（有机化学专业论文）绿色化学中的物理有机问题——酵母菌催化反应机理和咪唑类离子液体酸度的研究.pdf

摘要 绿色化学作为- - f - 新兴的交叉学科，已经成为当今国际化学科学研究的前 沿。其中，酶催化剂的使用和无公害新型溶剂的应用是绿色化学研究领域两个 重要方面，它们所具有的无可比拟的独特属性必将使之成为绿色化学未来主要 的发展方向。 酵母菌作为生物催化剂催化还原不饱和化合物的生物转化过程是高选择性 合成手性化合物的一种既便捷又“绿色 的方法，在工业化生产具有光学活性 的化合物方面蕴藏着巨大的潜力。烟酰胺辅酶n a d ( p ) h 是生命体内最重要的氧 化还原辅酶之一，在酵母菌不对称催化还原底物过程中扮演转移负氢离子的重 要角色。然而对n a d ( p ) h 负氢转移机理以及循环再生机理研究的匮乏阻碍其大 规模的工业应用，也延缓了人们对生物功能分子作用规律的清晰认识，导致生 物功能分子的应用价值大大降低。 本文利用“接近天然丰度的定量同位素追踪方法”对n a d ( p ) h 辅酶立体选 择性还原底物的机理以及辅酶再生的机理进行了深入研究。结果表明：在酵母 菌还原o 【，p 不饱和酮的碳碳双键的过程中，起作用的活性辅酶是n a d p h 。辅酶 转移的负氢离子进攻不饱和酮羰基的p 位碳原子，而溶剂水中的氢则转移到a 位碳原子上。当酵母菌用量很大时，酶优先使用存在于酵母菌细胞内的特定物 质，而不是外加的碳水化合物作为电子供体。但是在现阶段，这些细胞储存的 电子供体还未能被鉴定。在这种情况下，辅酶n a d p h 转移的氢主要来自于介质 水。当酵母菌用量很少时，外加的碳水化合物被酶更有效地作为电子供体来使 用。此时，辅酶n a d p h 转移的氢则主要来源于外加葡萄糖中1 位，尤其是3 位碳原子上的氢原子，这是因为辅酶是通过己糖单磷酸酯的氧化分支途径而实 现再生的。这些问题的解决不但是对酶催化还原反应机理的很好补充，也为酶 催化反应工业化生产奠定了良好的理论基础。 近年来，咪唑类离子液体由于具有不同于普通挥发性有机溶剂的特殊物理 化学性质，而被认为是一类新型的绿色溶剂，并作为各种条件下均稳定的“惰 性溶剂 而应用于合成、分离、催化等多个领域的研究工作中。然而越来越多 的最新研究成果揭示了离子液体“非惰性 的一面，也唤起人们对其在苛刻条 件下的稳定性进行更深入研究的强烈欲望。此外，在离子液体中研究有机反应 更显著的意义在于大部分有机反应在离子液体这样的无水、纯离子环境中，表 现出有别于传统分子溶剂的反应历程和结果。 本文利用指示剂重叠法测量了2 2 种l ，3 二烷基咪唑类离子液体的平衡酸度， 确定了其中2 0 种准确的p 墨值。结果表明，眯唑阳离子部分咪唑环上取代基的 变化对平衡酸度的影响十分显著，所测量的咪唑类离子液体的酸度范围在 1 9 1 5 2 3 4 之间。与此相反，阴离子部分对咪唑离子液体酸度的影响十分微弱。 这些p k a 值的变化可以通过取代基的电子效应以及溶剂化过程中的空间位阻效 应来合理解释。这些工作为定量地研究咪唑类离子液体在碱性条件下的稳定性 以及它们的共轭碱一氮杂环卡宾的稳定性都提供了依据。同时对在1 正丁基3 - 甲基咪唑双三氟甲基磺酰胺室温离子液体中建立有机化合物的酸度范围进行了 初步探索，确立了测定体系的溶剂和有效碱，并以苯硫酚和对溴苯硫酚为待测 酸进行了酸度测量，得到它们在离子液体中的p k , 值分别为9 7 14 - o 2 1 和9 0 8 4 - 0 3 8 ，并根据测量现象和结果对在离子液体中建立稳定的酸碱平衡的可能性进行 了讨论。 关键词：负氢转移机理烟酰胺辅酶平衡酸度咪唑类离子液体 取代基效应氮杂环卡宾 i i a b s t r a c t a sac r o s s d i s c i p l i n e ，g r e e nc h e m i s t r yi st h em o s ta c t i v er e s e a r c hf r o n t i e ro f m o d e mc h e m i s t r y t w oi m p o r t a n ta s p e c t so fg r e e nc h e m i s t r y , u t i l i z a t i o no fe n z y m a t i c c a t a l y s t sa n de n v i r o n m e n t a lb e n i g ns o l v e n t s ，a r et h em a j o rd e v e l o p m e n td i r e c t i o n si n t h ef u t u r e a s y m m e t r i cr e d u c t i o no fu n s a t u r a t e dc o m p o u n d sm e d i a t e db yb a k e r sy e a s ti sa m o r ef a c i l ea n dg r e e n e rp r o c e s sf o ro r g a