手性催化

生物催化在手性药物合成中的应用
摘要
本文介绍了手性药物的重要性，在生物催化合成手性药物中常用的两类催化剂—酶和细胞；结合实例从酶催化的不对称水解反应、不对称还原反应和不对称环氧化反应等反应对不对称催化法合成手性药物作简要概述；展望了不对称催化反应在手性药物合成中的发展方向。

关键字：生物不对称催化、手性药物、合成、应用
1 前言
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, 又称生物转化。

生物催化反应具有高度的化学、区域和立体选择性, 适用于医药、食品和农药等精细化工产品的合成制备。

生物催化过程一般无污染或污染较少、能耗相对较低, 是一种环境友好的绿色化学合成方法。

手性是由于碳原子4个化学键上连有不同基团而造成的整个分子的不对称性, 是自然界的基本属性之一；也是生命物质区别于非生命物质的重要标志。

自然界中构成生命体的基础物质核苷酸、氨基酸和单糖以及由它们构成的生物大分子核酸、蛋白质和糖类都具有独特的手性特征。

正是这些基础物质使得生物体能够高度地选择识别特定分子, 进行各种反应。

虽然通过化学合成的方法也能够合成，但是由于化学合成法存在较多副反应、反应选择性较差、转化率小，而且反应周期长，即使合成了手性物质就目前的技术也很难将一对对映体拆分开来，这些都限制了它在工业上的应用。

而利用特异的生物催化方法和生物催化剂能够很容易的合成手性药物且其分离提纯技术也相当纯熟。

因此，可以用生物催化方法合成手性化合物。

这种手性化合物的合成方法又叫做不对称合成, 已经得到了广泛的应用。

2 不对称（手性）生物催化技术简介
2.1 手性药物的重要性
手性直接关系到药物的药理作用、临床效果、毒副作用、药效发挥及药效时间等。

正是由于药物和其受体之间的这种立体选择性作用,使得药物的一对对映体不论是在作用性质还是作用强度上都会有差别。

在20世纪60年代,欧洲曾以消旋体的反应停( Thalidomide) 作为抗妊娠反应的镇静剂,一些妊娠妇女服用此药后,出现多例畸变胎儿。

后经研究证实( R)-构型才真正起镇静作用,而( S )-构型则有强致畸作用。

其它一些手性药物的另一异构体表现不良作用的例子见表1 。

在农业化学品中,手性问题同样重要,如芳氧基丙酸类除草剂fluazifop-buty ,只有( R)-异构体是有效的。

表1 手性药物的不良异构体的毒副作用
药品名称有效异构体不良异构体
多巴(Dopa) ( S)2异构体,治疗帕金森症( R)2异构体,严重副作用氯胺酮( Ketamina) ( S)2异构体,麻醉剂( R)2异构体,致幻剂
青霉素胺(Pexicillamine) ( S)2异构体,治疗关节炎( R)2异构体,突变剂心得安( Propranol) ( S)2异构体,治疗心脏病( R)2异构体,致性欲下降乙胺丁醇( Ethambutol) ( S , S )2异构体,治疗结核病( R , R)2异构体,致盲
大量的事实和惨痛的教训使人们认识到,对于手性药物,必须对它们的立体异构体进行分别考察,了解它们各自的生理活性和各自的毒性等。

因此在药物(包括农药) 中,手性化合物的重要性主要在于以下几点: (1) 不同立体异构体展现不同的生理活性,有的无效异构体可能是极其有害的; (2) 新医药、新农药,如各种抑制剂、阻断剂、拮抗剂等对手性的要求越来越严格; (3) 环境保护问题得到普遍重视,减少不必要异构体生产就意味着减少对环境的污染,同时也能降低生产成本。

以前由于对此缺少认识，人类曾经有过惨痛的教训。

因此，如何合成手性分子的单一光学异构体就成了化学研究领域的热门话题，同
时也是化学家面临的巨大挑战。

近年来各大制药公司正在研发的和已上市的药物中，以单一对映异构体上市或研究的药物分别占到相当大比例。

在这样规模的市场推动下, 世界各大制药公司纷纷把注意力转向单一对映异构体药物的开发,同时一大批中小公司也加入其中, 形成手性技术的开发热潮。

但是我国手性药物工业与世界发展水平尚有较大差距。

2.2 生物催化合成手性化合物中的催化剂
生物催化包括2种催化剂——酶和细胞或细胞器等有机体, 细胞主要指微生物细胞。

本质上说, 这2种催化剂都是通过酶来发挥作用, 不同的是, 在细胞中利用的是多种酶及一些辅酶组成的酶系。

与单纯的酶催化法相比, 通过细胞的生物催化具有方便快捷的特点, 但是, 细胞的生物催化法对反应条件要求更高, 产物纯度不高, 分离也比较困难。

2.2.1 酶
酶专一性、特异性、高效性的特点, 对手性化合物的合成很重要。

报道较多的应用于手性化合物合成的酶主要包括环氧化物水解酶、α—酮酸脱羧酶、醇脱氢酶、氰醇裂解酶等。

2.2.2 细胞
利用细胞进行生物催化主要指利用微生物和动植物细胞的单酶或多酶系统以及代谢途径将前体化合物转化为目的产物。

在手性化合物的合成中应用最多的是微生物细胞。

它能够催化多种非天然有机物发生转化反应, 有些反应是化学法很难或不可能完成的。

微生物细胞含有可以广泛接受非天然底物的各种脱氢酶、辅酶、再生途径, 并可以自动完成辅酶循环。

这样不仅生产效率高, 而且产物可以受到细胞的有效保护。

2.3 不对称手性技术的发展
自19世纪Fischer 开创不对称合成反应研究领域以来,不对称反应技术得到了迅速的发展。

其间可分为四个阶段: (1) 手性源的不对称反应(chiralpool) ; ( 2) 手性助剂的不对称反应( chiral auxiliary) ; (3) 手性试剂的不对称反应(chiral reagent ) ;(4) 不对称催化反应(chiral
catalysis 或asymmet riccatalytic reaction)。

