生物酶催化合成手性化合物
生物催化合手性药物
生物催化羰基合成手性药物研究及应用进展刘郭飞化学工程10103001摘要：生物催化具有高选择性、高效率、反应条件温和、环境友好等特点。
生物催化不对称合成即生物催化合成手性药物替代原有的化工合成方法日益引起人们的关注。
综述了生物催化合成药物中间体的原理进展和研究现状。
关键词：生物催化; 手性药物; 不对称合成Process of Reduction of Carbonyl Drugs with Biocatalysis Abstract：Due to the advantages including high stereoselectivity and regioselectivity,high catalytic efficiency, mild conditions, less pollution to the environment biocatalysis has been an important way to replace traditional organic synthesis.Biocatalysis, asymmetric synthesis has been become a hot field in organic synthesis. The principle and process of reduction of chiral drugs with biocatalysis are presented.Key words: biocatalysis; chiral drug; asymmetric synthesis手性药物（Chiral drug）是指有药理活性作用的对映纯化合物。
具有特定功能基团的手性醇是合成手性药物的重要中间体。
在羰基的不对称催化还原反应研究中，生物催化因其很高的立体选择性及其安全性与环境相容性，成为了很有前途的发展方向。
1 手性手性是自然界最重要的属性之一，分子的手性识别在生命活动中，起着极为重要的作用。
酶催化在手性药物合成中的应用
酶催化在手性药物合成中的应用摘要：近几年我国在生物技术发展迅速，其中酶在有机合成中的应用越加广泛，利用酶催化的不对称性可以合成许多手性分子，即利用酶促反应的高度立体、活性和区域选择性将前体化合物不对称合成各种复杂的手性化合物。
而当前我国市售的数千种合成药物中有30%以上为手性药物，由此可见酶催化作用在我国医药行业中发挥着十分重要的现实意义。
基于此，本文就酶催化在手性药物合成中的应用进行了分析。
关键词：酶催化；手性药物；合成引言酶催化反应是在常温、常压、近中性的条件下进行的一种生化反应，反应选择性强并且极为迅速，几乎没有副反应发生，催化效率极高，与工业催化相比，酶催化反应效率高出一千万甚至十万亿倍，因此其在手性药物的合成中也具有较高的优势。
一、有机介质中酶催化的基本原理生物酶的催化活性可以在水溶液、有机溶剂中发挥作用，据研究，当酶在有机溶剂中发生反应可以确保其蛋白质的天然折叠结构，同时，其在有机溶剂与在水溶液中的催化反应机理基本相同，即“酰基一酶”的催化机理。
但是就催化活性来说，包括其稳定性、专一性等方面则会根据溶剂的不同有着较大的差别。
据分析，酶的活性主要是受到酶分子上的水分的影响，因此溶剂中的水含量并不会影响其活动，由于酶的带电基团会和部分极性基团之间发生相互作用，所以在无水的情况下酶分子会形成一种非活性的刚性结构，其中微量的水分作为润滑剂，与这些功能团之间形成氢键，降低蛋白质多肽链折叠结构里带电基团之间的静电作用以及极性基团之间的偶极一偶极相互作用，最终可以有效的提高蛋白质结构的柔韧性和极化性。