n i cs y n t h e s i so fe h i r a lc o m p o u n d sa n dh o l d s g r e a tp o t e n t i a lf o rt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fe n a n t i o p u r ec o m p o u n d s i nt h e a s y m m e t r i cr e d u c t i o nw i t hb a k e r sy e a s t , t h ee o f a c t o rn a d ( p ) hp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei na c t i n ga sap o r t e rt oc a p t u r eah y d r i d ef r o mar e d u c t a n ta n dd e l i v e ri tl a t e rt oa s u b s t r a t e i no r d e rt ob e t t e ra p p l yt h i sm e t h o d o l o g yt oab r o a d e rs c o p eo fr e a c t i o n s a n dt ob e t t e rm a n i p u l a t et h ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，i ti sd e s i r a b l et os t u d yt h eh y d r o g e n t r a n s f e rm e c h a n i s m sb e t w e e nt h er e d u c t a n ta n dt h ec o f a c t o ra sw e l la sb e t w e e nt h e c o f a c t o ra n dt h es u b s t r a t e t h eh y d r o g e nt r a n s f e rm e c h a n i s mo fc o f a c t o rr e d u c t i o na n dr e c y c l i n gp r o c e s s e si n t h ey e a s tr e d u c t i o no fa , b u n s a t u r a t e dk e t o n ew a ss t u d i e db yu s i n gq u a n t i t a t i v e i s o t o p et r a c i n gc l o s et on a t u r a la b u n d a n c em e a s u r e db y2 hn m r i n t h er e a c t i o n , t h e a c t i v ec o f a c t o ri sn a d p h t h ec o f a c t o rt r a n s f e r r e dh y d r i d ea t t a c k st h eps p 2c a r b o n o ft h ee n o n ec a r b o n y lw h i l ew a t e rh y d r o g e ni st r a n s f e r r e dt ot h eap o s i t i o n t h e r e d u c t a n ti n v o l v e di nt h er e a c t i o nd e p e n d so nt h eq u a n t i t yo fy e a s t w h e nt h ea m o u n t o fy e a s ti sv e r yl a r g e ，t h ee n z y m e sl l s ep r e f e r e n t i a l l yc e r t a i nu n i d e n t i f i e ds u b s t a n c e s t o r e di nt h ey e a s tc e l l sr a t h e rt h a nt h ea d d e dg l u c o s ea se l e c t r o nd o n o r i nt h i sc a s e ， i i i t h eh y d r o g e nt r a n s f e r r e db yt h ec o f a c t o ri sm a i n l yo fw a t e ro r i g i n w h e nt h ey e a s t a m o u n ti sl o w , t h ea d d e dg l u c o s ei sm o r ee f f i c i e m l yu s e db yt h