CC BY
30
УДК 547.593.2
Р. Н. Шахмаев (к.х.н., доц.), А. У. Ишбаева (асп.), Л. А. Семенова (студ.), А. Ш. Сунагатуллина (студ.), С. С. Вершинин (к.х.н., доц.), В. В. Зорин (чл.-корр. АН РБ, д.х.н., проф., зав. каф.)
Хемоэнзиматический синтез (5")-3-гидрокси-2,2-диметилциклогексан-1-она
Уфимский государственный нефтяной технический университет кафедра биохимии и технологии микробиологических производств 450062, Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431935, e-mail: [email protected]
R. N. Shahmaev, А. U. Ishbaeva, L. A. Semenova, A. Sh. Sunagatullina, S. S. Vershinin, V. V. Zorin
Chemoenzymatic synthesis of (5)-3-hydroxy-2,2-dimethylcyclohexan-1-one
Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062 Ufa, Russia; ph. (347) 2431935, e-mail: [email protected]
На основе алкилирования 1,3-циклогександио-на и энантиоселективного биокаталитического восстановления образующегося 2,2-диметил-1,3-циклогександиона дрожжами Saccharomyces sp. AS-11 разработан хемоэнзиматический метод синтеза ^)-3-гидрокси-2,2-диметилциклогек-сан-1-она — хирального строительного блока, широко используемого в органическом синтезе. Метод базируется на дешевом и доступном сырье, обеспечивает высокую оптическую чистоту целевого продукта, прост в исполнении и может использоваться для получения этого ценного синтона в полупромышленных масштабах.
Ключевые слова: биокатализ; ^)-3-гидрокси-2,2-диметилциклогексан-1-он; хемоэнзиматический синтез.
Chemoenzymatic synthesis of (S)-3-hydroxy-2,2-dimethylcyclohexan-1-one, a common chiral building block, based on the alkylation of 1,3-cyc-lohexanedione and subsequent enantioselective biocatalytic reduction formed 2,2-dimethyl-1,3-cyclohexandione by Saccharomyces sp. AS-11 yeasts was developed. The advantages of this method included readily available and inexpensive starting material, high optical purity of target product and practical experimental conditions that allow easy scale-up production.
Key words: biocatalysis; (S)-3-hydroxy-2,2-dime-thylcyclohexan-1-one; chemoenzymatic synthesis.
(5)-3-Гидрокси-2,2-диметилциклогексан-1-он (1) широко используется в качестве исходного хирального блока в синтезе важнейших фармакозначимых соединений (противораковых препаратов: таксола 1, (-)-стиполдиона 2, 3(5),17-дигидрокситаншинона 3, антибиотика (-)-перенипорина 4, ингибитора биосинтеза холестерина 5 и др.), парфюмерных продуктов (серой амбры 6, масла Османтуса Абсолюта 7), витаминов группы Э 8,9, феромонов 10,11, регуляторов роста 12 и других биологически актив-13 14
ных веществ 13,14.
Известный метод получения (5)-3-гидро-кси-2,2-диметилциклогексан-1-она основан на малодоступном 2-метил-1,3-циклогександионе и характеризуется большим отношением биомассы и сахарозы к субстрату, необходимос-
тью применения неионных сурфактантов, значительным количеством побочных реакций, недостаточно высоким выходом, а также весьма трудоемкой процедурой получения и выде-15
ления продукта 15.
В связи с большим значением (5)-3-гидро-кси-2,2-диметилциклогексан-1-она (1) для органического синтеза нами проведены исследования по разработке усовершенствованного метода синтеза этого хирального синтона.
В качестве исходного сырья был использован доступный 1,3-циклогександион (2). Ал-килирование иодистым метилом его металли-рованной формы привело со средним выходом (55%) к 2,2-диметил-1,3-циклогександиону (3) и неидентифицированному побочному продукту. Попытка разделения этих соединений
Дата поступления 20.04.10
вакуумной ректификацией на 0.7 м колонке
16
по предложенной методике 16 оказалась неудовлетворительной, содержание побочного продукта в основной фракции составило порядка 10%. Кроме того, согласно данным ЯМР спектроскопии в перегнанном продукте содержится еще порядка 10% неопределяемых методом ГЖХ загрязнений. Таким образом, существующий на сегодняшний день метод разделения продуктов метилирования 1,3-циклогек-сандиона является весьма неудачным.
