第二十五章手性药物课件

第二十五章手性药物第一节手性药物概述

第二节与手性药物有关的几个重要术语

第三节手性药物的通用制造方法与技术

第四节手性药物的生物不对称合成原理

第五节典型手性药物制造技术及工艺

第二十五章手性药物1第一节

手性药物概述

手性是用来表达化本物分子结构不对称性的术语。如同人的左手和右手不对称，不能相互叠合，彼此的关系如同实物与镜像。化学上，将这种关系称为对映关系。具有对映关系的两个物体互为对映体；化合物分子中的原子排列是三维的，因而，在平面上看起来相同的分子结构实际上代表不同的化合物。如乳酸的L-构型和D-构型。

第一节手性药物概述手性是用来表达化本物2严格地说，手性药物是指分子结构中存在手性碳原子（不对称碳原子）的药物。通常所说的手性药物是指由具有药理活性的手性化合物组成的药物，其中只含有效对映体或者以有效对映体为主。药物的药理作用是通过与体内的大分子之间严格的手性识别和匹配而实现的，故不同对映体的药理活性有所差异。其中，与受体具有高亲和力或具有高活性的对映体称为优映体(eutomer)，反之则称为劣映体(distomer)。严格地说，手性药物是指分子结构中存在手性碳原子（不对称碳原子3图25-1为沙立度胺和L-多巴的对映异构体结构图25-1为沙立度胺和L-多巴的对映异构体结构4

在许多情况下，化合物的一对对映体在生物体内的药理活性、代谢过程、代谢速率及毒性等方面均存在显著的差异，常出现以下几种不同情况：

(1)一种对映体有药理活性，而另一种无活性或活性很弱。如氨基已烯酸只有S-对映体是GABA转氨酶抑制剂；左氧氟沙星的体外抗菌活性是R-(+)-对映体的8~128倍。

(2)两种对映体具有完全不同的药理活性，都可作为治疗药物。例如右(旋)丙氧吩是一种镇痛剂，而左(旋)丙氧吩则是一种止咳剂，两者表现出完全不同的生理活性

在许多情况下，化合物的一对对映体在生物体内的5(3)两种对映体中的一种有药理活性，另一种不但没有活性，反而有毒副作用。20世纪50年代末期发生于欧洲的“反应停”事件，孕妇因服用沙立度胺（酰胺哌啶酮）而导致短肢畸胎，酰胺哌啶酮的两种对映体中，后研究发现只有R-对映体具有镇静作用，而S-对映体是一种强力致畸剂。（4）两种对映体的药理活性完全相反，如巴比妥类DMBB[5-(1，3-二甲丁基)-5-乙基巴比妥]和MPPB［N-甲基-5-丙基-5苯基巴比妥］，左旋体都具有麻醉活性，但右旋体却起促惊厥作用。

（5）两种对映体中具有等同或相近的同一药理活性。如强心药SCH00013的两种对映体的药理作用具有相同的效应。

(3)两种对映体中的一种有药理活性，另一种不但没有活性，反而6（6）两种对映体的作用具有互补性。普奈洛尔的S(-)-对映体的β受体阻断作用比R-（+）-对映体强约100倍，而R对映体对钠通道有抑制作用。两者在治疗心律失常时有协同作用。故外消旋体用于治疗心律失常的效果比单一对映体好。（7）两种对映体中，一种对映体为另一对映体的竞争性拮抗剂。如左旋异丙肾上腺素是β受体激动剂，而右旋异丙肾上腺素则为其竞争性拮抗剂，且两者与β受体的亲和性相当。下图，表25-1为一些药物或化合物异构体的不同药理活性或其它特性：第二十五章手性药物课件7药物或化合物名称

构型

药理特性

沙利度安（thalidomide）

R

催眠镇静

S

强致畸作用

氯霉素（chlonamphenicol）

R

广谱抗菌作用

S

无活性

心得安（propanolol）

R

无活性

S

β-阻滞剂

索他洛尔（sotalol）

D

III-型抗心律失常

L

β-阻滞剂

他莫西芬（tamoxifen）

E

雌激素

Z

抗雌激素活性、治疗乳腺癌

日本丽金龟性信息素

R,Z

捕获雄性昆虫的数量大

S,Z

捕获雄性昆虫的能力大大降低

药物或化合物名称构型药理特性沙利度安（thalidom8。

由此可见，对手性药物的应用，应该注意不同异构体作用的差异，手性药物的研制和生产具有十分重要的意义。。

使用手性药物可减少剂量和代谢的负担，提高药理活性和专一性，降低毒副作用。并且，生产手性药物可节省资源，减少废料排放，降低对环境的污染。。。使用手性药物可减少剂量和代9市售的单一异构体和外消旋体药物种类世界市售药物制备方法

手征性销售形式总数非手性手性单一异构体外消旋体原料药总数（1850）生物或半合成52365175098全合成132779952861467市售的单一异构体和外消旋体药物种类总数非手性10一、有关手性合成的几个基本概念1、手性或手征性（chiral或chirality）所谓手征性是指实物与其镜像不能相互重合的性质，如同人的左手和右手的关系，互为镜像，但不能重合。判断分子是否具有手征性，必须考虑它缺少哪些对称因素。通常只要一个分子既没有对称面又没有对称中心时，就可以断定它是手征性分子。造成分子有手征性的一个最通常的因素是含有手性碳原子（常用*C表示），即和四个不同原子或基团相连的碳原子。一、有关手性合成的几个基本概念112、手性药物（chiraldrug）所谓手性药物是指单一异构体药物。近年来人们对手性药物愈来愈关注的重要原因是它们的治疗活性主要存在于一种异构体，而另一（些）异构体或是无活性的、或是具有不同的药理活性，甚至有严重的毒副作用。2、手性药物（chiraldrug）123、对映体、对映异构体（enantiomer）具有一定构造的分子，其原子在空间的排列方式可能不止一种，即可能存在不止一种构型。凡是手性分子，必有互为镜像的构型。这种互为镜像的两种构型叫做对映体。分子的手性是对映体存在的必要和充分的条件。一对对映体的构造相同，只是立体结构不同，因此它们是立体异构体。这种立体异构体就叫做对映异构体。3、对映体、对映异构体（enantiomer）133、对映体、对映异构体（enantiomer）对映异构和顺反异构一样都是构型异构。要把一种异构体变成构型异构体，必须断裂分子中的两个键，然后对换两个基团的空间位置。而构象异构则不同，只要通过键的扭转，一种构象异构体就可以转变为另一种构象异构体。3、对映体、对映异构体（enantiomer）对映异构和顺反144、立体异构体（stereoisomer）其分子由相同数目和相同类型的原子组成，是具有相同的连接方式但原子的空间排列方式不同，即构型不同的化合物。4、立体异构体（stereoisomer）155、非对映异构体（diastereoisomer）具有二个或多个非对称中心，且其分子相互不为镜像的立体异构体。如D-赤鲜糖和D-苏糖常简称为“非对映体”。5、非对映异构体（diastereoisomer）166、不对称合成、手性合成（asymmetricsynthesis,chiralsynthesis）不对称合成常常也被称之为手性合成。最初的定义为，不对称合成是一个用纯手性试剂通过非手性底物的反应形成光学活性化合物（opticallyactivecompound）的过程，即从一个具有对称构造的化合物产生光学活性物质的反应过程。

