酶参与的不对称合成

不对称合成化学

asymmetricsyntheticchemistry毛金成苏州大学化学化工学院第四章酶参与的不对称合成Chapter4enzymesmediatedasymmetricreactions主要内容4.1酶及酶催化反响的特点及缺点4.2酶催化复原反响4.3酶催化氧化反响4.4酶催化水解反响4.5总结4.1Chiralsynthesiswithbiocatalyst利用纯酶或有机体催化无手性、潜手性化合物转化为手性产物的过程。生物催化中常用的有机体主要是微生物，其本质是利用微生物细胞内的酶催化非天然有机化合物的生物转化，又称为生物转化〔microbialbiotransformation〕。固定化酶和固定化细胞技术可使生物催化反响在连续进行生物转化，这将使生物催化法具有工业化应用价值。酶的特征酶是决定生物体系中化学转化方式的卓越非凡的分子器件。酶最为显著的特征是其催化能力和专一性。由于它们能专一性地与多种分子结合，并使化学反响加速几个数量级。作为一类大分子，它们在催化各种反响时是高效率的。生物催化手性合成的反响特点酶的反响速度比非酶催化的反响速度一般要快106~1012倍。酶催化剂的用量少，一般手性催化剂的用量是0.1%~1mol%，而酶催化反响中酶的用量为10-3~10-4mol%。酶与其他催化剂一样，仅能加快反响的速度，但不影响反响的热力学平衡，酶催化的反响往往是可逆的。生物催化手性合成的反响优点酶在温和条件下进行，反响PH为5~8，一般在7左右，反响温度在30℃左右。这样可以减少不必要的副反响，如分解、异构和重排反响。不同酶所催化反响的条件往往是相同或相似的，因此，一个连续反响可以采取多酶复合体系，使这些生物催化反响能在同一个反响器中进行，可以简便操作步骤。生物催化手性合成的反响缺点(一)尽管酶催化反响的条件温和，但是酶反响参数必须精确控制。一般酶催化反响都有其最适条件，如温度、PH值、离子强度等。这些参数变化的范围较小，一旦变化幅度超过它们的允许值，将会引起酶的活性丧失。酶在水溶液中表现出最高的催化活性，而一般都是在有机溶剂中进行，而在非水介质中酶的活性在水溶液中低，一般降低一个数量级水平。生物催化手性合成的反响缺点(二)酶催化反响容易被底物或产物所抑制，在底物或底物浓度较高时，会引起酶活性丧失。酶是生物大分子，可能会引起过敏反响，使用时一定要注意。许多酶都需要辅助因子或辅酶才能进行，然而辅酶一般较为昂贵，必须使用另外一种酶才能使其原位活化或再生。酶在生物催化反响中的使用情况4.2酶催化复原反响面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化酮的不对称复原，其复原产物仲醇的对映体过量率近100%。主要内容辅酶的循环使用脱氢酶催化酮复原酵母细胞催化酮复原酵母细胞催化烯烃复原辅酶的循环使用底物偶联法酶偶联法人工电子传递体总转换数(TTN,totalturnovernumber)每摩尔辅酶用于转化生产物的总摩尔数。实验室要求：TTN至少为103~104工业生产要求：TTN≥105常用的辅酶氧化复原酶需要辅酶作为反响过程中氢或电子的传递体。常用的辅酶有尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH(nicotinamideadeninedinucleotide)又称辅酶I(CoI)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate)又称辅酶II(CoII)底物偶联法定义：在反响过程中添加辅助底物〔供体〕，在相同酶催化下实现主要底物和辅助底物同时转化，但两者方向相反。为了使反响朝向所需方向进行，一般使辅助性底物过量，以保证转换数TTN超过103。酶偶联法酶偶联途径是利用两个平行的氧化复原反响酶系统，一个酶催化底物转化，另一个酶那么催化辅酶循环再生。为了到达最正确效果，两个酶的底物相对独立，以防止两个底物竞争同一个酶的活性中心。用于复原反响的酶甲酸脱氢酶♥葡萄糖脱氢酶醇脱氢酶氢化酶谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶甲酸脱氢酶

