（发酵工程专业论文）双相中（r）醇腈酶促含硅（r）酮氰醇不对称合成.pdf

摘要 摘要 光学活性氰醇是一类重要的手性合成子，它很容易转化为羟基酸( 酯) 、羟 基醛( 酮) 、氨基酸、胺基醇和邻二醇等多种具有重大应用价值的手性中间体。 有机硅化合物不仅在不对称合成及功能材料中占有非常重要的地位，而且具有特 定的生物活性。作为药物，某些有机硅化合物比其碳结构类似物有更佳的药效、 更高的选择性和更小的毒性。因此，合成现有药物的硅结构类似物( 硅替换) 是 药物设计、改造的一条有效途径。近年来，人们对醇腈酶( 0 x y n i t r i l a s e ) 催化 手性醛氰醇不对称合成进行了广泛的研究，相对而言，光学活性酮氰醇的不对称 合成研究较少。 本论文首次研究了水有机溶剂两相中苹果仁和苦杏仁醇腈酶催化手性含 硅氰醇的不对称合成。相同条件下，苹果仁醇腈酶在酶反应初速度、最大转化率 和反应对映体选择性几方面均优于苦杏仁和甜杏仁醇腈酶。对于苹果仁醇腈酶， 探讨了酶的来源、苹果仁浓度、有机溶剂、水相有机相两相体积比、底物浓度、 底物摩尔比、底物结构、底物中硅原子、水相p h 和反应温度对反应的影响。最 适苹果仁浓度为3 4 8g l 。( 3 1 2 0u g - i ) ；在所研究的四种有机溶剂中，异丙 醚是最适有机贪质；水相，有机相体积比以3 0 1 0 ( v v ) 为宜；当2 一三甲基硅2 ，乙 酮浓度大于2 0m m o l l 4 时，产物光学纯度随其浓度的升高而下降，故选取2 0 m m o l l 。作为最适硅酮浓度；丙酮氰醇与硅酮摩尔比以2 ：1 为佳；最佳反应p h 为5 ，o ；最适反应温度范围处于3 5 至4 0 。c 之间。在最适反应条件下，反应初速 度、最大转化率及产物e e 值分别为9 4 3m m 0 1 l - x h 、9 9 o 、 9 9 。苹果仁醇 腈酶能高速、高转化率、高对映体选择性地催化脂肪族饱和硅酮( 2 - 三甲基硅一2 一 乙酮) 与丙酮氰醇发生不对称合成反应，而不饱和硅酮几乎不发生反应。2 三甲 基硅一2 一乙酮的碳结构类似物( 3 , 3 一二甲基一2 一丁酮) 反应较慢，且产物e e 值和转 化率均较低，这暗示底物中的硅原子对酶活性和反应的对映体选择性有促进作 用。 对苹果仁醇腈酶促手性含硅氰醇不对称合成动力学进行了初探。当苹果仁 浓度低予3 4 8g l 。1 时，其浓度与反应初速度成线性关系，这表明该反应的限 速步骤是表面反应。当丙酮氰醇大大过量时，该反应符合m i c h a e l i s m e n t e n 方程。 反应表观动力学参数分别为k 。= 1 3 2m m o l l ，v 。= 9 6m m o l l 1 h 。根 据相对反应初速度的对数对i i t 作图所得直线的斜率计算得到酶反应的活化能 为3 6 8k j m o l 一。 本论文还对苦杏仁醇腈酶促手性含硅氰醇的不对称合成进行了系统研究。 结果表明，对于此反应，最适苦杏仁颗粒大小、有机溶剂、水相有机相体积比 华南理工大学工学硕士学位论文 ( v v ) 、苦杏仁浓度、2 一三甲基硅一2 一乙酮浓度、底物配比、水相p h 、振荡速度、 反应温度范围分别为4 0 一6 0 目、异丙醚、1 5 1 0 、4 3 5g l 1 ( 2 8 2 6u g 。) 、2 0 m m o l l 、1 2 、5 0 、1 5 0r m i n 、4 5 5 0o c 。在最优条件下，反应的最大转化率 和产物c e 值均大于9 9 。苦杏仁醇腈酶能高效催化脂肪族饱和硅酮进行不对称 加成反应，并且转化率和产物e o 值均较高，而不饱和硅酮为底物时反应几乎不 发生；饱和硅酮的碳结构类似物反应较慢，且转化率和产物e e 值均较低。 同时，还对苦杏仁醇腈酶促手性含硅氰醇不对称合成反应动力学进行了初 探。当苦杏仁浓度低于4 3 5g l 。1 时，酶反应的限速步骤是表面反应。固定丙 酮氰醇浓度为6 0m m o l l ，讨论2 一三甲基硅一2 乙酮浓度对酶促反应的影响， 反应表观动力学参数分别为k 。= 2 7 1m m o l l ，v 。：= 7 1m m o l l 以h 。酶 反应的活化能为5 1 9k j t o o l 。 本研究不仅可以加深对酶学基础理论问题的认识，还拓展了酶的应用领域， 奠定了用“硅替换”设计、改造药物的基础。 关键词：不对称合成；( 尺) - 醇腈酶；氰醇；有机硅化合物；( 尺) 2 三甲基硅一2 羟 基丙腈 a b s t r a c t o p t i c a l l ya c t i v ec y a n o h y d r i n sa r ev e r yi m p o r t a n tc h i r a ls y n t b o n sw h i c h c o u l d b ee a s i l yc o n v e r t e di n t om a n y i m p o r t a n tc o m p o u n d ss u c h a sh y d r o x ya c i d s ，h y d r o x y k e t o n e s ，a m i n oa c i d s ，a m i n oa l c o h o l sa sw e l la sd i o l s o r g a n o s i l i c o nc o m p o u n d s n o t o n l yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei na s y m m e t r i cs y n t h e s i sa n df u n c t i o n a lm a t e r i a l s 。