有机化学综述范例.doc

酶催化法在手性药物合成与拆分中的应用林传行 综述, 周宝宽 审校（天津医科大学化学教研室，天津 300070）关键词：酶催化法；手性合成；手性拆分2010年，在医药工业中，化学药物销售超过7000亿美元，具有光学活性的手性药物(chiral drug)约占全部化学药4050，规模约3,200亿美元1。而这一发展趋势的内在驱动力来自于单一对映体手性药物，因此，获得单一对映体手性药物成为关键。由于酶中心本身是一个不对称结构，且有高选择性，单一性强，产品光学纯度高，能在温和条件下高效、专一地催化各种生物化学反应。因而，研究表明，酶催化法对手性药物的合成与拆分是一种有效的方法，具有广泛的应用前景。1.酶催化法对手性药物的合成 酶催化法对手性药物的合成就是以酶作催化剂合成高对映体过剩值(enantiomeric excess，ee）和好收率的单一对映体，即利用酶促反应的高度立体、活性和区域选择性将前体化合物不对称合成各种复杂的手性化合物，该法反应条件温和、高效率、无毒性和环境污染符合绿色化学。目前，该法在手性药物合成中主要用于催化4种类型的反应：不对称还原；不对称水解及其逆反应；不对称氧化；裂解反应。1.1 酶催化法的不对称还原反应 该法就是将分子中的酮基或碳碳双键立体的还原产生特定结构型化合物的反应。刘湘等2研究了利用酵母细胞中所含的酶催化芳香酮的不对称还原反应，考察其产物(S)-1-苯基乙醇的对映性选择的影响，同时他们还考察了芳香酮结构对产物对映性的影响。Jing等3通过基因工程构建重组菌的方法，克隆了来自掷孢酵母的醛还原酶基因，发现重组菌的酶活性是从掷孢酵母直接提取纯化的酶的15倍。他们将重组酶用来不对称还原4-氯-3-羰基乙酸乙酯(Ethyl 4-chloro-3-oxobutanoate，COBE)，将其还原成(R)-或(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯(Ethyl 4-chloro-3-hydroxy-butanoate，CHBE)，显然产率和ee值都有所提高，产率为98.5，ee值为99%。Rita等4利用源于超嗜热菌Pyrococcus furiosus的脱氢酶，以异丙醇为共底物，在40摄氏度条件下，并且以NADP(H)为辅助因子，催化苯乙酮得到ee值大于99.5%的(S)-醇。Asako等5研究了某种重组大肠杆菌中异源表达的青霉菌中的一种-酮酯还原酶，命名为AKR3E1，发现这种异源表达的酶能立体选择性还原4-溴-3-羰基甲基丁酸(Methyl 4-bromide-3-oxobutyrate,BAM)可以生成(S)-4-溴-3-羟基甲基丁酸,并且ee值比较高，达到97.9%。1.2 酶催化法的不对称水解 该法利用在水解酶的催化下，两种对映异结构体水解反应的速度不同。目前大部分与能够催化不对称水解反应的都是水解酶，尤以不需辅酶的脂肪酶应用广泛。布洛芬是常用的抗炎镇痛药物，广泛用于治疗头痛，据研究报道，消旋布洛芬的两个对映体中(R)-对映体并无抗炎特性，而只有(S)-对映体具有抗炎的作用6。最近，Liu等【7】利用一种来自子囊菌酵母的胞外脂肪酶LIP，在0.1 molL-1 磷酸缓冲溶液(pH值=8)中，催化水解(S)-布洛芬酯，得到了高纯度的(S)-布洛芬，ee达到98%。Long等【8】通过基因工程的方法使粘质沙雷菌ECUl01O的一种脂肪酶在大肠杆菌中表达，研究发现这种异源表达的脂肪酶能选择性水解(R,S)-酮洛芬酯，将其水解成(S)-酮洛芬，ee值为91.6%，重组脂肪酶表现了比较高的立体选择性，这给我们提供了另一条途径去开发得到具有更高活性，立体选择性更好的脂肪酶。