酶促反应在有机合成中的应用.

Page1有机合成中的生物转化BiotransformationPage2内容一.简介二.酶的特性三.酶催化的有机反应四.工业中的应用Page3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？Page4•1950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deoxycholicacid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Rhizopusarrhizuz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Page5（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。Page6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Page7（二）、酶的特性1.高效性—酶是非常有效的催化剂•化学催化剂：0.1~1%mol•生物催化剂：10-3~10-4%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•2H2O22H2O+O2•用Fe+催化，效率为6*10-4mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106mol/mol.S。•用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。Page82．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20-40C。•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Page94．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RCN腈水合酶RCONH2酰胺水解酶RCOOH5．酶的高度选择性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Page10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：1~0.1%mol生物催化剂：10-3~10-4%mol，使反应速度106~1012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RCN腈水合酶RCONH2酰胺水解酶RCOOH淀粉α-淀粉酶葡萄糖淀粉酶葡萄糖异构酶高果糖浆Page11（一）化学选择性A.deRaddt;Klempier,N;J.chem.soc.perkinTransI,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%EtOOCCNCOOEt48hEtOOCCOOHCOOEtOOCNOOCOOHCNPOEtOEtOCOOHPOEtOEtOSP409SP409SP409Page12（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OttoMeth-Cohn,Mei-XiangWang,J.Chem.Soc.Perkin.Trans1.1997.3197ArabidopsisthalianaNitrilase77%conversionCNCNCNCNCNCOOHCNCO2H+HO2C96.7%3.3%NPhCNCNNPhCNCOOHCNNCCOOHNCNCCNNCCOOHRhodococcus.spAJ270Rhodococcus.spAJ270Rhodococcus.spAJ270Y:99%Y:81%Y:93%Effenberger,F.;Obwald,S.Synthesis.2001,12.1866.Page13（三）立体选择性1.去对称化R2R1GGEzEzXR2R1GG'对称面单一对映体R2R1G'GPage14MasahiroYokoyama,HirimichiOhta,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RCNCNRCNCO2HRhodococcussp.AJ270phosphatebuffer,pH7.0,30oCSNCCNR.rhodochrousIFO15564fastNCCONH2H2NOCCONH2amidasepro(R)-selectiveslowH2NOCCO2HR94%yield,96%eeWang,M.-X.;Liu,C.-S.;Li,J.-S.Tetrahedron:Asymmetry2001,12,3367.前手性二腈的去对称化Page152.外消旋体的生物转化A.动力学拆分R1R2R3GR1R2GR3外消旋体enzymek1enzymek2fastslowk1k2R1R2R3GR1R2G'R350%yield100%eePage16外消旋体的动力学拆分Mei-XiangWang,GangLu,Tetrahedron:Asymmetry.2000.11.1123-1125Wegman,M.A.;vanLangen,L.M.;Sheldon,R.A.Biotechnol.Bioeng.2002,79,356.NH2PhCONH2Rhodococcussp.MAWANH2PhCONH2NH2PhCO2H+DL(+/-)48%yield,99%ee52%yield,97%eeR2R1CONH2R2R1CO2HR2R1CONH2+Rhodococcus.spAJ270Y%:8~78ee%:0~99Y%:0~58ee%:90~99(R)-(-)(S)-(+)(+/-)Page17B.