生物催化的手性合成 -

生物催化的手性合成手性技術(shù)的研究領(lǐng)域一、生物催化手性合成簡(jiǎn)介講解內(nèi)容提要：1、一些基本概念:2、生物酶的分類(lèi)及作用：3、不同形式生物催化劑的特點(diǎn)：1、一些基本概念:生物催化：biocatalysis生物催化是指利用酶或有機(jī)體(細(xì)胞、細(xì)胞器等)作為催化劑實(shí)現(xiàn)化學(xué)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，又稱(chēng)為生物轉(zhuǎn)化(biotransformation)。

生物催化的手性合成：chiral

synthesis

withbiocatalyst是指利用純酶或有機(jī)體催化無(wú)手性、潛手性的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)槭中援a(chǎn)物的過(guò)程。微生物生物轉(zhuǎn)化:microbiall

biotransformation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)的酶催化非天然的有機(jī)化合物的生物轉(zhuǎn)化，因此，又稱(chēng)為微生物生物轉(zhuǎn)化。2、生物酶的分類(lèi)及作用：生物體內(nèi)存在的生物酶系統(tǒng)大體分為兩類(lèi)：（1）酶：enzyme

酶是一類(lèi)以蛋白質(zhì)為主要成分的生物催化劑，主要催化糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂類(lèi)等的合成與分解代謝。（2）核酶：ribozyme

核酶是一類(lèi)以核糖核酸為主要成分的生物催化劑，主要催化核糖核酸的剪接反應(yīng)。酶類(lèi)生物催化劑的分類(lèi)：

按酶催化反應(yīng)的類(lèi)型將酶類(lèi)生物催化劑分成六大類(lèi)，分別用編號(hào)EC1、EC2、EC3、EC4、EC5、EC6表示。

六大類(lèi)酶類(lèi)生物催化劑及其主要作用類(lèi)型見(jiàn)下表所示。3、不同形式生物催化劑的特點(diǎn)：

在生物催化的手性合成中，既可以使用離體生物酶，也可以使用完整的微生物細(xì)胞作催化劑。

反應(yīng)中使用何種形態(tài)的酶系統(tǒng)取決于多方面的因素，包括：反應(yīng)類(lèi)型、輔酶、輔酶循環(huán)、反應(yīng)規(guī)模、反應(yīng)條件等等。舉例說(shuō)明：

許多酶的生物催化作用，需要輔助因子或輔酶才能夠進(jìn)行反應(yīng)。

細(xì)胞自身能夠合成這些輔助因子，因此，用生長(zhǎng)的細(xì)胞進(jìn)行生物催化反應(yīng)時(shí)，不需要在反應(yīng)系統(tǒng)中添加該類(lèi)輔助因子；

當(dāng)用無(wú)細(xì)胞的純酶系統(tǒng)時(shí)，則需要添加這些輔助因子。例如：ATP、NADH、NADPH等。不同形式的生物催化劑優(yōu)缺點(diǎn)比較生物催化法與發(fā)酵法的比較二、非水介質(zhì)中的生物催化講解內(nèi)容提要：1、非水介質(zhì)體系簡(jiǎn)介：2、非水介質(zhì)對(duì)酶活性的影響：3、介質(zhì)對(duì)酶催化選擇性的影響：1、非水介質(zhì)體系簡(jiǎn)介：天然酶主要是在水溶液中催化生物反應(yīng)。

人工合成的非天然底物多數(shù)是疏水性的，并且，水作為溶劑還容易引起一些非天然有機(jī)化合物的水解、消旋化、聚合和分解等副反應(yīng)。

因此，非水介質(zhì)體系中的生物催化已經(jīng)成為手性合成研究的一個(gè)活躍的領(lǐng)域——生物催化反應(yīng)介質(zhì)工程。（1）水—有機(jī)溶劑兩相體系：

是指由水相和非極性有機(jī)溶劑相組成的分相反應(yīng)體系，酶溶解在水相中，底物和產(chǎn)物溶解于有機(jī)相中。特點(diǎn)：酶與有機(jī)溶劑在空間上分離；保持較高的酶活性；產(chǎn)物與酶及時(shí)分離；正確的振蕩、攪拌會(huì)加快反應(yīng)速率。（2）水不互溶有機(jī)溶劑單相體系：

