các sản phẩm trung gian và cuối có ích thu ðýợc từ các phản ứng oxi hóa khử sử dụng xúc tác sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HCM
KHOA SINH HỌC – CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Môn: CHUYỂN HÓA SINH HỌC VÀ CÁC SẢN PHẨM TRAO ĐỔI CHẤT
Chủ đề: CÁC SẢN PHẨM TRUNG GIAN VÀ CUỐI CÓ ÍCH

THU ĐƯỢC TỪ CÁC PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ
SỬ DỤNG XÚC TÁC SINH HỌC

GVHD:
TS. Nguyễn Thị Mỹ Lan
TS. Nguyễn Thị Thanh Kiều


Mục lục


4.1 Giới thiệu
Như đã thảo luận ở chương 1, Các phản ứng oxi hóa khử được xúc tác bởi các vi sinh
vật được quan tâm trong nhiều năm. Những quá trình sản xuất cồn, giấm và vitamin C
đã thu hút các nhà nghiên cứu trong một thời gian dài. Ngày nay có nhiều sự quan tâm
trong việc khám phá những tế bào và các enzyme xúc tác tinh chế từ tế bào. Như đã mô
tả ở chương 3, cái được quan tâm hiện nay là sự sản xuất các sản phẩm trung gian hoặc
sản phẩm cuối (thường là dạng hoạt động quang học) để ứng dụng cho các ngành công
nghiệp dược phẩm, hương liệu hay nông nghiệp.
Trong nhiều phản ứng oxi hóa khử, việc lựa chọn sử dụng toàn bộ tế bào hay enzyme
tách chiết từ tế bào (với các co-factor cần thiết) cho phản ứng chuyển hóa sinh học là
một điều rất quan trọng. Thuận lợi và khó khăn trong việc sử dụng toàn bộ tế bào hay
enzyme đã được thảo luận ở chương 2, bảng 2.3.
4.2. Sự khử ketone sử dụng toàn bộ tế bào
Ví dụ dưới đây là một trong những quá trình khử đơn giản nhất của một ketone tạo

thành cồn bậc 2. Dĩ nhiên quá trình này cũng có thể được tiến hành bằng phương pháp
hóa học bởi sodium borohydride. Sự chuyển hóa tương tự cũng có thể đạt được bằng
cách sử dụng nấm men bánh mì, và lợi ích của việc sử dụng chất xúc tác sinh học có
thể thấy được ngay lập tức (ví dụ như thu được cồn chứa cacbon thủ tính ở dạng hoạt
động quang học). Nguyên nhân đơn giản là: sự khử sinh học diễn ra trong hố chọn lọc
đối quang của enzyme. Ví dụ, cyclohexyltrifloromethyl ketone dễ dàng bị khử thành
rượu rất hiệu quả. Tương tự, ethyl-3-oxobutanoate tạo ra 3(S)-hydroxybutanoate với sự
chọn lọc rất cao khi sử dụng cùng chất xúc tác sinh học (sơ đồ 4.1)

Sơ đồ 4.1
3


Nấm men bánh mì cũng được sử dụng để khử những hợp chất có 2 nhóm carbonyl, như
là chất phái sinh của cyclopentane-1,3-dione. Nếu nguyên tử carbon nằm giữa hai
nhóm carbonyl mang 2 nhóm thế khác nhau thì chất đó sẽ thường được chuyển hóa ở
hiệu suất rất cao và tạo ra sản phẩm là hợp chất có 2 carbon thủ tính (sơ đồ 4.2)

Sơ đồ 4.2
Nếu ketone hoặc ester của ketone ban đầu đã có trước một carbon thủ tính, thì sau đó
sự khử bất đối xứng của hỗn hợp 2 đồng phân quang học ban đầu có thể cho sản phẩm
là một hỗn hợp mà trong đó đồng phân không đối quang nhiều hơn. Ngoài ra, cả 2
đồng phân đối quang của chất phản ứng có thể bị khử cho ra một hỗn hợp đẳng mol
của 2 đồng phân không đối quang (sơ đồ 4.3)

Sơ đồ 4.3
Kết quả của một quá trình khử xúc tác bằng nấm men của một ketone có thể dự doán
trước một cách tương đối chắc chắn. Ví dụ như dialkyl hay aralkyl ketone thì sản phẩm
thu được hầu như luôn luôn là (S)- alcohol (Hình 4.1)
4

