手性藥物課件

第十三章生物催化手性藥物制備第十三章1

手性藥物的基本知識(shí)

用于手性藥物制備的生物催化反應(yīng)

立體選擇性生物催化用于手性藥物及其中間體的制備

生物催化的優(yōu)勢(shì)

生物轉(zhuǎn)化過程實(shí)例手性藥物的基本知識(shí)用于手性藥物制備的生物催化反應(yīng)立體選2

手性藥物的基本知識(shí)手性是自然界的基本特征之一

手性（chirality，源于希臘文）即不對(duì)稱性，是用于表達(dá)化合物分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的術(shù)語(yǔ)。

對(duì)映關(guān)系及對(duì)映體（enantiomer）人的手是不對(duì)稱的，左手和右手不能相互疊合，彼此的關(guān)系如同實(shí)物與鏡像，化學(xué)上將這種關(guān)系稱為對(duì)映關(guān)系。具有對(duì)映關(guān)系的兩個(gè)物體互為對(duì)映體。化合物分子中的原子排列是三維的，因而，有時(shí)候在平面上看起來相同的分子結(jié)構(gòu)實(shí)際上代表不同的化合物。如乳酸的兩種構(gòu)型。手性藥物的基本知識(shí)手性是自然界的基本特征之一手性（chi3在生命的產(chǎn)生和演變過程中，自然界往往對(duì)手性化合物的一種對(duì)映體有所偏愛，例如組成多糖和核酸的單糖都為D-構(gòu)型，而構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種天然氨基酸均為L(zhǎng)-構(gòu)型（甘氨酸除外）。對(duì)于化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和藥學(xué)的理論和實(shí)踐，手性均具有重大的意義。手性藥物嚴(yán)格地說，手性藥物是指分子結(jié)構(gòu)中存在手性因素的藥物。通常所說的手性藥物是指由具有藥理活性的手性化合物組成的藥物，其中只含有效對(duì)映體或者以有效對(duì)映體為主。

藥物的藥理作用是通過其與體內(nèi)的大分子之間嚴(yán)格的手性識(shí)別和匹配而實(shí)現(xiàn)的，故不同對(duì)映體的藥理活性有所差異。在許多情況下，化合物的一對(duì)對(duì)映體在生物體內(nèi)的藥理活性、代謝過程、代謝速率及毒性等方面均存在顯著的差異，常出現(xiàn)以下幾種不同的情況。在生命的產(chǎn)生和演變過程中，自然界往往對(duì)手性化合物的一種對(duì)映體4一種對(duì)映體有藥理活性，而另一種無活性或活性很弱。如左氧氟沙星[S-（-）-對(duì)映體]的體外抗菌活性是R-（+）-對(duì)映體的8～128倍。又如沙丁胺醇和特布他林是兩個(gè)支氣管擴(kuò)張藥物，它們的R-對(duì)映體之藥效比S-對(duì)映體強(qiáng)80～200倍。兩種對(duì)映體具有完全不同的藥理活性，都可作為治療藥物。例如右旋丙氧吩是一種鎮(zhèn)痛劑，而左旋丙氧吩則是一種止咳劑，兩者表現(xiàn)出完全不同的生理活性。又如噻嗎心安的S-對(duì)映體是β-阻斷劑，而其R-對(duì)映體則用于治療青光眼。兩種對(duì)映體中一種有藥理活性，另一種不但沒有活性，反而有毒副作用。一個(gè)典型的例子是20世紀(jì)50年代末期發(fā)生在歐洲的“反應(yīng)停”事件，即孕婦因服用酞胺哌啶酮（俗稱反應(yīng)停）而導(dǎo)致短肢畸胎的慘劇。后來研究發(fā)現(xiàn)，酞胺哌啶酮的兩種對(duì)映體中，只有(R)-對(duì)映體具有鎮(zhèn)吐作用，而(S)-對(duì)映體是一種強(qiáng)力致畸劑。兩種對(duì)映體的藥理活性完全相反。如巴比妥類，DMBB[5-(1,3-二甲丁基)-5-乙基巴比妥]和MPPB[N-甲基-5-丙基-5-苯基巴比妥]，左旋體都具有麻醉活性，但右旋體卻起促驚厥作用。一種對(duì)映體有藥理活性，而另一種無活性或活性很弱。如左氧氟沙5兩種對(duì)映體的作用具有互補(bǔ)性。普萘洛爾的S-（－）-對(duì)映體的β受體阻斷作用比R-（＋）-強(qiáng)約100倍，而R-對(duì)映體對(duì)鈉通道有抑制作用，兩者在治療心律失常時(shí)有協(xié)同作用。故外消旋體用于治療心律失常的效果比單一對(duì)映體好。兩種對(duì)映體具有等同或相近的同一藥理活性。如強(qiáng)心藥SCH00013的兩種對(duì)映體的藥理作用相同。兩種對(duì)映體中，一種對(duì)映體為另一對(duì)映體的競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑。如左旋異丙腎上腺素是β受體激動(dòng)劑，而右旋異丙腎上腺素則為其競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑，且兩者與β受體的親和性相當(dāng)。對(duì)映體純手性藥物的研制和生產(chǎn)具有十分重要的意義。兩種對(duì)映體的作用具有互補(bǔ)性。普萘洛爾的S-（－）-對(duì)映體的6與手性藥物有關(guān)的術(shù)語(yǔ)立體異構(gòu)體、對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體立體異構(gòu)體（stereoisomers）是指由于分子中原子在空間上排列方式不同所產(chǎn)生的異構(gòu)體，可分為對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體兩大類。對(duì)映異構(gòu)體(enantiomers)是指分子間互相為不可重合的實(shí)物和鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體，常簡(jiǎn)稱為對(duì)映體。如（R）-乳酸和（S）-乳酸。非對(duì)映異構(gòu)體（diastereoisomers）是指分子中具有兩個(gè)或多個(gè)不對(duì)稱中心，并且其分子間互相不為實(shí)物和鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體。例如，D-赤蘚糖和D-蘇力糖。

對(duì)映選擇性和對(duì)映體過量對(duì)映選擇性（enatioselectivity）是指一個(gè)化學(xué)反應(yīng)所具有的能優(yōu)先生成（或消耗）一對(duì)對(duì)映體中的某一種的特性。對(duì)映體過量（enantiomericexcess，e.e.）指樣品中一個(gè)對(duì)映體對(duì)另一個(gè)對(duì)映體的過量，用于描述樣品的對(duì)映體組成，通常用百分?jǐn)?shù)來表示。

e.e.％＝[(S—R)/(S+R)]×100％可用手性色譜法、NMR法和旋光法等方法測(cè)定樣品的對(duì)映體過量。與手性藥物有關(guān)的術(shù)語(yǔ)立體異構(gòu)體、對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體7

光學(xué)活性、光學(xué)異構(gòu)體和光學(xué)純度光學(xué)活性(opticalactivity)試驗(yàn)觀察到的化合物將單色平面偏振光的平面向觀察者的右邊或左邊旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)。光學(xué)異構(gòu)體(opticalisomers)對(duì)映體的同義詞，現(xiàn)已不常用，因?yàn)橛幸恍?duì)映體在某些偏振光波長(zhǎng)下并無光學(xué)活性。光學(xué)純度(opticalpurity)根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的旋光度，計(jì)算而得的在兩個(gè)對(duì)映體混合物中，一個(gè)對(duì)映體所占的百分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)在常用對(duì)映體純度來代替。外消旋體和外消旋化外消旋體(raceme)也稱外消旋物或是指兩種對(duì)映體的等量混合物，可用（D,L）、（R,S）或（±）表示。外消旋體也稱外消旋物或外消旋混合物。外消旋化(racemization)一種對(duì)映體轉(zhuǎn)化為兩個(gè)對(duì)映體的等量混合物（即外消旋體）的過程。如果轉(zhuǎn)化后兩個(gè)對(duì)映體的量不相等，稱為部分消旋化。光學(xué)活性、光學(xué)異構(gòu)體和光學(xué)純度外消旋體和外消旋化8手性藥物的發(fā)展概況年份19981999200020012002200320042005銷售額(億美元)9911150123313561460155816531785增長(zhǎng)(%1全球手性藥物市場(chǎng)銷售情況

目前世界上正在開發(fā)的1200多種新藥中約有三分之二是手性化合物，單一異構(gòu)體占51％，2005年全球上市的新藥中將有60％為單一對(duì)映體藥物，估計(jì)在2010年手性藥物銷售額將超過2000億美元。全球手性藥物開發(fā)與銷售手性藥物的發(fā)展概況年份1998199920002001209各國(guó)對(duì)手性藥物的相應(yīng)規(guī)定對(duì)于含有手性因素的藥物傾向于發(fā)展單一對(duì)映體產(chǎn)品，鼓勵(lì)把已上市的外消旋藥物轉(zhuǎn)化為手性藥物（手性轉(zhuǎn)換）。對(duì)于申請(qǐng)新的外消旋藥物，則要求必須提供每個(gè)對(duì)映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果，不得將不同對(duì)映體作為相同物質(zhì)對(duì)待。這無疑大大增加了新藥以外消旋體上市的難度。對(duì)已上市的外消旋體藥物，可以單一立體異構(gòu)體形式作為新藥提出申請(qǐng)，并能得到專利保護(hù)。我國(guó)在不對(duì)稱合成研究領(lǐng)域起步較晚，在手性科學(xué)研究領(lǐng)域，尤其是不對(duì)稱合成和手性技術(shù)方面的總體水平與世界先進(jìn)國(guó)家之間存在不小的差距。最近幾年中，我國(guó)政府部門、研究機(jī)構(gòu)及科研人員已經(jīng)關(guān)注到手性科學(xué)及技術(shù)和手性藥物的研究，特別是其中有關(guān)的基礎(chǔ)研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委分別在“九五”和“十五”期間支持了“手性藥物的化學(xué)和生物學(xué)”及“手性和手性藥物研究中的若干科學(xué)問題研究”的重大研究項(xiàng)目。中國(guó)科學(xué)院也將“手性藥物的合成與拆分”列為重大項(xiàng)目。這對(duì)提升我國(guó)手性藥物的開發(fā)和生產(chǎn)能力，直接面對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)手性藥物的研究現(xiàn)狀各國(guó)對(duì)手性藥物的相應(yīng)規(guī)定對(duì)于含有手性因素的藥物傾向于發(fā)展10手性藥物的制備技術(shù)手性藥物的制備技術(shù)由化學(xué)控制技術(shù)和生物控制技術(shù)兩部分組成。該兩者具有一定的互補(bǔ)性，在手性藥物的生產(chǎn)過程中常交替使用。圖2手性藥物的制備技術(shù)分類手性藥物的制備技術(shù)手性藥物的制備技術(shù)由化學(xué)控制技術(shù)和生物控11根據(jù)原料的不同，制備手性藥物的方法主要分為四大類，即外消旋體拆分、不對(duì)稱合成、手性源合成和提取法。

