生物酶催化合成手性化合物
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1.扩充反应和底物的类型 1.扩充反应和底物的类型 2.优化酶催化条件 2.优化酶催化条件 3.改善酶稳定性，提高可重复使用能力 3.改善酶稳定性， 改善酶稳定性 4.探求底物结构和反应选择性相关性 4.探求底物结构和反应选择性相关性 5.化学模拟酶 5.化学模拟酶
谢谢大家！ 谢谢大家！
加氧酶 10% 氧化还原酶 (细胞) 11% 腈水合酶 5%
脂肪酶
25% 其他水 解酶 2% 酯酶 氧化还原酶15% 4%
蛋白ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 18%
酶催化的不对称反应发表的文章数
300
200
100
0
1999
2000
2001
2002
2003
2004
所有酶催化不对称反应 脂肪酶 催化不对称反应
脂肪酶来源
OH HOOC-R O O C R O O C R O O C R
Chem. Commun. 2000, 1367.
Ionic Liquids
J.M.C.A. 2004, 214, 113.
总结
脂肪酶) 酶(脂肪酶 水解或酯化 脂肪酶 外消旋底物 内消旋底物 固载化 动力学拆分 去对称化
可提高稳定性和活性 对不对称诱导影响不大
展望(从化学角度 展望 从化学角度) 从化学角度
(Unit: 100 million $)
2000 350 452 614 706 812 934 1180
Chem. & Eng. News, 2001, Vol. 79, No. 40, pp79
1330
1718
获得手性化合物途径： 获得手性化合物途径： 拆分 衍生 化学手性催化 生物酶催化 生物酶催化的优越性(与化学催化相比)： 生物酶催化的优越性(与化学催化相比) 催化条件温和 催化效率高 1010倍 高选择性(底物，区域，位点，立体) 高选择性(底物，区域，位点，立体) 低能耗 绿色过程
从生物角度考虑， 从生物角度考虑， 生物培养 生物筛选 生物工程改造 利用化学的优势， 利用化学的优势， 化学修饰 固载化
酶的固载化： 酶的固载化：
包囊 吸附 共价键合 膜反应器 超临界流体 离子液
固载化-包囊 固载化 包囊
OH OAc Lipase C5H11 OAc C5H11 R C5H11 OH S
酶活性位特点： 酶活性位特点：
三维立体结构 位于酶分子表面的一个裂隙内 由几个氨基酸组成，占酶分子体的2％ 由几个氨基酸组成，占酶分子体的2 具有柔性和可运动性 底物与酶以次级键结合 催化为诱导契合机理
合成手性化合物的酶的比例(系统命名 合成手性化合物的酶的比例 系统命名) 系统命名
裂解酶及 其他酶 10%
O. L. 2001. 3. 4099.
去对称化
HO H H OH Me Me
脂肪酶
H H O Me O
HO
Me
针对内消旋底物 只与一侧反应 选择性与酶有关 产物对称面消失 产物产生手性 理论产率100% 理论产率
水解 酯化
去对称化-水解 去对称化 水解
酶选择性的水解一个酯基 产率57％, ee>99%. 产率 ％
脂肪酶
OH ＋ HOOC-R OH HOOC-R
甘油
脂酸
脂肪
R = C17H35, C16H33, C16H31
脂肪酶
O R1 R2 X
水解 酯化
R1COOH + R2XH, X: O, NH
动力学拆分
去对称化
手性酸 醇 胺 酯 酰胺
动力学拆分
OH Ph Ph OH
针对外消旋底物 选择其中一种构型反应 保留另一种构型
动力学拆分-水解 动力学拆分 水解
一步法制备两类有价值的中间体 胺基酸和β 内酰胺( β-胺基酸和β-内酰胺(Ee%>98%)
O.L. 2003, 5, 1209.
动力学拆分-偶合加氢和外消旋化反应 动力学拆分 偶合加氢和外消旋化反应
Pd/C和Lipase偶合，底物定量转化为纯手性产物 和 偶合， 偶合
JOC, 2004, 69, 2478.
去对称化-酯化 去对称化 酯化
用EtO-，可避免产物的消旋化. ，可避免产物的消旋化.
