酸內消旋體4為起始原料,將4轉化為咪唑啉酮-2-順-4,5-二羧酸5,然后生成含硫環(huán)化物8，再由8引入生物素側鏈,與先前的方法相比中國煤化工種易得的起始原料4中所含的兩個(gè)氨基基團的空間排列方式與生物素CHCNMH c相同,為順式構型，從而避免了反式異構體生物素的生成和分離，而不至于影響總產(chǎn)率，最終得到純d,l-生物素。fle/E Vqk/nxjZ/980310.htm (第2/ 11頁(yè)) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310/8COOH3t3rNHR NHRNR SRNRCH=CH一-CH-CH?CH-CH一→CH_CH一+ CH-CHCOOH COOH90 go\o346RNRCH一- C]”， CH-CHCH一CHAcOCH goCCCH2 ,c- (CH2)4OCH3oOH89/OHC -CH一CH一COOHHSCH2C一CH- - CH一CO一(CH2)4OCH37a9aR NRCH- CHCH-CECH2 S= = CH(CH2)4OCH3CH2 CH(CH2)4OCH3CH2 CH (CH2)4OCH3、。/10112HN NHHNCH-CHCH- -CHCHz CH(CH2)4BrCH2 CH(CH2)4CNCH2 CH(CH2)4COOH\57145中國煤化工MYHCNMHGR=CH5日f(shuō)le/// Vqkn1z98310.htm(第3/ 11頁(yè)) 20-222351545化學(xué)進(jìn)展980310(1)2.經(jīng)由亞砜立體選擇性烷基化的方法雖然Goldberg和Sterbach所發(fā)明的生物素的合成方法實(shí)現了工業(yè)化，但此方法仍存在諸多有待改進(jìn)之處。除合成路線(xiàn)長(cháng)(共15步)外，此合成方法還涉及劇毒物質(zhì)氰化鉀和光氣的使用,Grinard試劑的制備低溫脫芐和貴重金屬催化劑Pd的使用,最終產(chǎn)物d,l-生物素尚需用手性苦杏仁酸進(jìn)行旋光異構體拆分總得率之低、生產(chǎn)成本之高是可以預見(jiàn)的(CP級生物素30 000元人民幣/g)。在此之后的近50年間，國外有機合成化學(xué)家對生物素的合成方法進(jìn)行了許多改進(jìn)和嘗試，取得了-系列令人矚目的成果。其中有代表性的是法國人Solange和Sonia(1977年)的方法[7]?；贕oldberg和Stermbach的新思路,Solange和Sonia采用經(jīng)由亞砜立體選擇性烷基化引入生物素側鏈羧酸的合成路線(xiàn)(見(jiàn)式(2)，縮短了三步反應。3rBrR-NHHN-RR-NN~RMeOHR-NH 2H.HC0C12 H..COOHH+HOOCC00H450C、R~NN-RN_RH, ,H.,MsC]H....HNa2SMeOOCCOOMcHOCH2 HCOHMsOCH2 HQOMs6|718O,CNalO4MeLi+H.I(CH2)4000rBu中國煤化工MHCNM HG1920a20bfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm (第4/ 11頁(yè)) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展9803100R-NN-RTiCl、R-NN_RHNNHH..HH+H....HH:BuO0C(CH2)gCH2↓R'OOC(CH2)3CH2HOOC(CH2)3CH22215(d,I)-biotinR=benzyl或alyl，R'=H或CH 3(2)3.以噻吩衍生物為起始原料的方法此方法[8]利用噻吩衍生物23中已含有的硫醚五元環(huán)骨架，僅需考慮在其側位引入長(cháng)鏈羧酸然后用光氣關(guān)環(huán)得脲環(huán)30,經(jīng)高壓催化氫化將噻吩環(huán)轉化為硫醚環(huán)，最后得到d,l-生物素如式(3)所示。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于合成路線(xiàn)不太長(cháng),所用的保護基團為苯甲酰易于脫去,但最大的缺點(diǎn)是原料不易得，且沒(méi)有避免使用光氣。與此法相類(lèi)似的還有Baker [9]的合成方法，從帶有側鏈和硫醚的羧酸出發(fā),經(jīng)幾次基團轉換即成相應的脲環(huán)。