手性药物合成课件

1、手性药物合成1 第第8章章 手性药物合成手性药物合成 手性药物合成2 本章内容 8.1 手性概念 8.2 手性药物的特性 8.3 手性合成的方法 8.4 生物催化与手性合成 手性药物合成3 8.1 手性概念 手性药物合成4 手性（手性（chirality）是三维物体 的基本特性。如果一个物体不 能与其镜像重合，该物体就称 为手性物体，这两种互成镜像 的形态被称为对映体。 手性分子(chiral molecules)的 立体构型即为对映体结构。手 性是自然界的本质属性之一， 分子手性识别在研究生命活动 和生命物质产生中都起着极为 重要的作用。 手性概念 手性药物合成5 手性种类 v中心手性 有机

2、分子中的碳(或其他)原子如果连有四个不同的原子 （或基团），由于具有不同的空间排列形式，存在一对 立体异构体，称为镜像异构体。就象左手和右手一样， 看起来相似，但不能重叠，也称为有机分子的手性。 v轴手性 对于四个基团围绕一根轴排列在平面之外的体系，当每 对基团不同时，有可能是不对称的，这样的体系称之为 轴手性体系。 v平面手性 当分子的对称平面由于存在某些基团而受到破坏时，该 分子就会有一个手性面存在，从而能产生对映体。 v螺旋手性 螺旋性是手性的一个特例，其分子的形状就像螺杆或盘 旋扶梯，按照螺旋的方向将构型指定为M和P。从上向下 是顺时针方向定位P，逆时针为M。 手性药物合成6 历史 早

3、在一百多年前，巴斯德(Pasteur)发现分子 不对称现象。 1848年，他借助放大镜、用镊子从外消旋酒 石酸钠铵盐晶体混合物中分离出(+)-和(-)酒 石酸钠铵盐两种晶体，随后的分析测试表明 它们的旋光性相反。1858年，他又研究发现 外消旋酒石酸铵在微生物酵母或灰绿青霉生 物转化下，天然右旋光性(+)-酒石酸铵盐会 逐渐被分解代谢，而非天然的(-)酒石酸铵盐 被积累而纯化，该过程被称为不对称分解作 用。 手性药物合成7 命名 v直接以旋光性命名 “d”或“+”表示右旋；“l”或“-”表右旋 vFisher命名 以D-型甘油醛为对照命名为“D”反之为“L”型 vCahn-Ingold-Pre

4、log命名 以不对称原子上的基团顺序为依据，基团由大到小 顺时针为“R”，逆时针为“S” 手性药物合成8 8.2 手性药物的特性 手性药物合成9 含手性因素的药物称为手性药物(chiral drugs)。其中只含有效对应体或者以含有效 的对映体为主。 药物分子中有一个手性中心，一般就有一对 对映体，有n个手性中心将产生2n个立体异构 体，其中有2n-1对的对映异构体。 手性药物 手性药物合成10 只有一种对映体有活性而另一种无显著的药 理作用 如：支气管扩张药沙丁胺醇(Albuterol)和特布他 林(Terbutaline) R-型比S-强80-200倍 两个对映体具有等同或相近量的同一药理

5、活 性 如：盖替沙星(Gatifloxacin) 两个对映体具有完全不同的生理活性 如：丙氧吩(propoxyphene) d-镇痛剂，l-止咳剂 噻吗心安(Timolol) S-b阻断剂，R-治疗青光眼 对映体药物生理活性的相互关系 手性药物合成11 一个对映体有活性，另一个有毒副作用 如：肽胺哌啶酮(Thalidomide)R-镇静止吐，S- 至畸 两对映体具有相近的活性，但从全局平衡仍 宜选用单一异构体 如：奥美拉唑(Omeprazole)治疗胃溃疡，两种 活性相仿，但消旋体个体差异较多，S-型差异 小且治疗指数高 一个有活性另一个无活性且发生拮抗 手性药物合成12 对映体具有不同生理活

6、性的原因 v最本质的原因是生物系统的不对称性决定的。 v由于自然界L-型的氨基酸，D-型的碳水化合物构成 了蛋白质、糖脂、多核苷酸等不对称的生物大分子， 进而手性的生命环境； v内源性物质(神经递质、激素、抗原、抗体等)和外 源性物质(药物、毒物)与生物大分子(受体、酶)相互 结合，从而引起一系列的识别、换能、放大最终 产生生物化学效应； v药代动力学过程如吸收、分别、代谢和排泄的立体 选择性是药物立体异构体与生物大分子之间交互作 用的结果。 手性药物合成13 三点契合模型 v假定药物与受体之间特 异性结合至少要有3个 功能基团与受体表面的 3个相应位点结合，该 对映体产生高活性；另 一对应体

7、只有2点结合， 则该对映体活性低下或 无活性(Easson和 Sledman) A BC D BC D D BC A BC A BC D 手性药物合成14 手性药物发展背景 v 近几十年来在医药治疗、农药施用和环境污染上相继发 生了许多严重的事故，都与光学异构体杂质有关，才引起 了异构体杂质的严重危害性的注意。20世纪60年代，欧洲 发生的“反应停”事件是典型的例子，它是一种抗妊娠反 应的镇静药酞胺哌啶酮(沙利度胺，thalidomide，商品名 反应停)，以消旋体在市场上出售，妊娠妇女用药后，发 生了数千例短肢畸胎。证明是(S)-对映体异构体 (S)-酞胺 哌啶酮，在体内代谢后能致畸。 v随

