1、催化原理 作业姓名：班级：化学班学号： 手性技术与生物催化摘 要:简要介绍了手性,手性技术与生物催化的基本概念。手性,是指一个有机分子具有不对称性,形成两种空间排布方式不同的对映异构体。手性技术即生产手性化合物的技术,手性化合物的制备方法主要有手性源、外消旋体拆分、不对称合成等几种。生物催化,即利用酶或微生物等生物材料催化进行某种化学反应,被认为是手性化合物生产取得突破的关健技术。文章还介绍了生物催化外消旋体拆分、生物催化不对称合成等几种生产手性化合物的应用实例。关键词:手性;手性技术;生物催化;外消旋体拆分;不对称合成1 手性化合物的认识与发展(chirality)手性,是指一个有机分子具有
2、不对称性,即其中某一原子(如碳)相连接的四个原子或基团互不相同,形成两种空间排布方式不同的对映异构体,互成镜像,不能重合。当一个物体不能与其镜像重合时,被称为手性对映体。20世纪60年代,手性概念进入化学领域。手性分子化合物的宏观物理现象是光学活性。光学纯的手性化合物是指单一对映异构体的手性化合物。在生物体中,具有重要生理意义的活性物质大多数都是具有旋光性的物质,并仅以一个对映体存在。生物大分子,如蛋白质、多糖、核酸和酶等,几乎都是手性的。生物体中构成蛋白质的氨基酸都是L-构型,天然存在的单糖则多为D-构型,生物体中DNA又都是右螺旋结构。自然界的生命活动中,分子手性起到极为重要的作用,可认为
3、生命本身就依赖于手性的识别,分子手性识别在研究生命活动和生命物质产生中都起着极为重要的作用。药物的有效生物活性也与手性立体结构密切相关。经过多年来对许多手性化合物的对映异构体进行深入研究,认识到手性化合物的对映体构型与药效有非常重要的关系,一般手性药只有其中一个对映体具有生理活性。有人统计了1999年美国FDA批准上市的37种新药中有18种为手性药物,占49%,而18种中有16种为光学纯药物,占88%。据有关机构调查,目前世界上正在开发的1 200种药物中,有820种属于手性药物,其中612种以单一对映体在开发,占世界正在开发药物总数的51%,204种以消旋体在开发,占17%,非手性的为384
4、种,占32%。可见正在开发中的药物有三分之二是手性的。当前,手性药物已成为国际新药研究与开发的新方向之一。1999年单一异构体手性药物销售额达到1 150亿美元,比1998年增长16%,占世界药品市场3 600亿美元的32%,19951999年的5年内全球单一异构体药物销售额翻了一番,占世界药品市场份额从1/5增加到1/3。据专家预测到2005年,全球上市的化学合成新药中约有60%的为单一异构体药物。手性药物的不断增加改变着化学药物的构成,成为制药工业的新宠儿。手性与手性技术已成为目前的重大课题和关注的热点之一。许多大制药公司投入巨资开发手性技术和产品。国外还出现了许多专业手性技术公司,纷纷提
5、供手性中间体,手性技术服务(1993年美国精细化工会上,展示手性技术的厂家多达100家以上)。兴起了手性技术的研发热潮。2 手性技术手性技术(chirotechnology),按照文字上来讲,即生产手性化合物的技术,亦有人称手性合成(chiralsynthesis)。手性合成也称为不对称合成,就是在反应体系中引入不对称因素,如手性试剂、手性辅助剂、手性催化剂等,是一个前手性反应底物选择性地转化成一个具有旋光活性的手性产物的反应过程。2.1 手性化合物的制备方法从手性技术角度分,我们将对映纯化合物的制备归纳为:手性源,消旋体拆分,不对称合成等几种主要方法。2.1.1 手性源(chiral poo
