莱比锡研究人员开发出高效的萜烯化学合成工艺

由莱比锡大学有机化学研究所 Tanja Gulder 教授领导的科学家团队与雷根斯堡大学的同事一起，开发了一种人工生产萜烯的简单有效方法。萜烯是一类非常广泛和多样化的天然产物，它们在自然界中发挥着广泛的功能，也被用于工业。到目前为止，生产它们需要各种各样的起始场景，有些条件恶劣，或者一直基于从自然界中提取的物质。另一方面，新方法遵循灵活且节省资源的模块化原则。这允许从简单易得的起始材料中有针对性地生产这些重要的天然物质。去做这个，该团队使用氟化酒精/催化剂溶液复制了自然发生的酶促过程。该方法可广泛应用于现有实验室。研究成果现已发表在自然通讯。

自然界中的萜类化合物种类繁多

萜烯赋予松针香气，赋予啤酒和橙汁味道。它们在昆虫等生物以及我们人类如何进行交流以及防御机制方面发挥着关键作用，例如在植物中对抗动物捕食者、真菌和细菌。在人类生物学中，萜烯在代谢过程中也起着重要作用。

萜烯长期以来一直在工业上大规模使用：用于食品和食品补充剂的生产、香水和药物，例如抗癌药物和 COVID-19 药物。“我们每年需要相当多吨的各种萜烯，这意味着我们还必须能够以高效和可持续的方式合成生产它们——这是一个大问题，”Tanja Gulder 教授说，他是拥有莱比锡大学仿生催化教授职位。

在自然界中，酶通过靶向折叠形成萜烯

“大自然有一种独特的方式来制造这些分子化合物中的每一种，”古尔德说。“这涉及使用所谓的萜烯环化酶，即含有 100 到 1,000 个氨基酸的蛋白质。这些酶将简单且可移动的碳链压成特定的三维形式，从而决定产品的外观，”Gulder 补充道。一旦反应发生，相应萜烯的形状就保持不变。反应发生在酶活性中心的所谓酶袋中，该酶袋带有要产生的形式的蓝图。反应完成后，酶会释放成品，并用下一个构建块重复该过程。“它可以被认为是一台快速移动的分子制造机器，”古尔德说。

原子细节很重要

有些萜烯在原子化合物的类型和数量方面相似——但它们的空间排列不同。“在一个简单的例子中，这种原子差异决定了某种东西尝起来像香菜还是橙子，”古尔德说。然而，这种差异也可能意味着一种萜烯在人体中的作用与另一种完全不同。这里的错误可能会导致致命的后果。“根据碳链放入酶袋的方式，会产生不同的萜烯，这也是自然界复杂性的一部分，”古尔德解释道。

到目前为止提取困难

研究人员指出，以前在实验室中重建萜烯的方法需要非常不同和苛刻的初始条件，例如高酸性环境或低温，并补充说这对于大规模生产既无效也不环保。从植物、动物和真菌等生物体中提取萜烯也已达到极限。“你不能砍掉所有的太平洋紫杉来分离紫杉醇作为抗癌药物。这种分布不是很广泛的树种的 12 个成熟标本的树皮才能制造出一克活性成分，”Gulder 说。目前，所需萜烯的前体是从另一种树种的针叶中提取的，然后进行进一步加工。

“所以我们想看看我们如何在试管中复制自然过程并实现最大可能的灵活性和效率。”

解决方案：含氟酒精的液体施工套件

该团队成功地为萜烯的形成构建了一个定制的、类似酶的环境，由现成的化学物质组成。这可以像建筑工具一样工作：通过添加不同的起始材料和充当催化剂的添加剂，可以人工生产不同的萜烯。

新方法的核心是氟化醇的特性：“我们发现，当醇中的氢原子被氟原子取代时，生成的氟化醇会表现出极大的结合力。在这样的解决方案中，分子形成螺旋或环，这些螺旋或环堆叠形成管，”Gulder 教授解释道。通过添加化学品，可以影响这些结构的大小和形状。

“基本上，我们已经构建了一个结构化溶液形式的人工酶袋，我们各自的起始材料可以折叠到其中。就像在自然界中一样，形式在反应后仍然存在。”

计算机模拟也被用来开发这种新方法。Tanja Gulder 教授解释说：“我们的同事 Philipp Dullinger 和雷根斯堡大学的 Dominik Horinek 教授计算了每种情况下使用的添加剂会形成哪些三维结构、哪些形状、醇类。这对于确定能够引导我们获得所需萜烯的合适催化剂非常重要。”

可在标准化学实验室中实现

该方法不需要任何额外的基础设施，可以在化学实验室中应用，无需额外费用，并且可以很容易地放大以应用于大规模生产。更重要的是，该过程不需要重金属或贵金属。“这使得它比以前的方法具有更广泛的适用性和可持续性，”曾任慕尼黑工业大学海森堡教授的 Gulder 解释说。“这是莱比锡大学和刚刚在莱比锡地区获得批准的 CTC 主要研究中心专注于多功能催化的前瞻性研究的一个例子。” 它的重点将放在工业环境中的可持续催化上。

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