Uracilis een belangrijk pyrimidinederivaat met een breed scala aan biologische, medische en industriële toepassingen. Er is een aanzienlijk aantal onderzoeksresultaten over de synthese van Uracil, waaronder chemische synthese, microbiële synthese en enzymgekatalyseerde synthese. Dit artikel zal de verschillende synthetische methoden van Uracil in detail introduceren.
1. Chemische synthese:
Chemische synthese is een van de vroegste en meest representatieve synthetische methoden van Uracil. Bij chemische synthese wordt Uracil verkregen door de condensatiereactie van 5-chlooruracil en acetylaceton, met daaropvolgende transformaties door verschillende reacties. Hieronder staan verschillende klassieke chemische syntheseroutes vermeld:
1.1 Neem 5-chlooruracil als de synthetische route van uitgangsmateriaal:
De klassieke synthetische route met 5-chlooruracil als uitgangsmateriaal is ontstaan uit het onderzoek van twee wetenschappers, Cory en Shepherdson. Ze synthetiseerden Uracil door 5-chlooruracil te laten reageren met pyridon of -ketoester. Later werd deze synthetische route verbeterd en geoptimaliseerd door vele onderzoekers, waarvan de bekendste het onderzoek van Khorana en Dorfman et al.
In de jaren vijftig synthetiseerde het Khorana-team Uracil met 5-chlooruracil en acetylaceton als uitgangsmaterialen door middel van een reactie in vier stappen. Onder hen is de condensatiereactie van 5-chlooruracil en acetylaceton de belangrijkste stap om de voorloper 5-chloor-2-formyl-4-carboxypyrimidine (CMCP) van Uracil te verkrijgen, gevolgd door reductie , zuurgekatalyseerde ringsplitsing en dehydratie Uracil werd uiteindelijk gesynthetiseerd door middel van meerstapsomzetting in de reactie.
Dorfman et al. verbeterde de chemische synthese van 5-chlooruracil, gebruikmakend van natriummethyltrifluormethaansulfonaat (MeOTf) als katalysator, en verkreeg CMCP in de condensatiereactie, en door een combinatie van condensatie, decarboxylering en andere reacties werd uiteindelijk Uracil geproduceerd. Enkele verbeteringen van deze route omvatten vervolgens de condensatiereactie van pyridine met 2-oxourea en het gebruik van 1,3-dioxepaan als tussenproduct, enz.
1.2 Aminoketon nemen als de synthetische route van uitgangsmateriaal:
Naast de synthetische route waarbij 5-chlooruracil als uitgangsmateriaal wordt gebruikt, is er ook een meer beknopte methode waarbij aminoketon als uitgangsmateriaal wordt gebruikt. Bij deze synthetische route wordt urease (Urease) gebruikt als aandrijfmiddel om urinezuur te hydrolyseren tot diaminoazijnzuur en vervolgens aminoketon te verkrijgen onder alkalische omstandigheden. Daaropvolgende oxidatie van het aminoketon tot de acyloxygroep onder de katalyse van waterstofjodide geeft Uracil. De methode heeft een hoge atoomeconomie en milieuvriendelijkheid, en is een synthesemethode in lijn met groene chemie.
2. Microbiële synthese:
Microbiële synthese verwijst naar de synthese van Uracil via microbiële metabole routes. In de natuur is Uracil een metaboliet die wordt geproduceerd door eukaryoten en bacteriën door het metabolisme van deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA).
Bij microbiële synthese wordt urinezuur meestal als uitgangsmateriaal gebruikt en wordt Uracil uiteindelijk gesynthetiseerd door middel van een meerstapsmetabolisme. Voorbeelden zijn als volgt:
Bij deze route wordt urinezuur ontleed in ureum en pyruvaat door de katalyse van ureidase; vervolgens wordt pyruvaat omgezet in uracil met de deelname van verschillende enzymen zoals carboxylase en carboxylatie-decarbonylase, en de daaropvolgende reactie van Uracil wordt verkregen via de pantotheenzuuramideroute. Het enzymatische mechanisme van de meeste micro-organismen om Uracil te synthetiseren is nauw verwant aan de metabole route van pantotheenzuuramide.
Daarnaast zijn er rapporten over de constructie van technische bacteriën om Uracil te synthetiseren door middel van genetische manipulatie, zoals het gebruik van hydroxybutyraat-3-carboxylaathydroxylase (HPCDH) dat glycolzuur vormt in Escherichia coli (E.coli) en dissociatie tot 9 Met de deelname van enzymen zoals pyrodruivenzuurdecarboxylase (PDH-E2) van lipoylco-enzym A, werd de biosynthese van Uracil in technische bacteriën voor het eerst gerealiseerd met behulp van barnsteenzuur en aminoverbindingen als grondstoffen.