6、不对称合成、手性合成（asymmetricsynthe176、不对称合成、手性合成（asymmetricsynthesis,chiralsynthesis）更为广义的不对称合成的定义为，一个反应，其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂以不等量地生成立体异构产物的途径转化为手性单元。也就是说，不对称合成是一个过程，它将潜手性（prochiral）单元转化为手性单元，使得产生不等量的立体异构产物。6、不对称合成、手性合成（asymmetricsynthe18一个成功的不对称反应的标准1）高的对映体过量（e.e）；2）用于不对称反应的反应剂应易于制备并能循环使用；3）可以制备得到R和S两种构型；4）最好是催化性的合成。迄今，能完成最好的不对称合成的反应剂可以认为是生物催化剂，即自然界中的微生物和酶。

一个成功的不对称反应的标准1）高的对映体过量（e.e）；197、不对称放大、手性合成子和手性助剂（asymmetricamplification,chiralsynthon,chiralauxiliary）

不对称放大是指应用一种具较低对映体纯度的催化剂或试剂制备具较高对映体纯度的产物的过程。手性合成子为一单对映体化合物，以其作为起始原料在反应过程中诱导产生所需的手性化合物。手性助剂为一单对映体化合物，其通过共价键与底物暂时结合，在反应过程中诱导出手性，最后再使共价键断开得到单对映体产物，并回收助剂。

7、不对称放大、手性合成子和手性助剂（asymmetric208、外消旋、内消旋和外消旋化

（racemic,meso,racemization）外消旋是指一种物质以两种互为对映体的手性分子的等量混合物形式存在的现象，这种物质即为外消旋体。外消旋体也称为外消旋混合物（racemicmixture）或外消旋物(racemate)，其化合物名称前用dl（不鼓励使用）或符号（较好）或用前缀rac表示。8、外消旋、内消旋和外消旋化

（racemic,meso,218、外消旋、内消旋和外消旋化

（racemic,meso,racemization）内消旋是指一种物质的分子内具有2个或多个非对称中心但又有对称面，因而不能以对映体存在的现象，这种物质即为内消旋体，其化合物用前缀meso表示。外消旋化是指一种对映体转化为两个对映体的等量化合物。内消旋体和外消旋体都没有旋光性，但它们在本质上是不同的。8、外消旋、内消旋和外消旋化

（racemic,meso,229、光学（旋光）活性、光学（旋光）异构体和光学纯度（opticallyactive,opticalisomer,opticalpurity）光学活性是指由实验观察到的一种物质将单色平面偏振光的平面向观察者的右边或左边旋转的性质，通常用（+）表示右旋，用（–）表示左旋。光学异构体即为对映体的同义词，现已不常用，因为一些对映体在某些光波长下并无光学活性。光学纯度是指根据实验测定的旋光度，在两个对映混合物中一个对映体所占的百分数。

9、光学（旋光）活性、光学（旋光）异构体和光学纯度（opti2310、立体选择性反应和立体专一性反应（stereoselectivereaction,stereospeceficreaction）

如果一个反应不管反应物的立体化学如何，生成的产物只有一种立体异构体（或有两种立体异构体时，其中一种异构体占压倒优势），这样的反应被称之为立体选择性反应。从立体化学上有差别的反应物给出立体化学上有差别的产物的反应被称之为立体专一性反应。所有的立体专一性反应必定是立体选择性反应，但不是所有的立体选择性反应必定是立体专一性反应，因为有些反应物是没有立体结构特征，而生成物是有立体结构特征的。10、立体选择性反应和立体专一性反应（stereoselec2411、对映体过量（enantiomericexcess,简称e.e）和对映选择性（enantioselectivity）对映体过量（e.e）是指在两个对映体混合物中，一个对映体E1过量的百分数，即e.e=[（E1–E2）]/[（E1+E2）]×100%

对映选择性是指一个化学反应（包括生物反应等）产生一种对映体多于相对对映体的程度。

11、对映体过量（enantiomericexcess,2512、D/L、R/S和d/l

D/L为分子的绝对构型，按照与参照化合物D-或L-甘油醛的绝对构型的实验化学关联而指定。D/L标记法应用已久，也比较方便。但是这种标记只能表示出分子中一个手性碳原子的构型，对于含有多个手性碳原子的化合物不合适，有时甚至会产生名称上的混乱。因此，其仅常用于一些常见的和天然的氨基酸或糖，对其它一些化合物目前都采用R/S来表示。

12、D/L、R/S和d/l

D/L为分子的绝对构型，按照与2612、D/L、R/S和d/l

R/S标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团的排列顺序来标记手性碳原子构型的一种方法。因此，在化学反应中，如果手性碳原子构型保持不变，产物的构型与反应物的相同，但其“R”或“S”标记却不一定与反应物相同。反之，如果反应后手性碳原子的构型转化了，产物构型的“R”或“S”也不一定与反应物相同。因为经过化学反应，产物的手性碳上所连接的基团与反应物的不一样了，产物和反应物的相应基团的排列次序可能相同也可能不同。“R”或“S”的标记，决定于它本身四个基团的排列次序，而与反应时的构型是否保持不变无关。12、D/L、R/S和d/l

R/S标记法是根据手性碳原子2712、D/L、R/S和d/l

d或l是指物质右旋或左旋，是按照实验测定的将单色平面偏振光的平面向右或向左旋转而定，目前常用（+）表示右旋，用（–）表示左旋。

12、D/L、R/S和d/l

d或l是指物质右旋或左旋，是按2813、拆分（resolution）拆分是指将外消旋体分离成旋光体的过程。外消旋体是有一对对映体等量混合而成。对映体除旋光方向相反外，其它物理性质都相同，因此，虽然外消旋体为两种化合物的混合物，但用一般的物理方法，如蒸馏、重结晶等不能把一对对映体分离开来，必须用特殊的方法才能把它们拆开。目前常用的一些方法包括有以下几种。13、拆分（resolution）拆分是指将外消旋体分离成旋29

20世纪初期，没有测定有机化合物绝对构型的方法，只能用相对构型来表示各种化合物构型之间的关系。Fischer选择甘油醛为标准化合物，并人为地规定图25-1中手性碳原子上相连的OH写在右边的一种构型为D-甘油醛，用大写字母D表示，而OH写在左边的一种构型为L-甘油醛，用大写的L表示。

30

图25-1甘油醛的立体构型

D(+)-甘油醛L(-)-甘油醛

图25-1甘油醛的立体构型

D(+)-甘油醛31

然后由甘油醛的构型推导出可以和甘油醛互相转化的化合物或结构上与甘油醛相关的化合物的构型。它能对许多天然化合物的立体化学结构作出系统的表述。

局限性这种标记只能表示出分子中一个手性碳原子的构型，而且主链的选择和正确取向也不明确，当主链以不同的方式排列时，同一化合物就可能被指定为不同的构型。

然后由甘油醛的构型推导出可以和甘油醛互相转化的化合物323）Cahn-Ingold-Prelog规则——R、S标记法

R/S标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团的排列顺序来标记手性碳原子构型的一种方法。“R”或“S”的标记，决定于它本身四个基团的排列次序，而与反应时的构型是否保持不变无关。按照原子序优先性顺序规则，把与手性中心碳原子相连接的四个原子或原子团按大小确定先后次序。设想分子的取向是：把次序最后的基团指向离开人的方向，然后观察其余基团的排列，按各基团优先性从大到小的次序来看，如果人的眼睛按顺时针方向转动，这个构型标定为R（拉丁：rectus，右)如果是逆时针方向，这个构型定为S（拉丁：sinister，左）。。3）Cahn-Ingold-Prelog规则——R、S标记法33原子序优先性顺序规则如下：a.

