浅谈生物催化的不对称合成
时间：2021-02-05 04:00:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】生物催化的不对称合成又叫生物催化的手性合成,是一个由有机化学、生物化学和微生物化学等多学科交叉的研究领域。应用微生物或酶催化制备光学活性的化合物被证明是非常有用的工具,其对环境友好,反应条件温和,具有高度的立体选择性,可以利用种类繁多的微生物库来选择合适的催化剂。因而利用生物法催化的手性合成,日益引起了人们的广泛关注和兴趣,逐渐发展成为生物学家和化学家们共同关注的合成方法。本文就近几年来这方面的研究作一个综述性的介绍。
【关键词】生物催化 不对称合成 酶 诱导剂 生物转化
【中图分类号】Q621.34 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2010)09-0039-02
生物催化的手性合成(chiral synthesis with biocatalyst)是指利用纯酶或有机体催化无手性、潜手性化合物转变为手性产物的过程。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,又称微生物生物转化(microbial biotransformation)。固定化酶和固定细胞技术可使生物催化反应在固定床内连续进行生物转化,这将使得生物催化法具有工业化应用价值。在生物催化手性合成反应中,可以用离体酶或完整细胞作催化剂。许多酶都需要辅助因子或辅酶才能进行反应。由于细胞能自身合成这些因子,因此,用生长的细胞进行转化则不需要添加这些辅助因子。而当使用无细胞的纯酶时则需要添加这些辅助因子,ATP、NADH或NADPH是最常用的辅酶。酶催化反应具有高效性和立体选择性,它催化的化学反应具有化学、区域和对映选择性。
一 非水介质中的生物催化反应
有机物一般都是在非水介质中合成的,而天然酶主要是在水溶液中催化反应。事实上,生物体内一些结合在膜上的酶也是在疏水环境中起催化反应,因此,非水介质中的生物催化反应成为手性合成研究的一个活跃领域。反应中常用的非水介质体系有:水-有机溶剂两相体系、反向胶束体系、单相水不互溶有机溶剂体系、水互溶有机溶剂单相体系等。许多酶在非水介质中的催化活性下降,影响其活性的主要因素很多,如溶剂性质、水含量、pH值、扩散因素、底物和产物的溶剂化等。
二 酰胺化反应
水解酶在有机溶剂中能催化酯氨解合成酰胺,当N-型亲核试剂如氨、胺或胼参与酰基转化反应时,胺或胼通过亲核反应能捕获酶一酰基中间体中的酰基形成N-酰基衍生物。由于反应过程中离去分子醇的亲核性比氨、胺或胼的亲核性弱,即生成的酰胺类化合物比酯类化合物稳定,因此酯的氨解反应被认为是不可逆反应。酶催化酰胺化反应具有手性识别作用,可用于消旋体胺的拆分。枯草杆菌蛋白酶在有机溶剂中能催化消旋体Ot一甲基苄胺与丁酸三氟乙酯进行立体选择转酰基反应,从而拆分消旋体。有机溶剂对反应的选择性影响很大,若用极性溶剂取代亲酯性溶剂可使反应的选择性增加。
三 氧化反应
生物催化氧化反应主要由三大类酶所催化:单加氧酶、双加氧酶和氧化酶。氧化反应表面上看是加氧或脱氢,其本质是电子的得失。单加氧酶和双加氧酶能直接在底物分子中加氧,而氧化酶则是催化底物脱氢,脱下的氢再与氧结合生成水或过氧化氢。
1.烯烃的环氧化
手性环氧化物是化学合成领域中的一个极其重要的中间体,可与多种亲核试剂反应制备具有独特生物活性物质的手性中间体。光学纯环氧化物合成研究成为当今研究的热点。利用生物法进行环氧化物的不对称合成,避免了化学合成的反应范围狭窄,重金属离子污染等种种缺陷,逐渐发展成为生物学家和化学家们共同关注的一种新颖合成法。由于这类产物作为手性源中间体的特殊性,因而是近年来研究文献报道较多的生物手性催化类型之一。
