有机合成中的生物转化BiotransformationBiotransformation1内 容 简介 酶的特性 酶催化的有机反应 工业中的应用2对酶的第一印象： 酶是很不稳定的 酶价格昂贵 酶只对天然底物有活性 酶只在天然环境中才起作用酶是什么？与有机化学关系不大？31950年Kendall, Reichstein与Hench因发现类固醇的消炎作用而获得诺贝尔奖1952年以化学方法以牛胆汁中的deoxycholic acid为原料合成cortisone，反应共需31个步骤，产品售价每克$200。1952年利用Rhizopus arrhizuz产生的hydroxylase将反应过程缩短为11個步骤，产品售价每克$6。1980年使用突变之Mycobacterium分解植物油中的固醇以作为原料，产品价格每克$0.46。如：类固醇合成技术的演进：酶促反应在有机合成中的重要作用4（一）、什么是酶？ 酶是活细胞产生 的一类具有催化 功能的生物分子 ，所以又称为生 物催化剂 Biocatalysts 。 绝大多数的酶都 是蛋白质。5酶和一般催化剂的共性 1，用量少而催化效率高； 2，它能够改变化学反应的速度，但 是不能改变化学反应平衡。 3，酶能够稳定底物形成的过渡状态 ，降低反应的活化能，从而加速反 应的进行6（二）、酶的特性1. 高效性酶是非常有效的催化剂 化学催化剂剂：0.11%mol 生物催化剂剂：10-310-4%mol 酶的催化作用可使反应速度提高106 -1012倍。 例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O + O2 用Fe+ 催化，效率为6*10-4 mol/mol.S，而用 过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。 用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C 条件下可催化2吨淀粉水解。72反应条件温和 酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反 应温度范围为20-40C。 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起 酶的失活。3环境可接受的 生物催化剂是环境友好的试剂，可完全降解84酶是彼此相容的 几个生物催化反应可以在同一个反应器中进 行 可以使用多酶体系来催化几个顺序反应的进 行5酶的高度选择性n酶的专一性 Specificity，又称为特异性，是指 酶在催化生化反应时对底物的选择性9共性：用量少，降低反应的活化能，改变化学反应的速度 。酶的性质：特性：高效性化学催化剂：10.1%mol生物催化剂：10-310-4%mol ，使反应速度1061012倍反应条件温和，环境友好酶彼此相容纳高选择性 化学、区域、立体选择性10（一）化学选择性A.de Raddt; Klempier,N; J.chem.soc.perkin Trans I, 1992, 137只专一性地识别催化所作用基团，其它敏感基团不受影响。Y:41%Y:92%Y:41%11（二）区域选择性选择性的作用多官能团化合物中的一个基团Otto Meth-Cohn, Mei-Xiang Wang, J.Chem.Soc.Perkin.Trans 1.1997. 3197Effenberger, F.; Obwald, S. Synthesis. 2001, 12. 1866.12（三）立体选择性1. 去对称化13Masahiro Yokoyama, Hirimichi Ohta, Tetrahedron:Asymmetry.1993, 4, 1081腈生物转化酶对前手性二腈中的氰基有效的识别，不同的作用，得到光活 性产物Wang, M.-X.; Liu, C.-S.; Li, J.-S. Tetrahedron:Asymmetry 2001, 12, 3367. 前手性二腈的去对称化142.外消旋体的生物转化A. 动力学拆分15外消旋体的动力学拆分Mei-Xiang Wang, Gang Lu, Tetrahedron:Asymmetry. 2000. 11. 1123-1125Wegman, M. A.; van Langen, L. M.; Sheldon, R. A. Biotechnol. Bioeng. 2002, 79, 356. 16B. 动态动力学拆分17外消旋体的动态动力学拆分K.Yamamoto, K.Oishi, I.Fujimatsu, Appl.Environ.Microbiol., 1991. 57.302818将生物催化剂应用于有机合成是目前最吸引人的研究领域。是有机化学与生物学密切联系的交叉学科。符合绿色化学的发展方向。三、酶催化的有机合成反应19酶催化的有机反应类型 水解反应 氧化反应 还原反应 C-C键形成反应20区域选择性酯水解C. Dinkel, M. Moody, C. Schultz, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2001, 40, 3004.21酯酶的动态动力学拆分22区域选择性酯化M. Schudok, G. Kretzschmar, Tetrahedron Lett. 1997, 38, 387.23去对称化G. M. Ramos-Tombo, X. Busquets, O. Ghisalba, Tetrahedron Lett. 1986, 27, 5707.24去对称化T. Sugahara, K. Ogasawara, Synlett, 1996, 319.25动态动力学拆分M. T. Reetz, K. Schimossek, Chimia. 1996, 50, 668.26氨基水解酶制备非天然氨基酸M. Beller, M. Eckert, H.