生物酶催化的不对称合成反应课件

1、生物酶催化的不对称合成反应生物酶催化的不对称合成反应引言生物酶与生物酶催化的不对称合成反应展望参考文献主要内容：引言主要内容：几个术语生物催化(biocatalysis) 是指利用酶或者有机体（细胞、细胞器等）作为催化剂实现化学转化的过程，又称为生物转化(biotransformation)。手性合成(chiral synthesis) 是指利用手性诱导试剂使得无手性或者潜手性的反应物转变为手性产物的过程，又称为不对称合成。生物酶催化的不对称合成(asymmetry synthesis with biocatalysis) 是指利用纯酶或者有机体催化无手性、潜手性化合物转变为手性产物的过程。几

2、个术语生物催化(biocatalysis) 是指利用酶或者镜平面对映体 A对映体 B 手性是物质在不同层次所具有的内在的普遍的特征。生命活动依赖于分子的手性，构成生命体系生物大分子的基本单元如碳水化合物、氨基酸等大部分物质都是手性分子。许多生理现象的产生都源于分子手性的精确识别与严格匹配，手性的生物受体与客体的两个对应异构体以不同的方式相互作用。100手性Hoffmann, The Same and Not the Same, Columbia University Press, New York, 1995.镜平面对映体 A对映体 B 手性是物质在不同层次所具有 药物的有效生物活性也与手性立

3、体结构密切相关。经过多年来对许多手性化合物的对映异构体进行深入研究,认识到手性化合物的对映体构型与药效有非常重要的关系,一般手性药只有其中一个对映体具有生理活性。含手性结构药物的两个对映体,其生物活性往往存在很大差异,可以相差数十倍、百倍甚至完全相反的药理作用或毒性。 药物的有效生物活性也与手性立体结构密切相关。经过多年来对全世界手性化合物需求逐年上升Chem. & Eng. News, 2001, Vol. 79, No. 40, pp7935045261470681293411801330171820000300600900120015001800210019931994199519961

4、99719981999200020052008(Unit: 100 million $)全世界手性化合物需求逐年上升Chem. & Eng. New世界上每年出售的手性药物成上升趋势Chem. & Eng. News, 2001, Vol. 79, No. 40, pp79.N. M. Maier. J. Chromatogr. A, 906(2001)3-33.3504526148121330706934118003006009001200150019931994199519961997199819992000100 million $Single enantiomers among the

5、 top-selling 500 drugs.世界上每年出售的手性药物成上升趋势Chem. & Eng. 背景Ryoji Noyori20世纪90年代，手性药物的研发已成为世界新药发展的战略方向与热点领域，不对称催化反应研究的成功为手性药物工业注入了强大的活力，生物酶催化是获取光学纯手性药物的关键技术。为此，2001年的诺贝尔化学奖就授予了三位从事不对称催化反应的科学家Williams S. Knowles，Ryoji Noyori与K. Barry Sharpless.随着人们对环境保护意识的加强，绿色合成化学已经成为有机化学家所面临的新的挑战和未来研究的主要内容，具有环境友好、高选择性特点

6、的生物酶催化的不对称合成反应越来越引起人们的关注。 “We chemists are proud of our ability to create high values from almost nothing on the basis of accumulated scientific knowledge” Ryoji Noyori 背景Ryoji Noyori20世纪90年代，手性药物的研发生物酶催化反应的发展1906年，瓦尔堡（Warburg）采用肝脏提取物水解消旋体亮氨酸丙酯制备L-亮氨酸。1926年，萨姆纳（Sumner）从刀豆中分离纯化得到脲酶晶体。1952年，彼得逊（Peters

7、on）发现黑根酶能使孕酮转化为-羟基孕酮，产物产率高，光学纯度好，从而解决了，甾体类药物合成中的重大难题。1867年，库内（Kuhne）提出酶（enzyme），用以表述催化活性。1897年，布赫奈纳（Buchner）等发现酵母的活细胞提取也具有发酵作用，可以使葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳，为近代酶学研究奠定了基础。经过近半个世纪的研究，生物催化的不对称合成已经成功地用于光学活性氨基酸、有机酸、多肽、甾体转化、抗生素修饰和手性原料等的制备，成为一种标准的有机合成方法。1916年，纳尔逊（Nelson）和格里芬（Griffin）发现蔗糖酶结合在骨炭粉末上仍有酶活性。巴斯德（Pasteur）是手性化合

8、物研究的先驱者，1848年，他从外消旋酒石酸钠铵盐晶体的混合物中分离出（+）和（-）酒石酸钠铵盐两种晶体。1894年，菲舍尔（Fischer）提出了“锁钥学说”，用来解释酶作用的立体专一性。1908年，罗森贝格（Rosenberg）用杏仁（D-醇氰酶）作催化剂合成具有光学活性的氰醇。这些创造性的工作促进了生物酶催化不对称合成的研究与发展。1936年，西姆（Sym）发现胰脂肪酶在有机溶剂苯存在下仍能改进酶催化的酯合成。1960年，诺华（NOVO）公司通过对地衣形芽胞杆菌（Bacillus licheniformis）深层培养发酵大规模制备了蛋白酶，从此开始了酶的商业化生产。1984年，Kliba