首先比较和手性碳原子相连接的原子的原子序，原子序数大者优先。对于同位素，质量大者优先。b.当直接和手性碳原子相连的原子相同时，可再比较第二个原子，如第二个原子有几个，只要其中一个原子序数最大则优先。当第二个原子又都相同时，则可再比较第三个原子，余此类推。c.双链和三链可分别看作两次和三次与有关之因素的结合。

原子序优先性顺序规则如下：34

用R、S命名系统来表达分子中的不对称碳原子的绝对构型，优点是比较可靠，已被接受；但也有不足之处，即它不能反映立体异构体之间的构型关系。因此，许多碳水化合物和氨基酸的构型习惯上仍用D，L来表示。

4）d/l d或l是指物质右旋或左旋，是按照实验测定的将单色平面偏振光的平面向右或向左旋转而定，目前常用（+）表示右旋，用（–）表示左旋。

356、光学活性

1）光学活性(opticalactivity)某种化合物通过旋光仪检测能使单色平面偏振光的平面向观察者的右边或左边旋转的特性。通常用（+）表示右旋，用（–）表示左旋。由于旋光方向和程度是由分子中所有不对称原子上的羟基方向或位置所决定，而构型只与分子中距羰基最远的不对称碳原子上的OH羟基位置或方向有关，因此，构型并不与旋光方向相对应。

2）光学异构体（opticalisomers)对映体的同义词，但现在已不常用，因为有一些对映体在某些偏振光波长下并无光学活性。

3）光学纯度(opticalpurity)根据试验测定的比旋光度，在两个对映体混合物中，一个对映体所占的百分数。现常用对映体纯度来代替。6、光学活性1）光学活性(opticalact367、外消旋、内消旋和外消旋化（racemic,meso,racemization）

1）外消旋是指一种物质以两种互为对映体的手性分子的等量混合物形式存在的现象，它是指两种对映体的等量混合物，其化合物名称前用dl（不鼓励使用）或符号（较好）或用前缀rac表示。2）内消旋是指一种物质的分子内具有2个或多个非对称中心但又有对称面，因而不能以对映体存在的现象，这种物质即为内消旋体，其化合物用前缀meso表示。

3）外消旋化(racemization)它是指一种对映体转化为两个对映体的等量混合物(即外消旋体)的过程。如果转化为两个对映体，其量不相等，则称为部分消旋化内消旋体和外消旋体都没有旋光性，但它们在本质上是不同的。7、外消旋、内消旋和外消旋化（racemic,meso,378、不对称合成、手性合成（asymmetricsynthesis,chiralsynthesis）

不对称合成常常也被称之为手性合成。广义的不对称合成的涵义为，一个反应，其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂以不等量地生成立体异构产物的途径转化为手性单元。也就是说，不对称合成是一个过程，它将潜手性（prochiral）单元转化为手性单元，使得产生不等量的立体异构产物。

一个成功的不对称反应的标准为：1）高的对映体过量（e.e）；2）用于不对称反应的反应剂应易于制备并能循环使用；3）可以制备得到R和S两种构型；4）最好是催化性的合成。迄今，能完成最好的不对称合成的反应剂可以认为是生物催化剂，即自然界中的微生物和酶。8、不对称合成、手性合成（asymmetricsynthe389、不对称放大、手性合成子和手性助剂（asymmetricamplification,chiralsynthon,chiralauxiliary）

不对称放大是指应用一种具较低对映体纯度的催化剂或试剂制备具较高对映体纯度的产物的过程。

手性合成子为一单一对映体化合物，以其作为起始原料在反应过程中诱导产生所需的手性化合物。

手性助剂为一单一对映体化合物，其通过共价键与底物暂时结合，在反应过程中诱导出手性，最后再使共价键断开得到单对映体产物，并回收助剂。9、不对称放大、手性合成子和手性助剂（asymmetric3910、立体选择性反应和立体专一性反应（stereoselectivereaction,stereospeceficreaction）如果一个反应不管反应物的立体化学如何，生成的产物只有一种立体异构体（或有两种立体异构体时，其中一种异构体占压倒优势），这样的反应被称之为立体选择性反应。从立体化学上有差别的反应物给出立体化学上有差别的产物的反应被称之为立体专一性反应。所有的立体专一性反应必定是立体选择性反应，但不是所有的立体选择性反应必定是立体专一性反应，因为有些反应物是没有立体结构特征，而生成物是有立体结构特征的。10、立体选择性反应和立体专一性反应（stereosel4011、外消旋体转换（racemicswitch）

即从已知的外消旋体药物开发单一异构体药物。这对该品种的原开发商而言可籍此延长产品的专利保护期。对其它厂商而言是一条获得新产品的捷径，因为其相对风险小投入少。12、拆分（resolution）

拆分是指将外消旋体分离成旋光体的过程。外消旋体是由一对对映体等量混合而成。对映体除旋光方向相反外，其它物理性质都相同，用一般的物理方法，如蒸馏、重结晶等不能把一对对映体分离开来，必须用特殊的方法才能把它们拆开。目前常用的拆分方法主要有下列几种：11、外消旋体转换（racemicswitch）41化学拆分法：这个方法应用最广。其原理是将对映体转变为非对映体，然后分离。外消旋体与无旋光性的物质作用并结合后，仍是外消旋体。但是若使外消旋体与旋光性物质作用并结合后，则原来的一对对映体变成了两种互不对映的衍生物。于是外消旋体变成了非对映体的化合物。这种拆分法最适合于酸或碱的外消旋体的拆分。目前已经开发了许多光学异构体分离用的介质。生物拆分法：某些微生物或它们所产生的酶。对于对映体中的一种异构体有选择性的分解作用。利用微生物或酶的这种性质可以从外消旋体中把一种旋光体拆分出来。化学拆分法：这个方法应用最广。其原理是将对映体转变为非对映体42诱导结晶拆分法：在外消旋体的过饱和溶液中，用一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种。由于溶液中这种旋光体的含量较高，且在晶种的诱导下优先结晶析出。将这种结晶滤出后，则另一种旋光体在滤液中相对较多。再加入外消旋体制成过饱和溶液，于是另一种旋光体优先结晶析出。如此反复进行结晶，就可以把一对对映体完全分开。选择吸附拆分法：用某种旋光物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体，以达到拆分的目的。近年来开发用于分离光学异构体的拟移动床色谱就是根据这种原理设计的。逆流萃取拆分法：在萃取液中使用合适的手性助剂，以逆流萃取的方法可以使外消旋体混合物对映体得到分离。其它拆分法：近年来正在不断开发各种新的对映体拆分技术包括所应用的设备的开发。诱导结晶拆分法：在外消旋体的过饱和溶液中，用一定量的一种旋光4313.化学-酶法(chemo-enzymaticmethod)

化学-酶法即利用酶或微生物细胞作为催化剂对化学合成路线中某一个手性中间体进行不对称合成或拆分，再合成光学纯的手性药物。13.化学-酶法(chemo-enzymaticmet4425.3手性药物的通用制造方法与技术

