《实例还原》PPT课件.ppt

生物催化手性 合成的反应实例,还 原 反 应,生物催化的还原反应在手性合成中有着重要的应用。脱氢酶被广泛用于醛或酮羰基以及烯烃碳-碳双键的还原，这种生物催化反应可使潜手性底物转化为手性产物。,面包酵母脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化酮不对称还原，其还原产物仲醇的对映体过量率接近100%。,第一节 辅酶的循环使用,氧化还原酶需要辅酶作为反应过程中氢或电子的传递体。常用辅酶有尼克酰胺嘌呤二核苷酸NADH（nicotinamide adenine dinucleotide)又称辅酶（Co )和尼克酰胺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)又称辅酶（Co )，它们是氧化还原酶的主要辅酶。80%的氧化还原以NADPH为辅酶。,脱氢酶催化酮还原,脱氢酶能立体选择性地将酮催化还原为手性仲醇，反应过程中酶催化氢负离子从酮基的si 面或re面进攻将酮还原为手性(R)或(S)仲醇。,一般来说，绝大多数酶催化反应的立体选择性可用Prelog规则进行预测，即根据底物的立体结构，H从空间位阻小的方向进攻酮基，形成构象稳定的优势中间体。,S代表小基团，L代表大基团 脱氢酶催化酮不对称还原的Prelog规则,常用脱氢酶的特点,酵母醇脱氢酶(yeast alcohol dehydrogenase YADH)、马肝醇脱氢酶(horseliver alcohol dehydrogenase HLADH)和羟基甾体脱氢酶(hydroxysteroid dehydrogenase，HSDH)均有商品化供应，它们催化酮还原反应的立体选择性遵循Prelog规则，一些微生物细胞(如面包酵母)作催化剂时也遵循此规则。,布氏热厌氧菌醇脱氢酶(TBADH)催化大分子酮还原时遵循Prolog规则产生(S)-型醇，但催化小分子酮时则产物构型相反。 也有一些微生物脱氢酶催化产生反Prolog规则的(R)型醇，如乳杆菌属的Lactobacillus kefir醇脱氧酶，但这些酶很少有商品化供应。,常用脱氢酶的优先底物结构图,酵母醇脱氢酶(yeast alcohol dehydrogenase YADH)、马肝醇脱氢酶(horseliver alcohol dehydrogenase HLADH)和羟基甾体脱氢酶(hydroxysteroid dehydrogenase，HSDH),酵母醇脱氢酶,酵母醇脱氢酶(YADH)的底物专一性强，只有醛和甲基酮才能作为其底物，而环状酮和非甲基酮均不能作为它的底物。上表中弯孢属、爪哇毛霉、假单胞菌属醇脱氢酶等，由于没有商品化酶供应，限制了它们的使用。,马肝醇脱氢酶,马肝醇脱氢酶(horseliver alcohol dehydrogenase， HLADH)是常用的脱氢酶，其底物专一性不强，因而可催化多种底物还原，应用广，缺点是立体选择性不高。 HLADH是由两个亚基组成的二聚体，每个亚基含有两个锌离子。该酶的三维空间结构已由x射线衍射法确定。 HLADH的最大用途是还原中等大小的单环酮(四到九元环)和双环酮，无环酮被还原的立体选择性低，具有空间位阻和分子结构大于萘烷的酮不宜作为该酶的底物。,具有空间位阻的笼状多环酮能被选择性还原。2三环癸酮消旋体(1)被HLADH还原后，产生外醇和未反应的对映体酮，其对映体过量率分别为e e 90和e e68。,O或S取代的杂环酮也是HLADH的适宜底物，例如8-位氧或硫取代的消旋体-二环4.3.0壬烷-3-酮（2）能被HLADH还原拆分。但是8-位N取代的这种环酮却不能被拆分，这是由于含氮底物与酶分子活性中心的Zn2+形成配位键，而使酶丧失活性。,马肝醇脱氢酶（HLADH)能催化消旋体2-烷基噻喃-4-酮（3）的还原，酶使H尽从Si面进攻羰基，产生一个反式-（S)-醇（4）和顺式-（S)醇（5）。