b u t a l s oa r eb i o a c t i v ea n ds o m eo ft h e mc o u l db eu s e da s d r u g s w i t hb e t t e r p h a r m a c o l o g i c a le f f i c i e n c y ，h i g h e rs e l e c t i v i t ya n dl o w e rt o x i c i t yt h a nt h e i rc a r b o n c o u n t e r p a r t s s o “s i l a - s u b s t i t u t i o n ”s e e m st ob ea u s e f u la n de f f i c i e n ts t r a t e g yi n d r u gd e s i g na n ds h o u l db er e g a r d e da sac o m p l e m e n t a r yt o o lf o rt h ed e v e l o p m e n t o f n e wd r u g s o x y n i t r i l a s e c a t a l y z e d s y n t h e s i s o fc h i r a l a l d e h y d e c y a n o h y d r i n s h a s b e e nt h eg o a lo fe x t e n s i v ea n ds u c c e s s f u ls t u d i e sd u r i n gr e c e n ty e a r s h o w e v e r ，t h e r e h a sb e e nf e w r e p o r t s a b o u t e n z y m a t i cs y n t h e s i s o f o p t i c a l l y a c t i v e k e t o n e c y a n o h y d r i a s i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，a s y m m e t r i cs y n t h e s i s o fc h i r a l s i l i c o n - c o n t a i n i n gc y a n o h y d r i n sw i t h 嘏) 一o x y n i t r i l a s ef r o ma p p l es e e dm e a la n d a l m o n dm e a li nab i p h a s i cs y s t e mo fc i t r a t eb u f f e rf o i m ) a n do r g a n i cs o l v e n tw a s s t u d i e d 。i th a sb e e np r o v e dt h a t ( ? p o x y n i t r i l a s ef r o m a p p l e s e e dm e a lc o u l dc a t a l y z e t h er e a c t i o nw i t h h i g h e r i n i t i a lr e a c t i o nr a t e ，s u b s t r a t ec o n v e r s i o na n d p r o d u c t e n a n t i o m e r i ce x c e s s ( e e ) t h a nt h a tf r o ma l m o n dm e a l i nt h ec a s eo f ( r ) 一o x y n i t r i l a s ef r o ma p p l es e e dm e a l ，t h ei n f l u e n c e so fs o m e f a c t o r ss u c ha se n z y m es o u r c e s ，a p p l es e e dm e a lc o n c e n t r a t i o n ，o r g a n i cs o l v e n t ，t h e v o l u m er a t i oo fa q u e o u s p h a s e t o o r g a n i cp h a s e ，s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n ，t h e c o n c e n t r a t i o nr a t i oo fa c e t o n e c y a n o h y d r i n t o a c e t y l t r i m e t h y l s i l a n e ，s u b s t r a t e s t r u c t u r e ，s i l i c o na t o mi nt h es u b s t r a t e ，b u f f e rp ha n dt e m p e r a t u r eo nt h er e a c t i o n w e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h eo p t i m u m a p p l es e e dm e a l c o n c e n t r a t i o ni s3 4 8 g l “r 3 1 2 0u g - 1 ) d i i s o p r o p y le t h e rw a sf o u n dt ob et h eb e s tf o rt h i sr e a c t i o n a m o n g a l lt h eo r g a n i cs o l v e n t se x p l o r e d t h eo p t i m a lv o l u m er a t i oo f a q u e o u sp h a s e t oo r g a n i cp h a s ei s3 0 1 0 ( v v ) w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f a c e t y l t r i m e t h y l s i l a n ei s a b o r e2 0m m o l l ，p r o d u c te e d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fi t sc o n c e n t r a t i o n s o t h ec o n c e n t r a t i o no f2 0m m o l l 。w a sr e g a r d e da st h eo p t i m a l t h er a t i oo f2 1 1w a s c o n s i d e r e da st h eb e s tc o n c e n t r a t i o n r a t i oo fa c e t o n e c y a n o h y d r i n t o a c e t y l t r i m e t h y l s i l a n e u n d e r t h e o p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h e i n i t i a l r e a c t i o n r a t e ， s u b s t r a t ec o n v e r s i o na n dp r o d u c te e ，w e r e9 4 3m m o l l - 1 h 一，9 9 0 a n d 9 9 0 r e s p e c t i v e l y s a t u r a t e do r g a n o s i l i c o nk e t o n e ( a c e t y l t r i m e t h y l s i 】a n e ) w a sab e t t e r s u b s t r a t ef o r ( 尺) o x y n i t r i l a s ef r o ma p p l es e e dm e a lt h a nu n s a t u r a t e do r g a n o s i l i c o n 华南理工大学工学硕士学位论文 k e t o n e s t h ei n i t i a lr e a c t i o nr a t e ，s u b s t r a t e c o n v e r s i o na n dp r o d u c te e o ft h e t r a n s c y a n a t i o no fs a t u r a t e do r g a n o s i l i c o n k e t o n ew e r ea l lm u c hh i g h e rt h a nt h o s eo f i t sc a r b o na n a l o g u e ( 3 ，3 一d i m e t h y l 一2 一b u t a n o n e ) ，s u g g e s t i n gt h a t s i l i c o na t o mw a s m o r ee f f e c t i v et h a n c a r b o na t o mt oe n h a n c et h e e n z y m ea c t i v i t