不對稱合成化學第四酶參與的不對稱合成綜述

1、不對稱合成化學asymmetric synthetic chemistry第四酶參與的不對稱合成綜述Chapter 4 enzymes mediated asymmetric reactions主要內(nèi)容 酶及酶催化反應的特點及缺點 酶催化還原反應 酶催化氧化反應 酶催化水解反應 總結 Chiral synthesis with biocatalyst 利用純酶或有機體催化無手性、潛手性化合物轉化為手性產(chǎn)物的過程。生物催化中常用的有機體主要是微生物，其本質是利用微生物細胞內(nèi)的酶催化非天然有機化合物的生物轉化，又稱為生物轉化（microbial biotransformation）。固定化酶和固定

2、化細胞技術可使生物催化反應在連續(xù)進行生物轉化，這將使生物催化法具有工業(yè)化應用價值。酶的特征 酶是決定生物體系中化學轉化方式的卓越非凡的分子器件。酶最為顯著的特征是其催化能力和專一性。由于它們能專一性地與多種分子結合，并使化學反應加速幾個數(shù)量級。作為一類大分子，它們在催化各種反應時是高效率的。生物催化手性合成的反應特點酶的反應速度比非酶催化的反應速度一般要快1061012倍。酶催化劑的用量少，一般手性催化劑的用量是0.1%1mol%，而酶催化反應中酶的用量為10-310-4mol%。酶與其他催化劑一樣，僅能加快反應的速度，但不影響反應的熱力學平衡，酶催化的反應往往是可逆的。生物催化手性合成的反應

3、優(yōu)點酶在溫和條件下進行，反應PH為58，一般在7左右，反應溫度在30左右。這樣可以減少不必要的副反應，如分解、異構和重排反應。不同酶所催化反應的條件往往是相同或相似的，因此，一個連續(xù)反應可以采取多酶復合體系，使這些生物催化反應能在同一個反應器中進行，可以簡便操作步驟。生物催化手性合成的反應缺點(一)盡管酶催化反應的條件溫和，但是酶反應參數(shù)必須精確控制。一般酶催化反應都有其最適條件，如溫度、PH值、離子強度等。這些參數(shù)變化的范圍較小，一旦變化幅度超過它們的允許值，將會引起酶的活性喪失。酶在水溶液中表現(xiàn)出最高的催化活性，而一般都是在有機溶劑中進行，而在非水介質中酶的活性在水溶液中低，一般降低一個數(shù)

4、量級水平。生物催化手性合成的反應缺點(二)酶催化反應容易被底物或產(chǎn)物所抑制，在底物或底物濃度較高時，會引起酶活性喪失。酶是生物大分子，可能會引起過敏反應，使用時一定要注意。許多酶都需要輔助因子或輔酶才能進行，然而輔酶一般較為昂貴，必須使用另外一種酶才能使其原位活化或再生。酶在生物催化反應中的使用情況 酶催化還原反應 面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶能催化酮的不對稱還原，其還原產(chǎn)物仲醇的對映體過量率近100%。主要內(nèi)容輔酶的循環(huán)使用脫氫酶催化酮還原酵母細胞催化酮還原酵母細胞催化烯烴還原 輔酶的循環(huán)使用底物偶聯(lián)法酶偶聯(lián)法人工電子傳遞體總轉換數(shù)(TTN, total turnover number)每

5、摩爾輔酶用于轉化生產(chǎn)物的總摩爾數(shù)。實驗室要求：TTN至少為103104工業(yè)生產(chǎn)要求：TTN105常用的輔酶 氧化還原酶需要輔酶作為反應過程中氫或電子的傳遞體。 常用的輔酶有尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH (nicotinamide adenine dinucleotide)又稱輔酶I (Co I)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)又稱輔酶II (Co II)底物偶聯(lián)法 定義：在反應過程中添加輔助底物（供體），在相同酶催化下實現(xiàn)主要底物和輔助底物同時轉化，但兩者方向相反。為了使反應朝向所需方向進行，一

