生物催化的手性合成

lgP 0.31 0.49 -0.23 -1.14 0.80 1.45
介电常数 — 7.6 20.6 2.2 17.0 5.8
选择率(E) 89 69 142 178 212 518
溶剂与酶活性的兼容性
lgP 与水混溶性
对酶活性的影响
-2.5-0
完全混溶 用于亲脂底物,有机溶剂含量为 20-50%时,对酶活性影响较小
isomerases
连接酶
ligases
命名
反应类型
利用率
EC1 催化底物氧化或还原
25%
常用
EC2
催化底物之间官能团的 转移: 羰基甲基等
~5%
较少用
EC3
催化底物水解
65%
常用
催化底物分子裂解成两 ~5%
EC4
部分
有应用
EC5
催化底物内分子重排
~1%
很少用
EC6
催化两个底物的连接
~1%
很少用
3、不同形式生物催化剂的特点：
生物催化的手性合成
手性技术的研究领域
手性 合成
手性 拆分
化学 合成
生物 合成
手性源诱导合成，手性源
不对称 化学计量型,手性助剂,手性试剂 合成 催化剂计量型
天然产物提取
发酵工程 酶催化
酶工程
悬浮生长细胞 固定化细胞 悬浮酶 固定化酶
结晶、动力学、包结、酶、色谱等拆分
一、生物催化手性合成简介
讲解内容提要：
• 特点： • 酶与有机溶剂在空间上分离； • 保持较高的酶活性； • 产物与酶及时分离； • 正确的振荡、搅拌会加快反应速率。
（2）水不互溶有机溶剂单相体系：
• 是指用与水不互溶的有机溶剂取代所有的溶剂 水（98%），形成的固相酶分散在有机溶剂中的 单相体系。
• 特点： • 有机溶剂中含有少于2%的水分； • 酶表面必须含有残余的结构水分子； • 固相酶在有机溶剂中具有催化活性； • 必须使固相酶与有机相充分混匀。
SS OO
NH HCl
SS OO
SO 2NH2
3 (6S)
4 (4S,6S)
5 MK0507
O
产率 > 80%, > 99.8% d.e.
构型转化
O
S HO2S
6
6 SS
O O 7 (6R)
（4）L-肉毒碱的生物催化合成：
• L-肉毒碱（L-
carnitine）又称为
OH O
维生素BT，在体内 Me3+N 脂肪酸的代谢过程
酶活性低
固定化
酶易回收
酶活性损失
细胞
生长细胞 静态细胞 固定细胞
不需要辅酶循环
高活性 易操作,副产物少
可反应使用
副反应多,产率低,不耐有机 溶剂
生物量大,副产物多,过程难 控制
活性低
活性低
生物催化法与发酵法的比较
项目
生物 催化
发酵
微生物 静态细胞 生长细胞
项目
生物 催化
发酵
产物 非天然,天然 天然
水作为溶剂还容易引起一些非天然有机化合物的 水解、消旋化、聚合和分解等副反应。
• 因此，非水介质体系中的生物催化已经成为手 性合成研究的一个活跃的领域——生物催化反应 介质工程。
（1）水—有机溶剂两相体系：
• 是指由水相和非极性有机溶剂相组成的分相反 应体系，酶溶解在水相中，底物和产物溶解于有 机相中。
NO2
NO2
环己烷
HOOC
(R) COOR
ROOC
COOR
假单胞脂肪酶
H3C
N H
CH3
NO2
H3C
N H
CH3
异丙醚
HOOC
(S) COOR
H3C
N H
CH3
溶剂对水解二氢吡啶羧酸酯选择性的影响
R
溶剂
t-BuCOOCH2t-BuCOOCH2EtCOOCH2EtCOOCH2-
环己烷 异丙醚 环己烷 异丙醚
• 生物体内存在的生物酶系统大体分为两类： • （1）酶：enzyme • 酶是一类以蛋白质为主要成分的生物催化
剂，主要催化糖、蛋白质、核酸和脂类等的 合成与分解代谢。
• （2）核酶：ribozyme • 核酶是一类以核糖核酸为主要成分的生物
催化剂，主要催化核糖核酸的剪接反应。
酶类生物催化剂的分类：
酶
数目少 数目多
浓度
高
低
反应时间
短, 催化作用
长, 生命过程
产物 分离
容易
困难
起始原料 合成物质 C+N源 副产物
少
多
二、非水介质中的生物催化
讲解内容提要：
• 1、非水介质体系简介： • 2、非水介质对酶活性的影响： • 3、介质对酶催化选择性的影响：
1、非水介质体系简介：
• 天然酶主要是在水溶液中催化生物反应。 • 人工合成的非天然底物多数是疏水性的，并且，
脱氢酶催化的还原反应过程
（1）神经退行性疾病治疗新药—— Talampanel的合成：
• Talampanel[(-)LY300164]属于5H-2,3-苯 并二氮卓类药物，在关键 O 的手性中间体 2 的手性还 O 原过程中，即采用了生物 催化法。
• 结果：合成步骤减少； H2N 总产率大幅提高 (16%→51%)；减少环境 污染。
N
而得到SQ31765。
• 化学产率为：97%；
H3C
N HCl CH3
• 光学产率为：> 99.9% d.e.
