第五講生物催化氧化反應(yīng)ppt課件

1、生物催化氧化反應(yīng)生物催化氧化反應(yīng)l催化作用原理和特點(diǎn) l羥化反應(yīng)l烯烴的環(huán)氧化 l拜依爾-維利格反應(yīng) l芳烴雙羥基化反應(yīng) l多元醇的區(qū)域選擇性氧化 催化作用原理和特點(diǎn) l生物催化氧化反應(yīng)主要由三大類酶所催化：l單加氧酶l雙加氧酶l氧化酶生物催化的氧化反應(yīng)如下所示Sub + NAD(P)H + H + O2+SubO +NAD(P) + H2O單加氧酶輔酶循環(huán)雙加氧酶底物+Sub + O2SubO2氧化酶+2-O2 + 4e2OH2O4H+Sub=氧化酶O2 + 2e O2H2O2+2H+2-l單加氧酶mono-oxygenase催化的加氧反應(yīng)是將分子氧中的一個(gè)氧原子偶合到底物分子中，另一個(gè)氧原

2、子被還原，一般被NADH尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸或NADPH尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸還原形成水；l雙加氧酶dioxygenase催化的加氧反應(yīng)是將O2的兩個(gè)氧原子連續(xù)地偶合進(jìn)底物分子中；l氧化酶oxidase催化的氧化反應(yīng)是將分子氧作為直接電子受體，催化底物脫氫，脫下的氫再與氧結(jié)合生成水或過(guò)氧化氫。 羥化反應(yīng)l烷烴和芳香烴的羥化按單加氧酶催化反應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行。l 主要介紹：l烷烴的羥化反應(yīng)l芳香族化合物的羥化l單加氧酶催化的反應(yīng)往往用完整的微生物細(xì)胞作為生物催化劑，這樣比較也有利于NADH或NADPH的循環(huán)使用。1烷烴的羥化反應(yīng)l有機(jī)化學(xué)合成中幾乎不能將碳?xì)浠衔镏械姆腔顫奀-H鍵羥化，而生物轉(zhuǎn)

3、化反應(yīng)則可以直接進(jìn)行羥化反應(yīng)。例如，甾體分子中許多位置的選擇性羥化反應(yīng)能用適當(dāng)?shù)奈⑸飦?lái)催化：7HOHCO2HOO11OCH2OHCOOH11OCH2OHCOOH16HOF(10.11)(10.12)(10.13)(10.14)黃體酮l如黑根霉或黑曲霉能立體選擇性催化孕甾酮10.11的11-羥化，這樣可省去常規(guī)化學(xué)合成中的許多步驟，大大降低11-羥基孕 甾 醇 酮 的 生 產(chǎn) 成 本 ； 弗 氏 鏈 霉 菌Streptomyces fredial能將化合物10.12的C11位-羥基化；7HOHCO2HOO11OCH2OHCOOH11OCH2OHCOOH16HOF(10.11)(10.12)(1

4、0.13)(10.14)9-氟氫可的松石膽酸l玫瑰產(chǎn)色鏈霉菌能將9-氟氫可的松10.13的16位-羥基化；木賊鐮孢菌生物催化可使石膽酸10.14的7-羥化，并具有高度的選擇性。 PhOHPhOH+69%31%O2,3017h,(10.15)型R芽孢桿菌屬e.e. 91%l區(qū)域選擇性l對(duì)映異構(gòu)體選擇性l微生物芽孢桿菌屬Bacillus megaterium對(duì)烴10.15生物轉(zhuǎn)化能形成不對(duì)稱羥基化產(chǎn)物，而且其羥基化反應(yīng)具有區(qū)域選擇性69）和對(duì)映體選擇性，該反應(yīng)的收率為31，對(duì)映體過(guò)量e.e.）為91%，反應(yīng)沒(méi)有得到芳基氧化或過(guò)氧化產(chǎn)物。2芳香族化合物的羥化l苯環(huán)羥化反應(yīng)有機(jī)合成用重氮鹽水解或其它取

5、代法，涉及反應(yīng)步驟繁多且副產(chǎn)物也多。而單加氧酶能催化鄰、對(duì)位取代芳烴立體選擇性羥化。l以真菌、酵母菌、高等生物體細(xì)胞單加氧酶催化芳烴羥化反應(yīng)為模型，研究發(fā)現(xiàn)其反應(yīng)機(jī)理的第一步是對(duì)芳香族化合物進(jìn)行環(huán)氧化，生成不穩(wěn)定的中間體芳烴氧化物，該中間體通過(guò)氫負(fù)離子遷移重排生成苯酚產(chǎn)物，具體反應(yīng)機(jī)制如下所示。RRROOHOH-單加氧酶l芳香族化合物的選擇性羥基化也可以通過(guò)使用完整的細(xì)胞催化進(jìn)行。例如，6-羥基煙酸(10.16)是以煙酸為原料，在Pseudomonas sp 或Bacillus sp 催化作用下完成的。 l普瑞特羅(Prenalterol)（10.18是一種治療心血管疾病的藥物，可由刺孢小克銀