ee n z y m e sa se l e c t r o n d o n o ra n di t sh y d r o g e na t o m sb o u n dt oc ia n d c - 3a r ed e l i v e r e dt ot h es u b s t m t e r e s e a r c hi n t e r e s t s i n v o l v i n gi m i d a z o l i u m - t y p e i o n i c l i q u i d s h a v e e x p a n d e d c o n s i d e r a b l yo v e rt h ep a s tf e wy e a r sd u et ot h e i ru n i q u ep h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e sa n dm o s ti m p o r t a n t l y , t h e i rg r e e nc r e d e n t i a la sn o n v o l a t i l er e a c t i o nm e d i a a st h en o r m a l “i n e r ts o l v e n t s ”u n d e rm a n yk i n d so fc o n d i t i o n s ，i m i d a z o l i u m - t y p e i o n i cl i q u i d sh a v eb e e na p p l i e di nm a n yr e s e a r c hf i e l d ss u c ha ss y n t h e s i s ，s e p a r a t i o n a n dc a t a l y s i s h o w e v e r , r e c e n ti n v e s t i g a t i o n ss t a r t e dt od i s c l o s ei n c r e a s i n ge x a m p l e s o ft h e i r n o n i n n o c e n t n a t u r ea n dt h e r e f o r es u g g e s tas t r o n gd e m a n df o rm o l e f u n d a m e n t a ls t u d i e so nt h es t a b i l i t yo ft h i st y p eo fn e wr e a c t i o nm e d i au n d e rh a r s h c o n d i t i o n s f u r t h e r m o r e ，i o n i cl i q u i d sw h i c ha r ec o m p o s e db ye n t i r e l yi o n sw i l l c h a n g et h er e s u l t sa n dm e c h a n i s mo fr e a c t i o n sb yt h e i ru n i q u es o l u t i o ne n v i r o n m e n t s e q u i l i b r i u ma c i d i t i e so f2 01 ，3 一d i a l k y l i m i d a z o l i u m t y p ci o n i cl i q u i d si nd m s o s o l u t i o nh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yd e t e r m i n e db yo v e r l a p p i n gi n d i c a t o rm e t h o da t2 5 c i nd i m e t h y l s u l f o x i d e ( d m s o ) s o l u t i o nt h a tp r o v i d eas c a l e dm e a s u r ef o rb o mt h e s t a b i l i t yo ft h ei m i d a z o l i u m - t y p ei o n i cl i q u i d su n d e rb a s i cc o n d i t i o n sa n dt h es t a b i l i t y o ft h e i rc o n j u g a t eb a s e sn - h e t e r o e y c l i cc a r b e n e s s u b s t i t u e n te f f e c to na c i d i t yw a s e x a m i n e d ，a n di t d e m o n s t r a