MeI, K2CQ
О'
О ацетон q'
^Q
2
3
Saccharomyces sp. AS-11 -►
сахароза HQ^ ^"Q
1
С целью поиска более эффективного способа разделения данных продуктов нами исследована возможность использования для этой цели метода колоночной хроматографии. В результате тщательного подбора элюента удалось полностью отделить 2,2-диметил-1,3-циклогександион (3) от основного побочного продукта (согласно ГЖХ-анализу). Анализ спектров ЯМР 1H и ЯМР 13С указывает на отсутствие каких-либо загрязнений, содержание целевого продукта 3 составляет ~ 99%.
Далее нами была исследована возможность использования различных штаммов дрожжей для энантиоселективного восстановления 2,2-диметил-1,3-циклогександиона 3. В ходе обширного скрининга оценивалась способность микроорганизмов конвертировать его в 3-гидрокси-2,2-диметилциклогексан-1-он (1) без применения неионных сурфактантов в следующих (стандартных) условиях реакции: водопроводная вода, субстрат — 7 г/л, биокатализатор — 75 г /л, сахароза — 100 г/л, аэробные условия, температура 30—34 оС, время реакции — 50 ч. Наилучшие результаты получены при использовании штамма Saccharomyces sp. AS-11 из коллекции кафедры биохимии и технологии микробиологических производств УГНТУ 17, конвертирующего 2,2-диметил-1,3-циклогек-
сандион (3) в 3-гидрокси-2,2-диметилцикло-гексан-1-он (1) с 58% выходом. Исследование оптических свойств соединения 1, полученного с помощью данного штамма, показало образование (5)-энантиомера с чистотой ~ 98 ee % ([«Id20 +22.7, лит. 15 [«]D21+ +23.0, CHCl3).
Таким образом, нами на основе доступного сырья разработан удобный хемоэнзимати-ческий метод синтеза (5)-3-гидрокси-2,2-диме-тилциклогексан-1-она высокой оптической чистоты путем метилирования доступного 1,3-циклогександиона и энантиоселективного биокаталитического восстановления образующегося 2,2-диметил-1,3-циклогександиона дрожжами Saccharomyces sp. AS-11.
Экспериментальная часть
ИК спектры соединений получали в тонком слое на ИК Фурье-спектрофотометре IRPrestige-21 SHIMADZU. Спектры ЯМР и 13С записывали в CDCl3 на приборе Bruker АМ-300 (рабочая частота 300 и 75.47 МГц соответственно), внутренний стандарт — ТМС. Хроматографический и масс-спектральный анализ полученных соединений проводили на аппаратно-программном комплексе Хрома-тэк—Кристалл 5000 с масс-селективным детектором Finnigan DSQ (электронная ионизация при 70 эВ). Использовали капиллярную колонку Restek Rtx-5ms (5% фенилполисилоксан, 95% диметилполисилоксан, длина 30 м), температура испарителя 250 oC, температура ионизационной камеры 250 oC. Анализ проводили в режиме программирования температуры от 50 до 250 oC со скоростью 10 °0/мин; газ-носитель — гелий (1.1 мл/мин).
Дрожжи выращивали на сахарозо-аммо-нийной среде (г/л): сахароза — 60; (NH4)2SO4 — 5.0; KH2PO4 - 0.85; KHPO4 - 0.15; MgSO4-7H2O - 0.5; NaCl - 0.1; CaCl2-4H2O -0.1. Выращенную биомассу фильтровали под пониженным давлением и сушили на фильтровальной бумаге.
Удельное вращение полученных продуктов ([a]D продукта) измеряли на автоматическом поляриметре «Perkin Elmer» Model 341 при 1=589 нм.
2,2-Диметилциклогексан-1,3-дион (3). В трехгорлую колбу емкостью 250 мл, снабженную магнитной мешалкой и обратным холодильником, помещали 11.21 г (0.1 моль) 1,3-циклогександиона в 100 мл безводного ацетона, 30 г K2CO3 и 35.48 г (0.25 моль) CH3I.Смесь интенсивно перемешивали при ки-
пении в течение 15 ч. После охлаждения добавляли 100 мл хлороформа и фильтровали. Затем отгоняли растворитель и остаток хрома-тографировали (SiO2, гексан-этилацетатат, 7:3—>2:3). Получили 7.69 г (55%) 2,2-диметил-1,3-циклогександиона (3) и 3.11 г неустановленного побочного продукта. ИК спектр, v, см-1: 2992, 2940, 2922, 2874, 1695 ш (C=O), 1458, 1422, 1383, 1341, 1134, 1070, 1030, 999, 844. Спектр ЯМР *H, 5, м. д.: 1.31 c (6H, CH3), 1.96 квин (2H, CH2), 2.70 т (4H, CH2CO). Спектр ЯМР 13С, 5, м.д.: 17.78 (С5), 21.97 (2CH3), 37.08 (C4, C6), 61.46 (C2), 210.20 (C1, C3). Масс-спектр, m/z (1отн, %): 141 (7), 140 (83), 97 (100), 71 (7), 70 (53), 69 (19), 67 (26), 55 (40), 43 (11), 42 (36), 41 (27), 39 (15).