Trong khi quá trình khử B-ketoester bằng nấm men thì kết quả khó đoán trước hơn (sơ
đồ 4.4), kết quả có thể được dự đoán dựa vào mô hình đơn giản (Hình 4.2)

Sơ đồ 4.4

Và sẽ còn phụ thuộc vào nhóm thế methyl hay lượng acid acetic còn lại là thuộc loại
nhóm thế nào (CH3: nhỏ; CH2COOC2H5: trung bình; ClCH2, BrCH2: lớn;
CH2COOC8H17: rất lớn)
Quá trình khử cetoester có 2 nhóm thế xúc tác bởi nấm men thường làm phát sinh các
đồng phân không đối quang, và sản phẩm mới tạo thành tất cả đều có cacbon thủ tánh
cấu hình dạng S. Tỉ lệ của đồng phân không đối quang thường không phải là 50:50, do
quá trình enol hóa, sự racemic hóa trong cơ thể vi sinh vật, sự khử nhiều hơn của một
5


đồng phân không đối quang, dẫn tới sự ưu thế hơn của một trong các đồng phân lập thể
(sơ đồ 4.5)

Nấm men có sẵn rất nhiều trong tự nhiên và việc dễ dàng sử dụng toàn bộ tế bào nấm
men trong quá trình khử là 2 đặc điểm thu hút của những quá trình này. Một số sinh vật
khác có thể được sử dụng để khử kentone thành alcol bậc 2. Một số nấm (như
Mortierella isabellina) cho các kết quả nhiều đồng phân hóa học lập thể, giống với nấm
men, trong khi một số khác (Aspergillus niger) cho sản phẩm đồng phân lập thể ngược
lại với dạng được hình thành do quá trình khử của nấm men (sơ đồ 4.6)

Cái cần phải quan tâm là số lượng lớn của (3) có thể thu được từ một số lượng lớn vi
sinh vật được chứa trong polyhydroxybutyrate. Polymer được chuyển thành monoester
trong ống nghiệm, sử dụng acid sulfuric trong điều kiện có mặt alcol.

4.3. Sự khử liên kết đôi C=C
Nấm men và một số ít vi sinh vật khác được sử dụng để khử liên kết đôi C=C. Các liên
kết đôi rất nhạy cảm với các nhóm hút electron (electron-withdrawing). Vì vậy các acid
chưa bão hòa (có liên kết đôi) có thể bị chuyển hóa thành hợp chất có 4 nhóm thế khác
nhau với hoạt động quang học cao. Chú ý rằng cấu hình của liên kết alken có thể xác
định cấu hình của Carbon thủ tánh vừa mới hình thành (phương trình 4.7)
6


Trong quá trình khử các rượu có liên kết đôi có sự tạo thành các aldehyde không bão
hòa là các sản phẩm trung gian không được nhìn thấy. Một ví dụ đó là geraniol bị khử
thành (R)-citronellol thông qua các aldehyde tương ứng (phương trình 4.8)

Một phái sinh của cyclohexane-1,4-dione, là chất được sử dụng trong tổng hợp nhiều
carotenoid tự nhiên hiện nay, được tạo thành bằng sự khử của hợp chất en-dion tương
ứng (phương trình 4.9)

TÌM HIỂU THÊM
e.e. Lượng thừa đối phân là hiệu số giữa tỉ lệ phần trăm các đồng phân trong sản phẩm
(tổng các đồng phân được xem là 100%)
Phản ứng chọn lọc lập thể (stereoselectivity) là các phản ứng mà một chất ban đầu
trong những điều kiện xác đinh có thể cho nhiều sản phẩm nhưng thường có một sản
phẩm ưu tiên. Bất kỳ một phản ứng nào chỉ có một sản phẩm hình thành duy nhất hay
ưu tiên hơn một sản phẩm nào đó gọi là phản ứng chọn lọc lập thể.
7


Hoạt động quang học: khả năng quay mặt phẳng dao động của ánh sáng. Hoạt động
quang học càng cao thì làm quay mặt phẳng dao động của ánh sáng càng nhiều (Hình)

