《有機合成》課程論文

ShaanxiUniversityofTechnology《有機合成》課程

論文題目:青蒿素的人工合成研究進展班級：化學級班姓名： 學號： 青蒿素的人工合成研究進展* ; （陜西理工學院化學與環(huán)境科學學院，陜西漢中723000）［摘要］青蒿素是目前治療瘧疾的特效藥。本文對自青蒿素發(fā)現(xiàn)以來的最新研究進展進行了比較詳盡的綜述。內(nèi)容包括：青蒿素的發(fā)現(xiàn)及歷史、青蒿素的來源、青蒿素的化學合成、青蒿素的生物合成以及植物組織培養(yǎng)生產(chǎn)青蒿素。［關(guān)鍵詞］青蒿素；化學合成；生物合成；研究展望AdvancesinAyntheticofArtemisininResearch—； *(SchoolofChemistryEnvironmentalSciences,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,shaanxi

723000)[Abstract]Therecentresearchadvancesinartemisinin,themosteffectiveweaponsagainstmalarialparasiteshavebeenreviewed.Anoverviewisgivenonartemisininresearchfromthefollowingaspects:thehistoryofartemisininindevelopment,sourcesofartemisinin,totalsynthesisofartemisinin,biosynthesisofartemisinin,andfromplanttissuecultures.[KeyWords] artemisinin；chemicalsynthesis；biologicalsynthesis；researchprospect引言青蒿(ArtemisiaannuaL.)是一種傳統(tǒng)中藥，在長沙馬王堆漢墓中就有青蒿作為藥物的文字記載。20世紀70年代在我國數(shù)百名科學工作者的協(xié)作中，從青蒿中提取了它的抗瘧有效成分一一青蒿素(Artemisinin)，它是抗瘧疾藥物的有效單體，是含有過氧基團的新型倍半萜內(nèi)酯化合物，分子式為c15h22o5[1](其結(jié)構(gòu)式見圖1)。圖1青蒿素的結(jié)構(gòu)式瘧疾是全球最嚴重的傳染疾病之一，從20世紀60年代初發(fā)生的抗藥性瘧疾已擴散至全球,致使原有的抗瘧疾藥失去效用。而當此之時，我國所研制的青蒿素類抗瘧疾藥物以其高效、安全、對抗藥性瘧疾有特效而風靡全球。青蒿素是一種與過去所有抗瘧疾藥物作用方式完全不同的新結(jié)構(gòu)類型藥物，是所有抗瘧疾藥物中起效最快、療效最好、毒性最低的化合物，特別是對腦型瘧疾和抗氯喹惡性瘧疾的療效更為突出。由于青蒿素能夠解決抗氯喹惡性瘧疾的難題，所以青蒿素一被發(fā)現(xiàn)即得到國內(nèi)外有關(guān)方面的高度重視，世界衛(wèi)生組織推薦青蒿素為“目前世界上最有效的瘧疾治療藥物”。1995年蒿甲醚被WTO列入國際藥典，這是我國第一個被國際公認的獨創(chuàng)新藥。青蒿素的化學結(jié)構(gòu)十分獨特，自上市至今近40年來，尚未發(fā)生抗藥性的病例。20世紀80年代后，各國科學家加強了對青蒿與青蒿素的研究，現(xiàn)已探明除治療瘧疾外，青蒿素及其衍生物在抗腫瘤、抗心血管疾病、鎮(zhèn)痛、免疫、抗血吸蟲、抗病原蟲等方面具有顯著療效。由于青蒿素是抗惡性瘧疾的特效藥，目前的售價為225美元/g。近年的統(tǒng)計資料表明世界上每年都有2億?3億人感染瘧疾，并有200萬?300萬人因它而死亡，，尤其是非洲的發(fā)病率極高，對青蒿素的需求量較大,世界每年的需求量為150噸，而產(chǎn)量僅有15噸左右，形成明顯的供不應求局面，因而開展青蒿素的開發(fā)研究具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。1青蒿素的來源1.1直接從青蒿中提取目前青蒿素的獲得主要靠從青蒿中直接提取。青蒿雖在世界各地均有分布，但青蒿素的含量隨產(chǎn)地的不同差別很大。除我國少數(shù)地區(qū)外，絕大多數(shù)地區(qū)生長的青蒿中青蒿素的含量都很彳收M1%。）