传统的不对称合成是在对称的起始反应物中引入不对称因素或与非对称试剂反应,这需要消耗化学计量的手性辅助试剂。

而不对称催化合成一般指通过使用催化剂量级的手性原始物质来立体选择性地生产大量手性特征的产物。

它的反应条件温和,立体选择性好, ( R)-异构体或( S )-异构体同样易于生产,且潜手性底物来源广泛,对于生产大量手性化合物来讲是最经济和最实用的技术。

3 生物催化手性药物合成的应用
长期以来，人们只能从动植物体内提取或天然化合物的转化来制取手性化合物；一般的化学合成在得到外消旋混合物后需经繁琐的拆分后才能得到单一的手性化合物，并消耗等当量的手性拆分剂；而生物催化的不对称合成仅需少量的微生物和酶作为手性催化剂、立体选择性控制合成出大量的手性药物的方法，且具有高区域和立体选择性、反应条件温和、污染小环境友好的特点，是符合环保要求的绿色合成，从而引起了人们的关注。

成为有机化学研究领域中的前沿和热点。

目前,工业上一般采用化学-酶合成法,在某些合成的关键性步骤,采用纯酶或微生物催化合成反应,而一般的合成步骤则采用化学合成法,以实现优势互补。

以下主要介绍几种典型的不对称生物催化反应在手性药物合成中的研究进展。

3.1 酶催化的不对称水解反应
在目前所使用的酶中,大部分都是水解酶。

这些酶用途广泛,而且不需辅酶便可以直接对反应起催化作用,并且对有机溶剂耐变力强,对手性化合物中常见的醇、羧酸、酯、酰胺和胺等均有较好的立体选择性,因此在有机合成中用来对外消旋醇、酸等底物进行动力学拆分,即利用酶或微生物催化外消旋化合物中两个对映体水解反应或酯交换反应的不同速度,达到拆分并获得两个光学活性产物的目的。

萘普生属于2-芳基丙酸类药物, 是解热镇痛、消炎抗风湿的主要药物。

其α位含有一个手性碳原子, 存在一对光学活性对映体。

研究
发现萘普生的S-( + )-构型异构体的活性是其R-( - )-构型异构体的28 倍。

因此, 制备光学纯的S-( + )-构型的萘普生是很有必要的。

辛嘉英等人从土壤中分离到一株具有较高脂肪酶活力的芽孢杆菌, 它产生的脂肪酶可以优先水解S-( + )-萘普生甲酯为S-( + )-萘普生, 并且其对映体过量值可超过87% 。

3. 2 生物催化的不对称还原反应
用于不对称还原反应的氧化还原酶需有辅酶参与, 所需的辅酶绝大多数是NAD(H) 及其相应的磷酸酯NADP(H) 。

辅酶价格昂贵且回收代价高, 所以一般利用全细胞(如酵母) 反应, 即微生物转化的方法, 因微生物细胞的生长只需少量廉价碳源即可。

我国于20世纪70年代末使用Baker酵母进行羰基不对称原反应,这是工业合成避孕药D2182甲基炔诺酮的关键一步。

Trimegestone ( RU-227987)是一种无雄性激素活性的去甲甾类仿孕酮化合物,是治疗更年期疾病的药物。

啤酒酵母可以化学、区域以及几乎立体专一性地还原其三酮,得到所需的( S )-醇Trimegestone ,该关键合成步骤据称是首例啤酒酵母催化还原酮的工业应用。

3. 3 生物催化的不对称环氧化反应
手性环氧化合物是非常重要的手性中间体,这些中间体在手性药物、新型高效农药等方面有着广泛的应用价值。

目前已发现几种酶可以催化形成环氧化合物,即血红素单氧化酶(即细胞色素P2450) 、ω-羟化酶、甲烷单氧化酶和卤素过氧化物酶。

ω-羟化酶广泛存在于许多微生物中, 可以同时催化羟基化和环氧化反应。

Shell和Gist-Brocades公司利用微生物的ω-羟基酶对丙烯醚进行不对称环氧化, 生成具有极高光学活性的( S )-环氧化物。

通过这些手性合成块可进行( S )-美托洛尔(Metropolol) 和( S )-阿替洛尔(Atenolol) 的工业合成。

4 不对称生物催化的展望
现在, 由于生物技术的快速发展以及生物方法的高效性和特异性, 不对称催化合成已应用到几乎所有的有机反应类型中，并开始成为工业上，尤其是制药工业合成手性物质的重要方法。

值得指出的是，目前不对称催化合成研究依然处在方兴未艾的发展阶段，许多与手性相关的科学问题还有待解决。

如手性催化剂大部分只对特定的反应、甚至特定的底物有效，没有广泛适用的万能手性催化剂，而且多数手性催化剂转化数较低，稳定性不高；酶和辅酶难以回收以及NAD(P)H 的再生、重复使用等等。

因此，如何设计合成高效、新型的手性催化剂，探讨配体和催化剂设计的规律，解决手性催化剂的选择性和稳定性，以及研究手性催化剂的设计、筛选、负载、回收和再生循环利用的新方法是不对称催化研究领域面临的新挑战。