外消旋體拆分對(duì)用一般的制備方法得到的外消旋體進(jìn)行拆分，可獲得單一對(duì)映體。拆分法盡管操作煩瑣，但一直是制備光學(xué)純異構(gòu)體的重要方法之一，在很多手性藥物的生產(chǎn)中得到應(yīng)用。其主要可分為結(jié)晶法拆分、動(dòng)力學(xué)拆分和色譜分離三大類。結(jié)晶法拆分又分為直接結(jié)晶法拆分和非對(duì)映異構(gòu)體拆分，分別適用于外消旋混合物和外消旋化合物的拆分。前者是在一種外消旋混合物的過飽和溶液中直接加入某一對(duì)映體的晶種，使該對(duì)映體優(yōu)先析出；后者是外消旋化合物與另一手性化合物（拆分劑，通常是手性酸或手性堿）作用生成兩種非對(duì)映異構(gòu)體鹽的混合物，然后利用兩種鹽的性質(zhì)差異用結(jié)晶法分離之。根據(jù)原料的不同，制備手性藥物的方法主要分為四大類，即外消旋體12色譜分離可分為直接法和間接法。直接法又分為手性固定相法和手性流動(dòng)相添加劑法。其中手性固定相法應(yīng)用較多，已發(fā)展成為噸級(jí)手性藥物拆分的工藝方法。間接法又稱為手性試劑衍生化法，是指外消旋體與一種手性試劑反應(yīng)，形成一對(duì)非對(duì)映異構(gòu)體，再用普通的正相或反相柱分離之。動(dòng)力學(xué)拆分法是利用兩個(gè)對(duì)映體在手性試劑或手性催化劑作用下反應(yīng)速度不同而使其分離的方法。依手性催化劑的不同，動(dòng)力學(xué)拆分又可分為生物催化動(dòng)力學(xué)拆分和化學(xué)催化動(dòng)力學(xué)拆分。前者主要以酶或微生物細(xì)胞為催化劑，后者主要以手性酸、手性堿或手性配體過渡金屬配合物為催化劑。色譜分離可分為直接法和間接法。直接法又分為手性固定相法和手性13不對(duì)稱合成所謂不對(duì)稱合成是指一個(gè)化合物（底物）中的非手性部分在反應(yīng)劑作用下轉(zhuǎn)化為手性單元，并產(chǎn)生不等量的立體異構(gòu)體的過程。其中，反應(yīng)劑可以是試劑、輔劑、催化劑等。

按照反應(yīng)劑的影響方式和合成方法的演變和發(fā)展，可將不對(duì)稱合成的方法粗略地劃分為四代。第一代方法，即底物控制方法，其通過手性底物中已經(jīng)存在的手性單元進(jìn)行分子內(nèi)定向誘導(dǎo)而在底物中產(chǎn)生新的手性單元。第二代方法也稱輔基控制法。它通過連接在底物上的手性輔基進(jìn)行分子內(nèi)定向誘導(dǎo)而實(shí)現(xiàn)手性控制。與第一代不對(duì)稱合成的不同點(diǎn)在于，起不對(duì)稱誘導(dǎo)作用的輔基要事先連接到底物上，并在反應(yīng)結(jié)束后除去。第三代方法，即試劑控制法，是通過手性試劑直接與非手性底物作用，產(chǎn)生手性產(chǎn)物的方法。與前兩代方法不同的是，其立體化學(xué)控制是依賴分子間的相互作用來實(shí)現(xiàn)的。不對(duì)稱合成按照反應(yīng)劑的影響方式和合成方法的演變和發(fā)展，可將不14第四代方法為催化劑控制法，它使用催化劑誘導(dǎo)非手性底物與非手性試劑反應(yīng)，向手性產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。其通過分子間的相互作用來實(shí)現(xiàn)立體化學(xué)控制。根據(jù)所用催化劑的不同，第四代方法又可分為化學(xué)催化法和生物催化法。迄今，用于不對(duì)稱合成的最好的反應(yīng)劑當(dāng)屬自然界中的酶，發(fā)展象酶催化體系一樣有效的化學(xué)催化體系是不對(duì)稱合成的重要發(fā)展方向。手性源合成手性源合成指的是以廉價(jià)易得的天然或合成的手性源化合物為原料，通過化學(xué)修飾方法將其轉(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物的方法。產(chǎn)物構(gòu)型既可能保持，也可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)或手性轉(zhuǎn)移。用于制備手性藥物的手性原料主要有三個(gè)來源，一是自然界中大量存在的手性化合物，如糖類、萜類、生物堿等；二是以大量廉價(jià)易得的糖類為原料經(jīng)微生物發(fā)酵得到的手性化合物，如氨基酸、羥基酸等簡(jiǎn)單手性化合物和抗生素、維生素、激素等復(fù)雜的手性化合物；三是以手性或前手性化合物為原料化學(xué)合成得到的手性化合物。盡管合成一個(gè)手性化合物最簡(jiǎn)便的方法是挑選結(jié)構(gòu)相近的手性源進(jìn)行手性源合成，但手性源合成法僅適用于能找到與產(chǎn)物具有相似結(jié)構(gòu)手性源的情況，故應(yīng)用受到一定的限制。第四代方法為催化劑控制法，它使用催化劑誘導(dǎo)非手性底物與非手15提取法在天然產(chǎn)物中，存在大量可直接作為藥物的手性化合物，如生物堿、維生素等。這些化合物可通過萃取、沉淀、層析、結(jié)晶等手段提取得到，如從紅豆衫的樹皮中提取對(duì)乳腺癌等有很好療效的抗腫瘤手性藥物紫杉醇。然而，該法也有其缺陷。首先，有些物質(zhì)在自然界中的含量極低，其分離純化十分困難；其次，自然界往往只給我們提供一種異構(gòu)體，其他構(gòu)型的異構(gòu)體可能不存在；此外，還有很多手性化合物在自然界根本不存在或尚未被發(fā)現(xiàn)，無法通過提取法得到這些物質(zhì)。提取法16

用于手性藥物制備的生物催化反應(yīng)氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)是向有機(jī)化合物分子中引入功能基團(tuán)的重要反應(yīng)之一，其在手性藥物的合成中具有重要的作用。用于手性藥物制備的催化氧化反應(yīng)的酶主要有單加氧酶、雙加氧酶和脫氫酶。單加氧酶（mono-oxygenases）催化的氧化反應(yīng)單加氧酶主要有細(xì)胞色素P450類單加氧酶以及黃素類單加氧酶，前者以鐵卟啉為輔基，后者以黃素為輔基。單加氧酶催化氧分子中的一個(gè)氧原子加入到底物分子中，另一個(gè)氧原子使還原型輔酶NADH或NADPH氧化并產(chǎn)生水（圖3）。可催化烷烴、芳香烴化合物的羥化、烯烴的環(huán)氧化、含雜原子化合物中雜原子的氧化以及酮的氧化等反應(yīng)，且反應(yīng)的立體選擇性較高。用于手性藥物制備的生物催化反應(yīng)氧化反應(yīng)單加氧酶（mon17常采用完整細(xì)胞作為催化劑。例如，假絲酵母屬、假單胞菌屬微生物細(xì)胞均能催化異丁酸不對(duì)稱羥化產(chǎn)生可用于合成維生素、抗生素的光學(xué)活性的β-羥基異丁酸。雙加氧酶(dioxygenases)催化的氧化反應(yīng)雙加氧酶催化氧分子的兩個(gè)氧原子加入到同一底物分子中（圖4）。常見的雙加氧酶有脂氧酶、過氧化物酶等，可催化烯烴的氫過氧化反應(yīng)、芳烴的雙羥基化反應(yīng)等。常采用完整細(xì)胞作為催化劑。例如，假絲酵母屬、假單胞菌屬微生18脫氫酶催化的氧化反應(yīng)脫氫酶可催化氧化和還原雙向可逆反應(yīng)。在底物為還原態(tài)、輔酶為氧化態(tài)NAD(P)＋時(shí)催化氧化反應(yīng)為主。其機(jī)理是催化底物脫氫，脫下來的氫與NAD(P)＋結(jié)合。脫氫酶催化的氧化反應(yīng)具有高度的立體選擇性。例如，馬肝醇脫氫酶（HLADH）可催化外消旋醇對(duì)映選擇性地氧化而使之得以拆分(圖5)。圖5馬肝醇脫氫酶催化氧化反應(yīng)拆分二元醇脫氫酶催化的氧化反應(yīng)脫氫酶可催化氧化和還原雙向可逆反應(yīng)。在底19還原反應(yīng)生物催化的還原反應(yīng)在手性藥物的合成中具有重要的應(yīng)用。氧化還原酶類可以催化酮或者醛羰基以及潛手性烯烴的不對(duì)稱還原，使?jié)撌中缘孜镛D(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物。在酶促底物加氫的同時(shí)，還原型輔酶轉(zhuǎn)化為氧化型輔酶。由于輔酶一般不太穩(wěn)定，且價(jià)格昂貴，能否將輔酶再生循環(huán)使用，即將氧化型輔酶轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型輔酶就成為制約該反應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的重要因素。目前主要通過在反應(yīng)過程中添加輔助性底物（底物偶聯(lián)法）、利用兩個(gè)平行氧化還原酶系統(tǒng)（酶的偶聯(lián)法）以及完整細(xì)胞還原體系等實(shí)現(xiàn)輔酶再生(圖6)。圖6

生物催化的還原反應(yīng)還原反應(yīng)生物催化的還原反應(yīng)在手性藥物的合成中具有重要的應(yīng)用20催化常用于手性藥物制備的還原反應(yīng)的酶主要有酵母醇脫氫酶(YADH)、馬肝醇脫氫酶（HLADH）、布氏熱厭氧菌醇脫氫酶和羥基甾體脫氫酶(HSDH)等。它們可立體選擇性地催化酮還原為手性仲醇，其選擇性一般遵循Prelog規(guī)則，即它們催化氫負(fù)離子從空間位阻較小方向進(jìn)攻羰基，形成構(gòu)象穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)中間體。但也有一些微生物的醇脫氫酶催化還原反應(yīng)時(shí)不遵循Prelog規(guī)則，如假單胞菌屬的醇脫氫酶。

