生物制藥第十一章-手性藥物課件

第十一章手性藥物第十一章

手性藥物的基本知識手性是自然界的基本特征之一

手性（chirality，源于希臘文）即不對稱性，是用于表達化合物分子結構不對稱性的術語。

對映關系及對映體（enantiomer）人的手是不對稱的，左手和右手不能相互疊合，彼此的關系如同實物與鏡像，化學上將這種關系稱為對映關系。具有對映關系的兩個物體互為對映體。化合物分子中的原子排列是三維的，因而，有時候在平面上看起來相同的分子結構實際上代表不同的化合物。如乳酸的兩種構型。手性藥物的基本知識手性是自然界的基本特征之一手性（chi

與手性藥物有關的術語

立體異構體、對映異構體和非對映異構體立體異構體（stereoisomers）是指由于分子中原子在空間上排列方式不同所產(chǎn)生的異構體，可分為對映異構體和非對映異構體兩大類。對映異構體(enantiomers)是指分子間互相為不可重合的實物和鏡像關系的立體異構體，常簡稱為對映體。如（R）-乳酸和（S）-乳酸。非對映異構體（diastereoisomers）是指分子中具有兩個或多個不對稱中心，并且其分子間互相不為實物和鏡像關系的立體異構體。例如，D-赤蘚糖和D-蘇力糖。

對映選擇性和對映體過量對映選擇性（enatioselectivity）是指一個化學反應所具有的能優(yōu)先生成（或消耗）一對對映體中的某一種的特性。對映體過量（enantiomericexcess，e.e.）指樣品中一個對映體對另一個對映體的過量，用于描述樣品的對映體組成，通常用百分數(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定樣品的對映體過量。與手性藥物有關的術語立體異構體、對映異構體和非對映異構體

光學活性、光學異構體和光學純度光學活性(opticalactivity)試驗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的性質(zhì)。光學異構體(opticalisomers)對映體的同義詞，現(xiàn)已不常用，因為有一些對映體在某些偏振光波長下并無光學活性。光學純度(opticalpurity)根據(jù)試驗測定的旋光度，計算而得的在兩個對映體混合物中，一個對映體所占的百分數(shù)?，F(xiàn)在常用對映體純度來代替。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)一種對映體轉化為兩個對映體的等量混合物（即外消旋體）的過程。如果轉化后兩個對映體的量不相等，稱為部分消旋化。光學活性、光學異構體和光學純度外消旋體和外消旋化在生命的產(chǎn)生和演變過程中，自然界往往對手性化合物的一種對映體有所偏愛，例如組成多糖和核酸的單糖都為D-構型，而構成蛋白質(zhì)的20種天然氨基酸均為L-構型（甘氨酸除外）。對于化學、生物學、醫(yī)學和藥學的理論和實踐，手性均具有重大的意義。

手性藥物

嚴格地說，手性藥物是指分子結構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，其中只含有效對映體或者以有效對映體為主。

藥物的藥理作用是通過其與體內(nèi)的大分子之間嚴格的手性識別和匹配而實現(xiàn)的，故不同對映體的藥理活性有所差異。在許多情況下，化合物的一對對映體在生物體內(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，自然界往往對手性化合物的一種對映體一種對映體有藥理活性，而另一種無活性或活性很弱。如左氧氟沙星[S-（-）-對映體]的體外抗菌活性是R-（+）-對映體的8～128倍。又如沙丁胺醇和特布他林是兩個支氣管擴張藥物，它們的R-對映體之藥效比S-對映體強80～200倍。

兩種對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-對映體是β-阻斷劑，而其R-對映體則用于治療青光眼。

兩種對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。一個典型的例子是20世紀50年代末期發(fā)生在歐洲的“反應?！笔录丛袐D因服用酞胺哌啶酮（俗稱反應停）而導致短肢畸胎的慘劇。后來研究發(fā)現(xiàn)，酞胺哌啶酮的兩種對映體中，只有(R)-對映體具有鎮(zhèn)吐作用，而(S)-對映體是一種強力致畸劑。

兩種對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。一種對映體有藥理活性，而另一種無活性或活性很弱。如左氧氟沙

兩種對映體的作用具有互補性。普萘洛爾的S-（－）-對映體的β受體阻斷作用比R-（＋）-強約100倍，而R-對映體對鈉通道有抑制作用，兩者在治療心律失常時有協(xié)同作用。故外消旋體用于治療心律失常的效果比單一對映體好。兩種對映體具有等同或相近的同一藥理活性。如強心藥SCH00013的兩種對映體的藥理作用相同。兩種對映體中，一種對映體為另一對映體的競爭性拮抗劑。如左旋異丙腎上腺素是β受體激動劑，而右旋異丙腎上腺素則為其競爭性拮抗劑，且兩者與β受體的親和性相當。對映體純手性藥物的研制和生產(chǎn)具有十分重要的意義。兩種對映體的作用具有互補性。普萘洛爾的S-（－）-對映體的沙利度胺的S-異構體可導致嚴重的致畸性

