生物轉(zhuǎn)化課件

1、第11章生物轉(zhuǎn)化一引言 生物轉(zhuǎn)化是一種以生物工程方法，以微生物或酶進(jìn)行的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。例如，在非活性碳原子上引入羥基：醋酸化合物 氫化可的松前體 再例：喜樹(shù)堿 10-羥基喜樹(shù)堿在溫和及中性條件下進(jìn)行水解： 青霉素 青霉胺 青霉胺的左旋體具有治療風(fēng)濕的功能，而其右旋體有致特變的作用。又如： 再如生物轉(zhuǎn)化在脫氫方面的應(yīng)用，抗炎藥物乙酸強(qiáng)的松可由乙酸可的松C-1,2位去氫制得，它的抗炎作用比乙酸可的松強(qiáng)34倍，副作用也小。以前用二氧化硒法脫氫，收率低，而采用簡(jiǎn)單節(jié)桿菌脫氫，收率高達(dá)85%左右。 應(yīng)用酶法，反應(yīng)可以在溫和條件下進(jìn)行，且收率高。 由于生物轉(zhuǎn)化在溫和條件下進(jìn)行，選擇性高，立體專(zhuān)一性強(qiáng)，方法

2、簡(jiǎn)便，故越來(lái)越受到有機(jī)化學(xué)家、微生物學(xué)家和藥物化學(xué)家的重視。 下面結(jié)合天然產(chǎn)物研究的一些實(shí)例作些闡述。 二生物轉(zhuǎn)化應(yīng)用于甾體藥物合成 1.甾體藥物與甾醇生物轉(zhuǎn)化(1) 甾體藥物 甾體藥物是制藥工業(yè)中極為重要的產(chǎn)品，它包括性激素、避孕藥、腎上腺皮質(zhì)激素、同化激素等。例雄激素睪丸酮，雌激素炔雌醇甲醚，孕激素雙酯炔諾酮，避孕藥甲基炔諾酮，皮質(zhì)激素氟烴氫化潑尼松，同化激素去氫甲睪酮等。 1968年，全世界約70%的甾體藥物是從墨西哥產(chǎn)的薯蕷皂素作起始原料進(jìn)行生產(chǎn)。下圖表示由薯蕷皂素及中間體ADD出發(fā)生產(chǎn)的甾體激素。 近年來(lái)隨著新甾體藥物的發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，原料需要量也逐年增加；另一方面

3、由于不合理的采掘，造成資源逐年短缺，植物中皂苷含量下降，使在國(guó)際市場(chǎng)上供需間出現(xiàn)矛盾，薯蕷皂素的成本飛漲。日本及美國(guó)的一些學(xué)者著手進(jìn)行擴(kuò)大資源的研究。 (2) 甾醇生物轉(zhuǎn)化 自然界存在著極為豐富的甾族化合物，如膽固醇、-谷甾醇等，其結(jié)構(gòu)與甾體藥物相近，利用這些甾體資源的關(guān)鍵是使C-17位側(cè)鏈降解，并進(jìn)行羥化、脫氫、芳構(gòu)化等一些反應(yīng)。大家都知道，以CrO3氧化，使側(cè)鏈降解獲得17-酮基化合物的方法，收率RS到一定程度，分子前面部分與酶結(jié)合，氫原子從后面進(jìn)攻，還原后獲得S-構(gòu)型的產(chǎn)物 。芳香族羰基化合物的還原產(chǎn)物及ee值為： Prelog經(jīng)驗(yàn)規(guī)則能用來(lái)預(yù)測(cè)部分微生物還原產(chǎn)物的構(gòu)型，但是其本質(zhì)還遠(yuǎn)沒(méi)

4、有闡明。它是否具有普遍意義，它的機(jī)理是單一種酶作用的結(jié)果還是多種酶競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的結(jié)果，都有待進(jìn)一步澄清及實(shí)驗(yàn)證明。 (2) 羰基的酵母還原 -酮酸酯、芳香酮、,-不飽和酮等羰基化合物都可被酵母不對(duì)稱(chēng)還原，面包酵母不對(duì)稱(chēng)還原乙酰乙酸乙酯為S-3-羥基丁酸乙酯是最典型的例子。 研究表明，底物結(jié)構(gòu)改變會(huì)影響產(chǎn)物手性中心光學(xué)純度，如下面反應(yīng)所示，底物結(jié)構(gòu)變化對(duì)產(chǎn)物ee值的影響。 當(dāng)R1增大時(shí)產(chǎn)物中L-成分為主，而當(dāng)R2增大時(shí)，產(chǎn)物以D-成分為主。 例：D型產(chǎn)物L(fēng)型產(chǎn)物R2R1ee %R2R1ee %CH3CH2OC2H544CH3OC2H595CH3CH2CH2OH100CH3CH2OC8H1799CH3