酵母細(xì)胞內(nèi)含有可催化還原反應(yīng)的多種酶和輔酶，用其作為生物催化劑可省去酶的分離純化步驟，同時(shí)不需要添加昂貴的輔酶或額外的輔酶再生循環(huán)系統(tǒng)，因之，可大大降低生產(chǎn)成本。必須指出的是，酵母細(xì)胞催化的生物轉(zhuǎn)化由于副反應(yīng)而變得復(fù)雜，同時(shí)可能會(huì)使產(chǎn)物的分離純化比較困難。另外，細(xì)胞和底物的理想的相互作用在實(shí)踐中很少見。理想的相互作用包括底物和產(chǎn)物均能透過細(xì)胞膜，它們?cè)诎l(fā)酵液中可溶，不使目標(biāo)酶失活。且反應(yīng)具有高轉(zhuǎn)化率和高選擇性。催化常用于手性藥物制備的還原反應(yīng)的酶主要有酵母醇脫氫酶(Y21

游離酵母細(xì)胞和固定化酵母細(xì)胞均可用于催化還原反應(yīng)。酵母細(xì)胞可催化單羰基化合物的還原、雙羰基化合物的還原、硫羰基和硫取代的化臺(tái)物的還原及含氮羰基化臺(tái)物的還原。

酵母細(xì)胞還能催化非天然的有機(jī)硅酮的不對(duì)稱還原。不同酵母細(xì)胞的底物專一性有一定的差異。如，面包酵母細(xì)胞催化含有芳香基團(tuán)的有機(jī)硅酮的不對(duì)稱還原時(shí)，產(chǎn)物的收率及對(duì)映體純度均可達(dá)90%以上；若底物中不含芳香基團(tuán)，該反應(yīng)的產(chǎn)率及產(chǎn)物的對(duì)映體純度均較低。而釀酒酵母細(xì)胞能催化不含芳香基團(tuán)的三甲基硅乙酮（ATMS）的不對(duì)稱還原(圖7)，在最適的反應(yīng)條件下，最高產(chǎn)率及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物光學(xué)純度分別為96.8％和95.7％(LouWY,ZongMH,etal.EnzymeandMicrobialTechnology,2004,35(2-3):190-196)。圖7Saccharomycescerevisiae釀酒酵母細(xì)胞催化ATMS不對(duì)稱還原反應(yīng)游離酵母細(xì)胞和固定化酵母細(xì)胞均可用于催化還原反應(yīng)。酵母細(xì)胞22

水解反應(yīng)及其逆反應(yīng)在手性藥物及其中間體的制備中應(yīng)用最為廣泛的水解反應(yīng)及其逆反應(yīng)主要有酯水解、腈水解、環(huán)氧化合物水解、酰胺水解、酯化、酰胺化等（圖8）。圖8

生物催化的水解反應(yīng)的主要類型水解反應(yīng)及其逆反應(yīng)在手性藥物及其中間體的制備中應(yīng)用最為廣泛23

常用的脂肪酶主要有豬胰腺脂肪酶、假絲酵母屬脂肪酶、假單胞菌屬脂肪酶和毛酶屬脂肪酶。不同來源的脂肪酶，其氨基酸殘基的數(shù)量從270到641個(gè)不等，且疏水性氨基酸殘基比親水性氨基酸殘基多。雖然這些脂肪酶的氨基酸序列大不相同，但都具有一個(gè)共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即含有β-折疊的核和被α-螺旋包圍并指向酶的活性中心的三元復(fù)合物，這個(gè)復(fù)合物由Asp-His-Ser或His-Ser-Glu組成。研究表明，組氨酸（His）和絲氨酸（Ser）是酶活性部位的必需氨基酸殘基。其活性部位的三元復(fù)合物與其它氨基酸在脂肪酶分子的中心形成的一個(gè)疏水性“套子”，表面是一個(gè)由疏水作用和靜電作用所穩(wěn)定的α-螺旋片段組成的“蓋”或“罩”，它覆蓋著脂肪酶的活性部位，不同脂肪酶其“蓋”或“罩”的結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致其催化特性的不同。研究開發(fā)不同種類的脂肪酶可擴(kuò)展其在手性合成中的應(yīng)用。近期的研究表明，許多脂肪酶在綠色反應(yīng)介質(zhì)離子液體中能催化酯的不對(duì)稱水解，且選擇性和穩(wěn)定性高于其在水中的對(duì)應(yīng)值。例如，Mohile等報(bào)道在離子液體-緩沖液混合反應(yīng)介質(zhì)中，皺落假絲酵母脂肪酶（CRL）能高效地催化2-(4-氯苯氧基)丙酸丁酯不對(duì)稱水解，所得到的產(chǎn)物(R)-2-(4-氯苯氧基)丙酸的對(duì)映體純度（99％e.e.以上）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在水相中的相應(yīng)值（47％e.e.），并且在離子液體中CRL的熱穩(wěn)定性也提高了。酯水解反應(yīng)常用的脂肪酶主要有豬胰腺脂肪酶、假絲酵母屬脂肪酶、假單胞菌24

酯酶能較好地識(shí)別手性中心在水解反應(yīng)位點(diǎn)附近的底物分子，但酯酶催化極性或高親水性化合物水解反應(yīng)的效率不高。常用于催化酯水解反應(yīng)的酯酶主要有豬肝酯酶和各種微生物酯酶。催化酯水解反應(yīng)的微生物酯酶既可以是離體酶，也可以是完整的微生物細(xì)胞?？莶輻U菌、芽孢桿菌、產(chǎn)氨短桿菌和面包酵母等都是常用于催化酯水解的微生物。例如，芽孢桿菌細(xì)胞能立體選擇性地催化一種羥基醛羧酸酯衍生物的水解，得到一種高對(duì)映體純度的α-羥基醛縮丙二硫醇衍生物。又如，面包酵母細(xì)胞能能催化外消旋的乙酸-1-炔-3-醇酯的不對(duì)稱水解，從而實(shí)現(xiàn)該外消旋體的拆分。許多蛋白酶，如胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、枯草桿菌蛋白酶、米曲霉蛋白酶等都能選擇性地催化天然或者非天然的羧酸酯的水解。如α-胰凝乳蛋白酶能催化外消旋α-硝基丁酯不對(duì)稱水解生成不穩(wěn)定D-α-硝基羧酸，其自發(fā)脫羧生成仲硝基化合物，產(chǎn)率和產(chǎn)物對(duì)映體純度都很高；在離子液體中，許多蛋白酶均能維持其催化活性構(gòu)象，并表現(xiàn)出較高的選擇性和穩(wěn)定性。如婁文勇等在用木瓜蛋白酶催化對(duì)羥基苯甘氨酸甲酯不對(duì)稱水解反應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，以含12.5％離子液體（1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽）的磷酸緩沖液(50mM，pH7.0)作為反應(yīng)介質(zhì),產(chǎn)率和產(chǎn)物對(duì)映體純度均大大高于在水相、有機(jī)溶劑中進(jìn)行該反應(yīng)所獲得的對(duì)應(yīng)值（圖9）(LouWY,ZongMH,WuH.BiocatalysisandBiotransformation,2004,22(3):171-176)。酯酶能較好地識(shí)別手性中心在水解反應(yīng)位點(diǎn)附近的底物分子，但酯25圖9離子液體-緩沖液混合溶劑中酶促對(duì)羥基苯甘氨酸甲酯不對(duì)稱水解反應(yīng)腈水解反應(yīng)在有機(jī)合成中，腈是一類重要的化合物，它可以方便地通過化學(xué)合成得到，而且可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成具有更高價(jià)值的酰胺和羧酸。但是利用化學(xué)手段將腈轉(zhuǎn)變成酰胺或羧酸通常要求高溫、昂貴的試劑，或者需要在強(qiáng)酸(6mo1/L鹽酸)或強(qiáng)堿(2mol/L氫氧化鈉溶液)條件下進(jìn)行，在后續(xù)的中和反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生大量鹽。而酶促腈水解在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)擁有以下優(yōu)勢(shì)：溫和的反應(yīng)條件，高選擇性，產(chǎn)物純度高，無副產(chǎn)物及鹽、金屬類廢物。圖9離子液體-緩沖液混合溶劑中酶促對(duì)羥基苯甘氨酸甲酯不對(duì)稱26酶促腈水解有兩條途徑，其一，通過腈水合酶轉(zhuǎn)化為酰胺，再由酰胺酶催化其水解為相應(yīng)的羧酸；其二，由腈水解酶直接催化其水解為羧酸。酶催化腈水解反應(yīng)不僅得到光學(xué)活性羧酸,而且還能合成光學(xué)活性酰胺化合物,后者可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為光學(xué)活性胺和其它含氮化合物。故腈的酶法水解已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)活性氨基酸、酰胺、羧酸及其衍生物的合成（圖10）。腈水合酶催化腈轉(zhuǎn)化為相應(yīng)酸的兩步酶轉(zhuǎn)化過程中的第一步，即腈化合物水合轉(zhuǎn)化為酰胺的過程。這些酶是金屬酶，酶分子中含有鐵或鈷，存在于多種革蘭氏陽(yáng)性和陰性細(xì)菌中。圖10酶法腈水解的途徑

酶促腈水解有兩條途徑，其一，通過腈水合酶轉(zhuǎn)化為酰胺，再由酰胺27腈水解酶直接催化腈水解得到相應(yīng)的羧酸。相對(duì)于腈水合酶而言，腈水解酶的立體選擇性較高。它們主要以芳香腈為底物，較少以脂肪腈為底物。立體專一的腈水解酶可用于光學(xué)活性氨基酸、脂肪酸、羥基酸等的合成。

例如，固定化于海藻酸鹽的Acinetobactersp．APN（不動(dòng)桿菌）菌株的細(xì)胞產(chǎn)生的L專一的腈水解酶能催化α-氨基腈水解轉(zhuǎn)變成有光學(xué)活性的L-氨基酸。2-芳基丙酸是一類重要的抗炎藥物，而且僅(S)-異構(gòu)體具有生物活性。在這類化合物中，(S)-萘普生、(S)-布洛芬、(S)-酮洛芬是最成功的藥物?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)能選擇性地催化2-芳基丙腈水解為(S)-芳基丙酸的腈水解酶。例如，可用R.rhodochrousATCC21197菌株中的立體選擇性腈水解酶轉(zhuǎn)化2-芳基丙腈為相應(yīng)的(S)-芳基丙酸。其中合成2-(4-甲氧基苯基)丙酸的化學(xué)收率和產(chǎn)物的對(duì)映體過量最高，分別為46％和99％。腈水合酶一般對(duì)映體選擇性較低，迄今，腈水合酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物e.e.高于75％的例子很少，但也有一些來源的腈水合酶具有較高的對(duì)映體選擇性。如在Rhodococcussp．AJ270所產(chǎn)腈水合酶用于以腈為原料制備(R)-2-苯基丁酰胺，產(chǎn)物的對(duì)映體過量可達(dá)到80％以上，該反應(yīng)不生成副產(chǎn)物酸。腈水解酶直接催化腈水解得到相應(yīng)的羧酸。相對(duì)于腈水合酶而言，28環(huán)氧化物水解圖11生物催化芳香族環(huán)氧化合物水解環(huán)氧化物是一類重要的有機(jī)合成物，是許多生物活性物質(zhì)合成的原料，因此，其在有機(jī)合成中被廣泛地利用。一般可用化學(xué)法制備環(huán)氧化物，但反應(yīng)的立體選擇性不高。環(huán)氧化物水解酶能催化環(huán)氧化物進(jìn)行區(qū)域和對(duì)映體選擇性水解，從而能用于制備所需構(gòu)型的環(huán)氧化物。

