1 引言
氟代手性仲醇是兼具氟原子和手性仲醇结构的重要分子骨架, 广泛存在于医药、农药分子中, 还可作为关键中间体应用于药物及手性材料合成[1]. 如图1a所示, 多款重磅药物, 如阿瑞吡坦(Aprepitant)[2]、依非韦伦(Efavirenz)[3]、依替米贝(Ezetimibe)和奥格列汀(Omarigliptin)[4], 以及一些医药或农药活性分子[5](如(S)-MA20565与JN403等), 其核心结构均以氟代手性仲醇为关键药效团或合成砌块. 此外, 高光学纯度的氟代手性仲醇可形成具有弹性或塑性柔性的机械响应性晶体, 在柔性电子器件与自适应材料开发中展现出应用潜力[6]. 因此, 发展高效、绿色和经济的不对称催化方法来合成结构多样的氟代手性仲醇, 对于药物合成工艺创新以及新功能分子研发具有重要意义, 一直受到合成化学领域的高度关注[1c,7].
氟代酮的不对称还原反应是制备氟代手性仲醇的一种高效高原子经济性方法, 受到广泛研究并取得显著发展. 根据所用催化剂的不同, 现有方法主要分为手性过渡金属或手性硼烷的化学催化[8-9], 以及纯酶或全细胞生物催化[10]这两种方法(图1b). 但这些方法在构建氟代手性仲醇时仍存在明显局限, 如化学催化法通常依赖贵金属催化剂、手性配体合成困难或需要高压氢气[11], 且获得高光学纯度产物也并不容易; 生物催化中的酶催化法虽可避免金属残留, 提升产物对映选择性, 但纯酶提纯工艺复杂、辅酶因子成本高昂, 且游离酶的环境耐受性差、操作稳定性不足, 不利于大规模工业化应用等. 因此, 亟需发展高效、绿色、可持续的不对称还原方法, 以实现氟代手性仲醇的高选择性多样合成.
植物全细胞生物催化[12]的方法因其以下两点独特优势成为酮类不对称还原合成光学活性手性仲醇的一种理想方法, 近年来备受关注: 第一、植物细胞富含醇脱氢酶(ADH)及完整的辅酶再生系统, 无需昂贵的外源性辅酶添加; 第二、反应以水为介质, 再加之植物材料来源丰富、成本低廉、操作简便[13]. 多种植物已被报道用于此类反应, 包括胡萝卜(Daucus carota)[14]、芹菜(Apium graveolens)[15]、西兰花(Brassica oleracea)[16]、女贞果(Ligustrum lucidum)[17]以及辣根(Armoracia lapathifolia)[18]、绿豆(mung)等[19]. 其中, 胡萝卜因富含多种还原酶和脱氢酶, 成为最具代表性的天然生物催化剂之一, 广泛用于还原酮制备手性仲醇[20].
氯-1-(4-氟苯基)乙酮), 以61%~89%的转化率和87%~95% ee值获得相应的氟代手性仲醇; Aimar等[17]报道了女贞果可以还原4-三氟甲基苯乙酮, 以57%产率和97% ee得到产物, 而还原4-氟苯乙酮的产率仅为5%和78% ee. 上述结果表明, 现有植物全细胞催化体系在氟代酮还原的适用范围和催化性能方面仍局限显著, 亟需开发新型、高效的植物全细胞催化剂, 以实现结构多样的氟代酮底物的高对映选择性还原, 为含氟手性仲醇的绿色高对映选择性合成提供新策略.