6、般使輔助性底物過量，以保證轉換數(shù)TTN超過103。酶偶聯(lián)法 酶偶聯(lián)途徑是利用兩個平行的氧化還原反應酶系統(tǒng)，一個酶催化底物轉化，另一個酶則催化輔酶循環(huán)再生。為了達到最佳效果，兩個酶的底物相對獨立，以避免兩個底物競爭同一個酶的活性中心。用于還原反應的酶甲酸脫氫酶葡萄糖脫氫酶醇脫氫酶氫化酶谷氨酸脫氫酶、乳酸脫氫酶甲酸脫氫酶(formate dehydrogenase, FDH)該方法的最大優(yōu)點是輔助底物甲酸和反應產(chǎn)物(CO2)對酶無毒和易于除去，F(xiàn)DH穩(wěn)定性好、易于固定化，且已可商品化供應。該體系的缺點是FDH成本較高，酶的活性低。目前甲酸/FDH系統(tǒng)是最方便和最經(jīng)濟的NADH再生方法，特別適合于大

7、規(guī)模重復性使用，其TTN可達103105。其它脫氫酶葡萄糖脫氫酶 葡萄糖和葡萄糖脫氫酶(glucose dehydrgenase, GDH)系統(tǒng)是另一種NADH或NADPH再生系統(tǒng)。醇脫氫酶 乙醇-醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase, ADH)系統(tǒng)用于NADH和NADPH的循環(huán)再生。氫化酶 氫化酶(hydrogenase)能催化NADH再生，這種酶以分子氫直接作為氫的供體，氫有很強的還原能力，同時對酶和輔酶無毒。谷氨酸脫氫酶、乳酸脫氫酶 乙醛-酵母ADH系統(tǒng)也可用于NAD-的再生，其轉換數(shù)達到103104。該系統(tǒng)中酶容易失活是其致命的弱點。人工電子傳遞體 脫氫酶催化酮還原酵母

8、醇脫氫酶馬肝醇脫氫酶布氏熱厭氧菌醇脫氫酶羥基甾(zai)體脫氫酶commercially available酵母醇脫氫酶(yeast alcohol dehydrogenase, YADH) 底物專業(yè)性強，只針對醛和甲基酮。馬肝醇脫氫酶(horse liver alcohol dehydrogenase, HLADH) 底物專業(yè)性不強，因而可催化多種底物還原，應用廣，缺點是立體選擇性不高。羥基甾體脫氫酶(hydroxysteroid dehydrogenase, HSDH) 最佳底物是烷基取代單烷酮和二環(huán)酮。布氏熱厭氧醇脫氫酶(Thermoanaerobium brockii alcohol

9、dehydrogenase, TBADH) 催化大分子酮還原時得到(S)-型醇，但催化小分子酮時則產(chǎn)物構型相反。 酵母細胞催化酮還原無環(huán)酮的還原環(huán)狀酮的還原去消旋化 19世紀初，人們利用面包酵母(Bakers yeast)或稱釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)被廣泛用于酮的不對稱還原反應。它使用方便，無需特殊設備，可在普通實驗室中進行生物催化反應，使用成本低。無環(huán)酮的還原 多數(shù)長鏈酮（如n-丙基酮、 n-丁基酮和苯基酮）不能被酵母還原，只有長鏈甲基酮才能被酵母催化還原。環(huán)狀酮的還原去消旋化 消旋體中仲醇可以通過氧化、還原反應轉化為單一對映體。仲醇消旋體中的一個對映體可

10、以被選擇性氧化為酮（醇脫氫酶），而另一個對映體則不能被氧化。新生的酮可以再被另一個氧化還原系統(tǒng)還原為仲醇，其構型與原仲醇構型相反，最終使消旋體轉變單一對映，這是一項去消旋化(deracemization)技術。 酵母細胞催化烯烴還原，-不飽和酯的還原烯丙醇和共軛烯酮的還原硝基烯烴的還原 負責這種還原反應的酶一般是NADH所依賴的烯酸還原酶，這類酶存在于多種微生物中，如梭狀芽孢桿菌、變形桿菌屬和面包酵母等。，-不飽和酯的還原 微生物對烯酸酯是先水解后還原，因此微生物還原反應實際發(fā)生在烯酸階段。烯丙醇和共軛烯酮的還原硝基烯烴的還原4.3 酶催化氧化反應常用的化學氧化方法： 采用金屬化合物如六價鉻、

