第三章试验设计及优选方 中

第三章化学合成药物的工艺研究主讲教师：孟跃教材：《化学制药工艺学》赵临襄主编

尽管人类19世纪前后才建立起酶的概念，但酶的催化作用却很早就为人们的生活所利用。比如：(1)在人类游牧生活时期，就已会利用动物的胃液来凝固牛乳；(2)人类在4000多年前就已掌握的酿酒和制酱技术其实也是酶作用的结果。三、酶催化酶催化的有机合成反应

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。酶不仅在生物体内可以催化天然有机物质的生物转化，也能在生物体外促进天然的或人工合成的有机化合物的各种转化反应，并且显示出优良的化学选择性、区域选择性和立体选择性。酶的概念及作用特点（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。酶和一般催化剂的共性1.用量少而催化效率高；2.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,但是不能改变化学反应平衡。酶催化反应过程酶作为生物催化剂的特性1、高效性酶的催化作用可使反应速度提高10７–101３倍。例如：过氧化氢分解

2H2O2

2H2O+O2用Fe3+催化，效率为6×10-4mol/mol•S，而用过氧化氢酶催化，效率为6×106

mol/mol•S。-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。2、专一性

酶的专一性：又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。3、反应条件温和酶促反应一般在pH5-8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。4、酶易失活凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱、高温和强氧化剂等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸碱度。5、酶活力可调节控制

酶的催化活性是受到调节控制的，这是酶区别于一般催化剂的一个重要特性。酶在体内受到多方面因素的调节和控制，不同的酶调节方式也不同，包括抑制剂的调节、反馈调节、酶原激活、共价修饰、激素控制等。

６、某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关,若将它们除去，酶就会失活。

①易发生杂菌污染；②酶的价格较高；③其催化作用条件有一定限制；④从目前看，只能作用于限定的化合物；⑤仅限于一步或二步简单的反应酶催化的不足

解决方法

从生物角度考虑：生物培养生物筛选生物工程改造利用化学的优势：化学修饰

固定化什么是固定化酶？水溶性酶水不溶性载体固定化技术水不溶性酶（固定化酶）

固定化酶(ImmobilizedEnzyme）是20世纪60年代发展起来的—项新技术。它是通过物理的或化学的手段，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶柬缚在一定的空间内，限制酶分子的自由流动，但能使酶充分发挥催化作用；过去曾称其为水不溶酶或固相酶。

固定化酶基本功能

易于从反应体系中有效的分离回收重复连续使用对酶本身的催化性质进行调制增强稳定性优点：不溶于水，易于与产物分离；可以在较长时间内反复使用，有利于工艺的连续化、管道化;酶的使用效率提高，产物得率提高，产品质量有保障，成本低;稳定性好。缺点：

固定化过程中往往会引起酶的失活，同时也增加了固定化的成本，使工厂开始投资大。1.载体结合法

2.包埋法

3.交联法酶固定化方法共价结合法离子结合法物理吸附法格子型微胶囊型选择适宜的载体,通过载体的共价键或离子键(非共价健)与酶结合在一起的固定化方法酶载体1.载体结合法2、包埋法

定义：将酶分子包埋在凝胶的网眼中或半透性的聚合物膜腔中，以达到固定化目的的方法。

作用：包埋法是将游离酶包埋于格子或微胶囊内，格子的结构可以防止酶渗出到周围的培养基中，而底物分子仍能渗入格子内与酶接触。1、格子型包埋法

常用的凝胶有聚丙烯酰胺凝胶、硅橡胶、卡拉胶，还有人工用过的大豆蛋白质、合成纤维。2、微囊型包埋法

以超滤用的半透膜包裹含酶的液滴而成优点：可进行大量的固定化；包埋膜可选用生物相容材料，并可做成任意大小；胶格包埋用胶可做成所需要的厚度与硬度

缺点：仅可用于低分子量的底物，不适用于柱系统，反应常受扩散限制借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作用，制成网状结构，使之不溶于水从而形成固定化酶。常采用的双功能团试剂有戊二醛、顺丁烯二酸酐等。酶蛋白的游离氨基、酚基、咪唑基及巯基均可参与交联反应。

特点：此法与共价结合法一样也是利用共价键固定酶的，所不同的是不使用载体优点：可用的交联试剂多，技术简易；稳定性较高

缺点：交联条件较激烈，常出现扩散限制，使用有一定难度

酶双功能剂3.交联法应用一：酶法生产L-氨基酸采用固定化酶技术生产L-氨基酸。1969年日本利用固定化氨基酰酶，由乙酰化-DL-氨基酸连续生产L-氨基酸获得成功，是世界上固定化酶大规模应用的首例。1974年以来，已能将米曲霉的氨基酰化酶固定在DEAE-Sephadex上生产出L-蛋氨酸、L-苯丙氨酸等。工业成本降低约40％，产品广泛应用于食品、医疗、农业等等。酶的应用1.酶法拆分2.酶反应合成氨基酸

先利用化学方法合成分子结构简单的化合物作为前体，通过酶反应合成所需要的氨基酸。这种工艺能够高收率，低成本地生产一般发酵法或化学合成难解决的一些氨基酸。应用二、酶在甾体药物合成中的应用黄体酮（progesterone，3-28）在黑根霉菌（R.Nigricans）的作用下，发生11-羟基化，生成11-羟基孕酮（3-29）。19-羟基-Δ5-烯胆甾-3-乙酸酯（3-35）在CSP-10诺卡氏菌的催化作用下，异构化、A环芳构化和侧链降解等反应一步完成，得到雄酮（3-36）。

