酶參與的不對(duì)稱(chēng)合成

不對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)合成Chapter4enzymesmediatedasymmetricreactions主要內(nèi)容4.1酶及酶催化反響的特點(diǎn)及缺點(diǎn)4.2酶催化復(fù)原反響4.3酶催化氧化反響4.4酶催化水解反響4.5總結(jié)4.1Chiralsynthesiswithbiocatalyst利用純酶或有機(jī)體催化無(wú)手性、潛手性化合物轉(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物的過(guò)程。生物催化中常用的有機(jī)體主要是微生物，其本質(zhì)是利用微生物細(xì)胞內(nèi)的酶催化非天然有機(jī)化合物的生物轉(zhuǎn)化，又稱(chēng)為生物轉(zhuǎn)化〔microbialbiotransformation〕。固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)可使生物催化反響在連續(xù)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，這將使生物催化法具有工業(yè)化應(yīng)用價(jià)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(zhuān)一性。由于它們能專(zhuān)一性地與多種分子結(jié)合，并使化學(xué)反響加速幾個(gè)數(shù)量級(jí)。作為一類(lèi)大分子，它們?cè)诖呋鞣N反響時(shí)是高效率的。生物催化手性合成的反響特點(diǎn)酶的反響速度比非酶催化的反響速度一般要快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%，而酶催化反響中酶的用量為10-3~10-4mol%。酶與其他催化劑一樣，僅能加快反響的速度，但不影響反響的熱力學(xué)平衡，酶催化的反響往往是可逆的。生物催化手性合成的反響優(yōu)點(diǎn)酶在溫和條件下進(jìn)行，反響PH為5~8，一般在7左右，反響溫度在30℃左右。這樣可以減少不必要的副反響，如分解、異構(gòu)和重排反響。不同酶所催化反響的條件往往是相同或相似的，因此，一個(gè)連續(xù)反響可以采取多酶復(fù)合體系，使這些生物催化反響能在同一個(gè)反響器中進(jìn)行，可以簡(jiǎn)便操作步驟。生物催化手性合成的反響缺點(diǎn)(一)盡管酶催化反響的條件溫和，但是酶反響參數(shù)必須精確控制。一般酶催化反響都有其最適條件，如溫度、PH值、離子強(qiáng)度等。這些參數(shù)變化的范圍較小，一旦變化幅度超過(guò)它們的允許值，將會(huì)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(jī)溶劑中進(jìn)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(gè)數(shù)量級(jí)水平。生物催化手性合成的反響缺點(diǎn)(二)酶催化反響容易被底物或產(chǎn)物所抑制，在底物或底物濃度較高時(shí)，會(huì)引起酶活性喪失。酶是生物大分子，可能會(huì)引起過(guò)敏反響，使用時(shí)一定要注意。許多酶都需要輔助因子或輔酶才能進(jìn)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。酶在生物催化反響中的使用情況4.2酶催化復(fù)原反響面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶能催化酮的不對(duì)稱(chēng)復(fù)原，其復(fù)原產(chǎn)物仲醇的對(duì)映體過(guò)量率近100%。主要內(nèi)容輔酶的循環(huán)使用脫氫酶催化酮復(fù)原酵母細(xì)胞催化酮復(fù)原酵母細(xì)胞催化烯烴復(fù)原輔酶的循環(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(shí)驗(yàn)室要求：TTN至少為103~104工業(yè)生產(chǎn)要求：TTN≥105常用的輔酶氧化復(fù)原酶需要輔酶作為反響過(guò)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(chēng)輔酶I(CoI)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH(nicotinamideadeninedinucleotidephosphate)又稱(chēng)輔酶II(CoII)底物偶聯(lián)法定義：在反響過(guò)程中添加輔助底物〔供體〕，在相同酶催化下實(shí)現(xiàn)主要底物和輔助底物同時(shí)轉(zhuǎn)化，但兩者方向相反。