酶參與的不對(duì)稱(chēng)合成

關(guān)于酶參與的不對(duì)稱(chēng)合成第一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四章酶參與的不對(duì)稱(chēng)合成Chapter4enzymesmediatedasymmetricreactions第二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四主要內(nèi)容4.1

酶及酶催化反應(yīng)的特點(diǎn)及缺點(diǎn)4.2

酶催化還原反應(yīng)4.3

酶催化氧化反應(yīng)4.4

酶催化水解反應(yīng)4.5

總結(jié)第三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.1Chiralsynthesiswithbiocatalyst

利用純酶或有機(jī)體催化無(wú)手性、潛手性化合物轉(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物的過(guò)程。生物催化中常用的有機(jī)體主要是微生物，其本質(zhì)是利用微生物細(xì)胞內(nèi)的酶催化非天然有機(jī)化合物的生物轉(zhuǎn)化，又稱(chēng)為生物轉(zhuǎn)化（microbialbiotransformation）。固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)可使生物催化反應(yīng)在連續(xù)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，這將使生物催化法具有工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。第四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四酶的特征

酶是決定生物體系中化學(xué)轉(zhuǎn)化方式的卓越非凡的分子器件。酶最為顯著的特征是其催化能力和專(zhuān)一性。由于它們能專(zhuān)一性地與多種分子結(jié)合，并使化學(xué)反應(yīng)加速幾個(gè)數(shù)量級(jí)。作為一類(lèi)大分子，它們?cè)诖呋鞣N反應(yīng)時(shí)是高效率的。第五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物催化手性合成的反應(yīng)特點(diǎn)酶的反應(yīng)速度比非酶催化的反應(yīng)速度一般要快106~1012倍。酶催化劑的用量少，一般手性催化劑的用量是0.1%~1mol%，而酶催化反應(yīng)中酶的用量為10-3~10-4mol%。酶與其他催化劑一樣，僅能加快反應(yīng)的速度，但不影響反應(yīng)的熱力學(xué)平衡，酶催化的反應(yīng)往往是可逆的。第六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物催化手性合成的反應(yīng)優(yōu)點(diǎn)酶在溫和條件下進(jìn)行，反應(yīng)PH為5~8，一般在7左右，反應(yīng)溫度在30℃左右。這樣可以減少不必要的副反應(yīng)，如分解、異構(gòu)和重排反應(yīng)。不同酶所催化反應(yīng)的條件往往是相同或相似的，因此，一個(gè)連續(xù)反應(yīng)可以采取多酶復(fù)合體系，使這些生物催化反應(yīng)能在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，可以簡(jiǎn)便操作步驟。第七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物催化手性合成的反應(yīng)缺點(diǎn)(一)盡管酶催化反應(yīng)的條件溫和，但是酶反應(yīng)參數(shù)必須精確控制。一般酶催化反應(yīng)都有其最適條件，如溫度、PH值、離子強(qiáng)度等。這些參數(shù)變化的范圍較小，一旦變化幅度超過(guò)它們的允許值，將會(huì)引起酶的活性喪失。酶在水溶液中表現(xiàn)出最高的催化活性，而一般都是在有機(jī)溶劑中進(jìn)行，而在非水介質(zhì)中酶的活性在水溶液中低，一般降低一個(gè)數(shù)量級(jí)水平。第八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物催化手性合成的反應(yīng)缺點(diǎn)(二)酶催化反應(yīng)容易被底物或產(chǎn)物所抑制，在底物或底物濃度較高時(shí)，會(huì)引起酶活性喪失。酶是生物大分子，可能會(huì)引起過(guò)敏反應(yīng)，使用時(shí)一定要注意。許多酶都需要輔助因子或輔酶才能進(jìn)行，然而輔酶一般較為昂貴，必須使用另外一種酶才能使其原位活化或再生。第九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四酶在生物催化反應(yīng)中的使用情況第十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.2

