脂肪酶催化新反应―酯氨解反应在制备光学纯药物中的应用

脂肪酶催化新反应一酯氨解反应在制备光学纯药物中的应用摘要脂肪酶催化的新反应一酯氨解反应（羧酸可以在脂肪酶作用下形成酯，然后在同一酶作用下进行酯氨解反应），不仅是合成手性酰胺的一个非常有用的方法，而且也是手性羧酸及手性醇动力学拆分的有效途径。通过比较脂肪酶催化几种外消旋酯水解、转酯及氨解反应，得出脂肪酶催化酯氨解反应在制备光学纯化合物中将有广阔的应用前景这一结论。关键词脂肪酶；氨解反应；不对称合成；光学纯药物手性是生命系统的普遍特征，反映了生物物质的不对称性。对于手性药物而言，通常并非两种异构体均具有相同的活性［1］。根据药物立体异构体所表现出的作用差异可分为：①一种异构体有显著的治疗作用，另一种异构体无或有很弱的作用。如常见的解热镇痛药萘普生，其S异构体的活性是R异构体的10〜20倍；②一种异构体有治疗作用，另外一种异构体有副作用。如氯胺酮是一种常用的非巴比妥静脉***，起麻醉作用的主要是右旋体，而左旋体产生梦幻、错觉躁动等症状；③两种异构体都有治疗作用，但其中一种有副作用或另外一些辅助作用。如导致灾难性致畸的“反应停”，其S异构体和R异构体均有镇静作用，但S异构体及其体内的两个代谢产物具有很强的胚胎毒性和致畸作用；④异构体的作用有互补性。如抗心律失常药心得安，S异构体阻滞0受体作用比R异构体强约100倍，而R异构体对钠通道有抑制作用。因此随着近年来立体定向有机合成及立体异构体拆分技术的发展，人们对异构体间的药效有了进一步的认识。以光学纯药物供药用已引起各方面的重视，认为光学纯药物比其混旋物有疗效更好、治疗成本更低、安全性更好的优点，因此把外消旋体开发成光学纯药物已成为研制新药的重要方面之一。而光学纯化合物制备的重要性，不仅表现在与药物相关的领域，而且还表现在农药、香精等精细化工品、功能材料等领域，如彩色液晶材料、波导材料等均与手性化合物有关。迄今，获得光学纯化合物方法有：1、手性源合成法；11、不对称合成法；m、外消旋体拆分法。受手性原料种类所限，手性源合成法应用受到一定的限制。不对称合成法和外消旋体拆分的方法甚多，有化学法、物理法、酶法等。酶法具有高效、高选择性、条件温和、环境污染小、成本低等优点，符合原子经济型、绿色化学的发展方向，因而成为这一领域的热点。然而，由于许多化合物在水中溶解度低，产物浓度低，给分离带来了较大的困难，并且水相中酶的特异性难以调节，因而水相酶法在光学纯化合物制备中的应用范围受到了较大的限制。非水相酶催化是80年代以来酶工程中最为活跃的前沿领域。非水相中的酶催化具有下述优点：酶具有高效性，反应在中性、常温、常压下进行；酶源丰富；生物催化具有区域选择性和立体选择性；各种酶和含酶细胞分别用于氧化、脱氨、水解、酯化、脂交换、肽合成、羟化等不同反应；同种酶能转化不同底物；增加有机化合物溶解度，提高反应速度；改变热力学平衡，如使在水相中受热力学限制难以进行的反应如酯的合成反应成为可能；减少因水引起的副反应，如酸酎的水解，醍的聚合；增加酶的刚性，促进稳定性；大多数情况下不需固定化或只需用简单方法固定化和稳定化酶。并且新近的研究表明，可通过“溶剂工程”等调控酶的催化特性，拓宽酶的应用范围［2］。酶在非水相中催化作用的研究成果使人们重新认识到酶催化在光学纯化合物制备、药物手性化中的巨大潜力。美国、日本等发达国家的科学家率先进行了该方面的研究，并取得可喜的成果，展现了酶催化制备光学纯化合物的诱人前景［3］。脂肪酶(EC3.1.1)是能与底物形成酰酶中间体，催化酯的水解、酯化和转酯反应的酶类。来源不同的脂肪酶的底物专一性、最适催化条件和稳定性都有差异。80年代后期以来，界面酶学和非水相酶学的研究与应用取得突破性进展，极大地促进了脂肪酶多功能催化作用的开发。脂肪酶具有宽广的底物专一性，在有机溶剂中能催化大量的反应，包括以许多非天然的酰基受体，如乙醇、酰胺、胺和过氧化物为底物的反应［4］。