y a n d e n a n t i o s e l e c t i v i t y t h ek i n e t i c so fa s y m m e t r i cs y n t h e s i so fc h i r a ls n i c o n - c o n t a i n i n gc y a n o h y d r i n c a t a l y z e db y ( 冠) 一o x y n i t f i l a s e f r o ma p p l es e e dm e a lw a sp r e l i m i n a r i l y e x p l o r e d w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f a p p l es e e dm e a l i sl o w e rt h a n3 4 8g 。l ，t h e r ei sal i n e a r c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea p p l es e e dm e a lc o n c e n t r a t i o na n dt h ei n i t i a lr e a c t i o nr a t e ， s u g g e s t i n gt h ed e t e r m i n a t i o no f t h er e a c t i o nr a t eb ye n z y m a t i cr e a c t i o na tt h ea c t i v e s i t eo ft h ee n z y m eo v e rt h er a n g ee x a m i n e d w h e na c e t o n ec y a n o h y d r i nw a si ng r e a t e x c e s s ，t h er e a c t i o nw a si na c c o r d a n c ew i t hm i c h a e l i s m e n t e ne q u a t i o na si n d i c a t e d b yt h el i n e a rp l o to fl v ov s 1 c t h ea p p a r e n tp a r a m e t e r sk m a n dv m a xw e r et 3 2 m m o l l a n d9 6m m o l l 。h ，r e s p e c t i v e l y t h ea c t i v a t i o ne n e r g y ( e a ) f o rt h i s r e a c t i o nw a sf o u n dt ob e3 6 8k j m o l - 1 t h ea s y m m e t r i cs y n t h e s i so fo p t i c a l l ya c t i v es i l i c o n c o n t a i n i n gc y a n o h y d r i n s c a t a l y z e db y ( r ) - o x y n i t r i l a s ef r o m b i t t e ra l m o n dm e a li nab i p h a s i cs y s t e mw a sa l s o i n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m e t h ee f f e c t so fs e v e r a lf a c t o r so nt h er e a c t i o nw e r e s y s t e m a t i c a l l ye x p l o r e d d i i s o p r o p y le t h e r i st h em o s ts u i t a b l ef o rt h er e a c t i o n a m o n gt h eo r g a n i cs o l v e n t ss t u d i e d t h eo p t i m u mb i t t e ra l m o n dm e a lp a r t i c l es i z e ， b i t t e ra l m o n dm e a lc o n c e n t r a t i o n ，v o l u m er a t i oo fa q u e o u sp h a s et oo r g a n i cp h a s e ， c o n c e n t r a t i o no fa c e t y l t r i m e t h y l s i l a n e ，c o n c e n t r a t i o nr a t i oo fa c e t y l t r i m e t h y l s i l a n e t oa c e t o n ec y a n o h y d r i n ，b u f f e r p h ，s h a k es p e e da n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r er a n g ew e r e f o u n dt ob e4 0 6 0m e s h ，4 3 5g l 。