第五讲生物催化氧化反应

第五讲生物催化氧化反应第一页，共七十二页，编辑于2023年，星期一生物催化氧化反应催化作用原理和特点羟化反应烯烃的环氧化拜依尔-维利格反应芳烃双羟基化反应多元醇的区域选择性氧化第二页，共七十二页，编辑于2023年，星期一催化作用原理和特点

生物催化氧化反应主要由三大类酶所催化：单加氧酶双加氧酶氧化酶第三页，共七十二页，编辑于2023年，星期一生物催化的氧化反应如下所示第四页，共七十二页，编辑于2023年，星期一单加氧酶（mono-oxygenase）催化的加氧反应是将分子氧中的一个氧原子偶合到底物分子中，另一个氧原子被还原，一般被NADH（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADPH（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）还原形成水；第五页，共七十二页，编辑于2023年，星期一双加氧酶（dioxygenase）催化的加氧反应是将O2的两个氧原子连续地偶合进底物分子中；氧化酶（oxidase）催化的氧化反应是将分子氧作为直接电子受体，催化底物脱氢，脱下的氢再与氧结合生成水或过氧化氢。第六页，共七十二页，编辑于2023年，星期一羟化反应烷烃和芳香烃的羟化按单加氧酶催化反应的机制进行。主要介绍：烷烃的羟化反应芳香族化合物的羟化第七页，共七十二页，编辑于2023年，星期一单加氧酶催化的反应往往用完整的微生物细胞作为生物催化剂，这样比较也有利于NADH或NADPH的循环使用。第八页，共七十二页，编辑于2023年，星期一1．烷烃的羟化反应有机化学合成中几乎不能将碳氢化合物中的非活泼C-H键羟化，而生物转化反应则可以直接进行羟化反应。例如，甾体分子中许多位置的选择性羟化反应能用适当的微生物来催化：第九页，共七十二页，编辑于2023年，星期一黄体酮第十页，共七十二页，编辑于2023年，星期一如黑根霉或黑曲霉能立体选择性催化孕甾酮（10.11）的11α-羟化，这样可省去常规化学合成中的许多步骤，大大降低11α-羟基孕甾醇酮的生产成本；弗氏链霉菌（Streptomycesfredial）能将化合物（10.12）的C11位β-羟基化；第十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期一9α-氟氢可的松石胆酸第十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期一玫瑰产色链霉菌能将9α-氟氢可的松（10.13）的16位α-羟基化；木贼镰孢菌生物催化可使石胆酸（10.14）的7β-羟化，并具有高度的选择性。第十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期一e.e.91%区域选择性对映异构体选择性第十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期一微生物芽孢杆菌属Bacillusmegaterium对烃（10.15）生物转化能形成不对称羟基化产物，而且其羟基化反应具有区域选择性（69％）和对映体选择性，该反应的收率为31％，对映体过量（e.e.）为91%，反应没有得到芳基氧化或过氧化产物。第十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期一2．芳香族化合物的羟化苯环羟化反应有机合成用重氮盐水解或其它取代法，涉及反应步骤繁多且副产物也多。而单加氧酶能催化邻、对位取代芳烃立体选择性羟化。第十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期一以真菌、酵母菌、高等生物体细胞单加氧酶催化芳烃羟化反应为模型，研究发现其反应机理的第一步是对芳香族化合物进行环氧化，生成不稳定的中间体芳烃氧化物，该中间体通过氢负离子迁移重排生成苯酚产物，具体反应机制如下所示。第十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期一芳香族化合物的选择性羟基化也可以通过使用完整的细胞催化进行。例如，6-羟基烟酸(10.16)是以烟酸为原料，在Pseudomonassp或Bacillussp

催化作用下完成的。第十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期一普瑞特罗(Prenalterol)（10.18）是一种治疗心血管疾病的药物，可由刺孢小克银汉霉的细胞催化其底物前体（10.17）区域选择性羟化而制得，该反应不具有对映选择性，因而产物为消旋体。普瑞特罗第二十页，共七十二页，编辑于2023年，星期一烯烃的环氧化合成小分子环氧化物可以利用单加氧酶催化烯烃的环氧化反应来制备，而且还可以制得传统化学法所不能制备的产物。在单加氧酶催化烯烃的环氧化反应过程中，需要辅酶（NAD(P)H）和分子氧的直接参与。第二十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期一如食油假单胞菌能催化烯烃的环氧化反应，此外还发现多种细菌也可催化烯烃的环氧化，所生成的环氧化物的绝对构型大多数是R型，微生物催化烯烃环氧化反应如下。第二十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期一环氧化物的构型和光学纯度与所用菌种和底物有关。如Pseudomonasoleovorans