Electron-withdrawing là các nhóm có khả năng rút elecctron đi từ một trung tâm phản
ứng. Ví dụ electron-withdrawing: halogens (F, Cl); nitriles CN; carbonyls RCOR'; nitro
groups NO2.
4.4 Sự khử ketone và các hợp chất carbonyl (α, β không no) sử dụng các enzyme
Tất cả các phản ứng sinh học được nêu trong chương này đòi hỏi sự tham gia của các tế
bào nguyên vẹn (thường là nấm men). Enzyme dehydrogenas xúc tác phản ứng chuyển
hóa ketone thành alcohol thứ cấp có thể dễ dàng được tinh sạch. Những enzyme này có
thể được thu nhận từ vi sinh vật, hoặc bộ phận của động vật. Trong quá trình tinh sạch,
đòi hỏi các co-factor, NAD(P) được tạo ra từ protein. Để khôi phục hoạt tính xúc tác
của enzyme, các co-factor phải được tái tạo. Điều đó là bất khả thi nếu sử dụng một hệ
số tỷ lượng lượng co-factor, bởi một vài lý do, mà lý do chính là bởi giá thành cao của
NAD(P). Do đó, phải giảm lượng co-factor sử dụng và cần có sự tái tạo lại co-factor
(hình 4.3)

Hình 4.3. Tái tạo NAD(P)H trong phản ứng khử xúc tác enzyme
Câu hỏi về cách thức tái tạo co-factor đã được đặt ra bởi nhiều nhà khoa học và một vài
giải pháp đã được tìm ra. Một trong những giải pháp đó được trình bày ở hình 4.4, đặc
trưng bởi nhóm đầu hoạt động của co-factor (woking head-group), hình vẽ mô tả việc
8


sử dụng một loại enzyme thứ hai, formate dehydrogenase, enzyme này giúp co-factor
trở về dạng khử, giải phóng CO2.

Hình 4.4 Vai trò của NAD(P)H trong phản ứng khử xúc tác dehydrogenase
Phương pháp để tăng hiệu suất phản ứng đó là thêm vào 1 lượng lớn các alcohol phân
tử lượng thấp ví dụ ethanol hoặc isopropanol và cho phép dehydrogenase xúc tác cả hai
phản ứng (Hình 4.5). Dehydrogenase minh họa cho TBAD - enzyme được phân lập từ
vi sinh vật sống gần dòng chảy núi lửa; trong sinh vật, ở điều kiện bắt buộc, enzyme
này có hoạt tính ổn định ở nhiệt độ 800C hoặc cao hơn.

Hình 4.5. Sự tái tạo NADPH nhờ isopropanol
Việc sử dụng các enzyme tinh sạch với các co-factor cần thiết là một trong những hạn
chế chính của việc sử dụng hệ thống toàn bộ tế bào, cần tránh các phản ứng phụ xảy ra
(xem phần 2.3.5). Vì thế các tế bào nấm men chứa enzyme xúc tác quá trình thủy phân,
oxi hóa/khử, và các phản ứng khác. Các enzyme dehydrogenase chỉ xúc tác cho các
quá trình oxi hóa –khử. Hình 4.6 là yeast alcohol dehydrogenase (YAD),
9


Thermoanaerobium brocki alcohol dehydrogenase (TBAD), và horse liver alcohol
dehydrogenase (HLAD) bổ sung lẫn nhau về mặt kích thước được ưu tiên của cơ chất.
Các ketone cao phân tử được xử lý tốt nhất bằng 3α,20β- hydroxysteroid alcohol
dehydrogenase (HSAD).

Hình 4.6. Dãy cơ chất trong bốn enzyme dehydrogenase.

Hình 4.7. Một số chu trình khử ketone
HLAD đã được nghiên cứu chi tiết. Cơ chế sự khử tuân theo quy luật Prelog và một
mô hình vị trí hoạt động của enzyme đã được đề xuất, cho thấy các vùng được ưu tiên
và bị cấm ở các cơ chất tiềm năng. (hình 4.7) Vì thế 2(S)-alkylcyclohexanone, là sản
10


phẩm trans (6) thu được trong khi phức hợp 2(R ) thì trơ. Ngược lại, hỗn hợp racemic
của thiaketone cho 2 diastereoisomeric alcohol bằng sự khử của các đồng phân thông
qua thể cấu tạo phù hợp nhất.

