酶催化的串联Bis-Michael和水中无催化剂合成螺环氧化吲哚类化合物的绿色合成方法研究

摘要

绿色化学又被称为环境友好化学，清洁化学，无害化学，即用化学的方法去停止或者减少对人类的生存环境，身心健康等有害的原料，催化剂，试剂，溶剂等的生产和使用，把污染扼杀在摇篮之中。所以绿色化学是一种治本，治根的对策，一直以来都是化学学科的前沿科学之一。
　　酶是生物体内高效专一的绿色催化剂，自从Klibanov发现酶可以在有机溶剂中保持活性以来其在有机合成领域就越来越得到化学家们的重视。在有机合成过程中所使用的酶一般都是通过商业途径所购得，而酶在工厂化生产和制备过程中会添加各种盐及其他添加剂来保持酶的稳定性，但同时也影响了酶的纯度。因此，我们尝试着对酶进行重组表达。在本论文的第二章我们对猪胃蛋白酶在pET28a中进行了尝试性的重组和表达纯化。通过对包括不同破碎方法等各种的尝试最终得到了纯的猪胃蛋白酶原。但是测试发现，所得的猪胃蛋白酶几乎没有活性，所以进一步的方法改进尚在进行中。
　　酶能够催化其非天然底物发生反应的能力叫做酶的催化多功能性。酶在有机溶剂中不仅能够很好的催化有机反应，而且还展现出了如高的立体选择性，广泛的底物适应性，温和的反应条件等优异的特性。如今，越来越多的研究证明酶的催化多功能性并不是单纯的个例，而是一种普遍存在的现象。目前酶的催化多功能性已经在aldol反应，Michael反应，Mannich反应，Henry反应，Biginelli反应等多种反应中取得相当不错的研究进展。含季碳中心的化合物因为具有特殊的立体化学和生物学活性，所以一直是一个很热门的研究方向，虽然在季碳中心的合成方面已经有了一些很不错的方法，但是有些在其合成过程中使用的催化剂，溶剂等不符合绿色化学的要求，所以探究安全，环境友好的生物催化剂来催化Bis-Michael加成以构建季碳中心仍有必要。本论文第三章我们研究了淀粉葡糖苷酶催化的Bis-Michael反应形成季碳中心化合物，通过对溶剂、含水量、底物投料比、时间、溶剂总体积、酶量和温度等条件优化后进行底物普适性研究，含有不同取代基的底物均能够顺利地参与到反应中，我们得到了12个目标产物，收率最高达到了92%，非对映选择性高达99：1，通过单晶X射线确定了产物的构型，在整个反应过程中所有获得的产物均是反式环己酮衍生物（通过1H NMR测定）。同时我们也进一步实施了对照实验，在此基础上提出了可能的反应机理。
　　在水介质中无催化剂的反应一直以来都是化学家们关注的对象，水作为反应溶剂的一种，具有廉价易得，绿色环保和可持续的优点。在本论文第四章我们就研究了在SDS和水形成的胶束中自发的Knoevenagel/环化反应合成螺环氧化吲哚类化合物，在对溶剂，温度，反应时间及SDS用量等条件优化后我们对底物的适应性进行了研究，不同类型的底物均能够很好的参加到反应中去，我们得到了13个目标产物，收率最高达到94%。在此基础上，结合文献我们同时提出了可能的反应机理。
　　脯氨酸及其衍生物作为天然的有机小分子催化剂与其他的催化剂相比有着自己独特的优势：无毒无害，不含金属离子，对环境没有危害，价格低廉易得到，稳定性好等。在最后一章我们探究了脯氨酸和血晶素共同作用下的N-苯基吡咯烷和丙酮的不对称Mannich反应，对溶剂、投料比、溶剂总体积、脯氨酸和血晶素的用量、温度和反应时间等进行了优化，同也做了对照实验，并在此基础上提出了可能了机理。

目录

第1章 绪论

1.1 绿色化学简介

1.2 绿色化学研究方向

1.3 酶催化多功能性概述

1.4 水解酶催化的C-C键的形成

1.5 水介质中的无催化剂有机反应

1.6 课题的意义

第2章 猪胃蛋白酶的克隆和表达

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 材料与方法

2.4 结果与分析

第3章 淀粉葡糖苷酶催化的Bis-Michael加成反应

3.1 引言

3.2 结果与讨论

3.3 小结

3.4 实验部分

3.5 产物表征及分析

第4章 水介质中无催化剂的Knoevenagel/Cyclization反应合成螺环氧化吲哚类化合物

4.1 前言

4.2 结果与分析

4.3 小结

4.4 实验部分

4.5 产物表征及分析

第5章 天然小分子催化的不对称Mannich反应

5.1 前言

5.2 结果与分析

5.3 实验部分

5.4 产物表征及分析

参考文献

附录：部分化合物图谱

硕士期间科研成果

致谢