中國煤化工MHCNM HGfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第5/ 11頁(yè)) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310iRNH HNRRNHHNRC6HsCCILiAlH4COy .PyHCI-COOCH3COOCH3. CH2OH-CHO25261.Ba1(OH)2/H2OHNNH2.COC12COOHWitig.527IHH2:/PdRNH HNR ..H(00)2/12O2COCl22830R=CPh3)中國煤化工MYHCNMH Gfle//E Vqkn1z98310.htm(第6/ 11頁(yè)) 20-2223515化學(xué)進(jìn)展980310OHo P10 PhX8( Pha0QRHOHO -NH2NHCbzN3 NHCbzHN NHObz32 R=H31343533 R=Ts>2HO-CHOii a一HNNHHN NH36388CHgC、,CHCHgCAAh，.OH-OHH-TH153940(Cbz=-O0CH2C6Hs, Ts=SO2C6H4CH3)中國煤化工MYHCNMH G.fl// yqknz980310.ht0m(第7/ 11頁(yè)) 20-22.51:1545化學(xué)進(jìn)展980310(4)4.以氨基葡糖為原料的方法值得-提的是，日本人Hiroshi合成生物素所采用的方法[10]，從D-氨基葡糖31出發(fā),縮環(huán)后得四氫呋喃衍生物32，并將與氨基相鄰的羥基經(jīng)疊氮化物34轉化為氨基。二氨基化物35則很易閉合為脲環(huán)。將二醇側鏈氧化為醛后，再利用Wittig反應得到所需的側鏈。最后將四氫呋喃環(huán)開(kāi)環(huán)即得到并硫醚五元環(huán)。見(jiàn)式(4)。5.利用環(huán)加成的合成方法Michael及其同事所發(fā)現的合成生物素中間體43的方法堪稱(chēng)-絕(見(jiàn)式(5))。 將硝基化合物41轉化為氰氧化物42后，經(jīng)分子內環(huán)化，即可得到含雙環(huán)基本骨架的氧化呋咱43,并成功地將43轉化為生物素[11]。但此步得率低，不易于工業(yè)化。R,S、,RSNO2 NO2 .C414243R=(CH2)4COOMe .(5)意大利人Enrico提出的合成生物素的合成路線(xiàn)[12]，以L(fǎng)-胱氨酸二甲酯為原料,合成步驟少，立體選擇性好，工業(yè)污染少，若在我國能很好地解決原料生產(chǎn)問(wèn)題，此法將具有良好的工業(yè)化前景。見(jiàn)式(6)。中國煤化工MHCNM HGfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第8/ 11頁(yè)) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展9803102(S2(S、[_HMeOLC~ t ~HMeOC-i HPlrithNH2NH-NH46 R=OMe444547 R-H488HPlPh|HH2HOHN-H-一十MeOfPbNHPhNHCO2MeCOHIR0OH49505152 R=Cl53 R=H(6)6.利用硫代羰基葉立德環(huán)化反應90年代,國外有關(guān)生物素的合成方法報道較少[13,14]，有代表性的是西班牙人Alcazar提出的由N-苯基戊二酰亞胺出發(fā),經(jīng)由硫代羰基化合物和重氮烷基反應,生成硫代羰基葉立德,再和親偶極的化合物發(fā)生環(huán)化反應合成生物素,見(jiàn)式(7)和(8)。CH2N2一+R'^RR NR54555657(7)中國煤化工MHCNM HGfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第9/ 11頁(yè)) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310HNNH5859COOH(8)但這種合成方法所用的前體分子硫醛是不穩定的,其次中間體硫代羰基葉立德本身易發(fā)生二聚反應?？傊?這種方法合成路線(xiàn)較長(cháng),產(chǎn)品成本較高,不適于工業(yè)化。有關(guān)生物素的其它合成方法請參閱文獻[15- -27] 。綜上所述，生物素對生物生理具有不可替代的作用。已知的國外有關(guān)生物素的合成方法雖有諸多可取之處,但或因合成路線(xiàn)太長(cháng)、原料難得,或因操作條件太苛刻或污染嚴重,使得生物素商品價(jià)格極其昂貴。