酶催化還原反應(yīng)

面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶能催化酮的不對(duì)稱(chēng)還原，其還原產(chǎn)物仲醇的對(duì)映體過(guò)量率近100%。第十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四主要內(nèi)容輔酶的循環(huán)使用脫氫酶催化酮還原酵母細(xì)胞催化酮還原酵母細(xì)胞催化烯烴還原第十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.2.1

輔酶的循環(huán)使用底物偶聯(lián)法酶偶聯(lián)法人工電子傳遞體總轉(zhuǎn)換數(shù)(TTN,totalturnovernumber)每摩爾輔酶用于轉(zhuǎn)化生產(chǎn)物的總摩爾數(shù)。實(shí)驗(yàn)室要求：TTN至少為103~104工業(yè)生產(chǎn)要求：TTN≥105第十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四常用的輔酶

氧化還原酶需要輔酶作為反應(yīng)過(guò)程中氫或電子的傳遞體。常用的輔酶有尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH(nicotinamideadeninedinucleotide)又稱(chēng)輔酶I(CoI)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate)又稱(chēng)輔酶II(CoII)第十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四底物偶聯(lián)法

定義：在反應(yīng)過(guò)程中添加輔助底物（供體），在相同酶催化下實(shí)現(xiàn)主要底物和輔助底物同時(shí)轉(zhuǎn)化，但兩者方向相反。為了使反應(yīng)朝向所需方向進(jìn)行，一般使輔助性底物過(guò)量，以保證轉(zhuǎn)換數(shù)TTN超過(guò)103。第十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四酶偶聯(lián)法

酶偶聯(lián)途徑是利用兩個(gè)平行的氧化還原反應(yīng)酶系統(tǒng)，一個(gè)酶催化底物轉(zhuǎn)化，另一個(gè)酶則催化輔酶循環(huán)再生。為了達(dá)到最佳效果，兩個(gè)酶的底物相對(duì)獨(dú)立，以避免兩個(gè)底物競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)酶的活性中心。第十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四用于還原反應(yīng)的酶甲酸脫氫酶?葡萄糖脫氫酶醇脫氫酶氫化酶谷氨酸脫氫酶、乳酸脫氫酶第十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四甲酸脫氫酶

(formatedehydrogenase,FDH)該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是輔助底物甲酸和反應(yīng)產(chǎn)物(CO2)對(duì)酶無(wú)毒和易于除去，F(xiàn)DH穩(wěn)定性好、易于固定化，且已可商品化供應(yīng)。該體系的缺點(diǎn)是FDH成本較高，酶的活性低。目前甲酸/FDH系統(tǒng)是最方便和最經(jīng)濟(jì)的NADH再生方法，特別適合于大規(guī)模重復(fù)性使用，其TTN可達(dá)103~105。第十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四其它脫氫酶葡萄糖脫氫酶葡萄糖和葡萄糖脫氫酶(glucosedehydrgenase,GDH)系統(tǒng)是另一種NADH或NADPH再生系統(tǒng)。醇脫氫酶乙醇-醇脫氫酶(alcoholdehydrogenase,ADH)系統(tǒng)用于NADH和NADPH的循環(huán)再生。氫化酶氫化酶(hydrogenase)能催化NADH再生，這種酶以分子氫直接作為氫的供體，氫有很強(qiáng)的還原能力，同時(shí)對(duì)酶和輔酶無(wú)毒。谷氨酸脫氫酶、乳酸脫氫酶乙醛-酵母ADH系統(tǒng)也可用于NAD-的再生，其轉(zhuǎn)換數(shù)達(dá)到103~104。該系統(tǒng)中酶容易失活是其致命的弱點(diǎn)。第十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四人工電子傳遞體第二十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.2.2

脫氫酶催化酮還原酵母醇脫氫酶馬肝醇脫氫酶布氏熱厭氧菌醇脫氫酶羥基甾(zai)體脫氫酶commerciallyavailable第二十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四酵母醇脫氫酶(yeastalcoholdehydrogenase,YADH)

