酶参与的不对称合成

关于酶参与的不对称合成第四章酶参与的不对称合成Chapter4enzymesmediatedasymmetricreactions第2页,共60页，2024年2月25日，星期天主要内容4.1

酶及酶催化反应的特点及缺点4.2

酶催化还原反应4.3

酶催化氧化反应4.4

酶催化水解反应4.5

总结第3页,共60页，2024年2月25日，星期天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应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。第4页,共60页，2024年2月25日，星期天酶的特征

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，并使化学反应加速几个数量级。作为一类大分子，它们在催化各种反应时是高效率的。第5页,共60页，2024年2月25日，星期天生物催化手性合成的反应特点酶的反应速度比非酶催化的反应速度一般要快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%，而酶催化反应中酶的用量为10-3~10-4mol%。酶与其他催化剂一样，仅能加快反应的速度，但不影响反应的热力学平衡，酶催化的反应往往是可逆的。第6页,共60页，2024年2月25日，星期天生物催化手性合成的反应优点酶在温和条件下进行，反应PH为5~8，一般在7左右，反应温度在30℃左右。这样可以减少不必要的副反应，如分解、异构和重排反应。不同酶所催化反应的条件往往是相同或相似的，因此，一个连续反应可以采取多酶复合体系，使这些生物催化反应能在同一个反应器中进行，可以简便操作步骤。第7页,共60页，2024年2月25日，星期天生物催化手性合成的反应缺点(一)尽管酶催化反应的条件温和，但是酶反应参数必须精确控制。一般酶催化反应都有其最适条件，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。第8页,共60页，2024年2月25日，星期天生物催化手性合成的反应缺点(二)酶催化反应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，可能会引起过敏反应，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。第9页,共60页，2024年2月25日，星期天酶在生物催化反应中的使用情况第10页,共60页，2024年2月25日，星期天4.2

酶催化还原反应

面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化酮的不对称还原，其还原产物仲醇的对映体过量率近100%。第11页,共60页，2024年2月25日，星期天主要内容辅酶的循环使用脱氢酶催化酮还原酵母细胞催化酮还原酵母细胞催化烯烃还原第12页,共60页，2024年2月25日，星期天4.2.1

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第13页,共60页，2024年2月25日，星期天常用的辅酶

氧化还原酶需要辅酶作为反应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)第14页,共60页，2024年2月25日，星期天底物偶联法

定义：在反应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。为了使反应朝向所需方向进行，一般使辅助性底物过量，以保证转换数TTN超过103。第15页,共60页，2024年2月25日，星期天酶偶联法

酶偶联途径是利用两个平行的氧化还原反应酶系统，一个酶催化底物转化，另一个酶则催化辅酶循环再生。为了达到最佳效果，两个酶的底物相对独立，以避免两个底物竞争同一个酶的活性中心。第16页,共60页，2024年2月25日，星期天用于还原反应的酶甲酸脱氢酶♥葡萄糖脱氢酶醇脱氢酶氢化酶谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶第17页,共60页，2024年2月25日，星期天甲酸脱氢酶

(formatedehydrogenase,FDH)该方法的最大优点是辅助底物甲酸和反应产物(CO2)对酶无毒和易于除去，FDH稳定性好、易于固定化，且已可商品化供应。该体系的缺点是FDH成本较高，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。第18页,共60页，2024年2月25日，星期天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，氢有很强的还原能力，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，其转换数达到103~104。该系统中酶容易失活是其致命的弱点。第19页,共60页，2024年2月25日，星期天人工电子传递体第20页,共60页，2024年2月25日，星期天第21页,共60页，2024年2月25日，星期天4.2.2

脱氢酶催化酮还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第22页,共60页，2024年2月25日，星期天酵母醇脱氢酶(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还原，应用广，缺点是立体选择性不高。羟基甾体脱氢酶(hydroxysteroiddehydrogenase,HSDH)

最佳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)

催化大分子酮还原时得到(S)-型醇，但催化小分子酮时则产物构型相反。第23页,共60页，2024年2月25日，星期天4.2.3

酵母细胞催化酮还原无环酮的还原环状酮的还原去消旋化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还原反应。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应，使用成本低。第24页,共60页，2024年2月25日，星期天无环酮的还原

