L-叔亮氨酸的合成和應用

董凌政 廖詩雨(西北民族大學，甘肅 蘭州 730100)

1 L-叔亮氨酸的性質

天然氨基酸和非天然氨基酸之間結構相似但手性不同。L-叔亮氨酸分子式為C6H13NO2，外觀為白色至近乎于白色的粉末狀物質，別稱L-2-氨基-3,3-二甲基丁酸，分子量131.17，是一種化學物質。其密度為1.038g/cm3，熔點300℃，沸點217.7℃，閃點85.5℃，折射率-9°，水溶解性125.5g/L(20℃)，蒸汽壓0.0499mmHg (25℃)。圖1為L-叔亮氨酸的結構式示意圖。

圖1 L-叔亮氨酸的結構式

2 L-叔亮氨酸的功能

L-叔亮氨酸是合成抗病毒藥物阿扎那韋的關鍵側鏈。抗癌藥物 BB-2516、抗艾滋病藥物阿扎那韋、抗炎藥物 RO-31-9790、抗丙肝病毒藥物特拉匹韋等藥物的制備都需要借助L-叔亮氨酸進行合成。L-叔亮氨酸常常替代其他氨基酸：如纈氨酸、亮氨酸等應用于多肽合成中，L-叔亮氨酸用作不對稱反應的催化劑，在用作不對稱氨化還原反應中化學酶催化劑的配體時能很好地提升其催化效率。圖2為L-叔亮氨酸的應用示意圖。

3 L-叔亮氨酸的合成

3.1 化學制備法

3.1.1 有機拆分

Wittig反應是指羰基用磷葉立得變為烯烴，該反應又稱為葉立得反應或維蒂希反應，它主要用于將醛、酮直接合成為烯烴。為了制得L-叔亮氨酸，可以將三甲基乙醛作為反應原料，通過葉立得反應，將合成的烯烴經過加成，再在有醋酸鈉-醋酸的條件下發生取代，經過水解后在催化加氫最常用的Pd/C催化劑作用下即可發生加成反應生成L-叔亮氨酸。該方法反應流程如圖3所示。

圖2 L-叔亮氨酸的應用

圖3 三甲基乙醛反應生成L-叔亮氨酸的流程示意圖

由該反應的流程圖可以看出，用此方法制備L-叔亮氨酸步驟繁瑣，且制備過程中會有對環境造成污染的有機物參與，隨著工業技術的發展，目前這種方法已經由更為簡便的其他方法逐漸取代。

3.1.2 有機合成

手性合成也稱不對稱合成，是研究向反應物引入一個或多個具手性元素的化學反應的有機合成分支。

利用化學合成方法中的不對稱合成，將(R)-苯基甘氨酸酰胺或手性α-苯乙胺作為手性誘導劑，分別與特戊醛或叔丁基酮酸經過一系列反應合成L-叔亮氨酸。由于參與此化學過程中的催化劑成本高昂，并且會對環境造成較大污染，也不提倡用此法進行大規模生產。該方法反應流程如圖4所示。

圖4 不對稱合成法生成L-叔亮氨酸的流程示意圖

最早用于制備L-叔亮氨酸的方法便是化學制備法，它的優勢是易擴大到工業水平，但同時因為制備操作復雜、產物產率較低、工藝價格昂貴、造成環境污染等諸多問題制約了該方法的開展和應用。

3.2 生物制備法

近年來，生物制備法逐漸成為制備叔亮氨酸的熱門研究課題。利用生物法制備L-叔亮氨酸主要分為兩大類，一種是生物催化直接合成法，另一種是生物酶法。

3.2.1 生物催化直接合成法

根據材料和方式的不同，生物催化可分別使用全細胞和游離酶作為催化劑制備L-叔亮氨酸。

選用HPLC直接檢測法作為表征方法，細菌全細胞作為催化劑對以三甲基丙酮酸和甲酸銨為底物的反應進行催化，將L-叔亮氨酸從三甲基丙酮酸中還原出來。也可將L-亮氨酸脫氫酶作為催化劑對以三甲基丙酮酸和甲酸銨為底物的反應進行催化，從底物甲酸銨中獲取氫原子和氨分子，再在輔酶NADH的作用下將L-叔亮氨酸從三甲基丙酮酸中還原出來。

3.2.2 生物酶法

生物酶法需要作用的條件溫和，收率、光收率均很高，與化學合成法不同的是，在利用生物酶法制備目標物時不會對環境造成污染和危害，這也是生物酶法最大的優勢。目前在工業和市場中，生物酶法具有更大的發展潛力和更廣闊的發展空間。

人們首次使用生物酶法制備L-叔亮氨酸時用到的酶是純化的豬腎酰胺水解酶，但其目標物產率很低。赫斯特公司用青霉素G酰化酶輔助一些工藝也合成了L-叔亮氨酸，但其工藝十分復雜，不便操作。在前人研究的基礎上，后來還有研究人員探究出一種新的制備方法，即通過水解酶或者消旋酶對對映體進行選擇性水解，但因其成本巨大、步驟繁瑣也沒有得到廣泛的應用。

α-酮酸成本低廉、容易獲得，且其制備過程操作簡單，所以常作為生物酶法的原始底物。由于制備反應過程中輔酶NADH(其結構式如下圖5所示)的成本昂貴，通常在實驗中引入甲酸脫氫酶或葡萄糖脫氫酶來解決輔酶再生的問題，從而在輔酶NADH的作用下，三甲基丙酮酸能夠高效地從亮氨酸脫氫酶的作用中得到還原。德國的德固賽公司使用游離的甲酸脫氫酶(FDH)和亮氨酸脫氫酶，在25℃和pH8.0的條件下，利用甲酸脫氫酶將NAD+還原為NADH，從而實現輔酶的再生，該反應最大的優勢是可以實現使用酶的回收再利用，其反應原理如下圖6所示。美國一家領先的蛋白質工程公司(Codexis)使用游離的酮基還原酶和亮氨酸脫氫酶，在40℃和pH9.0的條件下進行了L-叔亮氨酸的合成，游離酮基還原酶的使用也是為了實現輔酶的再生。

圖5 NADH的結構式

4 結語

文章介紹了L叔亮氨酸的物化性質、結構特點及應用前景，闡述了制備L-叔亮氨酸的各類方法。隨著工業技術和科學研究的發展，制備L-叔亮氨酸從最初的化學合成法到現在的生物催化法，實現了從高成本到低成本，高污染到低污染，高能耗到低能耗的轉變。化學反應條件苛刻，步驟繁瑣，需要用到的大量有機溶劑都需經過多次拆分或多次合成，操作過程中會產生對環境污染較大的有害物質，且收率極低。生物催化法條件溫和，步驟簡單，產物光學純度大于99%，收率極高，且不會產生對環境造成污染或危害的物質，是一種綠色、環保的生產工藝。

L-叔亮氨酸作為很多藥物合成的中間體，在生物領域、化工領域、醫藥領域等都具有十分重要的作用，因此對L-叔亮氨酸合成路線的研究將一直作為熱門項目，吸引一批又一批的科學家及研究人員不斷探索、不斷創新。