是指用與水不互溶的有機(jī)溶劑取代所有的溶劑水（98%），形成的固相酶分散在有機(jī)溶劑中的單相體系。特點(diǎn)：有機(jī)溶劑中含有少于2%的水分；酶表面必須含有殘余的結(jié)構(gòu)水分子；固相酶在有機(jī)溶劑中具有催化活性；必須使固相酶與有機(jī)相充分混勻。（3）反相膠束體系：

反相膠束體系是指在存有少量水的有機(jī)溶劑體系中加入部分表面活性劑所產(chǎn)生的溶劑反應(yīng)體系。特點(diǎn)：溶液中表面活性劑的存在，形成反相膠束；酶被限制在含水的反相膠束內(nèi)部微環(huán)境中；底物和產(chǎn)物可以自由出入膠束。反相膠束體系的優(yōu)點(diǎn)：①組成的靈活性：②熱力學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)透明性：③具有非常高的界面積/體積比：④反相膠束的相特性隨溫度而變化：可以簡(jiǎn)化產(chǎn)物和酶的分離純化。（4）水互溶有機(jī)溶劑單相體系：

是指由水和水互溶性有機(jī)溶劑組成的單相反應(yīng)體系。特點(diǎn)：酶、底物、產(chǎn)物均能溶解于同一體系；主要適用于親脂性底物的生物轉(zhuǎn)化；水/有機(jī)溶劑的比率對(duì)反應(yīng)有影響。（5）超臨界流體體系：

是指利用超臨界氣體作為酶催化親脂性底物的溶劑體系。特點(diǎn)：對(duì)于多數(shù)的生物酶均適用；無(wú)毒、低粘度、產(chǎn)物易于分離純化；

容易控制酶催化反應(yīng)的特性：反應(yīng)速率、反應(yīng)選擇性等；需高壓反應(yīng)器、易引起酶的失活等。2、非水介質(zhì)對(duì)酶活性的影響：①水活度：αW②溶劑的極性：

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3③溶劑的pH：最適pH，緩沖溶液④酶的形態(tài)：最適酶量，分散性等⑤酶的穩(wěn)定性：最佳調(diào)節(jié)參數(shù)αW3、介質(zhì)對(duì)酶催化選擇性的影響：

酶在水溶液中催化反應(yīng)的選擇性基本是固定的，因?yàn)?，水的物理化學(xué)性質(zhì)是不變的。

但是，有機(jī)溶劑的數(shù)目眾多，各自具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)。

例如：偶極矩、介電常數(shù)、溶解性、沸點(diǎn)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、異構(gòu)現(xiàn)象等。因此，有機(jī)溶劑能影響酶催化反應(yīng)的選擇性。假單胞脂肪酶催化二氫吡啶羧酸酯的選擇性水解反應(yīng)溶劑對(duì)水解二氫吡啶羧酸酯選擇性的影響假單胞脂肪酶催化水合蒎醇酯化反應(yīng)溶劑極性對(duì)酶催化酯化選擇性的影響溶劑與酶活性的兼容性皺褶假絲酵母脂肪酶催化2-溴丙酸酯化水含量對(duì)酶反應(yīng)選擇性的影響三、手性藥物生物催化應(yīng)用講解內(nèi)容提要：1、還原反應(yīng)：2、氧化反應(yīng)：3、水解和酯化反應(yīng)：1、還原反應(yīng)：

