莽草酸的合成研究現(xiàn)狀

寇玉輝, 雷 葉

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0 引 言

莽草酸是一種重要的生物活性物質，在植物和微生物代謝中，它是許多天然產物包括芳香族氨基酸、生物堿、酚類等物質的生物合成中間體，即莽草酸途徑[1].莽草酸也是一些特殊酶的抑制劑，是合成神經氨酸酶抑制物的一種重要原料，可用來合成抗流感藥物[2].

早在1885年，莽草酸就被發(fā)現(xiàn)并分離得到，20世紀50年代出現(xiàn)了莽草酸的化學合成方法.生物提取法雖然也得到了發(fā)展，但成本較高，與此同時還出現(xiàn)了微生物發(fā)酵法.自2003年禽流感侵襲以來，莽草酸是有效對付致命性H5H1禽流感病毒藥物“達菲”的重要成分，因此莽草酸的需求日益增大.目前，八角茴香是工業(yè)上莽草酸的主要來源，但生產成本很高，因此開發(fā)莽草酸新型合成法具有重要意義.

1 莽草酸結構及分布

莽草酸(Shikimic acid，SA)屬酚類化合物，化學名為[3R-(3α,4α,5β)]-3,4,5- 三羥基-1- 環(huán)己烯-1-羧酸，分子式為C7H10O5，結構見圖1，具有手性，其中1a具有開發(fā)藥物的功效.它是1885年從日本莽草“Shikimic-Ki(Illiciumanisatum)”分離提取而得名.到目前為止，莽草酸除了在八角茴香中(含量達12.57%)被發(fā)現(xiàn)大量存在外，在番茄葉、醋栗果實、金絲桃等160多種植物中其存在也被發(fā)現(xiàn).

圖1 莽草酸結構

2 莽草酸的化學合成

莽草酸是合成很多藥物的原料，其立體專一性歷來為人們關注，早在1959年Smissman等[3]就立體專一地合成出dl-莽草酸.1968年，有科研人員對D(-)莽草酸全合成中的中間體做了詳細的描述[4].1971年，又報道了以D-樹膠醛糖為原料合成出立體專一、具有光學純度的莽草酸[5].

早期方法雖有立體選擇性好、中間某些合成步驟反應條件簡單、產率高等優(yōu)點，但是大都步驟較多，總收率不高.近年來合成方法有所改進，取得了一些進展.

2．1 Diels-Alder合成法

Takashi等[6]以人造纖維2為初始原料，經過17步反應得到了(-)-莽草酸7，反應示意圖如圖2.

圖2 莽草酸合成反應式

此反應一開始就用氯甲醚(MOMOCl)保護羥基，一直到倒數(shù)第二步才還原，這是很好的思路，但反應步驟太多，總收率也很低.

KouHiroya等[7]以純的(-)-(1S,4R,4aS,5S,8aS)-8-(二甲叔丁基硅氧基)-4,4a,6,7,8,8a-六氫-1，4- 二甲基萘-5(1H)-酮7做為起始反應物，經13步制得莽草酸，收率達到40%，其中9-10為逆Diels-Alder反應，產率近100%，對我們以后進行此類反應有很大啟發(fā)，步驟如圖3.

圖3 莽草酸合成反應式

Naoyuki等[8]以(+)-(1S,4R,4aR,5R,8S,8Ar)-1,5,8,8a-四氫-5,8,-二羥氫-1,4-亞甲基萘-4a(4H)-酸羧酸甲酯11為起始反應物，經11步反應制得莽草酸，步驟如圖4.

雖然步驟少、反應條件也較簡單,但其中逆Diels-Alder反應產率僅為52%，總產率也僅有14.8%.

圖4 莽草酸合成反應式

1997年，Javier等[9]以亞硫酰丙烯酸酯14為原料，通過Mannichi反應，經過中間體15，得到二烯親和體16，在高壓下與呋喃發(fā)生Diels-Alder反應得到4種混合物17、18、19和20，其中18產率為59%，消去SOTOl得到環(huán)氧冰片21，再通過與LHMDS反應斷裂氧橋鍵得到環(huán)己烯22，通過加上保護基制備出它的TBDMS衍生物23，再除去保護基得到24，反應式如圖5.

此方法合成出(+)-莽草酸，且較為簡易，但其中Diels-Alder反應產生4種混合物，分離困難且產率不高，還有其中一步產率僅為28%，如果能夠提高Diels-Alder反應的選擇性和提高個別低產率反應的產率，此方法將大有可為.

Surachai等[10]用順丁烯二酐25為原料，通過乙二烯26的Diels-Alder反應得到主加成產物27，再通過與28反應得到產物29(R=OAC)，收率為84%.酐29通過甲醇分解作用得到30(收率83%)，再通過甲基化氫解作用得到酸31，通過Hundiecker反應轉變?yōu)?2∶38的混合物32，33，后再轉化為莽草酸酯34，其收率為53%，34通過酸解得到D-葡萄糖和4-epi-莽草酸，通過離子交換柱分離后，得到莽草酸，產率80%，反應式如圖6.

圖5 莽草酸合成反應式

雖然此法步驟仍然較多，產率低，且操作麻煩，工業(yè)上應用價值不大，但它首次成功地合成了莽草酸基配糖體并首次完成了對4-epi-莽草酸的不對稱合成，對以后的相關合成有重大的指導意義.