t e dt h a tt h e r i n gs u b s t i t u t i o nh a sq u i t es i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo na c i d b a s ee q u i l i b r i a 、析map k as p a no f19 15 - 2 3 4 i nc o n t r a s t , t h e i n f l u e n c eo fs i m p l ec o u n t e r i o n so na c i d i t yw a ss h o w nt ob em i n i m a l t h eo b s e r v e d v a r i a t i o n so f 蜗w i t ht h er i n gs u b s t i t u t i o na r eu n d e r s t a n d a b l ei nt e r m so ft h e e l e c t r o n i ce f f e c t sa n ds t e r i ci n h i b i t i o no fs o l v a t i o ne f f e c to ft h es u b s t i t u e n t s m e a n w h i l e ，t h ep o s s i b i l i t yo fb u i l d i n gu pa c i d i t ys c a l eo fo r g a n i cc o m p o u n d si n i v 1 - n - b u t y l - 3 - m e t h y l i m i d a z o l i u mb i s ( 1 r i f l u o r o m e t h y l s u l f o n y l ) i m i d ei o n i cl i q u i d s w a s p r i m a r i l ys t u d i e d t h ep 墨v a l u e so ft h i o p h e n o la n dp - b r o m o - t h i o p h e n o lw a s f l x e do n 9 7 1 士0 2 1a n d9 0 84 - 0 3 8b yo v e r l a p p i n gi n d i c a t o rm e t h o da t2 5 0r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：h y d n & t r a n s f e rm e c h a n i s m , n a d ( p ) hc o f a c t o r , e q u i l i b r i u ma c i d i t y , i m i d a z o l i u m - t y p e i o n i cl i q u i d ，s u b s t i t u e n te f f e c t ，n - h e t e r o c y c l i c c a r b e n e v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：初哺、 2 7 年g - 月2 8 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名：、 春刀啪、 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 客刃吲罾、 ， 2 酗7 年 s 月2 易日 第一章前言 第一章前言 1 9 6 2 年，美国女生物学家c a r s o n 出版了一本题为( s i l e ms p r i n g ) ) ( 寂静的 春天) 【1 1 的专著。她告诫人们，d d t 等农药的使用，杀死了虫子，也杀死了鸟 几，严重的破坏了生态环境，使万物复苏的春天居然听不到鸟鸣，成为“寂静 的春天。1 9 9 6 年和1 9 9 7 年在美国和英国相继出版了两本专著：0 u rs t o l e n f u t u r e ) ) ( 被掠夺的未来) t 2 和mf e m i n i z a t i o no fn a t u r e ) ) ( 自然界的雌性 化) 【3 】，书中以大量的事实和翔实的数据揭示了环境问题的严重性和环境保护 的迫切性。 事实上，人类的生存和发展就是利用和消耗自然资源的过程，而这个过程 的科学基础就是化学。环境的恶化，其中主要的一个问题是有毒有害的化学物 质通过工业排放、农药、生活垃圾等进入环境，这些物质通过食物链直接或间 接的危害人类健康。有毒有害的化学物质摄入人体内，就会扰乱正常的激素分 泌，造成严重的失调，导致各种疾病，甚至死亡。 作为对策，1 9 9 2 年联合国环境与发展大会发表了里约热内卢环境与发展 宣言( 又称地球宪章) 【4 】和 2 1 世纪议程1 5 ，提出了可持续发展战略。