酶促反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用

1、Page 1有機(jī)合成中的生物轉(zhuǎn)化有機(jī)合成中的生物轉(zhuǎn)化Page 2內(nèi)內(nèi) 容容 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 酶的特性酶的特性 酶催化的有機(jī)反應(yīng)酶催化的有機(jī)反應(yīng) 工業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)中的應(yīng)用Page 3對(duì)酶的第一印象： 酶是很不穩(wěn)定的酶是很不穩(wěn)定的 酶價(jià)格昂貴酶價(jià)格昂貴 酶只對(duì)天然底物有活性酶只對(duì)天然底物有活性 酶只在天然環(huán)境中才起作用酶只在天然環(huán)境中才起作用酶是什么？與有機(jī)化學(xué)關(guān)系不大？Page 41950年Kendall, Reichstein與Hench因發(fā)現(xiàn)類固醇的消炎作用而獲得諾貝爾獎(jiǎng)1952年以化學(xué)方法以牛膽汁中的deoxycholic acid為原料合成cortisone，反應(yīng)共需31個(gè)步驟，產(chǎn)品售價(jià)每克$

2、200。1952年利用Rhizopus arrhizuz產(chǎn)生的hydroxylase將反應(yīng)過程縮短為11個(gè)步驟，產(chǎn)品售價(jià)每克$6。1980年使用突變之Mycobacterium分解植物油中的固醇以作為原料，產(chǎn)品價(jià)格每克$0.46。如：類固醇合成技術(shù)的演進(jìn)：如：類固醇合成技術(shù)的演進(jìn)：酶促反應(yīng)在有機(jī)合成中的重要作用Page 5（一）、什么是酶？（一）、什么是酶？ 酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化功能一類具有催化功能的生物分子，所以的生物分子，所以又稱為生物催化劑又稱為生物催化劑Biocatalysts 。 絕大多數(shù)的酶都是絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)。Page 6酶和一般催化劑的共性

3、酶和一般催化劑的共性 1 1，用量少而催化效率高；，用量少而催化效率高； 2 2，它能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速度，但是，它能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速度，但是不能改變化學(xué)反應(yīng)平衡。不能改變化學(xué)反應(yīng)平衡。 3 3，酶能夠穩(wěn)定底物形成的過渡狀態(tài)，酶能夠穩(wěn)定底物形成的過渡狀態(tài)，降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)的降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行進(jìn)行Page 7（二）、酶的特性（二）、酶的特性1. 1. 高效性高效性酶是非常有效的催化劑酶是非常有效的催化劑 化學(xué)催化劑：化學(xué)催化劑：0.11%mol 生物催化劑：生物催化劑：10-310-4%mol 酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高10106

4、-6 -10101212倍。倍。 例如：過氧化氫分解例如：過氧化氫分解 2 2H H2 2O O2 2 2H 2H2 2O + OO + O2 2 用用Fe+ Fe+ 催化，效率為催化，效率為6 6* *1010-4-4 mol/mol.Smol/mol.S，而用而用過氧化氫酶催化，效率為過氧化氫酶催化，效率為6 6* *10106 6 mol/mol.Smol/mol.S。 用用 - -淀粉酶催化淀粉水解，淀粉酶催化淀粉水解，1 1克結(jié)晶酶在克結(jié)晶酶在6565 C C條件下可催化條件下可催化2 2噸淀粉水解噸淀粉水解。Page 82 2反應(yīng)條件溫和反應(yīng)條件溫和 酶促反應(yīng)一般在酶促反應(yīng)一般在p

