6.1 酶促酰化反應(yīng)拆分消旋體胺

    比較一致的意見，還是認(rèn)為催化不對稱路線是最為理想的。當(dāng)向一些公司詢問他們在商業(yè)上最有生命力的手性化學(xué)時，大多數(shù)公司的回答都是催化不對稱化學(xué)。德國BASF公司負(fù)責(zé)新業(yè)務(wù)開發(fā)的經(jīng)理Henning Althoefer認(rèn)為，公司Ludwigshafen中間體部至今最好的事跡莫過于(S)-甲氧基異丙胺。該化合物是除草劑Outlook的單一對映體活性成分的中間體。

Outlook是一個手性轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品。BASF另一個除草劑Frontier的活性成分是消旋體。在BASF的Geismar工廠有一個專門車間，每年以數(shù)千噸的規(guī)模生產(chǎn)(S)-甲氧基異丙胺。該生產(chǎn)是基于一個消旋胺通過一個適當(dāng)酯的酶促酰化反應(yīng)。只有一個對映體被酰化生成酰胺，生成的酰胺可以很容易地與未反應(yīng)的胺分離開。BASF采用同樣的原理，在Ludwigshafen生產(chǎn)ChiPros手性胺。在通常情況下，不需要的對映體通過消旋化再反饋給原生產(chǎn)過程。

    6.2 生物催化拆分制備對映體純β-氨基酸

    (1)脂酶選擇性水解拆分消旋β-氨基酸

    Dowpharma公司應(yīng)用脂酶生物催化拆分生產(chǎn)對映體純β-氨基酸。該公司的脂酶是1990年代末由英國劍橋Chirotech Technology公司開發(fā)的，后者現(xiàn)在是Dow化學(xué)公司的子公司。Dowpharma公司負(fù)責(zé)生物催化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)Karen E.Holt說，從前拆分消旋β-氨基酸時氨基是需要保護(hù)的，也就是說拆分的底物是羧基(轉(zhuǎn)化為酯)和氨基(轉(zhuǎn)化為酰胺)雙重保護(hù)衍生而來。采用生物催化拆分沒有必要保護(hù)氨基，而且拆分的步驟比從前要做的試驗也少[Trtrahedron Lett.,41，2679(2000)]。該路線已在Dowpharma公司以噸級規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品的對映體純度達(dá)到99%。

    Degussa公司負(fù)責(zé)技術(shù)和R&D管理的副總裁Karlheinz Drauz認(rèn)為，β-氨基酸是如此之重要，脂酶路線對于β-氨基酸又是如此之普遍，所以許多公司都在試圖將β-氨基酸化學(xué)商業(yè)化。β-氨基酸是多種正在開發(fā)中藥物的中間體，對每種化合物的需求量從幾百公斤到幾噸。和Dowpharma一樣，Degussa的路線也是從通過一鍋燴合成制備的消旋β-氨基酸開始。應(yīng)用Degussa專有的酯將該氨基酸酯化。采用一種商業(yè)上可以買到的脂酶選擇性水解，只有(S)-酯被水解釋放出(S)-β-氨基酸。該游離酸直接從反應(yīng)中沉淀出來，對映體過剩大于99.5%，化學(xué)純度達(dá)到99%。Degussa已經(jīng)以幾百公斤規(guī)模生產(chǎn)各種β-氨基酸(如β-苯丙氨酸)，而且生產(chǎn)規(guī)模不久將會更大。

    (2)生物催化劑的優(yōu)點幾乎是無法超越的

    Dowpharma負(fù)責(zé)化學(xué)催化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)Ian C.Lennon指出，Chirotech的科學(xué)家通過對不飽和底物碳-碳雙鍵的催化不對稱氫化，考查生成β-氨基酸的反應(yīng)。考查的結(jié)論是，這條路線比較復(fù)雜，即使是關(guān)鍵步驟是不對稱的，也要經(jīng)過更多的階段和步驟，而且產(chǎn)生的廢物也比較多。這種復(fù)雜性的部分原因是在合成需要的底物時生成E和Z異構(gòu)體混合物。大多數(shù)催化劑能以高對映體過剩有效氫化E-異構(gòu)體，而不能氫化Z-異構(gòu)體。可是，Z-異構(gòu)體生成的數(shù)量又比較多，因為它在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。在這種情形下，對映選擇的總收率與生物催化拆分相比就大為遜色了。