R1=H、n-C5H11—、n-C7H15—时产物为R构型，e.e.=60-80%R1=NH2COCH2C6H4O—、CH3O(CH2)C6H4O—时为S构型，

e.e.=97%第二十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期一又如菌种Mycobacteriumsp

R1=H时产物为R构型，e.e.=98%；R1=PhO-时产物为S构型，e.e.=80%第二十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期一拜依尔-维利格反应是一种合成酯或内酯的具有很高应用价值的合成方法。酮在过氧羧酸作用下氧化生成酯或内酯的反应称为拜尔-维利格反应。生物催化拜尔-维利格反应的黄素辅基中间体与过氧羧酸类似，作为亲核试剂进攻羰基碳。第二十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期一酶法催化拜尔-维利格反应具有立体选择性，潜手性的酮能通过环己酮单加氧酶的不对称氧化生成相应的内酯，氧的插入具有很高的选择性。第二十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期一（N第二十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期一例如Acinetobactersp的环己酮单加氧酶可将潜手性酮不对称氧化为相应的内酯，氧插入位置取决于4-位取代基R的性质，其产物的立体构型取决于中间体中基团的迁移能力：当R为CH3O、Et、n-Pr和t-Bu时，产物为S构型；但当4-位为n-Bu时，其产物转变为R构型，环己酮单加氧酶催化反应如下所示。第二十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第二十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期一芳烃双羟基化反应双加氧酶分子中通常都含有一个血红素复合物和一个铁离子，它催化分子氧中的两个氧原子与底物相结合。微生物细胞中的双加氧酶可以催化芳烃化合物氧化为内过氧化物中间体，该中间体再被还原酶催化还原为顺式连二醇，生成手性顺式二醇，双加氧酶催化芳烃顺式二羟基化的反应历程如下。第三十页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第三十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期一恶臭假单胞菌的突变菌株能催化不同取代基的芳香族化合物转化为相应的手性顺式连二醇。该菌株对单取代苯和对位双取代苯顺式二羟基化所得连二醇产物构型相反。第三十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期一例如，将单取代苯对位用碘取代，苯环经双加氧酶氧化后通过还原反应再除去碘得到的连二醇产物(10.20)，它的构型与单取代苯反应后得到的连二醇产物(10.19)构型相反。第三十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期一这种构型转变与对位取代基团的性质有关，一般碘的效应大于氟和甲基，且碘最后容易用还原法除去。第三十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期一β-萘甲酸联苯类化合物第三十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期一β-萘甲酸能够被睾丸酮假单胞菌A3C氧化为顺式连二醇（10.21）。还有报道用基因工程技术构建了一株高表达的甲苯双加氧化酶的工程菌珠，这种菌可把联苯类化合物顺式二羟基化为相应连二醇类化合物（10.22）。第三十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第三十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期一多元醇的区域选择性氧化利用生物催化剂马肝醇脱氢酶(HLADH)对潜S型（pro-S）或潜R型（pro-R）羟基的氧化具有较好的选择性。第三十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期一1,5-二醇马肝醇脱氢酶第三十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期一如1,4-或1,5-二醇中，所得还原产物羟基醇会自然环合形成更稳定的5或6元环状半缩醛，最后再被HLADH氧化形成相应的内酯。第四十页，共七十二页，编辑于2023年，星期一生物催化还原反应

第四十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期一生物催化还原反应

催化作用原理和特点酮的还原反应烯烃的还原反应第四十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期一催化作用原理和特点