TBAD cho thấy tính chọn lọc tương tự lên cơ chất hơn các ketone đơn giản. Giống như
HLAD, enzyme này có thể biểu thị sự tổng hợp tâm bất đối xứng trong sự khử racemic

ketone, nơi mà các đồng phân đối hình không phù hợp với vị trí hoạt động của các
enzyme. Do đó các ketone (8) sản sinh alcohol có hoạt tính quang học (9) và phục hồi,
các ketone có hoạt tính quang học. Như dự đoán, TBAD không có khả năng khử các
ketones lập thể dày đặc (10). Tuy nhiên, HSAD xúc tác cho sự khử, cung cấp các
alcohol (>95% e.e) [lưu ý cấu hình (S) ở trung tâm bất đối xứng mới được thành lập.
(Sơ đồ 4.12)

11


Sơ đồ 4.12
Tầm quan trọng của việc giải quyết những loại hợp chất bicyclic (9) và (11) là do thực
tế cho thấy rằng chúng có thể được biến đổi bởi những quy trình hóa học truyền thống
gồm nhiều giai đoạn để thành các hợp chất có hoạt tính sinh học và pheromone (ví dụ
như eldanolide), hợp chất tương lai có thể dùng để kiểm soát dịch hại. (Hình 4.8)

12


Hình 4.8
Các loại enzyme khác, như enoate reductases, khử các ester không no α,β, các
aldehyde,.v.v… Những enzyme này đã được tinh sạch, và một vài biến đổi ấn tượng đã
được ghi nhận (Sơ đồ 4.13). Tuy nhiên, sự tái tạo co-factor và sự ổn đinh hoạt tính
enzyme vẫn đang là những vấn đề cần quan tâm, và dạng chuyển hóa sinh học này vẫn
chưa thể sử dụng ở những quy mô lớn với những người chưa có kinh nghiệm.

13


Sơ đồ 4.13

4.5 Sự oxy hóa alcohol thành aldehyde hoặc ketone
Sự oxy hóa alcohol thành aldehyde hoặc ketone Không được sử dụng nhiều như sự oxy
hóa hóa học thông thường do sự oxy hóa thường loại bỏ trung tâm bất đối xứng khỏi
cơ chất và sự tái tạo co-factor NAD(P) + dạng oxy hóa thường rất khó nếu sử dụng tế
bào, do nó chỉ được thực hiện ở một vài loại tế bào chuyên biệt. NAD + là một
coenzyme mang các electron bên trong tế bào. Tuy nhiên, vài ví dụ mà sử dụng chuyển
hóa sinh học có lợi hơn như: polyol D-sorbitol bị oxy hóa thành L-sorbose bởi vi khuẩn
Acetobacter suboxydans thông qua quá trình lên men (hình 4.14), L-sorbose là chất
dùng để sản xuất acid ascorbic (vitamin C). Galactose oxidase oxy hóa xylitol thành
(L)-xylose nhờ HLAD xúc tác (hình 4.15). Quy trình hóa học để sản xuất xylitol
thương mại được phát triển vào năm 1970 tại Phần Lan. Kể từ đó, sản xuất xylitol nhờ
vi sinh vật đã được nghiên cứu như một giải pháp thay thế cho quy trình hóa học.
Nghiên cứu đã cung cấp những thông tin mới về sự cân bằng oxy hóa - khử ở chủng S.
cerevisiae và Candida, việc sử dụng nguồn cơ chất carbon không ưu tiên. Xylitol là
một loại đường hiếm, tồn tại với lượng thấp trong tự nhiên. Xylitol có thể được sản
xuất công nghiệp bằng sự khử hóa học đường D-xylose tinh khiết với hiệu suất 50-60%
(bằng sáng chế Phần Lan No.589.388). Mặc dù hiệu suất khử xylitol bằng vi sinh vật
có thể được tăng lên bằng các phương pháp sản xuất khác nhau (vd: sản xuất fed-batch
lặp lại (Kwon et al 2006;. Granström 2002)) thì sự khử hóa học vẫn chiếm ưu thế hơn ở
quy mô sản xuất công nghiệp. Các phản ứng thủy phân trong quá trình khử bằng vi
sinh vật được xem là một lợi thế. Có thể tinh sạch các loại đường hemicellulose khác
nhau và sử dụng chúng như một nguồn nguyên liệu thô cho các chuyển hóa sinh hóa ở
quy mô công nghiệp. Để sản xuất các loại đường hiếm khác ở quy mô công nghiệp thì
xylitol là nguồn nguyên liệu tương đối rẻ tiền. Mặt khác, xylitol là một polyol đồng
phân quang học bất hoạt nên có thể chuyển từ cấu hình dạng D sang L (ví dụ: D-xylose
sang L-arabinose). L-xylulose và L-ribulose được sản xuất từ xylitol, cũng là những
nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất nhiều phân tử đường nhánh khác, mà có thể
ứng dụng để sản xuất thuốc kháng virus trong tương lai.
14