2 结果与讨论
2.1 反应条件优化
首先选择间三氟甲基苯乙酮(1a)为模板底物, 来考察一些常见蔬菜全细胞催化其不对称还原反应的情况. 选择这一反应也是因为手性1-(3-三氟甲基苯基)乙醇(2a)的R和S对映异构体分别是合成神经保护剂(可用于治疗中枢神经系统损伤或眼疾)和广谱杀真菌剂(S)- MA20565的关键手性中间体(图1a). 具体实验操作如下: 将(0.247 mmol, 50 mg)间三氟甲基苯乙酮1a溶于50 mL蒸馏水中, 再加入不同蔬菜植物体(10 g碎片), 然后在25 ℃下反应28 h, 萃取过滤后, 通过GC测定反应转化率、产率、产物ee值. 代表性结果如图2所示. 首先考察了胡萝卜和香芹这两种常用于芳香酮不对称还原反应的蔬菜细胞, 发现反应能分别以25%和3%的产率得到(S)-2a, 且对映选择性均大于99%(图2、第1~2列). 为探索其他果蔬类植物体的催化潜力, 我们扩大筛选范围, 考察了包括香菜、西兰花、蒜苗、紫甘蓝、土豆、西红柿、紫菜、菠萝、脐橙和猕猴桃在内的多种植物组织. 尽管绝大部分被测植物组织未表现出催化活性, 但我们惊喜地发现香菜(Coriandrum sativum)能够催化该反应, 以11%产率和89% ee值得到手性醇(S)-2a(第3列). 据我们所知, 这是首次报道利用香菜植物组织作为全细胞生物催化剂实现的不对称还原反应.
文献报道同一种属但不同品种的植物细胞对芳基酮还原的催化能力可能存在显著差异[23]. 基于此, 为进一步提升反应效率, 考察了多个市售植物品种的催化性能, 包括伞形科胡萝卜的变体(透心红胡萝卜、紫色胡萝卜)、芹菜(西芹、水芹、桂河芹菜)以及香菜(农家大叶香菜、有机香菜). 实验发现, 所供试的透心红胡萝卜催化活性或对映选择性略低于三红胡萝卜, 分别以24%的产率和99% ee值及41%的产率和98% ee值得到产物(S)-2a(第4~5列). 芹菜品种虽表现出一致的优异对映选择性(97%~>99% ee), 但产率普遍较低: 西芹、水芹和桂河芹菜的产率分别仅为2%、5%和12%(第6~8列). 此外, 不同品种香菜的催化效果也未得到提升, 农家大叶香菜和有机香菜分别以6%/89% ee和2%/88% ee的产率/对映选择性得到产物(S)-2a(第9~10列). 综上结果, 我们确定三红胡萝卜为反应的最佳植物全细胞催化 剂[24], 并进行了其它反应参数优化.
接下来, 以三红胡萝卜为催化剂, 系统考察了反应介质pH值、底物浓度、植物体催化剂用量和反应温度对该还原反应的影响, 结果见表1. 首先考察了反应介质pH值的影响, 当pH值从7微调为6.5(弱酸)或7.5(弱碱)时, 产物的对映选择性未受影响(均>99% ee), 但产率分别下降至21%和7%(表1, Entries 2~3 vs Entry 1). 随后考察了底物浓度的影响, 将蒸馏水用量从50 mL减少至25 mL或增加至100 mL后, 产率均略有降低(Entries 4~5). 进一步对反应温度的考察发现, 当温度升高至28 ℃和30 ℃时, 产率分别提升至36%和28%, 且对映选择性保持不变; 但继续升温度至33 ℃, 产率则降至17% (Entries 6~8 vs Entry 1). 基于上述结果, 确定28 ℃为最佳反应温度, 并在此条件下考察了催化剂用量. 当增加三红胡萝卜用量至20 g时, 产率显著提高至71%, 产物仍保持>99% ee. 继续增加用量至30 g, 产率略提升至73%(表1, Entries 9、10). 进一步尝试了增加三红胡萝卜用量和制备细匀浆两种策略以提升活性或传质效率. 但前者因固体比例过高导致搅拌困难, 后者虽具催化活性却引发后处理严重乳化、妨碍产物分离. 基于上述考量, 本文在反应效率与操作可行性之间综合权衡后, 确定三红胡萝卜的最适用量为30 g, 并在此基础上初步监测了反应过程中产物产率及对映选择性随时间变化的进程曲线(详见支持信息, 第5部分).
