生物法制备2,3-丁二醇的最新进展

2,3-丁二醇及其衍生物作为重要的液体燃料和化工原料,具有广阔的工业应用前景。高效、经济的2,3-丁二醇生物制备方法,对我国低碳经济和循环经济的建设具有重要的促进作用。针对近三年间生物法制备2,3-丁二醇领域的最新研究成果,本文综述了当前国内外学者在该领域研究的热点,即关键基因和酶的鉴定、新菌种的开发和代谢工程改造、同步糖化和共培养等发酵条件的优化、耦合工艺等分离纯化技术改进等。使用非致病的高产单一2,3-丁二醇手性异构体的代谢工程菌株,作为细胞炼制工厂,利用廉价的非粮原料作底物,采用经济、简单、环保的分离纯化方式,是2,3-丁二醇产业化发展的可靠保障。     

生物制造2,3-丁二醇:回顾与展望

2,3-丁二醇是生物制造产品体系中一种重要的精细化工原料和潜在平台化合物,广泛应用于材料、医药、食品及航空航天等领域。利用生物质可再生资源为原料生产2,3-丁二醇符合当前发展低碳经济的国家需求。本文回顾了生物制造2,3-丁二醇的研究历史,分析了微生物合成2,3-丁二醇的代谢机理,总结了提高生物制造2,3-丁二醇经济性的有效途径,包括廉价原料的替代、菌株选育与遗传改造和发酵过程控制等,并对2,3-丁二醇的各种下游分离过程进行了对比分析;指出今后研究重点应着眼于努力提高生物质的利用效率,同时实现高效的2,3-丁二醇生物转化两方面,并在此基础上开发2,3-丁二醇的系列高值衍生物,以进一步拓展其应用领域。     

meso-四苯基-2,3-二氢卟啉-2,3-二醇的合成

研究了一种关于meso-四苯基-2,3-二氢卟啉-2,3-二醇的避免使用昂贵且剧毒的四氧化锇的合成方法,整个合成过程中所用试剂廉价易得,反应操作简单.该合成方法可同时得到顺、反两种目标产物异构体.     

3-氨基环己基甲酸和cis-3-氨基环己烯基-5-甲酸立体异构体的合成

通过手性胺拆分方法，从3-环己烯基甲酸出发分别合成得到了3-氨基环己基甲酸（ACHC）的四个立体异构体，以及cis-5-氨基-3-环己烯基甲酸（ACHEC）的二个立体异构体。     

微波促进Wittig-Michael串级反应立体专一性合成ω-氨基-β-D-呋喃核糖酸衍生物

以D-核糖为原料,在微波促进下,利用2,3-O-异丙叉基-D-核糖2与叶立德3(Ph3P CHCOOEt)的Wittig反应和Michael加成,立体专一性地合成了β-D-呋喃核糖酸酯类化合物,再经叠氮化及还原反应,得到ω-氨基-β-D-呋喃核糖酸衍生物.在微波辐射下,该Wittig-Michael串级反应的效率得到显著提高,反应时间由12 h缩短为10 min,收率达到91%.反应具有非常好的β-立体选择性,在碱性条件下处理后,α-异构体可转变成热力学稳定的β-异构体,从而得到单一的β-异构体.计算结果表明,β-异构体4b比α-异构体4a具有更高的热力学稳定性.     

产酸克氏杆菌1,3-丙二醇发酵液中2,3-丁二醇的定性和定量分析

产酸克氏杆菌(Klebsiella oxytoca)在厌氧和微好氧条件下均可以发酵甘油产生1,3-丙二醇。相对于厌氧发酵液,在微好氧发酵液的高效液相色谱图中出现两个未知物峰。对微好氧发酵液进行离心,脱盐和蒸馏处理,以两未知物质为主要成分的馏分通过气相色谱-质谱联机分析显示两种未知物质均为2,3-丁二醇,通过气相色谱和高效液相色谱分析确定两未知物质分别为meso-2,3-丁二醇和L-( )-2,3-丁二醇。建立了用HPLC法对meso-2,3-丁二醇和L-( )-2,3-丁二醇进行外标定量的测定方法,在标准品浓度100~1200mg/L范围内,meso-2,3-丁二醇线性方程为y=7×10-6x,r=0.9991;L-( )-2,3-丁二醇线性方程为y=7×10-6x,r=0.9998。在发酵液样品中meso-2,3-丁二醇的回收率为99.67%;相对标准偏差RSD为0.35%,L-( )-2,3-丁二醇的回收率为99.89%;相对标准偏差RSD为0.09%。     

