1,5-二氨基戊烷

1,5-二氨基戊烷的制备方法主要分为两大类,化学法和生物法,化学法主要以戊二腈为原料;生物法包括生物转化法和发酵法,生物转化法是以赖氨酸为底物溶液,加入赖氨酸脱羧酶或全细胞进行催化,微生物发酵是指宿主利用葡萄糖等碳源从头合成1,5-二氨基戊烷.
化学法
化学法合成1,5-二氨基戊烷一般以戊二腈为原料.李崇等研究了在高压反应釜中,以无水乙醇为溶剂,非晶态镍为催化剂,戊二腈催化加氢制得1,5-二氨基戊烷.通过优化催化剂和助催化剂用量,温度,压力等参数,最后戊二腈的转化率达到100.0%,但戊二胺的选择性只有66.8%.此外,通过氨基酸的脱羧反应可以获得许多重要的氨基化合物.以2-环己烯-1-酮为催化剂,赖氨酸为原料脱羧制备1,5-二氨基戊烷,转化率达到87.8%.化学法合成1,5-二氨基戊烷的过程复杂,目前还未实现大规模的工业化生产.
酶催化合成1,5-二氨基戊烷
生物法合成1,5-二氨基戊烷是一种具有潜在竞争力的环保,资源可持续利用的方法,其中酶的生物催化已成为获得目标产物的重要途径之一.酶催化具有选择性,特异性,反应条件温和和过程简单等优点.但是,酶的稳定性和活性往往受到环境条件的影响,亦可被产物或底物所抑制.此外,大多数蛋白质都是水溶性的,反应之后无法回收这种昂贵的催化剂.因此,研究学者开发多种有效的方法,如固定化,定点突变和DNA改组定向进化来提升酶的性能,增加其应用范围.赖氨酸脱羧酶(Lysine decarboxylase,LDC)是1,5-二氨基戊烷胺生产过程中的关键酶,广泛存在于大肠杆菌(Escherichia coli),蜂房哈夫尼菌(Hafnia alvei),产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxyt℃a)等多种微生物体内.
全细胞催化合成1,5-二氨基戊烷
利用过表达赖氨酸脱羧酶的全细胞作为催化剂从赖氨酸溶液中生产1,5-二氨基戊烷是另一种绿色环保的方法,与具有复杂代谢途径的工程菌株发酵不同,全细胞催化过程简单,副产物少.-3概述了与全细胞催化合成1,5-二氨基戊烷相关的四个主要方向,一是使用代谢产物COz或外源酸来维持发酵液中pH的稳定,二是添加表面活性剂以增加膜渗透性从而有利于底物和产物的输入和输出,三是选择合适的载体固定全细胞实现连续的生物催化,四是外源添加或内源合成辅酶PLP以改善赖氨酸脱羧酶的催化活性.
微生物从头合成1,5-二氨基戊烷
生物法合成1,5-二氨基戊烷包括微生物发酵或生物转化,其中生物发酵作为最有前途的策略涉及到工程改造微生物如谷氨酸棒状杆菌(C.glutamicum)和大肠杆菌(E.coli)(-5,表1-2),谷氨酸棒状杆菌现已被用于工业化规模生产赖氨酸,而赖氨酸是合成1,5-二氨基戊烷的直接前体,因此,谷氨酸棒状杆菌有望成为1,5-二氨基戊烷发酵生产的宿主菌株.尽管野生型谷氨酸棒状杆菌不能合成1,5-二氨基戊烷,但是采用不同的基因工程策略所获得的工程菌株可以利用多种碳源发酵生产1,5-二氨基戊烷,如-5所示,微生物体摄入不同底物后经糖酵解途径进入三羧酸循环,代谢物草酰乙酸经转氨酶作用生成天冬氨酸后再经多步酶催化反应生成赖氨酸﹐其中绿色标记的基因是谷氨酸棒状杆菌体内所特有的.
此外,具有清晰遗传背景的大肠杆菌,也具有利用多种底物生产1,5-二氨基戊烷的能力,最重要的是合成1,5-二氨基戊烷的关键酶赖氨酸脱羧酶能够在E.coli中天然表达,如-5所示,红色标记为1,5-二氨基戊烷合成途径中的关键酶,黄色标记为1,5-二氨基戊烷分解途径的基因和产物,是大肠杆菌体内所特有的.

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