Uracillà một dẫn xuất pyrimidine quan trọng với nhiều ứng dụng sinh học, y tế và công nghiệp. Đã có một số lượng đáng kể các kết quả nghiên cứu về tổng hợp Uracil, bao gồm tổng hợp hóa học, tổng hợp vi sinh vật và tổng hợp có xúc tác enzym. Bài viết này sẽ giới thiệu chi tiết các phương pháp tổng hợp khác nhau của Uracil.
1. Tổng hợp hóa học:
Tổng hợp hóa học là một trong những phương pháp tổng hợp sớm nhất và tiêu biểu nhất của Uracil. Trong quá trình tổng hợp hóa học, Uracil thu được thông qua phản ứng ngưng tụ của 5-chlorouracil và acetylacetone, với các biến đổi tiếp theo thông qua các phản ứng khác nhau. Một số con đường tổng hợp hóa học cổ điển được liệt kê dưới đây:
1.1 Lấy 5-chlorouracil làm nguyên liệu ban đầu tổng hợp:
Lộ trình tổng hợp cổ điển sử dụng 5-chlorouracil làm nguyên liệu ban đầu bắt đầu từ nghiên cứu của hai nhà khoa học, Cory và Shepherdson. Họ đã tổng hợp Uracil bằng phản ứng 5-chlorouracil với pyridone hoặc -ketoester. Sau đó, con đường tổng hợp này đã được nhiều nhà nghiên cứu cải tiến và tối ưu hóa, trong đó nổi tiếng nhất phải kể đến nghiên cứu của Khorana và Dorfman et al.
Vào những năm 1950, nhóm Khorana đã tổng hợp Uracil bằng cách sử dụng 5-chlorouracil và acetylacetone làm nguyên liệu ban đầu thông qua phản ứng bốn bước. Trong số đó, phản ứng ngưng tụ của 5-chlorouracil và acetylacetone là bước cốt lõi để thu được tiền chất 5-chloro-2-formyl-4-carboxypyrimidine (CMCP) của Uracil, sau đó là quá trình khử , phân cắt vòng được xúc tác bằng axit và khử nước Uracil cuối cùng đã được tổng hợp thông qua chuyển đổi nhiều bước trong phản ứng.
Dorfman và cộng sự. đã cải thiện quá trình tổng hợp hóa học của 5-chlorouracil, sử dụng natri methyltrifluoromethanesulfonate (MeOTf) làm chất xúc tác và thu được CMCP trong phản ứng ngưng tụ, và thông qua sự kết hợp của quá trình ngưng tụ, khử carboxyl và các phản ứng khác, Uracil cuối cùng đã được tạo ra. Sau đó, một số cải tiến của lộ trình này bao gồm phản ứng ngưng tụ của pyridine với 2-oxourea và việc sử dụng 1,3-dioxepane làm chất trung gian, v.v.
1.2 Lấy aminoketone làm con đường tổng hợp nguyên liệu ban đầu:
Ngoài con đường tổng hợp sử dụng 5-chlorouracil làm nguyên liệu ban đầu, còn có một phương pháp ngắn gọn hơn sử dụng aminoketone làm nguyên liệu ban đầu. Trong con đường tổng hợp này, urease (Urease) được sử dụng làm tác nhân thúc đẩy quá trình thủy phân axit uric thành axit diaminoacetic, sau đó thu được aminoketone trong điều kiện kiềm. Quá trình oxy hóa tiếp theo của aminoketone thành nhóm acyloxy dưới sự xúc tác của hydro iodide tạo ra Uracil. Phương pháp này có tính kinh tế nguyên tử cao và thân thiện với môi trường, đồng thời là phương pháp tổng hợp phù hợp với hóa học xanh.
2. Tổng hợp vi sinh vật:
Quá trình tổng hợp vi sinh đề cập đến quá trình tổng hợp Uracil thông qua con đường trao đổi chất của vi sinh vật. Trong tự nhiên, Uracil là một chất chuyển hóa được tạo ra bởi sinh vật nhân chuẩn và vi khuẩn thông qua quá trình chuyển hóa axit deoxyribonucleic (DNA) và axit ribonucleic (RNA).
Trong quá trình tổng hợp vi sinh vật, axit uric thường được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu và Uracil cuối cùng được tổng hợp thông qua quá trình trao đổi chất nhiều bước. Ví dụ như sau:
Theo con đường này, axit uric được phân hủy thành urê và pyruvate thông qua xúc tác của ureidase; sau đó, pyruvate được chuyển thành uracil với sự tham gia của nhiều loại enzyme khác nhau như carboxylase và carboxylation-decarbonylase, và phản ứng tiếp theo của Uracil thu được thông qua con đường amit axit pantothenic. Cơ chế enzyme của hầu hết các vi sinh vật để tổng hợp Uracil có liên quan chặt chẽ với con đường chuyển hóa của axit pantothenic amide.