5、CH2CH2CH2OH100CH3CH2CH2OC8H1771C6H5OC2H5100ClCH2HNC6H597 微生物不對(duì)稱(chēng)還原在甾體藥物的合成中也有應(yīng)用，例如D-18-甲基炔諾酮及D-18-甲基二烯炔諾酮是兩種具有較高生物活性的口服避孕藥，這兩種口服避孕藥可用全合成制成，其中關(guān)鍵中間體12可采用酵母對(duì)11進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)還原。上海有機(jī)化學(xué)所甾體激素小組采用啤酒酵母菌從11到12得率為83.3%.(3) l-肉堿的合成 l-肉堿(l-carnitine)是從動(dòng)物橫紋肌中分得的一種天然成分，它是脂肪代謝過(guò)程中的載體，脂肪酸與它結(jié)合后才能進(jìn)入線(xiàn)粒體，進(jìn)行代謝，產(chǎn)生能量?？捎糜谥委熜呐K及初生兒的l-肉堿

6、缺乏癥；近年來(lái)也用于提高運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)的運(yùn)動(dòng)耐受量。而其d-異構(gòu)體是拮抗劑，臨床只使用l型化合物。目前生產(chǎn)是先合成消旋體，再以化學(xué)法拆分得光學(xué)活性化合物，此法收率低、方法繁。 1983年周炳南等報(bào)道了l-肉堿的合成 (Zhou, Bing-nan et al. J. Am. Chem. Soc., 1983,105,5925)。 如前所述，乙酰乙酸乙酯以面包酵母還原獲得S-(+)-3-羥基丁酸乙酯，其羥基與l-肉堿中羥基的構(gòu)型相同，因此期望用相同方法來(lái)合成l-肉堿的中間體。 但當(dāng)-氯代乙酰乙酸乙酯以面包酵母還原時(shí)，其產(chǎn)物羥基在前面，是所需化合物的對(duì)映體S(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，D23-

7、11.7(c,5.75,CHCl3)(55%ee)。 此后，將4-氯-3-氧代丁酸乙酯用各種微生物進(jìn)行還原，其產(chǎn)物都是S(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，結(jié)果見(jiàn)表。 周炳南等合成了ClCH2COCH2COO(CH2)nH的各種醇的酯，企望改變酯基的大小，使以微生物還原時(shí)，得到所需要的醇。當(dāng)n7時(shí)，產(chǎn)物為R(+)-異構(gòu)體，若n12時(shí)，產(chǎn)物光學(xué)活性純度很高，但產(chǎn)物收率下降，可能是由于溶解度的原因所致。n=8時(shí)，產(chǎn)率和光學(xué)純度都較高，D23+15.1(c,4.66,CHCl3)，ee=98%。 周炳南等得到R(+)-3-羥基-4-氯代丁酸辛酯以后，采用以下方法直接合成天然的l-肉堿，這是首次直接合成

8、的天然l-肉堿。4.對(duì)映選擇性微生物氧化反應(yīng) 自50年代以來(lái)就知道用假單胞菌Pseudomonas putida能將苯及其衍生物氧化為相應(yīng)的環(huán)己二烯醇，如下所示。 由Pseudomonas putida催化的溴苯的生物氧化產(chǎn)生二醇13，二醇13經(jīng)保護(hù)、醛基亞硝基親二烯試劑的加成和還原等步驟生成15，化合物15是制備indolizidine(17)和(+)-1-deoxygalacto-nojirimycin(18)的關(guān)鍵中間體。 另一個(gè)廣泛研究的生物氧化反應(yīng)是用單加氧酶為催化劑的環(huán)酮的Baeyer-Villiger型氧化。一個(gè)例子是酵母試劑用于催化一系列2-，3-，4-取代的環(huán)己酮的氧化，以良好產(chǎn)率和高ee值生成相應(yīng)的內(nèi)酯。下面總結(jié)了由2-取代環(huán)己酮出發(fā)的Baeyer-Villiger的氧化結(jié)果： 生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物化學(xué)研究中極為重要，是一項(xiàng)既有理論意義，又有實(shí)用價(jià)值的工作，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，日益顯示它的重要性，有著極為廣闊的前景。 取代莰酮也可