为 了从化学和化工的源头制止污染，绿色化学应运而生，也为人类最终从化学的 角度解决环境和能源的问题带来了新的希望。 绿色化学( g r e e nc h e m i s t r y ) 又称环境无害化学( e n v i r o n m e n t a l l yb e n i g n c h e m i s t r y ) 、环境友好化学( e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc h e m i s t r y ) 、清洁化学( c l e a n c h e m i s t r y ) ，是指利用一系列原理来降低或消除在化工产品的设计、生产及应用 中有害物质的使用和产生【6 】。 1 9 9 1 年，美国著名有机化学家、s t a n f o r d 大学的t r o s t 教授首次提出了“原 第一章前言 子经济性 ( a t o me c o n o m y ) 的概念忉。他认为，高效的有机合成反应应当最大 限度的利用原料分子中的每一个原子，使之完全结合到目的产物的分子之中。 反应不仅要有高度的选择性，而且必须具备较好的原子经济性。原子经济性可 以用原子利用率( a t o mu t i l i z a t i o n , a u ) 来衡量。其定义式为： 原子利骨率ca u ) = 意黼灿。 反胆叨网j 鼠于量乙和 原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。 为了达到无害环境的绿色化学目标，1 9 9 8 年a n a s t a s 和w a r n e r 总结提出了 著名的十二条绿色化学原则( t w e l v ep r i n c i p l e so fg r e e nc h e m i s t r y ) 6 1 ，作为开 发环境无害产品与工艺的指导。这十二条原则不但反映了近年来绿色化学领域 中所开展的多方面的研究工作内容，而且也指明了绿色化学的未来发展方向。 针对工艺技术放大、中试、应用和实施的潜在能力，w m t e r t o n 提出了绿色化 学十二条附加原则嘲，它不但是对a n a s t a s 和w a m e r 提出的绿色化学十二条 原则的补充，也是更好的评价化学过程中废物减少情况及其绿色程度的度量。 总之，绿色化学就其“绿色化 内容而言，涵盖了原料绿色化、反应绿色化、 产品绿色化、催化剂绿色化、溶剂绿色化这五个环境友好方面的要求。 作为- 1 7 新兴交叉学科，绿色化学已成为当今国际化学科学研究的前沿。 当前，绿色化学的研究热点可以概括为以下三个方面。第一，研究和开发环境 友好的合成反应。这主要涉及到催化剂的使用、反应途径的优化以及原料的选 择等。第二，开发和应用环境友好的反应介质。传统的有机反应一般均用有机 溶剂作介质，大量挥发性有机物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 的处理是 对环境的主要污染之一。因此，利用与环境友好的物质作为反应介质，如水、 离子液体、超临界二氧化碳等对环境污染的防治具有重大意义。第三，绿色的 有机合成方法学，涉及对传统合成工艺中所用的反应原料和试剂的设计及优化 2 第一章前言 反应，减少有毒有害的副产物，提高反应选择性等方面。其中，酶催化和生物 降解、无公害的新型溶剂以及清洁的能源等必将成为绿色化学未来的发展方向。 第一节酶催化还原反应 从对健康的危害和环境的影响达到最小化这一点看，水是唯一的也是最好 的溶剂。作为地球上自然丰度最高的“溶剂 ，水不可燃，无毒，高热容，适合 于放热反应；水做溶剂时所提供的氢键，可以促进反应物的活性网；水是极性的， 能够溶解许多无机盐和极性有机物，许多无机反应和有机反应可在水中进行【l o 】。 然而，水却是有机化学很少使用的溶剂，绝大多数有机化合物在水中较差的溶 解性和不稳定性阻碍了水相体系的应用。 水相有机合成的一个重要进展是同生物催化相结合，创造出具有更温和的 反应条件、更高化学选择性和立体选择性、更友好的环境兼容性的水相中的酶 催化反应。 1 1 1 氧化还原酶及辅酶 自然界提供了大量的可供不同需要的酶。随着分子生物学、计算机技术的 发展，特别是d n a 重组技术的应用，越来越多的新酶被发现和表达，并用于现 代有机合成中。几乎所有类型的有机反应都有对应的酶催化的反应。在酶参与 的诸多反应中，具有立体选择性的还原反应，是一类重要的有机反应。虽然化 学催化方法，如手性硼烷【l l 】和金属催化氢化方法啕已经取得了巨大成功，但是 酶或生物催化的方法则可以提供一条温和的环境友好的“绿色合成 路径，具 有高对映选择性、高区域选择性以及高化学选择性。因此，用酶催化的还原反 应，已成了除水解酶外，在有机合成中用的最多的酶催化反应，特别是在手性 药物不对称合成中的应用，已有不少工业化生产的例子。 3 第一章前言 参与氧化还原反应的酶主要可分为三类：脱氢酶( d e h y d r o g e h a s e s ) 、( 加) 氧酶( o x y g e n a s e s ) 和氧化酶( o x i d a s e s ) 【1 3 】【1 4 1 。