酶促反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用詳解演示文稿

酶促反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用詳解演示文稿1第一頁(yè)，共六十頁(yè)。優(yōu)選酶促反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用2第二頁(yè)，共六十頁(yè)。對(duì)酶的第一印象：酶是很不穩(wěn)定的酶價(jià)格昂貴酶只對(duì)天然底物有活性酶只在天然環(huán)境中才起作用酶是什么？與有機(jī)化學(xué)關(guān)系不大？3第三頁(yè)，共六十頁(yè)。1950年Kendall,Reichstein與Hench因發(fā)現(xiàn)類(lèi)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deoxycholicacid為原料合成cortisone，反應(yīng)共需31個(gè)步驟，產(chǎn)品售價(jià)每克$200。1952年利用Rhizopusarrhizuz產(chǎn)生的hydroxylase將反應(yīng)過(guò)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(lèi)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4第四頁(yè)，共六十頁(yè)。（一）、什么是酶？酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類(lèi)具有催化功能的生物分子，所以又稱(chēng)為生物催化劑Biocatalysts

。絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。5第五頁(yè)，共六十頁(yè)。酶和一般催化劑的共性1，用量少而催化效率高；2，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。3，酶能夠穩(wěn)定底物形成的過(guò)渡狀態(tài)，降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行6第六頁(yè)，共六十頁(yè)。（二）、酶的特性1.高效性—酶是非常有效的催化劑化學(xué)催化劑：0.1~1%mol生物催化劑：10-3~10-4%mol酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高106-1012倍。例如：過(guò)氧化氫分解

2H2O22H2O+O2用Fe+催化，效率為6*10-4

mol/mol.S，而用過(guò)氧化氫酶催化，效率為6*106mol/mol.S。用-淀粉酶催化淀粉水解，1克結(jié)晶酶在65C條件下可催化2噸淀粉水解。7第七頁(yè)，共六十頁(yè)。2．反應(yīng)條件溫和酶促反應(yīng)一般在pH5-8水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度范圍為20-40C。高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶的失活。3．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8第八頁(yè)，共六十頁(yè)。4．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)行可以使用多酶體系來(lái)催化幾個(gè)順序反應(yīng)的進(jìn)行5．酶的高度選擇性酶的專(zhuān)一性Specificity，又稱(chēng)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9第九頁(yè)，共六十頁(yè)。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)：特性：高效性—化學(xué)催化劑：1~0.1%mol

生物催化劑：10-3~10-4%mol

，使反應(yīng)速度106~1012倍

反應(yīng)條件溫和，環(huán)境友好

酶彼此相容納

高選擇性—化學(xué)、區(qū)域、立體選擇性

10第十頁(yè)，共六十頁(yè)。（一）化學(xué)選擇性A.deRaddt;Klempier,N;J.chem.soc.perkinTransI,1992,137只專(zhuān)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%11第十一頁(yè)，共六十頁(yè)。（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)OttoMeth-Cohn,Mei-XiangWang,J.Chem.Soc.Perkin.Trans1.1997.3197Effenberger,F.;Obwald,S.Synthesis.

2001,12.1866.12第十二頁(yè)，共六十頁(yè)。（三）立體選擇性1.去對(duì)稱(chēng)化13第十三頁(yè)，共六十頁(yè)。MasahiroYokoyama,HirimichiOhta,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Wang,M.-X.;Liu,C.-S.;Li,J.-S.Tetrahedron:Asymmetry

2001,12,3367.

前手性二腈的去對(duì)稱(chēng)化14第十四頁(yè)，共六十頁(yè)。2.外消旋體的生物轉(zhuǎn)化A.動(dòng)力學(xué)拆分15第十五頁(yè)，共六十頁(yè)。外消旋體的動(dòng)力學(xué)拆分Mei-XiangWang,GangLu,Tetrahedron:Asymmetry.2000.11.1123-1125

Wegman,M.A.;vanLangen,L.M.;Sheldon,R.A.Biotechnol.Bioeng.2002,79,356.16第十六頁(yè)，共六十頁(yè)。B.動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分17第十七頁(yè)，共六十頁(yè)。外消旋體的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分K.Yamamoto,K.Oishi,I.Fujimatsu,Appl.Environ.Microbiol.,1991.57.302818第十八頁(yè)，共六十頁(yè)。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)19第十九頁(yè)，共六十頁(yè)。酶催化的有機(jī)反應(yīng)類(lèi)型水解反應(yīng)氧化反應(yīng)還原反應(yīng)C-C鍵形成反應(yīng)20第二十頁(yè)，共六十頁(yè)。區(qū)域選擇性酯水解C.Dinkel,M.Moody,C.Schultz,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2001,40,3004.21第二十一頁(yè)，共六十頁(yè)。酯酶的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分22第二十二頁(yè)，共六十頁(yè)。區(qū)域選擇性酯化M.Schudok,G.Kretzschmar,TetrahedronLett.