OMe
OH O SQ31765
OMe
OMe
OMe
CF3
CF3
CF3
O N HO
1
OH
N
N
HO
H
2
橙红色诺卡菌
OMe
O
O3
CF3
N
H3C
N HCl CH3
OH O
5 SQ31765
OMe CF3
0-2 部分互溶
易使酶失活,很少使用
2-3
低互溶 使酶产生弱的变性,酶的活性难 以预测,应小心使用
>3
不互溶 不会引起酶的变性,能保持酶的 高活性
皱褶假丝酵母脂肪酶催化2-溴丙酸酯化
Br
CRL 正丁醇
COOH 己烷
rac
Br COOBun + (R)
Br
COOH (S)
水含量对酶反应选择性的影响
3、介质对酶催化选择性的影响：
• 酶在水溶液中催化反应的选择性基本是固定的， 因为，水的物理化学性质是不变的。
• 但是，有机溶剂的数目众多，各自具有不同的 物理化学性质。
• 例如：偶极矩、介电常数、溶解性、沸点、化 学结构、异构现象等。
• 因此，有机溶剂能影响酶催化反应的选择性。
假单胞脂肪酶催化二氢吡啶羧酸酯的 选择性水解反应
O-
中具有重要的作用。
L-肉毒碱
• 作为一种功能性食品添加剂， L-肉毒碱 已经为世界各国所接受，可以添加于奶粉、 运动饮料、老年营养保健食品、减肥健美 食品等中。
• 还原结果：使分子内的羰基、碳碳双键 立体选择性地还原产生特定构型化合物。
• 例如：脱氢酶被广泛的用于醛、酮羰基 以及烯烃碳碳双键的还原。
脱氢酶催化的还原反应
O
OH
OH
R1
R2
或
脱氢酶
R1
R2 或 R1
R2
R1
X 还原型辅酶
氧化型辅酶
R2 H
H R3
R1
X 或 R1
X
R2
R3
H R3
R2 H
循环系统
• 1、一些基本概念: • 2、生物酶的分类及作用： • 3、不同形式生物催化剂的特点：
1、一些基本概念:
• 生物催化：biocatalysis 生物催化是指利用酶或有机体(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)。 • 生物催化的手性合成：chiral synthesis with biocatalyst
• 化学产率： > 80%
• 光学产率： > 99.8% d.e.
OH O
O H+,MeOH n
OH
1)TsCl/Py H3COOC
COOCH3
2)
Li S
1
(R)-羟基丁酸甲酯
SS
2
1)6mol/L HCl 2)TFAA 3)H2O2,NaWO4
O
粗糙链孢霉菌
6 SS OO
pH = 4.0
OH
4 6
• 特点： • 对于多数的生物酶均适用； • 无毒、低粘度、产物易于分离纯化； • 容易控制酶催化反应的特性：反应速率、反应
选择性等； • 需高压反应器、易引起酶的失活等。
2、非水介质对酶活性的影响：
• ①水活度：αW • ②溶剂的极性： 0 < lg P > 3 • ③溶剂的pH：最适pH，缓冲溶液 • ④酶的形态：最适酶量，分散性等 • ⑤酶的稳定性：最佳调节参数αW
• 按酶催化反应的类型将酶类生物催化剂 分成六大类，分别用编号EC1、EC2、EC3、 EC4、EC5、EC6表示。
• 六大类酶类生物催化剂及其主要作用类 型见下表所示。
作用类型 氧化还原酶
oxidoreductases
转移酶
transferases
水解酶
hydrolases
裂合酶
lyases
异构酶
OH N
N H
5
O CH3
NO2 O O
H2N
H CH3
N N
O CH3
Talampanel
6
（2）抗心绞痛新药SQ31765的合成：
• SQ31765合成的关键中
间体(4)，既是选择橙红色
诺卡菌为生物催化剂，立
体选择性的将底物(3)(取代
CF3
的苯并丫庚因-2,3-二酮)还
原为(4)，后者经N-烷基化
构型 R S R S
e.e. % 88.8 >99 91.4 68.1
假单胞脂肪酶催化水合蒎醇酯化反应
HO O
+ H3C O
OH 消旋水合蒎醇
AcO PSL
有机溶剂
