第四章 酶參與的不對稱合成

不對稱合成化學(xué)

asymmetricsyntheticchemistry毛金成蘇州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院第四章酶參與的不對稱合成Chapter4enzymesmediatedasymmetricreactions主要內(nèi)容4.1

酶及酶催化反應(yīng)的特點及缺點4.2酶催化還原反應(yīng)4.3

酶催化氧化反應(yīng)4.4酶催化水解反應(yīng)4.5總結(jié)4.1Chiralsynthesiswithbiocatalyst

利用純酶或有機體催化無手性、潛手性化合物轉(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物的過程。生物催化中常用的有機體主要是微生物，其本質(zhì)是利用微生物細胞內(nèi)的酶催化非天然有機化合物的生物轉(zhuǎn)化，又稱為生物轉(zhuǎn)化（microbialbiotransformation）。固定化酶和固定化細胞技術(shù)可使生物催化反應(yīng)在連續(xù)進行生物轉(zhuǎn)化，這將使生物催化法具有工業(yè)化應(yīng)用價值。酶的特征

酶是決定生物體系中化學(xué)轉(zhuǎn)化方式的卓越非凡的分子器件。酶最為顯著的特征是其催化能力和專一性。由于它們能專一性地與多種分子結(jié)合，并使化學(xué)反應(yīng)加速幾個數(shù)量級。作為一類大分子，它們在催化各種反應(yīng)時是高效率的。生物催化手性合成的反應(yīng)特點酶的反應(yīng)速度比非酶催化的反應(yīng)速度一般要快106~1012倍。酶催化劑的用量少，一般手性催化劑的用量是0.1%~1mol%，而酶催化反應(yīng)中酶的用量為10-3~10-4mol%。酶與其他催化劑一樣，僅能加快反應(yīng)的速度，但不影響反應(yīng)的熱力學(xué)平衡，酶催化的反應(yīng)往往是可逆的。生物催化手性合成的反應(yīng)優(yōu)點酶在溫和條件下進行，反應(yīng)PH為5~8，一般在7左右，反應(yīng)溫度在30℃左右。這樣可以減少不必要的副反應(yīng)，如分解、異構(gòu)和重排反應(yīng)。不同酶所催化反應(yīng)的條件往往是相同或相似的，因此，一個連續(xù)反應(yīng)可以采取多酶復(fù)合體系，使這些生物催化反應(yīng)能在同一個反應(yīng)器中進行，可以簡便操作步驟。生物催化手性合成的反應(yīng)缺點(一)盡管酶催化反應(yīng)的條件溫和，但是酶反應(yīng)參數(shù)必須精確控制。一般酶催化反應(yīng)都有其最適條件，如溫度、PH值、離子強度等。這些參數(shù)變化的范圍較小，一旦變化幅度超過它們的允許值，將會引起酶的活性喪失。酶在水溶液中表現(xiàn)出最高的催化活性，而一般都是在有機溶劑中進行，而在非水介質(zhì)中酶的活性在水溶液中低，一般降低一個數(shù)量級水平。生物催化手性合成的反應(yīng)缺點(二)酶催化反應(yīng)容易被底物或產(chǎn)物所抑制，在底物或底物濃度較高時，會引起酶活性喪失。酶是生物大分子，可能會引起過敏反應(yīng)，使用時一定要注意。許多酶都需要輔助因子或輔酶才能進行，然而輔酶一般較為昂貴，必須使用另外一種酶才能使其原位活化或再生。酶在生物催化反應(yīng)中的使用情況4.2

酶催化還原反應(yīng)

面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶能催化酮的不對稱還原，其還原產(chǎn)物仲醇的對映體過量率近100%。主要內(nèi)容輔酶的循環(huán)使用脫氫酶催化酮還原酵母細胞催化酮還原酵母細胞催化烯烴還原4.2.1輔酶的循環(huán)使用底物偶聯(lián)法酶偶聯(lián)法人工電子傳遞體總轉(zhuǎn)換數(shù)(TTN,totalturnovernumber)每摩爾輔酶用于轉(zhuǎn)化生產(chǎn)物的總摩爾數(shù)。實驗室要求：TTN至少為103~104工業(yè)生產(chǎn)要求：TTN≥105常用的輔酶氧化還原酶需要輔酶作為反應(yīng)過程中氫或電子的傳遞體。常用的輔酶有尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH(nicotinamideadeninedinucleotide)又稱輔酶I(CoI)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate)又稱輔酶II(CoII)底物偶聯(lián)法定義：在反應(yīng)過程中添加輔助底物（供體），在相同酶催化下實現(xiàn)主要底物和輔助底物同時轉(zhuǎn)化，但兩者方向相反。為了使反應(yīng)朝向所需方向進行，一般使輔助性底物過量，以保證轉(zhuǎn)換數(shù)TTN超過103。酶偶聯(lián)法

酶偶聯(lián)途徑是利用兩個平行的氧化還原反應(yīng)酶系統(tǒng)，一個酶催化底物轉(zhuǎn)化，另一個酶則催化輔酶循環(huán)再生。為了達到最佳效果，兩個酶的底物相對獨立，以避免兩個底物競爭同一個酶的活性中心。用于還原反應(yīng)的酶甲酸脫氫酶?葡萄糖脫氫酶醇脫氫酶氫化酶谷氨酸脫氫酶、乳酸脫氫酶甲酸脫氫酶