手性药物的制造方法和技术总体上可分为化学制造技术和生物制造技术两大类。两者具有一定的互补性，在手性药物的生产过程中常交替使用。根据原料的不同，制造手性药物的方法主要分为四大类即外消旋体拆分、不对称合成、手性源化合物合成和提取法。25.3手性药物的通用制造方法与技术手性药物的451.拆分法

其主要可分为结晶法拆分、动力学拆分和色谱分离三大类。

结晶法拆分分为直接结晶法拆分和非对映异构体结晶拆分，分别适用于外消旋混合物和外消旋化合物的拆分前者往外消旋混合物的过饱和溶液中直接加人某一对映体的晶种，使该对映体优先析出后者是外消旋化合物与另一手性化合物(拆分剂，通常是手性酸或手性碱）作用生成两种非对映异构体盐的混合物，然后利用两种盐的性质差异用结晶法分离之。

动力学拆分法是利用两个对映体在手性试剂或手性催化剂作用下反应速率不同而使其分离的方法。依手性催化剂的不同，动力学拆分又可分为生物催化动力学和化学催化动力学拆分。前者主要以酶或微生物细胞为催化剂，后者主要以手性酸，手性碱或手性配体过渡金属配合物为催化剂。色谱分离可分为直接法和间接法。直接法又分为手性固定相法和手性流动相添加法。其中手性固定相法应用较多，己发展成为吨级手性药物拆分的工艺方法。间接法又称为手性试剂衍生化法，是指外消旋体与一种手性试剂反应，形成一对非对映异构体，再用普通的正相或反相柱分离之。第二十五章手性药物课件462.不对称合成

不对称合成是指一个化合物(底物)中的非手性部分在反应剂作用下转化为手性单元，并产生不等量的立体异构体的过程，不对称合成的方法粗略地划分为四代。

一、底物制备法，通过手性底物中已存在的手性单元进行分子内诱导从而在底物中产生新的手性单元。

二、辅基制备法，通过连接在底物上的手性辅基进行分子内定向诱导而实现手性制备

三、试剂制备法，是通过手性试剂直接与非手性底物作用，产生手性产物的方法。

四、催化剂制备法，是使用催化剂诱导非手性底物与非手性试剂反应，向手性产物转化。迄今，用于不对称合成的最好的反应剂当属自然界中的酶，发展像酶催化体系一样有效的化学催化体系是不对称合成的重要发展方向。。第二十五章手性药物课件473.手性源合成

手性源合成指的是以廉价易得的天然或合成的手性源化合物为原料，通过化学修饰方法将其转化为手性产物的方法。用于制备手性药物的手性原料主要有三个来源：一是自然界中大量存在的手性化合物，如糖类，萜类，生物碱等；二是以大量廉价易得的糖类为原料经微生物发酵得到的手性化合物，如氨基酸、有机酸等简单手性化合物和抗生素，维生素，激素等复杂的手性化合物；三是以手性或前手性的化合物为原料化学合成得到的手性化合物。在手性源合成中，手性源化合物既可能是手性合成子又可能是手性辅剂。若手性源化合物的大部分结构在产物中出现，则该手性源化合物是手性合成子；若其结构在产物中不出现，则该化合物为手性辅剂。

3.手性源合成手性源合成指的是以廉价易得的天然或合成的484.提取法

在天然产物中，存在大量可直接作为药物的手性化合物，这些化合物可通过萃取，沉淀，色谱，结晶等手段提取得到，用从自然界中分离提取手性化合物的方法生产手性药物不但产物光学纯度高，并且工艺简单，对含有多个手性中心的复杂大分子的制备尤为如此。然而，该法也有其缺陷：首先有些物质在自然界中的含量极低其分离纯化十分困难；其次，自然界往往只给人们提供一种异构体，其它构型的异构体可能不存在；此外，还有很多手性化合物在自然界根本不存在或尚未被发现，无法通过提取法得到这些物质。第二十五章手性药物课件4925.4手性药物的生物不对称合成原理众所周知，手性药物的生物不对称合成已成为开发生产手性药物的高效方法。利用生物不对称合成技术制备手性药物（关键中间体）的一些实例请看下表25-3。25.4手性药物的生物不对称合成原理众所周知，手性药物的生物50

酶

关键中间体

手性药物

脂肪酶

抗抑郁药帕罗西汀

脂肪酶

拆分得到(S)--甲基--乙酰硫代丙酸抗高血压药卡托普利

氧化酶

选择性氧化得到(R)--甲基--羟基丙酸

脂肪酶

拆分得到(2R,3S)-4-甲氧苯基缩水甘油酸甲酯

抗心绞痛和高血压药地尔硫卓

脂肪酶

拆分得到手性侧链-氨基-N-苯甲酰基-(2R,3S)-3-苯基异丝氨酸

拆分得到手性侧链-氨基-N-苯甲酰基-(2R,3S)-3-苯基异丝氨酸

脂肪酶

拆分消旋体

非甾体消炎药（S）-奈普生

脂肪酶

拆分消旋体

非甾体抗炎药（R）-氟比洛芬 酶关键中间体手性药物脂肪酶抗抑郁药帕罗西汀脂肪酶51单加氧酶

（R）-3-（对氯苯基）-4-丁内酯

解痉药(R)-（-）-巴氯酚

-胰凝乳蛋白酶

拆分得到（R）-3-(对氯苯基)戊二酸甲酯

单加氧酶

（S）-(+)-ε-内酯

维生素类药（R）硫辛酸

单加氧酶

不对称醇类的酶法拆分

β-受体阻滞药美托洛尔、阿替洛尔

氧化酶

将2,5-二甲基吡嗪中两个不对称甲基中的一个氧化为羧基

降糖药格列吡嗪

水解酶

拆分

黄嘌呤氧化酶

抗病毒药阿昔洛韦

脱氢酶

抗高血压新药Omapatrilat、tert-亮氨酸

单加氧酶（R）-3-（对氯苯基）-4-丁内酯解痉药(R)52腈水解酶

精神振奋药哌醋甲酯

酰化酶

氨苄青霉素

D-氨基酸氧化酶和戊二酰-7-ACA酰化酶

7-ACA

酰基转移酶

Xemilofiban

嘌呤核苷磷酸化酶

抗病毒药利巴伟林

丙酮酸脱羧酶

L-苯基乙酰基甲醇

抗支气管药L-麻黄碱抗感冒和抗过敏药D-假麻黄碱氰醇酶

手性氰醇

沙虫剂溴氰菊酯和氯氟胺氰戊菊酯蛋白酶

抗病毒药abac

D-海因酶

拆分得到(R)-N-氨甲酰-4-羟基苯苷氨酸

脱卤酶

降血脂药atorvastatin

腈水解酶精神振奋药哌醋甲酯酰化酶氨苄青霉素D-氨基酸53一、生物不对称合成及其特点

生物合成是指利用酶或有机体(细胞、细胞器等)作为催化剂实现化学转化的过程。生物合成的本质是酶催化合成。迄今，在手性药物生产中所用的酶主要为蛋白类酶。蛋白类酶的分类如右图：

氧化还原酶裂合酶异构酶合成酶水解酶转移酶蛋白类酶一、生物不对称合成及其特点生物合成是指利用酶54生物不对称合成具有很多优点：首先，反应条件温和其次，催化效率和反应速率高再次，选择性好，对不需要转化的基团无需保护；最后，具有很高的对映体选择性，可以只生成所需要的对映体，既节约资源又减少环境污染。酶作为生物催化剂也有其缺点：首先有些酶的价格较高，导致生产成本上升。其次，酶的稳定性通常较差，酶催化反应的条件必须格控制。再次，许多酶易受底物或产物抑制，当底物或产物浓度较高时酶将失活。另外，酶是生物大分子，可能会引起过敏反应。生物不对称合成具有很多优点：55前景展望：