其中脱氢酶是还原羰基类化合 物如醛、酮以及碳碳双键反应中应用得最为广泛的一类酶。如果反应的底物具 有潜手性，经过脱氢酶还原之后则可以产生具有光学活性的产物( s c h e m e1 - 1 ) 。 ( 加) 氧酶主要在氧化反应中显示出独特的作用。而氧化酶的主要作用是传递 电子，在生物转化非天然有机化合物的过程中只起到很少一部分的作用。 r l j l r 2 。e h y d r 。g e n a 。e r 1 人r 2盯r 1 人r 2 乙n 怒州苷 ：o x i d i z e df o r mr e d u c e df o r m ： -(：jrjjeiic；yijcjljijn回g s y s t e m f 。 ii 、 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 s c h e m e1 - 1r e d u c t i o nr e a c t i o n sc a t a l y z e db yd e h y d r o g e n a s e s 氧化还原酶与水解酶最主要的也是最重要的区别在于氧化还原酶需要氧化 还原辅酶协同完成氧化还原反应。为了显示催化活性，大部分氧化还原酶催化 作用的发挥需要烟酰胺辅酶( n a d h 或n a d p h ) 的参与。n a d ( p ) h 辅酶氧化 还原反应活性中心的结构如s c h e m e1 - 2 所示。 s c h e m e1 - 2t h es t r u c t u r eo f t h er e d o xa c t i v es i t ef o rn a d ( p ) hc o f a c t o r 4 严 潞b 搽 第一章前言 1 1 2 生物催化剂的形态 纯酶、部分纯化的酶和全细胞都可在有机合成中应用，且都有自己的优缺 点。恰当的选择生物催化剂的形态是十分重要的，因为它影响着对映、区域和 化学选择性。t a b l e1 1 中详细比较了生物催化剂各种形态间的差别。 t a b l e1 - 1t h ef o r m a to fb i o c a t a l y s t ：c o m p a r i n gw h o l ec e l l sw i t hp u r ee n z y m e 参数全细胞分离出的纯酶 酶的种类很多单一 反应类型多种单一 区域和对映选择性高低不一高 辅酶不需要需要 催化剂的准备易难 步骤 难易 例子面包酵母( b a k e r sy e a s t )马肝醇脱氢酶 应用最广的全细胞生物催化剂是面包酵母( b a k e r sy e a s t ) 。由于它含有多种 不同种类的酶、适用于多种底物和多种不同类型的反应，因此，它是一种多用 的“全方位 生物制剂。此外，酵母菌细胞中除了含有酶以外，还含有有利于 全细胞过程的细胞组分，如辅酶，只需在反应中加入含碳化合物作为能源，就 可以使昂贵的辅酶再生，较之相应的纯酶过程体系更为简单、经济。但由于大 量的菌体和代谢物，产物的分离可能比较复杂。 利用纯酶制剂则可以避免产物分离和过度代谢等问题，而且纯酶体系的对 映、区域和化学选择性往往高于全细胞体系，但对底物的特异性要求也很高。 总的说来，全细胞和纯酶生物催化剂都有各自的优缺点，由于本文工作采 用的是全细胞生物催化剂一酵母菌，以下着重介绍与之相关的研究背景。 1 1 3 酵母菌催化的还原反应类型 酵母菌不对称催化还原羰基类化合物是应用的最为广泛的一类反应，自 5 第一章前言 18 9 8 年，w m d i s e h 利用酵母菌将呋喃醛还原成呋喃醇，并由m a c l e o d 和c e r r i n k a t l 5 】 进一步完善推广应用之后，很多种醛、酮都可以被脱氢酶立体选择性地还原成 手性醇。反应过程中，酶能根据p r e l o g 规则1 叼区别化合物中尢体系的s i 面或尺8 面，从而得到僻) - 构型或( $ - 构型的手性产物( s c h e m e1 - 3 ) 。 s c h e m e1 - 3p r e l o g sr u l ef o rt h e 嬲y m m e t r i cr e d u c t i o no f k e t o n m 随着利用酵母菌进行催化反应研究的不断发展，1 9 3 4 年，人们首次发现了 酵母菌不对称催化还原含有活化的碳碳双键的不饱和化合物【1 7 1 。近几十年来对 此领域的研究十分活跃，不断总结出一系列利用酵母菌不对称加氢还原碳碳双 键的适用法则。最基本的一点就是只有被拉电子基团活化的碳碳双键才能被醇 解还原酶有效地还原【1 引，单独的双键或炔键是不能被还原的【1 9 】( 见s c h e m e1 1 ) 。 具体的法则如下： ( 1 ) a ，p 不饱和羧酸和酯倾向于生成它们的饱和同系物 2 0 】，在某些例子 中，酯先被酶水解生成相应的酸，然后再进行还原( s c h e m e1 4 ) 。 ( 2 ) a ，d 不饱和交酯( s c h e m e1 5 ) 。 ( 3 ) a ，p 不饱和醛通常是以两步方式转变口1 】【2 2 1 。首先，醇解还原酶还原碳 6 第一章前言 碳双键生成相应的饱和的醛，然后由脱氢酶经第二步转化成相应的手 性( 链) 烷基醇( s c h e m e1 6 ) 。 ( 4 ) 仅，p - 不饱和酮可以观察到与q ，p 不饱和醛类似的结果。此时，碳碳双 键先被还原，在第二步的慢步骤中，由醇解脱氢酶继续还原生成手性 的仲醇f 2 3 】。只有在极少数的情况下，如a ，p 不饱和酮的共振式被位于 烯烃单元的拉电子基团( 如卤素) 去稳定化时，才能使羰基部分先被 还原【2 4 1 ( s c h e m ei - 7 ，s c h e m e1 8 ) 。 ( 5 ) a ，p 不饱和硝基化合物可转化为手性硝基烷烃。为了避免立体结构中 不稳定的产物外消旋化，羰基的a 位不能带取代基，只允许氢的存在 2 5 1 ( s c h e m e1 9 ) 。 ( 6 ) 活化的共轭1 ，3 二烯中只有q ，p - 双键被选择性的还原，丫，6 - 键不参与还 原反应( s c h e m e1 6 ) 。 ( 7 ) 丙二烯( c h 2 = c = c h 2 ) 主要得到相应的2 一( 链) 烯烃，偶尔可以观察 到丙二烯重排生成乙炔的情况【2 6 1 。 ( 8 ) 有时产物的绝对构型( r s ) 可以通过起始e 或z - ( 链) 烯烃加以控制 ( s c h e m e1 4 ) 。 ( 9 ) 连接在烯烃单元上的卤烷基取代基本身并不是强有力的活化基团，但 在其它活化基团存在时，它们可以增加反应速率【2 7 】( s c h e m e1 - 4 ， s c h e m e1 7 ) 。 酵母催化还原2 氯2 烷基烯酮甲基酯可以得到高光学纯度的手性产物氯代 烷基酸【2 明( s c h e m e1 4 ) 。在此类反应中，产物的绝对构象可通过选择起始反应 物e 或z 型异构体加以调控。如果采用e 型异构体烯烃作为起始物，催化还原 则会得到r 构型的产物；如果是z 构型的起始物，则会得到s 构型的产物。后 一过程产物的光学活性要高于前者。此外，人们发现0 【，p 不饱和酯在用酵母菌还 7 第一章前言 原时，首先会发生酶作用的水解反应，然后才进入还原的反应过程。由此可以 通过( r ) 二氯甲基衍生物方便的制备l 畜群霉素【2 9 1 ( l a r m e n t o m y c i n ) 。 , c l b a k e r sy e a s t，c lb a k e r sy e a s t c l ，f 。p ，- 。p 一、0 2 m e ( h y d r o l a s e ) 一、0 2 h ( e n o a t er e d u c t a s e ) r 少c 0 2 h er r ，c i = = 9 8 ( c h 3 ) 2 c h -( 刁一+ ( $ 9 8 c h c l 2 ( 2 9 - 9 8 c c l 3 -( 2 9 一( 固 9 8 s c h e m e1 - 4y e a s t - r e d u c t i o no fa ，p - u n s a t u r a t e da c i d sa n de s t e r s p 取代的a ，p - 不饱和五元环交酯也可被酵母菌还原得到( 足) - 构型的饱和的 同系物 3 0 1 ( s c h e m e1 5 ) 。这是一种合成具有五元环结构单元的萜类化合物的好 方法。侧链上保护基团中的硫原子的极性对反应的立体选择性有很强的影响。 当侧链为硫醚或亚砜取代基时，产物可以很容易的转化为单一的立体选择性产 物；当侧链为极性更强的砜做取代基时，产率和立体选择性都很低。 o 鼍o 碱p h r ， 、 xy e e 1 l - 9 9 o9 7 _ oo 7 7 ( w i t hl o wy i e l d ) s c h e m e1 - 5y e a s t - r e d u c t i o no fp - s u b s t i t u t e d 旺p - u n s a t u r a t e dl a c t o n e s 8 第一章前言 作为维生素e 、维生素k i 和虫信息素的重要合成前体，( 2 s , 6 r ) 和( 2 s , 6 s ) 一2 ，6 一 二甲基- 1 ，8 一辛二醇可通过酵母催化还原相应的( 6 尺) 和( 6 固- o 【，p 一不饱和醛高对映 选择性的得到( d e 9 0 ，s c h e m e1 6 ) 。由于起始物质的手性中心远离还原位 点( 位置6 ) ，因而在相当大的程度范围内不会影响新生成的( 卿中心的手性【3 l 】。 带有一个羧酸酯基的潜手性双烯化合物是全合成( 目- ( 7 r ，11 r ) - p h y t o l 的重要 前体，它含有两个活化的羰基。在酵母催化还原的过程中，羰基被选择性的还 原而靠近羰基的双键不发生变化，最终的产物是相应的伯醇3 2 1 。