2.氧化酶和脱氢酶催化反应
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。脱氢酶可以催化氧化和还原双向可逆反应,一般以催化还原反应为主,但根据需求设定反应条件可以使还原反应转化为氧化反应。采用脱氢酶催化氧化可使反应具有高度立体选择性。
四 还原反应
生物催化的还原反应在手性合成中有着重要的应用。脱氢酶被广泛用于醛或酮羰基以及烯烃—碳双键的还原,这种生物催化反应可使潜手性底物转化为手性产物。面包酵母醇和马肝醇脱氢酶能催化酮不对称还原,其还原产物中醇的对映体过量率接近100%。
1.无环酮的还原
简单脂肪族酮或芳香族酮被酵母还原时遵循Prelog规则,产生相应(S)醇,产物具有较高的光学纯度。同时,这类酶催化反应还需要辅酶NAD(P)H的参与。一般情况下,细胞中的NAD(P)H数量很少。因此,在这类反应中必须有再生辅酶NAD(P)H才能使反应继续进行下去。完整细胞可以利用葡萄糖和其他碳源,在其代谢过程中产生与还原反应相耦合的NAD(P)H。这就解决了反应过程中辅酶的再生问题。无环卢-酮酯易被酵母还原为卢-羟酯,后者可作为卢-内酰胺、昆虫激素和类胡萝卜素等合成的手性源。还原醇宿手性中心构型由底物结构决定,即与羰基两侧取代基大小有关。面包酵母中存在多种脱氢酶,它们对同一底物具有不同的立体化学选择性。D.型脱氢酶(属于脂肪酸合成酶系)对具有短链醇基的卢-酮酯有高反应活性;而￡一型脱氢酶则对具有长链醇基的卢-酮酯有较高活性。因此,还原反应的立体化学结构可以通过对底物的设计而实现。以2-辛酮和4-氯乙酰乙酸乙酯(COBE)为模型底物以酵母细胞催化还原,2-辛酮的产物主要是S型的2-辛醇,且对映体选择性很高。实验证明能源供体、蔗糖浓度、反应温度、底物加量和压榨酵母用量等因素对产物得率和对映体过量值的影响,从而得出乙酰乙酸乙酯不对称生物还原反应的最适条件。
2.环状酮的还原
环状-二酮可被选择性还原成B-羟基酮,而不产生二羟基化合物。其产物具有两个手性中心,一个来自羰基的不对称还原,另一个来自前手性四面体碳中心。由于空间位阻的原因,两个羰基中只有一个能被还原。值得注意的是这种化合物中碳原子上氢具有酸性,容易导致底物与乙醛形成化学缩合物,这种反应在酵母发酵过程中经常出现。非对映异构体的选择性与对映异构体的选择性主要由R基团和环的大小决定。这类产物是合成天然产物的重要手性单元。对于小环来说,顺式产物优先生成,且具有极高的光学纯度。但是,当环扩大后,其产物的非对映选择性难以预测,且产率下降。环状-酮酯被酵母还原为顺式-羟基酯。而反式-非对映体却不能形成。这是由于在这种结构中,卢-碳碳键不能旋转,增加了分子钢性所致。由于环状卢-酮酯还原反应的对映体选择性总是比无环类酮酯还原反应的对映选择性高,可通过在环结构中引入硫原子,待生物转化后再把硫原子除去(Raney-Ni还原),这样可以获得具有特定构型的开链产物。
3.酵母细胞催化烯烃还原
生物催化潜手性烯烃双键的还原具有立体选择性,这是常规化学还原法无法实现的。负责这种还原反应的酶一般是NADH依赖的烯酸还原酶,这类酶存在于多种微生物中。烯酸还原的立体化学过程已被阐明,氢反式加成到C=C双键中,在植物细胞培养中却发现了顺式加成。烯酸还原酶对连用吸电子基团的烯烃双键表现出更高的还原活性。
五 水解反应
水解酶(hydrolases)是最常见的生物催化剂,占生物催化反应用酶的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。微生物水解酶(1ipases)在水解反应中使用较多,而猪肝酶(pig liver esterase,PLE)和马肝酯酶(horse liver esterase,HLE)使用相对较少,这些酶对羧酸酯具有高度立体选择性。