苯并芘DNA加合物anti-BPDE-N^2-dG四种立体异构体的合成及色谱分离

体外合成了苯并芘DNA加合物-邻二醇环氧苯并芘-脱氧鸟苷加合物(anti-BPDE-N2-dG)四种立体异构体(两对手性异构体)。通过优化体外反应条件,anti-BPDE-N2-dG四种异构体的合成产量较现有合成方法提高了2倍多,为定量检测生物体中anti-BPDE-N2-dG提供了标准品。并首次将五氟苯基色谱柱应用于该立体异构体的色谱分离提纯,通过优化色谱条件,采用常规的五氟苯基色谱柱(250 mm×4.6 mm,5μm),以乙腈-0.1%甲酸水(22.5∶77.5)为流动相,流速1.2 mL/min条件下,45 min内即可分离提纯四种立体异构体。该方法与常规C18柱(250 mm×4.6 mm,5μm)需要160 min,苯基柱(250 mm×4.6 mm,5μm)需要85~100 min才能将四种立体异构体实现色谱分离相比,缩短了分离时间,提高了提纯效率。通过紫外吸收光谱、质谱、圆二色谱对四种立体异构体进行表征,确定出峰顺序为trans(-)、trans(+)、cis(+)、cis(-)-anti-BPDE-N2-dG。此外,利用高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)检测anti-BPDE-N2-dG四种立体异构体标准品时,使用常规的五氟苯基色谱柱可在30 min内完成分离检测,与相同规格的苯基柱需要60 min相比提高了检测效率。     

MK-287的对映选择性合成

MK-287,即(2S,5S)-2-{3′-甲氧基-2′丙氧基-5′-[5″(3′″,4′″,5″′三甲氧苯基)四氢呋喃-2′-基]苯基砜基}乙醇,具有反式-2,5-二取代四氢呋喃的结构,是血小板活化因子(PAF)的良好拮抗剂,对许多由PAF引发的疾病有很好的治疗作用。立体选择性合成反式-2,5-二取代四氢呋喃的方法已有报道,MK-287的合成有γ-二酮法环合法和γ-芳基丁内酯法。前者立体选择性低(反式和顺式异构体之摩尔比为4：1),并需高效液相色谱分离两种异构体,后者反应步骤多,虽然反式和顺式异构体之比提高到50：1,但仍存在异构体不易分离问题,本文报道利用内酯醇(—)-1的结构特点,立体选择性和对映选择性地合成MK-287的新方法。     

2,3-二氰基-2,3-二(p—X苯基)丁二酸二乙酯类碳—碳键型引发剂

合成了2,3-二氰基-2,3-二(p—X苯基)丁二酸二乙酯(X=OCH_3,CH_3,Cl,H和NO_2),分离出它们的meso-和dl-异构体,分别对这些异构体的分子结构和构型进行了鉴定,测定了它们分子的中心C—C键均裂反应动力学及其对苯乙烯等的引发作用。     

C-糖苷核糖酸及核糖醛的合成

为了探讨C-糖苷高效、简便的合成方法,分别以D-核糖和2,3-O-异丙叉基-D-核糖为原料,与膦叶立德进行Wittig-Michael加成串联反应,然后不同碱处理,一锅法高产率立体专一性地合成相应的(2,3-O-异丙叉基)-β-C-D-核糖乙酸乙酯和(2,3-O-异丙叉基)-β-C-D-核糖乙酸;所得酯经DIBAL-H低温还原,得相应的核糖基醛衍生物;以D-木糖为原料,经1,2-羟基保护成缩丙酮,3,5-位二羟基三氟甲磺酰基化、叠氮化,1,2-羟基脱保护,然后经与膦叶立德Wittig-Michael加成串联反应,碱处理,高产率、立体专一性地合成了含两个叠氮基的β-C-D-核糖乙酸.提供了一种C-糖苷及氨基C-糖苷快捷、高效、简便的合成方法.化合物结构经~1H NMR、~(13)C NMR、HRMS等确证.     

合成生物学的工业应用

利用合成生物学构建人工生命体及采用组装生物合成途径生产抗疟疾药物青蒿素的成功,引起了人们对合成生物学的极大关注.本文主要介绍合成生物学在医药、生物能源、生物基化学品及其他工业领域的应用进展概况.医药领域包括青蒿素、抗生素、合成抗体、新的治疗方法及新药开发、分析诊断试剂研究等;能源领域包括生物制氢、生物产乙醇、生物产脂肪烃、高级醇等;生物基化学品领域包括1,3-丙二醇、脂肪酸、可降解性塑料的生产等.其他领域的应用包括环境保护、环境监测、生命科学探索等.同时介绍了本课题组在构建细胞浓度控制体系、并用NADH和NADPH生物转化甘油制备1,3-丙二醇的合成生物系统、核酸适体筛选、酶的耦联体系等方面所开展的有关合成生物学研究工作.最后,分析合成生物学应用前景与风险、发展瓶颈问题,并对发展方向进行了展望,指出今后应聚焦若干重要的工业生物体系,发展合成生物学的基础理论,开发合成生物学所需要的核心工程技术,构建人工生物合成体系及相关技术体系,利用合成途径生产高附加值产品.     

沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-71用于低浓度生物基2，3-丁二醇/1，3-丙二醇的吸附分离性能

1,3-丙二醇是一种重要的化工原料,生物发酵法生产1,3-丙二醇往往会产生副产物2,3-丁二醇,限制了生物基1,3-丙二醇的进一步工业化应用。1,3-丙二醇与2,3-丁二醇亲水性强,导致其在低浓度发酵液中分离困难。基于2,3-丁二醇比1,3-丙二醇具有长的碳链和大的极化率,本文采用含有―Cl基团（憎水且具有大的极化率）的ZIF-71吸附分离水中低浓度的2,3-丁二醇/1,3-丙二醇。结果表明,ZIF-71对双组分2,3-丁二醇/1,3-丙二醇（50 g/L,50 g/L）中2,3-丁二醇的静态竞争吸附容量为123.6 mg/g,对2,3-丁二醇/1,3-丙二醇分离选择性高达7.6,分离效果优于沸石材料Beta。在3次循环吸附-解吸实验中ZIF-71依旧保持着稳定的结构和对2,3-丁二醇的选择性吸附能力。通过分子模拟,揭示了ZIF-71对1,3-丙二醇和2,3-丁二醇的吸附分离机制。ZIF-71与1,3-丙二醇之间主要通过弱的范德华力作用;而ZIF-71与2,3-丁二醇之间则是通过强的范德华力与弱的氢键协同作用,从而对2,3-丁二醇产生选择性吸附。可以看出, ZIFs材料有望成为选择性吸附分离低浓度副产物2,3-丁二醇的吸附剂,推动生物法制1,3-丙二醇的工业化发展。     

3β,17-二羟基-16-氨基-5α-雄甾烷四个立体异构体的合成

以表雄酮(1)为原料,由中间体3β-羟基-5α-雄甾-16-烯(3)合成3β,17α-二羟基-16α-氨基-5α-雄甾烷(7)和它的16β-氨基异构体(10a);由中间体3β-羟基-16α-溴-5α-雄甾-17-酮(12)合成3β,17β-二羟基-16α-氨基-5α-雄甾烷(21)和它的16β-氨基异构体(15)。上述四个立体异构体均通过化学转化以及波测试谱确证了其构型。     

(E,E)-3,7-二甲基-2,6-癸二烯-1,10-二醇的高立体选择性合成

1969年Meinwald等[1]从一系列雄性蝴蝶的"hair pencils"中分离得到一组信息素成分,包括一类新颖的开链倍半萜骨架化合物1-3.尽管这些化合物在结构上与香叶醇相似,但利用香叶醇为原料进行合成的报道[2～5]还不多见.本文以香叶醇为原料,报道了化合物3的一条简便、高立体选择性的合成路线.其关键反应步骤是2,3-环氧醇的碘代重排反应和烯丙基烯基醚的克莱森重排反应.     

基于甲苯模板合成的ZIF-93及其对1,3-丙二醇和2,3-丁二醇的吸附分离性能

生物基1,3-丙二醇原液预处理后主要是由低浓度水溶液、1,3-丙二醇和2,3-丁二醇组成。1,3-丙二醇和2,3-丁二醇均是二元醇，含有2个羟基能与水形成强的氢键，增加了分离的难度。然而仅具有范德华作用的传统疏水吸附剂通过动态柱吸附无法实现有效分离二元醇。因此，选择具有范德华作用基团—CH3和氢键作用基团—CHO的ZIF-93研究其对低浓度2,3-丁二醇/1,3-丙二醇的静态和动态柱吸附分离性能。首先，在ZIF-93合成中引入甲苯作为溶剂和模板剂，利用甲苯与咪唑基配体以及甲苯分子之间的π-π相互作用模板支撑ZIF-93的结构单元lta笼，有效提高ZIF-93的BET比表面积和微孔孔容。结果表明，ZIF-93对2,3-丁二醇(50 g/L)/1,3-丙二醇(50 g/L)的动态柱吸附量为69.9和17.3 mg/g，对2,3-丁二醇/1,3-丙二醇的选择性为4.0。相对于传统疏水吸附剂，具有氢键作用基团的ZIF-93穿透曲线斜率增大，传质区间缩短，穿透时间提高，从而提高吸附床层的有效利用率，利于工业上连续分离操作。通过模拟揭示了ZIF-93的-CHO与2,3-丁二醇的―OH和―CH     