8、着对手性药物对映体间的生物活性差异深入认识，逐渐 意识到发展研制单一对映体药物的迫切重要性。专利申请 和注册登记等都已开始作出相应的法律规定。1992年，美 国FDA对具有手性分子的药物提出了指导原则。要求所有 在美国上市的消旋体类新药，生产者均需提供报告,说明 药物中所含的对映体各自的药理作用、毒性和临床效果。 欧共体国家及日本、加拿大等国随后也制定了类似的法规。 手性药物合成15 医药品分类1980年1990年2000年 光学活性医药品3%9%34% 天然或半合成医药品（光学活性 体） 20%26%28% 消旋医药品17%15%17% 含手性的医药品60%50%21% （来源：Lehman

9、 Brothers Pharmaceutical Research。见广濑芳彦. 工业化展望，特集. 1997，26(8)：6372） 表 1 手性药物的比率 手性药物在市场上出售的比率 手性药物合成16 从目前世界上销售的 1850种药品中统计，天然及半合成药物计 有523种，其中手性药物占517种；化学合成药物为1327种，其 中含手性分子的药物为528种，但以单一对映体的手性药品出售 仅61种，而以消旋体出售者高达467种。见下图。按上述不完全 统计来看，这么多具有手性因素的药品中无效或有害的对映异 构体对人类健康造成有形或无形的危害是何等的严重。 手性药物合成17 当前，手性药物已成为

10、国际新药研究与开发的新方向之一，单 一对映体药物的世界市场每年以20以上的速度增长。 1996年手性药物制剂世界市场为730亿美元，2001年超过1050亿 美元。 1996年市场领先的300个药物中有160个是手性的，还有54个是 消旋体。 1994、1995和1996三年世界批推上市新药中有一半以上是单一 对映体。 1999年美国FDA批准上市的37种新药中有18种为手性药物，占 49%，这18种中有16种为光学纯药物，占88%。 手性药物合成18 据有关机构调查，目前世界上正在开发的1200种药物中，有 820种属于手性药物，其中612种以单一对映体在开发，占世界 正在开发药物总数的51

11、%，204种以消旋体在开发，占17%， 非手性的为384种，占32%。可见正在开发中的药物有三分之 二是手性的。 2005年，全球上市的化学合成新 药中约有60%的为单一异构体药 物。 手性药物大量增长的时代正在来 临。 手性药物研究情况 手性药物合成19 8.3 手性合成的方法 手性药物合成20 生产单一对映体手性药物的方法 v一般讲，生产手性药物的方法可分为化学、物理和 生物三类方法。 v从手性技术角度分，我们将对映纯化合物的制备归 纳为以下几种主要方法： 手性源(Chiral poo1)：由天然对映纯的原料，如氨基酸、 醣、萜类等出发，经过立体选择性反应，得到目标手性 化合物。 不对称合

12、成(asymmetric synthesis)：由潜手性化合物 （或中间体）出发，用化学方法、生物方法进行不对称 合成。 消旋体拆分(resolution)：包括非对映异构体的分离，直 接或诱导结晶、动力学拆分（化学法与生物法）手性色 谱柱分离等。 手性药物合成21 手性药物的合成方法 Racemate Preferential Crystallization Kinetic Resolution Chromatography ChemicalEnzymatic Chiral Pool Synthesis Prochiral Substrates Asymmetric Synthesis Bi

13、ocatalysisChemocatalysis 手性药物合成22 1 手性源法(Chiral pool) v即从天然来源的手性原料出发获得光学活性化合物。在化学 合成过程中引入手性源物，可方便地合成手性化合物。天然 存在的手性化合物品种不少，天然的糖、氨基酸、羟基酸， 有机合成的旋光性醇、胺、环氧化合物等都可作为手性源物。 由天然来源获得手性化合物，原料丰富，价廉易得，生产过 程简单，产品旋光度一般都较高。因此许多大宗产品都是用 此法生产的。 v天然存在的手性化合物，通常只含一种对映体，用它们作起 始原料，制备其它手性化合物，无需经过繁复的对映体拆分。 利用天然存在的手性化合物原有的手性中心

14、，在分子的适当 部位引进新的活性功能团，可以制成许多有用的手性化合物。 化学拆分法和不对称合成中使用的一些手性试剂，不少都是 从天然来源合成或直接得到的。例如，由天然存在的(+)-樟 脑衍生出来(+)-樟脑磺酸等是常用的手性试剂。手性源法也 已在地尔硫卓、左旋氧氟沙星等工业生产中应用。 手性药物合成23 2 不对称合成(asymmetric synthesis) v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，是目前最有效、广泛使用的方法 之一。 v可以用化学或生物方法从非手性或前手性化合物进行不对称 合成。使用一种对映体试剂或催化剂，对某种底物进行反应， 使

