酶在有機合成中的應(yīng)用進展

1、酶在有機合成中的應(yīng)用進展許廣帥（化工學(xué)院 化工一班）摘要：由于有機溶劑易使酶蛋白變性、失活或抑制其反應(yīng)，因此，長期以來，形成 了一個概念：酶反應(yīng)需在水溶液中進行。盡量避免使用有機溶劑。隨著酶學(xué)研究的進展。經(jīng) 過近十年的大量研究，人們發(fā)現(xiàn)。只要條件合適 ，酶在有機溶劑中是完全能夠起催化反應(yīng)的。 1985年歐洲生物技術(shù)聯(lián)合會召開了“生物催化劑在有機合成中的應(yīng)用，隨后又組織了“有機相中的酶催化討論會，引起了與會科學(xué)工作者扳太的興趣。近年來。有機合成化學(xué)領(lǐng)域的一個重大進展就是應(yīng)用微生物或酶進行催化反應(yīng)。由于酶催化反應(yīng)具有高度的專一性，使得 這種合成與轉(zhuǎn)化在合成化學(xué)領(lǐng)域中具有很大的理論價值和應(yīng)用潛力。關(guān)

2、鍵詞：酶、有機溶劑、生物催化劑、催化反應(yīng)Abstract: Because the organic solvent is easy to make enzyme protein denaturation and inactivation or inhibit the reaction, therefore, for a long time, form a concept: enzyme reaction should be carried out in aqueous solution. Try to avoid using organic solvent. With the progress

3、 of the enzymology. After nearly 10 years of research, people found. As long as conditions are right, enzymes in organic solvents is fully capable of catalytic reaction. In 1985 European biotechnology federation held a the application of biological catalyst in organic synthesis, and then organized s

4、eminar on enzyme catalysis in the organic phase, aroused the interest of the scientific workers pull too. In recent years. A significant progress in the field of organic synthesis chemistry is the application of microorganism or enzyme catalytic reaction. Because the enzyme catalytic reaction are hi

5、ghly specific, makes the synthesis and transformation in the field of synthetic chemistry has great theory value and application potential.Key words:Enzyme, organic solvents, catalysts, catalytic reaction1 前言酶除作用于天然底物外，還可作用于與其底物結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)發(fā)生非自然催化，從而構(gòu)戚了一個特殊的化學(xué)合成新銹域。通過酶催化可以完成各種各樣的化學(xué)反應(yīng)，如：氧化、脫氫、還原、脫氨、羥基化、甲基

6、化、環(huán)氧化、脂化、酰胺化、磷酸化、開環(huán)反應(yīng)、異構(gòu)化、側(cè)鏈 切除、縮合以及鹵代等反應(yīng)。由于酶催化較化學(xué)法催化具有區(qū)域選擇性、立體選擇性、條件 溫和、反應(yīng)速度快等優(yōu)點 ，因此形成了生物學(xué)與化學(xué)邊緣領(lǐng)域中十分引人注意的，研究非?；钴S的重要課題，并已出現(xiàn)許多科研成果。實際上，酶催化已經(jīng)應(yīng)用于制藥、精細化工、食品添加劑以及日用化合物等的合成。2 酶在有機合成中的應(yīng)用多肽合成、脂類合成、抗生素的修飾、有機酸、光學(xué)活性氨基酸的制備、日用化合物生產(chǎn)。2.1鹵過氧化物酶2.1.1鹵化反應(yīng) 氯是目前地球上含量最多的鹵素，其次是溴和碘。鹵素被有機體用來產(chǎn)生鹵素代謝產(chǎn)物，從哺乳動物體內(nèi)的甲狀腺激素到某些植物產(chǎn)生的有毒

7、的氟化脂肪酸。藻類，特別是海藻是目前最豐富的鹵素代謝產(chǎn)物的來源1221。海藻在鹵過氧化物酶的幫助下合成了鹵化合物。這些化合物包括吲哚、萜、酚類、揮發(fā)性的鹵代烴等。鹵化酶所產(chǎn)代謝物大都具有生物學(xué)的抗真菌、抗細菌、抗病毒和抗炎的活性，例如鹵代的吲哚，具有抗炎和抗癌的活性。鹵化反應(yīng)可以被亞鐵血紅素鹵過氧化物酶以及釩鹵過氧化物酶和細菌鹵過氧化物酶所催化。早在1961年，Hager等l就報道了CPO能和B一酮酸發(fā)生鹵化反應(yīng)。鹵化作用的代表是氯過氧化物酶催化的卡爾里霉素的生物合成1241。近年來，由于具有可以鹵化一系列有機化合物的力，鹵過氧化物酶引起了商業(yè)和藥學(xué)界的濃厚興趣。由鹵過氧化物酶催化的鹵化反應(yīng)缺