底物專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，只針對(duì)醛和甲基酮。馬肝醇脫氫酶(horseliveralcoholdehydrogenase,HLADH)

底物專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)，因而可催化多種底物還原，應(yīng)用廣，缺點(diǎn)是立體選擇性不高。羥基甾體脫氫酶(hydroxysteroiddehydrogenase,HSDH)

最佳底物是烷基取代單烷酮和二環(huán)酮。布氏熱厭氧醇脫氫酶(Thermoanaerobiumbrockiialcoholdehydrogenase,TBADH)

催化大分子酮還原時(shí)得到(S)-型醇，但催化小分子酮時(shí)則產(chǎn)物構(gòu)型相反。第二十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.2.3

酵母細(xì)胞催化酮還原無(wú)環(huán)酮的還原環(huán)狀酮的還原去消旋化19世紀(jì)初，人們利用面包酵母(Baker’syeast)或稱(chēng)釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)被廣泛用于酮的不對(duì)稱(chēng)還原反應(yīng)。它使用方便，無(wú)需特殊設(shè)備，可在普通實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行生物催化反應(yīng)，使用成本低。第二十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四無(wú)環(huán)酮的還原

多數(shù)長(zhǎng)鏈酮（如n-丙基酮、n-丁基酮和苯基酮）不能被酵母還原，只有長(zhǎng)鏈甲基酮才能被酵母催化還原。第二十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四環(huán)狀酮的還原第二十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四去消旋化

消旋體中仲醇可以通過(guò)氧化、還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為單一對(duì)映體。仲醇消旋體中的一個(gè)對(duì)映體可以被選擇性氧化為酮（醇脫氫酶），而另一個(gè)對(duì)映體則不能被氧化。新生的酮可以再被另一個(gè)氧化還原系統(tǒng)還原為仲醇，其構(gòu)型與原仲醇構(gòu)型相反，最終使消旋體轉(zhuǎn)變單一對(duì)映，這是一項(xiàng)去消旋化(deracemization)技術(shù)。第二十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.2.4

酵母細(xì)胞催化烯烴還原α，β-不飽和酯的還原烯丙醇和共軛烯酮的還原硝基烯烴的還原

負(fù)責(zé)這種還原反應(yīng)的酶一般是NADH所依賴(lài)的烯酸還原酶，這類(lèi)酶存在于多種微生物中，如梭狀芽孢桿菌、變形桿菌屬和面包酵母等。第二十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四α，β-不飽和酯的還原

微生物對(duì)烯酸酯是先水解后還原，因此微生物還原反應(yīng)實(shí)際發(fā)生在烯酸階段。第二十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四烯丙醇和共軛烯酮的還原第三十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四硝基烯烴的還原第三十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.3酶催化氧化反應(yīng)常用的化學(xué)氧化方法：采用金屬化合物如六價(jià)鉻、七價(jià)錳衍生物以及醋酸鉛、醋酸汞和有機(jī)過(guò)氧羧酸等作為氧化劑。缺點(diǎn)：缺少立體選擇性、副反應(yīng)多，且金屬氧化劑會(huì)造成環(huán)境污染。酶催化的方法：不僅可以解決這些問(wèn)題，而且可使不活潑的有機(jī)化合物發(fā)生氧化反應(yīng)，如催化烷烴中的碳?xì)滏I羥化反應(yīng)，反應(yīng)具有區(qū)域和對(duì)映選擇性。第三十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四生物催化氧化所用的酶三大類(lèi)酶：?jiǎn)渭友趺?、雙加氧酶和氧化酶第三十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四主要內(nèi)容

第一節(jié)單加氧化酶催化反應(yīng)第二節(jié)雙氧酶催化反應(yīng)第三節(jié)氧化酶和脫氫酶催化反應(yīng)第三十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第一節(jié)單加氧化酶催化反應(yīng)

