（应用化学专业论文）环糊精介入酵母细胞催化芳香酮的不对称还原反应.pdf

摘要 环糊精介入酵母细胞催化芳香酮的不对称还原反应 a s y m m e t r i cr e d u c t i o no f a r o m a t i ck e t o n e sb yy e a s tc e l l s c a t a l y z e di nt h ep r e s e n c eo fc y c l o d e x t r i n s 硕士研究生：张文虎导师：刘湘副教授、方云教授专业：应用化学 摘要 本文首次系统的研究了环糊精介入酵母细胞催化芳香酮的不对称还原反应，以1 3 一环 糊精和自制的羟丙基p 环糊精作为手性添加剂，主要考察了环糊精结构及添加量、底物 芳香酮的结构和性质等对反应结果的影响( 底物转化率和。孓产物e e 值) 。主要结论如下： 1 、羟丙基b 一环糊精的优化合成条件为：反应时间为2 4h ，反应温度为5 ，反应 物环氧丙烷与b 环糊精的摩尔比为1 ：6 ，n a o h 的质量浓度为3 ，收率为2 2 5 。 2 、通过正交实验确定了影响芳香酮d 环糊精包合物包合率的主次因素：芳香酮与 p 环糊精的摩尔配比起主要作用，温度次之，时间对包合率的影响最小；苯乙酮、苯丙 酮与6 环糊精的包合物在包合温度为5 0 ，摩尔配比为l ：7 ，时间为2h 时形成稳定的 包合物，此时包合率分别为8 0 6 和5 9 1 。4 一甲基苯乙酮d 一环糊精与4 氯苯乙酮b 环糊精包合物在包合温度为5 0 ，摩尔配比为1 ：7 ，包合时间为1h 形成稳定的包合物， 该条件下包合率分别为7 4 8 和6 5 。 3 、研究了手性添加剂介入酵母细胞催化芳香酮的不对称还原反应，分别考察了添 加剂d 环糊精和羟丙基p 环糊精对催化芳香酮的不对称还原反应的影响，结果表明芳环 上取代基的空间效应和电子效应对底物转化率和产物对映体过量值有显著的影响，苯丙 酮的转化率提高了1 8 5 ，s - ( 4 - 氯苯基) 乙醇的e e 值提高了2 2 9 。同时研究了在添加 适量p 环糊精和羟丙基p 环糊精后，转化时间对各芳香酮反应结果的影响。由实验结果 可以知，酵母细胞催化芳香酮的不对称还原反应中，不对称催化还原反应结果由底物羰 基两边取代基的空间效应和电子效应共同决定，整个生物催化过程中，酵母细胞中的氧 化还原酶和手性添加剂共同影响反应结果；但反应本质是由酵母细胞和底物特性决定， 它们决定着添加剂对反应结果影响的程度和性质。 关键词：不对称还原，酵母细胞，生物催化，环糊精，芳香酮，光学活性。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea s y m m e t r i cr e d u c t i o no f a r o m a t i ck e t o n e sc a t a l y z e db yy e a s te e l l i nt h ep r e s e n c eo f c y c l o d e x t r i ni ss y s t e m a t i c l ys t u d i e di n t h i sp a p e r ，e m p l o y i n g1 3 - c y c l o d e x t r i na n ds e l f - m a d e h y d r o x y p r o p y l b c y c l o d e x t r i na sc h i r a la d d i t i v e s t h ei m p a c to ft h es t r u c t u r ea n da d d i t i o n a m o u n to fc y c l o d e x t r i n ，t h es t r u c t u r ea n dn a t u r eo fa r o m a t i ck e t o n eo nt h er e a c t i o n r e s u l t s ( c o n v e r s i o na n de e ) i sd e t a i l e dr e s e a r c h e d m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1t h eo p t i m i z e dc o n d i t i o nf o rs y n t h e s i so fh y d r o x y p r o p y l p c y c l o d e x t r i nw a s ：t h e r e a c t i o nt i m ew a s2 4h ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s5 ，t h em o l a rr a t i oo fe p o x y p r o p a n et o 1 3 - c y c l o d e x t r i n w a s1 ：6 a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fn