左旋肉堿的化學(xué)合成*

虞 斌，張海宏，趙利軍

（東北制藥集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110026）

左旋肉堿，也叫L-carnitine、L-卡尼汀、左卡尼汀、L- 肉堿、維生素 Bt、肉毒堿?；瘜W(xué)名：（R）-3- 羥基-4-（三甲基銨）丁酸，或者L-β-羥-γ-三甲胺丁酸，英文名：（R）-3-Hydrox-4-（trimethylammonio）butyrate,分子式:C7H15NO3；（CH3）3N+CH2CH（OH）CH2COO-，分子量:161.20；外觀性狀：白色晶體，易吸濕，略有特殊腥味。不溶于丙酮、乙醚、苯，極易溶于水、乙醇和堿。水中溶解度：2500g·L-1。比旋光度[α]20D:-32°（C=1,H2O），熔點：210℃。

左旋肉堿最早是從肌肉中被提取并分離出來，后來研究發(fā)現(xiàn)左旋肉堿是人體必需物質(zhì)，并將其命名為“維生素BT”。進一步研究證實左旋肉堿是脂肪酸轉(zhuǎn)運到細胞線粒體內(nèi)的唯一載體，因而左旋肉堿最重要的功能是促進脂肪酸的β-氧化，降低血清膽固醇及甘油三脂的含量，提高機體的耐受力。另外，左旋肉堿還具有：解毒?；鶜埩粑铩⑴c支鏈氨基酸代謝、調(diào)節(jié)糖原生成、促進ATP轉(zhuǎn)運等生理作用[1]。2010年《中華人民共和國食品安全法》批準(zhǔn)左旋肉堿擴大使用范圍及使用量。

左旋肉堿的生產(chǎn)方法主要有3種：提取法、化學(xué)合成法、生物合成法。提取法最早是從肉浸膏中分離提取出左旋肉堿，由于提取純化的步驟較多，且產(chǎn)量較少，難以形成規(guī)模生產(chǎn)?；瘜W(xué)合成法主要采取兩種途徑：（1）直接用DL-混旋體作原料，利用拆分劑析出左旋體；（2）以不同的化學(xué)物質(zhì)為原料進行合成。生物合成法制備左卡尼汀主要有兩種方法：（1）是微生物發(fā)酵法；（2）是利用酶法轉(zhuǎn)化。目前，工業(yè)上一般采用環(huán)氧氯丙烷為原料經(jīng)過氨化、酸化等幾步反應(yīng)，在反應(yīng)過程中進行手性化，得到左旋體。本文論述該工藝路線的進展情況。

1 化學(xué)合成與手性拆分

1.1 混旋體肉堿

早期化學(xué)合成的肉堿是消旋體,以環(huán)氧氯丙烷為原料經(jīng)過氨化、酸化、氰化、水解及去離子化得到混旋的肉堿（DL-Carnitine），見圖1。曾用于食欲增進劑和調(diào)整胃功能的藥物,或作為食品添加劑。

圖1 環(huán)氧氯丙烷制混旋肉堿Fig.1 DL-carnitine

1.2 消旋體拆分制左旋肉堿

后來發(fā)現(xiàn)只有左旋肉堿具有生理活性,右旋肉堿對肉堿乙酰轉(zhuǎn)移酶-（CAT）和肉堿脂肪酰轉(zhuǎn)移酶（PTC）有競爭性抑制作用。采用消旋體拆分法是常用的旋光物質(zhì)制備方法，最常見的是用一種光學(xué)純的堿去拆分一種酸，或用一種光學(xué)純的酸去拆分一種堿，酸堿形成鹽進行重結(jié)晶。Y.Hamari[2]等利用（-）- 扁桃酸，V.Iannella[3]與 H.Kiruchi[4]利用（-）-二苯甲酰-L-酒石酸對消旋體肉堿進行了拆分制得左旋肉堿（L-Carnitine），見圖2。