表1 三红胡萝卜介导的不对称还原反应代表性条件优化Table 1 Selected conditions optimization for asymmetric reduction mediated by Daucus carota subsp. sativus |
| Entry | pH | T/℃ | Y/mL | X/g | Yield a/% | eea/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 7.0 | 25 | 50 | 10 | 25 | >99 |
| 2 | 6.5 | 25 | 50 | 10 | 21 | >99 |
| 3 | 7.5 | 25 | 50 | 10 | 7 | >99 |
| 4 | 7.0 | 25 | 25 | 10 | 20 | >99 |
| 5 | 7.0 | 25 | 100 | 10 | 19 | >99 |
| 6 | 7.0 | 28 | 50 | 10 | 36 | >99 |
| 7 | 7.0 | 30 | 50 | 10 | 28 | >99 |
| 8 | 7.0 | 33 | 50 | 10 | 17 | >99 |
| 9 | 7.0 | 28 | 50 | 20 | 71 | >99 |
| 10 | 7.0 | 28 | 50 | 30 | 73 | >99 |
a Conditions: 1a (0.247 mmol, 50 mg), carrot (X g), distilled water (Y mL), stirred at the indicated temperature for 28 h. The yield and ee value were determined by chiral GC analysis, using tridecane as the internal standard. |
另一方面, 鉴于香菜细胞是首次被发现可用于酮的不对称还原反应, 以及文献[25]报道过同种植物的分化组织会对酮的不对称还原能力、转化率和对映选择性存在明显差异. 于是考察了香菜各部位细胞在对间三氟甲基苯乙酮1a的不对称还原中的反应情况(表2, Entries 1~3). 反应在蒸馏水(pH=7)介质中和25 ℃条件下进行, 香菜的茎、叶和根等不同部位确实显示了明显的催化效果. 香菜根能催化间三氟甲基苯乙酮1a能以7%的产率, 91%的ee值转化为产物(S)-2a; 而在相同条件下使用茎和叶时, 产物的产率与ee值分别为3%和80%(茎), 以及12%和88%(叶). 在此基础上, 以香菜根为催化剂考察了反应温度、反应介质pH值和催化剂用量对反应的影响. 当反应温度升高至28 ℃和30 ℃时, 产率未发生显著变化, 分别以8%和5%的产率生成(S)-2a; 但在30 ℃时, 产物(S)-2a的对映选择性略微降至88% ee (Entries 4~5). 将反应介质的pH值分别调至弱酸性 (pH=6.5)或弱碱性(pH=7.5)时, 产率均出现小幅下降(Entries 6~7). 与三红胡萝卜催化的还原反应类似, 当香菜根的用量增加至20 g时, 该反应的产率略微提升至11%, 且ee值保持不变(Entry 8).