8、乏立體特異性，這與無酶鹵化反應(yīng)是一致的，具體的細節(jié)仍有爭論閉，但某些糖烯的區(qū)域選擇性溴化反應(yīng)例外倒。糖烯在氯過氧化物酶、HX(鹵化氫)和H：O：存在下反應(yīng)生成相應(yīng)的2一脫氧一2一溴糖，且具有高的區(qū)域和立體選擇性。該化合物是非常有用的生物活性糖類和合成纖維，此方法對于鹵代糖類的合成是一種新的方法。2.1.2氧化反應(yīng)炔在各種化合物的合成中是一個非常重要的中間體。已經(jīng)研究了很多炔上三鍵的氧化反應(yīng)。然而，對于氧化炔丙基的例子并不多。手性丙炔醇是對應(yīng)選擇性合成復(fù)雜分子(特別是生物學(xué)活性物質(zhì))的重要標(biāo)準(zhǔn)部件。Hager等271報道了CPO在H20：或TBHP(叔丁基氫過氧化物)的存在下，催化氧化2一炔到醛

9、的反應(yīng)。從炔到醛的炔丙基氧化過程中，不對稱的炔丙醇作為一個中間體。在H：0：和CPO的水溶液中，醇完全、快速地轉(zhuǎn)化成了醛(9295)。在己烷(或乙酸乙酯)和緩沖溶液(pH=50)的兩相體系里，CPO可以催化一系列伯醇生成相應(yīng)的醛閻。CPO也可以不對稱地催化前手性的l，3一環(huán)己二烯，反應(yīng)有高的對應(yīng)選擇性，且有很高的產(chǎn)率。2.1.3環(huán)氧化作用環(huán)氧化合物是非常重要的有機合成中間體。通過官能團轉(zhuǎn)化反應(yīng)，可以從環(huán)氧化合物制備一系列不同結(jié)構(gòu)的手性化合物。目前，工業(yè)應(yīng)用的烯烴環(huán)氧化合成環(huán)氧化合物的方法主要有氯醇法和Halcon法。在氯醇法中，合成反應(yīng)會產(chǎn)生大量含CaCl：及各種有機氯化物的廢水，造成嚴(yán)重的環(huán)

10、境污染，而且設(shè)備腐蝕嚴(yán)重；Halcon法工藝流程太長，投資大，對原料質(zhì)量要求較高，操作條件嚴(yán)格，且聯(lián)產(chǎn)品多，故這兩種生產(chǎn)方法均不能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。隨著人們對環(huán)保的日益重視及對環(huán)氧化產(chǎn)品需求的不斷增加，發(fā)展工藝簡單、污染小的綠色環(huán)氧化合物合成新工藝顯得更為迫切1291。應(yīng)用于烯烴環(huán)氧化的酶主要有氯過氧化物酶(chloroperoxidase)和單加氧酶(monooxygenase)。自從發(fā)現(xiàn)CPO能作為一種環(huán)氧化反應(yīng)的催化劑以來，這個反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率一直是人們關(guān)注的問題。研究發(fā)現(xiàn)，CPO能催化各種烯烴的不對稱環(huán)氧化，且有很高的產(chǎn)率和對映選擇率。另外，CPO還可以催化茚，經(jīng)過茚二醇中間體。

11、直接衍生出手性環(huán)氧化物30l。總結(jié)：鹵過氧化物酶能催化多種反應(yīng)，且催化的多數(shù)反應(yīng)以立體特異性的方式實現(xiàn)。此外，催化反應(yīng)條件溫和，無環(huán)境污染，應(yīng)用前景廣闊。但是，當(dāng)H20：氧化劑濃度高時，容易失活；且大多底物水溶性差。近年來，已經(jīng)開發(fā)了一些方法來改善這些不利因素，例如：C礦、M礦等多種離子可以提高無輔基鹵過氧化物酶的穩(wěn)定性、耐熱性和耐有機溶劑的能力例；利用抗氧化劑來提高氯過氧化物酶的操作穩(wěn)定性I擁。因此，對鹵過氧化物酶進行修飾、改進將是今后發(fā)展的重要方向。隨著研究的不斷深入，相信在不久的將來，鹵過氧化物酶必將成為現(xiàn)代合成化學(xué)和醫(yī)藥工業(yè)中重要的手性催化劑。2.2氰基水解酶2.2.1氰基水解酶簡介早