圖2 利用（-）-二苯甲酰-L-酒石酸對消旋體肉堿拆分制左旋肉堿Fig.2 Racemate resolution method

1.3 前體1的拆分

G.Kato 等[5]，T.Morishta 等[6]，D.M.Muller等[7]利用D-樟腦磺酸，（-）-二苯甲酰-L-酒石酸，N-乙酰-D-谷氨酸等對前體1進行了拆分，進一步合成制得左旋肉堿。

1.4 前體2的拆分

R.Voeffray等[8]采用 L-（+）- 酒石酸，張紅素[9]采用D-（+）-酒石酸對前體2進行了拆分，再經(jīng)氰化、水解制得左旋肉堿。

1.5 前體3的拆分

Jacobsen等[10]在考察不同金屬催化劑對末端環(huán)氧化合物水解拆分效果時,發(fā)現(xiàn)（S）-Salen Co催化劑對環(huán)氧氯丙烷的水解拆分效果最佳,得到左旋環(huán)氧氯丙烷（ee值98%）,產(chǎn)率44%（圖3）。目前，化學(xué)合成法生產(chǎn)左旋肉堿主要采用這一方法得到的左旋環(huán)氧氯丙烷為原料[11]。

2 存在問題及解決方案

化學(xué)合成與手性拆分制備左旋肉堿過程中存在使用NaCN，HCN以及CaCN等有毒物質(zhì)，拆分劑及催化劑價格偏高，拆分分離開的另一半旋光體如何利用，反應(yīng)步驟多，收率低，成本高，產(chǎn)品價格高等問題。針對上述問題，開展了一些有益的工作。

2.1 構(gòu)型反轉(zhuǎn)合成產(chǎn)物

由于通過拆分消旋體肉堿或其前體來制備左旋肉堿的過程中產(chǎn)生許多右旋肉堿或其前體物，F(xiàn).Gianness等[12]做了很多工作,將右旋肉堿前體物轉(zhuǎn)化成左旋肉堿，轉(zhuǎn)化過程簡單易行，對工業(yè)化合成左旋肉堿作出了貢獻（圖4）。

圖3 （S）-Salen Co催化劑拆分環(huán)氧氯丙烷制左旋環(huán)氧氯丙烷Fig.3 Catalyst(S)-Slen Co resolution epichlorohydrin to L-epichlorohydrin

圖4 右旋肉堿前體物轉(zhuǎn)化成左旋肉堿Fig.4 Precursor of D-carnitine conversion to L-carnitine

2.2 回收套用

胥波等[13]對合成反應(yīng)和拆分條件進行了優(yōu)化，由于拆分的化合物只有一半可利用，而且S-型前體1難以用常法消旋，不但浪費了原料而且構(gòu)成環(huán)境污染，通過設(shè)計一種氧化還原消旋化的方法，制備得到消旋的拆分前體，使之可回收再用（圖5）。

圖5 氧化還原消旋法制備消旋的拆分前體Fig.5 Resolution precursor preparation by oxidationreduction racemization

2.3 催化劑循環(huán)利用

為了更好的回收和再生利用，Jacobsen等[14]將S-（salen）Co（Ⅲ）催化劑固載到聚苯乙烯樹脂和硅膠上，應(yīng)用于環(huán)氧氯丙烷的拆分，多次重復(fù)使用后效果依然顯著，重復(fù)5次后的得到R-環(huán)氧氯丙烷的ee值為＞99%,轉(zhuǎn)化率為52%。

Kureshy R I等[15]制備了一種雙聚體形式的S-（salen）Co催化劑,在反應(yīng)6 h后，手性環(huán)氧氯丙烷的產(chǎn)率為49%，ee值為97%，并且催化劑的重復(fù)利用性也比較理想。

研究者們[16-18]制備了各種形式的S-salenCo（Ⅲ）催化劑,從單體S-salen Co（Ⅲ）催化劑一直到各種聚合形式的S-salen Co（Ⅲ）催化劑的出現(xiàn)（圖6）。由于S-salen Co（Ⅲ）催化劑的價格昂貴,如何引入價廉、具有更高催化活性和高重復(fù)利用性的催化劑仍是當(dāng)前乃至今后該領(lǐng)域研究工作的重點。