HO +
OH (-)-(1S,5R)
OH (+)-(1R,5S)
溶剂极性对酶催化酯化选择性的影响
溶剂 乙酸乙烯酯
四氢呋喃 丙酮
二恶烷 3-戊酮 叔戊醇
溶剂含水量(%) 0
0.05 0.075 0.125
初速度 11 21 66 100
选择率(E) 17 21 39 81
三、手性药物生物催化应用
讲解内容提要：
• 1、还原反应： • 2、氧化反应： • 3、水解和酯化反应：
1、还原反应：
• 生物催化的还原反应在手性药物的不对 称合成中具有重要的应用。
OH
N
4
HO
（3）碳酸酐酶抑制剂MK0507的合成：
• MK0507，商品名为 Trusopt，由Merck公司 开发上市，是一个高度 水溶性化合物，用于治 疗青光眼。
• 其分子中含有两个手 性中心，化学不对称合 成法见下图：
NH HCl
S
S
OO
SO2NH2
MK0507
OH COOCH3
1
(R)-羟基丁酸甲酯
H CH3
N N
O CH3
Talampanel
O O
O O
3
O O
O2N
CH3 接合糖酵母 O
O
XAD-7
O
1
关键反应步骤
S CH3 OH
2
p-O 2N-Ph-CHO HCl,甲 苯
S CH3
O
O
NaOH,空 气 O
DMSO/DMF
4
S CH3
O OH
H2NN-Ac EtOH ,HCl
NO2
S CH3
可以简化产物和酶的分离纯化。
（4）水互溶有机溶剂单相体系：
• 是指由水和水互溶性有机溶剂组成的单相 反应体系。
• 特点： • 酶、底物、产物均能溶解于同一体系； • 主要适用于亲脂性底物的生物转化； • 水/有机溶剂的比率对反应有影响。
（5）超临界流体体系：
• 是指利用超临界气体作为酶催化亲脂性底物的 溶剂体系。
• 在生物催化的手性合成中，既可以使用 离体生物酶，也可以使用完整的微生物细 胞作催化剂。
• 反应中使用何种形态的酶系统取决于多 方面的因素，包括：反应类型、辅酶、辅 酶循环、反应规模、反应条件等等。
举例说明：
• 许多酶的生物催化作用，需要辅助因子或辅酶
才能够进行反应。 • 细胞自身能够合成这些辅助因子，因此，用生
是指利用纯酶或有机体催化无手性、潜手 性的化合物转变为手性产物的过程。
• 微生物生物转化: microbiall biotransformation 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 然的有机化合物的生物转化，因此，又称 为微生物生物转化。
2、生物酶的分类及作用：
长的细胞进行生物催化反应时，不需要在反应系 统中添加该类辅助因子； • 当用无细胞的纯酶系统时，则需要添加这些辅 助因子。例如：ATP、NADH、NADPH等。
来自百度文库
不同形式的生物催化剂优缺点比较
催化剂 形态
优点
缺点
游离酶 操作简单产率高
需要辅酶循环
溶于水 离体酶
酶活性高
有副反应,亲脂底物不溶解
非水介质 易操作, 回收,亲脂底物
O
OH
LiAlH4
H2SO4
SS
S S 0 oC
2
3
99%顺式异构体
OH
OH
1) H2O2
SS
4
(4S)-醇
2) NaWO4 S S
O O5
76%反式异构体
NH HCl
SO2NH2 SS
OO 6
MK0507
• 应用生物催化法，经过实验研究筛选， 最终选择粗糙链孢霉菌作为生物催化剂， 可以选择性地将中间产物（3S）-酮砜还原 为关键手性中间体（4S,6S)-反式-羟基砜， （4R,6S)-异构体仅为0.2% 。
（3）反相胶束体系：
• 反相胶束体系是指在存有少量水的有机溶剂 体系中加入部分表面活性剂所产生的溶剂反应体 系。
• 特点： • 溶液中表面活性剂的存在，形成反相胶束； • 酶被限制在含水的反相胶束内部微环境中； • 底物和产物可以自由出入胶束。
反相胶束体系的优点：
• ①组成的灵活性： • ②热力学稳定性和光学透明性： • ③具有非常高的界面积/体积比： • ④反相胶束的相特性随温度而变化：