1957年～1962年，造成數(shù)萬名嬰兒嚴重畸形。

進一步研究表明，其致畸作用是由沙利度胺其中的一個異構體（S-異構體）引起的，而R-構型即使大劑量使用，也不會引起致畸作用。圖：沙利度胺的另一個對映體可導致嚴重的致畸性。沙利度胺的S-異構體可導致嚴重的致畸性1957年～1962

手性藥物的發(fā)展概況年份19981999200020012002200320042005銷售額(億美元)9911150123313561460155816531785增長(%1全球手性藥物市場銷售情況

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，單一異構體占51％，2005年全球上市的新藥中將有60％為單一對映體藥物，估計在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199819992000200120

各國對手性藥物的相應規(guī)定

對于含有手性因素的藥物傾向于發(fā)展單一對映體產(chǎn)品，鼓勵把已上市的外消旋藥物轉化為手性藥物（手性轉換）。對于申請新的外消旋藥物，則要求必須提供每個對映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果，不得將不同對映體作為相同物質(zhì)對待。這無疑大大增加了新藥以外消旋體上市的難度。對已上市的外消旋體藥物，可以單一立體異構體形式作為新藥提出申請，并能得到專利保護。我國在不對稱合成研究領域起步較晚，在手性科學研究領域，尤其是不對稱合成和手性技術方面的總體水平與世界先進國家之間存在不小的差距。最近幾年中，我國政府部門、研究機構及科研人員已經(jīng)關注到手性科學及技術和手性藥物的研究，特別是其中有關的基礎研究。國家自然科學基金委分別在“九五”和“十五”期間支持了“手性藥物的化學和生物學”及“手性和手性藥物研究中的若干科學問題研究”的重大研究項目。中國科學院也將“手性藥物的合成與拆分”列為重大項目。這對提升我國手性藥物的開發(fā)和生產(chǎn)能力，直接面對國際競爭具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)手性藥物的研究現(xiàn)狀各國對手性藥物的相應規(guī)定對于含有手性因素的藥物傾向于發(fā)展

手性藥物的制備技術手性藥物的制備技術由化學控制技術和生物控制技術兩部分組成。該兩者具有一定的互補性，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分類手性藥物的制備技術手性藥物的制備技術由化學控制技術和生物控根據(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、不對稱合成、手性源合成和提取法。

外消旋體拆分對用一般的制備方法得到的外消旋體進行拆分，可獲得單一對映體。拆分法盡管操作煩瑣，但一直是制備光學純異構體的重要方法之一，在很多手性藥物的生產(chǎn)中得到應用。其主要可分為結晶法拆分、動力學拆分和色譜分離三大類。

結晶法拆分又分為直接結晶法拆分和非對映異構體拆分，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映體的晶種，使該對映體優(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）作用生成兩種非對映異構體鹽的混合物，然后利用兩種鹽的性質(zhì)差異用結晶法分離之。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相添加劑法。其中手性固定相法應用較多，已發(fā)展成為噸級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，形成一對非對映異構體，再用普通的正相或反相柱分離之。

動力學拆分法是利用兩個對映體在手性試劑或手性催化劑作用下反應速度不同而使其分離的方法。依手性催化劑的不同，動力學拆分又可分為生物催化動力學拆分和化學催化動力學拆分。前者主要以酶或微生物細胞為催化劑，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不對稱合成所謂不對稱合成是指一個化合物（底物）中的非手性部分在反應劑作用下轉化為手性單元，并產(chǎn)生不等量的立體異構體的過程。其中，反應劑可以是試劑、輔劑、催化劑等。

按照反應劑的影響方式和合成方法的演變和發(fā)展，可將不對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)存在的手性單元進行分子內(nèi)定向誘導而在底物中產(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行分子內(nèi)定向誘導而實現(xiàn)手性控制。與第一代不對稱合成的不同點在于，起不對稱誘導作用的輔基要事先連接到底物上，并在反應結束后除去。

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，其立體化學控制是依賴分子間的相互作用來實現(xiàn)的。不對稱合成按照反應劑的影響方式和合成方法的演變和發(fā)展，可將不

第四代方法為催化劑控制法，它使用催化劑誘導非手性底物與非手性試劑反應，向手性產(chǎn)物轉化。其通過分子間的相互作用來實現(xiàn)立體化學控制。根據(jù)所用催化劑的不同，第四代方法又可分為化學催化法和生物催化法。迄今，用于不對稱合成的最好的反應劑當屬自然界中的酶，發(fā)展象酶催化體系一樣有效的化學催化體系是不對稱合成的重要發(fā)展方向。