Sơ đồ 4.14. D-Sorbitol bị oxy hóa thành L-Sorbose bởi lên men nhờ A. suboxydans

Sơ đồ 4.15. Sự chuyển đổi từ Xylitol sang (L)-xylose nhờ enzyme galactose oxidase

15


Hình: Sơ đồ sản xuất đường hiếm từ D-Xylose
Theo sơ đồ trên, xylitol bị oxy hóa thành L-xylulose nhờ xylitol dehydrogenase; tiếp
theo, L-xylulose chuyển thành L-lyxose hoặc L-xylose bởi L-rhamnose isomerase
(Granström et al. 2005). Enzyme L-rhamnose isomerase từ Pseudomonas stutzeri đã
xúc tác chuyển đổi các dạng đồng phân giữa L-rhamnose và L-rhamnulose, L-mannose
và L-fructose, D-allose và D-psicose, D-gulose và D-sorbose, L-talose và L-tagatose,
D-ribosevà D-ribulose (Leang et al. 2004). Tiếp theo, L-xylulose chuyển đổi thành Lribulose nhờ enzyme D-tagatose 3-epimerase (Itoh et al., 1994), cuối cùng, chuyển
thành L-arabinose bởi L-arabinose isomerase (Izumori et al. 1997). Các
pentoketuloses, ví dụ: L-xylulose và L-ribulose, có thể là tiền thân cho một số chuyển
hóa trung gian tạo thành aldopentoses, ketopentoses hoặc pentitols (Granström et
al.2004).
4.6 Oxy hóa ketone thành ester và lactone
Nhiều loại ester được xem là những hợp chất có hương thơm tự nhiên quan trọng, được
dùng làm dung môi, chất trung gian hóa học. Tổng hợp sinh học ester từ Acyl-CoA nhờ
vi sinh vật. Chất thơm họ lactone phổ biến trong các loại thực phẩm và đồ uống, chúng
có thể sản xuất thông qua con đường chuyển hóa các acid béo thông qua quá trình trao
đổi chất của tế bào nấm men. Một số ví dụ: Gamma-butyrolactone (oxolan-2-one) sản
xuất từ các chủng Streptomyces, có mùi bơ, có thể dùng làm chất tạo mùi hoặc dung
dịch tẩy rửa; sản xuất g-decalactone từ Pichia, Aspergillus, Cladosporium,…nhờ
enzyme acyl-CoA-oxidase (Aox)
Sự chuyển đổi một ketone acyclic thành một ester hay một ketone mạch vòng thành
một lactone thông qua phản ứng Baeyer – Villiger và có thể được thực hiện bằng

phương pháp hóa học sử dụng peracid (hình 1,2). Phản ứng Baeyer – Villiger xảy ra
16


khi cho aldehid hay ketone tác dụng với peracid trong môi trường acid, có sự gắn thêm
nguyên tử ôxy vào vị trí giữa nhóm carbonil và nhóm alkil hay aril của aldehid hoặc
ketone, cho sản phẩm là ester.

Hình 1: phản ứng Baeyer-Villiger

Hình 2: phản ứng Baeyer-Villiger xúc tác bởi Mono-oxygenase
Sự so sánh giữa các phương pháp hóa học và sinh học đã được ghi nhận rằng sự oxy
hóa peracid của dẫn xuất cyclobutanone tạo ra hỗn hợp các đồng phân lactone có tính
triền quang. Ngược lại, trong sự oxy hóa của vi khuẩn Acinetobacter calcoaceticus tạo
ra số lượng bằng nhau của hai lactones, mỗi loại có hoạt tính quang học thuần nhất
(>95% e.e.)

