脂肪酶立体选择性催化合成芳香族酰胺类手性农药的研究

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生物催化技术因其具有转化条件温和、立体选择性高、催化剂来源丰富等优点,在手性医药和手性农药的合成领域有着广泛的应用。芳香族酰胺类手性农药是一类有着高效除草、杀菌活性的新型农药,它们的酶法合成制备技术是目前农药创制领域的热点。脂肪酶作为该领域最具代表性的生物催化剂,更是占有举足轻重的地位。本论文以化学酶法制备手性芳香族酰胺类农药为目的,通过对适用生物催化剂的发现、制造、应用研究,实现对该类农药关键手性中间体的酶法制备,并进一步通过化学合成技术生产芳香族酰胺类手性农药。论文首先利用脂肪酶对芳香族酰胺类化合物的选择性水解和酰化功能,分别建立了脂肪酶的水解和酰化拆分制备芳香族酰胺类手性农药中间体的筛选模型,并应用不同的筛选模型对292株微生物菌株及8种商品脂肪酶进行了适用催化剂的筛选。确定了脂肪酶Novozym 435酰化制备(S)-1-(4-氯苯基)乙胺和微生物菌株WZZ009水解制备(R)-N-(2,6-二甲基苯基)氨基丙酸((R)-MAP-acid)的催化拆分工艺。研究在不同反应体系和催化条件下脂肪酶Novozym 435酰化拆分制备(S)-1-(4-氯苯基)乙胺的催化效果,得到酶催化反应最佳工艺:以甲基叔丁基醚为反应溶剂,2-四氢糠酸甲酯作为酰化剂,底物浓度为0.8%,底物1-(4-氯苯基)乙胺与2-四氢糠酸甲酯体积比1:2.2,反应温度40℃,摇床转速200 rpm。在此最优反应条件下,固定化的脂肪酶可重复使用近10次,反应20 h后(S)-1-(4-氯苯基)乙胺的e.e.s%值达到99%以上,转化率约为54%左右,对映体选择率E达到70。接着以酶法制备的(S)-1-(4-氯苯基)乙胺为原料,通过化学合成的方法制备得到了(S)-唑嘧氯草胺样品,收率为83.5%,经HPLC检测发现样品纯度为95.3%,并用核磁和质谱对合成产物进行了确定。通过形态学观察、生理生化实验、16S rDNA序列测定、BIOLOG鉴定及系统发育分析对筛选的脂肪酶产生菌WZZ009进行了鉴定。确定该菌符合不解糖假苍白杆菌的特征,并将其命名为Pseudochrobactrum asaccharolyticum WZZ009,保存于武汉大学中国典型培养物保藏中心。考察了培养基成分及培养条件对菌株WZZ009产酶情况的影响,确定该菌的最佳培养基配方为:葡萄糖6 g/L,酵母膏16 g/L,NaCl 0.5 g/L,MgSO4 0.25 g/L;最佳培养条件为:初始pH为7.0,培养温度30℃,摇床转速150 rpm。在上述培养条件下培养24 h后,生物量达到3.8 g/L,菌株酶活力达到118.2 U/g CDW。论文研究了不同底物浓度、反应温度、体系pH值对菌株WZZ009全细胞催化拆分制备(R)-MAP-acid的影响,整细胞最佳催化条件是:50 g/L的冻干菌粉,0.256 mol/L的底物浓度,在0.2 M pH 7.2的磷酸盐缓冲液中,30℃、200 rpm转速下催化转化48 h后,产物的e.e.p可达98.0%以上,转化率接近50%。考察了菌体细胞在拆分反应中的回收利用情况,发现菌体细胞能连续使用3次,转化率都能保持在40%以上,产物e.e.p保持在98%以上,这使得催化剂的生产能力从0.47 g/g(产品/催化剂)提高到了1.31 g/g(产品/催化剂),大大提高了该催化剂的生产能力。论文最后对化学酶法制备精甲霜灵的整个工艺路线进行了探索,通过对WZZ009菌体在500L发酵罐上的发酵培养和对(R,S)-N-(2,6-二甲基苯基)氨基丙酸甲酯((R,S)-DMPM)在100 L反应釜中催化拆分反应研究,实现了生物催化拆分反应公斤级样品的制备目标,制备出1.2 kg(R)-MAP-acid,得率达到42.8%。论文还成功实现了对未利用(S)-DMPM的消旋化,使拆分反应中底物的完全利用成为了可能。以酶法制备的(R)-MAP-acid为原料,通过化学合成制备得到(R)-DMPM的反应收率为90.0%,进一步合成得到最终产品精甲霜灵((R)-metalaxyl)的反应收率为99.0%。并研究了精甲霜灵对斑马鱼胚胎发育生长的影响,证明了相对于外消旋的甲霜灵,光学纯的精甲霜灵具有更好的环境相容性。
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