15、之成为只形成一个对映体的手性产品。外消旋体中的两种 相反构型的对映体，与同一手性试剂作用时，生成的过渡态 具有非对映异构关系，过渡态非对映异构体与基态非对映异 构体一样，具有不同的能焓，决定了两个反应的速度有差别。 当这种差别大到足以使对映体之一能反应，而另一个则完全 不能(或反应较少)，即有选择地转化对映体之一。 手性药物合成24 v近数十年来有机化学中不对称合成方法的发展取得 了卓著成就，促进了手性化合物合成工业的发展。 例如金属有机化合物的利用，同种异构体的均相金 属催化(Metal Catalyzed homogenous)、多相金属 催化(Hetorogenous Catalyzed

16、)和相转移催化 (Phase transfer Catalysis)以及电化学和光化学技术 的应用等。最近报道，2001年诺贝尔化学奖授给了 不对称氢化手性技术研究的几位科学家。 v“不对称合成”已应用于工业生产，如美国 Monsanto公司采用不对称催化氢化反应工业生产L- 多巴。Anic Enichem公司生产L-苯丙氨酸等。不对 称合成看起来很漂亮，而且经济，但总的来看有一 定难度，反应步数较多，要使用价昂的对映体试剂， 或催化剂（二磷配体与铱、铑、钌的络化物等）。 手性药物合成25 v用酶催化不对称合成(也称生物合成)。利用微 生物体内含有的活性酶的高度立体选择性作 催化剂制备手性化介

17、物。微生物酶直接转化 是将手性化合物的合成前体，用酶法催化合 成。由非手性的起始物，经酶的催化合成手 性化合物，很多情况下，可将前体100%转化 成手性目标产物，例如：无手性的富马酸和 无机氨用天门冬氨酸酶反应，生成旋光纯的 L-天门冬氨酸，如果再与脱羧酶作用，则生 成L-丙氨酸。这已经是目前大规模的工业生 产方法。 手性药物合成26 v生物催化不对称合成，特别是选择性生物催 化合成(Selective biocatalytic synthesis)已成 为合成手性化合物的最有前景的方法之一， 适用于大规模的工业生产。从另一角度看， 应用选择性生物催化方法不会产生有毒的副 产物，在环境污染问题

18、方面比传统化学合成 方法要小得多，甚至不存在污染问题，对环 境是友好的。 v传统发酵，固定化细胞，固定化酶以及有机 溶媒和水双相转化等技术，使选择性生物催 化能适用于各种规模的工业生产。 手性药物合成27 3 外消旋体拆分(Recemate resolution) v通常化学合成的手性化合物是两种对映体的混合物， 称为外消旋体。我们要从外消旋体中获得其中单一 立体异构体的手性化合物，必须经过对映体的结晶 分离，此方法称为消旋体拆分或简称拆分。 v拆分包括物理拆分（结晶、手性色谱柱分离等）、 化学拆分和生物拆分。 v外消旋化合物拆分是目前手性药物制备的经典方法 和主要途径。其缺点是需要先合成外消

19、旋的目标底 物（如酯、酰化物等衍生物），单次拆分的最高收 率不超过50%。另一对映体若属拆分废物则需有适 当的消旋方法。 手性药物合成28 1）物理拆分 (1) 机械分离法 利用两种对映体的结晶形态不同，进行机械手工分离，此 法仅用于实验室对极个别易区别的消旋体的拆分。 (2) 优势结晶拆分法 该法又称团凝集法(conglomerates in solid state method)。 此法主要根据两种对映体的结晶速度不同而进行拆分。在 结晶过程中的开始，加入一定量所需要的对映体结晶作为 种子，然后在适宜的结晶条件下进行结晶，由于外加对映 体种子的诱导，产生该单一对映体结晶首先析出优势，故 给

20、出晶体均为所需要的单一构型对映体，此法在工业生产 上应用成功的例子有左旋氯霉素和D-泛酸钙的拆分。但是 有80%以上的消旋体是真正消旋化合物，即2种对映体异构 体是共同结合于每个结晶核内，是不能应用优劣结晶法进 行拆分的，因此此法的应用有相当大的局限性。 (3) 层析分离法 在层析分离对映体异构体中最有效的是高压液相层析法。 用手性色谱柱可以直接分离对映异构体。具有快速、产品 纯度高和方法简便等优点，但有需应用手性分离介质、处 理量小和成本高等缺点，往往局限于实验室研制或小规模 制备。 手性药物合成29 2）化学拆分法 v是利用光学纯的手性试剂与两种对映体形成非对映体 (diasteromer

21、s)盐类增加物理性质差异，然后将结晶分离。这 是使用比较多十大家比较熟悉的经典拆分对映体的方法。 v此法在工业生产上曾应用成功的例子，是用光学纯樟脑磺酸作 为手性拆分试剂制取半合成抗生素中的重要中间体(D)-(-)苯基 甘氨酸。 v化学拆分法的操作方法是大多数化学工作者都比较熟悉，容易 做到的，在许多情况下也是行之有效的，故这种老方法至今仍 然是普遍被采用的重要拆分法，但也应当指出，这种方法有严 重的局限性： 拆分过程一般都冗长。 大多数情况产率都不高。 拆分得到的对映体，旋光纯度常常不够高。 适用的化合物类型不够多，对于不能形成良好结晶的手性化 合物不适用。 另外，尚有手性试剂价格昂贵、工艺

