生物酶催化合成手性化合物

脂肪酶
HOOC-R 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
水解 酯化
去对称化-水解
酶选择性的水解一个酯基
产率57％, ee>99%.
JOC, 2004, 69, 2478.
去对称化-酯化
用EtO-，可避免产物的消旋化.
JOC, 2002, 67, 411
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：
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， 化学修饰 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
OH OAc Lipase C5H11 OAc C5H11 R C5H11 OH S
酶存在下，酸碱催化水解硅酯 Si(OR)4与RSi(OR)3之比为1:5，形成疏水空穴 热稳定性增加 活性增加2－8倍； 循环20次，保留70％活性。 Adv. Synth. Catal. 2001. 343. 711
O
脂肪酶
选择性与酶有关 理论转化率50％
OH Ph Ph
O
酯化 水解 偶合其他反应
动力学拆分-酯化
JOC, 2003, 68, 6899
动力学拆分-酯化
40%yie, 93%ee
T.A. 2002, 13, 511.
Ee%>95%
T. 2002, 58, 2973.
动力学拆分-水解
一步法制备两类有价值的中间体 b-胺基酸和b-内酰胺(Ee%>98%)
(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： 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)：
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) 低能耗 绿色过程
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％
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)
裂解酶及 其他酶 10%
加氧酶 10% 氧化还原酶 (细胞) 11% 腈水合酶 5%
O.L. 2003, 5, 1209.
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
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%
膜反应器96%ee 未固载98%ee 两相反应90%ee
聚酰胺膜： 固载酶 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
Chem. Commun. 2000, 1367.
Ionic Liquids
Seminar II
Байду номын сангаас
生物酶催化合成手性化合物 及其固载化研究
学生：张慧东 导师：李灿
2004.9.18
手性
镜平面
对映体 A
对映体 B
ee%＝ A-B ×100 A+B
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，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。
固载化-吸附
Lipases
Time Alcohol
Acetate
h
PS PS-硅藻土 180 75
Yield% Ee％ Yield% Ee% 46 45 >99 >99 44 46 >99 >99
PS-陶瓷
13
46
>99
46
>99
T.A. 2002, 13, 2039.
固载化-膜反应器
O OMe (S) O Me O O OH
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
脂肪酶
25%
蛋白酶 18%
其他水 解酶 2% 酯酶 氧化还原酶15% 4%
酶催化的不对称反应发表的文章数
300
200
100
0
1999
2000
2001
所有酶催化不对称反应 脂肪酶 催化不对称反应
2002
2003
2004
脂肪酶来源
OH OH ＋ OH HOOC-R O O C R O O C R O O C R
J.M.C.A. 2004, 214, 113.
总结
酶(脂肪酶) 水解或酯化
外消旋底物 动力学拆分
内消旋底物 固载化
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)
1.扩充反应和底物的类型 2.优化酶催化条件
3.改善酶稳定性，提高可重复使用能力
4.探求底物结构和反应选择性相关性 5.化学模拟酶
谢谢大家！