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• (R)-3-氨基丁醇(1)是合成新药度鲁特韦(Dolutegravir)的重要原料^[1~3]。Dolutegravir是由葛兰素史克公司研究开发的抗艾滋病整合酶抑制剂。在2011~2012年期间，该公司研究人员进过了一系列的临床研究，发现在患者接受该药物治疗两年的周期中，其病情得到明显改善；而且与吉列德科学公司(Gilead Science)开发的HIV整合酶抑制剂雷特格韦、埃替格韦相比，其安全性更高。与默沙东的抗HIV/AIDS药物拉替拉韦相比，Dolutegravir不但在三期临床试验中达到了与其相匹敌的疗效，而且不需要与药物促进剂联合用药^[4~6]，同时具有非常强效的耐药属性，并且用药量为日服一次，受药人群广泛。所以在2013年2月，美国食品药品管理局(FDA)宣布将加速Dolutegravir的评审工作，并且于2013年8月13日批准上市^[7]。分析师预计，2020年Dolutegravir将成为年销售额达到16.2亿美元的重磅药物。由于Dolutegravir药物非常之新，国内鲜有相关开发工艺的报道。根据原研厂家和其他开发商对Dolutegravir合成路线的总结报道发现，(R)-3-氨基丁醇是引入构建合成度鲁特韦中手性官能团的关键中间体，其品质的好坏以及价格的高低对于Dolutegravir的品质及生产成本有着很重要的影响。除此之外，它还是抗肿瘤药4-甲基环磷酰胺的中间体，也可衍生为β-内酰胺，作为合成青霉烯类抗生素的重要中间体。因此，对(R)-3-氨基丁醇合成的研究具有重要的意义^{[8, 9]}。

  目前(R)-3-氨基丁醇主要是由国外厂家通过化学合成法生产，收率为60%~70%，它在国内的市场属于空白，随着Dolutegravir在国际市场的影响力日益增加，(R)-3-氨基丁醇市场需求量也将不断增加。近年来国外生产(R)-3-氨基丁醇的工艺主要是通过化学拆分法、手性原料合成、化学诱导法、制备色谱法和生物酶法等合成方法。本文对近年来合成(R)-3-氨基丁醇的方法类型进行了总结，阐述了(R)-3-氨基丁醇的合成研究进展，并对其发展趋势进行了讨论。

  1.   化学拆分法

  2011年，Breuer等^[10]报道了利用扁桃酸来拆分消旋的3-氨基丁醇得到(R)-3-氨基丁醇的方法(式(1))。该方法通过将旋光的(S)-扁桃酸(3)在异丙醇的水溶液中与消旋的3-氨基丁醇(2)在20~80 ℃间搅拌反应，沉淀结晶过滤，真空干燥，最后将形成的(R)-3-氨基丁醇扁桃酸盐(4)溶于吗啡啉中，在26mbar压力、93℃下蒸馏得到(R)-3-氨基丁醇。整条路线的产率达到84%，产品ee值达到99.6%。但该工艺使用4-(2-羟基乙基)吗啡啉作为溶剂，随后直接进行蒸馏，因此产品中还有1%的难以去除的吗啡啉杂质，使得产品纯度受到限制。

  2015年，Srinivasa等^[11]报道了以D-(-)-酒石酸(5)代替(S)-扁桃酸与消旋的3-氨基丁醇反应得到(R)-3-氨基丁醇的合成方法(式(2))。形成(R)-3-氨基丁醇酒石酸盐(6)后，再用碱性试剂碳酸钾将其游离出来，用乙腈萃取得到目标产物。但是(R)-3-氨基丁醇具有很大的水溶性，所以该方法后处理会造成产物的很大损失，研究人员没有报道相关产率和ee值。

  (1)

  (2)

  2.   手性原料合成

  Tatsuya等^[12]报道了一种合成(R)-3-氨基丁醇的方法(式(3))。该方法中原料的价格昂贵，第一步反应需要低温-70℃下进行，条件苛刻；同时反应路线中用到了四氢铝锂，不利于安全生产；且最后得到的(R)-3-氨基丁醇纯度和产率低下。该方法只适用于实验室研究，没有产业化应用价值。

  (3)

  为了探索出一条适合工业化生产的反应路线，Achmatowicz等^[13]规避了昂贵的化学原料，以廉价易得的D-丙氨酸(7)为起始原料合成(R)-3-氨基丁醇(式(4))，但是在整个反应过程中应用了大量的不适合工业化生产的试剂：在第二步中，氨基由邻苯二甲酸酐保护的衍生物8通过加入重氮甲烷，转化为重氮甲酮衍生物9；第三步中通过加入昂贵的苯甲酸银促进wolff重排反应；合成路线在最后一步水解过程中产生了难以处理的内酯10。该文献报道的(R)-3-氨基丁醇是作为合成手性Dioxocyclam衍生物的中间体，没有对(R)-3-氨基丁醇进行纯化处理，也没有报道具体产率和ee值。由于该报道中所使用的不可替代的试剂，限制了其应用范围。