22、复杂以及环境污染等缺点。 手性药物合成30 3）生物拆分 v即利用酶或含有的活性酶的微生物菌体作生物催化 剂，选择性地将两对映体之一转变成其它化合物， 达到对外消旋体进行拆分分离的目的。 v用微生物(或酶)生物催化剂拆分，比化学拆分法具 有明显的优越性： (1) 生物催化剂催化的反应通常具有高度的立体专一性。因 此，得到的产物旋光纯度很高，适于作各种生物活性和 药理试验。 (2) 副反应少，产率高，产品分离提纯简单。 (3) 生物催化剂催化的反应大多在温和的条件下进行，温度 通常不超出05O区间，pH值接近中性。因此没有设 备腐蚀问题，生产安全性也高。 (4) 生物催化剂无毒，易降解，对环境友

23、好。适于工业化大 规模生产。 手性药物合成31 生物拆分与化学拆分生物拆分与化学拆分比较比较 生物拆分法化学拆分法 动力学拆分热力学拆分 少量酶催化不对称转化生物反应拆分剂与底物等mol成盐反应 简单，步骤少，消耗原材料少复杂，步骤多，消耗原材料 多 环境友好有环境污染和毒性问题 手性药物合成32 可以完成传统化学所不能胜任的位点专一性、化学专一性和立 体专一性催化，容易催化得到相对较纯的产品，减少废物排放。 生物催化剂化学催化剂 催化底物多为高分子复杂化合物纯净物、简单的化合物 反应模式多种催化剂同时作用催化 多种耦合在一起的反应 单一催化剂催化单一化学反应 适用范围催化温和条件下反应可在苛

24、刻的条件下实现催化 本质 降低反应所需的活化能 动力学可以用活化络合物理论来解释 生物催化剂和化学催化剂的比较生物催化剂和化学催化剂的比较 机理机理 手性药物合成33 会对环境造成污染可持续发展，环境友好技术对环境影响 可在高温、高压下应用，也 可以达到高转化率 常温下高效，高转化率，可进 行立体专一催化 效率 以化石资源为主生物基质、化石资源原料 化学催化剂生物催化剂 生物催化剂和化学催化剂的比较生物催化剂和化学催化剂的比较 效果不同效果不同 手性药物合成34 以泛解酸内酯的手性拆分为例 O O OH + 消旋化 DL-PL O O OH L-PL OH OH COOH D-PA O O O

25、H D-PL 内酯化 D-泛解酸内酯 水解酶 热力学热力学 动力学动力学 不需要酰化不需要酰化 等预处理等预处理 手性药物合成35 主要关键技术是：手性拆分技术手性拆分技术 产酶及酶水解工艺产酶及酶水解工艺 难点难点 生物催化剂固定化技术生物催化剂固定化技术 立体专一性好的产酶菌株立体专一性好的产酶菌株 生物催化拆分关键技术 、难点 手性药物合成36 对于手性药物等光学活性化合物的工业生产要求，主要有以下 几点： 反应条件温和、简明， 出发原料便宜、易得， 能从非手性化合物定量地得到手性化合物， 催化剂能多次反复利用， 产物分离、精制不复杂。 作为光学活性化合物的生产的某一种技术，很难说是万能

26、的，化学-酶技 术的组合，是可供选择的生产光学活性药物、农药等的简便、经济方法之 一。二十世纪末生物技术的飞跃发展，也为手性化合物的工业生产提供了 新的途径。酶或微生物催化反应，有高度立体选择性，已成为创制光学活 性手性化合物的有效手段。 手性药物工业生产要求 手性药物合成37 8.4 生物催化与手性合成 手性药物合成38 手性技术手性技术 手性源 消旋体拆分消旋体拆分 不对称合成 技技 术术 路路 线线 生物催化手性合成 手性药物合成39 手性合成 v是指利用手性诱导剂使无手性或潜手性反应物转变 为单一对映体的过程，又称不对称合成。生物催化 的手性合成(chiral synthesis wi

27、th biocatalysis)是指 利用生物有机体催化无手性、潜手性化合物转变为 单一对映体手性产物的过程。生物催化中常用的有 机体主要是酶或微生物，即生物催化剂 （biocatalyst），其本质是利用酶或微生物细胞内 的酶，催化有机化合物的合成反应。固定化酶和固 定化微生物细胞技术可使生物催化剂在固定床内连 续进行生物催化反应，这将更使生物催化反应具有 工业化学反应的特色。生物催化反应的条件温和、 环境友好、高效率和高选择性。这使它成为当今手 性化合物合成研究的热点和发展方向。 手性药物合成40 人类利用酶或微生物细胞作为生物催化剂进行生物催化已有几千年的历 史。距今约8000年至450

28、0年间，已发明了麦芽啤酒及制曲酿酒工艺，在2500 年前的春秋战国时期，我国己能制酱与制醋。在酿酒工艺中，利用麦芽或霉 菌的淀粉酶(曲)对谷物淀粉进行糖化，然后利用酵母菌进行酒精发酵，这是 典型的生物催化水解反应技术。醋酸杆菌将酒转化为醋是典型的生物催化氧 化反应。生物催化剂是根霉、米曲霉、红曲霉、毛霉、酵母菌或醋酸杆菌等 微生物。 直到近代，1867年年库内(Kuhne)创造了酶(enzymes)这一术语用以表述催化 活性。1894年年，菲舍尔(Fischer)提出了锁钥学说用来解释酶作用的立体专 一性。1897年年布赫奈纳(Buchner)等发现酵母的无细胞提取物也具有发酵作用， 可以使葡