環(huán)氧化物水解酶廣泛存在于哺乳動(dòng)物、植物、昆蟲、絲狀真菌、細(xì)菌以及赤酵母中。在哺乳動(dòng)物中，環(huán)氧化物水解酶在外源性化合物，尤其是芳香烴化合物的代謝中發(fā)揮重要作用。環(huán)氧化物水解酶將芳香烴經(jīng)單加氧酶催化氧化得到的、具有致畸、致癌作用的芳烴環(huán)氧化物水解為生物惰性的反式1,2-二醇，后者可被生物體進(jìn)一步分解代謝和排泄。環(huán)氧化物水解圖11生物催化芳香族環(huán)氧化合物水解環(huán)氧化物29

迄今為止已發(fā)現(xiàn)的哺乳動(dòng)物環(huán)氧化物水解酶按酶活性和生化特征可分為5類，即可溶性環(huán)氧化物水解酶(sEHs，也稱脆質(zhì)環(huán)氧化物水解酶)、微粒體環(huán)氧化物水解酶(mEHs)、白三烯A4水解酶(LTA4H)、膽固醇環(huán)氧化物水解酶和hepoxilin水解酶。環(huán)氧化物水解酶不僅能從哺乳動(dòng)物肝細(xì)胞中，也能從微生物，如巨大芽孢桿菌、棒桿菌、假單胞菌屬以及真菌如Ulocladiumatrum和Zopfiellakarachiensis中純化得到。最近，從紅球菌NCIMBll216株和諾卡氏菌TBl株中純化并鑒定了兩種環(huán)氧化物水解酶，它們具有高活性和高對(duì)映選擇性。

環(huán)氧化物水解酶不僅能從哺乳動(dòng)物肝細(xì)胞中，也能從微生物細(xì)胞，如巨大芽孢桿菌、棒桿菌、假單胞菌屬以及真菌如Ulocladiumatrum和Zopfiellakarachiensis中純化得到。最近，從紅球菌NCIMBll216株和諾卡氏菌TBl株中純化并鑒定了兩種環(huán)氧化物水解酶，它們具有高活性和高對(duì)映選擇微生物環(huán)氧化物水解酶在手性合成中的應(yīng)用尚不多，主要用于催化單取代環(huán)氧乙烷、2,2-雙取代環(huán)氧化物、2,3-雙取代環(huán)氧乙烷、環(huán)狀2,3-二取代環(huán)氧化物、三取代環(huán)氧化臺(tái)物等的水解。

由于可用于制備多種光學(xué)純的環(huán)氧化合物和1,2-二醇，微生物來源的環(huán)氧化物水解酶近期備受重視。細(xì)菌環(huán)氧化物水解酶具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，不需輔助因子、可采用凍干細(xì)胞和粗酶制劑代替純酶、穩(wěn)定性好等。可以預(yù)言，在不久的將來，微生物環(huán)氧化物水解酶將廣泛應(yīng)用于光學(xué)純環(huán)氧化物和鄰二醇的制備。迄今為止已發(fā)現(xiàn)的哺乳動(dòng)物環(huán)氧化物水解酶按酶活性和生化特征可30酰胺水解酰胺水解是制備廣泛用于手性藥物合成的光學(xué)活性氨基酸的重要途徑。常用于催化酰胺水解的酶主要有氨基酰胺酶、氨基酰化酶、乙內(nèi)酰脲酶等。圖12氨基酰胺酶催化氨基酰胺水解拆分酰胺水解酰胺水解是制備廣泛用于手性藥物合成的光學(xué)活性氨基31氨基酰胺酶又稱氨肽酶，存在于動(dòng)物腎臟、胰腺和多種微生物，尤其是假單胞菌、紅球菌、分支桿菌和曲霉屬的微生物中。它能催化外消旋氨基酸酰胺不對(duì)稱水解生產(chǎn)L-氨基酸，L-氨基酸和未水解的D-氨基酸酰胺的溶解度不同，可據(jù)此將它們分離，得到光學(xué)純度較高的L-氨基酸。通過氨基酰胺酶催化酰胺水解制備光學(xué)活性的氨基酸具有許多優(yōu)勢(shì)，如前體物很容易得到；可用微生物細(xì)胞作催化劑，價(jià)格便宜，且避免很復(fù)雜的分離純化酶的過程；可制備高對(duì)映體純度的L-α-氨基酸和D-α-氨基酸。圖13?；复呋wL-N-酰基氨基酸水解拆分氨基酰胺酶又稱氨肽酶，存在于動(dòng)物腎臟、胰腺和多種微生物，尤32氨基酰化酶能選擇性地催化L-N-酯酰氨基酸水解，生成L-氨基酸。霉菌、細(xì)菌、放線菌等微生物細(xì)胞菌產(chǎn)氨基?；福撁敢材芤载i腎為原料提取。氨基?；复呋孽０匪夥磻?yīng)不但可用于多種光學(xué)活性氨基酸，如L-蛋氨酸、L-苯丙氨酸、L-色氨酸、L-纈氨酸等的生產(chǎn)，還能用于半合成抗生素，如氨芐青霉素的合成。1969年，日本田邊制藥公司首次采用固定化氨基?；高M(jìn)行DL-氨基酸的工業(yè)規(guī)模的拆分，連續(xù)生產(chǎn)L-氨基酸，生產(chǎn)成本僅為采用游離酶生產(chǎn)成本的60%左右,開創(chuàng)了固定化酶工業(yè)化生產(chǎn)的先河。乙內(nèi)酰脲酶也稱海因酶，能催化5-取代乙內(nèi)酰脲水解得到的N-氨甲?；?α-氨基酸可通過亞硝酸或氨甲酰酶催化水解轉(zhuǎn)變?yōu)棣?氨基酸。由于既有L-氨甲酰酶，又有D-氨甲酰酶,且乙內(nèi)酰脲酶和氨甲酰酶的底物范圍均很廣，通過這些酶的作用，可將許多不同結(jié)構(gòu)的5-取代乙內(nèi)酰脲轉(zhuǎn)化為光學(xué)純的氨基酸。該法已在光學(xué)活性的非天然L-α-氨基酸和D-α-氨基酸的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。如圖14所示。例如，D-苯甘氨酸、D-對(duì)羥基苯甘氨酸、L-對(duì)氯苯丙氨酸等均可采用該法制備。氨基?；改苓x擇性地催化L-N-酯酰氨基酸水解，生成L-氨33圖14海因酶催化海因水解制備氨基酸圖14海因酶催化海因水解制備氨基酸34氨解反應(yīng)近年來的研究表明,許多水解酶類,如脂肪酶、蛋白酶等,不僅可以催化水解反應(yīng),而且能夠在非水介質(zhì)中催化其逆反應(yīng)，例如，它們能催化以氨、胺或者肼為非天然?；荏w的酯或酸的氨解反應(yīng)，形成酰胺。與傳統(tǒng)的化學(xué)法相比,通過酶促酯或酸氨解的途徑使之酰胺化具有條件溫和、專一性強(qiáng)、催化效率高的優(yōu)點(diǎn)。酶促酯氨解反應(yīng)的機(jī)理為：酶活性中心絲氨酸殘基中的羥基親核進(jìn)攻酯中的羰基碳，形成酶-酰基中間體,之后親核試劑氨、胺或者肼進(jìn)攻酶-酰基中間體，形成產(chǎn)物酰胺，酶同時(shí)恢復(fù)其原形。所形成的產(chǎn)物酰胺廣泛應(yīng)用手性藥物的合成。近年來，人們對(duì)有機(jī)介質(zhì)中酶促酯的氨解反應(yīng)進(jìn)行了廣泛研究。來自CandidaantarcticatypeB(Novozym435)的脂肪酶因具有耐高濃度氨的能力而能有效地催化酯的不對(duì)稱氨解,在有機(jī)溶劑中生成穩(wěn)定的酰胺。由于許多酰胺在有機(jī)溶劑中溶解度低,因此在氨解反應(yīng)過程中易于從反應(yīng)體系析出,這不但能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的在線分離,而且有利于平衡向產(chǎn)物形成的方向移動(dòng)。氨解反應(yīng)近年來的研究表明,許多水解酶類,如脂肪酶、蛋白酶35酶促酯氨解反應(yīng)可用于外消旋氨基酸的動(dòng)力學(xué)拆分。例如，Ｄ-苯甘氨酸是氨芐青霉素、頭孢氨芐和頭孢拉定等藥物的重要側(cè)鏈，利用脂肪酶催化外消旋苯甘氨酸甲酯對(duì)映體選擇性氨解反應(yīng)可制備高光學(xué)純度的Ｄ-苯甘氨酸。研究發(fā)現(xiàn)。在反應(yīng)體系中添加一些鹽或表面活性劑能有效地提高酶的氨解活性和對(duì)映體選擇性。在離子液-叔丁醇混和反應(yīng)介質(zhì)中，Novozym435能高效地催化對(duì)羥基苯甘氨酸甲酯與氨基甲酸銨不對(duì)稱氨解反應(yīng)，其反應(yīng)速度和對(duì)映體選擇性均顯著高于不含離子液體反應(yīng)體系中的相應(yīng)值（圖15）(LouWY,ZongMH,WuH,etal.Greenchemistry,2005,7(7):500-506)。圖15含離子液體介質(zhì)中脂肪酶促對(duì)羥基苯甘氨酸酯不對(duì)稱氨解反應(yīng)酶促酯氨解反應(yīng)可用于外消旋氨基酸的動(dòng)力學(xué)拆分。例如，Ｄ-36酯化反應(yīng)酯化，這一受熱力學(xué)限制不可能在水介質(zhì)中發(fā)生的反應(yīng)，可在非水介質(zhì)中被多種酶，如脂肪酶、蛋白酶等催化。該反應(yīng)在有機(jī)合成中特別有用，因?yàn)檫@些酶可催化大量不同類型的有機(jī)化合物的酯化，并具有高度立體選擇性。圖16脂肪酶PSL催化外消旋醇不對(duì)稱酯化（或?；┟复脔セ磻?yīng)在手性合成中已有許多應(yīng)用。例如,C.rugosa脂肪酶能高對(duì)映選擇性地催化外消旋-2-羥基壬酸與正丁醇在甲苯中發(fā)生酯化反應(yīng)，所獲產(chǎn)物的光學(xué)純度很高，可用于合成抗微生物制劑(4R,7S)-7-甲氧基十四烷-4-烯酸。酯化反應(yīng)酯化，這一受熱力學(xué)限制不可能在水介質(zhì)中發(fā)生的反應(yīng)37以酸酐為?；w進(jìn)行醇的酰化反應(yīng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如避免逆反應(yīng)、有利于反應(yīng)體系中水含量的控制。在有機(jī)介質(zhì)中，當(dāng)脂肪酶催化酸酐與外消旋醇進(jìn)行酯化反應(yīng)時(shí)，后者可被拆分。酶催化醇與外消旋環(huán)狀酸酐或內(nèi)消旋環(huán)狀酸酐的酯化反應(yīng)，能對(duì)映選擇性地打開環(huán)狀酸酐的環(huán)，是制備高光學(xué)純度酯的好方法。乙烯基?；镒黪；w。在這個(gè)反應(yīng)中，由于反應(yīng)產(chǎn)物乙烯醇發(fā)生異構(gòu)作用，生成乙醛，且該異構(gòu)反應(yīng)是不可逆的，因此阻止了逆反應(yīng)的發(fā)生。但是乙醛在有機(jī)介質(zhì)中易與某些脂肪酶如C.rugosa脂肪酶分子中的賴氨酸殘基形成Schiff堿，使酶的活性降低甚至失活。最近，我們通過將反應(yīng)置于離子液體中進(jìn)行，有效地解除了乙醛對(duì)脂肪酶的失活作用(圖17)(LouWY,ZongMH.Chirality,2006,18(10):814-821)。