    最近，Chiral Quest公司應(yīng)用銠-TangPhos催化劑，為這個問題的解決提供了一個方法。據(jù)賓西法尼亞州立大學(xué)化學(xué)教授和該公司創(chuàng)始人及首席執(zhí)行官張枯木(譯音)稱，該催化劑與底物的幾何異構(gòu)體形式無關(guān)。他聲稱，反應(yīng)條件是相當(dāng)溫和的，銠-TangPhos催化劑可以98%-99%對映體過剩氫化E-和Z-異構(gòu)體。因為TangPhos電子給予能力高，周轉(zhuǎn)次數(shù)可高達(dá)10000次。根據(jù)需求預(yù)測，該公司將這個催化劑的生產(chǎn)擴(kuò)大到公斤級。

    在采用生物催化路線制備β-氨基酸之前，Degussa曾試圖對α,β-不飽和烯酰胺進(jìn)行對映選擇性催化氫化，但結(jié)果證明不理想。應(yīng)用Degussa的銠-MalPhos催化劑，只能達(dá)到95%對映純。要想使對映體純度提高到藥用要求，至少還要進(jìn)行一次重結(jié)晶。另外，該路線生成的是一種β-氨基酸衍生物，要得到該氨基酸還要進(jìn)行一步化學(xué)反應(yīng)和相應(yīng)的后處理。看來，在一步反應(yīng)中直接從溶液中獲得大于99.5%對映體過剩的產(chǎn)品，其他方法是很難超越酶法的。

    (3)對映體純β-氨基酸的用途潛力巨大

    Degussa正在開發(fā)使不希望的對映體重新消旋的方法，同時也在尋求這些對映體的潛在用途。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)(R)-β-氨基酸酯是一種出色的拆分劑。據(jù)Degussa披露，在對特-亮氨酸消旋體拆分以公斤規(guī)模生產(chǎn)D-特-亮氨酸的工藝中，成功地應(yīng)用了(R)-3-氨基-3-苯基丙酸乙酯。Drauz認(rèn)為，D-特-亮氨酸在手性圖中是一個薄弱環(huán)節(jié)。許多不對稱配體、催化劑和手性助劑都是以特-亮氨酸為基礎(chǔ)的。原來只有那些摻人L-特-亮氨酸的對映體可被容易地制造，現(xiàn)在可以大體上相同的成本制備基于D-特-亮氨酸的互補(bǔ)化合物。這對于所有基于特-亮氨酸的不對稱反應(yīng)都是一個絕好的結(jié)果。D-特-亮氨酸可作為新藥侯選化合物的構(gòu)建單元，在含有L-特-亮氨酸的侯選藥物對映體的合成中也有需要，因為在藥物開發(fā)過程中對含有D-特-亮氨酸的對映體也必須進(jìn)行評價。

    6.3 生物催化生產(chǎn)-羥基丁酸酪

    (S)-4-氯-3-羥基丁酸酯(ECHB)是合成阿托伐他汀(atorvastatin，Lipitor)和羅素伐他汀(rosuvastatin，Crestor)等降膽固醇藥的中間體。Lipitor單個產(chǎn)品2003的銷售額為103億美元(編譯者注：2004年銷售額達(dá)到120億美元)。許多公司都在搶著為這些化合物供應(yīng)手性側(cè)鏈。圍繞開發(fā)ECHB更好的生產(chǎn)方法展開了激烈競爭。

    (1)羰基還原酶不對稱氫化

    生物催化劑被成功地用于從前手性酮工業(yè)生產(chǎn)單一對映體3-羥基丁酸酯。東京Daicel化學(xué)工業(yè)公司采用全細(xì)胞生物催化，ECHB的生產(chǎn)能力每年達(dá)100多噸。自從5年前文獻(xiàn)報道該化合物以來，該化合物的生產(chǎn)工藝已經(jīng)有了重大改進(jìn)(C&EN,July19，1999)。關(guān)鍵步驟是應(yīng)用生物催化劑對4-氯乙酰乙酸乙酯(ECAA)進(jìn)行不對稱氫化。該催化劑是一種羰基還原酶，最初從Kluyveromyces aestuarii中分離，然后在大腸桿菌中表達(dá)。ECAA是從雙烯酮化學(xué)合成而來，雙烯酮是Daicel的一個核心原料。氫的來源是煙酰胺腺苷二核苷(NADH)被還原。該化合物預(yù)先通過葡萄糖脫氫酶系統(tǒng)將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡糖酸而再生。考慮到生成大量葡糖酸廢棄物對環(huán)境的影響，Daicel改用甲酸轉(zhuǎn)化成二氧化碳的甲酸鹽脫氫酶系統(tǒng)。