29、萄糖转化为乙醇和二氧化碳。近代科学技术对酶的认识和研究的发 展，成为现代酶学与生物催化研究的基础。 发展历史 手性药物合成41 生物催化应用于手性化合物的合成有近百年历史，但系统研究只有四十来年。 1906年，瓦尔堡(Warburg)采用肝脏提取物水解消旋体亮氨酸丙酯制备L-亮氨酸。 1908年，罗森贝格(Rosenberg)用杏仁(D-醇氰酶)作催化剂合成具有光学活性的氰醇。 这些创造性研究工作促进了生物催化的手性合成的研究与发展。 1916年，纳尔逊(Nelson)和格里芬(Griffin)发现转化酶(蔗糖酶)结合于骨炭粉末上仍有 酶活性。 1926年，萨姆纳(Sumner)从刀豆中分离纯

30、化得到脲酶晶体。 1936年，西姆(Sym)发现胰脂肪酶在有机溶剂苯存在下能改进酶催化的酯合成。 1952年，彼得逊(Peterson)发现黑根霉能使孕酮转化为 11-羟基孕酮，使原来需要9步 反应才能在11位引入-羟基的反应用微生物转化法一步即可完成，产物得率高、光学 纯度好，从此解决了甾体类药物合成中的最大难题。 1958年，我国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甾体类药物 合成的研究，并取得成功。 1960年，诺华(NOVO)公司通过对地衣形芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)深层培养发酵 大规模制备了蛋白酶，开始了酶的商业化生产。经过近半世纪多的研

31、究，生物催化法 已成为一种标准的有机合成方法。生物催化的手性技术已成功地用于光学活性氨基酸、 有机酸、多肽、甾体转化、抗生素修饰和手性原料、手性试剂等制备，这是有机合成 化学领域的一项重要进展。 手性药物合成42 1.4 生物催化生物催化（Biocatalysis） 生物催化反应生物催化反应 产物产物 底物底物 生理条件or 非生理条件 天然化合物or 非天然化合物 天然化合物or 非天然化合物 生物催化剂生物催化剂 酶 微生物or 动植物细胞 修饰、改造、固定化 底物 制备 产物提取 手性药物合成43 生物催化的核心是生物催化剂 biocataly st 海藻酸钙固定化酵母凝胶珠在柱内 连续

32、进行生物催化反应 手性药物合成44 the biocatalysis cycle 手性药物合成45 催化反应 相 全 细 胞细胞游离制剂 l.生长培养细胞1.游离细胞萃液 2.休止细胞2.纯酶制剂 3.冰冻细胞3.处理或修饰酶 4.处理或修饰细胞4.多酶系统 方 式 l.游离细胞1.游离状态 2.微胶囊，微乳状液2.微胶囊，微乳状液 3.固定化细胞3.固定化酶 1.水溶液1.水溶液 2.含有有机溶媒的水溶液2.含有有机溶媒的水溶液 3.水-有机溶媒的双相系统3.水-有机溶媒的双相系统 4.有机溶液4.水微溶有机溶液 类 型 生物催化的类型与方式 手性药物合成46 生物催化与手性技术展望 v生物

33、催化的手性合成是一个由有机化学、生物化学 和微生物学等多学科交叉的研究领域。它的研究主 要涉及到生物催化剂和反应介质两大要素。 v生物催化剂工程(biocatalytic engineering)运用发酵 技术制备大量生物催化剂，或利用生物学、化学和 物理学方法对现有生物催化剂进行改造。 v介质工程(medium engineering) 为生物催化过程提 供理想的溶剂体系。 v两者研究的根本目的是保持或提高生物催化剂的反 应活性和稳定性，拓展生物催化剂的手性合成应用 范围。随着非水介质中酶催化反应的研究和应用， 一些不利因素正在被克服，生物催化的手性合成正 在得到迅猛发展。 手性药物合成47

34、 v手性药物是当前国际新药研究的热点，特别是发达国家已做了大 量的研究工作，有些成果已成功地应用于工业界。2001年度的诺 贝尔化学奖3位得主的主要贡献就在于他们研究出了应用于氢化 反应和氧化反应的优异的手性催化剂。63岁的日本名古屋大学教 授野依良治和美国84岁的威廉诺尔斯因手性催化氢化反应研究 而共享诺贝尔化学奖1000万克郎(94.3万美元)的一半，美国60岁 的巴里沙普尔斯因手性催化氧化反应研究获得1000万克郎奖金 的另一半。瑞典皇家科学院的颁奖书指出，三位获奖者开辟了一 个全新的研究领域。他们的研究正在用于若干医药品的工业合成， 例如抗生素、消炎药、心脏病用药等，他们的研究成果也可