表2 香菜介导的不对称还原反应的代表性条件优化Table 2 Selected conditions optimization for asymmetric reduction mediated by Coriander |
| Entry | 香菜部位 | T/℃ | X/g | pH | Yield a/% | eea/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 茎 | 25 | 10 | 7.0 | 3 | 80 |
| 2 | 叶 | 25 | 10 | 7.0 | 12 | 88 |
| 3 | 根 | 25 | 10 | 7.0 | 7 | 91 |
| 4 | 根 | 28 | 10 | 7.0 | 8 | 91 |
| 5 | 根 | 30 | 10 | 7.0 | 5 | 88 |
| 6 | 根 | 25 | 10 | 6.5 | 3 | 91 |
| 7 | 根 | 25 | 10 | 7.5 | 4 | 91 |
| 8 | 根 | 25 | 20 | 7.0 | 11 | 91 |
a Conditions: 1a (0.247 mmol, 50 mg), coriander root (X g), distilled water (50 mL), stirred at the indicated temperature for 28 h. Yield and ee value were determined by chiral GC analysis, with tridecane as the internal standard. |
2.2 底物范围
在确定了三红胡萝卜介导的氟代芳香酮还原反应的最优条件后, 接着考察了反应的底物普适性, 结果如表3所示. 首先考察了三氟甲基在苯乙酮苯环上不同位置对反应的影响, 发现三氟甲基位于间位或对位时, 反应均能够顺利进行, 分别以73%的产率和>99%的ee值、51%的产率和>99%的ee值得到了相应产物2a和2b. 但三氟甲基位于邻位时, 可能由于位阻原因导致反应体系复杂, 原料大量剩余, 产率仅为28%, 且产物2c仅有91% ee. 当苯环的3,5-位同时被三氟甲基取代时, 反应仍可以42%的收率和>99%的ee值得到目标产物2d. 随后, 考察了氟原子取代的苯乙酮类底物的反应情况, 发现当氟原子位于对位、间位和邻位时, 反应分别以34%产率与98% ee值、84%产率与98% ee值和53%产率与>99% ee值得到目标产物2e~2g. 此外, 在苯环的3,4-位或2,4-位同时引入两个氟原子的氟代酮类底物也能兼容该催化体系, 分别以81%的产率与98%的ee值、85%的产率与>99%的ee值获得相应产物2h和2i. 邻氟苯乙酮的苯环4-位引入给电子的甲氧基时, 反应同样能以63%产率和95% ee值得到产物2j. 进一步研究发现氟代的环状茚酮也能在该条件下实现不对称还原, 但仅以21%的产率和59%的ee值获得相应的手性环状氟代仲醇2k.
表3 氟代芳香酮的底物普适性aTable 3 Substrate scope of fluorinated aromatic ketones |
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a Condition A: fluorinated aromatic ketones 1 (0.5 mmol), three-red carrot (60 g), H2O/EtOH (V∶V=100∶1, 5 mmol/L), 28 ℃, 28 h; Condition B: fluorinated aromatic ketones 1 (0.5 mmol), coriander root (40 g), H₂O/EtOH (V∶V=100∶1, 5 mmol/L), 25 ℃, 28 h. b Reaction time: 48 h. |
值得注意的是, 所得部分氟代芳香仲醇(如2a、2d、2g等)均可作为医药及农药分子的合成中间体. 因此, 该方法以廉价易得的植物细胞为催化剂、水为反应介质, 具有条件温和、环境友好等优点, 展现出良好的进一步应用价值.
也探索了香菜根促进这些氟代芳香酮的还原反应情况. 研究发现三氟甲基苯乙酮上三氟甲基只在苯环间位、对位时, 该反应才能顺利进行, 分别以26%产率, 95% ee值得到产物2a, 21%产率, 90% ee值得到产物2b. 邻位三氟甲基取代的苯乙酮在该条件下则反应混乱, 几乎无目标产物2c生成. 3,5-二(三氟甲基)取代苯乙酮则能以10%产率和99% ee值获得产物2d. 氟原子取代的苯乙酮也能顺利发生反应, 4-氟取代苯乙酮在香菜催化下能以12%产率, 47% ee值得到产物2e, 3-氟和2-氟取代的苯乙酮则分别以36%产率与94% ee值、71%产率与>99% ee获得相应产物2f和2g. 同时, 苯乙酮苯环的3,4-位及2,4-位同时引入氟原子后, 相应的二氟取代苯乙酮也能兼容该反应体系, 分别以26%产率与89% ee值、30%产率与98% ee得到产物2h~2i. 此外, 2-氟-4-甲氧基取代的苯乙酮也可顺利被还原, 以30%产率和>99% ee值生成目标产物2j, 然而氟代环状酮无法被香菜还原. 值得注意的是, 尽管香菜根催化反应的情况大多数不如三红胡萝卜, 但是在催化邻氟苯乙酮的还原时, 能以相同的对映选择性和更高的产率获得产物2g (均 >99% ee; 产率: 71% vs 53%), 以及在2j的合成中取得略优的对映选择性(>99% vs 95%). 这说明寻找能催化不对称反应的新植物细胞也具有重要的研究意义, 可以服务于高附加值手性化合物的高效合成. 需说明的是, 香菜的来源对反应的选择性和可重复性具有明显影响, 来自山东聊城的香菜, 其根作为催化剂的还原反应可重复性好.
