酶参与的不对称合成

用于还原反应的酶
♣ 甲酸脱氢酶♥ ♣ 葡萄糖脱氢酶 ♣ 醇脱氢酶 ♣ 氢化酶 ♣ 谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶
甲酸脱氢酶
(formate dehydrogenase, FDH)
该方法的最大优点是辅助底物甲酸和反应产物(CO2) 对酶无毒和易于除去，FDH稳定性好、易于固定化， 且已可商品化供应。
马 肝 醇 脱 氢 酶 (horse liver alcohol dehydrogenase, HLADH) 底物专业性不强，因而可催化多种底物还原，应用广，缺 点是立体选择性不高。
羟基甾体脱氢酶(hydroxysteroid dehydrogenase, HSDH) 最佳底物是烷基取代单烷酮和二环酮。
底物偶联法
定义：在反应过程中添加辅助底物（供体）， 在相同酶催化下实现主要底物和辅助底物同时转 化，但两者方向相反。为了使反应朝向所需方向 进行，一般使辅助性底物过量，以保证转换数 TTN超过103。
酶偶联法
酶偶联途径是利用两个平行的氧化还原反应酶 系统，一个酶催化底物转化，另一个酶则催化辅酶 循环再生。为了达到最佳效果，两个酶的底物相对 独立，以避免两个底物竞争同一个酶的活性中心。
酶催化剂的用量少，一般手性催化剂的用量是 0.1%~1mol%，而酶催化反应中酶的用量为103~10-4mol%。
酶与其他催化剂一样，仅能加快反应的速度， 但不影响反应的热力学平衡，酶催化的反应往 往是可逆的。
生物催化手性合成的反应优点
酶在温和条件下进行，反应PH为5~8，一般在7左右， 反应温度在30℃左右。这样可以减少不必要的副反 应，如分解、异构和重排反应。
第四章 酶参与的不对称合成
Chapter 4 enzymes mediated asymmetric reactions
主要内容
4.1 酶及酶催化反应的特点及缺点 4.2 酶催化还原反应 4.3 酶催化氧化反应 4.4 酶催化水解反应 4.5 总结
4.1 Chiral synthesis with biocatalyst
酶的特征
酶是决定生物体系中化学转化方式的卓 越非凡的分子器件。酶最为显著的特征是其催 化能力和专一性。由于它们能专一性Hale Waihona Puke Baidu与多种 分子结合，并使化学反应加速几个数量级。作 为一类大分子，它们在催化各种反应时是高效 率的。
生物催化手性合成的反应特点
酶的反应速度比非酶催化的反应速度一般要快 106~1012倍。
该体系的缺点是FDH成本较高，酶的活性低。 目前甲酸/FDH系统是最方便和最经济的NADH再生
方法，特别适合于大规模重复性使用，其TTN可达 103~105。
其它脱氢酶
♣ 葡萄糖脱氢酶 葡萄糖和葡萄糖脱氢酶(glucose dehydrgenase, GDH)系统是另一种NADH或NADPH 再生系统。
酶在水溶液中表现出最高的催化活性，而一般都是 在有机溶剂中进行，而在非水介质中酶的活性在水 溶液中低，一般降低一个数量级水平。
生物催化手性合成的反应缺点(二)
酶催化反应容易被底物或产物所抑制，在底物或底 物浓度较高时，会引起酶活性丧失。
酶是生物大分子，可能会引起过敏反应，使用时一 定要注意。
许多酶都需要辅助因子或辅酶才能进行，然而辅酶 一般较为昂贵，必须使用另外一种酶才能使其原位 活化或再生。
酶在生物催化反应中的使用情况
4.2 酶催化还原反应
面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化酮的不对 称还原，其还原产物仲醇的对映体过量率近100%。
主要内容
辅酶的循环使用 脱氢酶催化酮还原 酵母细胞催化酮还原 酵母细胞催化烯烃还原
♣ 醇脱氢酶 乙醇-醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase, ADH)系统用于NADH和NADPH的循环再生。
♣ 氢化酶 氢化酶(hydrogenase)能催化NADH再生，这种酶以分子氢直接作为氢的供体，氢有很 强的还原能力，同时对酶和辅酶无毒。
♣ 谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶 乙醛-酵母ADH系统也可用于NAD-的再生，其转换数达到103~104。该系统中酶容易失 活是其致命的弱点。
常用的辅酶有尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH (nicotinamide adenine dinucleotide)又称辅酶I (Co I) 和 尼 克 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 磷 酸 NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)又称 辅酶II (Co II)
4.2.1 辅酶的循环使用
总转换数(TTN, total turnover number) 每摩尔辅酶用于转化生产物的总摩尔数。 实验室要求：TTN至少为103~104 工业生产要求：TTN≥105
底物偶联法
酶偶联法
人工电子传递体
常用的辅酶
氧化还原酶需要辅酶作为反应过程中氢或电子 的传递体。
利用纯酶或有机体催化无手性、潜手性化合物 转化为手性产物的过程。生物催化中常用的有机体 主要是微生物，其本质是利用微生物细胞内的酶催 化非天然有机化合物的生物转化，又称为生物转化 （microbial biotransformation）。固定化酶和固定 化细胞技术可使生物催化反应在连续进行生物转化， 这将使生物催化法具有工业化应用价值。
人工电子传递体
4.2.2 脱氢酶催化酮还原
酵母醇脱氢酶 马肝醇脱氢酶 布氏热厌氧菌醇脱氢酶 羟基甾(zai)体脱氢酶
commercially available
酵母醇脱氢酶(yeast alcohol dehydrogenase, YADH) 底物专业性强，只针对醛和甲基酮。
不同酶所催化反应的条件往往是相同或相似的，因 此，一个连续反应可以采取多酶复合体系，使这些 生物催化反应能在同一个反应器中进行，可以简便 操作步骤。
生物催化手性合成的反应缺点(一)
尽管酶催化反应的条件温和，但是酶反应参数必须 精确控制。一般酶催化反应都有其最适条件，如温 度、PH值、离子强度等。这些参数变化的范围较小， 一旦变化幅度超过它们的允许值，将会引起酶的活 性丧失。