如利用脂肪酶催化的酯化或酯水解反应拆分芳基丙酸类非甾体消炎镇痛药物萘普生、布洛芬，产物的光学纯度可达95%以上；利用脂肪酶催化的酯化反应拆分合成手性药物、农药、液晶等的重要原料2辛醇，产物光学纯度达80%左右；利用脂肪酶催化的酯化、酯水解反应拆分手性C3合成子，可得光学纯度高达97%的产物。近来发现氨也可以作为酰基受体，像辛酸乙酯能在脂肪酶的催化作用下发生氨解反应，生成相应的酰胺】5］。氨基酸酯、酰胺具有良好的乳化、生物可溶性、抗微生物的能力，因此广泛应用于化妆品、生活用品、食品和药物上，还可作为工业上的去垢剂、家庭用的清洗剂等；由于它们是利用可再生的廉价原料，并且能快速完全的生物降解，对环境无害，另外可以通过氨基酸结构的差异控制表面活性剂的功能性质，以使其满足特殊的使用要求，因此用天然油脂获得表面活性剂产品受到人们的重视。与传统在高温高压下用脂肪酸或它的甲酯酰胺化生产相比，酶促反应具有条件温和、专一性强、催化效率高的优点。在理论上更能节能、产品质量明显提高。尤其适用合成化学方法难以合成的不饱和脂肪酸的酰胺。如CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11CONH2。C7H15CO2Et+NH3NH3SP435;tBuOHC7H15CONH2+EtOH来自Candidaantarctica(SP435)和Humicolasp.(SP398)的脂肪酶因为具有耐高浓度氨的能力而能有效的催化酯的氨解，在有机溶剂中生成热稳定性酰胺。由于许多酰胺在有机溶剂中溶解度低，因此在氨解反应过程中易于从反应体系析出，这不但能实现产物的在线分离，而且有利于平衡向形成产物的方向移动。如甘油三月桂酸酯在以叔丁醇为溶剂，60°C在CandidaantarcticaLipase(Novozym435)催化作用下氨解48h，得到97%的月桂酸酰胺；Jojobawax在Novozym435的催化作用下，氨解72h生成顺11二十碳烯酸酰胺和顺式二十二碳烯酸酰胺的混合物，用辛烷结晶提纯，后者收率为90%［6］。羧酸会与氨形成铵盐，而铵盐不能作为脂肪酶的底物，因此酯对应的羧酸不能进行氨解反应。但DeZoete和Sheldon等人［7］成功地利用脂肪酶先催化羧酸的酯化反应，然后催化酯的氨解。如利用固定在AccurelEP100的脂肪酶SP525，以叔丁醇为溶剂，在室温下辛酸与丁醇发生酯化反应，24h得到98%的辛酸丁酯，然后充入氨气，使辛酸丁酯在60C发生氨解反应60h，得到97%的辛酰胺。同样，油酸可以通过两步反应制备90%的油酸酰胺。可见，脂肪酶催化的酯氨解是制备长链酰胺的一个简单易行的方法。下面简要介绍利用脂肪酶催化氨解反应在制备光学纯化合物中的应用。1a氨基酸酯转化为相应的氨基酰胺［8］。如苯甘氨酸。(R)amide:Conv.39%;ee.amide91%;E=38因为(S)ester在反应条件下可以原位外消旋，因此理论上酯的两种对映异构体都能转化为(R)amide.而(R)苯甘氨酸及其衍生物是工业上合成半青霉素和头孢霉素的重要中间体。2拆分手性酯最近Eduardo,Francisca［9］又用SP435催化氨解反应动力学拆分了4氯3羟基丁酸乙酯。.NH3,SP435,BuOH;.BH3,THF,reflux;.6NHCl;.CbzCl,K2CO3,CH2Cl2,H2O;.TMEDA,MeOH;.PIDA,THF,MeOH可见，用这种方法得到了两个单一对映体，他们可以分别转化为合成生物碱、0脯氨酸衍生物的重要前提物毗咯烷和5氯甲基1,3oxazolidin2oneStarmans,Doppend等人［10］也利用SP435催化氨解反应合成具有光学活性的用于不对称合成的手性辅助物质的氮杂环丁烷2羧酸衍生物。Samide和Rester都获得了很好的ee值。S(+)ester:Conv.56%;eeesterN99%;eeamide80%3手性羧酸动力学拆分［11］。例如：对布洛芬氯乙酯的动力学拆分。可见，氨解反应的立体选择性是水解反应的10倍。