.
17


Sử dụng vi khuẩn cho các phản ứng này có thể có nhiều khó khăn, có thể thấy ở sự
chuyển đổi sinh học của lactone. Do đó, enzyme mono-oxygenase tinh sạch có
coenzyme là NADPH được sử dụng. Tuy nhiên, hạn chế của hướng tiếp cận này là sự
cần thiết để tái tạo các coenzyme. Để giải quyết vấn đề này, enzyme dehydrogenase và
enzyme mono-oxygenase được sử dụng, đồng thời cho ra sản phẩm phụ là H 2O giúp
đơn giản quá trình tinh sạch sản phẩm.

4.7 Sự hydroxyl hóa của hợp chất béo và thơm
Sự hydroxyl hóa hợp chất béo bởi vi sinh vật có thể ảnh hưởng đến chức năng của

những phân tử tại những vị trí cách xa các nhóm chức tồn tại từ trước. Nhiều phản ứng
tại các vị trí bất hoạt trong phân tử chất béo và thơm khó thực hiện bằng các phương
pháp hóa học thông thường. Khá nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này liên quan đến
chức năng của các steroid, và các vi sinh vật có khả năng oxy hóa ở hầu hết các vị trí
không hoạt động của phân tử steroid.
Ví dụ: các nhà nghiên cứu đã khám phá ra một phương pháp hydroxyl hóa vi trí 11 của
các vòng tetracyclic.

18


Progesterone là một tiền chất trong hóa tổng hợp cortisone. Cortisone là một steroid
hormone điều chỉnh những trạng thái trao đổi chất khác nhau ở động vật, kể cả ở
người. Thuốc này có tác dụng làm giảm đau có liên quan đến bệnh viêm khớp. Các dẫn
xuất cortisone khác làm dịu các triệu chứng liên quan đến các bệnh dị ứng hoặc viêm.
Nhiều loại steroid hormone điều chỉnh hoạt động giới tính ở người, trong đó một số đã
được sản xuất thành dạng thuốc uống để tránh thu thai. Các đặc tính sinh lý của một
steroid phụ thuộc vào bản chất và vị trí chính xác của các thành phần hóa học nằm trên
cấu trúc vòng của steroid gốc.
Việc sử dụng cortisone là thiết yếu nên việc sản xuất ra nó cũng trở nên cấp bách. Tuy
nhiên việc tổng hợp hóa học chất này lại diễn ra phức tạp, đòi hỏi đến 37 bước, có
nhiều bước xảy ra ở điều kiện cực trị. Điều đó làm cho giá thành của cortisone trở nên
đắt đỏ (200 đô-la/gram).
Sau nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học thì vào năm 1951, hãng Upjohn đã công bố
rằng một loài vi khuẩn có tên Rhizopus arrhizus có khả năng oxy hóa progesteron
thành 11α-hydroxyprogesterone với hiệu suất 80 – 90%. Từ đó, 11α-hydroxylprogesterone có thể được biến thành cortisone một cách dễ dàng do đã giải quyết được
vấn đề phức tạp trong hóa tổng hợp là đưa nguyên tử oxygen vào vị trí 11 trong cấu
trúc steroid 4 vòng. Việc chuyển hóa progesteron thành 11α-hydroxyprogesterone bằng
vi sinh vật cũng rút ngắn quá trình tổng hợp cortisone từ 37 bước xuống còn 11 bước,
và giá thành của nó lúc này chỉ còn 6 đô-la/gram.

Các bước trong một quá trình chuyển hóa steroid điển hình bao gồm lên men vi sinh
vật trong môi trường không chứa steroid. Sau đó bổ sung steroid với nồng độ 0,050,1% và chất hòa tan trung gian vào cuối pha tăng trưởng. Thời gian chuyển hóa từ 648 giờ, tuy nhiên người ta thường kết thúc quá trình chuyển hóa sau 20h bằng cách
tách tế bào và chiết sản phẩm (sản phẩm ngoại bào).
Theo một hướng khác, các phản ứng hydroxyl hóa kế cạnh các đơn vị giàu điện tử
được cho rằng rất có ích. Cho ví dụ, sự hydroxyl hóa benzyl của dẫn xuất tetrahydro –
quinolone cho ra oxamniquine, một loại thuốc trừ giun sán được sử dụng ở châu Phi và
Nam Mỹ để chống lại dòng kí sinh trên người.