多数长链酮（如n-丙基酮、n-丁基酮和苯基酮）不能被酵母还原，只有长链甲基酮才能被酵母催化还原。第25页,共60页，2024年2月25日，星期天环状酮的还原第26页,共60页，2024年2月25日，星期天去消旋化

消旋体中仲醇可以通过氧化、还原反应转化为单一对映体。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），而另一个对映体则不能被氧化。新生的酮可以再被另一个氧化还原系统还原为仲醇，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。第27页,共60页，2024年2月25日，星期天4.2.4

酵母细胞催化烯烃还原α，β-不饱和酯的还原烯丙醇和共轭烯酮的还原硝基烯烃的还原

负责这种还原反应的酶一般是NADH所依赖的烯酸还原酶，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。第28页,共60页，2024年2月25日，星期天α，β-不饱和酯的还原

微生物对烯酸酯是先水解后还原，因此微生物还原反应实际发生在烯酸阶段。第29页,共60页，2024年2月25日，星期天烯丙醇和共轭烯酮的还原第30页,共60页，2024年2月25日，星期天硝基烯烃的还原第31页,共60页，2024年2月25日，星期天4.3酶催化氧化反应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、副反应多，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应，如催化烷烃中的碳氢键羟化反应，反应具有区域和对映选择性。第32页,共60页，2024年2月25日，星期天生物催化氧化所用的酶三大类酶：单加氧酶、双加氧酶和氧化酶第33页,共60页，2024年2月25日，星期天主要内容

第一节单加氧化酶催化反应第二节双氧酶催化反应第三节氧化酶和脱氢酶催化反应第34页,共60页，2024年2月25日，星期天第一节单加氧化酶催化反应

反应机理：单加氧酶(mono-oxygenases)可以使氧分子(O2)中一个氧化自加入到底物分子中，另一个氧原子使还原性NADH或NADPH氧化并产生水H2O。第35页,共60页，2024年2月25日，星期天单加氧酶催化的反应类型

羟化反应烯烃的环氧化反应硫原子的氧化反应拜尔-维利格反应第36页,共60页，2024年2月25日，星期天羟化反应注：反应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）。第37页,共60页，2024年2月25日，星期天对羟化反应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

目前对反应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。第38页,共60页，2024年2月25日，星期天羟化反应实例介绍第39页,共60页，2024年2月25日，星期天烯烃的环氧化反应特点：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！

第40页,共60页，2024年2月25日，星期天硫原子的氧化第41页,共60页，2024年2月25日，星期天拜尔-维利格反应

拜尔-维利格(Baeyer-Villiger)BV反应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应。PossiblemechanismaboutBVreaction第42页,共60页，2024年2月25日，星期天BV反应的应用实例第43页,共60页，2024年2月25日，星期天第二节双氧酶催化的氧化反应

双氧酶(dioxygenases)，又称双加氧酶，能催化氧分子中两个氧原子都加入到一个底物分子中。这类酶一般含有紧密结合的铁原子，如血红素铁。烯烃的氢过氧化反应芳烃双羟基化反应第44页,共60页，2024年2月25日，星期天烯烃的氢过氧化反应辣根过氧化物醇催化消旋体轻过氧化物的拆分第45页,共60页，2024年2月25日，星期天芳烃双羟基化反应第46页,共60页，2024年2月25日，星期天顺式环状二连醇的应用第47页,共60页，2024年2月25日，星期天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。

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还原双向可逆反应，一般可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。当底物为还原态物质，辅酶是氧化态时，脱氢酶则催化氧化反应。而相反条件下脱氢酶则催化还原反应为主。第48页,共60页，2024年2月25日，星期天4.4

酶催化水解反应

水解酶(hydrolases,EC3,x,x,x)是最常用的生物催化剂，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。第49页,共60页，2024年2月25日，星期天目前水解反应的类型第50页,共60页，2024年2月25日，星期天酯水解酯的结构类型：(I)型酯:手性中心在羧酸部分(II)型酯手性中心在醇部分第51页,共60页，2024年2月25日，星期天(I)型酯的水解：猪肝酯酶

猪肝酯酶(PigLiverEsterase