a o hw a s3 t h e y i e l d o f h y d r o x y p r o p y l p - c y c l o d e x t r i nr e a c h e d2 2 5 u n d e rt h ec o n d i t i o n 2 r a n g ea na l y s i ss h o w e dt h em o l a rr a t eo fa r o m a t i ck e t o n e st o1 3 - c y c l o d e x t r i nw a st h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h ei n c l u s i o nr a t eo fa r o m a t i ck e t o n e s p c y c l o d e x t r i n ， f o l l o w e db yt h ei n c l u s i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e nt h ei n c l u s i o n t i m e a c e t o p h e n o n e 一1 3 - c y c l o d e x t r i na n dp r o p i o p h e n o n e - b - c y c l o d e x t r i nc a nf o r ms t e a d yi n c l u s i o nc o m p l e xa n dt h e i n c l u s i o nr a t er e s p e c t i v e l yw a s8 0 6 a n d5 9 1 u n d e rt h i sc o n d i t i o n s ：i n c l u s i o nt e m p e r a t u r e w a s5 0 t h em o l a rr a t i ow a sl ：7a n dt h ei n c l u s i o nt i m ew a s2 h w 1 1 i l ef o r # - m e t h y l a c e t o p h e n o n e - p c y c l o d e x t r i na n d4 - c h l o r o p h e n y l a c e t o p h e n o n e 一1 3 - c y c l o d e x t r i n ，t h ei n c l u s i o n r a t er e a c h e d7 4 8 a n d6 5 w h e ni n c l u s i o nt e m p e r a t u r ew a s5 0 。c ，t h em o l a rr a t i ow a s1 ：7 a n dt h ei n c l u s i o nt i m ew a s1h 3t h ea s y m m e t r i cr e d u c t i o no fa r o m a t i ck e t o n e sc a t a l y z e db yy e a s te e l li nt h ep r e s e n c e o fc h i r a la d d i t i v ep - c y c l o d e x t r i na n dh y d r o x y p r o p y l p c y c l o d e x t r i nw e r ed e t a i l e di n v e s t i g a t e d b ys t u d y i n gt h ei n f l u e n c e so fa d d i t i v ep - c y c l o d e x t f i na n dh y d r o x y p r o p y l d - c y c l o d e x t r i n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es u b s t r a t ec o n v e r s i o nr a t ea n dt h ep r o d u c te n a n t i o m e r i ce x c e s sv a l u e w e r em a r k e d l ya f f e c t e db yb o t hs t e r i ce f f e c ta n de l e c t r o n i ce f r e c to fs u b s t i t u t e dg r o u p t h e a c e t o p h e n o n ec o n v e r s i o nr a t ei n c r e a s e db v18 5 a n de ev a l u eo fs ( 4 - c h l o r o b e n z e n e ) e t h a n o