圖17離子液體或有機(jī)溶劑中脂肪酶促(R,S)-1-三甲基硅乙醇與乙酸乙烯酯不對(duì)稱酰化反應(yīng)以酸酐為?；w進(jìn)行醇的酰化反應(yīng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如避免逆反應(yīng)38裂合反應(yīng)裂合酶能夠催化含有C-C、C-N、C-O等鍵的化合物裂解為兩種化合物及其逆反應(yīng),常用的有醛縮酶、脫羧酶、水合酶、氰醇裂解酶（又名醇腈酶）等。醛縮酶能不對(duì)稱催化作為供體的親核性酮與作為受體的親電性醛的不對(duì)稱加成，形成C-C鍵，并能使醛的碳鏈延長(zhǎng)2-3個(gè)碳單位，該反應(yīng)可逆并且立體選擇性可控，在有機(jī)合成中很有用，常用于糖，如氨基糖等的合成。絕大多數(shù)醛縮酶對(duì)底物醛結(jié)構(gòu)的要求很高（常為乙醛），但對(duì)底物酮的結(jié)構(gòu)特異性不高?，F(xiàn)已研究過40多種醛縮酶，這些酶的天然底物是碳水化合物，因此醛縮酶催化碳水化合物合成的研究較多。根據(jù)供體底物的類型，可以將醛縮反應(yīng)分為四組,見表2。

用于催化C-C鍵形成的醛縮酶對(duì)于具有生物活性的復(fù)雜多官能團(tuán)分子的不對(duì)稱合成特別有用，且專一性高，近年來，其在手性合成中的應(yīng)用發(fā)展很快。例如，兔肌肉醛縮酶可以催化其天然底物的結(jié)構(gòu)類似物如含氮或含硫糖以及脫氧糖的合成；又如L-蘇氨酸醛縮酶很夠催化β-羥基-α-氨基酸的合成。裂合反應(yīng)裂合酶能夠催化含有C-C、C-N、C-O等鍵的化39第13章手性藥物課件40光學(xué)活性氰醇是一類重要的手性合成子，它可以很容易地轉(zhuǎn)化為α-羥基醛、α-氨基醇、β-羥基-α-氨基酸和α-羥基酸等許多光學(xué)活性化合物，因而廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥和精細(xì)化工等行業(yè)。醇腈酶（oxynitrilaseorhydroxynitrilelyase,HNL）催化醛或酮與HCN的不對(duì)稱加成是制備手性氰醇的重要途徑。根據(jù)存在FAD輔酶與否，可將醇腈酶分成兩類，其特性如表3所示。不含F(xiàn)AD的各種醇腈酶在底物專一性、分子量及其基因序列上均有較大的差異；含F(xiàn)AD的醇腈酶（FAD-醇腈酶）是一種單鏈糖基化的蛋白，其天然底物是(R)-(+)-扁桃腈，可水解(R)-(+)-扁桃腈生成HCN和苯甲醛。光學(xué)活性氰醇是一類重要的手性合成子，它可以很容易地轉(zhuǎn)化為α41EnzymesourceCo-enzymeNaturalsubstrateOptimumpHR/SselectivityPrunusamygdalus(almonds)FAD(R)-mandelonitrile5-6RLinumusitatissimum(seedlings)NoAcetonecyanohydrin,(R)-2-butanonecyanohydrin5.5RSorgumbilolor(gramineae)No(S)-4-hydroxy-mandelonitrile-SManihotesculenta(leaves)NoAcetonecyanohydrin,(S)-2-butanonecyanohydrin5.4SHeveabrasiliensis(leaves)NoAcetonecyanohydrin5.5-6S表3常見醇腈酶的特性EnzymesourceCo-enzymeNatural42

已知三葉膠樹和木薯醇腈酶的三維結(jié)構(gòu)，它們屬于α/β類水解酶，不含有FAD輔酶。根據(jù)產(chǎn)物的構(gòu)型，醇腈酶可分為(R)-醇腈酶和(S)-醇腈酶兩種類型。(R)-醇腈酶催化的底物特征如下：(1)芳香醛是最好的底物，其取代基可以在鄰位或?qū)ξ?；雜環(huán)芳烴如呋喃、噻吩類衍生物也是較好的底物；(2)鏈長(zhǎng)不超過6個(gè)碳原子的直鏈脂肪醛和α,β-不飽和醛以及α-位甲基取代的醛也可作為底物；(3)甲基酮可被轉(zhuǎn)化為氰醇，然而乙基酮的轉(zhuǎn)化率很低。而(S)-醇腈酶底物特異性高，但催化反應(yīng)的速度不及(R)-醇腈酶，產(chǎn)物的光學(xué)純度也不高。已知三葉膠樹和木薯醇腈酶的三維結(jié)構(gòu)，它們屬于α/β類水解酶43醇腈酶還能以非天然的有機(jī)硅酮為底物。例如，不同來源的醇腈酶均能在水/有機(jī)溶劑組成的兩相反應(yīng)介質(zhì)中催化有機(jī)硅酮與丙酮氰醇的不對(duì)稱轉(zhuǎn)氰反應(yīng)，制備光學(xué)活性的有機(jī)硅氰醇，該反應(yīng)具有高效性和高選擇性，在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，產(chǎn)率和產(chǎn)物的光學(xué)純度均高達(dá)99%以上(XuR,ZongMH,etal.AppliedMicrobiologyandBiotechnology,2004,66(1):27-33)。該酶在離子液體中也能保持一定的活性和較高的對(duì)映體選擇性(Lou

WY,XuR,ZongMH.BiotechnologyLetters,2005,27(18):1387-1390)。近年來，人們對(duì)HCN或三甲基硅腈與醛不對(duì)稱加成獲得手性醛氰醇進(jìn)行了廣泛的研究，并取得相當(dāng)好的結(jié)果。例如，早在1908年，人們就研究了杏仁醇腈酶催化苯甲醛與HCN加成生成扁桃腈的反應(yīng)，這是利用酶進(jìn)行不對(duì)稱合成的最早嘗試。由于在水相中同時(shí)發(fā)生非對(duì)映體選擇性的化學(xué)加成反應(yīng)，產(chǎn)物的對(duì)映體純度不高，故該反應(yīng)當(dāng)時(shí)未能應(yīng)用于有機(jī)合成中。在有機(jī)介質(zhì)中，化學(xué)加成反應(yīng)能被有效地抑制，故能獲得高對(duì)映體純的產(chǎn)物。該發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了醇腈酶催化手性氰醇合成的研究和實(shí)際應(yīng)用。醇腈酶還能以非天然的有機(jī)硅酮為底物。例如，不同來源的醇腈酶44

立體選擇性生物催化用于手性藥物及其中間體的制備生物催化劑為高度手性的催化劑，其催化反應(yīng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如，能在溫和的條件下發(fā)揮催化作用，減少在化學(xué)過程中常出現(xiàn)的異構(gòu)化、外消旋化等問題；且催化效率高；具有高度的立體選擇性,反應(yīng)產(chǎn)物的對(duì)映體過量（e.e.）有時(shí)可達(dá)100％；環(huán)境污染小。因此生物催化法是制備手性藥物的有效途徑之一。由于酶的底物譜通常較窄，應(yīng)用酶法合成一些非天然產(chǎn)物尚存在一定困難和局限性。目前,手性新藥的開發(fā),通常采用化學(xué)-酶法(chemo-enzymaticmethod)，即利用酶或微生物細(xì)胞作為催化劑對(duì)化學(xué)合成路線中某一個(gè)手性中間體進(jìn)行不對(duì)稱合成或拆分,再用其合成光學(xué)純的手性藥物。立體選擇性生物催化用于手性藥物及其中間體的制備生物催化劑45生物催化外消旋手性藥物及其中間體的拆分利用酶對(duì)對(duì)映體的識(shí)別作用，可有效地拆分外消旋藥物及其中間體的不同對(duì)映體。其主要特點(diǎn)是拆分效率和立體選擇性高、反應(yīng)條件溫和。外消旋藥物的拆分當(dāng)外消旋藥物分子中含有手性羥基、羧基或酯基時(shí)，可直接利用酶進(jìn)行拆分,獲得具有所需構(gòu)型的光學(xué)活性藥物。非甾體抗炎類藥物非甾體抗炎類藥物(nonsteroidalanti-inflammatoryagents)臨床上廣泛用于治療關(guān)節(jié)炎等人結(jié)締組織疾病。其活性成分是2-芳基丙酸衍生物CH3CHArCOOH,如萘普生(naproxen)、布洛芬(ibuprofen)、酮基布洛芬(ketoprofen)、氟比洛芬(flurbiprofen)等(圖18)。研究表明，該類藥物的的(S)-對(duì)映體具有較高活性，如(S)-萘普生在體內(nèi)的抗炎活性是(R)-對(duì)映體的28倍。目前，只有萘普生是以單一對(duì)映體的形式上市，其余均以外消旋體供藥，因此，近年來用酶法拆分2-芳基丙酸衍生物引起了人們的廣泛重視。生物催化外消旋手性藥物及其中間體的拆分利用酶對(duì)對(duì)映體的識(shí)別46圖182-芳基丙酸類非甾體消炎藥圖182-芳基丙酸類非甾體消炎藥47萘普生