35、用于 生产调味剂、甜味剂、杀虫剂等许多领域。如治疗帕金森病的左 旋多巴就是用其研究成果制造出来的。 v经过40年的发展，特别是近两年， 世界医药领域研发手性药物 之势愈来愈烈，并已有大量新品种面世，成为世界各国制药公司 追求利润的新目标。在20世纪最后十余年内，手性药物临床用量 日益上升，市场份额逐年扩大。尤其是1999年，国际手性药物跨 越了一个新的里程碑，销售额比1998年的998亿美元增长了 15.18%，达到1150亿美元，约占当年全球医药市场总收入(3600 亿美元)的1/3，预计今后的两三年，手性药物市场仍将以年均8% 的增幅扩充，2003年可能超过1460亿美元。 手性药物合成4

36、8 国内外广泛认为继医药和农业之后，工业生物催化将是生 物技术的 第三个浪潮 1980s1980s - - 1990s1990s - - 2000s-2000s- 生物医药生物医药 转基因植物转基因植物 生物催化生物催化 Current Opinion in Microbiology 2, 241-245 (1999) 生物催化与手性技术的研究动态与前 景 美国21世纪发展规划中预计，到2020年，通过生物催化技术， 将实现降低化学工业的原料消耗、水资源消耗、能量消耗30， 减少污染物的排放和污染扩散30。 （New Biocatalysts: Essential Tools for a Su

37、stainable 21st Century Chemical Industry, August 2000. Published by The Council for Chemical Research. USA）。 手性药物合成49 21世纪化学工业的工具 Essential Tools for a Sustainable 21st Century Chemical Industry 手性药物合成50 2001年1月Nature杂志邀请世界上从事生物催化领域研究的著名科学家撰 文展望新世纪生物催化的发展前景。 （P.Ball；C.Walsh；F.H.Amord；K.M.Koeller；C.H

38、.Wong； A.M.Klibanov；C.Khosla；P.Harbury；Nature,2001,409:225-258） 生物催化与手性技术的研究动态与前 景 手性药物合成51 生物技术与医药、农业结合极大的推动了这两 个领域的发展，生物技术与化学工业结合， 将逐步取代传统的化工工艺，并逐步建立新 兴的生物催化产业。 生物催化技术环境友好，符合“绿色化工”要求，同时也有明显的 经济效益和社会效益，已引起了人们广泛的兴趣和很高的期望。 现代的生物催化技术应用于生产医药中间体、精细化学品或大宗化 学品已有很多成就，现已公认，生物催化的方法具有相当大的工业潜力， 发展非常迅猛，应用前景很好。

39、手性药物合成52 以下三方面可以进一步说明 生物催化与手性技术的研究动态： 一、生物催化技术成为各公司争夺的目标 二、生物催化剂市场呈现增长势头 三、手性化合物的生产迅速扩大 手性药物合成53 一、生物催化技术成为各公司争夺的目标 采用酶或含酶微生物的生物催化技术愈来愈受到重视 一些拥有这种技术的公司则力求加强他们的领先地位，而那些 缺少生物催化经验的公司正在积极采取行动设法获得这种技术， 生物催化技术已成为一些公司谋求发展和提升地位的工具。 例如，Degussa、DSM、Roche、BASF、Dow、Lonza等 公司都在积极采取措施，扩大他们在生物催化领域里的生产能力。 手性药物合成54

40、一、生物催化技术成为各公司争夺的目标 许多公司将生物催化技术作为谋求发展和提升地位的工具。 例如 BASF公司2000年在德国新建成世界最大的采用化学-酶法 (chemo-enzymatically)生产手性中间体的多产品工厂，年生产 能力超过1000吨。BASF称，其中一项新技术是高选择性的酶催化 反应，使用脂肪酶(lipase)作为催化剂，用于消旋胺生物催化拆 分，广泛地用于各种氨基酸和酯、N-羧基酐、手性l,2-二醇等手 性化合物合成。 Lonza公司1997年在捷克建了有8个50M3发酵罐的酶法生产L- 肉碱的工厂，年生产能力300吨。1998年Lonza公司还在中国广州 建设酶水解氰

41、基吡啶生产维生素烟酰胺的装置，年生产能力3000 吨。 手性药物合成55 一、生物催化技术成为各公司争夺的目标 生物（酶）催化成为手性工业的关键技术 MerckMerck公司公司开发的-内酰胺酶抑制剂西司他丁(cilastatin) 的生产就是一个实例。 西司他丁是一种N-取代的(S)- 2,2-二甲基环丙烷羰酰胺衍生物，它可以从易得原料合成消 旋的2,2-二甲基环丙羰基腈开始，通过不同途径合成。 Lonza公司采用酶转化法，应用一种腈水合酶(nitrile hydratase)将腈转化为酰胺，再用酰胺酶(amidase)将选择性 地将(R)-酰胺转化成(R)-羧酸，剩下的则是所需要的生产西司

42、 他丁的(S)-酰胺。(R)-酸可转化成消旋的酰胺，再进行循环， 理论上将原始原料转化成(S)-酰胺的转化率为100。 如 手性药物合成56 二、生物催化剂市场呈现增长势头 生物催化剂市场的主要推动力是单一异构体化合物需求的增 长。 生物催化剂市场发展的潜力，吸引着世界工业酶大公 司， 如Genencor，Novo Nordisk 和Bochringer Mannheim Biochemicals， 也吸引着若干规模较小的专业公司， 如 Altus Biologics，Diversa，Thermo Gen和 Maxygene等。 手性药物合成57 二、生物催化剂市场呈现增长势头 化学品公司可通