应用三、酶在半合成抗生素工业上的应用反应微生物细胞或酶青霉素→6-APA青霉素酰化酶头孢菌素→7-ACA氨基氧化酶头孢菌素→中间体→7-ACA氨基氧化酶，7-ACA酰化酶苯甘氨酸甲酯+7-ADCA→头孢氨苄巨大芽孢杆菌B-402头孢菌素C→羟甲基头孢菌素头孢菌素乙酰酯酶葡萄糖→青霉素G青霉菌（P.Chrysogenum）6-氨基青霉烷酸（6-APA，3-37）和7-氨基头孢烷酸（7-ACA，3-38）是半合成青霉素和半合成头孢菌素的基本原料。

酶法也可用于头孢菌素类抗生素。以头孢菌素C（3-41）为原料经二步酶法制备7-ACA（3-38），但酶法尚未实现工业化，工业生产7-ACA主要采用化学裂解法

将7-ACA和D-苯甘氨酸甲酯（3-42），应用三醋酸纤维包埋的大肠杆菌酰化酶催化合成头孢来星（cephaloglycin，3-43），转化率在80~85%。

四、相转移催化相转移催化（phasetransfercatalyzedreaction,PTC)，它是有机合成中最引人瞩目的新技术。定义：使一种反应物由一相转移到另一相中参加反应，促使一个可溶于有机溶剂的底物和一个不溶于此溶剂的离子型试剂两者之间发生反应。相转移催化优点（1）不使用昂贵的特殊溶剂，且不要求无水操作，简化了工艺；（2）反应条件温和，操作简单，需用时间短，反应选择性高，副反应少；（3）具有通用性，应用广泛。实现工业化的条件（1）用量少，效率高，自身不消耗或失去转移特定离子的能力；（2）制备简单，价格合理；（3）毒性小。（一）、相转移催化剂相转移催化剂的要求具备形成离子对的条件，即结构中含有的阳离子部分便于与阴离子形成有机离子对，或者能与反应物形成复合离子。有足够的碳原子，以便形成的离子对具有亲有机溶剂的能力。R的结构位阻应尽可能小，R基为直链居多稳定并便于回收1.鎓盐类适用于液－液和液－固体系，并克服了冠醚的一些缺点，例如鎓盐（Q+）能适用于所有正离子，而冠醚则有明显地选择性。鎓盐价廉，无毒。常用的有TEBAC三乙基卞基氯化铵

TOMAC三辛基甲基氯化铵2.冠醚类冠醚的结构特征：分子中含有多个氧原子，有很强的络合性；即可溶于水又可溶于有机溶剂。适用于固-液相转移催化缺点：有明显的选择性、毒性大、价格贵3.非环多醚类非离子型表面活性剂。非环多醚为中性配体，可折叠为不同大小，可与不同直径的金属离子络合，具有价格低、稳定性好、合成方便等优点。主要有如下几种类型：聚乙二醇：HO（CH2CH2O）nH聚乙二醇脂肪醚：C12H25O（CH2CH2O）nH聚乙二醇烷基苯醚：C3H7—C6H4—O（CH2CH2O）nH催化活性稳定性制备难易价格鎓盐类中等，与结构有关在120℃以下较稳定，碱性条件下不稳定容易中等冠醚类中等，与结构有关基本稳定，强酸条件下不稳定容易较贵开链聚醚类中等，与结构及反应条件有关基本稳定，强酸条件下不稳定容易较低三类相转移催化剂性质比较（1)回收反应体系无机离子毒性鎓盐类不困难，与反应条件有关液-液，液-固不重要小冠醚类蒸馏液-固重要大开链聚醚类蒸馏液-液，液-固不重要小三类相转移催化剂性质比较（2)4.胺类—不带电荷的催化剂多用在烷基化反应、卡宾的形成以及氰化和硫氢化等。叔胺类所以具有催化效果是由于在反应过程中，它首先转变成季铵盐的缘故。

5.三相催化剂

以高分子或硅胶等载体将季铵盐、季磷盐、冠醚、聚乙二醇连在高分子链上作为相转移使用，应用中由于反应中存在固相-水相-有机相三相体系，这种催化剂称为三相催化剂。优点：固相催化剂可在反应结束后过滤除去，操作简单，可定量的回收套用，产物不会被催化剂污染，分离纯化简便等。（二）、相转移催化反应历程1、在负离子型反应中，常用的相转移催化剂为季铵盐，表示为，如：QX＋-由于通常应用高亲脂性的催化剂，这样Q＋在水相不以明显得浓度存在。如Q＋保留在有机相，而只是负离子通过界面进行交换，如下列的更为简单的历程。Na＋Y－

X－水相[Q+Y-]+RX[Q+X-]+RY有机相2、用冠醚催化的反应历程3.胺类的催化机理季铵离子的催化作用遵循离子交换-萃取机理。（三）影响因素影响相转移催化反应的主要因素有：催化剂、搅拌速度、溶剂等3.3.3用季铵盐作相转移催化剂的影响因素季铵正离子的结构（1）为同时具有良好的亲油性和亲水性，四个烷基总碳数一般为15～25；（2）Q+和Nu-之间的中心距离应尽可能大，以使Nu-有较高的反应活性。目前最常用的季铵盐主要有：

(C4H9)4N+HSO4-(TBAB）

C6H5CH2N+(C2H5)3Cl-(BTEAC,TEBAC)(C6H17)3N+CH3Cl-(TOMAC)季铵盐中阴离子的影响0.005～0.100mol季铵盐/mol有机反应物催化剂的用量＞＞＞＞＞＞＞＞ClO4-I-NO2-HSO4-Cl-CH3COO