萘普生是用量較大的一種非甾體消炎藥，世界年銷售額在十億美元以上。目前使用的光學(xué)純(S)-萘普生主要采用不對(duì)稱化學(xué)合成或合成消旋體再拆分法制備。近年來，用酶法拆分外消旋萘普生的研究報(bào)道甚多。意大利的Battistel等將柱狀假絲酵母脂肪酶CCL(Candidacylindracealipase)固定化在離子交換樹脂AmberliteXAD-7上，并裝填于500mL柱式反應(yīng)器中，連續(xù)水解外消旋體萘普生的乙氧基乙酯，在35℃下反應(yīng)1200h，得到18kg的光學(xué)純(S)-萘普生，且酶活幾乎無損失，該工藝極具工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值(圖19)。英國(guó)Chirtech公司通過篩選和分子進(jìn)化對(duì)一種酯酶進(jìn)行改造,提高了酶的立體選擇性。該酶只水解(S)-萘普生酯,底物濃度可達(dá)到150g/L,反應(yīng)殘留的(R)-萘普生酯可通過堿催化消旋化再拆分。產(chǎn)物可通過結(jié)晶分離,操作簡(jiǎn)單。該工藝目前在印度的ShasunChemicals公司進(jìn)行中試。萘普生48圖19固定化CCL催化外消旋萘普生酯水解圖19固定化CCL催化外消旋萘普生酯水解49布洛芬用馬肝酯酶選擇性水解拆分外消旋布洛芬乙酯可制備(S)-布洛芬(圖20)，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行11h,轉(zhuǎn)化率達(dá)40％時(shí),布洛芬的e.e.值為88％,殘留酯的e.e.值為60％，而當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到18h,轉(zhuǎn)化率為58％時(shí),布洛芬的e.e.值為66％，而殘留酯的e.e.值＞96％。酶法拆分布洛芬的另一途徑是采用選擇性酯化反應(yīng)。在有機(jī)溶劑中對(duì)布洛芬進(jìn)行酶促酯化反應(yīng)時(shí)加入少量的極性溶劑,可明顯提高酶的立體選擇性。例如在酯化反應(yīng)體系中加入二甲基甲酰胺后,產(chǎn)物(S)-布洛芬的e.e.值從57.5％增加到91％。布洛芬的酶法拆分目前已達(dá)到克級(jí)規(guī)模。

圖20布洛芬的酶法拆分布洛芬圖20布洛芬的酶法拆分505-羥色胺拮抗劑類藥物5-羥色胺(5-HT)是一種與精神疾病有關(guān)的重要的神經(jīng)遞質(zhì)?，F(xiàn)有一些藥物的毒性就在于其不能選擇性地與5-HT受體反應(yīng)。目前至少已發(fā)現(xiàn)7種5-HT受體。藥物與受體結(jié)合的親和力和選擇性在很大程度上受藥物的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)影響。目前，一種新的5-HT拮抗物MDL的活性(其中R異構(gòu)體的活性是S異構(gòu)體的100倍以上)是以前知名的5-HT拮抗物酮色林的活性的150倍，其原因在于(R)-MDL能夠高選擇性地與5-HT受體相結(jié)合。MDL的拆分可在有機(jī)相中進(jìn)行，選擇性酯化反應(yīng)的產(chǎn)物是(R,R)-酯,殘留的為(S,S)-醇，反應(yīng)過程如圖21所示。圖21脂肪酶拆分5-HT拮抗物MDL5-羥色胺拮抗劑類藥物5-羥色胺(5-HT)是一種與51粘多糖類藥物粘多糖類藥物索布瑞醇（sobrerol）是一種粘液溶解藥，其活性成分是(1S,5R)-反式索布瑞醇。將Pseudomonascepacialipase（PCL)吸附在硅藻土上，催化外消旋反式索布瑞醇酰化可將其拆分，制備(1S,5R)酯，再經(jīng)簡(jiǎn)單的化學(xué)水解得到(1S,5R)-反式索布瑞醇，產(chǎn)物的e.e.＞98％，產(chǎn)率25％（圖22）。圖22BCL催化外消旋反式索布瑞醇?；磻?yīng)粘多糖類藥物粘多糖類藥物索布瑞醇（sobrerol）是52手性藥物中間體的拆分

β-阻斷劑β-阻斷劑是一類重要的心血管藥，臨床上用于治療高血壓和心肌梗死類疾病。結(jié)構(gòu)通式為：ArOCH2CH(OH)CH2NHR，有普萘洛爾(propranolol，俗名“心得安”)、阿替洛爾(atenolol)和倍他洛爾(betaxolol)等二十多個(gè)品種。該類藥物的(S)-對(duì)映體活性顯著高于(R)-對(duì)映體，如(S)-心得安和(S)-美多心安的活性分別是其(R)-對(duì)映體的100、270～380倍。(S)-普萘洛爾是一類重要的β-阻斷劑，而其(R)-對(duì)映體則具有避孕作用?；瘜W(xué)法只能獲得外消旋的普萘洛爾。在現(xiàn)有的合成(S)-普萘洛爾的各種方法中，以圖23所示的途徑較為經(jīng)濟(jì)合理。從萘酚出發(fā)，采用PCL拆分萘氧氯丙醇酯，成功制備了(S)-普萘洛爾和(R)-普萘洛爾，產(chǎn)物的e.e.＞95％，產(chǎn)率48％。手性藥物中間體的拆分β-阻斷劑β-阻斷劑是一類重要的心血53圖23化學(xué)-酶法合成普萘洛爾圖23化學(xué)-酶法合成普萘洛爾54

環(huán)氧丙醇及其衍生物

手性環(huán)氧丙醇及其衍生物具有簡(jiǎn)單的甘油骨架和特殊的結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)，其作為光學(xué)活性化合物的重要中間體，具有很大的應(yīng)用潛力，被稱為通用型的多功能手性合成子。例如：手性環(huán)氧丙醇可作為前體，合成β-阻斷劑如普萘洛爾和阿替洛爾、治療愛滋病的HIV蛋白酶抑制劑、抗病毒藥物等。日本田邊制藥成功地用脂肪酶拆分了外消旋的甲基-3-(4-甲氧基苯基)環(huán)氧丙酯，制備了(-)-(2R,3S)-3-(4-甲氧基苯基)環(huán)氧丙酰胺(圖24),它是生產(chǎn)硫氮卓酮(一種心血管藥物)的手性前體，目前利用該技術(shù)可以達(dá)到年產(chǎn)數(shù)百噸規(guī)模。美國(guó)的Sepracor公司采用相似的技術(shù)在生物膜反應(yīng)器中制備手性環(huán)氧丙酯，規(guī)模達(dá)到數(shù)公斤。另外，荷蘭的DSM-Andeno公司開發(fā)了采用豬胰脂肪酶(Porcinepancreaticlipase，PPL)拆分外消旋丁酸環(huán)氧丙酯制備(R)-丁酸環(huán)氧丙酯的技術(shù)(圖25)，目前已達(dá)到工業(yè)水平，年產(chǎn)(R)-丁酸環(huán)氧丙酯數(shù)噸。環(huán)氧丙醇及其衍生物手性環(huán)氧丙醇及其衍生物具有簡(jiǎn)單的甘油55圖25脂肪酶催化外消旋丁酸環(huán)氧丙酯的拆分圖24脂肪酶催化外消旋3-甲基-(4-甲氧基苯基)環(huán)氧丙酯的拆分圖25脂肪酶催化外消旋丁酸環(huán)氧丙酯的拆分圖24脂肪酶催化56

α-酮基醇α-酮基醇是合成許多生物活性物質(zhì)的重要中間體，以前也曾嘗試過利用酵母催化α-酮基的還原反應(yīng)進(jìn)行拆分，但效果不理想。德國(guó)Adam等用脂肪酶對(duì)其進(jìn)行選擇性酯化(圖26)，取得了較好的效果：反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為58%，(S)-醇的e.e.值為98%。圖26α-酮基醇的酶法拆分α-酮基醇α-酮基醇是合成許多生物活性物質(zhì)的重要中間體57生物催化手性藥物及其中間體的不對(duì)稱合成不對(duì)稱合成是直接將潛手性底物轉(zhuǎn)化為所需的手性化合物，產(chǎn)物光學(xué)純度高，轉(zhuǎn)化率可接近100％。因此該法更簡(jiǎn)單，更具有工業(yè)化價(jià)值。手性藥物及其中間體合成中涉及的酶或微生物催化的反應(yīng)類型主要有氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、轉(zhuǎn)移和裂合反應(yīng)等。不對(duì)稱還原反應(yīng)用于不對(duì)稱還原反應(yīng)的氧化還原酶須有輔酶的參與，所需的輔酶絕大多數(shù)是NAD(H)及其相應(yīng)的磷酸酯NADP(H)，輔酶的價(jià)格昂貴且難以回收循環(huán)使用，而微生物細(xì)胞中不僅存在多種脫氫酶，具有廣泛的底物適應(yīng)性，而且所需的輔酶循環(huán)可由細(xì)胞自動(dòng)完成，同時(shí)酶和輔酶均保護(hù)于細(xì)胞的天然環(huán)境中，穩(wěn)定性較好，所以一般利用微生物細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng)。Broxatherol臨床上用作支氣管擴(kuò)張劑治療哮喘。其(S)-對(duì)映體活性至少是(R)-對(duì)映體的100倍。從一株高溫厭氧菌(Themoanerobiumbrockii)中分離的醇脫氫酶(TbADH)可催化其合成(圖27)。由于反應(yīng)過程消耗輔酶NADPH，需要在反應(yīng)體系中加入2-丙醇，作為電子供體在醇脫氫酶作用下將產(chǎn)生的NADP+還原為NADPH。生物催化手性藥物及其中間體的不對(duì)稱合成不對(duì)稱合成是直接將58圖27TbADH促不對(duì)稱合成(S)-Broxatherol(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸甲酯是一種通過抑制羥甲基戊二酰CoA(HMG-CoA)還原酶而起作用的膽固醇抑制劑1的關(guān)鍵手性合成子,可由前手性酮經(jīng)GeotrichumcandidumSC5469懸浮細(xì)胞催化還原合成。也可采用相同的方法合成具有類似作用的膽固醇抑制劑2的手性合成子(圖28)。圖27TbADH促不對(duì)稱合成(S)-Broxatherol59圖28微生物細(xì)胞催化還原反應(yīng)合成膽固醇抑制劑圖28微生物細(xì)胞催化還原反應(yīng)合成膽固醇抑制劑602S-(-)-4-氨基-2-羥基丁酸(S-AHBA)是半合成糖苷類抗生素丁氨卡那霉素的結(jié)構(gòu)單元,亦為神經(jīng)遞質(zhì)4-氨基丁酸最強(qiáng)的抑制劑,可由兩個(gè)酵母菌還原前手性酮合成(圖29)。圖29酵母細(xì)胞催化前手性酮不對(duì)稱還原制S-AHBA2S-(-)-4-氨基-2-羥基丁酸(S-AHBA)是半61不對(duì)稱氧化反應(yīng)