li m p r o v e db v2 2 9 c y c l o d e x t f i o n sa f f e c t e dt h er e a c t i o nr e s u l t sb ye n h a n c i n gt h e c a t a l y t i ce f f i c i e n c yo fy e a s tf e r m e n t a t i o nb r o t ha n di n c l u s i o no ft h es u b s t r a t e ，a m o n gw h i c h t h ek e yf a c t o ri sp - s u b s t i t u t e dg r o u po ft h es u b s t r a t ea r o m a t i cc y c l e a c c o r d i n gt ot h ea b o v e e x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t so fa s y m m e t r i cr e d u c t i o no fa r o m a t i ck e t o n e sc a t a l y z e db yy e a s tc e l l s w e r ed e t e r m i n e db yb o t ht h es p a c ea n de l e c t r o n i ce f f e c t sw h i c hj o i nt h ec a r b o n y l i nt h e w h o l eb i o c a t a l y s i sp r o c e s s ，o x i d o r e d u c t a s ei n y e a s tc e l l sa n dc h i r a la d d i t i v e sa f f e c tt h e r e a c t i o nr e s u l t st o g e t h e r , h o w e v e r , t h ee s s e n c eo fr e a c t i o nw e r ed e t e r m i n e db yy e a s tc e l l sa n d s u b s t r a t ec h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hd e t e r m i n e dt h ee f f e c to fa d d i t i v e so nt h ee x t e n ta n dn a t u r eo f t h er e a c t i o n k e y w o r d s ：a y m m e t r i cr e d u c t i o n ，y e a s tc e l l ，b i o c a t a l y s i s ，c y c l o d e x t r i n ，a r o m a t i ck e t o n e s ， o p t i c a la c t i v i t y 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：e l 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： e l 期： 第一市绪论 第一章绪论 近几十年来，不对称合成研究因其合成产物本身在实际应用( 如医药、农药、材料 等) 中的重大价值而获得了迅速的发展。由化学方法和生物方法不对称合成的光学活性 物质，无论在种类还是数量上都在剧增。在众多不对称合成原料中，对羰基化合物的研 究备受关注，芳香族羰基化合物的不对称还原研究是其中热点之一。 1 1 不对称合成 1 1 1 手性的意义 l o u i sp a s t e u r 在1 0 0 多年前曾指出【1 】宇宙是非对称的，如果把构成太阳系的全部物体 置于一面跟随着它们的各种运动而移动的镜子前面，镜子中的影像不能和实体重合，生 命由非对称作用所主宰。在漫长的化学演化过程中，地球上出现了无数手性化合物构成 的有机分子，无论在种类上或在数量上，绝大多数是手性分子。手性分子的对映体可以 有几乎完全相同的物理化学性质，甚至有相同的光谱，但是它们之间仍然存在有重要的 差别，那就是和其它手性分子间反应性的差别。 在自然界中存在许多光学对映体，这些物质就像人的左右手，立体结构对称，左右 相反，绝不能重合，其气味、味道以及作用都大相径庭，一方有益，而另一方可能就有 害。因此寻求和研究有利于对映体之一的合成方法，特别是得到所需要的纯粹单一对映 体的合成方法。因此，不对称合成已成为当前有机化学家和生物化学家研究的热点与前 沿。 1 1 2 不对称合成 不对称合成( a s y m m e t r i cs y n t h e s i s ) 又称手性合成，即前手性分子在手性物质或环境 的作用下，生成手性中心的或手性分子的合成反应，它包括不对称化学合成，不对称生 物合成【m j 。 