二、酶催化在手性合物成中的应用（一）酶催化的不对称还原反应酶催化的不对称还原反应主要是还原分子中的酮基或碳碳双键，并以此形成特定结构型化合物，在其反应期间还需要有辅酶参与，比如NDA(H)及其相应的酸NADP(H)。
例如C=C双键的还原，以延胡索酸加成合成L一田东氨酸为例（图1）：图1（二）酶催化的不对称水解反应酶催化的不对称水解反应是手性药物合成中较为常见的一种防范，其可以通过控制立体选择性创造光学活性体，比如酯类化合物、环氧化合物的合成等方面。
14_手性药物的合成工艺及结构确证
14_手性药物的合成工艺及结构确证手性药物是指具有手性结构的药物，即分子中的官能团围绕一个手性中心呈现不对称的立体构型。
由于手性药物的立体构型对其治疗效果和副作用有重要影响，因此合成工艺和结构确证对于手性药物的研究和开发至关重要。
手性药物的合成工艺可以通过化学合成和生物合成两种方法来实现。
化学合成是利用有机合成化学方法，通过合成反应将手性药物从简单的原料合成而来。
生物合成则是利用生物体内的生物酶或酶类系统，通过生物催化合成手性药物。
化学合成手性药物的方法可以分为对映体选择合成和对映体分离两个步骤。
对映体选择合成是指通过合成方法和条件选择性地合成出其中一对映体。
通常采用手性诱导合成催化剂、手性配体或手性活化剂来实现对映体选择合成。
对映体分离是指通过物理或化学手段将混合物中的对映体分离出来。
常见的对映体分离方法包括晶体分离法、对映体选择性液体相分配法、高效液相色谱法等。
生物合成手性药物的方法主要利用生物体内的特定酶催化进行。
生物体内许多酶能够选择性地催化对映体合成，从而合成手性药物。
例如，利用酶的催化作用，可以将非手性底物在酶的作用下选择性地转化为手性产物，实现手性药物的生物合成。
手性药物的结构确证是指通过物质分析技术来确定手性药物分子的立体构型。
常见的结构分析方法包括X射线单晶衍射、核磁共振（NMR）方法、红外光谱（IR）方法等。
这些方法能够准确地确定手性药物的空间构型，从而帮助研究人员更好地理解其药效和毒性。
总之，手性药物的合成工艺和结构确证对于药物研究和开发具有重要意义。
合成工艺的研究能够提供一种可行的方法来合成手性药物，而结构确证的研究则能够帮助科研人员更好地理解手性药物的作用机制，从而为药物研发提供指导和依据。
不断发展和完善手性药物的合成工艺和结构确证方法，将有助于优化手性药物的合成过程和提高其治疗效果，从而更好地满足临床需求。
手性化合物制备的方法
化合物的两个对映体之间不仅具有不同的光学性质和物理化学性质, 而且它们具有不同的生物活 性, 比如在药理上, 药物作用包括酶的抑制、 膜的传递 、 受体结合等均和药物的立体化学有关 ; 手性 药物的对映体的生物学活性、 毒性 、 代谢和药物素质完全不同 。 手性化合物的制备已成为当前国 内外较热门的研究课题之一。 本文从非生物法和生物法两个方面较全面地综述了手性化合物的 制备方法, 希望为相关研究者提供参考。 关键词 手性化合物 制备 立体化学 手性是自然界最重要的属性之一, 分子手性识 别在生命活动中起着极为重要的作用。同一化合物 的两个对映体之间不仅具有不同的光学性质和物理 化学性质 , 而且它们具有不同的生物活性, 比如在药 理上, 药物作用包括酶的抑制、 膜的传递、 受体结合 等, 均和药物的立体化学有关 ; 手性药物的对映体的 生物学活性、 毒性、 代谢和药物素质完全不同。获得 手性化合物的方法, 不外乎非生物法和生物法两种。 1 非生物法 非生物催化主要是指采用化学控制等手段来获 得手性化合物, 它主要包括以下几方面 : 1. 1 不对称合成法制备手性化合物 手性合成已经历过相当长的历史, 但早期的科 学研究仅限于对天然产物的化学改性, 没有商业价 值。不对称合成需在反应体系中引入不对称因素 , 如手性试剂、 催化剂等。在底物分子上引入手性辅 助基团控制反应立体选择性, 需要大量手性物质, 操 作繁琐。因此化学计量型不对称合成除应用廉价天 然手性源外, 均难以工业应用。 60 年代后期出现的手性配体过渡金属络合物 催化的不对称合成, 明显优于化学计量不对称合成。 它仅用少量手性催化剂即可将大量前手性底物对映 体选择性地转化为手性产物。经过 20 多年研究已 发展成最经济有效地合成手性物质的一种方法。现