2001年,抗膽固醇藥物普伐他汀(Pravastatin)在全球的銷售量為3.6億美元。目前生產(chǎn)方法是兩步酶法：第一步是使用枯青霉菌(Penicilliumcitrinum)發(fā)酵生產(chǎn)前體compactin，第二步是利用放線菌S.caebophilus中的細(xì)胞色素氧化酶(cytochromeP450)區(qū)域和立體選擇性氧化compactin的C-3。最近Ykema等利用基因工程技術(shù),使細(xì)胞色素氧化酶P450的基因在枯青霉菌(Penicilliumcitrinum)中很好地表達(dá)，這樣可以使兩步法變成一步，可望大大節(jié)約成本，但目前發(fā)酵水平很低,仍需進(jìn)一步改進(jìn)。(+)-4-羥基-1,2-(R)-環(huán)氧丁烷是合成降壓藥(-)-γ-氨基-β-(R)-羥基丁酸(GABOB)的手性合成子，可由諾卡氏菌（Nocardia1P1）細(xì)胞催化4-羥基-1-丁烯環(huán)氧化制備(圖30)。圖30諾卡氏菌細(xì)胞催化4-羥基-1-丁烯環(huán)氧化反應(yīng)不對(duì)稱氧化反應(yīng)2001年,抗膽固醇藥物普伐他汀(P62光學(xué)活性的縮水甘油(GLD)可合成手性藥物如β-腎上腺素抑制劑、心血管藥等?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有幾種微生物乙醇氧化還原酶能立體選擇性氧化GLD。用綠膿桿菌、惡臭假單胞桿菌、食油假單胞桿菌、諾卡氏菌等細(xì)胞可將烯丙基醚不對(duì)稱氧化為(S)-(+)-芳基縮水甘油醚,e.e.值達(dá)100%，并以此手性中間體合成了兩個(gè)β-阻斷劑(S)-氨酰心安和(S)-美多心安(圖31)。圖31合成(S)-氨酰心安和(S)-美多心安光學(xué)活性的縮水甘油(GLD)可合成手性藥物如β-腎上腺素抑63轉(zhuǎn)移與裂合反應(yīng)L-多巴是L-酪氨酸的衍生物3,4-二羥基-L-苯丙氨酸，臨床上用于治療帕金森氏病。草生歐文氏菌(Erwiniaherbicola)ATCC21433)的酪氨酸-苯酚裂合酶（tyrosine-phenollyase），又稱β-酪氨酸酶(β-tyrosinase,EC4.1.99.2)可將鄰苯二酚(兒茶酚)、丙酮酸和氨縮合生成L-多巴。生產(chǎn)中采用靜態(tài)細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化法，即將發(fā)酵培養(yǎng)得到的草生歐文氏菌細(xì)胞懸浮于緩沖液中，催化鄰苯二酚和丙酮酸銨生成L-多巴（圖32）。圖32L-多巴的生物合成轉(zhuǎn)移與裂合反應(yīng)L-多巴是L-酪氨酸的衍生物3,4-二羥基64

L-麻黃堿18是從中藥麻黃中提取的生物堿，臨床上可用于治療哮喘。其活性成分為(1R，2S)-2-甲氨基-1-苯基丙醇。L-苯基乙酰基甲醇(L-Phenylacetylcarbinol,L-PAC)是其合成過程中的一個(gè)關(guān)鍵性中間體，可由丙酮酸脫羧酶(EC4.1.1.1)催化丙酮酸與苯甲醛縮合形成，然后再經(jīng)甲胺還原胺化即可得到L-麻黃堿18(圖33)。丙酮酸脫羧酶廣泛存在于酵母細(xì)胞中，特別是釀酒酵母和產(chǎn)朊假絲酵母中含量最多。由L-麻黃堿可進(jìn)一步得到構(gòu)型轉(zhuǎn)化的(1S,2S)-2-甲氨基-1-苯基丙醇19，俗稱D-偽麻黃堿19，其能與抗組胺藥配伍制成抗感冒和抗過敏藥物。圖33L-麻黃堿和D-偽麻黃堿的生物合成L-麻黃堿18是從中藥麻黃中提取的生物堿，臨床上可用于治療65

生物轉(zhuǎn)化過程實(shí)例乙醇脫氫酶(alcoholdehydrogenase)

來源于紅平紅球菌(Rhodococcuserythropolis)反應(yīng)條件底物濃度2.0g/L;pH:6.7;溫度:25℃;介質(zhì):水;反應(yīng)類型:還原反應(yīng);催化劑:溶解于反應(yīng)介質(zhì)中的游離酶;酶:乙醇-NAD+氧化還原酶(乙醇脫氫酶);菌株:紅平紅球菌生物轉(zhuǎn)化過程實(shí)例乙醇脫氫酶(alcoholdehydr66評(píng)注利用來自Candidaboidinii的甲酸鹽脫氫酶(formatedehydrogenase,FDH，ECl.2.1.2)通過將甲酸鹽氧化為CO2來達(dá)到輔酶再生：

該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)因其底物溶解度低而特別引入注目。底物直接滴加于水溶液。該過程由三個(gè)循環(huán)組成：(1)利用一個(gè)親水超濾膜截留酶；(2)水相反應(yīng)產(chǎn)物、底物和輔酶通過萃取模塊的管相進(jìn)行滲透；(3)有機(jī)溶劑相含有所萃取的產(chǎn)物和底物帶電荷的輔酶(NAD+／NADH)仍然在水溶液循環(huán)(1)和(2)中。因而，只有失活的輔酶需要替換。這樣獲得了經(jīng)濟(jì)可行的高總轉(zhuǎn)換數(shù)。萃取模塊由微孔、疏水中空纖維膜構(gòu)成。有機(jī)萃取溶劑利用連續(xù)蒸餾回收。產(chǎn)品保留在蒸餾柱底部。盡管底物溶解度低，但用這種方法可以獲得非常好的時(shí)空收率。評(píng)注該反應(yīng)器的設(shè)計(jì)因其底物溶解度低而特別引入注目。底物直67流程圖流程圖68過程參數(shù)轉(zhuǎn)化率:72％;產(chǎn)率:72％;選擇性（e.e.）:>99％;反應(yīng)器類型:CSTR;反應(yīng)體積:0.05L;停留時(shí)間:0.33h;時(shí)空收率:63.5g?L-1?d-1;下游處理過程:蒸餾;酶活:0.95U?mL-1;酶耗:3.5U?g-1產(chǎn)品用途

(S)-6-甲基-5-庚烯-2-醇[(S)-6-methyl-5-hepten-2-ol]是一種昆蟲信息素。(S)-l-苯基-2-丙醇[(S)-1-phenyl-2-propanol]是合成安非他明(amphetamine)的中間體。

(S)-4-苯基-2-丁醇[(S)-l-phenyl-2-butanol]可用作抗高血壓藥(antihypertensiveagent)和解痙或抗癲癇藥(spasmolyticsoranti-epileptics)的前體。過程參數(shù)產(chǎn)品用途(S)-6-甲基-5-庚烯-2-醇[69第13章手性藥物課件70

脂肪酶(lipase)EC3.1.1.3

洋蔥假單胞菌(Pseudomonascepacia)

反應(yīng)條件：1的濃度：0.049mol?L-1，10g·L-1，(205.21g·mol-1)pH:7.0；溫度：29℃；介質(zhì)：水反應(yīng)類型：羧酸酯水解；催化劑：固定化酶酶：三酰基甘油?；饷?脂肪酶，三酰基甘油酯酶)菌株：洋蔥假單胞茁(Pseudomonascepacia)CAS(酶)：[9001—62—1]脂肪酶(lipase)EC3.1.1.3洋蔥假單胞71評(píng)注

該酶通過吸附固定于聚丙烯小球上?？梢远啻沃貜?fù)利用。該固定化酶可以重復(fù)使用10次，且酶活、產(chǎn)率或產(chǎn)物光學(xué)純度均沒有明顯下降。水解速率為0.12g·L-1·h-1．重復(fù)10次后基本保持恒定。在反應(yīng)終了時(shí)，將反應(yīng)溫度降為5℃，攪拌速度從200r/min降為50r/min。產(chǎn)物(3R,4S)-吖丁啶酮乙酸酯[(3R,4S)-azetidinone]從反應(yīng)混合物中沉淀出來。固定化酶因?yàn)槠漭d體的疏水性而漂浮于反應(yīng)罐液面、可以通過簡(jiǎn)單的方法分離。過程參數(shù)轉(zhuǎn)化率:>96％；e.e.:>99．5％操作方式:批次反應(yīng)；反應(yīng)器體積：150L；生產(chǎn)能力：1.2千克／批下游處理過程:沉淀酶供應(yīng)商:AmanoInt.（日本）和Bristol-MyersSquibb（美國(guó)）公司:Bristol—MyersSquibb流程圖:未公布