(formatedehydrogenase,FDH)该方法的最大优点是辅助底物甲酸和反响产物(CO2)对酶无毒和易于除去，FDH稳定性好、易于固定化，且已可商品化供给。该体系的缺点是FDH本钱较高，酶的活性低。目前甲酸/FDH系统是最方便和最经济的NADH再生方法，特别适合于大规模重复性使用，其TTN可达103~105。其它脱氢酶葡萄糖脱氢酶葡萄糖和葡萄糖脱氢酶(glucosedehydrgenase,GDH)系统是另一种NADH或NADPH再生系统。醇脱氢酶乙醇-醇脱氢酶(alcoholdehydrogenase,ADH)系统用于NADH和NADPH的循环再生。氢化酶氢化酶(hydrogenase)能催化NADH再生，这种酶以分子氢直接作为氢的供体，氢有很强的复原能力，同时对酶和辅酶无毒。谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶乙醛-酵母ADH系统也可用于NAD-的再生，其转换数到达103~104。该系统中酶容易失活是其致命的弱点。人工电子传递体脱氢酶催化酮复原酵母醇脱氢酶马肝醇脱氢酶布氏热厌氧菌醇脱氢酶羟基甾(zai)体脱氢酶commerciallyavailable酵母醇脱氢酶(yeastalcoholdehydrogenase,YADH)底物专业性强，只针对醛和甲基酮。马肝醇脱氢酶(horseliveralcoholdehydrogenase,HLADH)底物专业性不强，因而可催化多种底物复原，应用广，缺点是立体选择性不高。羟基甾体脱氢酶(hydroxysteroiddehydrogenase,HSDH)最正确底物是烷基取代单烷酮和二环酮。布氏热厌氧醇脱氢酶(Thermoanaerobiumbrockiialcoholdehydrogenase,TBADH)催化大分子酮复原时得到(S)-型醇，但催化小分子酮时那么产物构型相反。酵母细胞催化酮复原无环酮的复原环状酮的复原去消旋化19世纪初，人们利用面包酵母(Baker’syeast)或称酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)被广泛用于酮的不对称复原反响。它使用方便，无需特殊设备，可在普通实验室中进行生物催化反响，使用本钱低。无环酮的复原多数长链酮〔如n-丙基酮、n-丁基酮和苯基酮〕不能被酵母复原，只有长链甲基酮才能被酵母催化复原。环状酮的复原去消旋化消旋体中仲醇可以通过氧化、复原反响转化为单一对映体。仲醇消旋体中的一个对映体可以被选择性氧化为酮〔醇脱氢酶〕，而另一个对映体那么不能被氧化。新生的酮可以再被另一个氧化复原系统复原为仲醇，其构型与原仲醇构型相反，最终使消旋体转变单一对映，这是一项去消旋化(deracemization)技术。酵母细胞催化烯烃复原α，β-不饱和酯的复原烯丙醇和共轭烯酮的复原硝基烯烃的复原负责这种复原反响的酶一般是NADH所依赖的烯酸复原酶，这类酶存在于多种微生物中，如梭状芽孢杆菌、变形杆菌属和面包酵母等。α，β-不饱和酯的复原微生物对烯酸酯是先水解后复原，因此微生物复原反响实际发生在烯酸阶段。