2.3 克级反应
2.4 初步机理研究
在模板底物1a的标准反应条件下, 分别以三红胡萝卜和香菜根制备的无细胞粗酶提取物替代完整植物组织进行催化, 结果表明两种粗酶提取物均无法驱动反应, GC分析未见产物2a生成, 原料1a大量剩余. 这说明该还原反应并非简单的单一酶促过程, 而可能依赖于植物细胞内完整的辅因子NAD(P)H原位再生体系. 同时, 向标准反应体系中加入2 mol%的ADH抑制剂4-甲基吡唑后, 反应被完全抑制, 进一步表明该催化活性与植物内源性醇脱氢酶(ADH)及辅酶再生系统密切相关.
3 结论
综上, 本文针对高附加值氟代芳香仲醇的绿色高效合成, 系统考察了植物全细胞催化的氟代酮不对称还原反应, 发现三红胡萝卜能高效高选择性地催化系列氟代酮的还原反应, 以中等到良好的产率及优秀的对映选择性获得相应S-构型的氟代手性仲醇. 此外, 本研究还首次发现香菜可催化该类反应, 尽管取得的对映选择性和产率整体低于三红胡萝卜, 但代表了香菜作为植物全细胞催化剂应用于不对称还原反应的首例报道. 该方法操作简单, 无需繁琐的酶分离和纯化步骤, 具有催化剂来源丰富、成本低廉、反应条件温和、对映选择性高及环境友好等显著优势. 本研究不仅拓展了植物全细胞催化在氟代酮不对称还原反应中的应用范围, 也为手性氟代芳香仲醇这类高附加值化合物的合成提供了有价值的绿色方法.
4 实验部分
条件A (Condition A)操作过程: 往250 mL烧杯中加入100 mL蒸馏水和60 g三红胡萝卜切片(约5 mm×5 mm×2 mm), 在28 ℃下搅拌10 min, 再加入氟代酮1 (0.5 mmol)的乙醇(1 mL)溶液. 反应混合物于该温度下继续搅拌, 通过薄层色谱(TLC)监测反应进程. 待原料消耗完全或转化率不再增加时, 将反应液用棉花过滤, 滤液以乙酸乙酯(30 mL×3)萃取. 若萃取过程中形成乳液, 则将乳化层通过硅藻土垫过滤以助分层. 合并有机萃取液, 减压浓缩, 粗产物经硅胶柱层析纯化, 以石油醚/乙酸乙酯(V∶V=40∶1~10∶1)梯度洗脱, 得到目标产物2.
条件B (Condition B)操作过程: 往250 mL烧杯中加入100 mL蒸馏水和40 g香菜根切片(约2 mm), 在25 ℃下搅拌10 min, 再加入氟代酮1 (0.5 mmol)的乙醇(1 mL)溶液. 反应混合物于该温度下继续搅拌, 通过TLC监测反应进程. 待原料消耗完全或转化率不再增加时, 将反应液用棉花过滤, 滤液以乙酸乙酯(30 mL×3)萃取. 若萃取过程中形成乳液, 则将乳化层通过硅藻土垫过滤以助分层. 合并有机萃取液, 减压浓缩, 粗产物经硅胶柱层析纯化, 以石油醚/甲基叔丁基醚(V∶V=20∶1~10∶1)梯度洗脱, 得到目标产物2.
(Cheng, F.)