生物催化的還原反應(yīng)在手性藥物的不對(duì)稱(chēng)合成中具有重要的應(yīng)用。

還原結(jié)果：使分子內(nèi)的羰基、碳碳雙鍵立體選擇性地還原產(chǎn)生特定構(gòu)型化合物。

例如：脫氫酶被廣泛的用于醛、酮羰基以及烯烴碳碳雙鍵的還原。脫氫酶催化的還原反應(yīng)（1）神經(jīng)退行性疾病治療新藥——

Talampanel的合成：

Talampanel[(-)-

LY300164]屬于5H-2,3-苯并二氮卓類(lèi)藥物，在關(guān)鍵的手性中間體2

的手性還原過(guò)程中，即采用了生物催化法。

結(jié)果：合成步驟減少；總產(chǎn)率大幅提高(16%→51%)；減少環(huán)境污染。（2）抗心絞痛新藥SQ31765的合成：

SQ31765合成的關(guān)鍵中間體(4)，既是選擇橙紅色諾卡菌為生物催化劑，立體選擇性的將底物(3)(取代的苯并丫庚因-2,3-二酮)還原為(4)，后者經(jīng)N-烷基化而得到SQ31765。化學(xué)產(chǎn)率為：97%；光學(xué)產(chǎn)率為：>99.9%d.e.（3）碳酸酐酶抑制劑MK0507的合成：

MK0507，商品名為

Trusopt，由Merck公司開(kāi)發(fā)上市，是一個(gè)高度水溶性化合物，用于治療青光眼。

其分子中含有兩個(gè)手性中心，化學(xué)不對(duì)稱(chēng)合成法見(jiàn)下圖：??

應(yīng)用生物催化法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究篩選，最終選擇粗糙鏈孢霉菌作為生物催化劑，

可以選擇性地將中間產(chǎn)物（3S）-酮砜還原為關(guān)鍵手性中間體（4S,6S)-反式-羥基砜，（4R,6S)-異構(gòu)體僅為0.2%?；瘜W(xué)產(chǎn)率：>80%光學(xué)產(chǎn)率：>99.8%d.e.（4）L-肉毒堿的生物催化合成：

L-肉毒堿（L-carnitine）又稱(chēng)為維生素BT，在體內(nèi)

脂肪酸的代謝過(guò)程

中具有重要的作用。

作為一種功能性食品添加劑，L-肉毒堿已經(jīng)為世界各國(guó)所接受，可以添加于奶粉、運(yùn)動(dòng)飲料、老年?duì)I養(yǎng)保健食品、減肥健美

食品等中。

化學(xué)合成得到的產(chǎn)物為消旋體。但是，

D-肉毒堿卻對(duì)L-肉毒堿具有活性拮抗作用2、氧化反應(yīng)：

生物催化的氧化反應(yīng)可以使底物分子內(nèi)非活潑的碳?xì)滏I立體選擇性的氧化，產(chǎn)生特定構(gòu)型的羥基化合物。

而這種碳?xì)浞腔顫姎溆没瘜W(xué)的方法是很難氧化的。

甾體激素的微生物催化轉(zhuǎn)化，是生物催化法在手性合成研究中應(yīng)用最早和最成功的例子。（1）甾體類(lèi)激素的生物轉(zhuǎn)化：

甾體類(lèi)激素的生物轉(zhuǎn)化，主要是指甾體結(jié)構(gòu)中非活潑C-H鍵的不對(duì)稱(chēng)氧化轉(zhuǎn)化為

–OH的反應(yīng)。

常規(guī)化學(xué)法很難氧化非活潑C-H鍵，但是，生物轉(zhuǎn)化法卻能較容易的實(shí)現(xiàn)。舉例說(shuō)明如下：17-α羥基-11-脫氫皮質(zhì)酮→氫化可的松：孕酮→11-α羥基孕酮：谷甾醇→雄甾二酮：（2）卡托普利的生物合成：?

卡托普利(captopril)，又名巰甲丙脯酸，是第一個(gè)口服血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑類(lèi)藥物，為治療各種高血壓病的有效藥物。分子中含有兩個(gè)手性

中心，藥效結(jié)構(gòu)是（S,S)-構(gòu)型。生物轉(zhuǎn)化法[1]：生物轉(zhuǎn)化法[2]：（3）R-巴氯芬的生物轉(zhuǎn)化：

R-巴氯芬是一種GABA受體激動(dòng)劑，臨

床上常用于治療痙攣性疾病。研究發(fā)現(xiàn)：具有生物活性的是(R)-(-)-巴氯芬,可選擇性激動(dòng)GABAβ受體。3、水解反應(yīng)和酯化反應(yīng)：

水解酶是最常用的生物催化劑，占生物催化反應(yīng)用酶的65%。

各種水解酶數(shù)目眾多，它們能水解酯、