生物酶催化的不对称合成反应

AP T O e M O H
N PH AD O e M O H
O e M
香 素 生 转 制 兰 的 物 化 备
生物酶催化不对称合成L-苹果酸
COOH COOH
L-苹果酸酶
HO
C
H
HOOC
CH2 COOH
生物酶催化的缺点及解决方法
缺点： • 生物酶催化反应的可操 作范围一般比较窄； • 稳定性差，容易失活； • 酶一般仅在水溶液中表 现出最高的催化活性； • 酶的活性容易被底物或 产物所抑制； • 酶是生物大分子，可能 会引起过敏反应。 解决方法： • 生物技术角度： 生物培育 生物筛选 基因、蛋白质工程技 术改造 • 化学的角度： 化学修饰 固载化
背景
• 20世纪90年代，手性药物的 研发已成为世界新药发展的 战略方向与热点领域，不对 称催化反应研究的成功为手 性药物工业注入了强大的活 力，生物酶催化是获取光学 纯手性药物的关键技术。为 此，2001年的诺贝尔化学奖 就授予了三位从事不对称催 化反应的科学家－Williams S.
“We chemists are proud of our ability to create high values from almost nothing on the basis of accumulated scientific knowledge” —— Ryoji Noyori
Seminar Report
生物酶催化的不对称合成反应
报告人: 报告人: 刘开颖 导师: 导师: 王利 2006.4.4
主要内容：
• • • • 引言 生物酶与生物酶催化的不对称合成反应 展望 参考文献
几个术语
• 生物催化(biocatalysis) 是指利用酶或者有机体（细胞、细胞器 等）作为催化剂实现化学转化的过程，又称为生物转化 (biotransformation)。 • 手性合成(chiral synthesis) 是指利用手性诱导试剂使得无手性 或者潜手性的反应物转变为手性产物的过程，又称为不对称 合成。 • 生物酶催化的不对称合成(asymmetry synthesis with biocatalysis) 是指利用纯酶或者有机体催化无手性、潜手性化合物转变为 手性产物的过程。
展望
• 生物催化的不对称合成是一个由有机化学、生物化学和微生物学等多学 科交叉的研究领域。它的研究领域主要涉及到生物催化剂和反应介质两 大要素，随着非水介质中酶催化反应的研究和应用，一些不利应速正在 被克服，生物催化的不对称和成正在得到迅猛发展。 固定化酶和固定化细胞技术可以使生物催化反应在固定床内连续进行生 物转化，这将使生物催化法具有工业应用价值 当代生物技术如基因工程、蛋白质工程的发展和应用极大地促进了生物 酶催化不对称合成反应的研究和应用，生物催化的手性合成在医药、食 品、农药和其他特种材料的研制与生产中得到广泛应用，展现了广阔的 应用前景。 生物催化剂可以被降解，是环境友好的催化剂，它具有高度的立体选择 性，减少了废物的排放，这是绿色化学研究的主要内容。因此，生物酶 催化的不对称合成将成为绿色化学研究的重要领域之一，具有好的发展 与应用前景。
Ryoji Noyori
Knowles，Ryoji Noyori与K. Barry Sharpless.
• 随着人们对环境保护意识的 加强，绿色合成化学已经成 为有机化学家所面临的新的 挑战和未来研究的主要内容， 具有环境友好、高选择性特 点的生物酶催化的不对称合 成反应越来越引起人们的关 注。
生物酶催化反应的发展
手性
镜平面 对映体 A
对映体 B
ee%＝ A-B A+B
×100
手性是物质在不同层次所具有的内在的普遍的特征。生命活动依赖于分子的手 性，构成生命体系生物大分子的基本单元如碳水化合物、氨基酸等大部分物质都 是手性分子。许多生理现象的产生都源于分子手性的精确识别与严格匹配，手性 的生物受体与客体的两个对应异构体以不同的方式相互作用。
N H
胺 解 HN 酰 水 酶 H
2
HN 2 (2)
O
H O O (4)
D -4-羟 苯 氨 基 甘 酸
(R -胺 酰 )-N 甲 -4-羟 基 苯 氨 甘 酸
D 羟 苯 氨 的 学 合 法 -对 基 甘 酸 化 -酶 成
生物酶催化的不对称反应的应用 生物酶催化的不对称反应的应用—手性药物
紫杉醇生物酶催化不对称合成
COOH
大肠杆菌 ASI.881
COOH H 2N H C C H H
HO OC 延胡索酸
天冬氨酸酶
COOH L-天冬氨酸
生物酶催化不对称合成法生产 L-赖氨酸
ON NOCl Cl NH3 HON NH2
H2SO4 H2N O N D型
+
NH2 HOOC NH2
L-赖氨酸(99.8% e.e.)