在不对称合成研究领域中，有三位不对称催化合成的先驱科学家值得我们去学习， 他们是美国孟山都生物技术公司( m o n s a n t o ) 的威廉s 诺尔斯( w i l l i a ms ，k n o w l e s ) 博士 将手性过渡态金属络合物催化不对称氢化反应，并首次应用于l d o p a 的工业化生 产；第二位是日本名古屋大学的野伊良冶( r y o j in o y o r i ) 教授研制多种不对称氢化反 应的催化剂，提高催化效率：第三位是美国t l l es c r i p p s 研究所( t s r i ) 的k 巴里夏普莱斯 ( k b a r r ys h p l e s s ) 教授对手性催化不对称氧化反应的研究。他们的杰出贡献对不对称 合成的研究领域非常重要，使得不对称合成得到了迅速的发展，他们分享了2 0 0 1 年的化 学诺贝尔奖一表彰他们在不对称催化合成研究方面的开创性工作，这一工作不仅解决了 长期以来进行化学合成时总是得到外消旋体的困惑，而且随着研究深入，研究范围的扩 大，很快应用到生产上，为制药、农药、香料等工业带来巨大的效益【5 】。 不对称合成方法是制备对映体纯化合物的主要方法之一，具有广泛而不同的含义。 简单的说，不对称合成就是采取某些方法，使反应生成的两个对映体中一个过量，甚至 江南人学坝i ：学位论义 全部为单一的对映体，从而避免和减少拆分过程，它是立体定向合成单一对映体、 获得手性药物最直接的方法。从绿色化学角度考虑，高效的不对称合成方法有利于节约 资源，提高原子利用率，因此不对称合成是手性技术发展的主流方向。不对称合成技术 一般有五个途径： l 、手性底物( c h i r a lp 0 0 1 ) 的诱导，通过底物中原有的手性中心，在产物中形成新的 手性中心。 2 、手性辅助物( c h i r a la u x i l i a r y ) 的诱导，在合成的某一阶段，引入一个手性辅助物， 形成局部的诱导，产生一个新的手性中心。 3 、手性试齐j ( c h i r a lr e a g e n t ) 的控制，以手性试剂的手性中心为诱导，在反应底物中 引入手性中心。这种方法一般需要使用定量的手性试剂。 4 、手性环境( c h i r a ls u r r o u n d i n g s ) 的影响，包括溶剂和相转移催化剂等。 5 、手性催化齐o ( c h i r a lc a t a l y s t ) 的控制，就是一定的底物在特定的具有催化性质的催 化剂作用下，催化得到目标产物的催化不对称合成法，分为生物催化法和化学催化法两 种。 其中手性催化剂催化反应以其催化量和可循环使用的特殊优异性，被认为是有机合 成领域中最重要的突破之一【6 7 】。不对称合成的目的并不单是制备光学活性化合物，而且 要达到高度的对映选择性。显然，此过程在实际中的应用是极其重要的，这就要求开发 符合一系列新标准的纯光学活性试剂，一个成功的不对称反应的标准是【l 】： 1 、高的对映体过量( e n a n t i o m e r i ce x c e s s ，下文简写为e e ) 值； 2 、手性辅助剂易于制备并能循环使用； 3 、可以制备尺一和两种构型； 4 、最好是手性催化剂的合成反应。 1 1 3 不对称化学催化合成法 “不对称合成”这个术语在1 8 9 4 年由e f i s c h e r t 8 】首次使用，从学术和经济的角度来讨 论手性物质的制备方法，最可取的是不对称催化合成，它包括化学催化合成方法和生物 催化合成方法1 9 j 。 化学催化合成方法又可分为化学计量的不对称催化合成法和催化剂量的不对称催 化合成法等两种。 化学计量的不对称催化合成法：最早被称为手性助剂法即加入手性助剂诱导非手 性的前手性底物，生成手性物质后再将其解离出来，其中合适的手性助剂选择是关键。 随后发展的手性试剂法【lo 】是通过改性后的手性试剂诱导的不对称催化合成。近年来， 手性修饰l a h 用于芳香酮不对称还原的研究，在对映选择性方面没有大的进展。花文廷 等【l l 】合成了三个羟苯基嗯唑啉手性配体，进而制成新型手性还原剂双嗯唑啉铝氢化物 ( d i o a l h ) 用于不对称还原苯乙酮，产率7 0 8 ，e e 值为7 2 。 v i n o g r a d o vm g 等【1 2 1 4 】对手性修饰铝试剂做过一些研究工作，也取得一定的成效。 对手性配体t a d d o l ( t e t r a a r y l l ，3 - d i o x o l a n e 4 ，5 一d i m e t h a n o l s ) 修饰铝试剂不对称还原芳 香酮进行研究，取得了e e 值7 0 - 9 0 。同年，他们又研究了手性铝试齐i j n a a i ( i p t o l a t e ) h 2 】 2 第一荦绪论 对苯乙酮和苯丙酮的不对称还原反应，e e 值达到9 7 。 催化剂量的手性化合物诱导的不对称催化合成法：此方法的手性实体仅为催化量 的，而且好的手性催化剂，可以起到很好的手性增殖作用。2 0 0 1 年诺贝尔奖得主的三位 专家就是由于他们在手性不对称加氢、不对称环氧化等方面的杰出工作而获奖的1 1 5 l 6 。 