动态动力学拆分R1R2GR3外消旋体enzymeR1R2R3GR1R2G'R3+消旋化100%yield,100%eePage18外消旋体的动态动力学拆分OHPhCNAlcaligenesfaecalisATCC8750racemicOHPhCOOHR-Mandelicacid91%yield,100%eeR-selectivenitrilasesontaneousracemizationCHO+HCNMandelonnitrileK.Yamamoto,K.Oishi,I.Fujimatsu,Appl.Environ.Microbiol.,1991.57.3028Page19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Page20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Page21区域选择性酯水解C.Dinkel,M.Moody,C.Schultz,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2001,40,3004.OOOHOOTBDMSOHOC3H7C3H7OC3H7Olipasebuffer95%HOOOHOOTBDMSOHOC3H7C3H7O(HO)2OPOOO(HO)2OPOO(HO)2OPOOC3H7C3H7OPOHOOOOOC7H15C7H15OphosphoinositidederivativesPage22酯酶的动态动力学拆分NH2R1COOHHNH2R1COOR2Halcalase(酯酶）+R2OHt-BuOH/H2O原位消旋化吡哆醛-5-磷酸（催化剂）CHNR1COOR2HH2CNR1COOR2yield:87~95%;ee:90~98%Page23区域选择性酯化OHOHOH3CH3CHOHH3CCH3H3COHOHOOHOH3CH3CHOHH3CCH3H3COHOHONovozym435H2COAct-AmOH10%pyridine45o,7d95%M.Schudok,G.Kretzschmar,TetrahedronLett.1997,38,387.Page24去对称化G.M.Ramos-Tombo,X.Busquets,O.Ghisalba,TetrahedronLett.1986,27,5707.PhOHOHAc2OPhOAcOAcPPLinMeOAcPhOAcOH(R)98%,92%eePPLinbufferPhOHOAc(S)91%,95%eePage25去对称化T.Sugahara,K.Ogasawara,Synlett,1996,319.Page26动态动力学拆分M.T.Reetz,K.Schimossek,Chimia.1996,50,668.Page27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.Page28环氧化物的水解：O黑曲酶O(S)OHOH(R)+O白僵菌OOHOH(R)+(R)96%ee51%ee98%ee83%ee黑曲酶O白僵菌OHOH(R)89%ee,92%yieldPage29对应体会聚的特例OR(R)(S)[OH-]O[OH-]R(R)(S)OHOHR(R,R)yield:90%;ee:97%诺卡菌属环氧化物水解酶Page30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。OOHHOHHOH(HLADH)马肝醇脱氢酶ee.98%R1R2O布氏厌氧菌醇脱氢酶(TBADH)R1R2OHR1R2OHoree:44~99%XOHH(HLADH)马肝醇脱氢酶XOHHXHH+HO(1S,6S)(1R,3S,6R)X=Oee:60%ee:53%ee:97%ee:97%X=SPage31辅因子再生循环M.Wolberg,W.Hummel,M.Mu¨ller,Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.2000,39,4306.Page32还原：Y.Naoshima,H.Hasegawa,T.Nishiyama,A.Nakamura,Bull.Chem.Soc.Jpn.1989,62,608.Page33氧化酶制备手性内酯HLADH,pH9OHOHn20o,NAD+,FMN1~4dOHnOnOOHHLADHnOOn=0,1,2,3Y%:68-90%;ee:99%I.J.Jakovac,H.B.Goodbrand,K.P.Lok,J.B.Jones,J.Am.Chem.Soc.1982,104,4659.Page34双羟基化T.Hudlicky,H.Luna,J.D.Price,F.Rulin,TetrahedronLett.1989,30,4053.Page35环氧化E.J.Allain,L.P.Hager,L.Deng,E.J.Jacobsen,J.Am.Chem.Soc.1993,115,4415.H3CR2R1H2O2H2O氯过氧化物酶H3CR2OOH3CR1ee:85~95%R2=n-C4H9,(CH3)2CHCH2,PhR1=CH2COOEt,(CH2)2Br,n-C5H11,PhR1=HR2=HPage36酶催化的Baeyer-Viliger氧化OR环己酮单加氧酶OOR(S)ee:98%OR不动杆菌O2H2OOOROR(S)(R)+ee:73~97%S.Rissom,U.Schwarz-Linek,M.Vogel,U.Kragl,TetrahedronAsymm.1997,8,2523.S.M.Roberts,P.W.H.Wan,J.Mol.Catal.B:Enzymat.1998,4,111.Page37C=C双键的还原反应OHOH面包酵母香叶醇(R)-香茅醇ee:97%OH面包酵母OHee:99%RClCOOMeCl