⑵。在我國，青蒿中青蒿素的含量從南到北基本呈遞減趨勢。桂、黔、川青蒿資源豐富，青蒿素含量也較高，四川酉陽地區(qū)黃花蒿的青蒿素含量平均為0.8853%⑶。越南、印度等國家也有少量青蒿資源。青蒿中青蒿素含量偏低，提取成本高，導致青蒿素價格居高不下，難以滿足市場需要。1.2青蒿素的化學合成化學合成青蒿素這一復雜的天然分子是有機化學家所面臨的挑戰(zhàn)。中國科學院上海有機化學研究所周維善院士科研小組對青蒿素及其一類物的結(jié)構(gòu)和合成進行了大量的工作，并于1983年完成了青蒿素的化學全合成，這為對青蒿素的進一步研究做出了開創(chuàng)性的貢獻，也是我國及人工合成牛胰島素后在有機合成化學領(lǐng)域的又一次新的里程碑［4-1。］。周維善研究小組采取在過氧縮酮（醛）、內(nèi)酯處同時切斷，得到其成環(huán)前體化合物，它可由烯醇醚在C6上的光氧化形成過氧結(jié)構(gòu)和醛官能團。1，5-二酮可從薄荷酮衍生物的a-位不對稱烷基化得到，而其本身可從含有一個手性中心的單萜化合物（R）-香茅醛經(jīng)烯化反應和官能團轉(zhuǎn)化獲得，逆合成分析如圖2所示。從具體的合成過程來看，該小組采取了直線型合成方法（如圖3所示），共有二十個合成步驟。1986年,Xu等［11］也報道了青蒿素的化學全合成途徑，其合成以R（+）-香草醛為原料，經(jīng)十幾步合成青蒿素（如圖4所示）。關(guān)于對青蒿素的化學全合成研究雖已取得一些明顯的進展，但由于合成難度大，生產(chǎn)成本高，所以對青蒿素的化學合成至今仍未顯示出商業(yè)的可行性。1.3青蒿素的生物合成了解青蒿中青蒿素的生物合成途徑與該藥的生產(chǎn)密切相關(guān)。包括:（1）通過添加生物合成的前體來增加青蒿素的含量；（2）通過對控制青蒿素合成的關(guān)鍵酶進行調(diào)控，或者對關(guān)鍵酶控制的基因進行激活來大幅度增加青蒿素的含量；（3）利用基因工程手段來改變關(guān)鍵基因以增強它們所控制酶的效率。由于萜類化合物的生物合成途徑非常復雜，因而對于青蒿素這一類低含量的復雜分子的生物合成研究就更具復雜性。對于倍半萜內(nèi)酯的合成，其限速步驟主要有兩個：一是環(huán)化和折疊成倍半萜母核的過程，另一個是為形成含過氧橋的倍半萜內(nèi)酯過程。Akhila等［13］通過放射性元素示蹤法對青

蒿素的生物合成途徑進行了研究，認為青蒿素的生物合成方法是從法尼基焦磷酸出發(fā)，經(jīng)牦牛兒間架、雙氫木香交酯、杜松烯內(nèi)酯和青蒿素B,最終合成青蒿素(如圖5所示)。國內(nèi)也進行青蒿素生物合成的研究，探索了由［2-14C］-MVA為前體生物合成青蒿酸Ml,以及由青蒿酸為前體生物合成青蒿素及青蒿素B的過程［15］。uCHH三3Odis烯化反應HO2(R)香茅醛HO2CuCHH三3Odis烯化反應HO2(R)香茅醛HO2C圖2周維善小組青蒿素逆合成分析O圖4Xu的青蒿素化學合成途徑圖5青蒿素生物合成途徑1.3.1植物組織培養(yǎng)法利用植物組織培養(yǎng)來生產(chǎn)青蒿素是目前青蒿素研究的另一熱點，可能成為大規(guī)模生產(chǎn)青蒿素的重要手段。自80年代以來，植物組織培養(yǎng)生產(chǎn)青蒿素的研究工作已進行不少，已經(jīng)在青蒿愈傷組織、懸浮細胞、芽和毛狀根等培養(yǎng)體系中進行了青蒿素合成的探索。賀錫純等［16］對青蒿的愈傷組織、帶芽的愈傷組織和由愈傷組織分化產(chǎn)生的小植株中青蒿素的合成進行分析，認為青蒿愈傷組織中不含青蒿素，在愈傷組織伴隨芽分化形成時，檢測到青蒿素的含量約為干重的0.008%，而在分化苗長成的植株中，青蒿素的含量達到干重的0.92%，高于野生植株。1994年，秦明波等［17］用發(fā)根農(nóng)桿菌1601成功轉(zhuǎn)化青蒿幼莖獲得毛狀根培養(yǎng)物，提供了以發(fā)根農(nóng)桿菌作為基因載體進行青蒿的遺傳改造的可行性。蔡國琴等［18］利用發(fā)根農(nóng)桿菌1601感染青蒿葉片建立了毛狀根培養(yǎng)系，并在培養(yǎng)物中檢測到青蒿素，在添加赤霉素的條件下青蒿素的含量約為干重的0.2%。目前，青蒿組織培養(yǎng)的研究工作主要集中在利用生物技術(shù)的手段來進行組織培養(yǎng)物的改進和高青蒿素含量培養(yǎng)系的篩選和建立，對于利用生物反應器培養(yǎng)青蒿組織來生產(chǎn)青蒿素的研究工作尚處于起步階段。