6、漢霉的細(xì)胞催化其底物前體10.17區(qū)域選擇性羥化而制得，該反應(yīng)不具有對(duì)映選擇性，因而產(chǎn)物為消旋體。 普瑞特羅烯烴的環(huán)氧化l合成小分子環(huán)氧化物可以利用單加氧酶催化烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)來(lái)制備，而且還可以制得傳統(tǒng)化學(xué)法所不能制備的產(chǎn)物。在單加氧酶催化烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)過(guò)程中，需要輔酶NAD(P)H和分子氧的直接參與。 l如食油假單胞菌能催化烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)，此外還發(fā)現(xiàn)多種細(xì)菌也可催化烯烴的環(huán)氧化，所生成的環(huán)氧化物的絕對(duì)構(gòu)型大多數(shù)是R型，微生物催化烯烴環(huán)氧化反應(yīng)如下。OR1R1O2微生物型Rl環(huán)氧化物的構(gòu)型和光學(xué)純度與所用菌種和底物有關(guān)。如Pseudomonas oleovorans lR1 = H 、n-

7、C5H11 、n-C7H15 時(shí)產(chǎn)物為R構(gòu)型 ，e.e. =60-80%lR1=NH2COCH2C6H4O 、CH3O(CH2)C6H4O 時(shí)為S構(gòu)型，l e.e. =97%OR1R1O2微生物型Rl又如菌種Mycobacterium sp lR1=H時(shí)產(chǎn)物為R構(gòu)型 ， e.e. = 98%；R1=PhO-時(shí)產(chǎn)物為S構(gòu)型， e.e. = 80%OR1R1O2微生物型R拜依爾-維利格反應(yīng)l是一種合成酯或內(nèi)酯的具有很高應(yīng)用價(jià)值的合成方法。酮在過(guò)氧羧酸作用下氧化生成酯或內(nèi)酯的反應(yīng)稱為拜爾-維利格反應(yīng)。生物催化拜爾-維利格反應(yīng)的黃素輔基中間體與過(guò)氧羧酸類似，作為親核試劑進(jìn)攻羰基碳。 l酶法催化拜爾-維

8、利格反應(yīng)具有立體選擇性，潛手性的酮能通過(guò)環(huán)己酮單加氧酶的不對(duì)稱氧化生成相應(yīng)的內(nèi)酯，氧的插入具有很高的選擇性。 OROOROOR環(huán)己酮單加氧酶(DADPH循環(huán))(S)-(R)-（Nl例如Acinetobacter sp的環(huán)己酮單加氧酶可將潛手性酮不對(duì)稱氧化為相應(yīng)的內(nèi)酯，氧插入位置取決于4-位取代基R的性質(zhì)，其產(chǎn)物的立體構(gòu)型取決于中間體中基團(tuán)的遷移能力：當(dāng)R為CH3O、Et、n-Pr和t-Bu時(shí)，產(chǎn)物為S構(gòu)型；但當(dāng)4-位為n-Bu時(shí)，其產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)镽構(gòu)型，環(huán)己酮單加氧酶催化反應(yīng)如下所示。 OROOROOR環(huán)己酮單加氧酶(DADPH循環(huán))(S)-(R)- 芳烴雙羥基化反應(yīng) l雙加氧酶分子中通常都含有一

9、個(gè)血紅素復(fù)合物和一個(gè)鐵離子，它催化分子氧中的兩個(gè)氧原子與底物相結(jié)合。微生物細(xì)胞中的雙加氧酶可以催化芳烴化合物氧化為內(nèi)過(guò)氧化物中間體，該中間體再被還原酶催化還原為順式連二醇，生成手性順式二醇，雙加氧酶催化芳烴順式二羥基化的反應(yīng)歷程如下。RRNADHNAD+O2 雙氧酶 還原酶ROHOHOOl惡臭假單胞菌的突變菌株能催化不同取代基的芳香族化合物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的手性順式連二醇。該菌株對(duì)單取代苯和對(duì)位雙取代苯順式二羥基化所得連二醇產(chǎn)物構(gòu)型相反。RRRO HO HO HO HRIIH2, P d /C假 單 胞 菌 突 變 株假 單 胞 菌 突 變 株RO HO H（ 1 0 .1 9 ）（ 1 0 .2