生物催化的还原反应使用最多的是脱氢酶，它可广泛用于催化醛或酮羰基以及烯烃碳-碳双键的还原反应。如果所转化的底物是潜手性的，则可以得到手性产物。第四十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期一常用的脱氢酶有面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶，它们催化酮不对称还原，所得还原产物仲醇的对映体过量率可接近100％。这一类酶已被广泛地用于醛和酮的还原反应中，尤其是在手性醇的合成上，具有广泛的应用前景。第四十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期一脱氢酶催化酮或烯烃的还原反应的原理是首先脱氢酶在还原型辅酶的参与下使底物加上1分子的氢，而还原型辅酶本身转化为氧化型辅酶；为了使还原反应继续进行，需要加入第二种辅助底物，作为氧化型辅酶再生的电子和质子供体。第四十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期一酶偶联法的辅酶循环

第四十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期一常用辅酶有NADH辅酶I（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADPH辅酶II（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），一般有80％的氧化还原酶以NADH作为辅酶，10％的氧化还原酶以NADPH为辅酶。少数氧化还原酶以黄素单核苷酸FMN和黄素腺嘌呤二核苷酸FAD作为辅酶。第四十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期一酮的还原反应脱氢酶可以选择性还原醛或酮为手性醇。在脱氢酶的作用下，氢负离子从醛或酮基的一个潜手性面（Si面或Re面）进攻，从而将醛或酮还原为手性(R)-或(S)-醇。第四十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期一而且大多数情况下，脱氢酶的立体选择性服从Prelog规则，即H－从空间位阻小的方向对羰基进攻，形成构象稳定的优势中间体，因此由底物的立体结构可以预测反应的产物。第四十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期一

酮的还原反应主要内容

1．马肝醇脱氢酶催化酮还原2．酵母细胞催化酮还原3．其它微生物细胞催化酮还原第五十页，共七十二页，编辑于2023年，星期一1．马肝醇脱氢酶催化酮还原马肝醇脱氢酶(HLADH)是常用的脱氢酶，其最大用途是还原中等大小的单环酮（四到九元环）和双环酮，无环酮被还原时的立体选择性低，具有空间位阻和分子结构大于萘烷的酮不宜作为该酶的底物。第五十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期一具有空间位阻的笼状多环酮，如2-三环癸酮外消旋体(10.23)被HLADH还原后，可以得到外醇和未反应的对映体酮，产物对映体过量率分别为e.e.90%和e.e.68%，反应如下。第五十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期一HLADH催化内消旋体顺式十氢萘-2,7-二酮、反式十氢萘-2，6-二酮和无手性1,2,3,4,5,6,7,8-八氢萘-2,6-二酮具体反应如下。第五十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第五十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期一还原后产生具有高度光学活性的(S)-醇，产物的对映体过量率大于98％，因此对于二环或多环酮分子中的桥头碳原子不能发生消旋化而使构型保留。第五十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期一2．酵母细胞催化酮还原面包酵母或称酿酒酵母是酮的不对称还原中应用最广泛的微生物。酵母完整细胞中含有可催化氧化还原反应的多种脱氢酶和辅酶，因此不需要额外添加辅酶循环再生系统。通过微生物转化，酵母细胞可以还原简单脂肪族酮或芳香族酮形成相应的S醇，产物具有较高的光学纯度。第五十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第五十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期一长链脂肪酮(如正丙基酮、正丁基酮和苯基酮)不能被酵母还原。只有酮分子中有甲基酮才能被酵母催化还原。环状β-二酮可被选择性地还原为β-羟基酮，而不产生二羟基化合物，式中R基团不同，产物顺反式的比例有显著差异。酵母细胞还原环状β-二酮过程如下：第五十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第五十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期一3．其它微生物细胞催化酮还原第六十页，共七十二页，编辑于2023年，星期一在前列腺素PGE2全合成中，毛霉属（M.ramamnicus）可选择性还原重要的光学中间体环戊烷三酮的其中一个羰基为醇，环戊烷三酮的选择性生物催化还原过程如下。第六十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第六十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期一其它霉菌如孢子丝菌属（Sporotriahumexile）、新月弯孢霉和出芽短柄霉也可选择性地将一些潜手性单元的羰基化合物转化为相应的手性化合物，作为合成许多复杂的天然产物分子的手性中间体。其它微生物细胞催化酮的选择性还原反应过程如下：第六十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期一第六十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期一烯烃的还原反应用传统的化学法选择性还原碳碳双键是十分困难的，而脱氢酶催化烯烃的双键还原成饱和烷烃具有很高的立体选择性，并且具有较广的底物适用性。第六十五页，共七十二页，编辑于2023年，