莽草酸的合成研究现状

寇玉辉, 雷 叶

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0 引 言

莽草酸是一种重要的生物活性物质，在植物和微生物代谢中，它是许多天然产物包括芳香族氨基酸、生物碱、酚类等物质的生物合成中间体，即莽草酸途径[1].莽草酸也是一些特殊酶的抑制剂，是合成神经氨酸酶抑制物的一种重要原料，可用来合成抗流感药物[2].

早在1885年，莽草酸就被发现并分离得到，20世纪50年代出现了莽草酸的化学合成方法.生物提取法虽然也得到了发展，但成本较高，与此同时还出现了微生物发酵法.自2003年禽流感侵袭以来，莽草酸是有效对付致命性H5H1禽流感病毒药物“达菲”的重要成分，因此莽草酸的需求日益增大.目前，八角茴香是工业上莽草酸的主要来源，但生产成本很高，因此开发莽草酸新型合成法具有重要意义.

1 莽草酸结构及分布

莽草酸(Shikimic acid，SA)属酚类化合物，化学名为[3R-(3α,4α,5β)]-3,4,5- 三羟基-1- 环己烯-1-羧酸，分子式为C7H10O5，结构见图1，具有手性，其中1a具有开发药物的功效.它是1885年从日本莽草“Shikimic-Ki(Illiciumanisatum)”分离提取而得名.到目前为止，莽草酸除了在八角茴香中(含量达12.57%)被发现大量存在外，在番茄叶、醋栗果实、金丝桃等160多种植物中其存在也被发现.

图1 莽草酸结构

2 莽草酸的化学合成

莽草酸是合成很多药物的原料，其立体专一性历来为人们关注，早在1959年Smissman等[3]就立体专一地合成出dl-莽草酸.1968年，有科研人员对D(-)莽草酸全合成中的中间体做了详细的描述[4].1971年，又报道了以D-树胶醛糖为原料合成出立体专一、具有光学纯度的莽草酸[5].

早期方法虽有立体选择性好、中间某些合成步骤反应条件简单、产率高等优点，但是大都步骤较多，总收率不高.近年来合成方法有所改进，取得了一些进展.

2．1 Diels-Alder合成法

Takashi等[6]以人造纤维2为初始原料，经过17步反应得到了(-)-莽草酸7，反应示意图如图2.

图2 莽草酸合成反应式

此反应一开始就用氯甲醚(MOMOCl)保护羟基，一直到倒数第二步才还原，这是很好的思路，但反应步骤太多，总收率也很低.

KouHiroya等[7]以纯的(-)-(1S,4R,4aS,5S,8aS)-8-(二甲叔丁基硅氧基)-4,4a,6,7,8,8a-六氢-1，4- 二甲基萘-5(1H)-酮7做为起始反应物，经13步制得莽草酸，收率达到40%，其中9-10为逆Diels-Alder反应，产率近100%，对我们以后进行此类反应有很大启发，步骤如图3.

图3 莽草酸合成反应式

Naoyuki等[8]以(+)-(1S,4R,4aR,5R,8S,8Ar)-1,5,8,8a-四氢-5,8,-二羟氢-1,4-亚甲基萘-4a(4H)-酸羧酸甲酯11为起始反应物，经11步反应制得莽草酸，步骤如图4.

虽然步骤少、反应条件也较简单,但其中逆Diels-Alder反应产率仅为52%，总产率也仅有14.8%.

图4 莽草酸合成反应式

1997年，Javier等[9]以亚硫酰丙烯酸酯14为原料，通过Mannichi反应，经过中间体15，得到二烯亲和体16，在高压下与呋喃发生Diels-Alder反应得到4种混合物17、18、19和20，其中18产率为59%，消去SOTOl得到环氧冰片21，再通过与LHMDS反应断裂氧桥键得到环己烯22，通过加上保护基制备出它的TBDMS衍生物23，再除去保护基得到24，反应式如图5.

此方法合成出(+)-莽草酸，且较为简易，但其中Diels-Alder反应产生4种混合物，分离困难且产率不高，还有其中一步产率仅为28%，如果能够提高Diels-Alder反应的选择性和提高个别低产率反应的产率，此方法将大有可为.

Surachai等[10]用顺丁烯二酐25为原料，通过乙二烯26的Diels-Alder反应得到主加成产物27，再通过与28反应得到产物29(R=OAC)，收率为84%.酐29通过甲醇分解作用得到30(收率83%)，再通过甲基化氢解作用得到酸31，通过Hundiecker反应转变为62∶38的混合物32，33，后再转化为莽草酸酯34，其收率为53%，34通过酸解得到D-葡萄糖和4-epi-莽草酸，通过离子交换柱分离后，得到莽草酸，产率80%，反应式如图6.

图5 莽草酸合成反应式

虽然此法步骤仍然较多，产率低，且操作麻烦，工业上应用价值不大，但它首次成功地合成了莽草酸基配糖体并首次完成了对4-epi-莽草酸的不对称合成，对以后的相关合成有重大的指导意义.