[6]
酶催化合成手性药物
酶催化合成手性药物手性药物是一类非常特殊的生物活性物质，它们具有独特的化学结构和非常复杂的生物活性，常常是一种手性异构体，其中一种具有治疗作用，而相反手性异构体则可能具有毒性。
因此手性药物的制备和纯化显得尤为重要和困难，而酶催化合成手性药物则成为了一种重要的手段。
酶是一种天然的催化剂，它具有高效、专一性、选择性、可控性等特点，因而被广泛地应用于生物化学、工业化学、药物化学领域，尤其是在手性药物合成中，酶催化技术具有独特的优势。
酶催化合成手性药物的基础是手性催化反应，即利用手性催化剂（如酶）来催化手性化合物之间的化学反应。
在手性催化反应中，不同手性异构体间的反应速率和结构是有区别的，可以实现对手性化合物的不对称合成。
酶催化合成手性药物的中心在于利用手性酶对手性底物进行催化反应，使其产生高对映选择性的产物。
酶催化合成手性药物的过程一般包括两个主要步骤：手性底物酶催化反应和后处理。
手性底物酶催化反应是酶催化合成手性药物的核心环节。
在这个过程中，酶催化剂发挥其专一性和高效性的作用，选择性地催化目标底物产生高对映选择性的产物。
目前常用的酶催化剂主要有酯酶、脱氢酶、转移酶、氨化酶、羟化酶等。
同时，为了进一步提高手性药物合成的效率和选择性，有时还需要对酶进行改造和工程。
后处理是将反应产物中残留的杂质从目标产物中分离出来的过程。
这个过程主要涉及产物分离、纯化和析出等步骤。
通常使用液-液分离、毒性除去、分子筛分离等方法来分离产物中的杂质，然后通过萃取、结晶、蒸馏等方法来纯化产物，最终通过浓缩和干燥等方法在产物中析出目标化合物。
酶催化合成手性药物的应用非常广泛。
例如，世界上最大的口服降糖药物甲磺酸二甲双胍就是通过酶催化合成而成，而亚洲唯一的口服抗癌药物伊立替康也是通过酶催化合成而成。
酶催化技术还可以用于制备氨基酸、植物生长调节剂、医疗诊断试剂等领域。
不过，酶催化合成手性药物还面临着一些挑战和难点。
例如，大多数酶的稳定性较差，容易受到反应条件的影响而失去活性；酶催化反应有时处于平衡状态，需要借助其他手段来促进反应的进行和产物的析出；还有一些合成路线非常复杂，需要进行多步反应，在每一步反应中对催化剂和反应条件进行反复优化。
生物催化原理与应用在手性药物合成领域的进展
生物催化原理与应用在手性药物合成领域的进展1.生物催化的特点生物催化是指利用酶或生物有机体（整个细胞、细胞器、组织等）作为催化剂的化学转化过程，也称为生物转化。
生物催化反应具有很高的化学选择性、区域选择性和立体选择性。
通过生物催化不对称合成技术生产手性药物得到的产物具有较高的光学活性、纯度和较高的收率，其中一些可以达到100%[1]。
微生物是生物催化中常见的有机催化剂。
其实质是利用微生物细胞中的酶催化非天然有机化合物的生物转化过程，通过分离纯化转化液可获得所需的产物[2]。
自然界中微生物种类繁多，酶含量丰富，因此微生物可以用于多种生物转化反应。
微生物生物转化反应具有高选择性，特别是高立体选择性的特点，能成功地完成常规化学方法难以实现的反应；反应条件温和，特别适合于制备不稳定化合物。
微生物生物转化可以使用游离细胞或固定化细胞作为催化剂。
到目前为止，微生物生物转化已经实现了一些有机酸、抗生素、维生素、氨基酸、核苷酸和类固醇的工业化生产[3]。
生物催化技术可以大大增加衍生物的多样性，有效地修饰复杂产物的结构，从简单分子中构建新的化合物库。