近年来，酶工程，基因工程等现代生物工程技术的发展使生物合成的优势得到进一步的增强。并使其缺点不断被克服。例如，应用基因工程技术可以提高酶的生产效率，降低酶的价格。应用蛋白质工程能改造酶的结构，改变其底物谱，提高其催化活性，选择性及稳定性。酶固定化技术不但能够提高酶的稳定性，延长其使用寿命，使酶能重复利用，大大降低生产成本，还能通过固定化方法和载体的选择调控其催化性能。抗体酶技术能为人们提供满足实际应用需要的自然界不存在的新酶。前景展望：近年来，酶工程，基因工程等现代生物56二、非水相生物合成理论早在1913年，Bousquelt等就发现酶在有机溶剂中具有一定的催化活性，自1984年Klibanov等报道了脂肪酶在有机介质中不仅具有极高的热稳定性和较高的催化活性，且同一种酶在不同的有机溶剂中可以表现出不同的立体选择性，非水相中生物合成的研究取得了突破性的进展。在水相中，生物合成反应受到多方面的限制，如疏水性底物溶解度低，产物浓度不能过高，水相中酶的特异性难以调节等。非水相中生物合成有许多突出的优点：极大地增加非极性底物在生物合成体系中的溶解度，提高反应速率；影响反应的热力学平衡，能进行在水相中不能进行的合成反应；可简单地通过改变反应介质而不是酶本身来提高其选择性；提高酶的热稳定性；减少水介质可能带来的副反应；简化产物分离纯化工艺。二、非水相生物合成理论早在1913年，Bousqu57（一）非水介质体系

目前，生物合成反应中常用的非水介质体系主要可归纳为以下几类：

1.水-有机溶剂两相体系

水有机溶剂两相体系（aqueous-organicbiphasicsystem）是指由水相和与水不互溶有机溶剂组成的两相反应体系。常用的有机溶剂一般为亲脂性溶剂，如烷烃，醚和氯代烷烃等。在该两相体系中，酶溶解于水相，底物和产物溶解于有机相，酶反应的产物进入有机相，减少了逆反应的发生和反馈抑制作用，使反应朝着产物合成的方向进行。振荡和搅拌可加快两相反应体系中生物合成反应的速度。该两相体系适用于强疏水性底物(如脂类和烯烃类)的生物转化。水-有机溶剂两相体系已成功地用于疏水性底物（如甾体）的生物转化。

（一）非水介质体系582.水不互溶有机溶剂单相体系

水不互溶有机溶剂单相体系(monophasicorganicsolution)是指用与水不互溶的有机溶剂取代水作为反应介质的体系。水不互溶有机溶剂单相体系广泛用于生物催化的合成反应，如肽合成等。3．反相胶束体系

反相胶束体系是表面活性剂与少量水存在的有机溶剂体系。表面活性剂分子由疏水性尾部和亲水性头部两部分组成，在含水有机溶剂中，它们的疏水性尾部与有机溶剂接触，而亲水性头部形成极性内核，从而组成一个反相胶束，水分子聚集在反胶束内核中形成"小水池”，里面容纳了酶分子，这样酶被限制在含水的微环境中，而底物和产物可以自由进出胶束。表面活性剂可以是阳离子型、阴离子型或非离于型。2.水不互溶有机溶剂单相体系水不互溶有机溶剂单相体系(59

作为反应介质，反相胶束体系具有以下优点：①组成的灵活性。②热力学稳定性和光学透明性。③反相胶束有非常高的界面积/体积比。④反相胶束的相特性随温度而变化。

反相胶束中的酶催化反应可用于辅酶再生、外消旋体拆分，肽和氨基酸合成和高分子材料合成。作为反应介质，反相胶束体系具有以下优点：60

4.水互溶有机溶剂单相体系

单相水-有机溶剂体系(monophasicaqueous-organicsolution)是指由水和与水互溶的有机溶剂组成的单相反应体系，酶、底物、产物均能溶解于该体系中。常用的有机溶剂是二甲基亚砜(DMSO)、丙酮，低级醇和多元醇等。一般水互溶有机溶剂的量可达总体积的10%，在一些特殊情况下，可高达50%~70%。少数稳定性很高的酶，如脂肪酶，在只含有极少量水的水互溶有机溶剂中也能保持其催化活性。该体系可用于糖类等物质的生物转化。

4.水互溶有机溶剂单相体系

单相水-有机溶剂615.超临界流体体系

超临界流体体系就是使用超临界流体(SuperCriticalFluid)，如超临界二氧化碳，氟里昂CF3H，等作为酶催化反应的介质。超临界流体的物理性质介于气体和液体之间，它兼具气体的高扩散系数，低黏度，低表面张力和液体的高密度的特性，可通过改变反应器的温度和压力来调控酶的活性和选择性，实现生物合成反应与产物分离的偶联。

常用的超临界流体为超临界二氧化碳，其优点是无毒，不可燃，价格便宜，来源广泛，无环境污染问题，临界温度和压力较低。超临界二氧化碳体系也有一定的局限性，如酶活性不高，极性底物溶解度低等。可通过添加共溶剂，如甲醇，乙醇等提高疏水性底物在超临界二氧化碳中的溶解度。5.超临界流体体系超临界流体体系就是使用626.无溶剂体系

无溶剂体系是指一类无其它有机溶剂，只含有底物和酶的反应体系，此类反应体系底物浓度高，反应速率快，无需分离反应介质，分离纯化工艺简单；同时，无溶剂体系不需要使用其它有机溶剂，既降低了生产成本，又减少了有机溶剂对环境的污染，是一种绿色反应体系。

无溶剂体系主要用于熔点较低，在酶的最适温度下呈液态的底物的生物转化，如酶催化油脂的转酯反应。7.离子液体系

离子液(ionicliquid)是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的低熔点盐类在室温或近室温下呈液态。其蒸气压力低，低挥发性，高(热、化学)稳定性及对环境友好等分子溶剂不可比拟的特性，故被称为绿色溶剂(greensolvent)。

6.无溶剂体系无溶剂体系是指一类无其它有机63

与传统的有机溶剂相比，离子液另一些突出的优点是：易溶解极性强的底物如碳水化合物；挥发性的产物易分离；(生物)催化剂易回收重复利用。目前常用的离子液主要是由咪唑类或吡啶类阳离子和一系列阴离子如四氟硼酸，六氟磷酸等组成的，如1-烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸。以离子液替代有机溶剂作为绿色反应介质用于生物合成与生物转化已经成为一个崭新的研究领域，为溶剂工程应用于生物合成过程提供了新的可能和机遇，具有相当诱人的应用前景。

64（二）非水介质中酶的存在形式

酶的形式对其在非水介质中的催化特性具有重要的影响。在非水介质中，酶主要以酶粉，固定化酶，交联酶体，化学修饰酶，包衣酶，酶-表面活性剂离子对等几种形式存在。

1.酶粉

将冻干的酶粉直接分散在有机溶剂中进行催化反应，是最简单也是最早使用的方法。酶在有机溶剂中仍能较好地保持其活性与其表面存在一定量的“必需水”有关。冷冻干燥得到的酶粉，其表面也结合有一定量的水，将其直接分散于非极性或弱极性有机溶剂中，或添加少量水后，酶就能呈现出一定的催化活性。（二）非水介质中酶的存在形式酶的形式对其在65