1 ( 2 8 2 6u g 一1 ) ，1 5 1 0 ，2 0m m 0 1 l ，1 2 ，5 0 ，1 5 0 r m i n ，a n d4 5 - 5 0o c 。r e s p e c t i v e l y ，u n d e rw h i c h ，b o t hs u b s t r a t ec o n v e r s i o na n d p r o d u c t e 。e w e r e h i g h e r t h a n9 9 t h es y n t h e s i so fs a t u r a t e d a l i p h a t i c s i l i c o n c o n t a i n i n gk e t o n e c y a n o h y d r i n ( ( r ) - 2 - t r i m e t h y l s i l y l - 2 一h y d r o x y l e t h y l c y a n i d e ) c a t a l y z e db y ( r ) 一o x y n i t r i l a s ef r o mb i t t e ra l m o n dm e a lw a sp e r f o r m e d s u c c e s s f u l l y b u tw ef a i l e d i nt h e p r e p a r a t i o no fu n s a t u r a t e ds i l i c o n c o n t a i n i n g k e t o n e - c y a n o h y d r i n s w h e n3 , 3 一d i m e t h y l 一2 一b u t a n o n ew a s u s e da st h es u b s t r a t e ，t h e r e a c t i o nw a sg o i n go nw i t hl o w e rr e a c t i o nr a t e ，c o n v e r s i o na n dp r o d u c te e t h a n w h e ni t ss i l i c o nc o u n t e r p a r t ( a c e t y l t r i m e t h y l s i l a n e ) w a su s e da st h es u b s t r a t e f u r t h e r m o r e ，t h ek i n e t i c so fa s y m m e t r i cs y n t h e s i so fc h i r a ls i l i c o n c o n t a i n i n g c y a n o h y d r i nc a t a l y z e db y 氓) - o x y n i t r i l a s e f r o mb i t t e ra l m o n dm e a lw a s p r e l i m i n a r i l ye x a m i n e d w h e nt h eb i t t e ra l m o n dm e a lc o n c e n t r a t i o ni sl o w e rt h a n i v a b s l 姒c 1 1 4 3 5 g l t h el i m i t i n gs t e p f o rt h i sc o n v e r s i o ni ss u r f a c er e a c t i o n w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fa c e t o n ec y a n o h y d r i nw a sk e p ta t6 0m m o l 。l ，t h ei n f l u e n c eo f a c e t y l t r i m e t h y l s i l a n ec o n c e n t r a t i o n o nt h e e n z y m a t i c r e a c t i o nw a ss t u d i e d t h e a p p a r e n t k i n e t i cp a r a m e t e r sw e r ek m = 2 7 1m m o l l ，v m a x = 7 1m m o l l 1 h t h e a c t i v a t i o ne n e r g y ( e a ) f o rt h ee n z y m a t i cr e a c t i o ni s51 9k j m o l t h i ss t