非对映体醇（4）和（5）可用色谱法加以分离，然后再被氧化成光学活性的酮，从而将消旋体（3）拆分。,布氏热厌氧菌脱氢酶,马肝醇脱氢酶(HLADH)和酵母醇脱氢酶(YADH)不适宜将直链酮立体选择性还原，而布氏热厌氧菌醇脱氢酶(TBADH)可将直链甲基酮和乙基酮还原为相应的仲醇。,布氏热厌氧菌脱氢酶,TBADH是从嗜热微生物中分离得到的，其热稳定性好，可在85条件下使用。此外，TBADH还能耐受有机溶剂(如异丙醇)而不失活，而异丙醇可用于NADPH的再生循环。 -卤代烷基、甲基或三氟甲基酮被TBADH转变为相应的仲醇，并具有很高的光学纯度。但是，、不饱和酮和两个取代基都大于乙基的酮则不能被该酶催化还原。 TBADH催化酮还原反应遵循Prelog规则，对正常大小的酮产生(S)醇，但对小分子酮则立体选择性相反。,布氏热厌氧菌脱氢酶,TBADH的最大缺点是反应需要NADPH，尤其对于大规模合成来说，这是难以克服的困难。 最近的研究发现，NAD(H)钒盐复合物NAD(H)-V在 TBADH催化的反应体系中可以较好地模拟天然NADPH的功能。NAD(H)V在溶液中可以自发地形成催化剂量的NAD(H)和无机钒盐(HVO42-)，反应缓冲液中的咪唑可消除由钒盐引起副反应。,羟基甾体脱氢酶,羟基甾体脱氢酶 (HSDH)的最佳底物是烷基取代单环酮和二环酮。,在二环3.2.0庚烷-6-酮衍生物中，当7位连接较小的取代基（R1,R2=H)时，羟基甾体脱氢酶 HSDH催化反应的立体选择性低；当7位取代基增大时，HSDH会变成高选择性的催化剂。而TBADH和HLADH则不能催化它们。,对没有取代基的酮，若5位相对于7位是大的基团，底物（9）被还原为（S)-醇（10）。但当7位的氢原子被氯原子或甲基取代后，5位取代基小于7位取代基，底物（9）则被还原为（S）-醇（11）。这种立体选择性的转换可以用Prelog规则解释。,酵母细胞催化酮还原,早在19世纪初，人们就利用酵母细胞作为生物催化剂。 面包酵母(Bakes yeast)或称酿酒酵母被广泛用于酮的不对称还原。它使用方便，无需特殊设备，可在普通实验室中进行生物催化反应，使用成本低。,微生物完整细胞中含有可催化氧化还原反应的多种脱氢酶和辅酶，用细胞作为生物催化剂可省去酶的分离纯化步骤，同时不需要额外添加辅酶循环再生系统。天然细胞内的酶和辅酶被细胞环境所保护，酶的反应活性高。 该方法的缺点是有些非天然底物对细胞有毒性，需降低催化反应中底物的浓度。另外，细胞内存在的其他物质会给产物的分离纯化带来困难。,无环酮的还原,1.简单酮 简单脂肪族酮或芳香族酮被酵母还原时遵循Prelog规则,产生相应的(s)-醇，产物具有较高的光学纯度。 多数长链酮(如n-丙基酮、n丁基酮和苯基酮)不能被酵母还原，只有长链甲基酮才能被酵母催化还原。连接酮基的功能基团上可以有氯、溴、硝基、羟基以及二噻烷基、甲硅烷基等。,无环酮的还原,2.酮酯 无环酮酯易被酵母还原为羟酯，后者可作为内酰胺、昆虫激素和类胡萝卜素等合成的手性源。 氢负离子H-按Prelog规则向羰基发生亲核进攻。还原醇的手性中心构型由底物结构决定，即与羰基两侧取代基的大小有关。,无环酮的还原,面包酵母中存在多种脱氢酶，它们对同一底物具有不同的立体化学选择性。 D-型脱氢酶(属于脂肪酸合成酶系)对具有短链醇基的-酮酯(如-酮酸甲酯)有高的反应活性。 L-型脱氢酶则对具有长链醇基的-酮酯(如-酮酸辛酯)有较高的活性。,因此还原反应的立体化学结果可以通过对底物的设计而实现。,无环酮的还原,选用D-或L-型脱氢酶的抑制剂也可得到所需构型的产物，例如不饱和化合物(如烯丙醇或甲基乙烯酮)可抑制L-型脱氢酶，将使-酮酯转化反应中D- - 羟基酯的对映体过量率增加，而L- - 羟基酯的光学纯度降低。将酵母固定在聚氨酯胶内会得到相同的结果。,无环酮的还原,3. -单取代-酮酯 -单取代-酮酯被酵母还原产生非对映体顺式和反式-羟基酯，其产物的比率不是1：1，这是由于烯醇化引起的快速原位消旋、从而改变了动力学拆分结果。