第四章 酶参与的不对称合成

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。 ♣ 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。
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。 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。
的生物催化剂，占生物催化反应用酶的65%。
它们能水解酯、酰胺、蛋白质、核酸、多糖、
环氧化物和腈等化合物。
目前水解反应的类型
酯水解
酯的结构类型：
(I)型酯: 手性中心在 羧酸部分 (II)型酯 手性中心在 醇部分
(I)型酯的水解：猪肝酯酶
猪肝酯酶(Pig Liver Esterase, PLE)是常用的一 种酯酶。这种梅组成比较复杂，一般至少有5种同功 能组成，每一个同功酶又是由三个亚基组成。由于 它们具有相似的立体选择性，因此，这一粗酶混合 物仍被视为是一种单纯酶。
提高选择性的途径：
（1）改变培养条件，增加细胞代谢压力；
（2）广泛筛选不同的微生物菌种； （3）底物修饰
羟化反应实例介绍
烯烃的环氧化反应
特点：针对很多小分子的烯烃环氧化合物（通过传统
环氧化方法不能得到）效果显著！
硫原子的氧化
拜尔-维利格反应
拜尔-维利格(Baeyer-Villiger) BV反应是指利用 过氧羧酸氧化酮生成酯或内酯，这是一个具有很高 应用价值的有机合成反应。
4.2.4 酵母细胞催化烯烃还原
负责这种还原反应的酶一般是 NADH 所依赖的烯酸还
原酶，这类酶存在于多种微生物中，如梭状芽孢杆菌、变
形杆菌属和面包酵母等。

α，β-不饱和酯的还原 烯丙醇和共轭烯酮的还原 硝基烯烃的还原
α，β-不饱和酯的还原
微生物对烯酸酯是先水解后还原，因此微生物 还原反应实际发生在烯酸阶段。
4.4 酶催化水解反应 4.5 总结
4.1 Chiral synthesis with biocatalyst
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。
原子使还原性NADH或NADPH氧化并产生水H2O。
单加氧酶催化的反应类型

羟化反应 烯烃的环氧化反应
硫原子的氧化反应
拜尔-维利格反应
羟化反应
注：反应机理不是传统意义上的直接羟化，而是通过β-氧化过程而完成的 （脱氢、水合）。
对羟化反应的认识
目前对反应过程中底物的氧化位点还不能预测， 但是已经发现一些有效的方法可以提高选择性。
Possible mechanism about BV reaction
BV反应的应用实例
第二节 双氧酶催化的氧化反应
双氧酶(dioxygenases)，又称双加氧酶，能催化 氧分子中两个氧原子都加入到一个底物分子中。这 类酶一般含有紧密结合的铁原子，如血红素铁。
烯烃的氢过氧化反应 芳烃双羟基化反应
(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。 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。
催化大分子酮还原时得到 (S)- 型醇，但催化小分子酮时则 产物构型相反。
4.2.3 酵母细胞催化酮还原
19世纪初，人们利用面包酵母(Baker’s yeast)或称酿
酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)被广泛用于酮的不对 称还原反应。它使用方便，无需特殊设备，可在普通实验 室中进行生物催化反应，使用成本低。
烯丙醇和共轭烯酮的还原
硝基烯烃的还原
4.3 酶催化氧化反应
常用的化学氧化方法：
采用金属化合物如六价铬、七价锰衍生物以及醋酸铅、 醋酸汞和有机过氧羧酸等作为氧化剂。
缺点：缺少立体选择性、副反应多，且金属氧化剂会造成环境 污染。
酶催化的方法：
不仅可以解决这些问题，而且可使不活泼的有机化合物 发生氧化反应，如催化烷烃中的碳氢键羟化反应，反应具有 区域和对映选择性。