u d yc o u l dn o to n l yi m p r o v eo u rk n o w l e a g eo ff u n d a m e n t a le n z y m o l o g y b u tf o r m st h ef o u n d a t i o n sf o rw i d e ra p p l i c a t i o no fe n z y m e sa n dd r u gd e s i g na n d r e m o u l d i n gw i t hs i l a s u b s t i t u t i o n k e y w o r d s ：a s y m m e t r i cs y n t h e s i s ；( 足) 一o x y n i t r i l a s e ；c y a n o h y d r i n ；o r g a n o s i l i c o n c o m p o u n d ；( 尺) 一2 一t r i m e t h y l s i l y l 一2 一h y d r o x y l e t h y l c y a n i d e v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 h 、 作者签名：压日期：删年石月 “日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以烙本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密咣 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 尹j = 作者签名：佬只 多j 导师签名 日期跏3 年月f ( 日 日期b 咖p 婷厶月( 1 7 日 第一章绪论 1 。1 手性化合物 1 1 1 手性化合物的兴起与发展 手一( c h i r a l i t y ) 是指一个模型与其镜像非等同，如同正常人的左右手，互为 镜像，光学活性是手性化合物的宏观物理现象。由于习惯，至今许多人称手性化 合物为光学活性化合物，也称为对映纯化合物。 1 8 0 1 年，法国矿物学家h a u y 就注意到水晶晶体显示半面现象；1 8 0 9 年， 法国物理学家m a l u s 观察到水晶晶体引起的偏振光现象；接着在1 8 1 5 年，法国 物理学家b l o t 发现一些天然有机物的溶液可以使偏振光旋转，势且发现这是溶 于其中的有机物的固有特性。1 8 4 6 年，p a s t e u r 观察到右旋的酒石酸晶体有相同 取向的半面结构：1 8 4 8 年，p a s t e u r 从外消旋混合物中分离了( + ) 一( 一) 一酒石酸的 钠铵盐晶体；1 8 7 4 年，v a n t h o f f 和l e b e l 分别独立地提出立体构型的理论，对 于前人的有关旋光性的问题给予了完整的解释，这便是我们熟悉的四面体结构 【2 】。5 0 年代，t i n o c o 等开展了手性结构与微波相互作用的研究；7 0 年代末，p r e l o g 开展了手性高分子材料的研究；8 0 年代初以来，手性材料对微波的吸收与反射 特性开始受到科技界的高度重视，并开始了相关的应用研究，如隐身材料，微波 透明天线罩等；进入9 0 年代后，科学家们将手性与生命起源相关联。总之，手 性化合物及其特性的研究已成为当代科技前沿课题【3 】。 手性药物( c h i r a ld r u g ) 是指有药理活性作用并含有不对称碳原子的化合物。 生物体内许多内源性化合物包括可与药物发生药动学和药效学相互作用的天然 大分子都具有手性，手性药物的不同对映体作用于生物体时，它们所起到的作用 是不同的，在活性、代谢过程及毒性等方面往往存在显著差异【4 j 】，例如( s ) 普萘 洛尔( p r o p r a n o l 0 1 ) 在化疗中用作伊受体阻断药，它比其( r ) 一异构体的活性高9 8 倍 】。仅( s ，s ) 一地尔硫卓( d i l t i a z e m ) 对治疗心肌梗塞有效 7 1 。美沙酮( m e t h a d o n e ) 是一 种镇静剂，其中( r ) 对映体是其镇静效果的主要成分。具有镇痛活性的( r ) 美沙 酮半衰期较( s ) 一对映体要长得多( 分别为t l 2 = 3 8 5 和2 8 5h ) 】。( s ) 华法令 ( w a r f a r i n ) 的抗凝血效果是( 尺) ，对映体的3 5 倍【9 l 。 二十世纪8 0 年代初。对映体的不同药理作用并未引起学术界的重视。1 9 8 4 年，荷兰药理学家a r i e n s 根据众多对映体具有不同的药效、药动学性质和毒性， 称手性药物中低效异构体为“异构体压舱物”( i s o m e r i cb a l l a s t ) ，抨击药物以外 消旋体形式进行药理研究以及上市，极力提倡手性药物以单一异构体上市。他的 一系列论述的发表，引起制药工业界、研究部门以及管理部门广泛的重视。 发达国家的药物审批部门，如美国的f d a 认为手性药物以单一对映体的形 式能更好地控制病情，简化剂量一效应的关系。