2.2 碳水化合物转化法

George等[11]用D-甘露糖为原料酯化得莱苏糖35，烷基化作用后得磷酸酯36，再在一定条件下转化为亚甲基莽草酸酯37，又经过脱酰作用得38，在碱性条件下水解得到(3R，4S，5R)- 莽草酸.此方法原料易得，且反应步骤较少，但是总产率仍较低，仅为25%，反应式如图7.

Shen等[12]以D-核糖39为原料经12步合成分别得到(-)-5- epi-莽草酸40和(-)-5- epi-莽草酸酯41，虽原料简单易得，但过程中的副产物较多，分离过程复杂，产率低，40为16.4%，41为12.7%，不适于工业化生产，反应式如图8.

2.3 以奎宁为原料合成

1999年，日本专利[13]报道了以奎宁酸为原料制得莽草酸前体而得到莽草酸的方法.由奎宁酸42酯化得到酯43，再通过水解和烷基化得到44，又经脱水反应得莽草酸前体45和46，45通过脱保护作用得莽草酸前体47，最后经过脱保护得(-)-莽草酸,反应式如图9所示.

此反应过程在由44制45的关键步骤中，前体45的产率可高达80%以上，且重结晶纯化后可以回收99%.此法使得对莽草酸前体的合成能做到高产率、高质量、高纯度且低耗费.这对莽草酸的工业化合成有重要指导意义.

图6 莽草酸合成反应式

图7 莽草酸合成反应式

图8 莽草酸合成反应式

2.4 其它方法

Johnl等[14]报道了以合成分支酸过程中的中间产物48为原料而合成(-)-莽草酸的方法.48水解后得到前体49，再水解后得(-)-莽草酸,反应式如图10所示.

此反应过程各步产率都很高，且反应条件简便易得，总分离收率可高达94%.但49毕竟只是其它反应的一个中间产物，如果能提高它的产率或能找到更好的合成、分离或生物提取49的方法，将会大大简化(-)-莽草酸的合成工艺.

图9 莽草酸合成反应式

3 微生物(酶)法合成

1979年Ryoyasu等[15]最初报道从茶树中提取了与莽草酸的合成有关的4种酶：3-deoxy-D-arabino-heptulosonic acid-7-磷酸合成酶(EC.4.1.2.15)、DHQ合成酶、DHQase(EC.4.2.1.10)、SORase(EC.1.1.1.25)，并对其性质进行了阐述，此后，4种酶在莽草酸合成途径中被大量利用.

根据同位素示踪研究和发酵条件研究结果，Chandrand等人[16]以葡萄糖为基质，采用E.coliSP1.1pts/ pSC 6.090 B 菌在1 L发酵罐中分批发酵合成莽草酸后，扩大至10 L规模并添加酵母浸液，发酵产物莽草酸浓度达87 g/L，产率为36%，但这与理论计量产率86%相差甚远，其生物合成途径如图11所示.葡萄糖经糖酵解成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)和4-磷酸赤藓糖(4EP)，在DAHP合成酶的催化下，生成DHQ，然后经一系列酶促反应合成3-脱氢莽草酸，最后在脱氢酶的作用下得到莽草酸.在整个合成过程中，PEP对DAHP合成酶起反馈抑制作用，是莽草酸合成途径的一个重要控制因素,提高PEP的转化率就会导致奎尼酸和3-脱氢奎尼酸等副产物量增多,因此有必要通过改变发酵条件来提高产率.

图10 莽草酸合成反应式

通过基因调控手段筛选基因工程菌，优化合成条件可以有效提高产量.Louise Johansson等人[17]利用上述合成途径，通过比较菌株(W3310)与莽草酸激酶Ⅱ缺失型菌株Escherichiacoli(W3310.shik1)在磷酸盐受限和碳源限制的条件下合成莽草酸的量，结果显示采用W3310.shikl在磷酸受限条件下产率更高，是碳源受限条件下的两倍，达(0.059±0.012 VS. 0.024±0.005 C-mol/ C-mol)，副产物也最低，但是细胞溶解导致发酵液下游处理困难.Marco Kramer等人[18]也对上述合成代谢途径进行了综述，分别讨论了碳源的吸收、调节途径、中间代谢和涉及莽草酸摄入的芳香族途径，对提高产物产率和减少副产物有重要影响.

4 结束语

莽草酸除了可由天然原料直接分离得到，还有多种化学合成与生物合成法.目前工业上只能从八角茴香中提取大量的莽草酸以满足市场的需求，但是每30 kg八角茴香只能加工出1 kg莽草酸，化学合成的发展则可以满足大规模工业化的要求.以微生物细胞和酶为代表的生物催化剂，已成为现代化学合成中不可或缺的有利工具，需要配合我国制药工业发展的具体情况研究相关产品.普通环境中的有机合成有时只能得到无旋光的外消旋混合物，而用微生物法则易得到具有旋光活性的相对较纯的产物，也具有很高的实用价值.天然莽草酸的主要结构区别在于C3、C4和C5位的侧链，酶法可以保持起特殊作用的结构和构型.寻求更好更廉价的方法合成莽草酸有很好的应用前景.

图11 莽草酸的生物合成途径

参考文献

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