19


Bên cạnh đó, vì không có quá trình hóa học tương đương và các cyclohexadienediol
tạo những điểm bắt đầu tốt cho tổng hợp hữu cơ. Sự chuyển hóa benzene thành
cyclohexadienediol được nghiên cứu vào đầu những năm 1970. Một nhóm các nhà
khoa học tại Imperial Chemical Industries (ICI) đã phát triển quá trình đó sau 10 năm,
Pseudomonas được tìm thấy ở đáy bể dự trữ benzene. Sinh vật đã tận dụng benzene
như một nguồn năng lượng để oxy hóa thành diendiol, sự tạo thành catechol và sự oxy
hóa rộng rãi cho ra các mảnh nhỏ. Pseudomonas putida có khả năng oxy hóa các hợp
chất phenol thành các catechol tương ứng.

Ví dụ: sự tạo thành catechol từ phen Catechol tổng hợp được sử dụng trong sản xuất
thuốc trừ sâu, nước hoa và dược phẩm. Catechol được sử dụng như một màu đen và
trắng trong việc phát triển của nhiếp ảnh. Sự thay đổi vai trò của enzyme trong chuyển
hóa diendiol thành catechol cho ra một vi sinh vật sản xuất hợp chất không thơm cần
thiết.

20


4.8 Quá trình oxy hóa của alken và sulfide

Trái ngược với những phát triển trong các lĩnh vực của quá trình oxy hóa arene, một
phương pháp chung cho việc kiểm soát sự epoxy hóa của alken vẫn chưa được tìm
thấy. Đã có báo cáo chỉ ra rằng alkene có thể được chuyển đổi thành epoxit quang hoạt,
nhưng không có gì để cạnh tranh với quá trình oxy hóa Sharpless của alcol allylic sử
dụng chất xúc tác là titan bất đối xứng (sơ đồ 4.27) như một là một phương pháp tổng
hợp chung.

Sơ đồ 4.27
Tuy nhiên, cần phải nói rằng fosfomycin đã được tổng hợp ở dạng quang họat từ alken
tương ứng sử dụng Penicillium spinulosum (sơ đồ 4.28) trong khi hóa học hữu cơ cổ
điển không cung cấp một phương pháp đơn giản cho việc chuẩn bị của các hợp chất.
21


Sơ đồ 4.28
Penicillium spinulosum có thể thông qua phản ứng lên men với :
• Cơ chất là đường, pH = 5,6 ở 28oC
• Nuôi cấy lắc
• cis-Propenylphosphonate (90% tinh khiết) với nồng độ 200 µg/ml được cho trực
tiếp vào môi trường trước khi hấp mà không có hại gì để chuyển cấu trúc không
gian của cis-Propenylphosphonate với cơ chế là phản ứng epoxy hóa trực tiếp
thành (-)-cis-l ,2-epoxypropylphosphonic acid.
 Hiệu suất đạt được là 90% được đo sau 6 ngày.
Cơ chế của phản ứng epoxy hóa sinh học này vẫn chưa được biết đến nhiều, do vậy
nó vẫn không thể cạnh tranh với việc sử dụng epoxy hóa Sharpless hóa học. Mặc dù
phương pháp này , quy trình xử lí thu sản phẩm thường phức tạp và khó khăn. Trong
đó điều kiện phản ứng cũng khắc nghiệt, cần nhiệt độ thấp (dùng đá khô).

Việc chuyển đổi các sulfide thành sulfoxide là một chuyển đổi mà phải mất một hợp
chất không đối xứng với một thực thể bất đối. một lần nữa các quá trình oxy hóa có thể

được thực hiện bằng cách sử dụng toàn bộ hệ thống tế bào hoặc một loại enzyme. Aryl
alkyl sulfide được oxy hoá do Corynebacterium equi để cung cấp (R) – sulfoxide ở độ
tinh khiết quang học từ tốt đến hoàn hảo (sơ đồ 4.29). Sản lượng có thể được thay đổi,
vấn đề là sự oxi hóa quá mức của sulfoxide đến sulfone tương ứng. Vấn đề này được
phá vỡ bằng việc sử dụng một loại enzyme bị cô lập, horseradish peroxidase, nhưng
tiếc là độ tinh khiết quang học của các sản phẩm là thấp hơn.
22