1997,38,387.23第二十三頁(yè)，共六十頁(yè)。去對(duì)稱(chēng)化G.M.Ramos-Tombo,X.Busquets,O.Ghisalba,TetrahedronLett.1986,27,5707.24第二十四頁(yè)，共六十頁(yè)。去對(duì)稱(chēng)化T.Sugahara,K.Ogasawara,Synlett,1996,319.25第二十五頁(yè)，共六十頁(yè)。動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分M.T.Reetz,K.Schimossek,Chimia.1996,50,668.26第二十六頁(yè)，共六十頁(yè)。氨基水解酶制備非天然氨基酸M.Beller,M.Eckert,H.-P.Rebenstock,E.W.Holla,Chem.Eur.J.1998,4,935.27第二十七頁(yè)，共六十頁(yè)。環(huán)氧化物的水解：28第二十八頁(yè)，共六十頁(yè)。對(duì)應(yīng)體會(huì)聚的特例29第二十九頁(yè)，共六十頁(yè)。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(guò)程中氫和電子的傳遞體。一般煙酰胺腺嘌呤二核苷酸[NAD(H)]作為輔因子。30第三十頁(yè)，共六十頁(yè)。輔因子再生循環(huán)M.Wolberg,W.Hummel,M.Mu¨ller,Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.2000,39,4306.31第三十一頁(yè)，共六十頁(yè)。還原：Y.Naoshima,H.Hasegawa,T.Nishiyama,A.Nakamura,Bull.Chem.Soc.Jpn.1989,62,608.32第三十二頁(yè)，共六十頁(yè)。氧化酶制備手性?xún)?nèi)酯I.J.Jakovac,H.B.Goodbrand,K.P.Lok,J.B.Jones,J.Am.Chem.Soc.

1982,104,4659.33第三十三頁(yè)，共六十頁(yè)。雙羥基化T.Hudlicky,H.Luna,J.D.Price,F.Rulin,TetrahedronLett.1989,30,4053.34第三十四頁(yè)，共六十頁(yè)。環(huán)氧化E.J.Allain,L.P.Hager,L.Deng,E.J.Jacobsen,J.Am.Chem.Soc.1993,115,4415.35第三十五頁(yè)，共六十頁(yè)。酶催化的Baeyer-Viliger氧化S.Rissom,U.Schwarz-Linek,M.Vogel,U.Kragl,TetrahedronAsymm.

1997,8,2523.S.M.Roberts,P.W.H.Wan,J.Mol.Catal.B:Enzymat.

1998,4,111.36第三十六頁(yè)，共六十頁(yè)。C=C雙鍵的還原反應(yīng)37第三十七頁(yè)，共六十頁(yè)。C-C鍵形成反應(yīng)醇醛縮合反應(yīng)Michael型加成反應(yīng)偶姻反應(yīng)38第三十八頁(yè)，共六十頁(yè)。Aldolases因作用底物的不同被分為四類(lèi)Pyruvate-DependentAldolasesDHAP-DependentAldolasesAcetaldehyde-DependentAldolasesGlycine-DependentAldolases39第三十九頁(yè)，共六十頁(yè)。Aldolase因手性活性中心的作用方式被分為兩大類(lèi)40第四十頁(yè)，共六十頁(yè)。Aldolases催化立體選擇性的c-c鍵形成反應(yīng)W.-D.Fessner,G.Sinerius,J.Badia,J.Aguilar,Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.1991,

30,555.P.M.St.Hilaire,M.Meldal,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.

2000,39,1162.41第四十一頁(yè)，共六十頁(yè)。一鍋法制備雙羥基手性化合物R.Schoevaart,F.vanRantwijk,R.A.Sheldon,J.Org.Chem.2000,65,6940.42第四十二頁(yè)，共六十頁(yè)。昂貴的DHAP限制催化應(yīng)用43第四十三頁(yè)，共六十頁(yè)。M.Sugiyama,Z.Hong,L.J.Whalen,C.-H.Wong,Adv.Synth.Catal.2006,348,2555–2559.44第四十四頁(yè)，共六十頁(yè)。2001,Schurmann和Sprenger發(fā)現(xiàn)fructose6-phosphate(FSA)J.Am.Chem.Soc.,2007,129(47),14811-1481745第四十五頁(yè)，共六十頁(yè)。G.DeSantis,J.Liu,D.P.Clark,C.-H.Wong,Bioorg.Med.Chem.2003,11,43–52.制備阿伐他汀手性合成子46第四十六頁(yè)，共六十頁(yè)。J.Liu,G.DeSantis,C.-H.Wong,Can.J.Chem.2002,80,643–645底物工程改變選擇性47第四十七頁(yè)，共六十頁(yè)。酶促D-A反應(yīng)H.Oikawa,T.Kobayashi,K.Katayama,Y.Suzuki,A.Ichihara,J.Org.Chem.1998,63,8748.48第四十八頁(yè)，共六十頁(yè)。加成反應(yīng)氰醇的合成49第四十九頁(yè)，共六十頁(yè)。酶的缺陷1,酶催化反應(yīng)只能得到一種構(gòu)型（L-型或D-型）的光學(xué)產(chǎn)物；2，酶常常存在著底物或產(chǎn)物抑制現(xiàn)象，造成反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低，生產(chǎn)能力低等問(wèn)題；3，極端的pH、較高的溫度和高鹽濃度的反應(yīng)體系都可能使酶鈍化，失去部分甚至大部分催化活性；4，大量的氧化還原酶、轉(zhuǎn)氨酶等需要等計(jì)量反應(yīng)物的輔因子存在才能表現(xiàn)催化活性，從而限制了它們?cè)谠S多有機(jī)合成反應(yīng)中的應(yīng)用；5，酶通常在水溶液中實(shí)施其催化活性，對(duì)于大多數(shù)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，使用的溶劑是非水溶性的有機(jī)溶劑。50第五十頁(yè)，共六十頁(yè)。工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烯酰胺(MitsubishiRayon)

(四）生物轉(zhuǎn)化在工業(yè)上的應(yīng)用51第五十一頁(yè)，共六十頁(yè)。工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)煙酰胺或煙酸(Lonza)>3000t/y52第五十二頁(yè)，共六十頁(yè)。工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)非天然氨基酸(Deg