Ngoài ra, đã có báo cáo về việc xây dựng vi khuẩn kỹ thuật để tổng hợp Uracil thông qua kỹ thuật di truyền, chẳng hạn như việc sử dụng hydroxybutyrate-3-carboxylate hydroxylase (HPCDH) để tạo thành axit glycolic trong Escherichia coli (E.coli) và phân ly đến 9 Với sự tham gia của các enzyme như axit pyruvic decarboxylase (PDH-E2) của lipoyl coenzyme A, quá trình sinh tổng hợp Uracil ở vi khuẩn kỹ thuật lần đầu tiên được thực hiện bằng cách sử dụng axit succinic và các hợp chất amin làm nguyên liệu thô.
3. Tổng hợp có xúc tác của enzim:
Phương pháp tổng hợp được xúc tác bởi enzyme sử dụng phản ứng được xúc tác bởi enzyme để tổng hợp Uracil, có ưu điểm là thân thiện với môi trường và điều kiện phản ứng nhẹ. Một số enzyme đã được tìm thấy để xúc tác quá trình tổng hợp Uracil, chủ yếu bao gồm: Uracil enzyme, urease và urease. Đây là hai ví dụ:
3.1 Quá trình tổng hợp có xúc tác của enzyme Uracil:
Enzyme Uracil có thể xúc tác phản ứng của uracil và các hợp chất khác thông qua quá trình đồng phân hóa -racemization để thu được Uracil. Trong số đó, uracil là một hợp chất tồn tại rộng rãi trong các hệ thống sinh học và có triển vọng được sử dụng rộng rãi. Cả Saccharomyces cerevisiae và Escherichia coli đều chứa enzyme Uracil, có không gian ứng dụng rộng rãi. Bằng cách thay đổi các chất nền phản ứng, ví dụ như sử dụng các chất nền khác nhau như lactate threonine và uracil, cả hiệu quả và sự phân phối sản phẩm đều có thể thay đổi.
3.2 Quá trình tổng hợp được xúc tác bởi urease:
Phương pháp tổng hợp xúc tác enzyme của Uracil cũng bao gồm phản ứng xúc tác của urease. Urease là một loại enzyme có thể xúc tác quá trình chuyển đổi urê thành urê và amoniac, trong đó urê có thể được phản ứng thêm để tạo ra Uracil. Bằng cách chọn các chất nền urê khác nhau, chẳng hạn như urê và phenylurea, và thay đổi các điều kiện xúc tác của phản ứng, quá trình tổng hợp Uracil ở quy mô phòng thí nghiệm có thể được thực hiện.
Tóm lại, Uracil có thể được tổng hợp theo nhiều cách khác nhau, bao gồm tổng hợp hóa học cổ điển, tổng hợp vi sinh vật và tổng hợp được xúc tác bởi enzyme. Các phương pháp tổng hợp này có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau và cũng cung cấp nhiều tùy chọn để sản xuất Uracil quy mô lớn.
Tính chất hóa học:
1. Tính đồng phân của rượu xeton: Trong dung dịch nước, uracil và đồng phân của nó, hydro uracil, được biến đổi lẫn nhau thông qua ảnh hưởng của sự chênh lệch một proton.
2. N-glycosyl hóa: Uracil có thể được methyl-glycosyl hóa để tạo ra 5-methyluracil.
3. Ankyl hóa: Trong điều kiện kiềm, uracil có thể được alkyl hóa, thường sử dụng tác nhân metyl hóa metyl metyl cacbonat.
4. Phản ứng carboxymethyl hóa: Nhóm carboxyl có thể được kết hợp với uracil thông qua quá trình carboxymethyl hóa.
Bản chất phản ứng:
1. Phản ứng thủy phân trong kiềm: Trong điều kiện kiềm, uracil có thể bị thủy phân thành axit uracil, đây là một cách phân hủy DNA.
2. Phản ứng oxy hóa: Uracil có thể bị oxy hóa và chuyển đổi thành 5-hydroxyuracil, một sản phẩm phổ biến được hình thành trong quá trình tổn thương DNA.
3. Phản ứng khử amin: Uracil có thể tạo ra trihydrouracil thông qua phản ứng khử amin.
4. Phản ứng amin hóa: Uracil có thể được chuyển đổi thành chất trung gian để tổng hợp axit acetaminobenzenesulfonic (ATPS) bằng cách amoniac hóa.
Uracil là một phân tử hữu cơ quan trọng tham gia vào các phản ứng khác nhau trong chuyển hóa tế bào. Nó có nhiều đặc tính phản ứng, bao gồm phản ứng tautomer hóa ketol, N-glycosyl hóa, alkyl hóa, carboxymethylation, v.v. Ngoài ra, uracil cũng tham gia vào một số phản ứng quan trọng, chẳng hạn như thủy phân kiềm, oxy hóa, khử amin, amoniac hóa, v.v. nhiều giá trị nghiên cứu và ứng dụng. Ví dụ, các loại thuốc hóa học có thể được tổng hợp thông qua quá trình carboxymethyl hóa và quá trình thủy phân kiềm của uracil là con đường chính để phân hủy DNA. Những nghiên cứu này cung cấp cho chúng ta sự hiểu biết sâu sắc về vai trò và tầm quan trọng của Uracil. sự giúp đỡ quan trọng.