5、H 5-8 pH 5-8 水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度范圍為溫度范圍為20-4020-40 C C。 高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶的失活。的失活。3 3環(huán)境可接受的環(huán)境可接受的 生物催化劑是環(huán)境友好的試劑，可完全降解生物催化劑是環(huán)境友好的試劑，可完全降解Page 94 4酶是彼此相容的酶是彼此相容的 幾個(gè)生物催化反應(yīng)可以在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行幾個(gè)生物催化反應(yīng)可以在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行 可以使用多酶體系來催化幾個(gè)順序反應(yīng)的進(jìn)行可以使用多酶體系來催化幾個(gè)順序反應(yīng)的進(jìn)行RCN腈 水 合 酶RCONH2酰 胺 水 解 酶RCOOH5 5酶的高

6、度選擇性酶的高度選擇性n酶的專一性酶的專一性 Specificity，又稱為特異性，是指又稱為特異性，是指酶在催化生化反應(yīng)時(shí)對(duì)底物的選擇性酶在催化生化反應(yīng)時(shí)對(duì)底物的選擇性Page 10共性：用量少，降低反應(yīng)的活化能，改變化學(xué)反應(yīng)的速度。共性：用量少，降低反應(yīng)的活化能，改變化學(xué)反應(yīng)的速度。酶的性質(zhì)：酶的性質(zhì)：特性：高效性特性：高效性化學(xué)催化劑：化學(xué)催化劑：10.1%mol 生物催化劑：生物催化劑：10-310-4%mol ，使反應(yīng)速度使反應(yīng)速度1061012倍倍 反應(yīng)條件溫和，環(huán)境友好反應(yīng)條件溫和，環(huán)境友好 酶彼此相容納酶彼此相容納 高選擇性高選擇性 化學(xué)、區(qū)域、立體選擇性化學(xué)、區(qū)域、立體選擇性

7、 RCN腈 水 合 酶RCONH2酰 胺 水 解 酶RCOOH淀粉-淀粉酶葡萄糖淀粉酶葡萄糖異構(gòu)酶高果糖漿Page 11（一）化學(xué)選擇性（一）化學(xué)選擇性A.de Raddt; Klempier,N; J.chem.soc.perkin Trans I, 1992, 137只專一性地識(shí)別催化所作用基團(tuán)，其它敏感基團(tuán)不受影響。Y:41%Y:92%Y:41%EtOOCCNCOOEt48hEtOOCCOOHCOOEtOOCNOOCOOHCNPOEtOEtOCOOHPOEtOEtOSP409SP409SP409Page 12（二）區(qū)域選擇性（二）區(qū)域選擇性選擇性的作用多官能團(tuán)化合物中的一個(gè)基團(tuán)Otto

8、Meth-Cohn, Mei-Xiang Wang, J.Chem.Soc.Perkin.Trans 1.1997. 3197Arabidopsis thalianaNitrilase 77% conversionCNCNCNCNCNCOOHCNCO2H+HO2C96.7%3.3%NPhCNCNNPhCNCOOHCNNCCOOHNCNCCNNCCOOHRhodococcus.sp AJ270Rhodococcus.sp AJ270Rhodococcus.sp AJ270Y:99%Y:81%Y:93%Effenberger, F.; Obwald, S. Synthesis. 2001, 12.

9、 1866.Page 13（三）立體選擇性（三）立體選擇性1. 去對(duì)稱化去對(duì)稱化R2R1GGEzEzXR2R1GG對(duì)對(duì)稱稱面面單單一一對(duì)對(duì)映映體體R2R1GGPage 14Masahiro Yokoyama, Hirimichi Ohta, Tetrahedron:Asymmetry.1993, 4, 1081腈生物轉(zhuǎn)化酶對(duì)前手性二腈中的氰基有效的識(shí)別，不同的作用，得到光活性產(chǎn)物RCNCNRCNCO2HRhodococcus sp. AJ270phosphate buffer, pH 7.0, 30 oCSNCCNR. rhodochrous IFO 15564fastNCCONH2H2NOC