12、在三十年代， 為了 解釋一些化學(xué)合成的氰基衍生物對植物生長的 促進作用 ， 就有人提出 某些植物器官能將氰化物轉(zhuǎn)化成酸。 哈佛 大學(xué)的 Thimann和 Mahadeven認(rèn)為這是一個酶促反應(yīng)，并于1964年從大麥葉子中正式分離到這個酶，定名為氰基水解酶。目前的研究表明，腈化物的酶水解通過兩種途徑： 一是通過氰基水解酶將氰基直接轉(zhuǎn)化成羧酸，二是先通過氰基水合酶；將氰基轉(zhuǎn)化成酰胺， 再通過酰胺酶的作用轉(zhuǎn)化成羧酸。通常所說的廣義的氰基水解酶即包括這兩種途徑所涉及的三種酶。本文除特別指出外，均指廣義的氰基水解酶。2.2.2氰基水解酶在有機合成中的應(yīng)用在有機合成中，常常需要水解氰基時不傷害其它可水解基

13、團，如酰基、縮醛、醚鍵等。Faber小組在對固定化酶SP409的研究中發(fā)現(xiàn)，這種復(fù)合酶對乙酯，磷酸酯類底物顯示出了化學(xué)選擇性，而對甲酯及?；〈牡孜飫t不具有選擇性（Figure4），酯鍵也水解了，這可能是由于SP409不純，含有能使甲酯和乙?；獾孽ッ浮Ｇ杌饷傅墓I(yè)應(yīng)用氰基水解酶的溫和高效特點使之在工業(yè)生產(chǎn)上有很重要的應(yīng)用價值。當(dāng)今最主要的工程應(yīng)用是日本Nitto公司的丙烯酰胺工程(Figure20)，年產(chǎn)已達30000噸。在這項工程中，酶催化與傳統(tǒng)的酸水解相比具有絕對優(yōu)勢,不僅能有效地將反應(yīng)中止在第一步,不致生成丙烯酸，而且產(chǎn)率可達100% ,遠遠高于傳統(tǒng)酸水解的65% ，同時可以避

14、免在中和強酸時生成的副產(chǎn)物硫酸銨。2.3微生物環(huán)氧化合物水解酶2.3.1催化機理環(huán)氧化合物水解酶是一種a/B-折疊型水解酶，遵循兩步催化機理：(1)酶的天冬氨酸殘基親核進攻環(huán)氧乙烷中的一個碳原子，形成一個共價結(jié)合的酯中間體；(2)在酶的作用下，一個水分子被激活，將酯中間體水解成產(chǎn)物。Rink等的研究發(fā)現(xiàn)，細菌Aradiobacter幻婦燈環(huán)氧化合物水解酶的Aspl07(親核進攻作用)、Asp246(輔助組氨酸殘基發(fā)揮作用)和His275(活化水分子)3個氨基酸殘基組成了該酶三位一體的催化功能。2.3.2有機合成上的應(yīng)用隨著被發(fā)現(xiàn)的微生物環(huán)氧化合物水解酶種類的增多，其應(yīng)用方面的研究也不斷深入。許

15、多實驗研究已經(jīng)擴大到生物反應(yīng)器中，光學(xué)活性環(huán)氧化合物的制備規(guī)模已經(jīng)達到幾十克的水平。在這些拆分反應(yīng)中，不僅使用了生物反應(yīng)器，而且采用了高底物濃度、兩相體系，甚至用自來水代替緩沖液等多種新的方法，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。WeUem等“報道了在水一有機溶劑兩相體系中，利用酵母細胞硒。出n ck咖“出環(huán)氧化合物水解酶進行了大規(guī)模的拆分反應(yīng)，獲得了高濃度(0.9ml，L)、高光學(xué)純度(98ee)的(s)一1，2一環(huán)氧己烷(6.5g，30收率)。在級聯(lián)的中空纖維膜生物反應(yīng)器中進行連續(xù)轉(zhuǎn)化時，比產(chǎn)率為3.8g/L/H，運行12d，獲得了38g高光學(xué)純度(98ee)的-1，2-環(huán)氧已烷。在藥物合成方面，利用環(huán)