6、1)所谓手性源法,可以是从天然存在的光活性化合物中获得,或由天然来源的手性物质经化学改造或定向合成,得到目标手性化合物。由天然来源获得手性化合物,原料丰富,价廉易得,生产过程简单,产品旋光度高。许多大宗手性产品,如糖、氨基酸、生物碱等,都是用此法生产的。化学拆分法和不对称合成中使用的许多手性试剂,也有从天然来源取得的。天然存在的手性化合物通常只含一种对映体,用它们作起始原料,经化学改造制备其它手性化合物,无需经过繁复的对映体拆分,利用其原有的手性中心,在分子的适当部位引进新的活性功能团,可以制成许多有用的手性化合物。例如,由天然存在的 (+)-樟脑衍生出超过10种的手性试剂。也有从手性源定向合
7、成,即在化学合成过程中引入手性源物,可方便地合成手性化合物。天然的氨基糖、羟基酸等,有机合成的旋光性醇、胺、环氧化合物都可作为手性源物,工业生产的地尔硫卓、左氧氟沙星即应用了手性源法。2.1.2消旋体拆分(resolution)外消旋体拆分是指将外消旋混合物中的两个对映体进行分离的方法,包括物理拆分、化学拆分和生物拆分。物理方法拆分有诱导结晶法,色谱法等。选用拆分法技术时,应考虑其中的一种对映体能否优先结晶,可以利用两个对映体在不同条件下的溶解度不同进行分离。在开始研制手性化合物时,有条件时用手性色谱柱可以直接分离对映异构体。先用手性色谱柱分离小量的对映异构体,进行初步的药理试验,认为有前景时
8、再进一步开发。手性柱色谱分离对每种异构体产率,光学纯度(对映体过剩, e1e1%)都很高,操作费用也不高,被认为是研制对映体药物的首选方法。但商业规模放大的手性柱色谱应用例不多。据报道,在对映体选择性分离拆分中现已达到吨级规模(UOP公司,每年从消旋体生产R-3-氯-1-苯丙醇10 000 kg,作为中间体供Lilly公司制备抗抑郁药氟西汀fluoxetine。化学或生物拆分用手性化学试剂把外消旋混合物中的两个对映体转变成非对映异构体,再利用两种非对映体异构体的物理性质差别,将其分开。或用生物酶或含有的活性酶的微生物菌体作生物催化剂,将其中一个对映体进行选择性转化,达到外消旋体拆分分离的目的。
9、外消旋化合物拆分是目前手性化合物制备的经典方法和主要途径。化学拆分法是大多数化学工作者都比较熟悉、容易做到、在许多情况下也是行之有效的。这种老方法至今仍普遍被采用。但化学拆分方法有其局限性:拆分剂和溶剂的选择是经验性的,拆分过程较长;产率通常不高;拆分得到的对映体,旋光纯度通常不够高,多数情况需经多次重结晶;对于一些不能形成良好结晶的手性化合物不适用。/生物拆分法0用微生物(或酶)生物催化剂拆分外消旋体,可以弥补化学拆分法的某些不足,展现了广阔的应用前景。生物拆分法的优点:生物催化剂催化的反应通常具有高度的立体专一性。因此,得到的产物旋光纯度很高,适于作各种生物活性和药理试验;副反应少,产率高
10、,产品分离提纯简单;生物催化剂催化的反应大多在温和的条件下进行,温度通常不超出050e区间,pH值接近中性。因此没有设备腐蚀问题,生产安全性也高;生物催化剂无毒,易降解,对环境友好,适于工业化大规模生产。2.1.3 不对称合成(asymmetric synthesis)不对称合成也称为手性合成,是指在手性环境中,由潜手性化合物(或非手性前体)出发,用化学方法、生物方法转化为手性产物的方法。它被称为是目前最有效、最通用的方法。近数十年来有机化学中不对称化学合成方法的发展很快,促进了手性化合物合成工业的发展。例如金属有机化合物的利用,同种异物体的均相金属催化(metal catalyzed ho-
