生物转化技术在现代医药中的应用.

第二十三章生物转化技术在现代制药工业中的应用第一节生物转化与手性药物合成第二节生物转化与手性中间体的制备第三节生物转化技术在现代制药工业中的应用第四节生物转化技术在其他相关产品中的应用第一节生物转化与手性药物合成生物催化剂为高度手性催化剂，催化反应效率高、立体选择性好，反应产物对映体过量率（e.e）有时可达100%，生物催化法是实现手性合成的有效途径，而很多药物的药理活性与毒性与药物手征性结构密切相关。利用生物转化技术制备手性药物（关键中间体）的一些实例酶关键中间体制药工业实例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-苯基异丝氨酸抗肿瘤药紫杉醇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）-氟比洛芬脂肪酶拆分得到D-泛酸内酯辅助药D-泛酸单加氧酶（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）硫辛酸单加氧酶甾体单加氧酶不对称醇类的酶法拆分β-受体阻滞药美托洛尔、阿替洛尔单加氧酶β-受体阻滞药阿替洛尔单加氧酶β-受体阻滞药普瑞特罗（prenalterol）单加氧酶磷霉素氧化酶将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氧化酶维生素类药L-肉碱（维生素BT）水解酶拆分脱氢酶抗高血压新药Omapatrilat、tert-亮氨酸腈水解酶精神振奋药哌醋甲酯腈水合酶抗粗糙病药尼克酰胺（烟酰胺）酰化酶氨苄青霉素酰化酶氨苄头孢菌素酰化酶6-APA酰化酶乙酰泰乐菌素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-假麻黄碱黄嘌呤氧化酶抗病毒药阿昔洛韦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abacariv脱卤酶降血脂药atorvastatin乙酰内脲酶D-苯甘氨酸、D-氨基酸D-海因酶拆分得到(R)-N-氨甲酰-4-羟基苯苷氨酸酪氨酸-苯酚裂合酶将儿茶酚、丙酮酸和氨缩合L-多巴一、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。2、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。3、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）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。4、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。5、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”。6、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（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。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。7、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。8、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,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。9、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。10、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。11、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。12、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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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。13、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。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。非对映体具有不同的物理性质，可以用一般的分离方法把它们分开。最后再把分离所得的两种衍生物分别变回原来的旋光物质，即达到了拆分的目的。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，但在拆分过程中，外消旋体至少有一半被消耗掉了。诱导结晶拆分法：在外消旋体的过饱和溶液中，假如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。14、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。二、开发手性药物的意义美国FDA于1992年公布了手性药物指导原则称：制药厂商必须确定外消旋体及各立体异构体的特性、作用效果、质量、纯