( 8)-3-Гидрокси-2,2-диметилциклогек-сан-1-он (1). В трехгорлую колбу емкостью 500 мл, снабженную магнитной мешалкой, помещали 200 мл отстоявшейся водопроводной воды и 20 г сахарозы. К перемешиваемой смеси прибавляли 15 г биомассы Saccharomyces sp.AS-11 при 30 оС и перемешивание продолжали до начала ферментации. Затем в колбу вносили 1.4 г (0.01 моль) 2,2-диметил-1,3-цик-логександиона и реакционную смесь перемешивали 50 ч при температуре 30-34 оС. Дрожжевую суспензию фильтровали под пониженным давлением, влажный остаток промывали этилацетатом. Фильтрат экстрагировали этил-ацетатом (3x100 мл), объединенные органические слои сушили над Na2SO4 и упаривали. Остаток хроматографировали (SiO2, гексан-этилацетатат, 4:1—1:1). Получили 0.82 г (58%) соединения (1), 98 ee % ([a]D20 +22.7, лит. 15 [a]D21 +23.0, CHCl3). ИК спектр, v, см-1: 3449 ш (OH), 2970, 2943, 2872, 1701 (С=О), 1452, 1426, 1383, 1315, 1142, 1121, 1055, 986, 966. Спектр ЯМР *H, 5, м. д.: 1.05 д (3H, CH3), 1.08 д (3H, CH3), 1.55-1.63 м (1H, CH2), 1.72-
1.80 м (1H, CH2), 1.91-2.01 м (2H, CH2), 2.292.35 м (2H, CH2CO), 2.76 ш. с (1H, OH), 3.613.65 м (1H, CHOH). Спектр ЯМР 13С, S, м.д.:
19.33 (CH3), 20.32 (С5), 22.44 (CH3), 28.58 (C4), 36.94 (C6), 50.99 (C2), 77.18 (C3), 215.32
(C1).
Литература
1. Iwamoto M., Miyano M., Utsugi M., Kawada H., Nakada M.// Tetrahedron Lett.- 2004.-V. 45.- P. 8647.
2. Mori K., Koga Y.// Liebigs Ann.- 1995. - P. 1755.
3. Zhang J., Duan W., Cai J.// Tetrahedron. -2004.- V. 60.- P. 1665.
4. Mori K., Takaishi H.// Liebigs Ann.- 1989.-P. 939.
5. Mori K., Mori H., Yanai M.// Tetrahedron.-1986.- V. 42.- P. 291.
6. Mori K., Tamura H.// Liebigs Ann.- 1990.- P. 361.
7. Mori K., Tamura H.// Tetrahedron.- 1986.-V. 42.- P. 2643.
8. Stepanenko V., Wicha J.// Tetrahedron Lett.-1998.- V. 39.- P. 885.
9. Gorobets E., Stepanenko V., Wicha J.// Eur. J. Org. Chem.- 2004.- P. 783.
10. Mori K., Nakazono Y.// Tetrahedron.- 1986.-V. 42.- P. 283.
11. Mori K., Suzuki N.// Liebigs Ann.- 1990.- P. 287.
12. Mori K., Mori H.// Tetrahedron.- 1986.-V. 42.- P. 5531.
13. Mori K., Watanabe H.// Tetrahedron.- 1986.-V. 42.- P. 273.
14. Murai A., Tanimoto N., Sakamoto N., Masamu-ne T.// J. Am. Chem. Soc.- 1988.- V. 110.-P. 1985.
15. Mori K., Mori H.// Org. Synth.- 1989.- V. 68.-P. 56.
16. Jacobson B. M., Soteropoulos P., Bahadori S.// J. Org. Chem.- 1988.- V. 53.- P. 3247.
17. Калимуллина Л.Я., Шакиров А.Н., Шахмаев Р.Н., Петухова Н.И., Зорин В.В. // Баш. хим. ж.- 2009.- Т. 16, №4.- С. 74.