11、mogenous)、多相金属催化(hetorogenous catalyzed)和相转移催化(phase transfer catalysis)以及电化学和光化学技术的应用等。新的手性技术研究,例如/不对称放大0(asymmetric amplification)、/手性合成子0 (chiral synthons)、/手性助剂0(chiral auxiliaries)等近年也取得了卓著成就。最近报道,2000年诺贝尔化学奖授给了不对称化学合成手性技术研究的几位科学家。不对称化学合成技术很巧妙,而且经济。但总的来看不对称化学合成方法也有一定难度,反应步数较多,要使用价昂的对映体试剂(二磷配体与铱
12、、铑、钌的络化物等)。因此在实际应用上,特别是工业生产上能有效应用的尚不多见。已用于工业生产的实例,有美国Monsanto公司采用不对称催化氢化反应工业生产L-多巴,Anic Enichem公司生产L-苯丙氨酸等。20世纪末生物技术的飞跃发展,也为手性化合物的工业生产提供了新的途径。微生物或酶催化不对称合成(也称生物催化合成),能高度立体选择性地制备手性化合物。选择性生物催化合成已成为合成手性化合物的最有意义方法之一,适用于大规模的工业生产。传统发酵、固定化细胞、固定化酶以及有机溶媒和水双相转化等技术,使选择性生物催化能适用于各种规模的工业生产。从另一角度看,应用选择性生物催化方法不会产生有毒
13、的副产物,在环境污染问题方面比传统化学合成方法要小得多,甚至不存在污染问题,对环境是友好的。3 生物催化(biocatalysis)生物催化,即利用某种生物材料(主要是酶或微生物)来催化进行某种化学反应。例如微生物转化反应,确切地说是利用微生物代谢过程中某个酶或一组酶对底物进行催化反应。应用于手性技术的主要是选择性生物催化。其特点是对底物有高度的立体选择性,不仅有化学选择性和非对映异构体选择性(,并且有严格的区域选择性、面选择性和对映异构体选择性。选择性生物催化特别适用于手性合成与手性拆分,它不需要手性分离介质、手性试剂、手性溶剂、手性配基、手性催化剂等,可直接将化学合成的外消旋衍生物、前体或
14、潜手性化合物转化成单一对映异构体的光学活性产物。它能催化合成各种立体异构体,也适用于许多不稳定化合物,如B-内酰胺抗生素的制备。生物催化的优点还有:反应条件温和(常温、常压),设备简单,生产安全,反应速率快,反应步骤少,副反应少,收率高,产品光学纯度高,环境友好等。符合21世纪/绿色化学0的要求,被认为是手性化合物生产取得突破的关健技术。3.1 生物催化的主要方式生物催化几乎能应用于所有化学反应,对于有些很难进行、甚至不能进行的化学反应也能应用。目前,生物催化已涉及羟基化、环氧化、脱氢、氢化等氧化还原反应;水解、水合、酯化、酯转移、脱水、脱羧、酰化、胺化、异构化和芳构化等各类化学反应。生物催化
15、材料有酶,微生物菌体,马、猪、兔和木瓜等动植物的组织及细胞。在手性合成中应用较多的是水解酶,氧化-还原酶和面包酵母等微生物。应用于手性合成中的选择性生物催化反应主要有:水解反应; 氧化-还原反应;碳-碳键的不对称合成等。生物催化的方式计有添加前体发酵法,游离酶,休止细胞,固定化酶,固定化细胞等,可以在水相,有机相和水-有机溶剂双相等溶剂系统中进行。3.2 生物催化生产手性化合物应用例3.2.1 微生物或酶的手性拆分微生物或酶法拆分已经广泛使用。用水解酶类如脂肪酶、酯酶、蛋白酶、酰胺酶、腈水合酶、酰化酶等,对外消旋底物进行不对称水解或合成,使其拆分以得到手性化合物。例如:采用酰基转移酶I(acy