烯丙醇和共轭烯酮的复原硝基烯烃的复原4.3酶催化氧化反响常用的化学氧化方法：采用金属化合物如六价铬、七价锰衍生物以及醋酸铅、醋酸汞和有机过氧羧酸等作为氧化剂。缺点：缺少立体选择性、副反响多，且金属氧化剂会造成环境污染。酶催化的方法：不仅可以解决这些问题，而且可使不活泼的有机化合物发生氧化反响，如催化烷烃中的碳氢键羟化反响，反响具有区域和对映选择性。生物催化氧化所用的酶三大类酶：单加氧酶、双加氧酶和氧化酶主要内容第一节单加氧化酶催化反响第二节双氧酶催化反响第三节氧化酶和脱氢酶催化反响第一节单加氧化酶催化反响反响机理：单加氧酶(mono-oxygenases)可以使氧分子(O2)中一个氧化自参加到底物分子中，另一个氧原子使复原性NADH或NADPH氧化并产生水H2O。单加氧酶催化的反响类型羟化反响烯烃的环氧化反响硫原子的氧化反响拜尔-维利格反响羟化反响注：反响机理不是传统意义上的直接羟化，而是通过β-氧化过程而完成的〔脱氢、水合〕。对羟化反响的认识提高选择性的途径：〔1〕改变培养条件，增加细胞代谢压力；〔2〕广泛筛选不同的微生物菌种；〔3〕底物修饰目前对反响过程中底物的氧化位点还不能预测，但是已经发现一些有效的方法可以提高选择性。羟化反响实例介绍烯烃的环氧化反响特点：针对很多小分子的烯烃环氧化合物〔通过传统环氧化方法不能得到〕效果显著！硫原子的氧化拜尔-维利格反响拜尔-维利格(Baeyer-Villiger)BV反响是指利用过氧羧酸氧化酮生成酯或内酯，这是一个具有很高应用价值的有机合成反响。PossiblemechanismaboutBVreactionBV反响的应用实例第二节双氧酶催化的氧化反响双氧酶(dioxygenases)，又称双加氧酶，能催化氧分子中两个氧原子都参加到一个底物分子中。这类酶一般含有紧密结合的铁原子，如血红素铁。烯烃的氢过氧化反响芳烃双羟基化反响烯烃的氢过氧化反响辣根过氧化物醇催化消旋体轻过氧化物的拆分芳烃双羟基化反响顺式环状二连醇的应用氧化酶和脱氢酶催化反响氧化酶催化电子转移到分子氧中，以氧作为电子受体，最终生成水或过氧化氢。氧化酶：黄素蛋白氧化酶〔氨基酸氧化酶、葡萄糖氧化酶〕、金属黄素蛋白氧化酶〔醛氧化酶〕和血红素蛋白氧化酶〔过氧化氢酶、过氧化物酶〕等。脱氢酶可以催化氧化和复原双向可逆反响，一般可以催化复原反响为主，但根据需求设定反响条件可以使复原反响转化为氧化反响。当底物为复原态物质，辅酶是氧化态时，脱氢酶那么催化氧化反响。而相反条件下脱氢酶那么催化复原反响为主。4.4酶催化水解反响水解酶(hydrolases,EC3,x,x,x)是最常用的生物催化剂，占生物催化反响用酶的65%。它们能水解酯、酰胺、蛋白质、核酸、多糖、环氧化物和腈等化合物。目前水解反响的类型酯水解酯的结构类型：(I)型酯:手性中心在羧酸局部(II)型酯手性中心在醇局部(I)型酯的水解：猪肝酯酶猪肝酯酶(PigLiverEsterase,PLE)是常用的一种酯酶。这种梅组成比较复杂，一般至少有5种同功能组成，每一个同功酶又是由三个亚基组成。由于它们具有相似的立体选择性，因此，这一粗酶混合物仍被视为是一种单纯酶。(II)型酯的水解微生物酯酶具有酯酶活性的蛋白酶α-胰凝乳蛋白酶枯草杆菌蛋白酶霉素酰化蛋白酶米曲通蛋白酶灰白链霉菌蛋白酶要求底物分子含一个亲水基团和一个憎水基团水解酯类化合物水解苯乙酸酯具有空间位阻酯类的水解拆分拆分消炎药酮咯酸(ketorolac)乙酯脂肪酶环氧化合物的水解腈水解酰胺水解

氨基酸酰胺酶(amidase)又称氨基肽酶，存在于动物肾脏、胰腺和微生物中，特别是假单胞菌、曲霉和红球菌中含量丰富。它能催化消旋体氨基酸酰胺选择性地水解生成L–氨基酸。酰化酶：胺基酰化