在这个过程中，经常可以发现新的生理活性物质。
使用生物催化发现先导化合物的优点是：① 广泛的可能反应；② 能够进行方向区域选择和立体选择；③无需基团保护和脱保护，一步反应即可完成；④ 在温和均匀的条件下，一步反应的自动化和再现性很容易实现；⑤ 温和的反应条件保证了复杂多变的分子结构的稳定性；⑥ 高催化活性可以减少催化剂的用量；⑦ 酶的固定化可以使催化剂重复循环使用；⑧ 生物催化剂可以在环境中完全降解。
生物催化过程通常无污染或污染较小，能耗相对较低。
这是一种环境友好的合成方法[4]。
2.手性化合物的理解和发展手性是自然界物质的基本属性，构成生命有机体的分子都是不对称分子，生命中普遍存在的糖为d型、氨基酸为l型、dna的螺旋构象和蛋白质都是右旋，并且生命体内许多内源性化合物，包括与药物发生药动学和药效学相互作用的天然大分子都具有手性。
酶催化拆分及合成重要手性中间体扁桃酸的研究进展
酶催化拆分及合成重要手性中间体扁桃酸的研究进展1张国艳吉林大学化学学院，长春（130026）E-mail：gabrilla@摘要：光学活性扁桃酸是市场潜力巨大的药物和精细化工中间体。
利用酶催化反应的底物、立体、位点和区域选择性，将化学合成的前体或外消旋衍生物转化为单一光学活性产物，反应条件温和、选择性强、副反应少、产率高、产品光学纯度高及无污染，较化工合成有明显的优势，因而开发酶催化反应已成为国际上研究的新热点。
本文结合国内外的研究，对用生物催化剂酶进行拆分及合成手性中间体扁桃酸的研究现状和发展趋势进行了论述。
关键词：生物催化剂；手性中间体；扁桃酸；酶；合成；拆分中图分类号：O643.3，Q814.9 文献标识码：A随着世界生物化工的快速发展，手性技术已成为当今有机化学的研究热点。
应用手性技术的最多的是制药领域，包括手性药物制剂，手性原料和手性中间体。
对手性药物而言，通常并非两种异构体均具有相同的药理特性，而药物的立体化学特性会影响其药效或产生毒性，因此直接合成光学纯的单一对映体或者对化学合成的消旋手性药物进行拆分，就显得十分重要。
扁桃酸，又称作苦杏仁酸或苯羟乙酸，主要用于医药工业，可以合成医药环扁桃酯、扁桃酸乌洛托品、扁桃酸苄酯等。
环扁桃酯是一种疗效显著的血管扩张剂；扁桃酸乌洛托品用于细菌性尿路感染杀菌剂消炎药物；扁桃酸苄酯是一种镇痉药物。
光学拆分所得到的右旋和左旋扁桃酸大部分用作光学拆分剂，在美国抗生素头孢孟多中大量使用。
随着应用研究不断深入，扁桃酸及其衍生物许多新的用途被开发出来，目前国际市场上扁桃酸需求约以年均10 ％左右速度增长，尤其是单一性化合物需求增长速度更快，成为热点的精细化工中间体。
生物催化的发展可以满足制药领域对于光学活性化合物的日益增长的需求，它可以降低化学原料的消耗、减少污染，是真正的绿色化学。
酶催化是生物催化中重要的工具之一，酶法转化、拆分、合成手性药物及精细化工品是现代酶工程的热点。
有机化学中的手性分子合成和反应机理探究
有机化学中的手性分子合成和反应机理探究有机化学是研究碳和碳氢化合物的化学性质和反应机理的科学。
在有机化学中，手性分子合成和反应机理一直是研究的重点和难点。
本文将从手性分子合成方法、手性控制机理以及手性反应机理三方面来探究有机化学中的手性分子合成和反应机理。
手性分子合成方法手性分子合成方法是指通过某些技术手段合成手性分子的方法。
手性分子是指分子无平面对称的有机化合物，包括左旋和右旋两种异构体。
这两种异构体在物理性质和化学性质上大多数相同，但具有不同的光学活性和生物活性。
因此，在制药工业、医学和生物化学等领域中，手性分子合成和分离技术具有重要的应用价值。
1. 使用手性试剂使用手性试剂是最常见的手性分子合成方法之一。
这种方法是通过引入手性试剂作为催化剂或反应物，使得反应生成手性产物。