诺尔斯( w i l l i a ms ) 首创加氢反应的手性催化剂【l 7 1 ，他发现，如果用过渡金属元素制 造出含有手性配体的络合物，并且用作催化剂，就可以在和非手性的底物作用时实现手 性的传递，得到具有手性的产物。例如用于不饱和双键的催化加氢反应，就可以使其中 的一个碳原子具有手性。更为重要的是，一个催化剂分子可以制造出数以万计的预期的 手性产物。诺尔斯的工作对于不对称催化合成反应具有首创性，所以他被认为是2 0 0 1 年 诺贝尔化学奖的当然获奖者之一。野伊良冶( r y o j in o y o r i ) 教授 i s l 等在1 9 8 0 年丌始发表了 关于合成双瞵b i n a p 的两种对映体的报告，它和某些过渡金属形成络合物时候，在某些 氨基酸的催化合成时，可以得到纯度达1 0 0 的单一对映体，尤其是r u ( i i ) b i n a p 络合 物的催化加氢作用更为普遍，而且很快成为一种工业化规模的催化剂。在手性催化加氢 反应发展的同时，巴里夏普莱斯( k b a r r ys h p l e s s ) 教授开发了另一重要反应氧化 反应的手性催化剂。氧化反应则可以往分子中引进更多类型的功能团，它为制造新的更 加复杂的分子提供了更多的可能性。1 9 8 0 年夏普莱斯首次报道【l9 】了从烯丙醇通过不对称 催化氧化生成手性环氧化物的试验。他用了另一种过渡金属钛和手性配体做成手性催化 剂，从而使得产物中对映体的比例发生明显的变化。他的发现在学术上和工业生产中都 有重要的作用，科学界普遍认为，夏普莱斯的发现是近数十年来在化学合成领域中最重 要的发现之一，因此获得2 0 0 1 年的诺贝尔化学奖是当之无愧的。 1 1 4 不对称生物催化合成法 1 、不对称生物催化的定义 不对称生物催化( a s y m m e t r i cb i o c a t a l y s i s ) 是指利用酶或者生物有机体( 全细胞、细胞 器、组织等) 作为催化剂进行不对称化学转化的过程，该过程又被称为生物转化 ( b i o t r a n s f o r m a t i o n ) 。生物催化不对称催化合成中常用的有机体主要是微生物，其本质是 利用微生物细胞内的酶进行催化。生物催化不对称催化合成法具有作用条件温和( 在常 温、中性和水相等环境中完成) ，有独特、高效的底物选择性( 区域选择性和对映体选择 性) 等优点，但同时它也存在生物催化剂在反应介质中不稳定，可用于工业化应用的生 物催化剂还少，以及生物催化剂开发的周期较长等缺点。 2 、不对称生物催化的产生及发展 人类利用细胞内酶作为生物催化剂实现生物转化已有几千年的历史。早在两千多年 前，我国劳动人民就发明了酿酒、制醋和制酱工艺。真f 对酶的认识和研究归功于近现 代科学技术的发展。酶这一术语在1 8 6 7 年由k u h n e 9 1 造用以表述催化活性。1 8 9 4 年， f i s c h e r 提出“钥匙学说”用来解释酶作用的立体专一性。1 8 9 7 年b u c h n e r 等发展酵母的无细 胞提取物也具有发酵作用，可以使葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳【2 训。这些工作为近代酶 学研究奠定了基础。1 8 5 8 年，p a s t e u r 研究发现外消旋酒石酸盐在微生物酵母或狄绿青霉 素生物转化下，天然右旋光性( + ) 酒石酸盐会逐渐被分解代谢，而非天然左旋光性( + ) 江南人学坝i ：学位论义 酒石酸赫被积累而纯化，该过程称为不对称分解作用。1 9 0 6 年，w a r b u r g 采用肝脏提取 物水解悄旋体亮氨酸丙脂制备l 亮氨酸。1 9 0 8 年r o s e n b e r g 用杏仁( d 醇氰酶) 作催化剂合 成具有光学活性的氰醇。这些创造性研究促进了生物催化的手性合成的研究与发展。 1 9 1 6 年，n e l s o n 和g r i f i n 发现转化酶( 蔗糖酶) 结合于骨炭粉末上仍有酶活性。1 9 2 6 年， s u m m e r 从刀豆中分离纯化得到脉酶晶体。1 9 3 6 年，s y m 发现胰脂肪酶在有机溶剂苯存在 下能改进酶催化合成。1 9 5 2 年，p e t e r s o n 发现黑根霉能使孕酮转化为l l a 一烃基孕酮，使原 来需要九步反应才能完成的反应用微生物转化法一步即可完成，产物的收率高、光学纯 度好，从此解决了出体类药物合成中的最大难题。我国从1 9 5 8 年丌始，由微生物学家方 心芳教授和有机化学家黄鸣龙教授合作开展这一领域的研究，并取得成功【2 i j 。1 9 6 0 年， n o v o 公司通过对地衣形芽胞杆细胞深层培养发酵大规模制备了蛋白酶，从而开始了酶的 商业化生产。 3 、不对称生物催化的的特点 不对称生物催化剂根据其不同的类型，可以分为分离酶、固定化酶、微生物细胞、 固定化形式使用的微生物细胞、植物组织、植物及动物细胞等。它们具有一般催化剂的 特征，如用量少而催化效果好、能加快化学反应的速度，而其本身在反应前后没有结构 和性质的改变，只能缩短反应平衡所需的时间，而不能改变反应的平衡点。