Bae等9致力研究将(R,S)-氟比洛芬乙酯转化成(S)-氟比洛芬，最终发现粘质沙雷菌ES-2的脂肪酶可以对其立体选择性水解，并且ee值高达98.5%。由此可以表明酶催化法的不对称水解在手性药物获得中有其重要作用，特别是脂肪酶的广泛应用。1.3 酶催化法的不对称氧化反应 该法将分子内的碳氢键或双键立体选择性氧化，产生特定构型的羟基化合物或环氧化合物10。手性亚砜及其衍生物是重要的辅剂和手性配体、手性中间体以及手性药物11。Vargas等12利用从真菌Caldariomyces fumago中分离出来的一种应用非常广泛的氯过氧化物酶，氧化一系列的-羰基硫化物，条件是在柠檬酸盐缓冲液(pH=5.0)和室温条件下，结果得到了相应的手性亚砜。(S)-(-)-4-溴-1,2-环氧丁烷和(R)-4-羟基-1,2-环氧丁烷，它们是合成某些抗真菌和抗焦虑药物的重要中间体。近些年，Shall&Gist-Brocades13利用甲烷单加氧酶的休止细胞催化相应的烯烃环氧化制备得到了这些重要的中间体。同时他们利用-羟化酶合成-阻断剂类药物Atenolo和Metopropol，先生成有效高对映体过量值的(S)型环氧手性骨架，然后再用化学方法进一步加工修饰获得最终产物。1.4 酶催化法的裂解反应 就是利用某些裂解酶的催化活性进行手性分离。在自然界中羟基腈裂解酶可以催化腈醇的合成，Purkarthofer等14首次报道了酶催化的不对称Henry反应，而它们利用的正是这种酶，应用于一系列的醛和硝基甲烷的Henry应。条件是以叔丁基甲基醚(TBME)和水两相为反应体系，在室温下反应，ee值高达99%，产率77%，同时还发现PH值对反应的产率和ee值的影响都比较显著。此外，作者还研究了苯甲醛和硝基乙烷在羟基腈裂解酶作用下反应，也取得了良好的效果，anti:syn可达9:1；anti异构体的ee值可达95%。2酶催化法对手性药物的拆分 主要是指利用酶的高度立体选择性进行消旋体的拆分，以获得纯的光学活性物质，并且具有催化效率高，专一性强，产品光学纯度高等优点。2.1 直接拆分外消旋体 即直接拆分法，通过酶催化法与对映异构体反应，生成非对映异构体，利用它们之间各种性质的差异，用非手性的方法将它们分离开来，最后分解所要的非对映异构体得到需要的单一手性化合物。(S)-7-甲氧基-1,2,3,4-四氢-萘-2-醇是合成对帕金森病有较好疗效药物的重要中间体，晁龙飞等15运用化学方法合成了7-甲氧基-1，2，3,4-四氢-萘-2-醇，并通过运用生物酶催化法得到了手性化合物(S)-7-甲氧基-1，2，3，4-四氢-萘-2-醇，并筛选出了适合该体系的酶Novo2ym 435，而且还确定了最佳反应时间为7.5h。徐刚等16在制备(S）-2-氯-1-（2-噻吩）-乙醇的过程中，通过对不同来源酶的筛选，最终找到了两种选择性较好的酶Alcaligenes sp和Novo2ym 435，有效拆分制备了(S）-2-氯-1-（2-噻吩）-乙醇，ee值达98.5%。2.2 去消旋化法 也称作对映体收敛转化法，就是将外消旋体纯化，利用酶催化反应将一种对映体转化成其对映异构体，从而得到单一手性药物17。随着多相反应器、酶固定化等新技术的日趋成熟，越来越多的酶已用于外消旋体的拆分18。Dunsmore 等19利用某种有光学选择性的胺环氧化酶，实现了手性胺的制备，该酶只氧化(S)-对映体为亚胺，而亚胺又可以被还原为外消旋胺，他们这样重复操作，最终获得了单一对映体，产率和ee值都很高。在仲醇去消旋化反应的研究过程中，发现许多微生物系统中的醇类脱氢酶可以直接催化这类反应，但去消旋化过程中一般有2种不同的具有对应体选择性的醇类脱氢酶的参与。