開(kāi)發(fā)高效、安全、低消耗、高選擇性的新的合成方法便成為當務(wù)之急。收稿: 1997年11月,收修改稿: 1998年4月參考文獻[ 1 ]陳瓊華，生物化學(xué)，人民衛生出版社,北京，1982.[ 2 ] Donald B, Nutrition Reviews, 1975, 33, 97- -101.[3]劉明江，飼料營(yíng)養(臺灣), 1996 , (1), 61- -68.[4] Harris S A, Science, 1943, 97, 447.[5 ] Baker B R, J. Org. Chem., 1947, 12, 167.[ 6 ] Goldberg M W, Sternbach L H,US 2489 232; 2489 235, 1949.[ 7 ] Salange L, J.Am.Chem. Soc., 1978, 100, 1558- -1563.[8] Rossy P, Ralph A W, Tetrahedron Lett, 1981, 22, 3493- -3496.[9] Baker B R,J. Org. Chem., 1946, 12, 186- 197.[ 10] Hiroshi O, Noriyoshi S, Sakae E et al., Agric. Biol. Chem., 1978, 42(4), 865- -868.[ 11 ] Michael M, Franz M, Josrf R et al, J. Am. Chem. Soc., 1977, 100, 6754- -6756.[ 12 ] Enrico G B, Hsi L L, Giacome P et al., J.Am. Chem. Soc., 1982, 104, 6460- -6462.[ 13 ] Alcazar V, Tapia I, Moran J R, Tetrahedron, 1990, 46(3), 1057- -1062.. [ 14 ] Bihovsky R, Bodepudi V, Tetrahedron, 1990, 46(23), 7667- -7676.[ 15 ] Ogawa T, Kawano T A, Carbohydr. Res., 1977, 57, C31- -C35.[ 16] Baker B R, Pocar D, Riehl L et al.,J. Org. Chem., 1946, 12, 185- -197.[ 17 ] Harris S A. J. Am. Chem. Soc., 1944, 66, 1756- -1757.中國煤化工[ 18 ] Hirosh L, Sakae E, Tetrahedron Lt., 1975, 32, 2765- -2766[ 19 ] Confalone P N, J. Am. Chem. Soc., 1975, 97, 5938- -5940.MYHCNM HG[ 20 ] Grob C A, Sprecher H, Helv. Chim. Acta, 1952, 5(114)， 885- -891.fle/E Vqk/nxjZ/980310.htm (第10/ 11頁(yè)) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310[ 21 ] Alder K, Brachel H, Justus Liebig Annalen der Chemle, 1962, 651, 148- - 153.[ 22 ] Baer E, J. Am. Chem. Soc., 1942, 64(5), 1416- -1417.[ 23 ] Rachlin H, Organic Synthesis, 1971,51,8- -10.[ 24 ] Bosone E, Farine P, Guazzi G et al, Synthesis, 1983, (10), 943- -944.[ 25 ] Corey E J, Suggs J W, Tetrahedron Lett, 1975, (31), 2647- 2650.[ 26 ] Alcazar V, Tapia I, Moran J R, Tetrahedron, 1990, 46(3), 1057- -1062.[ 27 ] Ron B, Veeraiah B, Tetrahedron, 1990, 46(3), 7667- -7676.中國煤化工MHCNM HGfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第11/ 11頁(yè)) 2010-3-22 23:51:54