1,5-二氨基戊烷的应用与制备

1,5-二氨基戊烷，又称尸胺、1,5-戊二胺、五亚甲基二胺或尸毒素，是生物胺类(包括腐胺﹑精胺﹑亚精胺和尸胺等)中的一种。1885年，德国柏林的医师Ludwig Brieger在腐败的尸体中首次发现该胺类，该胺类以此得名尸胺。1,5-二氨基戊烷是一种重要的平台化合物。已有技术可以将1,5-二氨基戊烷精炼后与己二酸共聚合成具有实用性的尼龙56，尼龙56是一种耐高温的生物塑料。^[1]

性质^[2]

1,5-二氨基戊烷，是一种广泛分布于真核和原核生物中具有多种活性的天然二元胺。1,5-二氨基戊烷的沸点为178-180℃，折光率为1.463，易燃，高毒，具有强刺激性气味。可溶于水、乙醇，微溶于乙醚。

1,5-二氨基戊烷的生理学功能^[2]

1,5-二基戊烷作为一种天然多胺在生物体代谢中起着重要的作用，在植物体中，它参与植物的生长发育、细胞信号传递、胁迫反应和昆虫防御等过程；在微生物体内，1,5-二氨基戊烷能够调控孔蛋白，引起膜孔通道关闭，使得菌体能够对酸性环境或者是缺乏磷酸盐和氧气的环境具有一定的抗逆作用，其次，1,5-二氨基戊烷是调节铁离子浓度的“铁亲和系统”的重要组成成份；在动物体中，1,5-二氨基戊烷能激活神经元，表达特定的嗅觉受体(TAAR13c)；此外，1,5-二氨基戊烷还与细胞生长、衰老和许多疾病如癌症等有关。

应用^[2]

1,5-二氨基戊烷在农业、医药、食品和工业等领域具有广泛的应用。在农业方面，研究学者发现1,5-二氨基戊烷调节植物的生长发育，在植物抵抗外部不利环境过程中起着类似于cAMP化学信号的“信息传导”作用，能够参与植物的胁迫反应和昆虫防御。因此，在农业生产上适量1,5-二氨基戊烷的施加能够促进果实发育，提高果实产量。1,5-二氨基戊烷作为一种生物胺，是发酵食品（例如奶酪、葡萄酒、啤酒、泡菜等)所含有的成分之一，目前为止，许多研究都致力于1,5-二氨基戊烷浓度的检测，基本方法包括LC-UV、LC-FLD、LC-MS/MS、CE、ELISA、GC-MS、TLC、HPLC等，虽然1,5-二氨基戊烷是人体中内源性合成的并且具有重要的生物学功能，但摄入含有高浓度1,5-二氨基戊烷的食物会引起严重的中毒反应。因此，1,5-二氨基戊烷浓度的检测有望成为评估食品质量及安全的重要指标之一。在医药领域，1,5-二氨基戊烷可用于治疗铁过量引发的症状、癌症、神经变性病等。

在工业方面，1,5-二氨基戊烷是一种极具应用价值的平台化合物，能够与二元酸聚合生产生物基聚酰胺PA5X。近年来，随着石油资源的不断枯竭和人类环保意识的提升，生物基聚酰胺产品受到了越来越多的关注，由于其突出的机械性能，可被广泛应用于航空技术、汽车零部件、机械零件、电子设备、包装材料和化妆品等领域。目前，全球每年生产660万吨石油基聚酰胺，需求量呈逐年上涨趋势，这鼓励人们开发生物技术产品以替代传统的化学材料。根据最新的发展报告，2021年生物聚合物的市场规模继续增长，预计将达到50.8亿美元。因此，开发绿色环保并具有优异性能的生物基产品具有极广泛的应用前景。

PA 5X系列尼龙是由生物质为原料生产的1,5-二氨基戊烷与二元酸聚合而成的。例如，PA 510是由1,5-二氨基戊烷和癸二酸聚合生成的，其机械性能（如拉伸应力值、高熔融温度、低密度等）可与石油基PA610相媲美，有望应用于耐热材料、电子和汽车行业。由1,5-二氨基戊烷和己二酸生产的另一种生物基PA56具有强度高、突出的耐磨性、回弹性、染色性以及较高的饱和吸水率等优异特性，是应用于纺织品的理想材料。由1,5-二氨基戊烷和丁二酸合成的生物基聚酰胺PA 54在耐油溶胀性、抗冲击性、抗渗性和耐温性方面表现出优异的性能，使其在包装、存储和运输领域中得到广泛应用。此外，1,5-二氨基戊烷还用于生产聚氨酯、鳌合剂和添加剂。

合成方法^[2]

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 oxytoca)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。图1-3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)(图1-5，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，如图1-5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，如图1-5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。

参考文献

[1] 黎明, 唐奇, 李东霞等. 谷氨酸棒杆菌发酵生产1,5-戊二胺的代谢流分析[J]. 天津科技大学学报, 2015, 30(01):9-13.

[2] 米佳黎. 生物转化及混菌发酵合成1,5-戊二胺[D]. 天津大学, 2021, 2-15.