反應(yīng)機(jī)理：?jiǎn)渭友趺?mono-oxygenases)可以使氧分子(O2)中一個(gè)氧化自加入到底物分子中，另一個(gè)氧原子使還原性NADH或NADPH氧化并產(chǎn)生水H2O。第三十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四單加氧酶催化的反應(yīng)類(lèi)型

羥化反應(yīng)烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)硫原子的氧化反應(yīng)拜爾-維利格反應(yīng)第三十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四羥化反應(yīng)注：反應(yīng)機(jī)理不是傳統(tǒng)意義上的直接羥化，而是通過(guò)β-氧化過(guò)程而完成的（脫氫、水合）。第三十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四對(duì)羥化反應(yīng)的認(rèn)識(shí)提高選擇性的途徑：（1）改變培養(yǎng)條件，增加細(xì)胞代謝壓力；（2）廣泛篩選不同的微生物菌種；（3）底物修飾

目前對(duì)反應(yīng)過(guò)程中底物的氧化位點(diǎn)還不能預(yù)測(cè)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些有效的方法可以提高選擇性。第三十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四羥化反應(yīng)實(shí)例介紹第三十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)特點(diǎn)：針對(duì)很多小分子的烯烴環(huán)氧化合物（通過(guò)傳統(tǒng)環(huán)氧化方法不能得到）效果顯著！

第四十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四硫原子的氧化第四十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四拜爾-維利格反應(yīng)

拜爾-維利格(Baeyer-Villiger)BV反應(yīng)是指利用過(guò)氧羧酸氧化酮生成酯或內(nèi)酯，這是一個(gè)具有很高應(yīng)用價(jià)值的有機(jī)合成反應(yīng)。PossiblemechanismaboutBVreaction第四十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四BV反應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例第四十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二節(jié)雙氧酶催化的氧化反應(yīng)

雙氧酶(dioxygenases)，又稱(chēng)雙加氧酶，能催化氧分子中兩個(gè)氧原子都加入到一個(gè)底物分子中。這類(lèi)酶一般含有緊密結(jié)合的鐵原子，如血紅素鐵。烯烴的氫過(guò)氧化反應(yīng)芳烴雙羥基化反應(yīng)第四十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四烯烴的氫過(guò)氧化反應(yīng)辣根過(guò)氧化物醇催化消旋體輕過(guò)氧化物的拆分第四十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四芳烴雙羥基化反應(yīng)第四十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四順式環(huán)狀二連醇的應(yīng)用第四十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四氧化酶和脫氫酶催化反應(yīng)氧化酶催化電子轉(zhuǎn)移到分子氧中，以氧作為電子受體，最終生成水或過(guò)氧化氫。

氧化酶：黃素蛋白氧化酶（氨基酸氧化酶、葡萄糖氧化酶）、金屬黃素蛋白氧化酶（醛氧化酶）和血紅素蛋白氧化酶（過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶）等。脫氫酶可以催化氧化和還原雙向可逆反應(yīng)，一般可以催化還原反應(yīng)為主，但根據(jù)需求設(shè)定反應(yīng)條件可以使還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氧化反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餅檫€原態(tài)物質(zhì)，輔酶是氧化態(tài)時(shí)，脫氫酶則催化氧化反應(yīng)。而相反條件下脫氫酶則催化還原反應(yīng)為主。第四十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.4

酶催化水解反應(yīng)

水解酶(hydrolases,EC3,x,x,x)是最常用的生物催化劑，占生物催化反應(yīng)用酶的65%。它們能水解酯、酰胺、蛋白質(zhì)、核酸、多糖、環(huán)氧化物和腈等化合物。第四十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四目前水解反應(yīng)的類(lèi)型第五十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四酯水解酯的結(jié)構(gòu)類(lèi)型：(I)型酯:手性中心在羧酸部分(II)型酯手性中心在醇部分第五十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期四(I)型酯的水