2．固定化酶

将酶固定化于适宜的载体上可增强酶在非水介质中稳定性，反应后固定化酶易从介质中分离，并可重复使用。酶的固定化方法主要有吸附法、交联法、包埋法和结合法四种。用于有机介质中的固定化酶常用吸附法制备，这是由于此法较为温和，酶活损失小，且在有机介质中酶分子不易从固定化载体上脱落下来。常用的载体包括硅藻土，分子筛，聚丙烯等。利用固定化酶的生物合成过程更易于工业化。3.酶-表面活性剂离子对

酶能与离子型表面活佳剂分子相互作用，形成疏水性的酶-表面活性剂离子对，增加酶在有机介质中的溶解性。与表面活性剂包衣酶相比，可降低表面活性剂的用量，减少表面活性剂对酶催化反应及产物分离过程的影响。2．固定化酶将酶固定化于适宜的载体上可增强酶在非水介664．交联酶晶体

交联酶晶体(CLEC)技术将酶结晶技术和化学交联技术结合起来，以制备能耐受极端反应条件，在非水介质中稳定的酶制剂。CLEC制备过程包括酶的分批结晶和酶晶体的化学交联两个主要步骤。可通过控制分批结晶条件(如结晶温度，pH，沉淀剂浓度，投晶种的量及速度，搅拌强度等)制得晶粒大小适宜且均一的酶晶体。交联酶晶体已成功应用于手性化合物的动力学拆分和不对称合成中。5.化学修饰酶酶的化学修饰是通过化学方法将具有某种特性的功能基团共价连接到酶分子的氨基酸残基上，以改善酶在有机介质中的溶解性，活性，稳定性，作用专一性和其它特性。

4．交联酶晶体交联酶晶体(CLEC)技术将酶结晶技术和67

化学修饰一般不改变酶的最适反应条件，对酶的底物选择性和对映体选择性等的影响也很有限。将酶的化学修饰与固定化结合起来，可提高酶的催化效果。

6．包衣酶

包衣酶是利用含有多个烃基的非离子型表面活性剂的亲水部分与酶分子表面的氨基酸残基间的氢键作用，使表面活性剂与酶分子连接在一起，表面活性剂分子的亲水部分向内，疏水部分向外覆盖在酶分子表面，对酶分子进行“包衣”。包衣后的酶分子受到表面活性剂的保护，避免了因与有机溶剂直接接触而导致的失活。

68（三）非水介质中酶的特性

1．酶的活性

在非水介质中，酶的催化活性一般要比水中低2～6个数量级，但也有一些例外，如在反胶束体系中，过氧化物酶的活性约为水中的100倍。以下方法可在不同程度上提高非水介质中酶的活性。

（1）酶冻干时加入添加剂

加入赋形剂、冻干保护剂可减少酶在冻干过程中的可逆变性。在欲冻干的酶溶液中加入大量的无机盐或有机盐，冻干后的酶粉在非水介质中的活性显著提高，该现象被称为盐激活。

(2)酶的固定化或修饰。将酶固定化于多孔载体可以提高酶的活性。酶的化学修饰也是提高非水相中酶活性的一种好方法。

(3)酶的蛋白质工程

通过基因操作改变酶蛋白的氨基酸序列或蛋白质结构，从而改变酶的催化特性。通过蛋白质工程可构建在非水相中更加稳定，活力更高的酶

（三）非水介质中酶的特性1．酶的活性在非水介质中，酶69(4)调整反应体系的水活度

非水介质中水活度的大小直接影响酶的活性。因此可通过调整反应体系中的水活度来提高酶的活性。5)超声波处理

对酶进行适宜强度的超声辐照，是提高非水介质中酶催化活性的一种行之有效的方法。超声波处理对有机相酶反应的促进作用与超声强度，有机介质种类及有机介质中的水含量都有关系。

(6)介质工程

通过改变反应介质来调控酶的催化特性的方法称之为介质工程。。(7)反应介质中加入添加剂

在反应介质中加入一些添加剂如表面活性剂，无机盐等可显著提高酶的活性。第二十五章手性药物课件702.酶的选择性

高选择性是酶催化合成的一个重要特点。研究发现溶剂对酶的对映体选择性有极大的影响，甚至可以使其发生反转。酶的区域选择性和化学选择性也可以通过溶剂来调控。用于提高酶反应选择性的方法很多，主要有筛选高选择性的酶，纯化酶，用有机溶剂处理酶，调整反应体系中的水活度，加入化学添加剂，改变反应温度，使用分子印迹技术，改造酶蛋白，选择适宜的pH等。另外，选用不同有机溶剂作反应介质(介质工程)和改变底物类型与浓度(底物工程)等对于提高酶的选择性也非常有效。2.酶的选择性高选择性是酶催化合成的一个重要特713.酶的稳定性

许多酶在非水介质中比其在水中稳定。核糖核酸酶，细胞色素氧化酶，胰凝乳蛋白酶和溶菌酶等在有机溶剂中的热稳定性均比在水中好。这是因为有机溶剂能增强酶构象的刚性。反应介质中含适量的离子液可大大提高酶的稳定性，这是由于离子液和酶蛋白的电荷作用有助于增强酶的刚性结构。提高非水介质中酶稳定性的方法主要包括酶的固定化，酶的化学修饰，选择适宜的反应体系和反应条件，蛋白质的改造等。3.酶的稳定性许多酶在非水介质中比其在水中稳724.pH记忆和分子印迹

酶分子的电离状态是影响酶催化特性的一个重要因素。只有处在适当的pH环境中，酶分子才能获得适宜的离子状态。由于在有机介质中质子化和去质子化作用难以进行，酶分子将保持其在水溶液中的电离状态，即酶能"记住"它最后所处的水溶液的pH，这就是所谓的“pH”记忆。

分子印迹技术是以某种方式改变酶的临界态，从而改变其催化活性和选择性。分子印迹技术已成功地应用于非水介质中的酶反应。4.pH记忆和分子印迹酶分子的电离状态是影响酶催73（四）影响非水介质中生物合成反应的主要因素1.水活度水是酶发挥催化作用的必需条件。水活度的定义为：在一定的温度和压力下，反应体系中水的分压与纯水的蒸汽压之比。通常，可采用饱和盐溶液气相平衡法和添加水合盐对等方法调控反应体系的水活度。饱和盐溶液气相平衡法是根据在一定的温度下一些盐的饱和的水活度恒定的原理，通过饱和盐溶液与反应体系的气相平衡，达到酶反应所需的水活度的方法，添加水合盐的方法是根据一对无机盐水合物（同种盐的高水合物和低水合物）共存时水活度一定的原理，把一对无机盐水合物添加到有机溶剂中直接作为水活度的缓冲剂的方法。（四）影响非水介质中生物合成反应的主要因素1.水活度742.有机溶剂

有机溶剂作为反应介质，是影响非水相酶催化反应的一个重要因素。它可通过以下几种方式影响酶催化反应。(1)改变低物、产物的浓度(2)与酶的必需水作用。(3)直接作用于酶分子(4)改变能级状态3.反应介质的pH