評(píng)注過程參數(shù)流程圖:未公布72

產(chǎn)品用途(3R,4S)-吖丁啶酮乙酸酯是合成紫杉醇(paclitaxel)的中間體(商品名Taxol)(見圖3.1.1.3-2)。用于各種癌癥的治療。紫杉醇主要來源于太平洋紅豆杉Taxusbrevifolia的樹皮，該資源稀缺，且其紫杉醇含量極低(<0.02％，質(zhì)量分?jǐn)?shù))。半合成途徑：利用從歐洲紅豆杉Taxusbacata樹葉中分離出的四環(huán)二萜烯-10-去乙酰漿果赤霉素(tetracyclicditerpene10-deacetylbaccatin)(<0.1％，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可直接合成紫杉醇。注：更多實(shí)例祥見《手性藥物》word文檔產(chǎn)品用途注：更多實(shí)例祥見《手性藥物》word文檔73第13章手性藥物課件74Thanks!Thanks!75第十三章生物催化手性藥物制備第十三章76

手性藥物的基本知識(shí)

用于手性藥物制備的生物催化反應(yīng)

立體選擇性生物催化用于手性藥物及其中間體的制備

生物催化的優(yōu)勢(shì)

生物轉(zhuǎn)化過程實(shí)例手性藥物的基本知識(shí)用于手性藥物制備的生物催化反應(yīng)立體選77

手性藥物的基本知識(shí)手性是自然界的基本特征之一

手性（chirality，源于希臘文）即不對(duì)稱性，是用于表達(dá)化合物分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性的術(shù)語(yǔ)。

對(duì)映關(guān)系及對(duì)映體（enantiomer）人的手是不對(duì)稱的，左手和右手不能相互疊合，彼此的關(guān)系如同實(shí)物與鏡像，化學(xué)上將這種關(guān)系稱為對(duì)映關(guān)系。具有對(duì)映關(guān)系的兩個(gè)物體互為對(duì)映體?；衔锓肿又械脑优帕惺侨S的，因而，有時(shí)候在平面上看起來相同的分子結(jié)構(gòu)實(shí)際上代表不同的化合物。如乳酸的兩種構(gòu)型。手性藥物的基本知識(shí)手性是自然界的基本特征之一手性（chi78在生命的產(chǎn)生和演變過程中，自然界往往對(duì)手性化合物的一種對(duì)映體有所偏愛，例如組成多糖和核酸的單糖都為D-構(gòu)型，而構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種天然氨基酸均為L(zhǎng)-構(gòu)型（甘氨酸除外）。對(duì)于化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和藥學(xué)的理論和實(shí)踐，手性均具有重大的意義。手性藥物嚴(yán)格地說，手性藥物是指分子結(jié)構(gòu)中存在手性因素的藥物。通常所說的手性藥物是指由具有藥理活性的手性化合物組成的藥物，其中只含有效對(duì)映體或者以有效對(duì)映體為主。

藥物的藥理作用是通過其與體內(nèi)的大分子之間嚴(yán)格的手性識(shí)別和匹配而實(shí)現(xiàn)的，故不同對(duì)映體的藥理活性有所差異。在許多情況下，化合物的一對(duì)對(duì)映體在生物體內(nèi)的藥理活性、代謝過程、代謝速率及毒性等方面均存在顯著的差異，常出現(xiàn)以下幾種不同的情況。在生命的產(chǎn)生和演變過程中，自然界往往對(duì)手性化合物的一種對(duì)映體79一種對(duì)映體有藥理活性，而另一種無活性或活性很弱。如左氧氟沙星[S-（-）-對(duì)映體]的體外抗菌活性是R-（+）-對(duì)映體的8～128倍。又如沙丁胺醇和特布他林是兩個(gè)支氣管擴(kuò)張藥物，它們的R-對(duì)映體之藥效比S-對(duì)映體強(qiáng)80～200倍。兩種對(duì)映體具有完全不同的藥理活性，都可作為治療藥物。例如右旋丙氧吩是一種鎮(zhèn)痛劑，而左旋丙氧吩則是一種止咳劑，兩者表現(xiàn)出完全不同的生理活性。又如噻嗎心安的S-對(duì)映體是β-阻斷劑，而其R-對(duì)映體則用于治療青光眼。兩種對(duì)映體中一種有藥理活性，另一種不但沒有活性，反而有毒副作用。一個(gè)典型的例子是20世紀(jì)50年代末期發(fā)生在歐洲的“反應(yīng)?！笔录丛袐D因服用酞胺哌啶酮（俗稱反應(yīng)停）而導(dǎo)致短肢畸胎的慘劇。后來研究發(fā)現(xiàn)，酞胺哌啶酮的兩種對(duì)映體中，只有(R)-對(duì)映體具有鎮(zhèn)吐作用，而(S)-對(duì)映體是一種強(qiáng)力致畸劑。兩種對(duì)映體的藥理活性完全相反。如巴比妥類，DMBB[5-(1,3-二甲丁基)-5-乙基巴比妥]和MPPB[N-甲基-5-丙基-5-苯基巴比妥]，左旋體都具有麻醉活性，但右旋體卻起促驚厥作用。一種對(duì)映體有藥理活性，而另一種無活性或活性很弱。如左氧氟沙80兩種對(duì)映體的作用具有互補(bǔ)性。普萘洛爾的S-（－）-對(duì)映體的β受體阻斷作用比R-（＋）-強(qiáng)約100倍，而R-對(duì)映體對(duì)鈉通道有抑制作用，兩者在治療心律失常時(shí)有協(xié)同作用。故外消旋體用于治療心律失常的效果比單一對(duì)映體好。兩種對(duì)映體具有等同或相近的同一藥理活性。如強(qiáng)心藥SCH00013的兩種對(duì)映體的藥理作用相同。兩種對(duì)映體中，一種對(duì)映體為另一對(duì)映體的競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑。如左旋異丙腎上腺素是β受體激動(dòng)劑，而右旋異丙腎上腺素則為其競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑，且兩者與β受體的親和性相當(dāng)。對(duì)映體純手性藥物的研制和生產(chǎn)具有十分重要的意義。兩種對(duì)映體的作用具有互補(bǔ)性。普萘洛爾的S-（－）-對(duì)映體的81與手性藥物有關(guān)的術(shù)語(yǔ)立體異構(gòu)體、對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體立體異構(gòu)體（stereoisomers）是指由于分子中原子在空間上排列方式不同所產(chǎn)生的異構(gòu)體，可分為對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體兩大類。對(duì)映異構(gòu)體(enantiomers)是指分子間互相為不可重合的實(shí)物和鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體，常簡(jiǎn)稱為對(duì)映體。如（R）-乳酸和（S）-乳酸。非對(duì)映異構(gòu)體（diastereoisomers）是指分子中具有兩個(gè)或多個(gè)不對(duì)稱中心，并且其分子間互相不為實(shí)物和鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體。例如，D-赤蘚糖和D-蘇力糖。

對(duì)映選擇性和對(duì)映體過量對(duì)映選擇性（enatioselectivity）是指一個(gè)化學(xué)反應(yīng)所具有的能優(yōu)先生成（或消耗）一對(duì)對(duì)映體中的某一種的特性。對(duì)映體過量（enantiomericexcess，e.e.）指樣品中一個(gè)對(duì)映體對(duì)另一個(gè)對(duì)映體的過量，用于描述樣品的對(duì)映體組成，通常用百分?jǐn)?shù)來表示。

e.e.％＝[(S—R)/(S+R)]×100％可用手性色譜法、NMR法和旋光法等方法測(cè)定樣品的對(duì)映體過量。與手性藥物有關(guān)的術(shù)語(yǔ)立體異構(gòu)體、對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體82

光學(xué)活性、光學(xué)異構(gòu)體和光學(xué)純度光學(xué)活性(opticalactivity)試驗(yàn)觀察到的化合物將單色平面偏振光的平面向觀察者的右邊或左邊旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)。光學(xué)異構(gòu)體(opticalisomers)對(duì)映體的同義詞，現(xiàn)已不常用，因?yàn)橛幸恍?duì)映體在某些偏振光波長(zhǎng)下并無光學(xué)活性。光學(xué)純度(opticalpurity)根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的旋光度，計(jì)算而得的在兩個(gè)對(duì)映體混合物中，一個(gè)對(duì)映體所占的百分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)在常用對(duì)映體純度來代替。外消旋體和外消旋化外消旋體(raceme)也稱外消旋物或是指兩種對(duì)映體的等量混合物，可用（D,L）、（R,S）或（±）表示。外消旋體也稱外消旋物或外消旋混合物。外消旋化(racemization)一種對(duì)映體轉(zhuǎn)化為兩個(gè)對(duì)映體的等量混合物（即外消旋體）的過程。如果轉(zhuǎn)化后兩個(gè)對(duì)映體的量不相等，稱為部分消旋化。光學(xué)活性、光學(xué)異構(gòu)體和光學(xué)純度外消旋體和外消旋化83手性藥物的發(fā)展概況年份19981999200020012002200320042005銷售額(億美元)9911150123313561460155816531785增長(zhǎng)(%1全球手性藥物市場(chǎng)銷售情況

目前世界上正在開發(fā)的1200多種新藥中約有三分之二是手性化合物，單一異構(gòu)體占51％，2005年全球上市的新藥中將有60％為單一對(duì)映體藥物，估計(jì)在2010年手性藥物銷售額將超過2000億美元。全球手性藥物開發(fā)與銷售手性藥物的發(fā)展概況年份19981999200020012084各國(guó)對(duì)手性藥物的相應(yīng)規(guī)定對(duì)于含有手性因素的藥物傾向于發(fā)展單一對(duì)映體產(chǎn)品，鼓勵(lì)把已上市的外消旋藥物轉(zhuǎn)化為手性藥物（手性轉(zhuǎn)換）。對(duì)于申請(qǐng)新的外消旋藥物，則要求必須提供每個(gè)對(duì)映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果，不得將不同對(duì)映體作為相同物質(zhì)對(duì)待。這無疑大大增加了新藥以外消旋體上市的難度。對(duì)已上市的外消旋體藥物，可以單一立體異構(gòu)體形式作為新藥提出申請(qǐng)，并能得到專利保護(hù)。我國(guó)在不對(duì)稱合成研究領(lǐng)域起步較晚，在手性科學(xué)研究領(lǐng)域，尤其是不對(duì)稱合成和手性技術(shù)方面的總體水平與世界先進(jìn)國(guó)家之間存在不小的差距。最近幾年中，我國(guó)政府部門、研究機(jī)構(gòu)及科研人員已經(jīng)關(guān)注到手性科學(xué)及技術(shù)和手性藥物的研究，特別是其中有關(guān)的基礎(chǔ)研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委分別在“九五”和“十五”期間支持了“手性藥物的化學(xué)和生物學(xué)”及“手性和手性藥物研究中的若干科學(xué)問題研究”的重大研究項(xiàng)目。中國(guó)科學(xué)院也將“手性藥物的合成與拆分”列為重大項(xiàng)目。這