有机硅化合物的生物合成研究进展

1、    有机硅化合物的生物合成研究进展        摘要非天然有机化合物的生物合成是当今的研究热点之一.对利用生物细胞、酶对有机硅化合物进行生物合成与转化的主要研究结果进行综述.关键词酶；生物细胞；有机硅化合物；生物合成与转化The Research Progress of Biosynthesis of the Organosilyl CompoundsLiu Yun,Zong Minhua,Du Wei(Biotechnology Department,South Ch

2、ina University of Technology,Guangzhou 510640)AbstractThe biosynthesis of unnatural compounds are studied extensively nowadays.This paper reviewed the main research results of the organosilyl compounds biosynthesized by organisms and enzymes.Key wordsenzyme;bioorganism;organic silicon compounds;bios

3、ynthesis and bioconversion硅是自然界最丰富的元素之一.无机硅化合物，如二氧化硅、硅酸盐等构成了地球岩石的骨架.在生物圈中，也有硅元素的存在.近期研究表明：不但低等生物中富含硅元素，硅在较高等的生物中也发挥着重要的作用.尽管其生化作用模式还不清楚，世界卫生组织已将硅元素列入人体所需的微量元素之一.有机硅化合物是指一类含有CSi键的物质，目前，自然界中尚未发现这类物质的存在.有机硅化合物在非对称合成及功能材料中具有重要作用，德国化学家Tacke和Syldatk还发现许多有机硅化合物具有特定的生物活性，与碳结构类似物相比，有机硅化合物具有更强的药效、更高的选择性及更小的毒性

4、1.合成现有药物的含硅结构类似物（硅替代）可能是药物设计、改造的有效途径.有机硅化合物的重要性，激发人们争相进行其合成与转化的研究，化学合成许多有机硅化合物的条件比较苛刻，许多反应物或产物在此极端条件下不稳定，难以得到目的产物，具有光学活性的有机硅化合物的合成与转化更是如此.Tacke及其同事于1987年率先报道了用酵母细胞催化有机硅酮的不对称还原合成具有光学活性的有机硅醇，随后关于有机硅化合物生物合成与转化的报道不断出现，现综述如下.1生物细胞催化有机硅化合物的合成与转化酵母、细菌、绿藻、悬浮培养植物细胞等均能催化有机硅酮的不对称还原反应，合成具有光学活性的有机硅醇类化合物26，有关情况见表

5、1.Tab.1Asymmetric reduction of organosilys ketone catalyzed by organismsSubstrate:C6H5(CH3)Si(R)CO(CH3)OrganismRConversion./% ee*Kloechera corticisCH310092(R)Symphytum officinale LCH310081(R)Ruta graveolens LCH310060(R)Trigonopsis variabilis(CH3)3C9997(SiR,CR)Corynebacterium dioxydans(CH3)3C8196(SiS

6、,CR) CuninghamellaCH310099 for(SiR,CR)and (SiS,CR)Synechococcus leopoliensisCH310094(R)Chlamydomonas reinhardiiCH310085(R)Si:Silicon atom;R-,S-:R and S configuration其中，用酵母、细菌细胞催化的转化过程的立体选择性较高.此项研究表明：生物细胞催化有机硅酮的不对称还原是合成光学活性有机硅醇化合物的有效途径.2酶促有机硅化合物的合成与转化由于生物细胞内的酶系较复杂，反应过程的调控较困难，同时难以深入进行理论上的探讨，而酶反应具有催化效率

7、高、选择性强等优点，符合有机合成的发展方向，尤其是Klibanov开创的非水相酶催化新技术的发展，使酶催化水溶性差的有机硅化合物的合成与转化成为可能.20世纪90年代以来，酶催化有机硅化合物生物合成与转化的研究报道远超过生物细胞.2.1酶促有机硅化合物的氧化还原宗敏华等7在国际上率先报道了马肝醇脱氢酶（HLADH）能催化某些有机硅醇的脱氢，底物中的硅原子对酶反应的初速度有一定的影响，并因底物结构的不同而异,羟基位于Si的位时底物中的Si原子促进反应的进行，而位于Si原子的位时则相反（表2）.作者认为这是由于硅原子的电负性较碳原子低，能够稳定-碳原子的负电荷及-位碳原子的正电荷的缘故. Tab.