10、0 ）l例如，將單取代苯對(duì)位用碘取代，苯環(huán)經(jīng)雙加氧酶氧化后通過(guò)還原反應(yīng)再除去碘得到的連二醇產(chǎn)物(10.20)，它的構(gòu)型與單取代苯反應(yīng)后得到的連二醇產(chǎn)物(10.19)構(gòu)型相反。RRROHOHOHOHRIIH2, Pd/C假 單 胞 菌 突 變 株假 單 胞 菌 突 變 株ROHOH（ 10.19）（ 10.20）l這種構(gòu)型轉(zhuǎn)變與對(duì)位取代基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)，一般碘的效應(yīng)大于氟和甲基，且碘最后容易用還原法除去。OHOHCOOHR1R2OHHO(10.21)(10.22)-萘甲酸聯(lián)苯類化合物l-萘甲酸能夠被睪丸酮假單胞菌A3C氧化為順式連二醇10.21）。還有報(bào)道用基因工程技術(shù)構(gòu)建了一株高表達(dá)的甲苯雙加氧

11、化酶的工程菌珠，這種菌可把聯(lián)苯類化合物順式二羥基化為相應(yīng)連二醇類化合物10.22）。OHOHCOOHR1R2OHHO(10.21)(10.22)多元醇的區(qū)域選擇性氧化l利用生物催化劑馬肝醇脫氫酶(HLADH)對(duì)潛S型pro-S或潛R型pro-R羥基的氧化具有較好的選擇性。ROHOHHLADHNAD -循環(huán)+CHOROHNAD -循環(huán)+HLADH自發(fā)進(jìn)行pro-Rpro-SROHOROHOORO+1,5-二醇l馬肝醇脫氫酶l如1,4-或1,5-二醇中，所得還原產(chǎn)物羥基醇會(huì)自然環(huán)合形成更穩(wěn)定的5或6元環(huán)狀半縮醛，最后再被HLADH氧化形成相應(yīng)的內(nèi)酯。生物催化還原反應(yīng)生物催化還原反應(yīng) 生物催化還原反

12、應(yīng) l催化作用原理和特點(diǎn) l酮的還原反應(yīng) l烯烴的還原反應(yīng) 催化作用原理和特點(diǎn) l生物催化的還原反應(yīng)使用最多的是脫氫酶，它可廣泛用于催化醛或酮羰基以及烯烴碳-碳雙鍵的還原反應(yīng)。如果所轉(zhuǎn)化的底物是潛手性的，則可以得到手性產(chǎn)物。l常用的脫氫酶有面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶，它們催化酮不對(duì)稱還原，所得還原產(chǎn)物仲醇的對(duì)映體過(guò)量率可接近100。l這一類酶已被廣泛地用于醛和酮的還原反應(yīng)中，尤其是在手性醇的合成上，具有廣泛的應(yīng)用前景。 l脫氫酶催化酮或烯烴的還原反應(yīng)的原理是首先脫氫酶在還原型輔酶的參與下使底物加上1分子的氫，而還原型輔酶本身轉(zhuǎn)化為氧化型輔酶；為了使還原反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，需要加入第二種輔助底物，

13、作為氧化型輔酶再生的電子和質(zhì)子供體。 酶偶聯(lián)法的輔酶循環(huán)酶偶聯(lián)法的輔酶循環(huán)l l常用輔酶有NADH輔酶I尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸和NADPH輔酶 II尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），一般有80的氧化還原酶以NADH作為輔酶，10的氧化還原酶以NADPH為輔酶。少數(shù)氧化還原酶以黃素單核苷酸FMN和黃素腺嘌呤二核苷酸FAD作為輔酶。酮的還原反應(yīng)l脫氫酶可以選擇性還原醛或酮為手性醇。在脫氫酶的作用下，氫負(fù)離子從醛或酮基的一個(gè)潛手性面Si面或Re面進(jìn)攻，從而將醛或酮還原為手性(R)-或(S)-醇。l而且大多數(shù)情況下，脫氫酶的立體選擇性服從Prelog規(guī)則，即H從空間位阻小的方向?qū)︳驶M(jìn)攻，形成構(gòu)象穩(wěn)定的優(yōu)

14、勢(shì)中間體，因此由底物的立體結(jié)構(gòu)可以預(yù)測(cè)反應(yīng)的產(chǎn)物。 酮的還原反應(yīng)主要內(nèi)容 l1馬肝醇脫氫酶催化酮還原l2酵母細(xì)胞催化酮還原l3其它微生物細(xì)胞催化酮還原1馬肝醇脫氫酶催化酮還原l馬肝醇脫氫酶馬肝醇脫氫酶(HLADH)是常用的脫氫酶，是常用的脫氫酶，其最大用途是還原中等大小的單環(huán)酮四其最大用途是還原中等大小的單環(huán)酮四到九元環(huán)和雙環(huán)酮，無(wú)環(huán)酮被還原時(shí)的到九元環(huán)和雙環(huán)酮，無(wú)環(huán)酮被還原時(shí)的立體選擇性低，具有空間位阻和分子結(jié)構(gòu)立體選擇性低，具有空間位阻和分子結(jié)構(gòu)大于萘烷的酮不宜作為該酶的底物。大于萘烷的酮不宜作為該酶的底物。 l具有空間位阻的籠狀多環(huán)酮，如2-三環(huán)癸酮外消旋體(10.23)被HLADH還原