-P. Rebenstock, E. W.Holla, Chem. Eur. J. 1998, 4, 935.27环氧化物的水解：28对应体会聚的特例29氧化还原反应氧化还原酶催化反应时，需要氧化还原辅因子充当过程中氢和电子的 传递体。一般烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD(H)作为辅因子。30辅因子再生循环M. Wolberg, W. Hummel, M. Muller, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2000, 39, 4306.31还原：Y. Naoshima, H. Hasegawa, T.Nishiyama, A. Nakamura, Bull. Chem.Soc. Jpn. 1989, 62, 608.32氧化酶制备手性内酯I. J. Jakovac, H. B. Goodbrand, K. P.Lok, J. B. Jones, J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 4659.33双羟基化T. Hudlicky, H. Luna, J. D. Price, F.Rulin, Tetrahedron Lett. 1989, 30, 4053.34环氧化E. J. Allain, L. P. Hager, L. Deng, E. J. Jacobsen, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 4415.35酶催化的Baeyer-Viliger氧化S. Rissom, U. Schwarz-Linek, M. Vogel, U. Kragl, Tetrahedron Asymm. 1997, 8, 2523.S. M. Roberts, P. W. H. Wan, J. Mol. Catal. B: Enzymat. 1998, 4, 111.36C=C双键的还原反应37C-C键形成反应n醇醛缩合反应nMichael型加成反应n偶姻反应38Aldolases因作用底物的不同被分为四类Pyruvate-Dependent AldolasesDHAP-Dependent AldolasesAcetaldehyde-Dependent AldolasesGlycine-Dependent Aldolases39Aldolase因手性活性中心的作用方式被分为两大类40Aldolases催化立体选择性的c-c键形成反应W.-D. Fessner, G. Sinerius, J. Badia, J. Aguilar, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1991, 30, 555.P. M. St. Hilaire, M. Meldal, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2000, 39, 1162.41一锅法制备双羟基手性化合物R. Schoevaart, F. van Rantwijk, R. A. Sheldon, J. Org. Chem. 2000, 65, 6940.42昂贵的DHAP限制催化应用43M. Sugiyama, Z. Hong, L. J. Whalen, C.-H. Wong, Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 2555 2559.442001, Schurmann和Sprenger发现fructose 6-phosphate(FSA)J. Am. Chem. Soc., 2007, 129 (47), 14811-1481745G. DeSantis, J. Liu, D. P. Clark, C.-H. Wong, Bioorg. Med. Chem. 2003, 11, 43 52.制备阿伐他汀手性合成子46J. Liu, G. DeSantis, C.-H. Wong, Can. J. Chem. 2002, 80, 643 645底物工程改变选择性47酶促D-A反应H. Oikawa, T. Kobayashi, K. Katayama, Y. Suzuki, A. Ichihara, J. Org. Chem. 1998, 63, 8748.48加成反应n氰醇的合成49酶的缺陷 1, 酶催化反应只能得到一种构型（L-型或D-型）的光 学产物； 2，酶常常存在着底物或产物抑制现象，造成反应转化 率降低，生产能力低等问题； 3，极端的pH、较高的温度和高盐浓度的反应体系都可 能使酶钝化，失去部分甚至大部分催化活性； 4，大量的氧化还原酶、转氨酶等需要等计量反应物的 辅因子存在才能表现催化活性，从而限制了它们在许 多有机合成反应中的应用； 5，酶通常在水溶液中实施其催化活性，对于大多数有 机化学反应来说，使用的溶剂是非水溶性的有机溶剂 。50工业化生物转化生产丙烯酰胺(Mitsubishi Rayon) (四）生物转化在工业上的应用51工业化生物转化法生产烟酰胺或烟酸(Lonza)3000 t/y52工业化生物转化法生产 非天然氨基酸 (Degussa)53工业化生物转化法生产非天然氨基酸(DSM)54工业化生物转化法生产西司他丁（Cilastatin）中间体(Lonza)55工业化生物转化法生产手性胺 (BASF)56抗生素工业中的生物催化反应57制备7-ACA：58制备赖氨酸（Toray）：10000t/a59制备药物中间体：Anti-HIV, Glaxo Wellcome60diltiazem中间体(Andeno)：61生物催化剂应用于有机合成和制药工业还处于初始阶段 总 结生物转化反应的进一步发展将对有机合成和制药工业产生极大的影响 62Thank you!63 酶 催化反应类型 酯酶、脂肪酶 酯的水解和合成 酰胺酶（蛋白酶、酰化酶） 酰胺的水解和合成 脱氢酶 醛酮的氧化还原 氧化酶（单加氧酶、双加氧酶） 氧化反应 过氧化物酶 氧化、过