4手性醇的动力学拆分而通过在tBuOH中，SP435进行水解、转酯反应，动力学拆分对该物质，R(+)enantiomer的转化率分别为47%、46%，ee.值均为96%。可见利用脂肪酶的氨解反应对手性醇的动力学拆分比转酯、水解反应效果好。S(+)ester:Conv.56%;ee.96%;E=28S(+)ester:Conv.63%;ee.58%;E=3.5R(+)enantiomer:Conv.45%;ee.98%;EN100酯氨解反应是脂肪酶催化的又一新反应，国外从94年开始有报道，国内尚未见有关报道。它是合成手性酰胺的一个非常有用的方法，而且也是手性羧酸及手性醇动力学拆分的有效途径，显示出在光学纯化合物制备中的巨大潜力。因此，研究脂肪酶催化新反应氨解反应制备光学纯化合物的研究有着十分广阔的应用前景。但是现有的研究在深度及广度上还存在局限性。研究的重点还仅为筛选脂肪酶及对少数几种光学纯物质的制备进行研究。而对有关理论问题研究较少，如探讨各相关因素对反应的影响、该反应的反应机理、酶催化活性和选择性调控及机理。今后应该从从非水介质中酶催化的分子基础着手，重点探讨脂肪酶催化新反应氨解反应在光学纯药物或其重要中间体制备过程中各微环境因素对酶催化活性、稳定性、选择性等影响的机理，建立酶氨解反应的理论基础；通过研究各相关因素对反应的影响从而优化反应条件；力求通过对酶催化光学纯药物制备过程的基础理论研究，如酶反应调控分子基础的探讨，奠定脂肪酶氨解反应的理论基础，促进脂肪酶这一新反应能在工业化制备光学纯化合物的领域有广阔的发展。参考文献李全，谢毓元.药物的光学异构体与药效[J].中国药物化学杂志，1996，6(2)：151.MarkusE,XiongweiN,PeterJH.Effectofwaterandenzymeconcentrationonthermolysincatalyzedsolidtosolidpeptidesynthesis[J].BiotechnologyandBioengineering，1998，59(1):68.庄英萍，许建和，张嗣良手性药物的酶法拆分研究近况】J].中国药物化学杂志，1998，33(4):197.MargaritaQ,VictorS,RosarioB,etal.Lipasecatalyzedsynthesisofopticallyactiveamidesinorganictetrahedron[J].Asymmetry,1993,4(6):1105.ZoeteMC,RantwijkF,SheldonRA.Lipasecatalyzedtransformationswithunnaturalacylacceptors[J].CatalysisToday，1994，22(3):563.ZoeteMC,DalenACK,RantwijkF.Lipasecatalysedammoniolysisoflipids.Afacilesynthesisoffattyacidamides[J].JMolCatalB，1996，1(2):141.ZoeteMC,DalenACK,SheldonRA.Anewenzymaticonepotprocedureforthesynthesisofcarboxylicamidesfromcarboxylicacids[J].JMolCatalB，1996，1(2)：19.WegmanMA,HackingMAP,SheldonRA.Dynamickineticresolutionofphenylglycineestersvialipasecatalysedammonolysis[J].Tetrahedron：Asymmetry,1999,10(4)：1739.EduardoGU,FranciscaR,VicenteG.Enzymaticammonolysisofethyl4chloro3hydroxybutanoate.Chemoenzymaticsynthesesofb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