顺、反非对映体的比率取决于还原过程中酶的立体选择性，有时可高达100：0 。 -取代基较小时，主要生成顺式非对映体；而-取代基增大时，选择性相反。,无环酮的还原,-单取代-酮酯的还原可以得到四种可能的非对映体产物。通过选择适当的微生物可以得到所需构型的产物。,无环酮的还原,环状酮的还原,1环状-二酮的还原 环状-二酮可被选择性地还原为-羟基酮，而不产生二羟基化合物。对于小环来说，顺式产物优先生成，且具有极高的光学纯度。但是，当环扩大后，其产物的非对映选择性难以预测，且产率下降。,环状酮的还原,环状酮的还原,2. 环状-酮酯 环状-酮酯被酵母还原总是产生顺式-羟基酯。而反式-非对映体却不能形成。这是由于在这种结构中，-碳碳键不能旋转，增加了分子刚性所致。因此，环状-酮酯还原反应的对映体选择性总是比无环类酮酯还原反应的对映选择性高。,环状酮的还原,环状-羟基酯（26）（28）均由面包酵母催化相应的-酮酯还原所得，产率为74%89%，对映体过量率为e.e.97%.,其他类型酮的还原,酵母发酵法选择性还原环酮的例子很多，它同样还被用于带有硝基、氟、硫和杂环功能基化合物的还原，以及金属有机化合物的还原。,含酮基硫醚PhS(CH2)3COCH3被面包酵母还原产生(S)-醇，产率为97、对映体过量率为e e97；酮砜也可被面包酵母对映选择性还原。,化合物（35）可由其前体酮经解脂假丝酵母（candida lipolytica)对映选择性还原而生成。面包酵母在pH为7.2条件下能催化4-叠氮鬼臼毒素还原为4-氨基鬼臼毒素（36）。,与环酮相比，无环a-二酮的还原产物一般不会停留在酮醇结构阶段，它会被进一步还原为二醇。首先是位阻小的羰基被还原为（S)-a-羟基酮（Prelog规则），然后位阻稍大的酮被进一步还原，最终产生二醇，其优势产物为反式构型。,去消旋化,消旋体仲醇可以通过氧化、还原反应转化为单一对映体。 仲醇消旋体中的一个对映体可以被选择性氧化为酮(醇脱氢酶)，而另一个对映体则不被氧化。新生的酮可以再被另一个氧化还原系统还原为仲醇，其构型与原仲醇构型相反，最终使消旋体转变单一对映体，这是项去消旋化技术。由于有两个连续的氧化还原反应，反应体系中不需要额外的辅酶循环。为了使产物具有高的光学活性，两步反应中至少有一步必须是不可逆反应，氧化和还原反应最好采用两种微生物。,嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus)与Yarrowia lipolytica或多色假单胞菌（Peseudomonas polycolor)与弗氏微球菌（Micrococcus freudenreichii)偶联用于信息素sulcatol和扁桃酸的去消旋化。 另外采用一种微生物如白地霉（Geotrium candidum)或近平滑假丝酵母（Candida parapsilosis)催化仲醇去消旋化也取得了很好的结果。,酵母细胞催化烯烃还原,生物催化潜手性烯烃双键的还原具有立体选择性，这是常规化学还原法所无法实现的。 负责这种还原反应的酶一般是NADH依赖的烯酸还原酶，这类酶存在于多种微生物中，如梭状芽孢杆菌、变形杆菌属和面包酵母等。 虽然烯酸还原酶已被分离纯化和鉴定，但使用纯酶作催化剂时需要辅酶循环，因此绝大多数制备性生物转化仍采用完整细胞作为酶源。,烯酸还原的立体化学过程已被阐明，氢反式加成到CC双键中，在植物细胞培养中(如烟草)却发现了顺式加成。烯酸还原酶对连有吸电子基团的烯烃双键表现出更高的还原活性。,、不饱和酯的还原,酵母催化2-氯-2-烯酸甲酯还原可以得到高光学活性的2-氯烷基羧酸。,-取代的a,-不饱和五元环内酯中C=C很容易被面包酵母还原为（R)-型产物，后者是萜类化合物合成的C5原料。取代基团硫的极性对反应的立体化学过程有很重要的影响。硫醚和 亚砜很容易被高选择性地转化，而极性较大的砜则产率和光学纯度均较低。,烯丙醇和共轭烯酮的还原,烯丙醇和共轭烯酮的还原,、-不饱和酮的还原,酵母能将a-氯-