手性源合成手性源合成指的是以廉價易得的天然或合成的手性源化合物為原料，通過化學修飾方法將其轉化為手性產(chǎn)物的方法。產(chǎn)物構型既可能保持，也可能發(fā)生翻轉或手性轉移。用于制備手性藥物的手性原料主要有三個來源，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、羥基酸等簡單手性化合物和抗生素、維生素、激素等復雜的手性化合物；三是以手性或前手性化合物為原料化學合成得到的手性化合物。盡管合成一個手性化合物最簡便的方法是挑選結構相近的手性源進行手性源合成，但手性源合成法僅適用于能找到與產(chǎn)物具有相似結構手性源的情況，故應用受到一定的限制。第四代方法為催化劑控制法，它使用催化劑誘導非手性底物與非手

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、結晶等手段提取得到，如從紅豆衫的樹皮中提取對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體，其他構型的異構體可能不存在；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)。提取法第二節(jié)生物催化手性藥物的合成一、生物催化劑的種類和來源二、生物催化的特性1、高效性2、高度選擇性3、底物專一性4、反應條件溫和5、生物催化不需要重金屬6、多個反應可同時在一種微生物內(nèi)進行。第二節(jié)生物催化手性藥物的合成一、生物催化劑的種類和來源

三、用于手性藥物制備的生物催化反應

氧化反應氧化反應是向有機化合物分子中引入功能基團的重要反應之一，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）催化的氧化反應單加氧酶主要有細胞色素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氧原子加入到底物分子中，另一個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，且反應的立體選擇性較高。三、用于手性藥物制備的生物催化反應氧化反應單加氧酶（m

常采用完整細胞作為催化劑。例如，假絲酵母屬、假單胞菌屬微生物細胞均能催化異丁酸不對稱羥化產(chǎn)生可用于合成維生素、抗生素的光學活性的β-羥基異丁酸。

雙加氧酶(dioxygenases)催化的氧化反應

雙加氧酶催化氧分子的兩個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、芳烴的雙羥基化反應等。常采用完整細胞作為催化劑。例如，假絲酵母屬、假單胞菌屬微生脫氫酶催化的氧化反應脫氫酶可催化氧化和還原雙向可逆反應。在底物為還原態(tài)、輔酶為氧化態(tài)NAD(P)＋時催化氧化反應為主。其機理是催化底物脫氫，脫下來的氫與NAD(P)＋結合。脫氫酶催化的氧化反應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拆分二元醇脫氫酶催化的氧化反應脫氫酶可催化氧化和還原雙向可逆反應。在底

還原反應生物催化的還原反應在手性藥物的合成中具有重要的應用。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稱還原，使?jié)撌中缘孜镛D化為手性產(chǎn)物。在酶促底物加氫的同時，還原型輔酶轉化為氧化型輔酶。由于輔酶一般不太穩(wěn)定，且價格昂貴，能否將輔酶再生循環(huán)使用，即將氧化型輔酶轉變?yōu)檫€原型輔酶就成為制約該反應工業(yè)應用的重要因素。目前主要通過在反應過程中添加輔助性底物（底物偶聯(lián)法）、利用兩個平行氧化還原酶系統(tǒng)（酶的偶聯(lián)法）以及完整細胞還原體系等實現(xiàn)輔酶再生(圖6)。圖6

生物催化的還原反應還原反應生物催化的還原反應在手性藥物的合成中具有重要的應用

催化常用于手性藥物制備的還原反應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，即它們催化氫負離子從空間位阻較小方向進攻羰基，形成構象穩(wěn)定的優(yōu)勢中間體。但也有一些微生物的醇脫氫酶催化還原反應時不遵循Prelog規(guī)則，如假單胞菌屬的醇脫氫酶。催化常用于手性藥物制備的還原反應的酶主要有酵母醇脫氫酶(Y

水解反應及其逆反應在手性藥物及其中間體的制備中應用最為廣泛的水解反應及其逆反應主要有酯水解、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的主要類型水解反應及其逆反應在手性藥物及其中間體的制備中應用最為廣泛

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，但都具有一個共同的結構特點，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合物，這個復合物由Asp-His-Ser或His-Ser-Glu組成。

近期的研究表明，許多脂肪酶在綠色反應介質(zhì)離子液體中能催化酯的不對稱水解，且選擇性和穩(wěn)定性高于其在水中的對應值。例如，Mohile等報道在離子液體-緩沖液混合反應介質(zhì)中，皺落假絲酵母脂肪酶（CRL）能高效地催化2-(4-氯苯氧基)丙酸丁酯不對稱水解，所得到的產(chǎn)物(R)-2-(4-氯苯氧基)丙酸的對映體純度（99％e.e.以上）遠遠高于在水相中的相應值（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、假單胞菌圖9離子液體-緩沖液混合溶劑中酶促對羥基苯甘氨酸甲酯不對稱水解反應