不管生物催 化剂其形态如何，能起催化作用的是其中有活性的酶，而酶是生物大分子，参加化学反 应时具有如下特征。 第一、催化效率高酶催化反应的速率比非酶催化反应的速率高1 0 8 1 0 2 0 ，比一般催 化剂高1 0 7 - 1 0 1 3 。如过氧化氢酶催化过氧化氢的氧化反应，反应速率为6 1 0 6 ，如若用 铁离子作为催化剂，反应速率为6 1 0 4 。 第二、反应条件温和酶在温和条件下进行催化反应，反应p h 为5 8 ，一般在7 左右， 反应温度在2 0 4 0 。c ，一般在3 0 。c 左右。在这样的反应条件下，可以减少不必要的副反 应，如分解、异构、消旋和重排反应，而这些反应正是传统化学催化反应常会发生的副 反应。不同酶催化反应的条件往往是相同或相似的，因此，在一些连续反应中可以采用 多酶复合体系，使这些生物催化反应能在同一个反应器中进行，以简化反应操作步骤， 尤其是可以省去一些不稳定中间体的分离纯化过程。同时应用连续的酶反应体系，可以 使反应过程中某些化学平衡不利的反应朝向所需产物生成的方向进行。 第三、反应专一性由生物酶催化的化学反应有很好的专一性，不仅有底物的专一 性，而且还有很好的立体化学专一性。 第四、底物的适应性酶对底物表现出高度的专一性，但大多数酶并非是绝对专一 性，它们能接受人工合成的非天然化合物作为反应底物，酶表现出一定的底物适应性。 第五、酶催化反应的多样性生物体内的化学反应大多数由酶所催化，酶几乎能催 化各种类型的化学反应，例如：酯、酞胺、内酯、醚、环氧化物及腈等化合物的水解和 合成；烷烃、芳烃、醇、醛和酮、硫醚和哑矾等化合物的氧化或还原；水、氨及氰化物 等化合物的加成与消除；以及卤化与脱卤反应、烷基化与去烷基化、异构化、偶联、醛 醇缩合、m i e h a e l d l ：l 成等反应，但也发现有一些酶不能催化的反应，例如，d i e l s a l d e r 4 第一荦绪论 反应和c o p e 重排。另一方面，酶能催化一些化学法难以实现的反应，如有机合成中化学 方法难以对脂肪烃中的非活泼位进行选择性烃基化反应，而采用微生物生物转化法却容 易得到。 第六、符合绿色化学的要求绿色化学是指用化学的技术和方法减少和消灭化学过 程中产生的有害污染物，是从根本上消灭污染，而非污染后治理1 2 引。生物催化剂不像无 机金属催化剂，它使用后可以被降解，是环境友好的催化剂；生物催化剂具有很高的立 体选择性，能使前手性化合物只生成两个对映体中的一种，避免了另一种无用对映体的 生成，这是绿色化学研究的重要组成内容。因此，生物催化的手性合成将成为绿色化学 研究的重要领域之一，具有很好的发展和利用前景【2 引。 4 、不对称生物催化技术应用简介 经过半个世纪的研究，生物催化法成为一种标准的有机合成方法【2 4 j 生物催化的手性 合成方法己成功的用于光学活性氨基酸、有机酸和其它手性原料等的制备以及甾体转 化、抗生素修饰，这是有机合成化学领域的一项重要进展。据s t a a t h o f 报道中提到目前 有1 3 4 种工业级生物转化，其中水解酶( 4 4 ) 和氧化还原酶( 3 0 ) 在工业生物催化应用中 占主导地位。当前，生物催化技术已成为工业可持续发展的核心，正推动着一个以生物 催化和生物转化为特征的崭新时代的发展【2 副。 1 1 5 不对称化学催化合成与不对称生物催化合成的比较 不对称合成法作为获得光学纯化合物的一种有效的手段，其重要性己被越来越多的 生物化学家所共识。不对称合成方法主要包括化学催化合成法和生物催化合成法。化学 方法就是利用催化剂催化某些特殊反应的进行来获得光学活性物质，所用的催化剂有手 性有机分子、有机金属络合物、手性试剂等。生物方法也称酶催化法，酶催化可选用全 细胞酶、不同纯度的源于动物器官的商品化酶或者利用微生物培养得到的粗品酶作为生 物催化剂。不对称酶催化还原已经成功地应用到生产实践中了1 2 6 j 。 化学方法和生物方法各有优缺点，化学方法虽然是目前不对称还原的主要方法，但 是存在着高效低污染的配体不易合成、催化剂回收利用困难、环境污染严重等问题。生 物方法的应用有着广阔的发展空间，但也存在如容量低、产率低、反应速度慢以及产物 分离困难等缺点。对于不同的合成要求，应该具体问题具体分析。一般情况下优先考虑 适宜的生物催化反应体系，尤其是在产物需求量不大时。 不对称催化按反应类型可以分为不对称催化c c 键的形成、不对称催化氧化、不对 称催化环丙烷化、不对称催化烷基化、不对称催化加成、不对称催化羰基化、羰基的不 对称还原等1 9 1 。在这些反应中催化前手性羰基不对称还原为手性醇的研究具有非常重要 的理论意义和应用前景，因为手性醇的手性中心接有一个活泼的官能团“o h ”，该类物 质是许多重要手性医药和其他手性产品合成时的关键手性中间体。 如何经济合理地将这些不对称还原体系应用于工业领域是亟待解决的问题。对于化 学催化不对称还原反应，制备性能优异并可循环再生的多相不对称催化剂是关键。在过 去的几十年中，不断的发现了许多高效不对称合成新方法【27 j 如将反应转移到离子液体、 超临界二氧化碳、水相条件下进行，或将催化剂固定到可溶性大分子、某些不溶性物质 5 班月 学f mi 位论z 的表面进行以便催化荆的循环利用等，都是值得研究的方向。