2,3-二氰基-2,3-二(p-取代苯基)丁二酸二乙酯的合成及其在苯乙烯中的分解

合成了2,3-二氰基-2,3-二(p-X苯基)丁二酸二乙酯(X=OCH₃,CH₃,Cl,NO₂),分离出它们的meso和dl异构体。经元素分析、¹HNMR、IR、MS和X射线晶体结构分析确定了各异构体的结构和构型。在100℃测定了各异构体在苯乙烯中的分解速率常数k_d,结果表明,除X=OCH₃外,meso异构体的k_d均比dl异构体的大,除X=NO₂外,苯环对位取代基对k_d的影响顺序为OCH₃>CH₃>Cl>H,     

手性柱分离气相色谱法测定辐照酒中2,3-丁二醇异构体

建立了直接测定辐照酒中2,3-丁二醇3种异构体:(2S,3S)-(+)-丁二醇(d-BT)、(2R,3R)-(-)-丁二醇(l-BT)以及meso-(R,S)-丁二醇(meso-BT)的手性柱分离气相色谱法。葡萄酒中的2,3-丁二醇采用乙酸乙酯和甲醇的混合溶液(4∶1)振荡提取,石墨化碳黑柱固相萃取净化提取液,经Varian CP-Chirasil-DEX CB手性毛细管柱分离后,以氢火焰检测器检测,外标法定量。d-BT、l-BT和meso-BT分别在10～75、60～300、20～100 mg/L范围内呈线性关系,相关系数分别为0.999 1、0.999 6和0.999 9。3种异构体在葡萄酒中的加标回收率为90%～113%,相对标准偏差(n=6)为1.1%～7.2%;在白酒中的加标回收率为96%～99%,相对标准偏差(n=6)为1.7%～3.8%;方法检出限为1.0 mg/L。将该方法用于白酒样品和葡萄酒样品辐照前后(剂量为10 kGy)d-BT、l-BT、meso-BT含量的测定。结果表明,白酒样品辐照后产生了d-BT,而葡萄酒则无此变化。这为鉴定白酒是否经过辐照提供了依据。     

2,3-位稠杂环喹唑啉酮类化合物的合成研究进展

2,3-位稠环喹唑啉酮类化合物由于具有多种优良的生物和生理活性而广泛应用于药物领域,其合成方法是目前药物研究的热点领域之一.本文主要介绍了包括以2-氨基苯甲酸类化合物、2-氨基苯甲酸甲酯类化合物、靛红酸酐类化合物、喹唑啉酮类化合物等为原料合成2,3-位稠环喹唑啉酮类化合物的方法,并对这些方法进行了简单的评述.     

离子排斥色谱法同时测定2,3-丁二醇发酵液中的葡萄糖和木糖及各种代谢产物

针对2,3-丁二醇发酵体系,以高交联度磺化苯乙烯-二乙烯基苯共聚物多孔微球为固定相的Aminex HPX-87H离子色谱柱为分析柱,利用示差折光检测器对该体系中的6种代谢产物(2,3-丁二醇、3-羟基丁酮、乙醇、乙酸、甲酸和乳酸)以及2种残留底物葡萄糖和木糖进行了分离.在65 ℃柱温下,以5 mmol/L H2SO4作为流动相,发酵液样品中底物葡萄糖和木糖及2,3-丁二醇等各种代谢产物的线性相关系数均在0.9990～0.9999之间,回收率为98.8%～103.2%,精密度为0.3%～2.1%.在最佳色谱条件下,能够同时测定2,3-丁二醇发酵体系中的残留底物和各种代谢产物的含量,适合于实时定量监测2,3-丁二醇发酵过程.     

2,3-二氰基-2,3-二(对-硝基苯基)丁二酸二乙酯的分子结构和晶体结构

我们曾报导了2,3-二氰基-2,3-二苯基丁二酸二乙酯的分子结构,并对该化合物对烯烃单体进行自由基聚合的引发作用,热分解动力学和固态变温ESR谱等进行了研究。为了进一步探讨这类新型引发剂的结构与性能间的关系,我们继续用X射线衍射方法研究了2,3-二氰基-2,3-二(对-硝基苯基)丁二酸二乙酯的两种异构体1和2的分子结构和晶体结构。并讨论了分子中空间立体效应和电子效应对该化合物稳定性的影响。实验异构体1从乙酸乙酯和四氯化碳(9∶1,V/V)混合溶剂中重结晶,在空气中基本稳定。