腈水解反應

在有機合成中，腈是一類重要的化合物，它可以方便地通過化學合成得到，而且可進一步轉化成具有更高價值的酰胺和羧酸。但是利用化學手段將腈轉變成酰胺或羧酸通常要求高溫、昂貴的試劑，或者需要在強酸(6mo1/L鹽酸)或強堿(2mol/L氫氧化鈉溶液)條件下進行，在后續(xù)的中和反應中會產(chǎn)生大量鹽。而酶促腈水解在實現(xiàn)節(jié)能的同時擁有以下優(yōu)勢：溫和的反應條件，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羥基苯甘氨酸甲酯不對稱酶促腈水解有兩條途徑，其一，通過腈水合酶轉化為酰胺，再由酰胺酶催化其水解為相應的羧酸；其二，由腈水解酶直接催化其水解為羧酸。酶催化腈水解反應不僅得到光學活性羧酸,而且還能合成光學活性酰胺化合物,后者可進一步轉化為光學活性胺和其它含氮化合物。故腈的酶法水解已被廣泛應用于光學活性氨基酸、酰胺、羧酸及其衍生物的合成（圖10）。

腈水合酶催化腈轉化為相應酸的兩步酶轉化過程中的第一步，即腈化合物水合轉化為酰胺的過程。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性和陰性細菌中。圖10

酶法腈水解的途徑

酶促腈水解有兩條途徑，其一，通過腈水合酶轉化為酰胺，再由酰胺

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合成物，是許多生物活性物質(zhì)合成的原料，因此，其在有機合成中被廣泛地利用。一般可用化學法制備環(huán)氧化物，但反應的立體選擇性不高。環(huán)氧化物水解酶能催化環(huán)氧化物進行區(qū)域和對映體選擇性水解，從而能用于制備所需構型的環(huán)氧化物。

環(huán)氧化物水解酶廣泛存在于哺乳動物、植物、昆蟲、絲狀真菌、細菌以及赤酵母中。在哺乳動物中，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

酰胺水解

酰胺水解是制備廣泛用于手性藥物合成的光學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?；?、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活性氨基

氨解反應

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,而且能夠在非水介質(zhì)中催化其逆反應，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，形成酰胺。與傳統(tǒng)的化學法相比,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、催化效率高的優(yōu)點。

酶促酯氨解反應的機理為：酶活性中心絲氨酸殘基中的羥基親核進攻酯中的羰基碳，形成酶-?；虚g體,之后親核試劑氨、胺或者肼進攻酶-?；虚g體，形成產(chǎn)物酰胺，酶同時恢復其原形。所形成的產(chǎn)物酰胺廣泛應用手性藥物的合成。氨解反應近年來的研究表明,許多水解酶類,如脂肪酶、蛋白酶

酯化反應

酯化，這一受熱力學限制不可能在水介質(zhì)中發(fā)生的反應，可在非水介質(zhì)中被多種酶，如脂肪酶、蛋白酶等催化。該反應在有機合成中特別有用，因為這些酶可催化大量不同類型的有機化合物的酯化，并具有高度立體選擇性。圖16脂肪酶PSL催化外消旋醇不對稱酯化（或?；?/p>

酶促酯化反應在手性合成中已有許多應用。例如,C.rugosa脂肪酶能高對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，所獲產(chǎn)物的光學純度很高，可用于合成抗微生物制劑(4R,7S)-7-甲氧基十四烷-4-烯酸。酯化反應酯化，這一受熱力學限制不可能在水介質(zhì)中發(fā)生的反應

四、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，其催化反應有許多優(yōu)點，如，能在溫和的條件下發(fā)揮催化作用，減少在化學過程中常出現(xiàn)的異構化、外消旋化等問題；且催化效率高；具有高度的立體選擇性,反應產(chǎn)物的對映體過量（e.e.）有時可達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-酶法(chemo-enzymaticmethod)，即利用酶或微生物細胞作為催化劑對化學合成路線中某一個手性中間體進行不對稱合成或拆分,再用其合成光學純的手性藥物。四、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

生物催化外消旋手性藥物及其中間體的拆分利用酶對對映體的識別作用，可有效地拆分外消旋藥物及其中間體的不同對映體。其主要特點是拆分效率和立體選擇性高、反應條件溫和。

外消旋藥物的拆分當外消旋藥物分子中含有手性羥基、羧基或酯基時，可直接利用酶進行拆分,獲得具有所需構型的光學活性藥物。

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節(jié)炎等人結締組織疾病。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)-對映體的28倍。目前，只有萘普生是以單一對映體的形式上市，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對映體的識別圖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

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。目前使用的光學純(S)-萘普生主要采用不對稱化學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1200h，得到18kg的光學純(S)-萘普生，且酶活幾乎無損失，該工藝極具工業(yè)生產(chǎn)價值(圖19)。英國Chirtech公司通過篩選和分子進化對一種酯酶進行改造,提高了酶的立體選擇性。該酶只水解(S)-萘普生酯,底物濃度可達到150g/L,反應殘留的(R)-萘普生酯可通過堿催化消旋化再拆分。產(chǎn)物可通過結晶分離,操作簡單。該工藝目前在印度的ShasunChemicals公司進行中試。萘普生圖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