43、过网络和联合来获取生物催化剂 和专用技术 为了帮助有机化学合成科技人员熟悉生物催化剂的使 用，Altus最近扩展了其服务项目，提供诸如生物催化剂的 研究与开发，工艺开发与咨询等全方位的服务。该公司称， 在过去的3年中，许多生物酶公司都在为满足制药和精细化 学工业所需求的生物催化剂而努力。另一方面，对于化学品 公司来说，掌握足够的生物催化剂，熟悉生物催化技术也是 非常重要的，只有这样才能保持其竞争力。当然这些化学品 公司可通过网络和联合来获取专用技术。 手性药物合成58 三、手性化合物的生产迅速 扩大 由于对高纯度手性中间体和原料活性成分需求的增长，手性市场 的发展，促使精细化学生产商迅速扩大其

44、手性化合物的生产能 力。 手性药物合成59 三、手性化合物的生产迅速扩大 手性化学品生产商 Degussa Degussa公司已向手性业务投资5000万德国马克。该公司的精细 化学部正在集中开发各种手性构建单元(chiral burlding blocks)， 用于合成诸如抗癌药、抗病毒感染药、类风湿药、偏头痛、艾滋病 和降血压药。Degussa还在比利时建有一家大规模精细化学品工厂。 在法国Rexim氨基酸工厂生产大量各种氨基酸手性中间体。去年收 购了我国广西的一家氨基酸厂，成为世界手性氨基酸的巨头。 BASFBASF公司在德国新建的手性化合物工厂在2000年投产。该工厂 具有年生产能力超过

45、1000吨，成为世界最大的采用化学-酶法 (chemo-enzymatically)生产手性中间体的多产品工厂。该工厂可 生产各种手性胺、醇、氨基醇和氨基羧酸等。其中一项新技术是高 选择性的酶催化反应，使用脂肪酶(lipase)作为催化剂，用于消旋 胺生物催化反应，广泛地用于各种氨基酸和酯、N-羧基酐、手性 l,2-二醇等手性化合物合成。 手性药物合成60 三、手性化合物的生产迅速扩大 手性化学品生产商 KanekaKaneka公司在日本建成一家新公司致力于高级医药中间 体的制造，几乎所有的中间体都是手性的，例如d氨基酸和 -羟基羧酸等，作为手性药物合成起始的合成子(synthons)。 Ch

46、iroscienceChiroscience集团将其30手性产品与子公司Chiro Tech， 以3000万英镑出让给英国的Ascot公司。Chiro Tech将与Ascot 的英国化学生产子公司Mitchell Cotts Chemicals形成联盟。 在最近5年中，Mitchell Cotts 已经成为Chiro Tech许多产品 的合同生产商，包括(-)-内酰胺，它是一种抗病毒新药的关键 中间体。 手性化学品其他生产商:如 NCS Technologies， Ajinomoto，Lonza，Synthetec，Cambrex等。 手性药物合成61 生物催化与手性技术数据库 为了给化学工艺

47、技术人员提供帮助，使他们容易找到所需要的酶，英国 Synopys科学系统建立了一个由酶、微生物和催化抗体组成的生物催化数据生物催化数据 库库“Biocatalysis”。l995年收载了包括专利在内最近文献中的5,000个反应， 到1996年4月增加到15,000个反应。自1995年1月开始以来，以每年3倍量的 速度出现新反应。费用范围从5,000美元(单个用户)到l00,000美元(大型场所)。 数据库现以光盘发布，目前尚未上网。 另一个制备开始阶段的数据库制备开始阶段的数据库是“UMBBD”。目的是帮助基因工程师查 明在什么微生物中存在什么代谢途径，以便找到合适的工程菌。目前， UMBBD

48、还只有120个反应，用户尚不能检索，只能“浏览”。在world Wide Web上用此数据库是免费的。 还有两个数据库光盘数据库光盘:Bio- Catalysis(Prof.B.Jones,University of Toronto), Biotransformation (Prof.K. Kieslich, GBF, Braunschweig, Germany) 。 手性药物合成62 生物催化与手性技术数据库 美国明尼苏达大学(University of Minnesota) 有一个关于生物催化和生物生物催化和生物 降解的数据库降解的数据库(Biocatalysis/Biodegradati

49、on Database),简称UM-BBD，可以 上网免费浏览，网址为 http:/ / umbbd/index.html 一些化学或生物学科的网页上也有生物催化(biocatalysis)、生物转化 (biotransformation)或手性化学(chiral chemistry)等专栏。以上信息为该学 科的发展起到很好的桥梁作用，极大地促进了生物催化手性合成的研究与 应用。 手性药物合成63 生物催化与手性技术数据库 酶数据库 酶分类数据库是每一个特定的酶的知识库，它可以很方便地从 Expasy(excellent site for Protein and enzyme, http:/