8、2The effects of silicon atom on the initial rate ofHLADH-catalyzed alcohol dehydrogenationSubstrateRelative activity/%Relative position of silicon atomethanol100trimethylsilylmethanol0-位2,2-dimethylpropanol752-trimethylsilylethanol209-位3,3-dimethylbutanol1461-trimethylsilyl-2-propanol106-位(±)-4

9、,4-dimethyl-2-pentanol61Sonomoto8也报道了类似的研究结果.同时发现当三甲基硅烷基中的一个甲基被苯基取代时，HLADH则不能催化其脱氢.Fukui等9研究了在水-有机溶剂两相中，利用HLADH催化手性三甲基硅丙醇的拆分，得到光学纯度大于99%的有机硅醇(见表3). Tab.3HLADH-catalyzed kinetic resolution of organosilyl alcohol in the water-organic systemSubstratet/hConversion/%eeOptical activity1-trimethylsilyl-2-p

10、ropanol95199(-)4,4-dimethyl-2-pentanol415085(-)2-trimethylsilyl-1-propanol46870(-)2,3,3-trimethyl-1-butanol97159(-)表3的结果表明，所研究底物中的硅原子能提高HLADH催化脱氢反应的立体选择性.2.2酶促有机硅化合物的酯化 Uejima等10研究了6种不同来源的脂肪酶及酯酶催化手性三甲基硅丙醇与5-苯戊酸的立体选择性酯化反应，表明脂蛋白脂肪酶和胆固醇酯酶催化的酯化反应具有较高的立体选择性.脂蛋白脂肪酶催化该酯化反应的转化率为48%时产物的光学纯度为91%；若用胆固醇酯酶催化该反应，

11、则转化率为49%时，产物的光学纯度达到93%.Fukui等11报道了木瓜蛋白酶催化有机硅醇(±)-R1(CH3)SiR2(CH2)nOH与脂肪酸C6H5(CH2)4COOH的不对称酯化反应,发现Si与羟基间的链长及取代基R1、R2对反应速度及立体选择性均有显著的影响.随着Si与羟基间碳链的加长，反应速度下降，产物的光学纯度也下降；只有R1为苯环时，才能获得较高光学纯度的产物.宗敏华等1214在研究了Candida cylindracea脂肪酶(CCL)和Mucor miehei脂肪酶(MML)催化有机硅醇的酯化反应时发现，大多数有机硅醇与其碳结构类似物相比是CCL和MML更好的底物.

12、底物中硅原子对酶反应的影响不仅因底物结构不同而异，还随脂肪酶来源不同而变化.Tsai等15探讨了CCL催化消旋萘普生与硅醇的酯化反应，证明底物浓度和溶剂的疏水性对反应有着较大的影响.Tanaka等16较系统地研究了CCL（OF-360）催化2-(4-苯氧基)丙酸与三甲基硅醇Me3Si(CH2)nOH,n=0,1,2,3及相应的碳结构类似物Me3C(CH2)nOH,n=0,1,2的酯化反应，表明底物中的硅原子能提高反应的立体选择性.2.3酶促有机硅化合物的转酯Abdel等17报道了脂肪酶CCL催化含硅丙二醇与脂肪酸酯的转酯反应，反应在-20下进行，单酯的收率为80%时，其光学纯度为70%ee，提