虽然仍不排除以外消旋体申请的 华南理工大学工学硕士学位论文 药物，然而首先要分离对映体，分别进行药理和毒理的试验。否则外消旋体有可 能作为含有5 0 的杂质而难以获得批准。对于已经上市的外消旋体药物，可以 单一对映体形式作为新药提出申请，并能得到专利保护。鉴于药审部门的压力和 手性药物的发展趋势，药厂为避免以外消旋体形式申请新药遇到的审批麻烦，尽 可能研制单一对映体新药。 同时，迅猛增长的市场需求刺激了手性药物的研究与开发。手性化学经过多 年的实验研究与工业实践，现已成为制药和精细化工产业的重要组成部分。众多 制药公司已开始采用成熟的手性技术大规模生产手性药物，以满足不断增长的市 场需求。 表1 - 1 世界手性药物制剂市场销售情况 t a b l e1 - 1w o r l dm a r k e to fc h i r a ld r u g s 据美国t e c h n o l o g yc a t a l y s t s 公司统计，世界手性药物制剂市场销售情况如 表l 一1 所示【l 仉”l 。1 9 9 9 年单一对映体药物销售额达到1 1 5 0 亿美元，占世界药品 市场3 6 0 0 亿美元的3 2 。2 0 0 0 年为1 2 3 3 亿美元，达药物总销售额的1 3 。专家 预计，到2 0 0 3 年将达到1 4 6 0 亿美元，以8 的速度增长。在世界最畅销的前3 0 0 种药物中，单一对映体药物将达到5 0 。到2 0 0 5 年，全球上市的化学合成新药 中，约有6 0 为单一对映体药物 1 1 1 。 同样，在农药方面，有些化合物一种对映体是高效杀虫剂、杀螨剂、杀菌 剂和除草剂，而另一种却是低效的，甚至无效或效果相反。例如，芳氧基丙酸类 除草剂f l u a z i f o p b u t y l ，只有( r ) 对映体是有效的；杀虫剂a s a n a 的4 个对映体 中，只有一个是强力杀虫剂，另三个则对植物有毒；杀菌剂p a c l o b u t r a z o l o ，( r r ) 一 型有高杀菌作用，低植物生长控制作用，而( 最s ) 构型有低杀菌作用，高植物生 长控制作用1 1 2 1 。 目前，商品化的6 5 0 种农药中，1 7 0 余种属于手性农药。其中，年销售额超 过1 亿美元的有3 0 余种，超过2 5 0 0 万美元的有6 0 余种；高活性对映体成分的手 性农药年销售额超过1 0 0 亿美元，对映体纯手性农药年销售额接近3 0 亿，手性 农药占全球市场的3 5 。与手性药物相比，虽然手性农药对光学纯度没有过高 的要求，但手性农药工业化规模要大得多，都是在百吨级，甚至千吨级以上。因 此，手性农药的商品化特别需要低成本，并适宜于大规模工业生产的手性技术 【1 3 。 2 第一苹绪论 除医药工业之外，在材料方面，手性化合物也有重要的用途。例如一种称 为铁电液晶( f e r r o e l e c t r i c l i q u i dc r y s t a l s ，如图1 - 1 ) 的新型液晶材料，它是在通常 的液晶分子上再加上一个手性中心的部分，由于不对称因素的存在，使得分子在 处于液晶状态时会更为有效地按某种方式有序地排列。在外加电场的作用下，这 种排列会迅速发生改变，形成另外一种状态。这两种状态对应不同的光学性质， 因而可以作为快速光开关。几年前铁电液晶曾被认为极有可能取代正在使用的其 他显示模式的液晶材料。虽然由于技术上的原因，铁电液晶目前尚未得到广泛的 应用，但其广泛应用的可能性仍然存在f l ”。 c 。h 排- a _ 一 图1 - 1 铁电液晶的结构式 f i g 1 - 1s t r u c t u r a lf o r m u l a o ff e r r o e l e c t r i cl i q u i dc r y s t a l s c + 为手性中心；a ，b 为极性基团；x ，y 为不同取代基 由此可见手性化合物具有十分重要的应用价值。然而，手性化合物的合成难 度很大，从学术上来说极具挑战性。在过去的近2 0 年中，有机合成化学家们在 这一领域展开了大量的研究工作，新的不对称合成反应和合成路线不断涌现，其 中一些反应已在工业上得到应用。 1 1 2 手性化合物的制备 由于手性化合物的不同对映体通常具有不同的生物活性，因此制备对映体 纯的手性化合物在生命科学、药物化学、精细化学、材料科学等领域均具有重要 意义。获得光学活性化合物的方法包括：从天然存在的光学活性化合物( 手性源， c h i r a l p 0 0 1 ) 中获得或者经化学改造合成；外消旋体的化学拆分；外消旋体的生 物拆分：色谱分离法及不对称合成法。 不对称合成是这几种方法中最有效、最具有工业应用价值的。所谓不对称 合成，也称为手性合成，是指在手性环境中把非手性原料转化为手性产物的方法。 1 9 8 4 年，美国第1 5 0 届科学振兴协会前沿讨论会上，将不对称催化列为四大课 题之一，由此可见其重要性。2 0 世纪9 0 年代被人们称为“手性的时代”，其中 不对称催化更是受到人们的青睐。 第一个不对称催化反应是1 9 6 6 年日本n o y o r i 研究小组发现的。