例如，使用手性催化剂对酮和胺进行不对称氢化反应时，得到的产物是具有手性的药用原料。
2. 利用手性分离技术手性分离技术是指通过物理或化学手段分离出手性异构体的方法。
例如，利用手性柱层析技术可以从混合物中分离出左旋或右旋的手性分子。
这种方法适用于制备单一左旋或右旋手性产物。
3. 利用生物酶催化合成利用生物酶催化合成是指通过利用酶催化合成反应合成手性产物。
例如，利用乳酸脱氢酶酶催化反应可以从混合物中分离出单一的左旋或右旋乳酸。
手性控制机理手性控制机理是指通过对反应条件、反应介质等参数的调控，实现手性产物选择性合成的原理。
手性控制机理与化学反应机理密不可分，是手性分子化学研究的核心。
1. 手性接受位手性接受位是指分子中的一个具有局部手性的结构单元，在反应过程中控制产物的手性产生。
这类手性接受位包括手性中心、手性手性识别结构、手性水解和催化位等。
例如，利用手性中心结构的左旋木糖为反应物可以得到单一的左旋产物。
2. 手性识别机制手性识别机制是通过手性成对反应中参与的手性分子之间的相互作用来实现手性控制的原理。
例如，利用具有拟手性的锂盐对酰亚胺进行加成反应，可以得到高对映选择性的手性产物。
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酶的固载化： 酶的固载化：
包囊 吸附 共价键合 膜反应器 超临界流体 离子液
固载化-包囊 固载化 包囊
OH OAc Lipase C5H11 OAc C5H11 R C5H11 OH S
Chem. Commun. 2000, 1367.
Ionic Liquids
J.M.C.A. 2004, 214, 113.
总结
脂肪酶) 酶(脂肪酶 水解或酯化 脂肪酶 外消旋底物 内消旋底物 固载化 动力学拆分 去对称化
可提高稳定性和活性 对不对称诱导影响不大
展望(从化学角度 展望 从化学角度) 从化学角度
(Unit: 100 million $)
2000 350 452 614 706 812 934 1180
Chem. & Eng. News, 2001, Vol. 79, No. 40, pp79
1330
1718
获得手性化合物途径： 获得手性化合物途径： 拆分 衍生 化学手性催化 生物酶催化 生物酶催化的优越性(与化学催化相比)： 生物酶催化的优越性(与化学催化相比) 催化条件温和 催化效率高 1010倍 高选择性(底物，区域，位点，立体) 高选择性(底物，区域，位点，立体) 低能耗 绿色过程
O. L. 2001. 3. 4099.
去对称化
HO H H OH Me Me
脂肪酶
H H O Me O
HO
Me
Байду номын сангаас
针对内消旋底物 只与一侧反应 选择性与酶有关 产物对称面消失 产物产生手性 理论产率100% 理论产率
水解 酯化
去对称化-水解 去对称化 水解
酶选择性的水解一个酯基 产率57％, ee>99%. 产率 ％
加氧酶 10% 氧化还原酶 (细胞) 11% 腈水合酶 5%
脂肪酶
25% 其他水 解酶 2% 酯酶 氧化还原酶15% 4%
蛋白酶 18%
酶催化的不对称反应发表的文章数
300
200
100
0
1999
2000
2001
2002
2003
2004
所有酶催化不对称反应 脂肪酶 催化不对称反应
脂肪酶来源
OH HOOC-R O O C R O O C R O O C R
O OMe (S) O Me O O OH
膜反应器96%ee 膜反应器 未固载98%ee 未固载 两相反应90%ee 两相反应
聚酰胺膜： 聚酰胺膜： 固载酶 微乳： 微乳： 不对称反应 有机相含底物 分离产物 大反应界面 渗透水 水相萃取产物 保留微乳
BioEng 2003, 84, 677.