(formatedehydrogenase,FDH)該方法的最大優(yōu)點是輔助底物甲酸和反應(yīng)產(chǎn)物(CO2)對酶無毒和易于除去，F(xiàn)DH穩(wěn)定性好、易于固定化，且已可商品化供應(yīng)。該體系的缺點是FDH成本較高，酶的活性低。目前甲酸/FDH系統(tǒng)是最方便和最經(jīng)濟的NADH再生方法，特別適合于大規(guī)模重復(fù)性使用，其TTN可達103~105。其它脫氫酶葡萄糖脫氫酶葡萄糖和葡萄糖脫氫酶(glucosedehydrgenase,GDH)系統(tǒng)是另一種NADH或NADPH再生系統(tǒng)。醇脫氫酶乙醇-醇脫氫酶(alcoholdehydrogenase,ADH)系統(tǒng)用于NADH和NADPH的循環(huán)再生。氫化酶氫化酶(hydrogenase)能催化NADH再生，這種酶以分子氫直接作為氫的供體，氫有很強的還原能力，同時對酶和輔酶無毒。谷氨酸脫氫酶、乳酸脫氫酶乙醛-酵母ADH系統(tǒng)也可用于NAD-的再生，其轉(zhuǎn)換數(shù)達到103~104。該系統(tǒng)中酶容易失活是其致命的弱點。人工電子傳遞體4.2.2脫氫酶催化酮還原酵母醇脫氫酶馬肝醇脫氫酶布氏熱厭氧菌醇脫氫酶羥基甾(zai)體脫氫酶commerciallyavailable酵母醇脫氫酶(yeastalcoholdehydrogenase,YADH)

底物專業(yè)性強，只針對醛和甲基酮。馬肝醇脫氫酶(horseliveralcoholdehydrogenase,HLADH)

底物專業(yè)性不強，因而可催化多種底物還原，應(yīng)用廣，缺點是立體選擇性不高。羥基甾體脫氫酶(hydroxysteroid

dehydrogenase,HSDH)

最佳底物是烷基取代單烷酮和二環(huán)酮。布氏熱厭氧醇脫氫酶(Thermoanaerobium

brockiialcoholdehydrogenase,TBADH)

催化大分子酮還原時得到(S)-型醇，但催化小分子酮時則產(chǎn)物構(gòu)型相反。4.2.3酵母細胞催化酮還原無環(huán)酮的還原環(huán)狀酮的還原去消旋化19世紀初，人們利用面包酵母(Baker’syeast)或稱釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)被廣泛用于酮的不對稱還原反應(yīng)。它使用方便，無需特殊設(shè)備，可在普通實驗室中進行生物催化反應(yīng)，使用成本低。無環(huán)酮的還原多數(shù)長鏈酮（如n-丙基酮、n-丁基酮和苯基酮）不能被酵母還原，只有長鏈甲基酮才能被酵母催化還原。環(huán)狀酮的還原去消旋化消旋體中仲醇可以通過氧化、還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為單一對映體。仲醇消旋體中的一個對映體可以被選擇性氧化為酮（醇脫氫酶），而另一個對映體則不能被氧化。新生的酮可以再被另一個氧化還原系統(tǒng)還原為仲醇，其構(gòu)型與原仲醇構(gòu)型相反，最終使消旋體轉(zhuǎn)變單一對映，這是一項去消旋化(deracemization)技術(shù)。4.2.4酵母細胞催化烯烴還原α，β-不飽和酯的還原烯丙醇和共軛烯酮的還原硝基烯烴的還原負責(zé)這種還原反應(yīng)的酶一般是NADH所依賴的烯酸還原酶，這類酶存在于多種微生物中，如梭狀芽孢桿菌、變形桿菌屬和面包酵母等。α，β-不飽和酯的還原微生物對烯酸酯是先水解后還原，因此微生物還原反應(yīng)實際發(fā)生在烯酸階段。烯丙醇和共軛烯酮的還原硝基烯烴的還原4.3酶催化氧化反應(yīng)常用的化學(xué)氧化方法：采用金屬化合物如六價鉻、七價錳衍生物以及醋酸鉛、醋酸汞和有機過氧羧酸等作為氧化劑。缺點：缺少立體選擇性、副反應(yīng)多，且金屬氧化劑會造成環(huán)境污染。酶催化的方法：不僅可以解決這些問題，而且可使不活潑的有機化合物發(fā)生氧化反應(yīng)，如催化烷烴中的碳氫鍵羥化反應(yīng)，反應(yīng)具有區(qū)域和對映選擇性。生物催化氧化所用的酶三大類酶：單加氧酶、雙加氧酶和氧化酶主要內(nèi)容第一節(jié)單加氧化酶催化反應(yīng)第二節(jié)雙氧酶催化反應(yīng)第三節(jié)氧化酶和脫氫酶催化反應(yīng)第一節(jié)單加氧化酶催化反應(yīng)

反應(yīng)機理：單加氧酶(mono-oxygenases)可以使氧分子(O2)中一個氧化自加入到底物分子中，另一個氧原子使還原性NADH或NADPH氧化并產(chǎn)生水H2O。單加氧酶催化的反應(yīng)類型羥化反應(yīng)烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)硫原子的氧化反應(yīng)拜爾-維利格反應(yīng)羥化反應(yīng)注：反應(yīng)機理不是傳統(tǒng)