他们利用 3 华南理工大学工学硕士学位论文 手性s c h i f f 碱与c u ( i i ) 形成的络合物作为催化剂进行环丙烷化反应，实现约1 0 的产物e e 值。同年，w i l k i n s o n 等研制出第一个高效均相加氢催化剂r h ( p p h 3 ) c i ， 于是人们尝试用手性膦配体取代r h ( p p h 3 ) c i 中的三苯基膦进行前手性烯烃的不 对称氢化。1 9 6 8 年，k n o w l e s 等和h o m e r 等率先报道了含手性磷原子的甲基苯 基丙基磷催化的不对称合成反应。从此以后，不对称催化就逐渐发展起来，并成 为了一热门领域。特剐值得一提的是，2 0 0 1 年诺贝尔化学奖就授予了三位在不 对称催化反应工作中作出杰出贡献的化学家一一美国密苏里州圣路易斯市 m o n s a n t o 公司的w i l l i a m sk n o w l e s ( 1 9 1 7 ) 、美国加利福尼亚州圣迭戈市l a j o l l a s c r i p p s 研究所的k b b a r r ys h a r p l e s s ( 1 9 4 1 ) 和日本名古屋大学( n a g o y a u n i v e r s t i t y ) 的r y o j i n o y o r i ( 1 9 3 8 一) 。他们所发展的方法均已被成功地用于药物的 工业化生产中。 不对称合成可通过化学合成和生物合成来实现。化学不对称合成就是在化 学手性催化剂作用下，利用化学反应的动力学和熟力学不对称性进行对映体的合 成，近年来发展迅速。虽然其工艺简单，但适用范围有限，反应需使用手性试剂， 手性催化剂，或手性溶剂，成本高，并且催化剂含有重金属，在医药上应用受一 定限制。然而利用酶或生物细胞不对称合成手性药物或手性药物中间体的生物合 成法具有高效性、高选择性、反应条件温和、环境污染小等优点，符合原子经济 和绿色化学的发展方向，有着化学方法无可比拟的优越性。 但酶法催化还有众多问题需解决，如以氧化还原酶为催化剂不对称合成手 性药物尚需解决辅酶再生、酶的价格高和稳定性差等众多问题。而酶的固定化、 非水相酶细胞催化、蛋白质工程、模拟酶和分子定向进化等正是解决这些问题 的有效途径。在生物催化不对称合成手性药物中，利用生物细胞作催化剂，不 但可以引入手性，而且能完成多步合成。由于完整生物细胞具有辅酶再生的能 力，因此可降低不对称合成手性药物的成本d 6 。现代生物工程技术使新酶种的 开发更为简便。近年出现的抗体酶【1 ( 催化抗体) 和模拟天然酶活性中心的人工 酶 1 8 , 1 9 将来也有可能进入手性药物不对称合成这一挑战性的领域。可以预见， 生物不对称合成和化学不对称合成的巧妙结合，必将对手性药物的合成和应用 产生积极的推动作用。 1 1 。3 手性化合物的开发前景 近十几年来，手性技术特别是不对称合成技术的进展，使大规模生产高对 映体纯的手性化合物及将这些产品投放市场成为可能。不对称催化技术，其发展 的关键在于各种新型手性催化剂的发现和应用。许多手性化合物可通过不对称催 化合成。酶促不对称合成不仅可以在水溶液中进行，而且在很多极性或非极性有 机溶液中也能实现，这就大大扩展了酶在不对称合成中的用途。由于手性技术的 4 第一章绪论 不断发展以及药品审评机构对外消旋体药物所加的种种限制，许多制药企业的决 策者在正式和非正式场合都公开表示：以后将不再开发外消旋体药物，而是分离 单个对映体，测定各对映体药理活性，然后开发活性强、专一性高的对映体纯药 物。自1 9 9 2 年后，已有许多外消旋药物如布洛芬( i b u p r o f e n ) 、苯哌丁醇 ( t e r f e n a d i n e ) 以单一对映体形式重新注册并申请了专利。因此可预言，手性技术 必将和微电子、信息技术、生物技术等高新技术一样受到高度重视。 1 2 非水相中的酶催化 1 2 。1 简介 1 2 1 1 非水相酶催化的优点 早在1 9 1 3 年，b o u s q u e l t 等就发现酶在有机溶剂中具有一定的催化活性，但 当时并未受到应有的重视，但自1 9 8 4 年k l i b a n o v 等【2 0 1 在s c i e n c e 上报道脂肪酶 在有机介质中具有催化活性以来，非水相酶学得到长足的发展。当前，非水相酶 学已成为生物化学、有机化学、无机化学、高分子化学、物理化学、生物工程等 多种学科交叉的一个热门领域。 在水相中，酶反应受到多方面的限制，如底物溶解度低，产物浓度不能过高， 水相中酶的特异性难以调节等。相比之下，非水相酶催化有许多优点 2 1 1 ：极大 地增加非极性底物的溶解度、能进行在水相中不能进行的合成反应、可以简单地 通过改变反应介质而不是酶本身来提高其选择性、简化产物分离纯化工艺等。 1 2 1 2 溶剂系统 作为酶反应介质的有机溶剂是影响非水相酶催化的一个重要因素。溶剂体系 可归纳为以下几类【2 2 】：( 1 ) 水，水溶性有机溶剂均相体系；( 2 ) 水，水不溶性有机 溶剂双相体系；( 3 ) 微水相；( 4 ) 超临界流体；( 5 ) 逆相胶团：( 6 ) 无溶剂系统 ( s o l v e n t f