JOC, 2002, 67, 411
酶催化的不足： 酶催化的不足：
稳定性差 易失活 催化过程的操作范围通常较窄 通常仅在水溶液中表现出高活性 分离循环使用较难
解决方法： 解决方法：
O OMe (S) O Me O O OH
膜反应器96%ee 膜反应器 未固载98%ee 未固载 两相反应90%ee 两相反应
聚酰胺膜： 聚酰胺膜： 固载酶 微乳： 微乳： 不对称反应 有机相含底物 分离产物 大反应界面 渗透水 水相萃取产物 保留微乳
BioEng 2003, 84, 677.
固载化:超临界流体和离子液 固载化 超临界流体和离子液
Lipases
Time Alcohol h
Acetate
Yield% Ee％ Yield% Ee% 46 45 46 >99 >99 >99 44 46 46 >99 >99 >99
PS PS-硅藻土 硅藻土 PS-陶瓷 陶瓷
180 75 13
T.A. 2002, 13, 2039.
固载化-膜反应器 固载化 膜反应器
O
脂肪酶
选择性与酶有关 理论转化率50％ 理论转化率50％ 50
OH Ph Ph
O
酯化 水解 偶合其他反应
动力学拆分-酯化 动力学拆分 酯化
JOC, 2003, 68, 6899
动力学拆分-酯化 动力学拆分 酯化
40%yie, 93%ee
T.A. 2002, 13, 511.
Ee%>95%
T. 2002, 58, 2973.
酶存在下，酸碱催化水解硅酯 酶存在下， Si(OR)4与RSi(OR)3之比为 ，形成疏水空穴 之比为1:5， 热稳定性增加 活性增加2 活性增加2－8倍； 循环20 20次 保留70 活性。 70％ 循环20次，保留70％活性。 Adv. Synth. Catal. 2001. 343. 711
固载化-吸附 固载化 吸附
沙利多胺 (Thalidomide)
O H N O O O O H N O
*
N N O O
(R): 镇静剂
(S): 致畸性
全世界手性化合物需求逐年上升
2100 1800 1500 1200 900 600 300 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2005 2008
Seminar II
生物酶催化合成手性化合物 及其固载化研究
学生： 学生：张慧东 导师：李灿 导师：
2004.9.18
手性
镜平面 对映体 A
对映体 B
A-B ee%＝ A+B
×100
生物分子皆具有手性。手性药物，香料， 生物分子皆具有手性。手性药物，香料，食品添加剂等精细化学 品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外， 品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外，手性 非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。 非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。
谢谢大家！ 谢谢大家！
加氧酶 10% 氧化还原酶 (细胞) 11% 腈水合酶 5%
脂肪酶
25% 其他水 解酶 2% 酯酶 氧化还原酶15% 4%
蛋白ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 18%
酶催化的不对称反应发表的文章数
300
200
100
0
1999
2000
2001
2002
2003
2004
所有酶催化不对称反应 脂肪酶 催化不对称反应
脂肪酶来源
OH HOOC-R O O C R O O C R O O C R
Chem. Commun. 2000, 1367.
Ionic Liquids
J.M.C.A. 2004, 214, 113.
总结
脂肪酶) 酶(脂肪酶 水解或酯化 脂肪酶 外消旋底物 内消旋底物 固载化 动力学拆分 去对称化
可提高稳定性和活性 对不对称诱导影响不大
展望(从化学角度 展望 从化学角度) 从化学角度
(Unit: 100 million $)
2000 350 452 614 706 812 934 1180
Chem. & Eng. News, 2001, Vol. 79, No. 40, pp79
1330
1718
获得手性化合物途径： 获得手性化合物途径： 拆分 衍生 化学手性催化 生物酶催化 生物酶催化的优越性(与化学催化相比)： 生物酶催化的优越性(与化学催化相比) 催化条件温和 催化效率高 1010倍 高选择性(底物，区域，位点，立体) 高选择性(底物，区域，位点，立体) 低能耗 绿色过程
从生物角度考虑， 从生物角度考虑， 生物培养 生物筛选 生物工程改造 利用化学的优势， 利用化学的优势， 化学修饰 固载化
酶的固载化： 酶的固载化：
包囊 吸附 共价键合 膜反应器 超临界流体 离子液
固载化-包囊 固载化 包囊
OH OAc Lipase C5H11 OAc C5H11 R C5H11 OH S
酶活性位特点： 酶活性位特点：
三维立体结构 位于酶分子表面的一个裂隙内 由几个氨基酸组成，占酶分子体的2％ 由几个氨基酸组成，占酶分子体的2 具有柔性和可运动性 底物与酶以次级键结合 催化为诱导契合机理