16、lase I)拆分化学合成的消旋体N-酰基-氨基酸来制取对映体纯D-或L构型氨基酸,在氨基酸工业生产上是非常重要的方法(见图1)。图1 氨基酰化酶水解拆分乙酰-DL-氨基酸生产D-或L构型氨基酸将化学合成的DL-氨基酸乙酰化后,用米曲霉的酰基酶水解拆分,可得到L-氨基酸和D-乙酰氨基酸。D-异构体可经消旋反复利用再拆分,理论上可得到100%的单一异构体,用此方法也可获得非天然的D-氨基酸。(如D-丙氨酸,Pfizer公司人工甜味剂alitame的组成分)。这是比较经典的酶法拆分方法,这种方法几乎适用于所有合成法生产的DL-氨基酸的拆分。由于合成DL-氨基酸成本低廉,不少L-氨基酸可以用酶法拆分
17、制备。利用氨基酰化酶进行乙酰-DL-氨基酸不对称水解反应,然后再利用生成的L-氨基酸与N-酰化-D-氨基酸的溶解度之差进行分离,所制得的L-氨基酸光学纯度好、收率高,而且D型组分很容易消旋化。1955年这种方法就已用于工业生产,1969年日本制药的千一郎(Chibata I) 开始采用固定化酶装置连续生产。固定化米曲霉 (Asp1oryzae)产生的氨基酰化酶柱非常稳定,(酶活性下降时可补加酶溶液进行简单的再生),使用期达5年以上。一个1 000 L酶柱月产量1032 t。此方法适用于多种L-氨基酸的生产。这种方法曾用于生产L-丙氨酸、L-蛋氨酸、L-色氨酸、L-缬氨酸等。我国最近报道筛选了高
18、酶活的菌种,用于L-蛋氨酸的生产,并较好地解决了D-乙酰蛋氨酸的消旋问题。可望实现大规模工业化生产31212 生物催化不对称合成用酶,主要是微生物酶,如氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶等,直接将前体化合物不对称合成或转化多种相应的手性醇、酮、醛、酸、酯、胺衍生物,以及各种含磷、硫、氮及金属的手性化合物。微生物酶直接合成或转化,很多情况下,可将非手性或手性前体100%转化成手性目标产物。例如早期的甾体化合物微生物氧化可的松、氢化可的松生产11A-醇和11B-醇,近年6-APA、7-ACA、L-天冬氨酸、L-丙氨酸、L-苹果酸、L-酒石酸、D-对羟苯甘氨酸等的工业化都是很典型的
19、例子。在合成中引入生物催化技术已愈来愈受到重视并取得了许多成就,也展示了手性化合物制备的良好前景。固定化细胞方法生产L-天冬氨酸是比较经典的实例,技术已经比较成熟。大肠杆菌(E1coli)含有大量的天冬氨酸酶,它能将延胡索酸转化为L-天冬氨酸,见图2。日本日触公司的生产过程已经有了很大改进,用重组大肠杆菌使发酵酶活力由10104U/OD提高到750104U/OD,改进固定化方法使固定化细胞酶活力由1 500 U/mL提高到3 000 U/mL,生产能力达到1 m3固定化细胞每年生产10 000tL-天冬氨酸。酶法生产L-赖氨酸也是大规模生物催化不对称合成的生产实例,见图3。用环已烯合成的价廉的
20、DL-A氨基-E已内酰胺 (DL-ACL)原料(生产尼龙原料己内酰胺副产物),用卢氏隐球酵母(Cryptococcus laurentii)生产的水解酶水解其中L-ACL组分而生成L-赖氨酸,未水解的D-组分可用奥贝无色杆菌(Achromobacter obae)等细菌产生的消旋酶(Racemase)消旋。两种酶协同作用,酶反应在底物浓度018 mol/L条件下,pH810,40e, 25 h,转化率几乎100%,产品光学纯度达到9915%e1e1。该方法已达到年产万吨规模,成为目前与发酵法同时并存的两种生产L-赖氨酸方法之一。我国尚未见研究成功的报道。1 尤启冬,林国强1手性药物M1北京:化
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