化學(xué)進(jìn)展980310Ahinatlo化學(xué)進(jìn)展科技期刊WANFANG DATAProgress in Chemistry1998年第3期No.3 September 1998生物素的全合成周智明楊紅文(北京理工大學(xué)化工與材料學(xué)院北京100081)，摘要本文綜述國外學(xué)者在生物素合成方面所作的工作,簡述生物素的生化功能,并指出在我國進(jìn)行生物素合成開發(fā)研究的必要性和迫切性。關(guān)鍵詞生物素合成生理作用綜述Total Synthesis of BiotinZhou Zhiming Yang Hongwen(College of Chemical Engineering and Materials Science, Beijing Institute ofTechnology, Bejjing 100081 , China)Abstract Synthetic methods of biotin,including its commercial synthesis are reviewed.Itsbiological functions are also briefly described.Key words biotin; synthesis; physiological functions; review一、引言生物素又名維生素H或維生素By ,是一種重要的維生素,它作為成長素是整個生物界所必需的[1]。如果人體缺乏生物素會引起皮炎和毛發(fā)脫落。若家禽缺乏生物素會導(dǎo)致生長遲緩和發(fā)育不良,甚至導(dǎo)致死亡。因此，生物素是配合飼料的關(guān)鍵組分之一。根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，至2000年，我國飼料添加劑維生素需求量將達(dá)2萬多噸，其中缺口最大的是生物素。目前國內(nèi)生物素的生產(chǎn)尚屬空白，使用的生物素基本從日本進(jìn)口。而我國飼料工業(yè)滯后發(fā)展的狀況決定了在短期難以迅速扭轉(zhuǎn)生物素依靠進(jìn)口的局面。生物素生產(chǎn)投資大，技術(shù)含量高，其生產(chǎn)技術(shù)主要為日本和西歐化工醫(yī)藥集團(tuán)所壟斷。因此，在我國著手進(jìn)行生物素合成開發(fā)研究，以期進(jìn)一步實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)是非常必要和十分迫切的。本文根據(jù)所收集的資料綜述國外學(xué)者在生物素合成方面所作的工作，并簡述其生化功能。二、生物素的生化功能1.生物素的生理作用[2]生物素的化學(xué)名稱為d-順式四氫-2-氧噻嗯并(3,4)咪唑啉-4-中國煤化工MHCN MH言漣的噻吩與尿素結(jié)合的并環(huán)(1)。fle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第1/ 11頁) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310O羧化反應(yīng)性基團(tuán)HNNHHCH2 Sm (CH2)4COOH,與賴氨酸殘基的ε-氨基結(jié)合成生物胞素生物素是羧化酶的輔基其活化型是通過其羧基與酶活性中心的賴氨酸殘基的ε ~氨基共價結(jié)合成為一種化合物ε -生物素賴氨酸,稱為生物胞素。在羧化作用時,其尿環(huán)上的N★原子可與羧基結(jié)合，參與體內(nèi)固定CO2的羧化反應(yīng)，它對糖、脂肪、蛋白質(zhì)和核酸等代謝有重要意義。在脂肪酸合成過程中，作為乙酰輔酶A羧基酶的成分起作用。在葡萄糖合成過程中作為丙酮酸羧基酶的成分起作用。在氨甲酰酶轉(zhuǎn)移、嘌呤合成、糖代謝、色氨酸分解中起作用，并與其他維生素發(fā)生相互作用。2.生物素的功用[3]人體對生物素的需求量較小，但也是必不可缺的。在雞蛋清和牛奶中含有-種抗生物素蛋白，可與生物素結(jié)合成無活性而又不易被吸收的結(jié)合蛋白。因此國外在食用鮮奶中均加入少量生物素添加劑。人體生物素缺乏時，可引起皮炎和毛發(fā)脫落，重則發(fā)生脂肪肝、腎病綜合癥并對免疫系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的消極影響。生物素是家禽體內(nèi)主要代謝中所必需的，許多家禽缺乏生物素時通常會發(fā)生表皮病變生物素供應(yīng)不足則會降低家禽的生產(chǎn)性能。近年來大量的研究已經(jīng)證實在種豬飼料中添加生物素會產(chǎn)生有益的作用。在肉雞飼料中添加生物素顯著提高了肉雞的生長速度，并降低了死亡率。在產(chǎn)蛋雞飼料中添加生物素則提高了產(chǎn)蛋率，改善了飼料效率，以較少的投入產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。