脱氢酶可以催化氧化和还原双向可逆反应，一般可 以催化还原反应为主，但根据需求设定反应条件可 以使还原反应转化为氧化反应。
当底物为还原态物质，辅酶是氧化态时，脱氢酶则催化氧化 反应。而相反条件下脱氢酶则催化还原反应为主。
4.4 酶催化水解反应
水解酶(hydrolases, EC 3,x,x,x)是最常用
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。由于它们能专一性地与多种
来自百度文库
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。 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。
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)
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。
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。 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。 布 氏 热 厌 氧 醇 脱 氢 酶 (Thermoanaerobium brockii alcohol dehydrogenase, TBADH)
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。

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。
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。
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
(II)型酯的水解
微生物酯酶
具有酯酶活性的蛋白酶
α-胰凝乳蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 霉素酰化蛋白酶 米曲通蛋白酶 灰白链霉菌蛋白酶
要求底物分子含一个亲水基团 和一个憎水基团 水解酯类化合物 水解苯乙酸酯
具有空间位阻酯类的水解拆分
拆分消炎药酮咯酸(ketorolac) 乙酯
脂肪酶
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。
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)
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
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。
生物催化氧化所用的酶
三大类酶： 单加氧酶、双加氧酶和氧化酶
主要内容

第一节 单加氧化酶催化反应 第二节 双氧酶催化反应 第三节 氧化酶和脱氢酶催化反应


第一节 单加氧化酶催化反应
反应机理：单加氧酶 (mono-oxygenases) 可以使氧分
子 (O2) 中一个氧化自加入到底物分子中，另一个氧
环氧化合物的水解
腈水解
酰胺水解
氨基酸酰胺酶(amidase)又称氨基肽酶，存在于 动物肾脏、胰腺和微生物中，特别是假单胞菌、曲 霉和红球菌中含量丰富。它能催化消旋体氨基酸酰 胺选择性地水解生成L –氨基酸。 酰化酶：胺基酰化酶(acylase)
乙内酰胺酶：海因酶
内酰胺酶
4.5 总结
酶是一种高效催化剂，能加速化学反应的速度， 最高可达非酶催化速度的1012倍。酶催化反应可在温 和条件下进行，如室温、中性或接近中性PH，这样 的反应条件将会减少产物的分解、异构和重排反应。 目前每年用化学-酶法制备药物就达1800吨，而食品 添加剂量则更大，仅阿斯巴甜一项就有 1500 吨，而 且呈逐渐增加趋势。中间体就达由于生物催化过程 一般无毒、无污染、低能耗，是一种环境有好的合 成方法，它将会成为来人们研究的热点，尤其是其 作用机理的研究。
不对称合成化学
asymmetric synthetic chemistry
毛金成 苏州大学化学化工学院
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


无环酮的还原
环状酮的还原

去消旋化
无环酮的还原
多数长链酮（如n-丙基酮、 n-丁基酮和苯基酮） 不能被酵母还原，只有长链甲基酮才能被酵母催化 还原。
环状酮的还原
去消旋化
消旋体中仲醇可以通过氧化、还原反应转化为单一对映 体。仲醇消旋体中的一个对映体可以被选择性氧化为酮（醇 脱氢酶），而另一个对映体则不能被氧化。新生的酮可以再 被另一个氧化还原系统还原为仲醇，其构型与原仲醇构型相 反，最终使消旋体转变单一对映，这是一项去消旋化 (deracemization)技术。
烯烃的氢过氧化反应
辣根过氧化物醇催化消旋体轻过氧化物的拆分
芳烃双羟基化反应
顺式环状二连醇的应用
氧化酶和脱氢酶催化反应

氧化酶催化电子转移到分子氧中，以氧作为电子受 体，最终生成水或过氧化氢。
氧化酶：黄素蛋白氧化酶（氨基酸氧化酶、葡萄糖氧化酶）、 金属黄素蛋白氧化酶（醛氧化酶）和血红素蛋白氧化酶（过 氧化氢酶、过氧化物酶）等。

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