3. Enzym-gekatalyseerde synthese:
Enzym-gekatalyseerde synthesemethode maakt gebruik van enzym-gekatalyseerde reactie om Uracil te synthetiseren, wat de voordelen heeft van milieuvriendelijkheid en milde reactieomstandigheden. Er zijn verschillende enzymen gevonden die de synthese van Uracil katalyseren, waaronder voornamelijk: Uracil-enzym, urease en urease. Hier zijn twee voorbeelden:
3.1 Uracil-enzym-gekatalyseerde synthese:
Uracil-enzym kan de reactie van uracil en andere verbindingen katalyseren door middel van racemisatie-isomerisatie om Uracil te verkrijgen. Onder hen is uracil een verbinding die op grote schaal voorkomt in biologische systemen en het vooruitzicht heeft om op grote schaal te worden gebruikt. Zowel Saccharomyces cerevisiae als Escherichia coli bevatten het Uracil-enzym, dat een brede toepassingsruimte heeft. Door de reactiesubstraten te variëren, bijvoorbeeld door gebruik te maken van verschillende substraten zoals lactaatthreonine en uracil, kan zowel de efficiëntie als de productverdeling worden gevarieerd.
3.2 Synthese gekatalyseerd door urease:
De enzymgekatalyseerde synthesemethode van Uracil omvat ook de gekatalyseerde reactie van urease. Urease is een enzym dat de omzetting van ureum in ureum en ammoniak kan katalyseren, waarbij ureum verder kan reageren om Uracil te produceren. Door verschillende ureumsubstraten te selecteren, zoals ureum en fenylureum, en de katalytische omstandigheden van de reactie te veranderen, kan de synthese van Uracil op laboratoriumschaal worden gerealiseerd.
Samenvattend kan Uracil op verschillende manieren worden gesynthetiseerd, waaronder klassieke chemische synthese, microbiële synthese en enzymgekatalyseerde synthese. Deze synthetische methoden hebben brede toepassingsmogelijkheden op verschillende gebieden en bieden ook meerdere opties voor grootschalige productie van Uracil.
Chemische eigenschappen:
1. Keto-alcoholtautomerie: In waterige oplossing worden uracil en zijn tautomeer, waterstofuracil, in elkaar omgezet door de invloed van één protonenverschil.
2. N-glycosylering: Uracil kan methyl-geglycosyleerd worden om 5-methyluracil te produceren.
3. Alkylering: Onder alkalische omstandigheden kan uracil worden gealkyleerd, meestal met behulp van het methyleringsmiddel methylmethylcarbonaat.
4. Carboxymethylering: De carboxylgroep kan worden gecombineerd met uracil door middel van carboxymethylering.
Reactief karakter:
1. Alkalische hydrolysereactie: Onder alkalische omstandigheden kan uracil worden gehydrolyseerd tot uracilzuur, wat een manier is om DNA af te breken.
2. Oxidatiereactie: Uracil kan worden geoxideerd en omgezet in 5-hydroxyuracil, een veelvoorkomend product dat wordt gevormd tijdens DNA-beschadiging.
3. Deamineringsreactie: Uracil kan trihydrouracil produceren door deamineringsreactie.
4. Amineringsreactie: Uracil kan worden omgezet in een tussenproduct voor de synthese van acetaminobenzeensulfonzuur (ATPS) door ammoniak.
Uracil is een belangrijk organisch molecuul dat betrokken is bij verschillende reacties in het celmetabolisme. Het heeft een verscheidenheid aan reactieve eigenschappen, waaronder ketoltautomerisatie, N-glycosylering, alkylering, carboxymethylering, enz. Bovendien is uracil ook betrokken bij enkele belangrijke reacties, zoals alkalische hydrolyse, oxidatie, deaminering, ammoniakvorming, enz. Deze reacties zorgen voor een schat aan onderzoeks- en toepassingswaarde. Chemische medicijnen kunnen bijvoorbeeld worden gesynthetiseerd door middel van carboxymethylering en de alkalische hydrolyse van uracil is een sleutelroute voor DNA-afbraak. Deze onderzoeken geven ons een diepgaand inzicht in de rol en het belang van Uracil. belangrijke hulp.