  3.   化学诱导法

  化学诱导是早期引入手性中心的重要方法之一，通过加入诱导手性试剂来完成手性中心的引入。1977年，Kinas等^[14]利用诱导手性苯乙胺(11)和巴豆酸乙酯(12)试剂引入了(R)-3-氨基丁醇的手性中心(式(5))。总收率7.8%。该合成方法难点在于，第一步中立体选择性不高(产率30%)，导致第二步中分离差向异构体时收率低下(33%)。同时在第二步中差向异构体利用硅胶(苯:二氧六环:丙酮=40:2:1)进行分离后得到手性化合物，再经过四氢铝锂还原和钯碳氢化得到(R)-3-氨基丁醇。虽然操作步骤短，但该方法也不适合工业化生产。

  (4)

  (5)

  Andrés等^[15]利用手性化合物1, 3-噁唑烷衍生物进行化学诱导合成(R)-3-氨基丁醇(式(6))。他们先通过(R)-N-苄基-2-苯甘氨醇(13)和乙醛反应得到手性1, 3-噁唑烷衍生物14，然后利用Reformatsky试剂进行开环反应，最后经过钯碳氢化和四氢铝锂还原得到(R)-3-氨基丁醇，ee值仅为60%。该方法中第一步反应中的选择性确实优于Kinas等的方法，但是合成的两个异构体化合物1, 3-噁唑烷衍生物的比例也仅为80:20，远远达不到选择性合成的目的。

  (6)

  2003年，Volkmar等^[16]在Kinas等的研究基础上对合成(R)-3-氨基丁醇的路线做了改进(式(7))。将巴豆酸乙酯(12)换成位阻更大的巴豆酸叔丁酯(16)，手性苯乙胺换成位阻更大的(R)-N-苄基-1-苯乙胺(15)。通过大位阻的替代物来提高第一步反应的手性选择性，反应在-78℃下选用了昂贵的正丁基锂作强碱拔氢；然后经过氢氧化钯的氢化还原，最后乙醚作溶剂、四氢铝锂和三氯化铝作还原剂得到目标产品。整个路线的设计和实施达到了预期效果，总收率达到28%，选择性和产率都得到了提高(专利报道第一步收率达到37%)，但该方法试剂昂贵，使用存在安全隐患的溶剂，且产物难以纯化，不适合大规模生产。Albers等^[17]认为产物难以纯化的原因是最后一步用了四氢铝锂作还原剂导致的。因此，他们将上述反应路线中的最后两步顺序颠倒，先进行四氢铝锂还原，最后在进行氢氧化钯的氢化还原得到高纯度的(R)-3-氨基丁醇。但改进的路线仍然不适用于产业化生产。

  2010年，Kuriyama等^{[18, 19]}再次对Volkmar等的合成路线的最后一步进行了优化(式(8))。他们在反应最后一步还原反应中引入了一个新型的酯基氢化还原催化剂17，同时将第一步中的巴豆酸乙酯换成更容易还原的巴豆酸甲酯(18)，但整个反应过程效果不明显，并没有得到目标产物。既没有解决第一步反应产率低的问题，而且引入的新催化剂本身却需要多步反应合成，价格昂贵，用量大，致使整个反应过程变得更加复杂冗长，难以实现产业化，距离实际应用还有很多工作要做。

  (7)

  (8)

  毛龙飞等^[21]通过乙酰乙酸乙酯与手性苯乙胺(11)在甲苯溶液中进行缩合反应得到化合物20，然后再由硼氢化钠和吡啶氢溴酸盐联合作用还原碳碳双键得到游离的化合物21，接着化合物21与盐酸成盐后在丙酮和乙醇的混合溶液中拆分得到22，化合物22再通过硼氢化钠还原得到23，最后钯碳作用下脱去苄基保护基得到(R)-3-氨基丁醇(式(9))，手性纯度为100%。但整个反应路线产率不高，第三步中要进行多次重结晶后才能使目标产物的ee值达到98%。第二步在双键还原过程中得到的产物21的两个异构体的比例仅为69:31，成盐后的化合物22两个异构体的比例也仅为82:18，没有达到选择性合成的目的。

  (9)

  4.   制备色谱法

  自2014年后，Bodil等^[22]报道了以消旋的3-氨基丁酸为原料，采用制备色谱法分离得到(R)-3-氨基丁醇(式(10))，该方法曾被一些研究者采用^{[23, 24]}。首先利用Cbz-Cl对消旋的3-氨基丁酸24的氨基进行保护，然后经硼烷还原得到一组消旋体25(产率31.5%)和26(产率31.5%)，异构体的比例为1:1。通过手性制备高效液相色谱法对这组消旋体进行分离，最后钯碳氢化还原得到(R)-3-氨基丁醇(产率94%)。因为该路线是利用制备色谱法进行，所以不适用于工业化生产，只适用于实验室规模的快速合成。