反应介质的pH是影响非水相酶反应的重要因素之一。pH影响着酶的离子化状态，进而影响酶的催化特性。当酶微环境的pH为酶的最适pH时，酶的活力最高。2.有机溶剂有机溶剂作为反应介质，是影响非水相酶催化反754．温度

在一定的温度范围内，随着反应温度的升高，底物的能量增加，单位时间内有效碰撞频率增加，酶的反应速率加快。另外，当温度超过一定的范围，随着温度的升高，酶蛋白的变性失活加剧，酶反应速率下降。因而存在一最适温度，在该温度下，酶的活性最大。

温度对酶反应的选择性也有一定的影响。如醇腈酶催化HCN与酮/醛的羰基不对称加成反应的对映体选择性通常随着反应温度的升高而下降。4．温度在一定的温度范围内，随着反应温度的升高765．盐激活

盐激活是指在酶冻干时加人一些简单的无机盐来提高酶在非水介质中催化活性的方法。

盐激活不仅可大大提高酶活性，还可改变酶的催化选择性。Hsu等首次发现了可通过改变冻干时间，盐浓度等来调控枯草杆菌蛋白酶的对映体选择性。例如，与未经盐激活的酶相比，盐激活的枯草杆菌蛋白酶在有机介质中的对殃体选择性提高了30%。这是因为盐使酶的构象发生改变，使得酶更易于与优势对映体锲合。5．盐激活盐激活是指在酶冻干时加人一些简单的无776.添加剂

在非水介质中加入添加剂也可以调控酶催化反应的活性和选择性。常见的的添加剂为β-环糊精，冠醚，钙离子，牛黄胆酸盐及表面活性剂。例如，Wu等在研究脂肪酶催化脂水解反应中发现在反应体系中加入一些胆汁盐可以提高酶反应的选择性。金属离子可与酶蛋白分子上氨基酸残基相连，稳定酶的构象，从而改变酶的催化活性。还可清除界面上产生的脂肪酸对酶的抑制作用，对酶产生激活作用。另Ca2+、Mn2+能提高有机相中脂肪酶催化酯氨解反应的活性。

6.添加剂在非水介质中加入添加剂也可以78三、制造手性药物的生物不对称合成途径

用于手性药物及其中间体制造的生物合成途径很多，以下介绍较常用的几类：

（一）氧化反应氧化反应是向有机化合物分子中引入功能基团的重要反应之一，其在手性药物的合成中具有重要的作用。催化氧化反应的酶主要有单加氧酶、双加氧酶、氧化酶和脱氢酶。生物催化的氧化反应的主要类型如下：

1．单加氧酶（mono-oxygenases）催化的氧化反应单加氧酶主要有细胞色素P450类单加氧酶以及黄素类单加氧酶，前者以铁卟啉为辅基，后者以黄素为辅基。单加氧酶催化氧分子中的一个氧原子加入到底物分子中，另一个氧原子使还原型辅酶NADH或NADPH氧化变成NAD或NADP并产生水。单加氧酶可催化烷烃，芳香烃化合物的羟化，烯烃的环氧化、含杂原子化合物中杂原子的氧化以及酮的氧化等反应，且反应的立体选择性较高。三、制造手性药物的生物不对称合成途径79由于许多单加氧酶结合在细胞膜上，且其催化功能依赖于辅助因子，由其催化的制备性氧化反应常采用完整细胞作为催化剂。例如，假丝酵母属，假单胞菌属微生物细胞均能催化异丁酸不对称羟化产生可用于合成维生素、抗生素的具光学活性的β-羟基异丁酸。由于许多单加氧酶结合在细胞膜上，且其催化功能依赖于辅助因子，80

2．双加氧酶（dioxygenases）催化的氧化反应

双加氧酶催化氧分子的两个氧原子加入到同一底物分子中。常见的双加氧酶有脂氧酶，过氧化物酶等，可催化烯烃的氢过氧化反应，芳烃的双羟基化反应等。3．氧化酶和脱氢酶催化的氧化反应

氧化酶催化底物脱氢，脱下的氢与氧结合生成水或者过氧化氢。常见的氧化酶有黄素蛋白氧化酶、血红素蛋白氧化酶等，其催化的反应在手性合成中应用较少。

脱氢酶可催化氧化和还原双向可逆反应。在底物为还原态，辅酶为氧化态NAD（P）+时催化氧化反应为主。其机理是催化底物脱氢，脱下来的氢与NAD（P）+结合。脱氢酶催化的氧化反应具有高度的立体选择性。例如，马肝醇脱氢酶(HLADH)可催化外消旋醇对映选择性地氧化而使之得以拆分。2．双加氧酶（dioxygenases）催化的氧化反81（二）还原反应

氧化还原酶类可催化酮或者醛、羰基以及潜手性烯烃的不对称还原，使潜手性底物转化为手性产物。在酶促底物加氢的同时，还原型辅酶转化为氧化型辅酶。由于辅酶一般不太稳定；且价格昂贵，能否将辅酶再生循环使用，即将氧化型辅酶转变为还原型辅酶就成为制约该反应工业应用的重要因素。目前主要通过在反应过程中添加辅助性底物(底物偶联法)、利用两个平行氧化还原酶系统(酶的偶联法)以及完整细胞还原体系等实现辅酶再生。（二）还原反应82脱氢酶催化的还原反应如下：脱氢酶催化的还原反应如下：83

（三）水解反应及其逆反应

在手性药物及其中间体的制备中应用最为广泛的水解反应及其逆反应主要有酯水解、腈水解、环氧化合物水解、酰胺水解、酯化，酰胺化等。几种常见的水解反应途径如下：（三）水解反应及其逆反应84第二十五章手性药物课件85

1.酯水解

酯水解反应可用于不同结构的外消旋酯的拆分，得到对映体纯的酯、酸和醇。催化酯水解反应的酶主要有脂肪酶，酯酶和蛋白酶。脂肪酶也称甘油三酯水解酶，它能催化天然底物油脂的水解及其它酯类，如羧酸酯，硫酯等的水解，还能催化酯合成，酯酸解，酯醇解，酯氯解等反应，并且具有较高的立体选择性，因此在手性合成中发挥重要的作用。常用的脂肪酶主要有猪胰腺脂肪酶，假丝酵母属脂肪酶，假单胞菌属脂肪酶和毛酶属脂肪酶.不同来源的脂肪酶，其氨基酸残基的数量从270~641个不等，且疏水性氨基酸残基比亲水性氨基酸残基多。1.酯水解酯水解反应可用于不同结构的外消86

脂肪酶的氨基酸序列大不相同，但有一个共同的结构特点，即含有β折叠的核和三元复合物，这个复合物由Asp-His-Ser或His-Ser-Glu组成。研究表明，组氨酸(His)和丝氨酸(Ser)是酶活性部位的必需氨基酸残基。其活性部位的三元复合物与其它氨基酸在脂肪酶分子的中己形成的一个疏水性“套子”，表面是一个由疏水作用和静电作用所稳定的螺旋片段组成的“盖”或“罩”，它覆盖着脂肪酶的活性部位，不同脂肪酶其“盖”或“罩”的结构不同，导致其催化特性的不同。研究开发不同种类的脂肪酶可扩展其在手性合成中的应用。