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)，當反應進行11h,轉化率達40％時,布洛芬的e.e.值為88％,殘留酯的e.e.值為60％，而當反應進行到18h,轉化率為58％時,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。在有機溶劑中對布洛芬進行酶促酯化反應時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到克級規(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5-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的重要的神經(jīng)遞質(zhì)。現(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。目前至少已發(fā)現(xiàn)7種5-HT受體。藥物與受體結合的親和力和選擇性在很大程度上受藥物的立體化學結構影響。目前，一種新的5-HT拮抗物MDL的活性(其中R異構體的活性是S異構體的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受體相結合。MDL的拆分可在有機相中進行，選擇性酯化反應的產(chǎn)物是(R,R)-酯,殘留的為(S,S)-醇，反應過程如圖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。結構通式為：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)等二十多個品種。該類藥物的(S)-對映體活性顯著高于(R)-對映體，如(S)-心得安和(S)-美多心安的活性分別是其(R)-對映體的100、270～380倍。(S)-普萘洛爾是一類重要的β-阻斷劑，而其(R)-對映體則具有避孕作用?；瘜W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第十一章手性藥物第十一章

手性藥物的基本知識手性是自然界的基本特征之一

手性（chirality，源于希臘文）即不對稱性，是用于表達化合物分子結構不對稱性的術語。

對映關系及對映體（enantiomer）人的手是不對稱的，左手和右手不能相互疊合，彼此的關系如同實物與鏡像，化學上將這種關系稱為對映關系。具有對映關系的兩個物體互為對映體。化合物分子中的原子排列是三維的，因而，有時候在平面上看起來相同的分子結構實際上代表不同的化合物。如乳酸的兩種構型。手性藥物的基本知識手性是自然界的基本特征之一手性（chi

與手性藥物有關的術語

立體異構體、對映異構體和非對映異構體立體異構體（stereoisomers）是指由于分子中原子在空間上排列方式不同所產(chǎn)生的異構體，可分為對映異構體和非對映異構體兩大類。對映異構體(enantiomers)是指分子間互相為不可重合的實物和鏡像關系的立體異構體，常簡稱為對映體。如（R）-乳酸和（S）-乳酸。非對映異構體（diastereoisomers）是指分子中具有兩個或多個不對稱中心，并且其分子間互相不為實物和鏡像關系的立體異構體。例如，D-赤蘚糖和D-蘇力糖。

對映選擇性和對映體過量對映選擇性（enatioselectivity）是指一個化學反應所具有的能優(yōu)先生成（或消耗）一對對映體中的某一種的特性。對映體過量（enantiomericexcess，e.e.）指樣品中一個對映體對另一個對映體的過量，用于描述樣品的對映體組成，通常用百分數(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定樣品的對映體過量。與手性藥物有關的術語立體異構體、對映異構體和非對映異構體

光學活性、光學異構體和光學純度光學活性(opticalactivity)試驗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的性質(zhì)。光學異構體(opticalisomers)對映體的同義詞，現(xiàn)已不常用，因為有一些對映體在某些偏振光波長下并無光學活性。光學純度(opticalpurity)根據(jù)試驗測定的旋光度，計算而得的在兩個對映體混合物中，一個對映體所占的百分數(shù)?，F(xiàn)在常用對映體純度來代替。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)一種對映體轉化為兩個對映體的等量混合物（即外消旋體）的過程。如果轉化后兩個對映體的量不相等，稱為部分消旋化。光學活性、光學異構體和光學純度外消旋體和外消旋化在生命的產(chǎn)生和演變過程中，自然界往往對手性化合物的一種對映體有所偏愛，例如組成多糖和核酸的單糖都為D-構型，而構成蛋白質(zhì)的20種天然氨基酸均為L-構型（甘氨酸除外）。對于化學、生物學、醫(yī)學和藥學的理論和實踐，手性均具有重大的意義。

手性藥物

嚴格地說，手性藥物是指分子結構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，其中只含有效對映體或者以有效對映體為主。

藥物的藥理作用是通過其與體內(nèi)的大分子之間嚴格的手性識別和匹配而實現(xiàn)的，故不同對映體的藥理活性有所差異。在許多情況下，化合物的一對對映體在生物體內(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，自然界往往對手性化合物的一種對映體一種對映體有藥理活性，而另一種無活性或活性很弱。如左氧氟沙星[S-（-）-對映體]的體外抗菌活性是R-（+）-對映體的8～128倍。又如沙丁胺醇和特布他林是兩個支氣管擴張藥物，它們的R-對映體之藥效比S-對映體強80～200倍。

兩種對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-對映體是β-阻斷劑，而其R-對映體則用于治療青光眼。