  (10)

  5.   生物酶法

  Pascale等^[25]报道了通过酶法还原合成(R)-3-氨基丁醇的路线(式(11))。他们选用廉价易得的乙酰乙酸乙酯为起始原料，通过酵母菌进行不对称还原，得到S构型的3-羟基丁酸乙酯(27)，然后经过四氢铝锂还原得到28，化合物28经过TBDMSCl羟基保护得到化合物29，再经过Mitsunobu反应得到化合物30，水合肼还原得到化合物31，Bu₄NF脱保护得到(R)-3-氨基丁醇。整个过程繁琐，所用试剂不适合工业化生产，但第一步中应用的化学酶还原法为后来继续(R)-3-氨基丁醇的合成研究提供了启发。

  (11)

  2014年，范文超等^[26]报道了一种(R)-3-氨基丁醇的生物制备方法(式(12))。按照人工设计的序列进行全基因合成，克隆入pET24a得到重组表达的载体，再将重组表达载体转入大肠杆菌获得可以重组D-转氨酶基因工程菌，对该菌进行培养制备重组D-转氨酶。将重组D-转氨酶(质量百分浓度0.01%~1%)加入4-羟基-2-丁酮(32)、乙腈(质量百分浓度2%~15%)、磷酸吡哆醛(终浓度为0.1~1 mmol/L)和D-丙氨酸(终浓度为0.02~1mol/L)的体系中进行反应，提取得到(R)-3-氨基丁醇。该方法没有副产物生成，且转化率高达98%，产率达到90%。

  (12)

  Khatik等^[27]通过一种具有高选择性的转氨酶，以4-羟基-2-丁酮为原料，一步合成(R)-3-氨基丁醇(式(13))。文中提到的转氨酶也称之为氨基转移酶(ATA)，是一种将供体分子中氨基(-NH₂)转移到受体分子中羰基(C=O)上的催化酶，但他们并没有报道相关转氨酶的制备发酵过程。从表 1可以看出，编号为ATA-301、Evo-1.2.135、Evo-1.2.137、ECS-ATA-05、ECS-ATA-02和ECS-ATA-134的转移酶具有相当完美的选择性。

  (13)

  表 1

  

  表 1  转氨酶的选择性

  Table 1.  The selectivity of transaminase

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  Transaminase enzyme code	Desired (R)-Amine	Undesired (S)-Amine
  ATA-415	97.10%	2.90%
  ATA-301	100%	0.00%
  Evo-1.2.126	92.63%	7.37%
  Evo-1.2.131	84.93%	15.07%
  Evo-1.2.134	86.49%	13.51%
  Evo-1.2.135	100%	0.00%
  Evo-1.2.137	100%	0.00%
  ECS-ATA-05	100%	0.00%
  ECS-ATA-02	100%	0.00%
  ECS-ATA-07	87%	13%
  ECS-ATA-134	100%	0.00%

  6.   结语

  (R)-3-氨基丁醇具有手性结构，无论是应用手性原料合成，还是制备色谱法合成，在其过程中都离不开手性诱导和手性拆分两种方法，而这两种方法在手性翻转时对反应条件要求苛刻，一些化学原料属于危险化学品且会对环境造成一定程度的污染，最终手性翻转因为具有不定向性，产生多种副产物，致使收率降低，在提纯过程中增加了一定的难度，且合成路线较长，这样最终导致化学合成(R)-3-氨基丁醇成本增加。生物酶法具有反应条件温和、合成简单、收率高、立体和区域选择性强、生产成本低和生产过程对环境友好、无污染，且能够满足目前市场需求并顺应国家环保政策和清洁生产理念。此外，利用理性设计和定向进化对生物催化剂进行改造优化，如提高催化剂的稳定和底物选择性，将使其能够更好地应用于生产工艺。

• 1. [1]

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• 表 1  转氨酶的选择性

  Table 1.  The selectivity of transaminase

  Transaminase enzyme code	Desired (R)-Amine	Undesired (S)-Amine
  ATA-415	97.10%	2.90%
  ATA-301	100%	0.00%
  Evo-1.2.126	92.63%	7.37%
  Evo-1.2.131	84.93%	15.07%
  Evo-1.2.134	86.49%	13.51%
  Evo-1.2.135	100%	0.00%
  Evo-1.2.137	100%	0.00%
  ECS-ATA-05	100%	0.00%
  ECS-ATA-02	100%	0.00%
  ECS-ATA-07	87%	13%
  ECS-ATA-134	100%	0.00%

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