16、氧化合物水解酶制備光學(xué)活性的環(huán)氧化合物，解決了許多重要的生物活性物質(zhì)合成途徑上的限制性環(huán)節(jié)。Faber等“23利用冷凍干燥細胞對底物進行不對稱水解開環(huán)，得到了一種合成松樹甲蟲信息素的重要中間體(s)-Frontalin。Furstoss的研究小組利用黑曲霉選擇性水解環(huán)氧苧烯底物，獲得了光學(xué)純的6，7-雙羥基香葉醇和(4s，8s)-防風(fēng)根醇，后者是護膚品、洗滌劑和多種軟膏的重要成分。在拆分()一a一甲基-異丁基苯基環(huán)氧乙烷的反應(yīng)中，他們還采用了化學(xué)酶法。首先通過黑曲霉催化的不對稱水解獲得r s-構(gòu)型環(huán)氧化合物，然后將生成的R-二醇采用化學(xué)的方法環(huán)化為消旋的環(huán)氧化合物繼續(xù)進行拆分。(s)-a-甲基

17、一異丁基苯基環(huán)氧乙烷在開環(huán)后可以轉(zhuǎn)化成重要的生物活性藥物s-布洛酚。同時，他們利用該環(huán)氧化合物水解酶拆分330moL/L的對-硝基苯基環(huán)氧乙烷(54g/L)，經(jīng)過6h的水解反應(yīng)得到了光學(xué)純度高達99的S-構(gòu)型環(huán)氧化合物，然后在酸性條件下對產(chǎn)物進行水解及重結(jié)晶獲得了光學(xué)純度為98的R-二醇，最后加氨合成了肛阻斷劑類手性藥物尼芬爾醇。這種化學(xué)酶法在拆分外消旋環(huán)氧底物獲得光學(xué)活性環(huán)氧中間體以制備藥物(R)-3，5-二羥-3-甲基戊酸內(nèi)酯的合成中得到了應(yīng)用。此外，F(xiàn)urstoss等還報道了利用兩種選擇性互補的微生物A.niger和S.tuberosum環(huán)氧化合物水解酶，共同催化對-氯苯基環(huán)氧乙烷的不對

18、稱水解反應(yīng)，得到了神經(jīng)保護藥物Eliprodil的關(guān)鍵性手性合成子光學(xué)活性的R-二醇，其對映體過剩值高達96，轉(zhuǎn)化率達93。利用真菌Stuberosum環(huán)氧化臺物水解酶水解茚環(huán)類環(huán)氧化臺物，他們還獲得了抗愛滋病藥物齊夫爾定(Indina-vir)的重要前體物質(zhì)：光學(xué)純度為98的(1R，2S)環(huán)氧化合物(收率20)和光學(xué)純度為69的(1R，2R)二醇(收率48)。生物酶在有機合成中的應(yīng)用是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的生化技術(shù)。由于它有許多優(yōu)點，如反應(yīng)條件溫和（常溫、近中溫），具有高度的區(qū)域選擇性、立體選擇性和對映體選擇性，可避免敏感官能團發(fā)生變化，可產(chǎn)生許多光化學(xué)活性物質(zhì)，尚可完成一些用傳統(tǒng)的化學(xué)

19、反應(yīng)；另外還有產(chǎn)品純、無三廢、無環(huán)境污染等優(yōu)點，因此越來越受到有機化學(xué)研究者的青睞，實驗表明在有機溶劑中進行酶催化反應(yīng)具有以下優(yōu)點：增加非極性底物的濃度，很多不溶于水或在水中不穩(wěn)定的產(chǎn)物能在有機溶劑中用酶來催化生成；有機溶劑能保護酶免受有毒反應(yīng)物和反應(yīng)條件的損壞，提高酶的耐溫性等。酶催化反應(yīng)的類型包括氧化還原、酶合成、酯交換、脫氧、酰胺化、甲基化、羥化、磷酸化、脫氨、異構(gòu)化、環(huán)氧化、開環(huán)聚合、側(cè)鏈切除、聚合及鹵代等。酶在有機合成中的應(yīng)用以逐漸被人們所認(rèn)識，并且近年來已取得了較大進展，利用酶催化的不對稱可以合成許多手性分子，隨著酶技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)克服了酶催化反應(yīng)中存在的一些問題（如：對有機介質(zhì)的敏感性、對底物變化的適應(yīng)性以及醇的不穩(wěn)定性等）。近年來有關(guān)酶技術(shù)的進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1） 固定化酶：將酶固定在固定支持物上，或通過酶分子之間的交聯(lián)而得以固定，通過固定后可以更方便、更有效地利用酶，提高酶催化作用的效率；（2） 酶在低