圖6 S-salen Co（Ⅲ）單體及聚合形式催化劑Fig.6 Monomer and composite S-salen Co(III)

2.4 拆分剩余物利用

王朝陽等[19]通過外消旋的環(huán)氧氯丙烷經(jīng)Salen-Co催化劑催化拆分水解，得到R-3-氯-1,2-丙二醇，經(jīng)縮合、取代、醇解得到光學(xué)純的左旋的丙叉甘油醇，產(chǎn)率為59.4%。該路線可以合成左旋丙叉甘油醇和右旋丙叉甘油醇，其合成路線見圖7所示。這也為S-3-氯-1,2-丙二醇的利用提供了思路。

圖7 外消旋環(huán)氧氯丙烷Salen Co催化拆分水解過程Fig.7 Resolution of L-epichlorohydrin by S-salen Co(III)

2.5 生物化學(xué)法

Choi,W.J.等[20]篩選到一株產(chǎn)環(huán)氧水解酶的黑曲霉菌株，對消旋體的環(huán)氧氯丙烷進行手性拆分,生成S-環(huán)氧氯丙烷。

Kim,H.S.等[21]利用 Rhodotorula glutinis 酵母中的產(chǎn)環(huán)氧水解酶基因構(gòu)建了Pichia pastoris酵母工程菌發(fā)酵產(chǎn)酶。在對消旋體的環(huán)氧氯丙烷水解過程中，發(fā)現(xiàn)酶濃度的增加可顯著縮短反應(yīng)時間，添加表面活性劑可提高S-環(huán)氧氯丙烷的ee值至100%。

許輝輝等[22]從土壤中篩選到1株能產(chǎn)環(huán)氧氯丙烷水解酶的微生物（黑曲霉）菌株C375，當(dāng)拆分時間為10h，S-環(huán)氧氯丙烷的對應(yīng)體過量值達99.0%，產(chǎn)率為18.6%。

Kabat等[23]通過用（R）-環(huán)氧氯丙烷與格氏試劑反應(yīng)經(jīng)三甲胺取代，陰離子交換后氧化制得左旋肉堿。

考慮將微生物法與化學(xué)合成法相結(jié)合，通過將S-環(huán)氧氯丙烷構(gòu)型反轉(zhuǎn)為R-環(huán)氧氯丙烷，避免使用氰化物路線應(yīng)該是未來左旋肉堿生產(chǎn)的發(fā)展方向（圖8）。

圖8 （R）-環(huán)氧氯丙烷與格氏試劑反應(yīng)，制左旋肉堿Fig.8 L-carnitine preparation by reaction of(R)-epichlorohydrin and Grignard reagent

2.6 其它工業(yè)原料

M.Paolo Casati等[25]以雙乙烯酮為原料,將雙烯酮氯化后立即與拆分劑L-苯基氨基乙酸甲酯結(jié)合,然后還原拆分,再經(jīng)兩步反應(yīng)就制得左旋肉堿（圖9）,但文獻報道的收率不高（＜5%）,主要原因是拆分率不高,要得到光學(xué)純度好的拆分體必須反復(fù)重結(jié)晶,收率損失較大。雙乙烯酮，即3-羥基丁烯酸-β-內(nèi)酯，純度98%的價格15000元·t-1，與工業(yè)環(huán)氧氯丙烷相比價格略便宜。目前，國內(nèi)生產(chǎn)也可以滿足供應(yīng)，從無毒化考慮，如果拆分正確，也是可以考慮的發(fā)展方向。

圖9 M.Paolo Casati等制左旋肉堿工藝過程Fig.9 Technology for L-carnitine by M.paolo Casati

LannellaV[3]和李 全等[25]采用氯乙酸乙酯為原料，先合成r-氯乙酰乙酸乙酯，繼續(xù)反應(yīng)得到消旋體肉堿，以左旋二苯甲酰-D-酒石酸為拆分劑，制備了左旋肉堿鹽酸鹽（圖10）,但收率僅為5%。過程中無須使用氰化物和離子交換樹脂。