兩種對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。一個典型的例子是20世紀50年代末期發(fā)生在歐洲的“反應?！笔录?，即孕婦因服用酞胺哌啶酮（俗稱反應停）而導致短肢畸胎的慘劇。后來研究發(fā)現(xiàn)，酞胺哌啶酮的兩種對映體中，只有(R)-對映體具有鎮(zhèn)吐作用，而(S)-對映體是一種強力致畸劑。

兩種對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。一種對映體有藥理活性，而另一種無活性或活性很弱。如左氧氟沙

兩種對映體的作用具有互補性。普萘洛爾的S-（－）-對映體的β受體阻斷作用比R-（＋）-強約100倍，而R-對映體對鈉通道有抑制作用，兩者在治療心律失常時有協(xié)同作用。故外消旋體用于治療心律失常的效果比單一對映體好。兩種對映體具有等同或相近的同一藥理活性。如強心藥SCH00013的兩種對映體的藥理作用相同。兩種對映體中，一種對映體為另一對映體的競爭性拮抗劑。如左旋異丙腎上腺素是β受體激動劑，而右旋異丙腎上腺素則為其競爭性拮抗劑，且兩者與β受體的親和性相當。對映體純手性藥物的研制和生產(chǎn)具有十分重要的意義。兩種對映體的作用具有互補性。普萘洛爾的S-（－）-對映體的沙利度胺的S-異構體可導致嚴重的致畸性

1957年～1962年，造成數(shù)萬名嬰兒嚴重畸形。

進一步研究表明，其致畸作用是由沙利度胺其中的一個異構體（S-異構體）引起的，而R-構型即使大劑量使用，也不會引起致畸作用。圖：沙利度胺的另一個對映體可導致嚴重的致畸性。沙利度胺的S-異構體可導致嚴重的致畸性1957年～1962

手性藥物的發(fā)展概況年份19981999200020012002200320042005銷售額(億美元)9911150123313561460155816531785增長(%1全球手性藥物市場銷售情況

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，單一異構體占51％，2005年全球上市的新藥中將有60％為單一對映體藥物，估計在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199819992000200120

各國對手性藥物的相應規(guī)定

對于含有手性因素的藥物傾向于發(fā)展單一對映體產(chǎn)品，鼓勵把已上市的外消旋藥物轉化為手性藥物（手性轉換）。對于申請新的外消旋藥物，則要求必須提供每個對映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果，不得將不同對映體作為相同物質(zhì)對待。這無疑大大增加了新藥以外消旋體上市的難度。對已上市的外消旋體藥物，可以單一立體異構體形式作為新藥提出申請，并能得到專利保護。我國在不對稱合成研究領域起步較晚，在手性科學研究領域，尤其是不對稱合成和手性技術方面的總體水平與世界先進國家之間存在不小的差距。最近幾年中，我國政府部門、研究機構及科研人員已經(jīng)關注到手性科學及技術和手性藥物的研究，特別是其中有關的基礎研究。國家自然科學基金委分別在“九五”和“十五”期間支持了“手性藥物的化學和生物學”及“手性和手性藥物研究中的若干科學問題研究”的重大研究項目。中國科學院也將“手性藥物的合成與拆分”列為重大項目。這對提升我國手性藥物的開發(fā)和生產(chǎn)能力，直接面對國際競爭具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)手性藥物的研究現(xiàn)狀各國對手性藥物的相應規(guī)定對于含有手性因素的藥物傾向于發(fā)展

手性藥物的制備技術手性藥物的制備技術由化學控制技術和生物控制技術兩部分組成。該兩者具有一定的互補性，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分類手性藥物的制備技術手性藥物的制備技術由化學控制技術和生物控根據(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、不對稱合成、手性源合成和提取法。

外消旋體拆分對用一般的制備方法得到的外消旋體進行拆分，可獲得單一對映體。拆分法盡管操作煩瑣，但一直是制備光學純異構體的重要方法之一，在很多手性藥物的生產(chǎn)中得到應用。其主要可分為結晶法拆分、動力學拆分和色譜分離三大類。

結晶法拆分又分為直接結晶法拆分和非對映異構體拆分，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映體的晶種，使該對映體優(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）作用生成兩種非對映異構體鹽的混合物，然后利用兩種鹽的性質(zhì)差異用結晶法分離之。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相添加劑法。其中手性固定相法應用較多，已發(fā)展成為噸級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，形成一對非對映異構體，再用普通的正相或反相柱分離之。

動力學拆分法是利用兩個對映體在手性試劑或手性催化劑作用下反應速度不同而使其分離的方法。依手性催化劑的不同，動力學拆分又可分為生物催化動力學拆分和化學催化動力學拆分。前者主要以酶或微生物細胞為催化劑，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不對稱合成所謂不對稱合成是指一個化合物（底物）中的非手性部分在反應劑作用下轉化為手性單元，并產(chǎn)生不等量的立體異構體的過程。其中，反應劑可以是試劑、輔劑、催化劑等。