另一个例子是0 【 和p 位带有取代基的不饱和烷基醇，如香叶醇( g e r a n i 0 1 ) ，经过酵母催化还原a ，p 一 不饱和双键，可以以9 7 的光学活性得到( r ) 构型的香茅醇3 3 1 ( c i t r o n e l l 0 1 ) 。与 此类似，共轭的1 , 3 双烯也只有a ，p 键被还原【3 4 1 。 尺从c ：。 h 亏 舯嗡y yh 。v 山， ； 垤o h八五y 叫 m e 0 2 c “ d e 9 5 d e 9 0 e e 9 7 丫y 伽燃 g e r a n i o l e e 9 7 月c i t r o n e l l o i 从o h 上坚瓜。h e e 1 0 0 s c h e m e1 - 6y e a s t - r e d u c t i o no fa ，p - u n s a t u r a t e da l d e h y d e sa n da i l y l i ca l c o h o l s 具有光学活性的氯代醇可以通过酵母催化还原q ，p 不饱和仅氯代酮制得【3 5 】 9 第一章前言 ( s c h e m e1 - 7 ) 。在酵母发酵过程中，底物先被还原生成( s ) 一氯代酮，然后根据 p r e l o g 规则生成高光学活性的s y n - 和a n t i - 氯代醇的混合体。s y n a n t i - 构型的比例 反映了第一步还原过程中生成的氯代酮的光学纯度。 r o 半 r o 坐竺生r j 0 + r 儿 s l o wii o ho h s y n ( m a j o r )a n t i ( m i n o r ) e e 9 8 e e 9 8 r e e k e t o n e 【ls y n a n t i c 2 h 5 4 47 2 ：2 8 力- c 5 h u 8 28 9 ：l l 力- c s h l 7 8 49 5 ：5 s c h e m e1 - 7y e a s t - r e d u c t i o no fa ，p u n s a t u r a t e dk e t o n e s 手性的l ，4 环2 - - 酮，作为合成各种天然类胡萝卜素的重要前体，也可以通 过酵母催化还原2 ，2 ，6 三甲基环已5 烯1 ，4 二酮得到( s c h e m el - 8 ) 。由于还原 1 位或4 位羰基而产生的副产物只占很少的一部分( 分别为6 和7 ) ，此种还 原很适合大量合成，据报道，用1 3 埏的烯- 二酮可以以8 0 的产率得到所需产 物 3 6 1 。 b a k e r sy e a s t 6 h b a k e r sy e a s t 1 a s t h o 、 b a k e r sy e a s t 7 s c h e m e1 - 8y e a s t - r e d u c t i o no fc t , p - u n s a t u r a t e dd i k e t o n e 1 0 第一章前言 含有硝基取代基的烯烃很容易被酵母还原生成手性的硝基烷烃p 7 】( s c h e m e 1 9 ) 。以2 甲基1 硝基1 辛烯为例，不能通过控制反应物的构型来控制产物的 手性，这可能是由双键的异构化性质决定的。 r l 一h b a k e r sy e a s t 双二一 群n o ， hn 0 2 r lr 2 e e i j p h c h 3 9 8 p h 刀c d - b 8 9 p h 栉c 6 h 1 3 n or e a c t i o n 以- c 6 h 1 3c h 3 。 8 3 c h 3疗c 6 h 1 3 b 6 6 。 。圆o l e f i n ；6 ( z ) o l e f i n ；。o p p o s i t ec o n f i g u r a t i o na ss h o w n ，b u ts t i l l 僻) s c h e m el - 9y e a s t - r e d u c t i o no fn i t r o o l e f i n s 1 1 4 酶催化还原反应机理 脱氢酶还原的反应机理如图所示( 见s c h e m e1 - 1 ) ： 第一步一个全酶( 一个酶及其辅酶) 与底物结合； 第二步辅酶上的一个负氢转移到底物上生成产物( 同时发生辅酶的氧化) ； 第三步酶释放底物； 第四步辅酶的再生，即被氧化的辅酶变回还原态( 同时发生辅助底物的氧化) 。 在入们对酶还原反应机理的广泛研究中，最令人关注的课题之一便是辅酶 参与的氧化一还原反应机理。对这一课题的深入研究，无论从机理上认识生命 的本质，还是在实践中控制、利用和开发这类氧化一还原反应都具有重要的意 义。 1 1 4 1辅酶还原底物的立体化学机理研究 自上世纪九十年代初，f m n z a 领导的课题组一直致力于酶催化还原含羰基 心h 衅 第一章前言 活化双键的天然前体生成芳香产物的立体化学机理方面的研究。该组通过定点 同位素核磁分析法( s n i f - n m r ，s