50、,蛋白质分析专家系 统，Expert Protein Analysis System)中找到。酶分类数据库对于寻找某些特 定蛋白质的酶活性，以及与特定酶相关的疾病等是非常有用的。在同一个站 点，对于酶的搜索可以通过关键词和观察Boehringer Mannheim的生物化学 途径的适当区段进行对酶的搜索。 手性药物合成64 生物催化与手性技术数据库 文献数据库 在期刊中有极为丰富的实验和其他信息;计算资源使访问期刊变得越来 越容易，尤其是摘要。在英国学术界访问最多的两个文献资源是 Medline和Elsevier数据库(在BIDS, http:/ )，它们共同提供了很宽的范 围。尽管在多数情况

51、下需要注册，但很多期刊如Nature和New Scientist， 都允许通过万维网访问电子版的全文。 手性药物合成65 生物催化与手性技术数据库 Medline Medline 涵盖了在70多个国家出版的大约3400种期刊以 及选择的专论中的章节和文章。这个库包括超过了800万条记录，而且每 年增加的记录超过30万条。Medline可以通过大学图书馆访问。通过万维 网可以实现对来自NCBI(/ )的Entres / Pubmed的访问。它可以进行关键 词的搜索，并有大量的通向蛋白质及核酸序列的链接。 美国的国立生物技术中心 ( The National Center for Biotechn

52、ology Information，NCBI,) http:/ 可以提供到Medline的访问、序列数据库访问和搜索以及其他更多的服务。 手性药物合成66 1.5 生物催化与手性技术数据库 目前国际上有多种科学杂志涉及生物催化与手性技术，其中主要的杂志有 Biocatalysis and Biotransformation, Tetrhedron : Asymmetry, Applied Biochemistry and Biotechnology, Applied Microbiology and Biotechnology, Applied and Environmental Microb

53、iology, Enzyme and Microbial Technology, J.Molecular Catalysis, B : Enzymatic, process biochemistry , 等。 手性药物合成67 我国生物催化技术在工业生产方面的应用取得了一定成 就 我国生物催化工业中，有机酸、抗生素、维生素、激素和氨基酸 方面占有相当大的数量。我国的主要发酵产品柠檬酸、味精、VC、 青霉素等产量均据世界领先地位。 国内在应用酶技术方面也取得了卓著成绩。早在60年代,我国就开展 甾体化合物的微生物转化研究，并用于工业生产，如采用霉菌氧化在 可的松和氢化可的松的生产中形成11-醇和

54、11-醇。近年来实现或者即 将进入产业化规模生产的L-苹果酸、L-酒石酸、L-天冬氨酸、L-丙氨 酸、L-苯丙氨酸、L-肉碱、D-泛酸、D对羟基苯甘氨酸、(S)-布洛芬、 (S)-酮基布洛芬、S-生物丙烯菊酯、S-丙烯醇酮、2-辛醇等，也取得了 重大成果。可提供国内外市场急需的手性合成原料及手性中间体，将 对化工、医药、农药、食品添加剂和饲料添加剂、化妆品、香料及液 晶原料等行业或领域产生重要影响，对国民经济的发展有一定贡献。 我国生物催化与手性技术研究进展 手性药物合成68 我国生物催化与手性技术研究进展 用生物催化技术改造传统化学工业也取得了一定成绩。 例如用微生物酶法拆分制备手性化合物中

55、间体，已在食品与饲料添 加剂、农药、医药,液晶材料等中得到应用。 江南大学与浙江鑫富生化股份有限公司合作，用产D-泛解酸内酯水 解酶的串珠镰孢霉菌，水解拆分化学合成的DL-泛解酸内酯得到很高光学 纯度的D-泛解酸内酯，成功地用于D-泛酸钙及D-泛醇的生产，产业化规 模2000吨/年，年销售额1.5亿元，利税3000多元。 江南大学与国内一些名酒厂合作，在有机相中进行酯化反应生产 “Bioester”的系列酒用生物酯产品获得成功，年产量达100吨。 手性药物合成69 我国生物催化与手性技术研究进展 用生物催化技术改造传统化学工业也取得了一定成绩。 又如浙江大学和常州康泰化工厂联合用非水相酶拆分丙

56、烯醇酮/丙 炔醇酮制备含活性最高的单一异构体产品S-生物丙烯/炔菊酯或富右反 式丙烯/炔菊酯，产品的质量好于国外同类产品，取得了很好的经济效 益。 华东理工大学酶拆分非甾体抗炎药酮基布洛芬前体取得了创新性 成果，与西南合成制药厂合作，制备了右旋酮基布洛芬，申报了国家二 类新药证书。 手性药物合成70 我国生物催化与手性技术研究进展 通过生物催化技术的工业应用，已形成了一批生物催化方法制造的 新产品，形成了新型的生物催化产业。 例如用大肠杆菌或产氨短杆菌游离细胞或固定化细胞转化富马酸生 产L-天冬氨酸产品，目前国内生产规模已超过万吨，成本已远低于化学 合成法。 用德阿昆哈假单孢菌天冬氨酸脱羧酶使L-天冬氨酸脱羧，生产L-丙 氨酸，主要用于作维生素B6的原料，国内市场也超过千吨。 L（+）-酒石酸年产近3000吨，是国际上唯一的应用生物催化技术 生产的国家，作为葡萄酒酒石提取方法的补充，很有竞争力。 用深红酵母苯丙氨酸解氨酶催化生物合成L-苯丙氨酸，工业化生产 规模500