合成手性化合物的酶的比例(系统命名 合成手性化合物的酶的比例 系统命名) 系统命名
裂解酶及 其他酶 10%
O. L. 2001. 3. 4099.
去对称化
HO H H OH Me Me
脂肪酶
H H O Me O
HO
Me
针对内消旋底物 只与一侧反应 选择性与酶有关 产物对称面消失 产物产生手性 理论产率100% 理论产率
水解 酯化
去对称化-水解 去对称化 水解
酶选择性的水解一个酯基 产率57％, ee>99%. 产率 ％
脂肪酶
OH ＋ HOOC-R OH HOOC-R
甘油
脂酸
脂肪
R = C17H35, C16H33, C16H31
脂肪酶
O R1 R2 X
水解 酯化
R1COOH + R2XH, X: O, NH
动力学拆分
去对称化
手性酸 醇 胺 酯 酰胺
动力学拆分
OH Ph Ph OH
针对外消旋底物 选择其中一种构型反应 保留另一种构型
动力学拆分-水解 动力学拆分 水解
一步法制备两类有价值的中间体 胺基酸和β 内酰胺( β-胺基酸和β-内酰胺(Ee%>98%)
O.L. 2003, 5, 1209.
动力学拆分-偶合加氢和外消旋化反应 动力学拆分 偶合加氢和外消旋化反应
Pd/C和Lipase偶合，底物定量转化为纯手性产物 和 偶合， 偶合
JOC, 2004, 69, 2478.
去对称化-酯化 去对称化 酯化
用EtO-，可避免产物的消旋化. ，可避免产物的消旋化.
JOC, 2002, 67, 411
酶催化的不足： 酶催化的不足：
稳定性差 易失活 催化过程的操作范围通常较窄 通常仅在水溶液中表现出高活性 分离循环使用较难
解决方法： 解决方法：
O OMe (S) O Me O O OH
膜反应器96%ee 膜反应器 未固载98%ee 未固载 两相反应90%ee 两相反应
聚酰胺膜： 聚酰胺膜： 固载酶 微乳： 微乳： 不对称反应 有机相含底物 分离产物 大反应界面 渗透水 水相萃取产物 保留微乳
BioEng 2003, 84, 677.
固载化:超临界流体和离子液 固载化 超临界流体和离子液
Lipases
Time Alcohol h
Acetate
Yield% Ee％ Yield% Ee% 46 45 46 >99 >99 >99 44 46 46 >99 >99 >99
PS PS-硅藻土 硅藻土 PS-陶瓷 陶瓷
180 75 13
T.A. 2002, 13, 2039.
固载化-膜反应器 固载化 膜反应器
O
脂肪酶
选择性与酶有关 理论转化率50％ 理论转化率50％ 50
OH Ph Ph
O
酯化 水解 偶合其他反应
动力学拆分-酯化 动力学拆分 酯化
JOC, 2003, 68, 6899
动力学拆分-酯化 动力学拆分 酯化
40%yie, 93%ee
T.A. 2002, 13, 511.
Ee%>95%
T. 2002, 58, 2973.
酶存在下，酸碱催化水解硅酯 酶存在下， Si(OR)4与RSi(OR)3之比为 ，形成疏水空穴 之比为1:5， 热稳定性增加 活性增加2 活性增加2－8倍； 循环20 20次 保留70 活性。 70％ 循环20次，保留70％活性。 Adv. Synth. Catal. 2001. 343. 711
固载化-吸附 固载化 吸附
沙利多胺 (Thalidomide)
O H N O O O O H N O
*
N N O O
(R): 镇静剂
(S): 致畸性
全世界手性化合物需求逐年上升
2100 1800 1500 1200 900 600 300 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2005 2008
Seminar II
生物酶催化合成手性化合物 及其固载化研究
学生： 学生：张慧东 导师：李灿 导师：
2004.9.18
手性
镜平面 对映体 A
对映体 B
A-B ee%＝ A+B
×100
生物分子皆具有手性。手性药物，香料， 生物分子皆具有手性。手性药物，香料，食品添加剂等精细化学 品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外， 品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外，手性 非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。 非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。