10、CONH2amidasepro (R)-selectiveslowH2NOCCO2HR94% yield, 96% eeWang, M.-X.; Liu, C.-S.; Li, J.-S. Tetrahedron:Asymmetry 2001, 12, 3367. 前手性二腈的去對(duì)稱化前手性二腈的去對(duì)稱化Page 152.2.外消旋體的生物轉(zhuǎn)化外消旋體的生物轉(zhuǎn)化A. 動(dòng)力學(xué)拆分動(dòng)力學(xué)拆分R1R2R3GR1R2GR3外外消消旋旋體體enzymek1enzymek2fastslowk1 k2R1R2R3GR1R2GR350% yield100% eePage 16外消旋體的動(dòng)力學(xué)拆分外消旋體的動(dòng)力

11、學(xué)拆分Mei-Xiang Wang, Gang Lu, Tetrahedron:Asymmetry. 2000. 11. 1123-1125 Wegman, M. A.; van Langen, L. M.; Sheldon, R. A. Biotechnol. Bioeng. 2002, 79, 356. NH2PhCONH2Rhodococcus sp.MAWANH2PhCONH2NH2PhCO2H+DL(+/-)48%yield, 99%ee52%yield, 97%eeR2R1CONH2R2R1CO2HR2R1CONH2+Rhodococcus.sp AJ270 Y% : 878ee%

12、: 099 Y% : 058ee%: 9099(R)-(-)(S)-(+)(+/-)Page 17B. 動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分R1R2GR3外外消消旋旋體體enzymeR1R2R3GR1R2GR3+消消旋旋化化100% yield, 100%eePage 18外消旋體的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分外消旋體的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分OHPhCNAlcaligenes faecalis ATCC8750racemicOHPhCOOHR-Mandelic acid91%yield, 100%eeR-selective nitrilasesontaneousracemizationCHO+HCNMandelonnitr

13、ileK.Yamamoto, K.Oishi, I.Fujimatsu, Appl.Environ.Microbiol., 1991. 57.3028Page 19將生物催化劑應(yīng)用于有機(jī)合成是目前最吸引人的研究領(lǐng)域。是有機(jī)化學(xué)與生物學(xué)密切聯(lián)系的交叉學(xué)科。符合綠色化學(xué)的發(fā)展方向。三、酶催化的有機(jī)合成反應(yīng)三、酶催化的有機(jī)合成反應(yīng)Page 20酶催化的有機(jī)反應(yīng)類型酶催化的有機(jī)反應(yīng)類型 水解反應(yīng)水解反應(yīng) 氧化反應(yīng)氧化反應(yīng) 還原反應(yīng)還原反應(yīng) C-CC-C鍵形成反應(yīng)鍵形成反應(yīng)Page 21區(qū)域選擇性酯水解區(qū)域選擇性酯水解C. Dinkel, M. Moody, C. Schultz, Angew. Che

14、m. Int. Ed. Engl. 2001, 40, 3004.OOOHOOTBDMSOHOC3H7C3H7OC3H7Olipasebuffer95%HOOOHOOTBDMSOHOC3H7C3H7O(HO)2OPOOO(HO)2OPOO(HO)2OPOOC3H7C3H7OPOHOOOOOC7H15C7H15Ophosphoinositide derivativesPage 22酯酶的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分酯酶的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分NH2R1COOHHNH2R1COOR2Halcalase(酯 酶 ）+R2OHt-BuOH/H2O原原位位消消旋旋化化吡吡哆哆醛醛- -5 5- -磷磷酸酸（催催化化劑劑）CH

15、NR1COOR2HH2C NR1COOR2yield: 8795%; ee: 9098%Page 23區(qū)域選擇性酯化區(qū)域選擇性酯化OHOHOH3CH3CHOHH3CCH3H3COHOHOOHOH3CH3CHOHH3CCH3H3COHOHONovozym 435H2COAct-AmOH10% pyridine45o, 7d95%M. Schudok, G. Kretzschmar, Tetrahedron Lett. 1997, 38, 387.Page 24去對(duì)稱化去對(duì)稱化G. M. Ramos-Tombo, X. Busquets, O. Ghisalba, Tetrahedron Lett