Sơ đồ 4.29
Một nghiên cứu của Hiromichi OHTA, Yasushi OKAMOTO và Gen-ichi
TSUCHIHASHI (1984) đã chỉ ra rằng:
 Ủ alkyl aryl sulfide với các tế bào đang trong giai đoạn phát triển của
Corynebacterium equi IFO 3730 cho ra sản phẩm là những sulfoxides
tương ứng và sulfones.
 Chất nền được sử dụng là alkyl phenyl hoặc là alkyl p-tolyl sulfides với
nguồn carbon là hexadecane (C16H34), ủ ở nhiệt độ là 30oC
 Sự tạo thành các sản phẩm diễn ra ở pha tăng trưởng của tế bào. Người
ta dự đoán rằng ở thời điểm này, hoạt động của enzyme oxi hóa dựa trên
sự giảm của hexadecane sẽ cao hơn bình thường.
 Từ thí nghiệm trên, khi suldife 1a được cho vào ủ cùng với dịch nuôi
Corynebacterium equi thì sulfoxide 2a và sulfone 3a được tạo ra sau 3-5
ngày.

23


Các sulfoxide được hình thành có ích trong tổng hợp hóa hữu cơ, thông qua việc hình
thành và phản ứng của x-carbanion tương ứng (ví dụ như với aldehit), trung tâm bất
đối xứng mới có thể tiếp giáp với đơn vị sulfoxide.

4.9 Kết luận và tổng quan
Xúc tác enzyme hoặc quá trình oxy hóa qua trung gian toàn bộ tế bào và các phản ứng
khử nói chung là không dễ dàng thực hiện hơn, ví dụ, phản ứng thủy phân. Có những
trường hợp ngoại lệ cho quy tắc này, ví dụ như các phản ứng men xeton của nấm men
và một số quy trình đã đạt được ý nghĩa thương mại, ví dụ như các thay đổi của
progesterone, việc chuẩn bị của các trung gian vitamin E và tổng hợp của oxamniquine.
Tuy nhiên, việc thiếu khả năng dự báo của một số chuyển hóa sinh học, như hydroxyl
hóa methine, methylene hoặc nhóm methyl từ xa có sẵn chức năng từ trước, có nghĩa là
phải có một vài năm nghiên cứu nữa trước khi có thể có sự xuất hiện của một phương
pháp chung. Một lựa chọn các tài liệu tham khảo gần đây được tìm thấy trong các thư
mục tham khảo, và danh sách này là gợi ý điểm khởi đầu để thu thập thêm thông tin.
TÌM HIỂU THÊM
Phản Ứng Epoxy Hóa
Epoxit là ete vòng ba cạnh, thường gọi là oxiran. Epoxit là chất trung gian trong tổng
hợp hữu cơ, được dùng để chuyển ankel thành các nhóm chức khác nhau. Alken được
chuyển thành epoxit bằng peoxiaxit (peaxit).

Epoxi hóa anken rõ ràng là phản ứng oxi hóa vì số nguyên tử oxi được cộng vào nối
đôi. Peaxit là tác nhân oxi hóa chọn lọc cao. Một số peaxit thường gặp như là axit
24


peefomic HCOOH, axit peaxetic CH3COOOH, axit pebenzoic C6H5COOOH. Peaxit
epoxy hóa anken là quá trình một giai đoạn, trong đó đồng thời một vài liên kết bị đứt
ra và hình thành một vài liên kết khác, không có sự tham gia của ion trung gian kiểu
cation hidroxyl OH+

Hiện nay, người ta thường dùng axit m-clopebenzoic để epoxi hóa. Axit này bền khi
bảo quản trong thời gian dài (đến 1 năm) và hoàn toàn không nguy hiểm khi sử dụng
và hiệu suất oxiran tương đối cao.

Ngoài epoy hóa ankel dùng tác nhân peraxit. Tuy nhiên để epoxy hóa allyl ancol thì
người ta hay sử dụng phản ứng epoxy hóa bất đối xứng Sharpless.
Phản ứng epoxy hóa Sharpless là phản ứng hữu cơ được dùng để chuyển đổi allyl ancol
đến expoxy ancol sử dụng xúc tác Titanium(IV) isopropoxide, tert–butyl hydroperoxit
(TBHP) và đietyl tactrat (DET) hoặc Điisopropyl tactrat (DIPT).

25