11、七價錳衍生物以及醋酸鉛、醋酸汞和有機過氧羧酸等作為氧化劑。缺點：缺少立體選擇性、副反應多，且金屬氧化劑會造成環(huán)境污染。酶催化的方法： 不僅可以解決這些問題，而且可使不活潑的有機化合物發(fā)生氧化反應，如催化烷烴中的碳氫鍵羥化反應，反應具有區(qū)域和對映選擇性。 生物催化氧化所用的酶三大類酶： 單加氧酶、雙加氧酶和氧化酶 主要內(nèi)容 第一節(jié) 單加氧化酶催化反應 第二節(jié) 雙氧酶催化反應 第三節(jié) 氧化酶和脫氫酶催化反應第一節(jié) 單加氧化酶催化反應 反應機理：單加氧酶(mono-oxygenases)可以使氧分子(O2)中一個氧化自加入到底物分子中，另一個氧原子使還原性NADH或NADPH氧化并產(chǎn)生水H2O。單加

12、氧酶催化的反應類型 羥化反應 烯烴的環(huán)氧化反應 硫原子的氧化反應 拜爾-維利格反應羥化反應注：反應機理不是傳統(tǒng)意義上的直接羥化，而是通過-氧化過程而完成的（脫氫、水合）。對羥化反應的認識提高選擇性的途徑：（1）改變培養(yǎng)條件，增加細胞代謝壓力；（2）廣泛篩選不同的微生物菌種；（3）底物修飾 目前對反應過程中底物的氧化位點還不能預測，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些有效的方法可以提高選擇性。羥化反應實例介紹烯烴的環(huán)氧化反應特點：針對很多小分子的烯烴環(huán)氧化合物（通過傳統(tǒng)環(huán)氧化方法不能得到）效果顯著！ 硫原子的氧化拜爾-維利格反應 拜爾-維利格(Baeyer-Villiger) BV反應是指利用過氧羧酸氧化酮生成酯或

13、內(nèi)酯，這是一個具有很高應用價值的有機合成反應。Possible mechanism about BV reactionBV反應的應用實例第二節(jié) 雙氧酶催化的氧化反應 雙氧酶(dioxygenases)，又稱雙加氧酶，能催化氧分子中兩個氧原子都加入到一個底物分子中。這類酶一般含有緊密結合的鐵原子，如血紅素鐵。烯烴的氫過氧化反應芳烴雙羥基化反應烯烴的氫過氧化反應辣根過氧化物醇催化消旋體輕過氧化物的拆分芳烴雙羥基化反應順式環(huán)狀二連醇的應用氧化酶和脫氫酶催化反應氧化酶催化電子轉移到分子氧中，以氧作為電子受體，最終生成水或過氧化氫。 氧化酶：黃素蛋白氧化酶（氨基酸氧化酶、葡萄糖氧化酶）、金屬黃素蛋白氧化

14、酶（醛氧化酶）和血紅素蛋白氧化酶（過氧化氫酶、過氧化物酶）等。脫氫酶可以催化氧化和還原雙向可逆反應，一般可以催化還原反應為主，但根據(jù)需求設定反應條件可以使還原反應轉化為氧化反應。 當?shù)孜餅檫€原態(tài)物質，輔酶是氧化態(tài)時，脫氫酶則催化氧化反應。而相反條件下脫氫酶則催化還原反應為主。 酶催化水解反應 水解酶(hydrolases, EC 3,x,x,x)是最常用的生物催化劑，占生物催化反應用酶的65%。它們能水解酯、酰胺、蛋白質、核酸、多糖、環(huán)氧化物和腈等化合物。目前水解反應的類型酯水解 酯的結構類型：(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：豬肝酯酶 豬肝酯酶(Pig Liver Esterase, PLE)是常用的一種酯酶。這種梅組成比較復雜，一般至少有5種同功能組成，每一個同功酶又是由三個亞基組成。由于它們具有相似的立體選擇性，因此，這一粗酶混合物仍被視為是一種單純酶。(II)型酯的水解微生物酯酶具有酯酶活性的蛋白酶-胰凝乳蛋白酶枯