16、. 1986, 27, 5707.PhOHOHAc2OPhOAcOAcPPL in MeOAcPhOAcOH(R) 98%, 92%eePPL in bufferPhOHOAc(S) 91%, 95%eePage 25去對(duì)稱化去對(duì)稱化T. Sugahara, K. Ogasawara, Synlett, 1996, 319.Page 26動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分M. T. Reetz, K. Schimossek, Chimia. 1996, 50, 668.Page 27氨基水解酶制備非天然氨基酸氨基水解酶制備非天然氨基酸M. Beller, M. Eckert, H.-P. Reben

17、stock, E. W.Holla, Chem. Eur. J. 1998, 4, 935.Page 28環(huán)氧化物的水解：環(huán)氧化物的水解：O黑曲酶O(S)OHOH(R)+O白僵菌OOHOH(R)+(R)96% ee51% ee98% ee83% ee黑曲酶O白僵菌OHOH(R)89% ee, 92% yieldPage 29對(duì)應(yīng)體會(huì)聚的特例對(duì)應(yīng)體會(huì)聚的特例OR(R)(S)OH-OOH-R(R)(S)OHOHR(R,R )yield: 90%; ee: 97%諾 卡 菌 屬 環(huán) 氧化 物 水 解 酶Page 30氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)氧化還原酶催化反應(yīng)時(shí)，需要氧化還原輔因子充當(dāng)過程中氫和電子的

18、氧化還原酶催化反應(yīng)時(shí)，需要氧化還原輔因子充當(dāng)過程中氫和電子的傳遞體。一般煙酰胺腺嘌呤二核苷酸傳遞體。一般煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD(H)作為輔因子。作為輔因子。OOHHOHHOH(HLADH)馬肝醇脫氫酶ee. 98%R1R2O布氏厭氧菌醇脫氫酶(TBADH)R1R2OHR1R2OHoree: 4499%XOHH(HLADH)馬肝醇脫氫酶XOHHXHH+HO(1S, 6S)(1R, 3S, 6R)X= Oee: 60%ee: 53%ee:97%ee: 97%X= SPage 31輔因子再生循環(huán)輔因子再生循環(huán)M. Wolberg, W. Hummel, M. Muller, Angew. Ch

19、em., Int. Ed. Engl. 2000, 39, 4306.Page 32還原：還原：Y. Naoshima, H. Hasegawa, T.Nishiyama, A. Nakamura, Bull. Chem.Soc. Jpn. 1989, 62, 608.Page 33氧化酶制備手性內(nèi)酯氧化酶制備手性內(nèi)酯HLADH, pH 9OHOHn20o, NAD+, FMN14dOHnOnOOHHLADHnOOn = 0, 1, 2, 3Y%: 68-90%; ee: 99%I. J. Jakovac, H. B. Goodbrand, K. P.Lok, J. B. Jones, J.

20、Am. Chem. Soc. 1982, 104, 4659.Page 34雙羥基化雙羥基化T. Hudlicky, H. Luna, J. D. Price, F.Rulin, Tetrahedron Lett. 1989, 30, 4053.Page 35環(huán)氧化環(huán)氧化E. J. Allain, L. P. Hager, L. Deng, E. J. Jacobsen, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 4415.H3CR2R1H2O2H2O氯過氧化物酶H3CR2OOH3CR1ee: 8595%R2 = n-C4H9, (CH3)2CHCH2, PhR1= CH2CO

21、OEt, (CH2)2Br, n-C5H11, PhR1=HR2=HPage 36酶催化的酶催化的Baeyer-ViligerBaeyer-Viliger氧化氧化OR環(huán)己酮單加氧酶OOR(S)ee: 98%OR不動(dòng)桿菌O2 H2OOOROR(S)(R)+ee: 7397%S. Rissom, U. Schwarz-Linek, M. Vogel, U. Kragl, Tetrahedron Asymm. 1997, 8, 2523.S. M. Roberts, P. W. H. Wan, J. Mol. Catal. B: Enzymat. 1998, 4, 111.Page 37C=C雙鍵的