為了使反響朝向所需方向進(jìn)行，一般使輔助性底物過(guò)量，以保證轉(zhuǎn)換數(shù)TTN超過(guò)103。酶偶聯(lián)法酶偶聯(lián)途徑是利用兩個(gè)平行的氧化復(fù)原反響酶系統(tǒng)，一個(gè)酶催化底物轉(zhuǎn)化，另一個(gè)酶那么催化輔酶循環(huán)再生。為了到達(dá)最正確效果，兩個(gè)酶的底物相對(duì)獨(dú)立，以防止兩個(gè)底物競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)酶的活性中心。用于復(fù)原反響的酶甲酸脫氫酶?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(diǎn)是輔助底物甲酸和反響產(chǎn)物(CO2)對(duì)酶無(wú)毒和易于除去，F(xiàn)DH穩(wěn)定性好、易于固定化，且已可商品化供給。該體系的缺點(diǎn)是FDH本錢(qián)較高，酶的活性低。目前甲酸/FDH系統(tǒng)是最方便和最經(jīng)濟(jì)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(dá)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(qiáng)的復(fù)原能力，同時(shí)對(duì)酶和輔酶無(wú)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)到達(dá)103~104。該系統(tǒng)中酶容易失活是其致命的弱點(diǎn)。人工電子傳遞體脫氫酶催化酮復(fù)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(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，只針對(duì)醛和甲基酮。馬肝醇脫氫酶(horseliveralcoholdehydrogenase,HLADH)底物專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)，因而可催化多種底物復(fù)原，應(yīng)用廣，缺點(diǎn)是立體選擇性不高。羥基甾體脫氫酶(hydroxysteroiddehydrogenase,HSDH)最正確底物是烷基取代單烷酮和二環(huán)酮。布氏熱厭氧醇脫氫酶(Thermoanaerobiumbrockiialcoholdehydrogenase,TBADH)催化大分子酮復(fù)原時(shí)得到(S)-型醇，但催化小分子酮時(shí)那么產(chǎn)物構(gòu)型相反。酵母細(xì)胞催化酮復(fù)原無(wú)環(huán)酮的復(fù)原環(huán)狀酮的復(fù)原去消旋化19世紀(jì)初，人們利用面包酵母(Baker’syeast)或稱(chēng)釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)被廣泛用于酮的不對(duì)稱(chēng)復(fù)原反響。它使用方便，無(wú)需特殊設(shè)備，可在普通實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行生物催化反響，使用本錢(qián)低。無(wú)環(huán)酮的復(fù)原多數(shù)長(zhǎng)鏈酮〔如n-丙基酮、n-丁基酮和苯基酮〕不能被酵母復(fù)原，只有長(zhǎng)鏈甲基酮才能被酵母催化復(fù)原。環(huán)狀酮的復(fù)原去消旋化消旋體中仲醇可以通過(guò)氧化、復(fù)原反響轉(zhuǎn)化為單一對(duì)映體。仲醇消旋體中的一個(gè)對(duì)映體可以被選擇性氧化為酮〔醇脫氫酶〕，而另一個(gè)對(duì)映體那么不能被氧化。新生的酮可以再被另一個(gè)氧化復(fù)原系統(tǒng)復(fù)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(duì)映，這是一項(xiàng)去消旋化(deracemization)技術(shù)。酵母細(xì)胞催化烯烴復(fù)原α，β-不飽和酯的復(fù)原烯丙醇和共軛烯酮的復(fù)原硝基烯烴的復(fù)原負(fù)責(zé)這種復(fù)原反響的酶一般是NADH所依賴(lài)的烯酸復(fù)原酶，這類(lèi)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-不飽和酯的復(fù)原微生物對(duì)烯酸酯是先水解后復(fù)原，因此微生物復(fù)原反響實(shí)際發(fā)生在烯酸階段。