13、高温度可加速反应，但立体选择性显著下降.Fukui等11研究了多种水解酶催化有机硅醇(±)EtMePhSiCH2OH与脂肪酸酯（CH3COOCHCH2）的酯交换反应，使用酶催化该反应的立体选择性均较差，如以木瓜蛋白酶为催化剂，反应进行144 h,转化率为54%，光学纯度仅为49%.宗敏华等1214，18探讨了CCL和MML催化有机硅醇的酯交换反应，研究表明：反应介质、反应体系水活度、脂肪酸链长、有机硅醇的结构等对酶反应均有显著影响，与其碳结构类似物相比，所研究的大多数有机硅醇均是CCL和MML更好的底物.2.4酶促有机硅化合物的水解Jeso等19报道了猪肝酯酶（PLE）和马肝酮粉(H

14、LAP)催化含硅脂肪酸单酯（±)Me3Si(CH2)n COO Et）和二酯Me3SiCH2(R)C(CO2R)CO2R的水解反应.单酯水解的速度很快，但反应没有立体选择性.二酯水解反应的速度及产物的光学纯度因酶及底物结构的不同而异，反应介质对反应的立体选择性有较大的影响.当反应介质中含50%二甲基亚砜时，反应速度显著下降，但光学选择性大大提高，相关数据见表4. Tab.4The effects of substrate structure on the PLE- and HLAP-catalyzed hydrolysis of organosilyl esterRREnzymet/

15、hExtent hydrol/%ee/%HC2H5PLE1210010CH3C2H5PLE209280CH3C2H5PLE46.55893CH3CH3PLE7.510088CH3CH3PLE4810098HC2H5HLAP1610010CH3C2H5HLAP14410071CH3CH3HLAP211008150%DMF in the reaction medium Hengelsberg等20报道了青霉素G酰化酶(PGA,EC 3.5.1.11)催化消旋物质二甲基1-（苯乙酰胺）乙基硅的水解反应，产生光学活性物质(R)-(1-氨乙基)二甲基苯硅，反应3 h,水解率为45%，所得胺的光学纯度达到

16、92%ee.Yamanaka等21研究了猪肾酰化氨基酸水解酶(PKA)催化N-乙酰-D，L-三甲基硅-丙氨酸立体选择性水解制备光学活性三甲基硅丙氨酸反应，反应3.5 h，水解率50%，L-氨基酸光学纯度为99%以上.Tsuji等22报道了N-氨基甲酰-D-氨基酸酰胺水解酶催化N-氨基甲酰-D,L-三甲基硅-苯丙氨酸立体选择性水解制备光学活性的三甲基硅苯丙氨酸，反应120 h,水解率为49.3%，D-三甲基硅苯丙氨酸的光学纯度为97%.3展望以上报道了生物催化用于合成有机硅化合物的研究概况，尤其是光学活性的有机硅化合物的合成更是前景广阔.然而，目前的研究存在一定的局限性，一方面，研究范围较窄，生

17、物细胞催化有机硅化合物合成与转化方面，只探讨了其催化结构较简单的有机硅醇的还原，即羰基/羟基转化.酶催化方面，只研究过氧化还原酶中的醇脱氢酶及部分水解酶催化有机硅化合物的生物合成与转化作用.另一方面，深度不够，缺乏理论探索，现有的工作重点在于探索生物催化有机硅化合物合成与转化的可能性，或通过反复试验构建适宜的反应体系实现某一特定的转化，对有关的基础理论问题涉猎几乎空白.今后应广泛深入地研究各种酶催化不同结构的有机硅化合物进行各类生物转化的可能性及其相应的酶反应规律，使有机硅化合物生物合成与转化的研究与应用建立在扎实的理论基础上.刘耘（华南理工大学生物工程系，广州 510640）宗敏华（华南理工

18、大学生物工程系，广州 510640）杜伟（华南理工大学生物工程系，广州 510640）参考文献1，Tacke R,Zilch H.Sila-substitution-a useful strategy for drug design.Endeavour,1986,10(4):1911972，Tacke R,Hergelsberg H,Zilch H.Enantioselective microbial reduction of 1,1-dimethyl-1-sila-cyclohexan-2-one with growing cells of the yeast Kloeckera corti

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