按照反應劑的影響方式和合成方法的演變和發(fā)展，可將不對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)存在的手性單元進行分子內(nèi)定向誘導而在底物中產(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行分子內(nèi)定向誘導而實現(xiàn)手性控制。與第一代不對稱合成的不同點在于，起不對稱誘導作用的輔基要事先連接到底物上，并在反應結束后除去。

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，其立體化學控制是依賴分子間的相互作用來實現(xiàn)的。不對稱合成按照反應劑的影響方式和合成方法的演變和發(fā)展，可將不

第四代方法為催化劑控制法，它使用催化劑誘導非手性底物與非手性試劑反應，向手性產(chǎn)物轉化。其通過分子間的相互作用來實現(xiàn)立體化學控制。根據(jù)所用催化劑的不同，第四代方法又可分為化學催化法和生物催化法。迄今，用于不對稱合成的最好的反應劑當屬自然界中的酶，發(fā)展象酶催化體系一樣有效的化學催化體系是不對稱合成的重要發(fā)展方向。

手性源合成手性源合成指的是以廉價易得的天然或合成的手性源化合物為原料，通過化學修飾方法將其轉化為手性產(chǎn)物的方法。產(chǎn)物構型既可能保持，也可能發(fā)生翻轉或手性轉移。用于制備手性藥物的手性原料主要有三個來源，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、羥基酸等簡單手性化合物和抗生素、維生素、激素等復雜的手性化合物；三是以手性或前手性化合物為原料化學合成得到的手性化合物。盡管合成一個手性化合物最簡便的方法是挑選結構相近的手性源進行手性源合成，但手性源合成法僅適用于能找到與產(chǎn)物具有相似結構手性源的情況，故應用受到一定的限制。第四代方法為催化劑控制法，它使用催化劑誘導非手性底物與非手

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、結晶等手段提取得到，如從紅豆衫的樹皮中提取對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體，其他構型的異構體可能不存在；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)。提取法第二節(jié)生物催化手性藥物的合成一、生物催化劑的種類和來源二、生物催化的特性1、高效性2、高度選擇性3、底物專一性4、反應條件溫和5、生物催化不需要重金屬6、多個反應可同時在一種微生物內(nèi)進行。第二節(jié)生物催化手性藥物的合成一、生物催化劑的種類和來源

三、用于手性藥物制備的生物催化反應

氧化反應氧化反應是向有機化合物分子中引入功能基團的重要反應之一，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）催化的氧化反應單加氧酶主要有細胞色素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氧原子加入到底物分子中，另一個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，且反應的立體選擇性較高。三、用于手性藥物制備的生物催化反應氧化反應單加氧酶（m

常采用完整細胞作為催化劑。例如，假絲酵母屬、假單胞菌屬微生物細胞均能催化異丁酸不對稱羥化產(chǎn)生可用于合成維生素、抗生素的光學活性的β-羥基異丁酸。

雙加氧酶(dioxygenases)催化的氧化反應

雙加氧酶催化氧分子的兩個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、芳烴的雙羥基化反應等。常采用完整細胞作為催化劑。例如，假絲酵母屬、假單胞菌屬微生脫氫酶催化的氧化反應脫氫酶可催化氧化和還原雙向可逆反應。在底物為還原態(tài)、輔酶為氧化態(tài)NAD(P)＋時催化氧化反應為主。其機理是催化底物脫氫，脫下來的氫與NAD(P)＋結合。脫氫酶催化的氧化反應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拆分二元醇脫氫酶催化的氧化反應脫氫酶可催化氧化和還原雙向可逆反應。在底

還原反應生物催化的還原反應在手性藥物的合成中具有重要的應用。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稱還原，使?jié)撌中缘孜镛D化為手性產(chǎn)物。在酶促底物加氫的同時，還原型輔酶轉化為氧化型輔酶。由于輔酶一般不太穩(wěn)定，且價格昂貴，能否將輔酶再生循環(huán)使用，即將氧化型輔酶轉變?yōu)檫€原型輔酶就成為制約該反應工業(yè)應用的重要因素。目前主要通過在反應過程中添加輔助性底物（底物偶聯(lián)法）、利用兩個平行氧化還原酶系統(tǒng)（酶的偶聯(lián)法）以及完整細胞還原體系等實現(xiàn)輔酶再生(圖6)。圖6

生物催化的還原反應還原反應生物催化的還原反應在手性藥物的合成中具有重要的應用

催化常用于手性藥物制備的還原反應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，即它們催化氫負離子從空間位阻較小方向進攻羰基，形成構象穩(wěn)定的優(yōu)勢中間體。但也有一些微生物的醇脫氫酶催化還原反應時不遵循Prelog規(guī)則，如假單胞菌屬的醇脫氫酶。催化常用于手性藥物制備的還原反應的酶主要有酵母醇脫氫酶(Y

水解反應及其逆反應在手性藥物及其中間體的制備中應用最為廣泛的水解反應及其逆反應主要有酯水解、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的主要類型水解反應及其逆反應在手性藥物及其中間體的制備中應用最為廣泛