Porto等研究发现多种真菌，都能用于催化间位或邻位氟苯1-乙醇发生去消旋化反应，反应的产率和对应体过剩值都很高19。2.3 有机溶剂下酶法拆分 该方法有区别于酶催化水解反应，而是利用有机溶剂为反应介质，克服了水为溶剂时酶回收问题。其中Zaks等21致力研究酶在有机溶剂媒介中的催化条件和特点及相关影响因素，发现以有机质为溶剂具有一定的潜在应用价值，并且酶更利于回收。Gill等22通过利用南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)，在以叔丁基甲基醚(TBME)作溶剂的条件下，拆分l-(3-溴)苯乙胺，底物的对映体过量值大于99%。2002年，Liu等23利用萤光假单胞杆菌脂肪酶水解法拆分乙酰化庚-1，2-二醇和荧光假单胞杆菌脂肪酶在有机溶剂中通过酰基化法拆分了乙酰化庚-1，2-二醇相对比，发现酶的酰基化比水解反应更有效，同时酰基化的不可逆性提高了光学纯度。2.4 酶膜法拆分 酶膜法就是先用酶水解底物，再利用膜的选择透过性分离产物，实现反应分离一体化。最近，尚雁等24利用乳液酶膜反应器(E-EMR)进行外消旋萘普生甲酯的水解反应，乳液酶膜反应器是新型的酶膜反应器；E-EMR为界面活性酶提供了良好的酶促拆分反应环境，实现了ee 值达到100，获得了光学纯对映体(s)-萘普生。Ong等25通过研究，发现相比游离的南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)，如果将CALB固定于酶膜反应器中，可以B降低对映分离(R,S)-酮洛芬所需酶的量，同时ee值也也有所提高，为87.8%。3. 手性药物的酶催化不对称定向合成技术的新进展 近年来，随着生物技术的进步，特别是非水相酶促反应的发展，利用酶和微生物进行的手性化合物转化和合成获得的成功引起了有机化学家的极大关注。此外，超临界流体技术的出现以及超临界流体技术在酶催化反应等领域的应用也是一个发展方向，在许多情况下，酶催化反应在有机溶中因反应太慢而不能应用于大规模的工业化生产。超临界流体是指超过了物质的临界温度和临界压力的流体，它既具有与气体相似的粘度，又兼有与液体密度相近的特性。是处于气态和液态之间的中间状态的物质，因此它具有传质速率快，密度、介电常数等物理性质对温度和压力变化敏感等优点。但是在超临界流体中，由于它会传质阻力很小，反应速度得以大大加快，而且有机溶剂在超临界液体中的溶解能力很好，在待拆分的消旋体中加人适量的手性识别剂，使其转换成非对映体(一般情况下为非对映体盐)利用非对映体在超临界流体中溶解性差异使得消旋体得以拆分，同时它的下游处理和溶剂回收也更加方便对手性化合物的合成和外消旋体的拆分是一种很好的反应体系。 4. 问题与展望酶催化法对手性药物的合成与拆分在手性药物制备中已得到广泛的应用，主要是因为酶催化立体选择性强，反应条件温和，操作简便，成本低，且不会造成环境污染，从而利用酶催化法实现手性药物的生物合成与拆分的发展前景良好。但如何制备得到相应单一的酶以及酶的回收依然是一个尚待解决的问题，相信随着生物技术的进一步发展，酶催化法在手性药物的合成与拆分上将得到更广泛的应用。参考文献：1 秦胜利,于建生.手性药物拆分技术进展J.山东化工,2011,40(3):512 刘湘,方志杰,许建和,等.酵母细胞催化芳香酮的不对称还原反应J.催化学报,2006,27 (1):203 Jing K,Xu Z,Liu Y,et al. 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