此外，微生物培養(yǎng)和發(fā)酵工業(yè)也需一些生 物素作為生長因子,如培養(yǎng)合成賴氨酸的棒狀桿菌需加入生物素。生物素在醫(yī)學(xué)中可作為生化試劑。三、生物素的全合成1.生物素的工業(yè)化生產(chǎn)方法生物素作為天然化合物存在于動物的腎臟、肝臟、蛋黃、牛奶和酵母中，這-點早已被人們所認(rèn)識，但用人工化學(xué)合成的方法得到生物素還是本世紀(jì)中葉的事情。1943年首 先由Harris [4]合成出生物素，1947年再由Baker[5]發(fā)明了新的合成方法。然而，這兩種方法距工業(yè)化生產(chǎn)相差甚遠(yuǎn)。兩年后,Goldberg和Sternbach的發(fā)明成功地實現(xiàn)了生物素的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)[6]，并獲得美國專利，其合成方法見反應(yīng)式(1)。此方法用二氨基丁二酸內(nèi)消旋體4為起始原料,將4轉(zhuǎn)化為咪唑啉酮-2-順-4,5-二羧酸5,然后生成含硫環(huán)化物8，再由8引入生物素側(cè)鏈,與先前的方法相比中國煤化工種易得的起始原料4中所含的兩個氨基基團(tuán)的空間排列方式與生物素CHCNMH c相同,為順式構(gòu)型，從而避免了反式異構(gòu)體生物素的生成和分離，而不至于影響總產(chǎn)率，最終得到純d,l-生物素。fle/E Vqk/nxjZ/980310.htm (第2/ 11頁) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310/8COOH3t3rNHR NHRNR SRNRCH=CH一-CH-CH?CH-CH一→CH_CH一+ CH-CHCOOH COOH90 go\o346RNRCH一- C]”， CH-CHCH一CHAcOCH goCCCH2 ,c- (CH2)4OCH3oOH89/OHC -CH一CH一COOHHSCH2C一CH- - CH一CO一(CH2)4OCH37a9aR NRCH- CHCH-CECH2 S= = CH(CH2)4OCH3CH2 CH(CH2)4OCH3CH2 CH (CH2)4OCH3、。/10112HN NHHNCH-CHCH- -CHCHz CH(CH2)4BrCH2 CH(CH2)4CNCH2 CH(CH2)4COOH\57145中國煤化工MYHCNMHGR=CH5日fle/// Vqkn1z98310.htm(第3/ 11頁) 20-222351545化學(xué)進(jìn)展980310(1)2.經(jīng)由亞砜立體選擇性烷基化的方法雖然Goldberg和Sterbach所發(fā)明的生物素的合成方法實現(xiàn)了工業(yè)化，但此方法仍存在諸多有待改進(jìn)之處。除合成路線長(共15步)外，此合成方法還涉及劇毒物質(zhì)氰化鉀和光氣的使用,Grinard試劑的制備低溫脫芐和貴重金屬催化劑Pd的使用,最終產(chǎn)物d,l-生物素尚需用手性苦杏仁酸進(jìn)行旋光異構(gòu)體拆分總得率之低、生產(chǎn)成本之高是可以預(yù)見的(CP級生物素30 000元人民幣/g)。在此之后的近50年間，國外有機(jī)合成化學(xué)家對生物素的合成方法進(jìn)行了許多改進(jìn)和嘗試，取得了-系列令人矚目的成果。其中有代表性的是法國人Solange和Sonia(1977年)的方法[7]?；贕oldberg和Stermbach的新思路,Solange和Sonia采用經(jīng)由亞砜立體選擇性烷基化引入生物素側(cè)鏈羧酸的合成路線(見式(2)，縮短了三步反應(yīng)。3rBrR-NHHN-RR-NN~RMeOHR-NH 2H.HC0C12 H..COOHH+HOOCC00H450C、R~NN-RN_RH, ,H.,MsC]H....HNa2SMeOOCCOOMcHOCH2 HCOHMsOCH2 HQOMs6|718O,CNalO4MeLi+H.I(CH2)4000rBu中國煤化工MHCNM HG1920a20bfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm (第4/ 11頁) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展9803100R-NN-RTiCl、R-NN_RHNNHH..HH+H....HH:BuO0C(CH2)gCH2↓R'OOC(CH2)3CH2HOOC(CH2)3CH22215(d,I)-biotinR=benzyl或alyl，R'=H或CH 3(2)3.