圖10 LannellaV等制左旋肉堿真鹽酸鹽工藝過程Fig.10 Technology for L-carnitine hydrochloride by LannellaV

3 手性原料與化學(xué)合成

隨著手性技術(shù)的進步，手性化合物的種類和產(chǎn)量逐漸增加，產(chǎn)品價格也隨之下降，這為以手性化合物為原料制備左旋肉堿提供了可能。M.E.Jung等[26]首先以Vc為原料經(jīng)10步反應(yīng)制得了L-肉堿,總收率＜10%，K.Bock等[27]分別以L-抗壞血酸和L-阿拉伯糖為原料成了左旋肉堿（圖11、12）。

圖11 M.E.Jung等以L-抗壞備的制左旋肉堿工藝過程Fig.11 Technology for L-carnitine with L-ascorbic acid by M.E.Jung

圖12 M.E.Jung等以伯糖為原料制左旋肉堿工藝過程Fig.12 Technology for L-carnitine with arabinose acid by M.E.Jung

目前，全球VC原料藥生產(chǎn)能力約為15萬t，除荷蘭DSM公司在蘇格蘭的達瑞工廠擁有2.3萬t生產(chǎn)能力外，其余12.7萬t生產(chǎn)能力主要集中在我國的東北制藥、石藥集團、華北制藥、江山制藥以及淄博魯維食品生物有限公司等5家企業(yè)，產(chǎn)業(yè)集中度一直較高。隨著國內(nèi)又有一新企業(yè)投資年產(chǎn)2萬tVC項目，VC國內(nèi)產(chǎn)能嚴重過剩，新項目的上馬無疑使得VC供應(yīng)進一步加大，預(yù)計價格還有下跌空間。目前，內(nèi)銷價格下降至42元·kg-1。

F.D.Bellamy[28]以D-蘋果酸為原料,經(jīng)6步反應(yīng)合成了左旋肉堿（圖13）,收率可達35%～40%,是目前收率較高的合成路線。

圖13 F.D.Bellamy以D-蘋果酸為原料制左旋肉堿工藝過程Fig.13 Technology for L-carnitine with malic acid by F.D.Bellamy

4 不對稱合成

不對稱合成是“一個有機反應(yīng)，其中底物分子整體中的非手性單元由反應(yīng)劑以不等量地生成立體異構(gòu)產(chǎn)物的途徑轉(zhuǎn)化為手性單元”。反應(yīng)劑可以是化學(xué)試劑、催化劑、溶劑或物理因素。目前，不對稱合成在藥物合成和天然產(chǎn)物合成中都有十分重要的地位。但無疑，現(xiàn)在最完善的不對稱合成技術(shù)，要數(shù)存在于生物體內(nèi)的酶。能否實現(xiàn)像酶一樣高效的催化體系，是對人類智慧的挑戰(zhàn)。

M.Kitamura[29]以氯乙酰乙酸乙酯為原料經(jīng)不對稱催化氫化制得高光學(xué)純度的（R）-4-氯-3-羥基丁酸乙酯,進而轉(zhuǎn)化為左旋肉堿（圖14）。他們采用0.05（mol）%的Ru（OCOMe）2[（S）-binap]為催化劑,在10MPa,100℃下反應(yīng)5min即可制得所需的（R）-產(chǎn)物,光學(xué)收率為97%,產(chǎn)率可達97%。

圖14 M.Kitamura以氯以酰乙酸乙酯為原料制左旋肉堿工藝過程Fig.14 Technology for L-carnitine with acetylperchlorate by M.kitamura

5 結(jié)論

左旋肉堿的市場需求增加是無疑的，加快開發(fā)合成新技術(shù)，擴大生產(chǎn)能力是當(dāng)今主要任務(wù)，采用便宜的原料，減少反應(yīng)步驟，使用無毒試劑，非昂貴的催化劑以及拆分分離另一半旋光體的利用等成為左旋肉堿合成的研究重點。

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