对不对称生物催化还原体 系，使用尉定化酶和固定化细胞技术、引进有机相酶及多酶反应系统、利用基因工程和 定向生物学技术改造生物催化剂和进一步研究生物催化羰基的不对称还原机理，均可加 快这类反应的工艺和工程问题的研究，使更多的不对称生物催化体系应用于工业生产 【2 8 3 “。不对称生物催化的快速发展必将会使传统化学工业面临巨大的挑战，而在众多的 不对称台成方法中，生物催化手性台成无疑是一颗耀眼的明珠。 不对称生物催化还原法尽管有种种优点，在不对称领域的应用必将有着广阔的发展 空间，但是也存在如前所述的缺点，况且目前可用于工业化应用的生物催化剂还太少、 生物催化剂开发的周期较长以及产物的对映体选择性易受影响。如在反应体系中添加吸 附树脂用于提高生物催化效率口3 3 4 。马小魁口5 3 7 1 等对生物催化体系中加入添加剂( 如环糊 精等) 进行过研究，取得到较好的效果，通过添加剂对生物催化体系以及对底物的影响， 进而达到影响不对称生物催化结果的目的，而环糊精及其衍生物由于它们结构的特殊 性，j 下被受到广泛的关注和研究应用。 1 2 环糊精及其衍生物 1 2 i 环糊精 环糊精( c y c l o d e x t r i n 、简称c d ) 早在18 9 1 年就由v i l l i e r s 发现9 q ，是由环糊精葡萄糖 基转移酶作用于淀粉而形成的，其结构由6 、7 、8 或更多个吡哺葡萄糖单元通过d - 1 、4 糖苷键连结而成，呈“锥筒”状，中间有一个直径为07 10n m 的空心洞穴，其内壁是由 葡萄糖分子中的c 3 和c s 的氢原予以及成苷的氧原子构成，具有疏水性，而外壁由c 2 、c 3 、 c s 位羟基构成，故具有亲水性，分子结构如图l - 1 。 。囤 镄9 爨 璺嚣? 嚣。) u 。n i t 嚣嚣监凛；踹瓷怨僻鼍字“ 图i - i 环糊精的分子结构 脚i - it h e m e l e c u l a rs t r u e m r e o f c y e l o d e x t r i n n 厂 影。 笫一节绪论 常见的有c c 、d 、丫三种环糊精，分别由6 、7 、8 个葡萄糖单元构成，p 一环糊精最为常 用。葡萄糖单元数决定了c d 内腔的大小。环糊精的疏水性空腔，由于其疏水亲酯作用 以及空间体积匹配效应，可与具有适当大小、形状和疏水性的分子通过非共价键的相互 作用，形成稳定的主一客体包合物。由于其特殊的空间结构，环糊精广泛应用于化学分 离、化学分析、医药工业、食品工业等领域 3 9 - 4 2 j 。 1 2 2 修饰环糊精 修饰( 改性) 环糊精原指在保持大环基本骨架不变的情况下引入取代基，因此，修饰 后的环糊精也叫环糊精衍生物，环糊精进行改性的途径有化学法和酶工程法两种。从理 论上讲，环糊精可进行各种各样的反应，o h 、c h 、c o 和c c 键均可断裂，但人们的 兴趣在于保持大环不变的反应【4 3 1 。最常见的研究是对羟基的亲电进攻，第二反应物有卤 代烃环氧化合物、酰基衍生物、异氰酸酯、无机酸衍生物和硝酸等，主要形成环糊精的 醚或酯，这些物质非常有用，但困难在于合成反应的产物大多是多种异构体的混合物， 欲获得纯净化合物，需要较高的分离提纯技术。 羟丙基环糊精的特性为水溶性大，产品呈非晶型粉末状，安全性好，局部刺激性小。 环糊精的羟丙基化过程是非选择性的化学反应，反应结果可产生成千种几何及光学异构 体的无定形混合物。羟丙基功能团具亲水性，所以羟丙基环糊精具有水溶性和亲水性的 性质，亲水性是其最大的优点，易与生物环境相容，还因表面活性较小，不易引起在动 物体内的溶血。羟丙基p 环糊精有2 羟丙基一p 一环糊精，3 一羟丙基一1 3 一环糊精和2 ，3 一羟丙基 b 环糊精三种产品，其中以2 一羟丙基1 3 环糊精研究的最为广泛。如研究取代度为0 6 的 2 羟丙基1 3 环糊精取代基分布表明，3 4 8 是单取代羟丙基化，1 0 6 是双取代羟丙基化， 0 2 是三取代羟丙基化m j 。 1 2 3 环糊精及其衍生物的应用 环糊精分子的独特结构及其多种可行的衍生化，可以使人们根据不同的目的来设计 具有特殊结构和高度选择性的主体分子，在食品工业、环境保护、荧光分析、药物制剂、 药物控制释放、手性识别、模拟酶、分子开关、超分子构筑等方面发挥极大的作用。围 绕环糊精的研究诸如设计合成新型环糊精衍生物，环糊精对客体分子多点识别的机致。 环糊精是由葡萄糖通过伐一1 ，4 糖苷键相连形成的一类筒状化合物，其内腔疏水而外 腔亲水，可以依据范德华力、疏水相互作用、主客体分子间的匹配等与许多有机或无机 分子形成包合化物，从而成为超分子化学工作者感兴趣的研究对象。环糊精选择性结合 客体分子( 如芳香酮) 后在一定条件下洞口羟基可起亲核试剂的作用，使客体分子的某些 键活化或介入反应，从而起到催化作用，另一方面其疏水内腔与亲水外腔的相转移作用， 可加快反应速率，这些都在有机合成中有较大的应用。此外，由于环糊精有一个类似于 酶的结合部位的疏水性空腔，因而在模拟酶的研究中占有重要地位，可模拟氧化酶、脱 氢酶、水解酶等，并应用于生物转化1 4 5 。 