以噻吩衍生物為起始原料的方法此方法[8]利用噻吩衍生物23中已含有的硫醚五元環(huán)骨架，僅需考慮在其側(cè)位引入長鏈羧酸然后用光氣關(guān)環(huán)得脲環(huán)30,經(jīng)高壓催化氫化將噻吩環(huán)轉(zhuǎn)化為硫醚環(huán)，最后得到d,l-生物素如式(3)所示。此方法的優(yōu)點在于合成路線不太長,所用的保護(hù)基團(tuán)為苯甲酰易于脫去,但最大的缺點是原料不易得，且沒有避免使用光氣。與此法相類似的還有Baker [9]的合成方法，從帶有側(cè)鏈和硫醚的羧酸出發(fā),經(jīng)幾次基團(tuán)轉(zhuǎn)換即成相應(yīng)的脲環(huán)。中國煤化工MHCNM HGfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第5/ 11頁) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310iRNH HNRRNHHNRC6HsCCILiAlH4COy .PyHCI-COOCH3COOCH3. CH2OH-CHO25261.Ba1(OH)2/H2OHNNH2.COC12COOHWitig.527IHH2:/PdRNH HNR ..H(00)2/12O2COCl22830R=CPh3)中國煤化工MYHCNMH Gfle//E Vqkn1z98310.htm(第6/ 11頁) 20-2223515化學(xué)進(jìn)展980310OHo P10 PhX8( Pha0QRHOHO -NH2NHCbzN3 NHCbzHN NHObz32 R=H31343533 R=Ts>2HO-CHOii a一HNNHHN NH36388CHgC、,CHCHgCAAh，.OH-OHH-TH153940(Cbz=-O0CH2C6Hs, Ts=SO2C6H4CH3)中國煤化工MYHCNMH G.fl// yqknz980310.ht0m(第7/ 11頁) 20-22.51:1545化學(xué)進(jìn)展980310(4)4.以氨基葡糖為原料的方法值得-提的是，日本人Hiroshi合成生物素所采用的方法[10]，從D-氨基葡糖31出發(fā),縮環(huán)后得四氫呋喃衍生物32，并將與氨基相鄰的羥基經(jīng)疊氮化物34轉(zhuǎn)化為氨基。二氨基化物35則很易閉合為脲環(huán)。將二醇側(cè)鏈氧化為醛后，再利用Wittig反應(yīng)得到所需的側(cè)鏈。最后將四氫呋喃環(huán)開環(huán)即得到并硫醚五元環(huán)。見式(4)。5.利用環(huán)加成的合成方法Michael及其同事所發(fā)現(xiàn)的合成生物素中間體43的方法堪稱-絕(見式(5))。 將硝基化合物41轉(zhuǎn)化為氰氧化物42后，經(jīng)分子內(nèi)環(huán)化，即可得到含雙環(huán)基本骨架的氧化呋咱43,并成功地將43轉(zhuǎn)化為生物素[11]。但此步得率低，不易于工業(yè)化。R,S、,RSNO2 NO2 .C414243R=(CH2)4COOMe .(5)意大利人Enrico提出的合成生物素的合成路線[12]，以L-胱氨酸二甲酯為原料,合成步驟少，立體選擇性好，工業(yè)污染少，若在我國能很好地解決原料生產(chǎn)問題，此法將具有良好的工業(yè)化前景。見式(6)。中國煤化工MHCNM HGfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第8/ 11頁) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展9803102(S2(S、[_HMeOLC~ t ~HMeOC-i HPlrithNH2NH-NH46 R=OMe444547 R-H488HPlPh|HH2HOHN-H-一十MeOfPbNHPhNHCO2MeCOHIR0OH49505152 R=Cl53 R=H(6)6.利用硫代羰基葉立德環(huán)化反應(yīng)90年代,國外有關(guān)生物素的合成方法報道較少[13,14]，有代表性的是西班牙人Alcazar提出的由N-苯基戊二酰亞胺出發(fā),經(jīng)由硫代羰基化合物和重氮烷基反應(yīng),生成硫代羰基葉立德,再和親偶極的化合物發(fā)生環(huán)化反應(yīng)合成生物素,見式(7)和(8)。CH2N2一+R'^RR NR54555657(7)中國煤化工MHCNM HGfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第9/ 11頁) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310HNNH5859COOH(8)但這種合成方法所用的前體分子硫醛是不穩(wěn)定的,其次中間體硫代羰基葉立德本身易發(fā)生二聚反應(yīng)?？傊?這種方法合成路線較長,產(chǎn)品成本較高,不適于工業(yè)化。