第次課天然產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化

生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物研究中的應(yīng)用

一、引言二、生物轉(zhuǎn)化應(yīng)用于甾體藥物合成

三、生物催化不對(duì)稱(chēng)合成

2.生物催化水解反應(yīng)有機(jī)底物的生物催化水解或酯化反應(yīng)是應(yīng)用最廣的反應(yīng)，最常見(jiàn)的為酯和酰胺。這里介紹一些手性有機(jī)酸的制備，通過(guò)有機(jī)酸酯的微生物或酶水解。由于分子中手性中心靠近有機(jī)酸酯，它的各種光學(xué)異構(gòu)的酯對(duì)微生物或酶的水解速度不同，見(jiàn)表。若水解速度差別夠大時(shí)，經(jīng)一次發(fā)酵就能獲得光學(xué)活性純的酸及酯，這也是一種生物拆分法。

表中E代表水解速率常數(shù)，當(dāng)E接近100時(shí)，二種光學(xué)異構(gòu)體水解速率相差很大，產(chǎn)物接近光學(xué)純。當(dāng)E值不夠大時(shí)，例如底物6水解時(shí)，E=14，經(jīng)一次發(fā)酵只能得到光學(xué)活性純度為72%的酸；但經(jīng)過(guò)二次發(fā)酵，也能得到光學(xué)活性純度大于98%的產(chǎn)品。

e.e.(enantiomerexcess)的含義：e.e.=(主要對(duì)映體的量-次要對(duì)映體的量)/(主要對(duì)映體的量+次要對(duì)映體的量)簡(jiǎn)化方法：e.e.=[α]測(cè)/[α]純

再看下例，它是酶催化合成手性合成子的成功例子。

已發(fā)現(xiàn)許多酶，如乙酰膽堿酯酶、豬胰脂肪酶(PPL)、假絲酵母Candidaantarcita

脂肪酶可用于從1制備對(duì)映體純的環(huán)戊烯醇(+)-2，通過(guò)在有機(jī)介質(zhì)中與乙酸異丙烯酸酯進(jìn)行SP-345酶催化的乙?；磻?yīng)，從二醇4制得了對(duì)映體(-)-2。

因此，經(jīng)過(guò)常規(guī)的化學(xué)轉(zhuǎn)化，從3和5可以得到許多天然產(chǎn)物分子制備中有用的關(guān)鍵中間體環(huán)戊酮衍生物(+)-6、(-)-6、7和8。

3.生物催化不對(duì)稱(chēng)還原反應(yīng)微生物內(nèi)部含有多種氧化-還原酶，可利用它來(lái)進(jìn)行氧化及還原反應(yīng)，微生物還原的特點(diǎn)是立體選擇性還原，可引進(jìn)手性中心。前手性羰基官能團(tuán)的不對(duì)稱(chēng)還原反應(yīng)在有機(jī)合成中是極有用的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，能進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)還原的微生物很多，有細(xì)菌、根霉、酵母等，其中以酵母應(yīng)用最多，例周維善等利用啤酒酵母進(jìn)行羰基的選擇性不對(duì)稱(chēng)還原反應(yīng)。Ref：周維善等，中國(guó)科學(xué)B，1984,405.

Prelog規(guī)則(1)

Prelog經(jīng)驗(yàn)規(guī)則1965年P(guān)relog根據(jù)如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：R1R2

ee%R1R2

ee%C2H5n-C4H713CH3C2H567CH3n-C3H764CH3i-C3H790CH3n-C4H982提出經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：當(dāng)RL>RS到一定程度，分子前面部分與酶結(jié)合，氫原子從后面進(jìn)攻，還原后獲得S-構(gòu)型的產(chǎn)物。芳香族羰基化合物的還原產(chǎn)物及ee值為：

Prelog經(jīng)驗(yàn)規(guī)則能用來(lái)預(yù)測(cè)部分微生物還原產(chǎn)物的構(gòu)型，但是其本質(zhì)還遠(yuǎn)沒(méi)有闡明。它是否具有普遍意義，它的機(jī)理是單一種酶作用的結(jié)果還是多種酶競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的結(jié)果，都有待進(jìn)一步澄清及實(shí)驗(yàn)證明。

(2)羰基的酵母還原β-酮酸酯、芳香酮、α,β-不飽和酮等羰基化合物都可被酵母不對(duì)稱(chēng)還原，面包酵母不對(duì)稱(chēng)還原乙酰乙酸乙酯為S-3-羥基丁酸乙酯是最典型的例子。