872．腈水解反应

在有机合成中，腈可进一步转化成酰胺和羧酸。酶促腈水解的优势：温和的反应条件，高选择性，产物纯度高，无副产物及盐、金属类废物。酶促腈水解有两条途径：其一，通过腈水合酶转化为酰胺，再由酰胺酶催化其水解为相应的羧酸；其二，由腈水解酶直接催化其水解为羧酸。腈的酶法水解已被广泛应用于光学活性氨基酸，酰胺，羧酸及其衍生物的合成。最著名的工业用腈转换酶是从RhodococcusrhodochrousJ1菌株中发现的腈水合酶，该酶作为第三代生物催化剂被用于从丙烯腈转化成塑料单体丙烯酰胺的大规模生产。2．腈水解反应883．环氧化物水解

环氧化物能与许多亲核试剂发生反应。用化学法制备环氧化物的选择性不高。通过环氧化物水解酶选择性水解环氧化物，可制备所需构型的环氧化物。环氧化物水解酶广泛存在于哺乳动物，植物，昆虫，丝状真菌等中。环氧化物水解酶将芳香烃经单加氧酶催化氧化得到的、具有致畸、致癌作用的芳烃环氧化物水解为生物惰性的反式1，2-二醇，后者可被生物体进一步分解代谢和排泄。在细菌中环氧化物水解酶也具有解毒的功能，并在细菌利用烯烃作为碳源中扮演着关键角色。烯烃经单加氧酶催化氧化为环氧化物，环氧化物可被环氧化物水解酶水解为相应的1，2-二醇，后者进一步被氧化降解，或被二醇脱水酶催化发生脱水消除反应生成醛。3．环氧化物水解环氧化物能与许多亲核试剂发生反应。用化894.酰胺水解，酰胺水解是制备广泛用于手性药物合成的光学活性氨基酸的重要途径。常用于催化酰胺水解的酶主要有氨基酰胺酶，氨基酰化酶，乙内酰脲酶等。

氨基酰胺酶又称氨肽酶，存在于动物肾脏、胰腺和多种微生物，能催化外消旋氨基酸酰胺不对称水解生产L-氨基酸，L-氨基酸和未水解的D-氨基酰胺的溶解度不同，可据此分离得到光学纯度较高的L-氨基酸和D-氨基酸。氨基酰胺酶可催化不同结构的酰胺水解。为提高拆分过程产率，可通过碱性条件下酰胺与苯甲醛形成酰胺的Schiff碱，达到此目的。

4.酰胺水解，酰胺水解是制备广泛用于手性药物合成的905．酰胺化反应

酶促酯氨解反应的机理为：酶活性中心丝氨酸残基中的羟基亲核进攻酯中的羰基碳，形成酶-酰基中间体，之后亲核试剂氨、胺或者肼进攻酶-酰基中间体，形成产物酰胺，酶同时恢复其原形。所形成的产物酰胺广泛应用手性药物的合成。以叔丁醇为反应介质，以氯化铵释放出的氨作氨源，碱性蛋白酶能催化氨基酸酯和肽酯的不对称氨解反应，得到光学活性的氨基酸酰胺和肽酰胺。

第二十五章手性药物课件916．酯化反应

酯化，不可能在水介质中发生的反应，可在非水介质中被多种酶(如脂肪酶，蛋白酶等)催化。该反应在有机合成中特别有用，可催化不同类型的有机化合物的酯化，并具有高度立体选择性。

脂肪酶还能催化非天然的有机硅醇与脂肪酸的酯化。例如，在有机溶剂中，脂肪酶能催化外消旋I-三甲基硅乙醇与不同有机酸的酯化反应，反应的对映体选择性因酸结构的不同而异。在非水介质中，酶还能催化酯交换反应和酯醇解反应。酶促酯交换反应在外消旋体的动力学拆分中的应用较少。第二十五章手性药物课件92

促酯醇解反应广泛用于不同结构的光学活性化合物的制备。脂肪酶催化醇与既为酰基供体又是反应介质的乙酸乙酯不对称乙酰化反应，是在非水介质中进行的酶催化反应的最早例子之一。该反应具有广泛的用途，例如，被用于羟基酯的环化作用，即内酯化作用，以合成大环内酯。通过有机介质中酶催化消旋酯的不对称醇解反应可进行酯的动力学拆分，达到制备高光学纯度酯的目的。例如，用酶催化外消旋I型酯、II型酯与正丁醇的醇解反应是一个简单实用的制备光学纯的I型酯、II型酯方法。

93（四）裂合反应

裂合酶能够催化含有C-C、C-N、C-O等键的化合物分裂为两种化合物及其逆反应，常用的有醛缩酶，脱羧酶，水合酶，氰醇裂解酶(又名醇腈酶)等。

醛缩酶能不对称催化作为供体的亲核性酮与作为受体的亲电性醛的不对称加成，形成C-C键，并能使醛的碳链延长2~3个碳单位，该反应可逆向并且立体选择性可控，在有机合成中很有用，常用于糖（如氨基糖等）的合成。根据醛缩酶的来源和作用机制可将醛缩酶分为I型醛缩酶和II型醛缩酶。

（四）裂合反应裂合酶能够催化含有C-C、C-N、C-O94

I型醛缩酶来源于高等植物和哺乳动物，不需要金属离子作为辅酶，反应机理是亲核性底物（供体）通过共价键与酶分子中的赖氨酸ε-氨基结合，形成Schiff碱而被活化，它不对称亲核进攻亲电性底物（受体底物）醛分子中的羰基。最后，Schiff碱水解释放出具有两个手性中心的产物和游离酶。酶的立体选择性决定产物是苏式还赤式构型。

II型醛缩酶来源于细菌和真菌，需要金属离子为辅酶，一般为Zn2+。II型醛缩酶催化反应时，亲核性底物(供体)在酶分子的组氨酸残基参与下转变为烯醇结构，从而增加了供体底物的亲核性。而另一底物醛(受体)与活性中心Zn2+形成配位键，提高了受体底物的亲电性，从而有利于醛醇缩合反应的进行。在不同的反应机理中，醛缩反应产物的立体构型主要由酶分子所决定，与底物结构关系不大。因此，新生C-C键中碳原子的构型可以通过选择不同的酶而加以控制。

9525.5典型手性药物制造技术及工艺

生物催化剂为高度手性的催化剂，其催化优点，如，能在温和的条件下发挥催化作用，减少在化学过程中常出现的异构化，外消旋化等问题；且催化效率高；具有高度的立体选择性，反应产物的e.e.有时可达100%；环境污染小。因此生物催化法是制备手性药物的有效途径之一。目前，手性新药的开发，通常采用化学-酶法(chemo-enzymaticmethod)即利用酶或微生物细胞作为催化剂对化学合成路线中某一个手性中间体进行不对称合成或拆分，再用其合成光学纯的手性药物。25.5典型手性药物制造技术及工艺生物96一、2-受体激动剂，支气管扩张药物（R,R）-福莫特罗的制备

目前临床应用的2-受体激动剂，支气管扩张药物福莫特罗（formoterol）为外消旋体。研究表明，不同的异构体其药理活性不同，(R,R)-立体异构体具有正常的药理作用。应用酶促拆分的方法可以获得制备（R,R）-福莫特罗的关键中间体：用洋葱假单胞菌脂肪酶PS-30酶促酰化外消旋体醇化合物12，得期望的未反应产物（R）-11（得率为46%）；用Candidaantarctica脂肪酶拆分外消旋体化合物14，得到期望的产物（R）-15R）。最后，通过化学反应，将关键中间体（R）-11和（R）-15缩合，得到终产