有關(guān)生物素的其它合成方法請參閱文獻(xiàn)[15- -27] 。綜上所述，生物素對生物生理具有不可替代的作用。已知的國外有關(guān)生物素的合成方法雖有諸多可取之處,但或因合成路線太長、原料難得,或因操作條件太苛刻或污染嚴(yán)重,使得生物素商品價格極其昂貴。開發(fā)高效、安全、低消耗、高選擇性的新的合成方法便成為當(dāng)務(wù)之急。收稿: 1997年11月,收修改稿: 1998年4月參考文獻(xiàn)[ 1 ]陳瓊?cè)A，生物化學(xué)，人民衛(wèi)生出版社,北京，1982.[ 2 ] Donald B, Nutrition Reviews, 1975, 33, 97- -101.[3]劉明江，飼料營養(yǎng)(臺灣), 1996 , (1), 61- -68.[4] Harris S A, Science, 1943, 97, 447.[5 ] Baker B R, J. Org. Chem., 1947, 12, 167.[ 6 ] Goldberg M W, Sternbach L H,US 2489 232; 2489 235, 1949.[ 7 ] Salange L, J.Am.Chem. Soc., 1978, 100, 1558- -1563.[8] Rossy P, Ralph A W, Tetrahedron Lett, 1981, 22, 3493- -3496.[9] Baker B R,J. Org. Chem., 1946, 12, 186- 197.[ 10] Hiroshi O, Noriyoshi S, Sakae E et al., Agric. Biol. Chem., 1978, 42(4), 865- -868.[ 11 ] Michael M, Franz M, Josrf R et al, J. Am. Chem. Soc., 1977, 100, 6754- -6756.[ 12 ] Enrico G B, Hsi L L, Giacome P et al., J.Am. Chem. Soc., 1982, 104, 6460- -6462.[ 13 ] Alcazar V, Tapia I, Moran J R, Tetrahedron, 1990, 46(3), 1057- -1062.. [ 14 ] Bihovsky R, Bodepudi V, Tetrahedron, 1990, 46(23), 7667- -7676.[ 15 ] Ogawa T, Kawano T A, Carbohydr. Res., 1977, 57, C31- -C35.[ 16] Baker B R, Pocar D, Riehl L et al.,J. Org. Chem., 1946, 12, 185- -197.[ 17 ] Harris S A. J. Am. Chem. Soc., 1944, 66, 1756- -1757.中國煤化工[ 18 ] Hirosh L, Sakae E, Tetrahedron Lt., 1975, 32, 2765- -2766[ 19 ] Confalone P N, J. Am. Chem. Soc., 1975, 97, 5938- -5940.MYHCNM HG[ 20 ] Grob C A, Sprecher H, Helv. Chim. Acta, 1952, 5(114)， 885- -891.fle/E Vqk/nxjZ/980310.htm (第10/ 11頁) 2010-3-22 23:51:54化學(xué)進(jìn)展980310[ 21 ] Alder K, Brachel H, Justus Liebig Annalen der Chemle, 1962, 651, 148- - 153.[ 22 ] Baer E, J. Am. Chem. Soc., 1942, 64(5), 1416- -1417.[ 23 ] Rachlin H, Organic Synthesis, 1971,51,8- -10.[ 24 ] Bosone E, Farine P, Guazzi G et al, Synthesis, 1983, (10), 943- -944.[ 25 ] Corey E J, Suggs J W, Tetrahedron Lett, 1975, (31), 2647- 2650.[ 26 ] Alcazar V, Tapia I, Moran J R, Tetrahedron, 1990, 46(3), 1057- -1062.[ 27 ] Ron B, Veeraiah B, Tetrahedron, 1990, 46(3), 7667- -7676.中國煤化工MHCNM HGfle/E Vqk/nxjZ/980310.htm(第11/ 11頁) 2010-3-22 23:51:54