22、還原反應(yīng)雙鍵的還原反應(yīng)OHOH面 包 酵 母香 葉 醇(R)-香 茅 醇ee: 97%OH面 包 酵 母OHee: 99%RClCOOMeClCOOMeR(Z)(E)面 包 酵 母（ 水 解 酶 ）RClCOOH面 包 酵 母(烯 醇 酯 還 原 酶 )RCOOHCl面 包 酵 母（ 水 解 酶 ）ClCOOH面 包 酵 母(烯 醇 酯 還 原 酶 )RCOOHClR(R)(S)Page 38C-C鍵形成反應(yīng)鍵形成反應(yīng)n醇醛縮合反應(yīng)醇醛縮合反應(yīng)RHO+FDP醛 縮 酶HOOOOPOOOPOHROHOP= 磷 酸 酯nMichael型加成反應(yīng)型加成反應(yīng)RO面包酵母OHF3CCF3CH2OH+RO

23、ee: 9193%R = CH3, C2H5n偶姻反應(yīng)偶姻反應(yīng)Page 39Aldolases因作用底物的不同被分為四類因作用底物的不同被分為四類Pyruvate-DependentAldolasesDHAP-DependentAldolasesAcetaldehyde-DependentAldolasesGlycine-DependentAldolasesPage 40Aldolase因手性活性中心的作用方式被分為兩大類因手性活性中心的作用方式被分為兩大類Page 41Aldolases催化立體選擇性的催化立體選擇性的c-c鍵形成反應(yīng)鍵形成反應(yīng)W.-D. Fessner, G. Sineri

24、us, J. Badia, J. Aguilar, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1991, 30, 555.P. M. St. Hilaire, M. Meldal, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2000, 39, 1162.Page 42一鍋法制備雙羥基手性化合物R. Schoevaart, F. van Rantwijk, R. A. Sheldon, J. Org. Chem. 2000, 65, 6940.Page 432-O3POOHO+OOPO32-OH2-O3POOPO32-OOHOHOHHOOHODHAP : $ 220

25、0/gDHA : $ 0.20/g昂貴的昂貴的DHAP限制催化應(yīng)用限制催化應(yīng)用Page 44M. Sugiyama, Z. Hong, L. J. Whalen, C.-H. Wong, Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 2555 2559.Page 452001, Schurmann和和Sprenger發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)fructose 6-phosphate(FSA)J. Am. Chem. Soc., 2007, 129 (47), 14811-14817Page 46G. DeSantis, J. Liu, D. P. Clark, C.-H. Wong, Bioorg

26、. Med. Chem. 2003, 11, 43 52.制備阿伐他汀手性合成子Page 47J. Liu, G. DeSantis, C.-H. Wong, Can. J. Chem. 2002, 80, 643 645底物工程改變選擇性Page 48酶促D-A反應(yīng)H. Oikawa, T. Kobayashi, K. Katayama, Y. Suzuki, A. Ichihara, J. Org. Chem. 1998, 63, 8748.Page 49加成反應(yīng)加成反應(yīng)n氰醇的合成氰醇的合成R1=H, MeR2=Hee: 8499%HCNBuffer （ PH3000 t/yPage 53工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)非天然氨基酸非天然氨基酸(Degussa)Page 54工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)非天然氨基酸工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)非天然氨基酸(DSM)Page 55工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)西司他?。üI(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)西司他?。–ilastatin）中間體）中間體(Lonza)CN(+/-)nitrile hyrataseCONH2(+/-)S-specificamidaseCONH2S-amide+CO2HR-acid1.SOCl22.NH3 heatNHHO2CSCO2HNH2HO( )2CilastatinPage 56工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)手性