9、nov所开创的非水介质中酶反应的研究，极大地推动了酶在有机合成中的应用。20世纪 80年代初，Cech和Altman分别发现了具有催化功能的 RNA（Ribozyme）从而打破了酶全部都是蛋白质的传统观念,开辟了酶学研究的新领域。生物酶催化反应的发展1906年，瓦尔堡（Warburg）采用酶的分类及在生物催化中的使用情况酶的分类及在生物催化中的使用情况与化学试剂催化的共性：能够改变化学反应速度，不能改变化学反应平衡形成过度态，降低反应的活化能酶催化的优势：酶催化反应条件温和酶催化反应速度快、效率高酶催化剂用量少高选择性（底物、区域、位点、立体）环境友好生物酶催化的特点与化学试剂催化的共性：生物

10、酶催化的特点邻近效应定向效应酸碱共同催化应力作用生物酶催化的机理锁-钥学说诱导契合学说三点结合学说邻近效应生物酶催化的机理锁-钥学说诱导契合学说三点结合学说 生物酶催化不对称合成法生产 L-赖氨酸 生物酶催化不对称合成 L-天冬氨酸生物酶催化不对称合成反应 生物酶催化不对称合成法生产 L-赖氨酸 生物酶催化不对Orgnanic Letters 2003, Vol.5, No.8, 1209-1212.两种中间体-氨基酸和-内酰胺生物酶催化合成Orgnanic Letters 2003, Vol.5, 生物酶催化的不对称反应的应用手性药物 D-对羟基苯甘氨酸生物酶催化不对称合成生物酶催化的不对称

11、反应的应用手性药物 D-对羟基苯甘氨酸生物酶催化的不对称反应的应用手性药物 紫杉醇生物酶催化不对称合成10-脱乙酰浆果赤霉素-氨基-N-苯甲酰基-(2R，3S)-3-苯基异丝氨酸氮杂环丁酮衍生物生物酶催化的不对称反应的应用手性药物 紫杉醇生物酶催化不生物酶催化的不对称反应的应用食品添加剂 生物酶催化不对称合成香兰素 生物酶催化不对称合成L-苹果酸生物酶催化的不对称反应的应用食品添加剂 生物酶催化不对称缺点：生物酶催化反应的可操作范围一般比较窄；稳定性差，容易失活；酶一般仅在水溶液中表现出最高的催化活性；酶的活性容易被底物或产物所抑制；酶是生物大分子，可能会引起过敏反应。生物酶催化的缺点及解决方

12、法解决方法：生物技术角度： 生物培育 生物筛选 基因、蛋白质工程技术改造化学的角度： 化学修饰 固载化缺点：生物酶催化的缺点及解决方法解决方法：生物催化的不对称合成是一个由有机化学、生物化学和微生物学等多学科交叉的研究领域。它的研究领域主要涉及到生物催化剂和反应介质两大要素，随着非水介质中酶催化反应的研究和应用，一些不利应速正在被克服，生物催化的不对称和成正在得到迅猛发展。固定化酶和固定化细胞技术可以使生物催化反应在固定床内连续进行生物转化，这将使生物催化法具有工业应用价值当代生物技术如基因工程、蛋白质工程的发展和应用极大地促进了生物酶催化不对称合成反应的研究和应用，生物催化的手性合成在医药、

13、食品、农药和其他特种材料的研制与生产中得到广泛应用，展现了广阔的应用前景。生物催化剂可以被降解，是环境友好的催化剂，它具有高度的立体选择性，减少了废物的排放，这是绿色化学研究的主要内容。因此，生物酶催化的不对称合成将成为绿色化学研究的重要领域之一，具有好的发展与应用前景。展望生物催化的不对称合成是一个由有机化学、生物化学和微生物学等多P. Ball. Nature, 2001, 409: 253.Hoffmann, The Same and Not the Same, Columbia University Press, New York, 1995.Blaschke,G. Arzneim.-

14、Forsch.1979,29,1640. Chem. & Eng. News, 2001, Vol.79, No.40: pp79.N. M. Maier. J. Chromatogr. A, 906(2001)3-33.T.D. Machajewski, D.H. Wong. Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39:1352.Orgnanic Letters 2003, Vol.5, No.8, 1209-1212.R.A.Holton. Us Patent 5175315.R.A.Holton. European Patent Application 0400971

15、 A2. S.Takahashi. Biotechnology, 1986, 24: 269.H.Yananaka, T.Kawanoto. J.Ferment.Bioeng., 1997, 84:181.Matsumae H, Furui M, Shibatani T. J Fervent Bioeng, 1993, 75: 93-98Yamada S, Tsujoka I, Shibatani T. Chem Pham Bull, 1999, 47: 146-150L.Tao. Appl. Environ. Microbio., 2000, 66: 648.Sun Zhihao. Chinese Journal of Bioprocess Engineering., Vol.2, No.4: 6-11.杜灿屏. 化学进展, 1999, 11(11): 218.邹承鲁.酶活性部位的柔性, 山东科学技术出版社张今等.分子酶学工程导论, 北京: 科学出版社, 2003张玉彬等. 生物催化的手性合成, 北京: 化学工业出版社, 2001张树政等. 工业微生物学成就, 科学出版社, 1988, p85.参考文献P. Ball. Nature, 2001, 409: 25Thank You !Th