    一種既穩(wěn)定又有活性的甲酸鹽脫氫酶從Mycobacterium vaccae中分離得到，其生產(chǎn)能力通過定點突變得到提高。該變種現(xiàn)在已用于商業(yè)生產(chǎn)ECHB，在49.9g/L比例的情況下，對映體純度超過99%，其生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于野生型酶(19.0g/L)，甚至也優(yōu)于經(jīng)過優(yōu)化的葡萄糖脫氫酶(45.6g/L)。甲酸鹽脫氫酶的定點突變還收到另外兩種效果：增加了對ECAA的耐受性，改善了在有機(jī)溶媒中的行為。ECAA對于產(chǎn)生野生型酶的所有細(xì)胞都是有毒的，而且通常有機(jī)溶媒也可使野生型酶失活。在經(jīng)過定點突變酶的情況下，沒有多少細(xì)胞因ECAA的存在而死亡，實際上這種酶在有機(jī)溶劑中工作也比較好。Dowpharma與位于圣迭戈的生物催化公司Diversa合作，開發(fā)出一條基于腈水解酶(nitrilases)的路線(C&EN，F(xiàn)eb.18，2002；Oct.7，2002)。

    (2)化學(xué)催化羰基不對稱氫化

    Chiral Quest公司也加入了競爭的行列，該公司采用釕-C3-TunePhos催化劑進(jìn)行ECAA不對稱氫化。使用1公斤該催化劑，可從ECAA生產(chǎn)9噸98%-99%對映純的ECHB。Chiral Quest正在向一家工業(yè)生產(chǎn)ECHB的客戶供應(yīng)公斤量的這種催化劑。位于德國慕尼黑的Wacker Specialty公司也瞄準(zhǔn)了3-羥基-丁酸酯單一對映體，將此作為實現(xiàn)從酮制備手性醇最大生產(chǎn)商目標(biāo)的一部分。該公司是雙烯酮的一家主要生產(chǎn)商，從雙烯酮很容易制備前手性的乙酰乙酸酯。

    為了對生產(chǎn)3-羥基丁酯不同的選擇進(jìn)行經(jīng)濟(jì)學(xué)比較，Wacker對制備(R)-3-羥基丁酯的兩條路線(使用分離酶生物催化還原和使用銠及二磷配體催化不對稱氫化)進(jìn)行了分析。該公司根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)得出的結(jié)論是：應(yīng)用全細(xì)胞發(fā)酵生物催化還原并不是一條理想的路線。Wacker的分離酶生物催化路線，是基于一種從Lactobacillus brevis中分離出的醇脫氫酶。該酶的商業(yè)應(yīng)用已被開發(fā)，其專有權(quán)屬于Julich精細(xì)化學(xué)品公司(JFC)。該公司位于德國Julich，是Wacker為精細(xì)化學(xué)品開發(fā)酶催化過程的一個合作伙伴。Wacker聲稱，該工藝以97%收率生成100%對映純的產(chǎn)品，并以數(shù)百公斤規(guī)模投入生產(chǎn)。Wacker估計，該路線可以生產(chǎn)出商業(yè)數(shù)量的(R)-3-羥基丁酯，其成本在100美元/公斤以下。相比之下，應(yīng)用Wacker專有配體的化學(xué)催化路線生成98%對映純的產(chǎn)品，收率可達(dá)到95%。這條路線也被用于百公斤級的生產(chǎn)。Wacker估計，采用此路線生產(chǎn)(R)-3-羥基丁酯的成本比生物催化要低10%-15%。

    最大的不同是化學(xué)催化路線的產(chǎn)量比生物催化的高3至4倍。要想在生物催化中得到高對映體過剩，工藝過程必須在稀溶液中進(jìn)行，這就意味著產(chǎn)出率是比較低的。兩條路線都被用于數(shù)噸規(guī)模生產(chǎn)，根據(jù)客戶對純度和價格的要求決定采用哪一條路線。由于該生物催化路線生成的手性醇質(zhì)量特別好，Wacker正在與JFC和Prokaria合作，開發(fā)其它各種專用手性醇的生產(chǎn)工藝。Prokaria是位于冰島首都雷基亞比克的一家公司，該公司從冰島生物多樣性來源發(fā)現(xiàn)各種酶。

    Bayer化學(xué)品部的3-羥基酯(包括3-羥基丁酯)，是用Bayer的催化劑釕-ClMeO-BIPHEP催化不對稱氫化方法生產(chǎn)的，年產(chǎn)量為噸級，對映體純度大于99%。根據(jù)客戶要求，Bayer已經(jīng)應(yīng)用該化學(xué)從乙酰基丙酮制備對映純的(S,S)-戊-2,4-二醇。Bayer生產(chǎn)了若干公斤這種對映體，其對映體過剩大于99%，非對映體過剩大于98%。有趣的是，這家客戶是專門從事生物催化的，而且已擁有一條制備R,R-對映體的生物催化路線。該公司一直想找到一種方法，以便在他們的產(chǎn)品目錄中有兩種對映體。