烯丙醇和共軛烯酮的復(fù)原硝基烯烴的復(fù)原4.3酶催化氧化反響常用的化學(xué)氧化方法：采用金屬化合物如六價(jià)鉻、七價(jià)錳衍生物以及醋酸鉛、醋酸汞和有機(jī)過(guò)氧羧酸等作為氧化劑。缺點(diǎn)：缺少立體選擇性、副反響多，且金屬氧化劑會(huì)造成環(huán)境污染。酶催化的方法：不僅可以解決這些問(wèn)題，而且可使不活潑的有機(jī)化合物發(fā)生氧化反響，如催化烷烴中的碳?xì)滏I羥化反響，反響具有區(qū)域和對(duì)映選擇性。生物催化氧化所用的酶三大類(lèi)酶：?jiǎn)渭友趺?、雙加氧酶和氧化酶主要內(nèi)容第一節(jié)單加氧化酶催化反響第二節(jié)雙氧酶催化反響第三節(jié)氧化酶和脫氫酶催化反響第一節(jié)單加氧化酶催化反響反響機(jī)理：?jiǎn)渭友趺?mono-oxygenases)可以使氧分子(O2)中一個(gè)氧化自參加到底物分子中，另一個(gè)氧原子使復(fù)原性NADH或NADPH氧化并產(chǎn)生水H2O。單加氧酶催化的反響類(lèi)型羥化反響烯烴的環(huán)氧化反響硫原子的氧化反響拜爾-維利格反響羥化反響注：反響機(jī)理不是傳統(tǒng)意義上的直接羥化，而是通過(guò)β-氧化過(guò)程而完成的〔脫氫、水合〕。對(duì)羥化反響的認(rèn)識(shí)提高選擇性的途徑：〔1〕改變培養(yǎng)條件，增加細(xì)胞代謝壓力；〔2〕廣泛篩選不同的微生物菌種；〔3〕底物修飾目前對(duì)反響過(guò)程中底物的氧化位點(diǎn)還不能預(yù)測(cè)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些有效的方法可以提高選擇性。羥化反響實(shí)例介紹烯烴的環(huán)氧化反響特點(diǎn)：針對(duì)很多小分子的烯烴環(huán)氧化合物〔通過(guò)傳統(tǒng)環(huán)氧化方法不能得到〕效果顯著！硫原子的氧化拜爾-維利格反響拜爾-維利格(Baeyer-Villiger)BV反響是指利用過(guò)氧羧酸氧化酮生成酯或內(nèi)酯，這是一個(gè)具有很高應(yīng)用價(jià)值的有機(jī)合成反響。PossiblemechanismaboutBVreactionBV反響的應(yīng)用實(shí)例第二節(jié)雙氧酶催化的氧化反響雙氧酶(dioxygenases)，又稱(chēng)雙加氧酶，能催化氧分子中兩個(gè)氧原子都參加到一個(gè)底物分子中。這類(lèi)酶一般含有緊密結(jié)合的鐵原子，如血紅素鐵。烯烴的氫過(guò)氧化反響芳烴雙羥基化反響烯烴的氫過(guò)氧化反響辣根過(guò)氧化物醇催化消旋體輕過(guò)氧化物的拆分芳烴雙羥基化反響順式環(huán)狀二連醇的應(yīng)用氧化酶和脫氫酶催化反響氧化酶催化電子轉(zhuǎn)移到分子氧中，以氧作為電子受體，最終生成水或過(guò)氧化氫。氧化酶：黃素蛋白氧化酶〔氨基酸氧化酶、葡萄糖氧化酶〕、金屬黃素蛋白氧化酶〔醛氧化酶〕和血紅素蛋白氧化酶〔過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶〕等。脫氫酶可以催化氧化和復(fù)原雙向可逆反響，一般可以催化復(fù)原反響為主，但根據(jù)需求設(shè)定反響條件可以使復(fù)原反響轉(zhuǎn)化為氧化反響。當(dāng)?shù)孜餅閺?fù)原態(tài)物質(zhì)，輔酶是氧化態(tài)時(shí)，脫氫酶那么催化氧化反響。而相反條件下脫氫酶那么催化復(fù)原反響為主。4.4酶催化水解反響水解酶(hydrolases,EC3,x,x,x)是最常用的生物催化劑，占生物催化反響用酶的65%。它們能水解酯、酰胺、蛋白質(zhì)、核酸、多糖、環(huán)氧化物和腈等化合物。目前水解反響的類(lèi)型酯水解酯的結(jié)構(gòu)類(lèi)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：豬肝酯酶豬肝酯酶(PigLiverEsterase,PLE)是常用的一種酯酶。這種梅組成比較復(fù)雜，一般至少有5種同功能組成，每一個(gè)同功酶又是由三個(gè)亞基組成。由于它們具有相似的立體選擇性，因此，這一粗酶混合物仍被視為是一種單純酶。(II)型酯的水解微生物酯酶具有酯酶活性的蛋白酶α-胰凝乳蛋白酶枯草桿菌蛋白酶霉素?；鞍酌该浊ǖ鞍酌富野祖溍咕鞍酌敢蟮孜锓肿雍粋€(gè)親水基團(tuán)和一個(gè)憎水基團(tuán)水解酯類(lèi)化合物水解苯乙酸酯具有空間位阻酯類(lèi)的水解拆分拆分消炎藥酮咯酸(ketorolac)乙酯脂肪酶環(huán)氧化合物的水解腈水解酰胺水解

氨基酸酰胺酶(amidase)又稱(chēng)氨基肽酶，存在于動(dòng)物腎臟、胰腺和微生物中，特別是假單胞菌、曲霉和紅球菌中含量豐富。它能催化消旋體氨基酸酰胺選擇性地水解生成L–氨基酸。酰化酶：胺基?；?/p>