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，但都具有一個共同的結構特點，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合物，這個復合物由Asp-His-Ser或His-Ser-Glu組成。

近期的研究表明，許多脂肪酶在綠色反應介質(zhì)離子液體中能催化酯的不對稱水解，且選擇性和穩(wěn)定性高于其在水中的對應值。例如，Mohile等報道在離子液體-緩沖液混合反應介質(zhì)中，皺落假絲酵母脂肪酶（CRL）能高效地催化2-(4-氯苯氧基)丙酸丁酯不對稱水解，所得到的產(chǎn)物(R)-2-(4-氯苯氧基)丙酸的對映體純度（99％e.e.以上）遠遠高于在水相中的相應值（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、假單胞菌圖9離子液體-緩沖液混合溶劑中酶促對羥基苯甘氨酸甲酯不對稱水解反應

腈水解反應

在有機合成中，腈是一類重要的化合物，它可以方便地通過化學合成得到，而且可進一步轉化成具有更高價值的酰胺和羧酸。但是利用化學手段將腈轉變成酰胺或羧酸通常要求高溫、昂貴的試劑，或者需要在強酸(6mo1/L鹽酸)或強堿(2mol/L氫氧化鈉溶液)條件下進行，在后續(xù)的中和反應中會產(chǎn)生大量鹽。而酶促腈水解在實現(xiàn)節(jié)能的同時擁有以下優(yōu)勢：溫和的反應條件，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羥基苯甘氨酸甲酯不對稱酶促腈水解有兩條途徑，其一，通過腈水合酶轉化為酰胺，再由酰胺酶催化其水解為相應的羧酸；其二，由腈水解酶直接催化其水解為羧酸。酶催化腈水解反應不僅得到光學活性羧酸,而且還能合成光學活性酰胺化合物,后者可進一步轉化為光學活性胺和其它含氮化合物。故腈的酶法水解已被廣泛應用于光學活性氨基酸、酰胺、羧酸及其衍生物的合成（圖10）。

腈水合酶催化腈轉化為相應酸的兩步酶轉化過程中的第一步，即腈化合物水合轉化為酰胺的過程。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性和陰性細菌中。圖10

酶法腈水解的途徑

酶促腈水解有兩條途徑，其一，通過腈水合酶轉化為酰胺，再由酰胺

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合成物，是許多生物活性物質(zhì)合成的原料，因此，其在有機合成中被廣泛地利用。一般可用化學法制備環(huán)氧化物，但反應的立體選擇性不高。環(huán)氧化物水解酶能催化環(huán)氧化物進行區(qū)域和對映體選擇性水解，從而能用于制備所需構型的環(huán)氧化物。

環(huán)氧化物水解酶廣泛存在于哺乳動物、植物、昆蟲、絲狀真菌、細菌以及赤酵母中。在哺乳動物中，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

酰胺水解

酰胺水解是制備廣泛用于手性藥物合成的光學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活性氨基

氨解反應

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,而且能夠在非水介質(zhì)中催化其逆反應，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，形成酰胺。與傳統(tǒng)的化學法相比,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、催化效率高的優(yōu)點。

酶促酯氨解反應的機理為：酶活性中心絲氨酸殘基中的羥基親核進攻酯中的羰基碳，形成酶-酰基中間體,之后親核試劑氨、胺或者肼進攻酶-酰基中間體，形成產(chǎn)物酰胺，酶同時恢復其原形。所形成的產(chǎn)物酰胺廣泛應用手性藥物的合成。氨解反應近年來的研究表明,許多水解酶類,如脂肪酶、蛋白酶

酯化反應

酯化，這一受熱力學限制不可能在水介質(zhì)中發(fā)生的反應，可在非水介質(zhì)中被多種酶，如脂肪酶、蛋白酶等催化。該反應在有機合成中特別有用，因為這些酶可催化大量不同類型的有機化合物的酯化，并具有高度立體選擇性。圖16脂肪酶PSL催化外消旋醇不對稱酯化（或酰化）

酶促酯化反應在手性合成中已有許多應用。例如,C.rugosa脂肪酶能高對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，所獲產(chǎn)物的光學純度很高，可用于合成抗微生物制劑(4R,7S)-7-甲氧基十四烷-4-烯酸。酯化反應酯化，這一受熱力學限制不可能在水介質(zhì)中發(fā)生的反應

四、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，其催化反應有許多優(yōu)點，如，能在溫和的條件下發(fā)揮催化作用，減少在化學過程中常出現(xiàn)的異構化、外消旋化等問題；且催化效率高；具有高度的立體選擇性,反應產(chǎn)物的對映體過量（e.e.）有時可達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-酶法(chemo-enzymaticmethod)，即利用酶或微生物細胞作為催化劑對化學合成路線中某一個手性中間體進行不對稱合成或拆分,再用其合成