固载化:超临界流体和离子液 固载化 超临界流体和离子液
沙利多胺 (Thalidomide)
O H N O O O O H N O
*
N N O O
(R): 镇静剂
(S): 致畸性
全世界手性化合物需求逐年上升
2100 1800 1500 1200 900 600 300 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2005 2008
动力学拆分-水解 动力学拆分 水解
一步法制备两类有价值的中间体 胺基酸和β 内酰胺( β-胺基酸和β-内酰胺(Ee%>98%)
O.L. 2003, 5, 1209.
动力学拆分-偶合加氢和外消旋化反应 动力学拆分 偶合加氢和外消旋化反应
Pd/C和Lipase偶合，底物定量转化为纯手性产物 和 偶合， 偶合
Lipases
Time Alcohol h
Acetate
Yield% Ee％ Yield% Ee% 46 45 46 >99 >99 >99 44 46 46 >99 >99 >99
PS PS-硅藻土 硅藻土 PS-陶瓷 陶瓷
180 75 13
T.A. 2002, 13, 2039.
固载化-膜反应器 固载化 膜反应器
脂肪酶
OH ＋ HOOC-R OH HOOC-R
甘油
脂酸
脂肪
R = C17H35, C16H33, C16H31
脂肪酶
O R1 R2 X
水解 酯化
R1COOH + R2XH, X: O, NH
动力学拆分
去对称化
手性酸 醇 胺 酯 酰胺
动力学拆分
OH Ph Ph OH
针对外消旋底物 选择其中一种构型反应 保留另一种构型
Seminar II
生物酶催化合成手性化合物 及其固载化研究
学生： 学生：张慧东 导师：李灿 导师：
2004.9.18
手性
镜平面 对映体 A
对映体 B
A-B ee%＝ A+B
×100
生物分子皆具有手性。手性药物，香料， 生物分子皆具有手性。手性药物，香料，食品添加剂等精细化学 品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外， 品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外，手性 非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。 非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。
酶存在下，酸碱催化水解硅酯 酶存在下， Si(OR)4与RSi(OR)3之比为 ，形成疏水空穴 之比为1:5， 热稳定性增加 活性增加2 活性增加2－8倍； 循环20 20次 保留70 活性。 70％ 循环20次，保留70％活性。 Adv. Synth. Catal. 2001. 343. 711
固载化-吸附 固载化 吸附
酶活性位特点： 酶活性位特点：
三维立体结构 位于酶分子表面的一个裂隙内 由几个氨基酸组成，占酶分子体的2％ 由几个氨基酸组成，占酶分子体的2 具有柔性和可运动性 底物与酶以次级键结合 催化为诱导契合机理
合成手性化合物的酶的比例(系统命名 合成手性化合物的酶的比例 系统命名) 系统命名
裂解酶及 其他酶 10%
JOC, 2004, 69, 2478.
去对称化-酯化 去对称化 酯化
用EtO-，可避免产物的消旋化. ，可避免产物的消旋化.
JOC, 2002, 67, 411
酶催化的不足： 酶催化的不足：
稳定性差 易失活 催化过程的操作范围通常较窄 通常仅在水溶液中表现出高活性 分离循环使用较难
解决方法： 解决方法：
O
脂肪酶
选择性与酶有关 理论转化率50％ 理论转化率50％ 50
OH Ph Ph
O
酯化 水解 偶合其他反应
动力学拆分-酯化 动力学拆分 酯化
JOC, 2003, 68, 6899
动力学拆分-酯化 动力学拆分 酯化
40%yie, 93%ee
T.A. 2002, 13, 511.
Ee%>95%
T. 2002, 58, 2973.
1.扩充反应和底物的类型 1.扩充反应和底物的类型 2.优化酶催化条件 2.优化酶催化条件 3.改善酶稳定性，提高可重复使用能力 3.改善酶稳定性， 改善酶稳定性 4.探求底物结构和反应选择性相关性 4.探求底物结构和反应选择性相关性 5.化学模拟酶 5.化学模拟酶
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