在不对称合成方面的应用，如黄乃聚教授【4 6 】就研究过b 环糊精1 3 萘酚包合物的固 相不对称氧化偶联反应，得到了光学纯度高达3 4 的r ( + ) 1 ，1 联萘基- 2 ，2 一二酚。1 9 9 6 7 堡堕叁兰竺! ：堂垡丝苎 年郭生金【4 7 j 就对环糊精催化诱导不对称合成进行过系统的报道，文章具体从不对称还 原、不对称环氧化、不对称缩合以及不对称转氨反应等方面分类讨论。t r o t t a l1 4 8 环糊精 存在下生物催化不对称氧化还原反应，实验结果证明环糊精起着重要的作用。 在模拟酶方面的应用，将具有特定构型的基团引入到环糊精中得到修饰环糊精，可 得到具有立体选择性的模拟酶模型。如将吡哆胺键合到d 环糊精的伯羟基处，得到的修 饰环糊精可以催化伐酮酸的氨基转化反应，反应速率仅是使用吡哆胺作催化剂时的1 0 0 倍，催化过程中表现出立体选择性1 4 9 1 。为了使吡哆胺相对于环糊精的构象固定化， b r e s l o w 等【5 0 1 将吡哆胺基团通过双链连接到p 环糊精的第一面，得到转氨酶模型。研究表 明，当毗哆胺功能基处于环糊精的一侧时，优先选择键合间位取代苯基丙酮酸底物。而 当其处于环糊精空腔上方时，则优先选择键合对位取代苯基丙酮酸底物。t a b u s h 5 q 用二 碘代d 一环糊精分步与吡哆胺和乙二胺反应得到新化合物，它能使a 酮酸的转氨反应具有 很高的手性选择性，生成的l 氨基酸高达到9 5 。 在分析化学上也有着重要的应用，y i nmm 掣5 2 】人研究了环糊精衍生物烯丙基b 一 环糊精作为气相毛细管色谱柱的固定相，不仅可以分离苯的异构体，同时还可以用于一 些外消旋体的分离分析。同时，由于环糊精无毒、无味，对人体无害。是最为合适的一 种药物载体，因此在药物改性上应用较广。药物通过与环糊精形成包合物来提高药物的 溶解度和稳定性，以增强其生物利用度，缓解药物对肠胃的刺激，消除某些药物的异味。 有些药物，如4 联苯醋酸【5 3 】，单独用药时，由于其不溶于水，生物利用度小，但当它和 d 环糊精形成1 ：1 包合物后，其溶解度提高了4 2 倍，溶解速度提高了1 8 倍，生物利用度 也因之大为提高。由于生物利用度的提高，用药量将大大减少，因此一些药物带来的毒 副作用以及由此而引起的医疗危险也降低到最低限度，例如呋喃苯胺酸，长期反复用药 可出现低血氯性碱中毒，就是利用b 环糊精与其形成2 ：1 的包合物后，溶解度增大，这 样就可以使用药量减少，毒副作用降低，从而达到满意的治疗效果【5 剞。在食品行业，主 要用作食品添加剂。因其无毒、无味，不会有损食物的味道，且人体食用安全，同时又 能较长时问的保存食物不变质。如0 1 的环糊精和牛奶混合后。牛奶可在2 0 下保存6 8 天而不变质，但若不添加环糊精，同样条件下，牛奶只能保存3 天1 5 引、环境保护上的应 用是基于坏糊精能和污染物形成包合物，来减少环境污染的，并且由于包合物的形成， 使得污染物稳定，减少污染物尤其是有害污染物的分散【5 6 】等都有着广泛的应用。 目前，国内外已有很多关于环糊精的专著和综述、多于1 6 0 0 个以上的专利和数以 千计的文章描述环糊精及其包合物的结构、性质和应用【5 确0 1 。 近几年来，随着生物催化不对称合成领域的走俏，手性化合物的研究与应用也越来 越受到人们的重视，手性物质因其在实际应用( 如医药、农药、材料等) 中的重大价值而 得到了迅速的发展。同样作为具有手性特性的环糊精也是研究的热点之一，它因其特殊 的结构也被应用到生物催化中【6 l ，叫。 8 第一章绪论 1 3 酵母细胞催化不对称合成研究 1 3 1 酵母细胞在不对称合成中的应用简介 面包酵母作为一种生物催化剂用于不对称合成的研究近年来十分活跃1 6 3 1 。随着生物 制备技术的发展，有机化学家无须借助生物学者的帮助，直接将面包酵母用于各类化合 物的不对称合成，往往获得了很高的光学产率。 由于面包酵母来源丰富且价廉，同时其固定化技术的快速发展，使之能很方便地直 接用于化学反应【6 4 1 。面包酵母细胞在反应中充分显示出酶催化的优点：( 1 ) 它在p h5 7 5 的水中表现出很好的活性，因此反应条件温和，在中性、常温、常压下使反应顺利进行， 尤其适合于促进对酸碱敏感基团的反应；( 2 ) 本身结构为一手性大分子，可以和消旋化合 物的两个对映体以不同的速度进行反应，而达到动力学拆分的目的；( 3 ) 它能在某些有机 分子的非活性中心发生反应，所得的产物是难于用一般化学反应获得的。 用面包酵母作为生物催化剂还原前手性的底物羰基直接构建光学活性中心的反应 属于手性不对称合成的一种，而且在手性不对称合成中应用比较广泛。最初有g u t m a n n l 6 5 j 描述这一反应的是18 9 8 年用面包酵母还原糠醛成糠醇反应，之后经m a c l e o d 和h u b 的研究 拓宽了这一反应的应用。但在随后的几十年里，由于各种条件的限制，面包酵母在此领 域中的应用一直没有得到很大的发展，直到上世纪6 0 年代以后，尤其是上世纪8 0 年代， 面包酵母在水相中的研究和应用得到很大的