中國科學院植物所在國家“九五”科技重點攻關(guān)項目的資助下，對青蒿毛狀根生長和青蒿素合成的調(diào)控進行了研究，并利用合適的小型生物反應器進行了毛狀根的大量培養(yǎng)，獲得了滿意的結(jié)果，為進一步利用生物反應器進行青蒿組織大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)青蒿素的研究工作奠定基礎(chǔ)。青蒿植物組織培養(yǎng)生產(chǎn)青蒿素的一系列研究表明，在未分化的青蒿組織培養(yǎng)物(愈傷組織和懸浮細胞)中，青蒿素的含量極低，且青蒿素合成不穩(wěn)定；而在分化的器官(芽、毛狀根和再生幼苗)中,青蒿素的含量明顯提高，并且具有較穩(wěn)定的合成能力，尤其是轉(zhuǎn)基因青蒿毛狀根培養(yǎng)物為青蒿素的大規(guī)模生產(chǎn)提供了潛在的應用前景。1.3.2轉(zhuǎn)基因克隆法轉(zhuǎn)基因植物。通常是用農(nóng)桿菌攜帶外源基因感染健壯黃花蒿植株，把外源基因插入到目標DNA的特定部位，最后對獲得外源基因的植株進行繼代培養(yǎng)，以得到性狀穩(wěn)定的高產(chǎn)黃花蒿品系。組合生物合成。組合生物合成是指將不同生物體來源的基因組合在微生物體內(nèi)生產(chǎn)生物活性物質(zhì)的方法，該方法具有里程碑式的意義。2006年由Ro等完成的,通過代謝工程獲得了153mg/L的紫穗槐-4，11二烯和115mg/L的青蒿酸。2青蒿素研究展望綜觀國內(nèi)外對青蒿素化學合成和測定方法的研究，我們不難發(fā)現(xiàn)，青蒿素因其獨特的結(jié)構(gòu)及藥理作用的高效低毒而備受關(guān)注。青蒿素不僅是一種非常有前途的抗瘧疾藥，而且在其他疾病的治療中，也潛在著誘人的前景。青蒿素新用途的研究正在激烈的競爭中，人們特別希望青蒿素及其衍生物能在治療艾滋病和相關(guān)疾病方面取得進展。在今后的幾年里，青蒿素的研究應在以下幾個方向進行深入研究：(1)野生青蒿資源的勘察，高產(chǎn)系的篩選；(2)具有高效抗瘧活性的青蒿素衍生物開發(fā)；(3)青蒿素生物合成途徑及關(guān)鍵酶的深入了解的基礎(chǔ)上進行青蒿素合成的代謝調(diào)控；(4)青蒿素合成關(guān)鍵酶基因的克隆,以及在合適的青蒿組織培養(yǎng)體系和微生物中高效表達；(5)開發(fā)合適的青蒿組織培養(yǎng)生物反應器系統(tǒng)，進行過程的優(yōu)化控制和放大，實現(xiàn)青蒿素大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。同時，進一步改進青蒿素的化學合成方法，優(yōu)化合成途徑，以實現(xiàn)對青蒿素類抗瘧疾藥物的進一步大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，保證青蒿素類抗瘧疾藥物的足量供應也是很有必要的。參考文獻青蒿素結(jié)構(gòu)協(xié)作組.科學通報，1977，(3):142.鐘國躍，凌云.黃花蒿優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源的研究[J].中草藥，1998,29，(4):264-267.鐘鳳林，陳和榮.青蒿最佳采收時期采收部位和干燥方式的實驗研究[J].中國中藥雜志，1997,22(7):405-406.許杏祥，朱杰，黃大中,周維善.化學學報,1983,(41):574—575.許杏祥，朱杰，張聯(lián)，周維善.化學學報,1989,(47):771—774.張聯(lián),周維善.化學學報,1989,(47):1117—1119.許杏祥，吳照華，沈季明,陳朝環(huán)，吳毓林,周維善.化學學報，1984,(42):333—339.周維善，黃大中,平學凡，張聯(lián)，朱杰，許杏祥.化學學報,1989,(47):710—715.朱杰，許杏祥,周維善.化學學報,1987,(45):150—153.周維善，徐世杰，張聯(lián).化學學報,1989,(47):340—344.靜一，羅安才.安徽農(nóng)業(yè)科學,2010,38(4)：1098.劉春朝，王玉春,歐陽藩，葉和春,李國風.化學進展,1999.2,11(1):43