15、后，可以得到外醇和未反應(yīng)的對(duì)映體酮，產(chǎn)物對(duì)映體過(guò)量率分別為e.e.90%和e.e.68%，反應(yīng)如下。 OOOHe.e.68%e.e.90%+HLADHNADH-循環(huán)(10.23)lHLADH催化內(nèi)消旋體順式十氫萘催化內(nèi)消旋體順式十氫萘-2,7-二酮、二酮、反 式 十 氫 萘反 式 十 氫 萘 - 2 ， 6 - 二 酮 和 無(wú) 手 性二 酮 和 無(wú) 手 性1,2,3,4,5,6,7,8-八氫萘八氫萘-2,6-二酮具體反應(yīng)如二酮具體反應(yīng)如下。下。 OOHHHHOOHHLADHNADH-循環(huán)e.e.98%OHHHHOOHHLADHNADH-循環(huán)e.e.98%OOOOOHHLADHNADH-循環(huán)e.

16、e.98%l還原后產(chǎn)生具有高度光學(xué)活性的(S)-醇，產(chǎn)物的對(duì)映體過(guò)量率大于98，因此對(duì)于二環(huán)或多環(huán)酮分子中的橋頭碳原子不能發(fā)生消旋化而使構(gòu)型保留。2酵母細(xì)胞催化酮還原l面包酵母或稱釀酒酵母是酮的不對(duì)稱還原面包酵母或稱釀酒酵母是酮的不對(duì)稱還原中應(yīng)用最廣泛的微生物。酵母完整細(xì)胞中中應(yīng)用最廣泛的微生物。酵母完整細(xì)胞中含有可催化氧化還原反應(yīng)的多種脫氫酶和含有可催化氧化還原反應(yīng)的多種脫氫酶和輔酶，因此不需要額外添加輔酶循環(huán)再生輔酶，因此不需要額外添加輔酶循環(huán)再生系統(tǒng)。通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化，酵母細(xì)胞可以還系統(tǒng)。通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化，酵母細(xì)胞可以還原簡(jiǎn)單脂肪族酮或芳香族酮形成相應(yīng)的原簡(jiǎn)單脂肪族酮或芳香族酮形成相應(yīng)的S醇

17、，醇，產(chǎn)物具有較高的光學(xué)純度。產(chǎn)物具有較高的光學(xué)純度。 (CH2)nOORHO(CH2)nORHO(CH2)nOR+面包酵母順式反式l長(zhǎng)鏈脂肪酮長(zhǎng)鏈脂肪酮(如正丙基酮、正丁基酮和苯基酮如正丙基酮、正丁基酮和苯基酮)不能被酵母還原。只有酮分子中有甲基酮才不能被酵母還原。只有酮分子中有甲基酮才能被酵母催化還原。環(huán)狀能被酵母催化還原。環(huán)狀-二酮可被選擇性二酮可被選擇性地還原為地還原為-羥基酮，而不產(chǎn)生二羥基化合物，羥基酮，而不產(chǎn)生二羥基化合物，式中式中R基團(tuán)不同，產(chǎn)物順?lè)词降谋壤酗@著基團(tuán)不同，產(chǎn)物順?lè)词降谋壤酗@著差異。酵母細(xì)胞還原環(huán)狀差異。酵母細(xì)胞還原環(huán)狀-二酮過(guò)程如下：二酮過(guò)程如下：(CH2)

18、nOORHO(CH2)nORHO(CH2)nOR+面包酵母順式反式3其它微生物細(xì)胞催化酮還原OOOCOOMeOOCOOMeHO毛霉屬l在前列腺素PGE2全合成中，毛霉屬M(fèi). ramamnicus可選擇性還原重要的光學(xué)中間體環(huán)戊烷三酮的其中一個(gè)羰基為醇，環(huán)戊烷三酮的選擇性生物催化還原過(guò)程如下。OOOCOOMeOOCOOMeHO毛霉屬l其它霉菌如孢子絲菌屬Sporotriahum exile）、新月彎孢霉和出芽短柄霉也可選擇性地將一些潛手性單元的羰基化合物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的手性化合物，作為合成許多復(fù)雜的天然產(chǎn)物分子的手性中間體。其它微生物細(xì)胞催化酮的選擇性還原反應(yīng)過(guò)程如下： NONOHOOOOHOOHOHOHHe.e.95%e.e.98%孢子絲菌屬新月彎孢霉出芽短柄霉烯烴的還原反應(yīng)l用傳統(tǒng)的化學(xué)法選擇性還原碳碳雙鍵