研究表明，底物結(jié)構(gòu)改變會(huì)影響產(chǎn)物手性中心光學(xué)純度，如下面反應(yīng)所示，底物結(jié)構(gòu)變化對(duì)產(chǎn)物ee值的影響。當(dāng)R1增大時(shí)產(chǎn)物中L-成分為主，而當(dāng)R2增大時(shí)，產(chǎn)物以D-成分為主。

例：D型產(chǎn)物L(fēng)型產(chǎn)物R2R1ee%R2R1ee%CH3CH2OC2H544CH3OC2H595CH3CH2CH2OH~100CH3CH2OC8H1799CH3CH2CH2CH2OH~100CH3CH2CH2OC8H1771C6H5OC2H5~100ClCH2HNC6H597微生物不對(duì)稱(chēng)還原在甾體藥物的合成中也有應(yīng)用，例如D-18-甲基炔諾酮及D-18-甲基二烯炔諾酮是兩種具有較高生物活性的口服避孕藥，這兩種口服避孕藥可用全合成制成，其中關(guān)鍵中間體12可采用酵母對(duì)11進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)還原。上海有機(jī)化學(xué)所甾體激素小組采用啤酒酵母菌從11到12得率為83.3%.(3)l-肉堿的合成l-肉堿(l-carnitine)是從動(dòng)物橫紋肌中分得的一種天然成分，它是脂肪代謝過(guò)程中的載體，脂肪酸與它結(jié)合后才能進(jìn)入線(xiàn)粒體，進(jìn)行代謝，產(chǎn)生能量?？捎糜谥委熜呐K及初生兒的l-肉堿缺乏癥；近年來(lái)也用于提高運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)的運(yùn)動(dòng)耐受量。而其d-異構(gòu)體是拮抗劑，臨床只使用l型化合物。目前生產(chǎn)是先合成消旋體，再以化學(xué)法拆分得光學(xué)活性化合物，此法收率低、方法繁。1983年周炳南等報(bào)道了l-肉堿的合成(Zhou,Bing-nanetal.J.Am.Chem.Soc.,1983,105,5925)。如前所述，乙酰乙酸乙酯以面包酵母還原獲得S-(+)-3-羥基丁酸乙酯，其羥基與l-肉堿中羥基的構(gòu)型相同，因此期望用相同方法來(lái)合成l-肉堿的中間體。但當(dāng)ω-氯代乙酰乙酸乙酯以面包酵母還原時(shí)，其產(chǎn)物羥基在前面，是所需化合物的對(duì)映體S(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，[α]D23-11.7(c,5.75,CHCl3)(55%ee)。此后，將4-氯-3-氧代丁酸乙酯用各種微生物進(jìn)行還原，其產(chǎn)物都是S(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，結(jié)果見(jiàn)表。

周炳南等合成了ClCH2COCH2COO(CH2)nH的各種醇的酯，企望改變酯基的大小，使以微生物還原時(shí)，得到所需要的醇。當(dāng)n≥7時(shí)，產(chǎn)物為R(+)-異構(gòu)體，若n>12時(shí)，產(chǎn)物光學(xué)活性純度很高，但產(chǎn)物收率下降，可能是由于溶解度的原因所致。n=8時(shí)，產(chǎn)率和光學(xué)純度都較高，[α]D23+15.1(c,4.66,CHCl3)，ee=98%。

周炳南等得到R(+)-3-羥基-4-氯代丁酸辛酯以后，采用以下方法直接合成天然的l-肉堿，這是首次直接合成的天然l-肉堿。4.對(duì)映選擇性微生物氧化反應(yīng)

自50年代以來(lái)就知道用假單胞菌Pseudomonasputida能將苯及其衍生物氧化為相應(yīng)的環(huán)己二烯醇，如下所示。

由Pseudomonasputida催化的溴苯的生物氧化產(chǎn)生二醇13，二醇13經(jīng)保護(hù)、醛基亞硝基親二烯試劑的加成和還原等步驟生成15，化合物15是制備indolizidine(17)和(+)-1-deoxygalacto-nojirimycin(18)的關(guān)鍵中間體。

另一個(gè)廣泛研究的生物氧化反應(yīng)是用單加氧酶為催化劑的環(huán)酮的Baeyer-Villiger型氧化。一個(gè)例子是酵母試劑用于催化一系列2-，3-，4-取代的環(huán)己酮的氧化，以良好產(chǎn)率和高ee值生成相應(yīng)的內(nèi)酯。下面總結(jié)了由2-取代環(huán)己酮出發(fā)的Baeyer-Villiger的氧化結(jié)果：

生物轉(zhuǎn)化在天然產(chǎn)物化學(xué)研究中極為重要，是一項(xiàng)既有理論意義，又有實(shí)用價(jià)值的工作，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，日益顯示它的重要性，