水解酶 H2N (nentii) O pH8 N
1867年，库内（Kuhne）提出酶 （enzyme），用以表述催化活性。 1897年，布赫奈纳（Buchner）等发现酵母的活细 胞提取也具有发酵作用，可以使葡萄糖转化为乙 醇和二氧化碳，为近代酶学研究奠定了基础。 1908年，罗森贝格（Rosenberg）用杏仁（D-醇氰 酶）作催化剂合成具有光学活性的氰醇。这些创造 性的工作促进了生物酶催化不对称合成的研究与发 展。 1926年，萨姆纳（Sumner）从刀豆中分离 纯化得到脲酶晶体。 1936年，西姆（Sym）发现胰脂肪酶在有机 溶剂苯存在下仍能改进酶催化的酯合成。 1960年，诺华（NOVO）公司通过对地衣形 芽胞杆菌（Bacillus licheniformis）深 层培养发酵大规模制备了蛋白酶，从此开 始了酶的商业化生产。 20世纪 80年代初，Cech和Altman分别发现 了具有催化功能的 RNA（Ribozyme）从而 打破了酶全部都是蛋白质的传统观念,开辟 了酶学研究的新领域。
全世界手性化合物需求逐年上升
2100 1800 1500 1200
(Unit: 100 million $)
1718 2000
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
0 2005 2008
Chem. & Eng. News, 2001, Vol. 79, No. 40, pp79
10-脱乙酰浆果赤霉素Ⅲ
AO c
O
O H
O N O + O H
1 D A /p rid e . M P y in
O
N H
O O H O O H A O O c O
H O O
H A O O c
O
2 H l,E H 2O . C tO /H
H O
(3 )

O t E
(5 )
杉 的 学 合 法 紫 醇 化 -酶 成
经过近半个世纪的研究，生物催化的不对称合成已经成功地用于 光学活性氨基酸、有机酸、多肽、甾体转化、抗生素修饰和手性 原料等的制备，成为一种标准的有机合成方法。
酶的分类及在生物催化中的使用情况
生物酶催化的特点
与化学试剂催化的共性：
能够改变化学反应速度，不能改变化学 反应平衡 形成过度态，降低反应的活化能
巴斯德（Pasteur）是手性化合物研究的先驱者，1848 年，他从外消旋酒石酸钠铵盐晶体的混合物中分离出 （+）和（-）酒石酸钠铵盐两种晶体。 1894年，菲舍尔（Fischer）提出了 “锁钥学说”，用来解释酶作用的立 体专一性。 1906年，瓦尔堡（Warburg）采用肝脏提取物水解 消旋体亮氨酸丙酯制备L-亮氨酸。 1916年，纳尔逊（Nelson）和格里芬（Griffin） 发现蔗糖酶结合在骨炭粉末上仍有酶活性。 1952年，彼得逊（Peterson）发现 黑根酶能使孕酮转化为α-羟基孕 酮，产物产率高，光学纯度好，从 而解决了，甾体类药物合成中的重 大难题。 1984年，Klibanov所开创的非水介质中酶 反应的研究，极大地推动了酶在有机合成 中的应用。
O H N O O
氮杂环丁酮衍生物
脂 酶S 0 肪 P -3 2 0C p 7 9 , H .0
O H N O O
1 K H H /H O . O ,T F 2 2 E y V y eth . th l in l er 3 M i . eL 4 B zo l ch rid . en y o e
O O N O
(6 )
β-氨基-N-苯甲酰基-(2R，3S)-3-苯基异丝氨酸
生物酶催化的不对称反应的应用 生物酶催化的不对称反应的应用—食品添加剂
生物酶催化不对称合成香兰素
C O O H C O O H
微 物 化 生 氧 羧 还 酶 基 原
C A P O M
羧 还 酶 基 原
C O H
O e M O H O H
外消旋酶(A.Obae) 酶法生产L-赖氨酸
两种中间体β 氨基酸和β 两种中间体β-氨基酸和β-内酰胺生物酶催化合成
Orgnanic Letters 2003, Vol.5, No.8, 1209-1212.
生物酶催化的不对称反应的应用 生物酶催化的不对称反应的应用—手性药物
H O C O H N 2 H
酶催化的优势：
• • • • • 酶催化反应条件温和 酶催化反应速度快、效率高 酶催化剂用量少 高选择性（底物、区域、位点、立体） 环境友好
生物酶催化的机理
• • • • 邻近效应 定向效应 酸碱共同催化 应力作用
锁-钥学说
诱导契合学说
三点结合学说
生物酶催化不对称合成反应
生物酶催化不对称合成 L-天冬氨酸
+ +
O H H N O (1) N H
+
O H N O O N H (少 ) 量