2.2 碳水化合物轉化法

George等[11]用D-甘露糖為原料酯化得萊蘇糖35，烷基化作用后得磷酸酯36，再在一定條件下轉化為亞甲基莽草酸酯37，又經過脫酰作用得38，在堿性條件下水解得到(3R，4S，5R)- 莽草酸.此方法原料易得，且反應步驟較少，但是總產率仍較低，僅為25%，反應式如圖7.

Shen等[12]以D-核糖39為原料經12步合成分別得到(-)-5- epi-莽草酸40和(-)-5- epi-莽草酸酯41，雖原料簡單易得，但過程中的副產物較多，分離過程復雜，產率低，40為16.4%，41為12.7%，不適于工業(yè)化生產，反應式如圖8.

2.3 以奎寧為原料合成

1999年，日本專利[13]報道了以奎寧酸為原料制得莽草酸前體而得到莽草酸的方法.由奎寧酸42酯化得到酯43，再通過水解和烷基化得到44，又經脫水反應得莽草酸前體45和46，45通過脫保護作用得莽草酸前體47，最后經過脫保護得(-)-莽草酸,反應式如圖9所示.

此反應過程在由44制45的關鍵步驟中，前體45的產率可高達80%以上，且重結晶純化后可以回收99%.此法使得對莽草酸前體的合成能做到高產率、高質量、高純度且低耗費.這對莽草酸的工業(yè)化合成有重要指導意義.

圖6 莽草酸合成反應式

圖7 莽草酸合成反應式

圖8 莽草酸合成反應式

2.4 其它方法

Johnl等[14]報道了以合成分支酸過程中的中間產物48為原料而合成(-)-莽草酸的方法.48水解后得到前體49，再水解后得(-)-莽草酸,反應式如圖10所示.

此反應過程各步產率都很高，且反應條件簡便易得，總分離收率可高達94%.但49畢竟只是其它反應的一個中間產物，如果能提高它的產率或能找到更好的合成、分離或生物提取49的方法，將會大大簡化(-)-莽草酸的合成工藝.

圖9 莽草酸合成反應式

3 微生物(酶)法合成

1979年Ryoyasu等[15]最初報道從茶樹中提取了與莽草酸的合成有關的4種酶：3-deoxy-D-arabino-heptulosonic acid-7-磷酸合成酶(EC.4.1.2.15)、DHQ合成酶、DHQase(EC.4.2.1.10)、SORase(EC.1.1.1.25)，并對其性質進行了闡述，此后，4種酶在莽草酸合成途徑中被大量利用.

根據(jù)同位素示蹤研究和發(fā)酵條件研究結果，Chandrand等人[16]以葡萄糖為基質，采用E.coliSP1.1pts/ pSC 6.090 B 菌在1 L發(fā)酵罐中分批發(fā)酵合成莽草酸后，擴大至10 L規(guī)模并添加酵母浸液，發(fā)酵產物莽草酸濃度達87 g/L，產率為36%，但這與理論計量產率86%相差甚遠，其生物合成途徑如圖11所示.葡萄糖經糖酵解成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和4-磷酸赤蘚糖(4EP)，在DAHP合成酶的催化下，生成DHQ，然后經一系列酶促反應合成3-脫氫莽草酸，最后在脫氫酶的作用下得到莽草酸.在整個合成過程中，PEP對DAHP合成酶起反饋抑制作用，是莽草酸合成途徑的一個重要控制因素,提高PEP的轉化率就會導致奎尼酸和3-脫氫奎尼酸等副產物量增多,因此有必要通過改變發(fā)酵條件來提高產率.

圖10 莽草酸合成反應式

通過基因調控手段篩選基因工程菌，優(yōu)化合成條件可以有效提高產量.Louise Johansson等人[17]利用上述合成途徑，通過比較菌株(W3310)與莽草酸激酶Ⅱ缺失型菌株Escherichiacoli(W3310.shik1)在磷酸鹽受限和碳源限制的條件下合成莽草酸的量，結果顯示采用W3310.shikl在磷酸受限條件下產率更高，是碳源受限條件下的兩倍，達(0.059±0.012 VS. 0.024±0.005 C-mol/ C-mol)，副產物也最低，但是細胞溶解導致發(fā)酵液下游處理困難.Marco Kramer等人[18]也對上述合成代謝途徑進行了綜述，分別討論了碳源的吸收、調節(jié)途徑、中間代謝和涉及莽草酸攝入的芳香族途徑，對提高產物產率和減少副產物有重要影響.

4 結束語

莽草酸除了可由天然原料直接分離得到，還有多種化學合成與生物合成法.目前工業(yè)上只能從八角茴香中提取大量的莽草酸以滿足市場的需求，但是每30 kg八角茴香只能加工出1 kg莽草酸，化學合成的發(fā)展則可以滿足大規(guī)模工業(yè)化的要求.以微生物細胞和酶為代表的生物催化劑，已成為現(xiàn)代化學合成中不可或缺的有利工具，需要配合我國制藥工業(yè)發(fā)展的具體情況研究相關產品.普通環(huán)境中的有機合成有時只能得到無旋光的外消旋混合物，而用微生物法則易得到具有旋光活性的相對較純的產物，也具有很高的實用價值.天然莽草酸的主要結構區(qū)別在于C3、C4和C5位的側鏈，酶法可以保持起特殊作用的結構和構型.尋求更好更廉價的方法合成莽草酸有很好的應用前景.

圖11 莽草酸的生物合成途徑

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