1、Biocatalysisforgreenchem-istry姓名：楊亞飛學(xué)號：21418075內(nèi)容1.綠色化學(xué)呼喚生物催化2. 生物催化在綠色化學(xué)中的的應(yīng)用1.綠色化學(xué)呼喚生物催化 綠色化學(xué)的概念綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)。它是指在生產(chǎn)過程中不用或少用對人類健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑，同時在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物、廢物和產(chǎn)品生物催化的概念生物催化(Biocatalysis)是指用酶或有機(jī)體(細(xì)胞、細(xì)胞器等)作為催化劑實(shí)現(xiàn)化學(xué)轉(zhuǎn)化的過程，又稱生物轉(zhuǎn)化(Biotransformation)。工業(yè)生物催化是生物技術(shù)的第三次浪潮，也是實(shí)現(xiàn)綠色

2、化學(xué)的重要途徑。綠色化學(xué)與生物催化的關(guān)系綠色化學(xué)要求采用無毒無害的原料，在無毒害的反應(yīng)條件下進(jìn)行，具有“原子經(jīng)濟(jì)性”，即反應(yīng)具有高選擇性，極少副產(chǎn)品。甚至“零排放”，這就對化學(xué)反應(yīng)的催化劑提出了嚴(yán)格的要求，隨著對酶不斷深入的認(rèn)識和社會發(fā)展的實(shí)際需求，酶的應(yīng)用范圍已遍及食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)、環(huán)保、能源開發(fā)和生命科學(xué)等各個方面。多數(shù)酶催化反應(yīng)在溫和條件下進(jìn)行，區(qū)域和立體選擇性高，這和化學(xué)催化或利用手性試劑來進(jìn)行化學(xué)計量(stoichiometric amount)的化學(xué)拆分很不相同。例如在Lylica的活性成分pregabalin的第一代生產(chǎn)路線中(圖式2.1)合成 pregabalin

3、圖式2.1 利用化學(xué)拆分合成pregabalin利用生物轉(zhuǎn)化的第二代生產(chǎn)路線在利用生物轉(zhuǎn)化的第二代生產(chǎn)路線中(圖式2)，酶拆分在第一步進(jìn)行，不需要的對映體可以很容易回收鏟剮。相比之下，利用化學(xué)方法對二酯進(jìn)行區(qū)域和立體選擇性水解仍有挑戰(zhàn)性。另外，圖式2.2的3步反應(yīng)都在水中進(jìn)行。Pregabalin的綠色化學(xué)酶法合成路線 圖式2.2 Pregabalin的綠色化學(xué)酶法合成路線式2的3步反應(yīng)都在水中進(jìn)行。因此，該新工藝不僅免除了傳統(tǒng)的(S)一扁桃酸化學(xué)拆分過程和圖式1所示的大部分有機(jī)溶劑，不需要對映體的回收，同時還可以使收率和通量(throughput)加倍提高。天然產(chǎn)物為基礎(chǔ)的藥物綠色化學(xué)合成路

4、線生物催化也可用于建立以天然產(chǎn)物為基礎(chǔ)的藥物綠色化學(xué)合成路線。這些藥物往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不穩(wěn)定，而且?guī)Ц呙芏鹊墓倌軋F(tuán)，其化學(xué)合成通常需要各種保護(hù)和去保護(hù)步驟。生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)條件溫和，選擇性高，利用酶催化進(jìn)行合成往往很有利。半合成-內(nèi)酰胺類抗生紊的化學(xué)法合成圖式2.3 半合成-內(nèi)酰胺類抗生紊的化學(xué)法合成該方法需要化學(xué)計量的硅烷化試劑，氯化磷，二甲基苯胺和大量的二氯甲烷；而且，反應(yīng)在-40中進(jìn)行。改進(jìn)方法比之下，青霉素G?；复呋拿擋；磻?yīng)在室溫水溶液中進(jìn)行，無須引入保護(hù)和去保護(hù)步驟。而且，通過反應(yīng)工程的研究和酶固定化，青霉素G?；复呋?-APA與氨基酯或氨基酰胺進(jìn)行?；磻?yīng)可合成眾多的半合成-內(nèi)酰

5、 胺類抗生素，如青霉素，阿莫西林，頭孢克洛，頭孢氨芐和頭孢羥氨等(圖式2.4)。由莽草酸合成磷酸奧司米韋的傳統(tǒng)路線 圖式2.5 由莽草酸合成磷酸奧司米韋的傳統(tǒng)路線莽草酸從八角茴香中分離，或者由大腸桿菌工程菌發(fā)酵獲得改進(jìn)方法目前磷酸奧司米韋合成路線的一個缺點(diǎn)是API終產(chǎn)物中氨基部分來自易爆的疊氮化物。這促使人們?nèi)ふ乙粭l無疊氮化物參與的替代途徑。最近報道了一個新的合成途徑，無疊氮化物參與，而且比常規(guī)商業(yè)合成途徑步驟要少(圖式2.6)以氨基莽草酸為中間產(chǎn)物的磷酸奧司米韋的新合成路線圖式2.6 以氨基莽草酸為中間產(chǎn)物的磷酸奧司米韋的新合成路線由葡萄糖生成氨基莽草酸的總產(chǎn)量為5；由氨基莽草酸生成磷酸奧

6、司米韋的收率則為22。如果生物催化步驟的效率能進(jìn)一步提高，這一合成途徑會有巨大的潛力生物催化合成紫杉醇有研究者另外建立了一個通過紫杉細(xì)胞的培養(yǎng)來制備紫杉醇并進(jìn)一步通過層析和重結(jié)晶進(jìn)行純化的工藝。紫杉醇的生物合成由異戊烯焦磷酸和法呢基焦磷酸兩種類異戊烯前體開始(圖式2.7)。由焦磷酸鹽合成紫杉醇 圖式2.7 由焦磷酸鹽合成紫杉 3 生物催化在藥物合成中的應(yīng)用將生物催化整合人藥物合成過程時，逆合成分析特別重要。例如，ruprintrivir是鼻病毒的一種抑制劑，其第一代合成路線很長而且收率較低。但是，該抑制劑的ketomethylene peptidoIIlimetic部位上一個鍵不尋常斷裂的發(fā)現(xiàn)

7、使得從Pl，P2，P3和P44個單元合成這種復(fù)雜的化合物成為可能(圖式3.1)。新酶發(fā)現(xiàn)和定向進(jìn)化除了工藝設(shè)計、底物修飾、介質(zhì)優(yōu)化和其他反應(yīng)工程方法可以用在工業(yè)規(guī)模建立藥物合成的化學(xué)酶法工藝外，新酶發(fā)現(xiàn)和定向進(jìn)化也可以作為備選的整合方法。隨著基因數(shù)據(jù)庫和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的迅速擴(kuò)大，借助生物信息學(xué)方法，在短時間內(nèi)可獲得一個酶庫。隨后，可對最佳的生物催化劑進(jìn)行改造。如腈水解酶催化的pregabalin合成工藝的建立(圖式3.2)，利用腈水解酶合成pregabalin 圖3.2 利用腈水解酶合成pregaba1in腈水解酶定向改造后用于阿托伐他汀合成圖3.3 腈水解酶定向改造后用于阿托伐他汀合成4 生物

8、催化在天然產(chǎn)物修飾中的應(yīng)用自然界在長期進(jìn)化中形成的酶能催化合成從簡單氣體分子到復(fù)雜天然產(chǎn)物在內(nèi)的各種分子，但其中的很多酶仍沒能為合成化學(xué)家所利用。過去10多年是一個天然產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物合成代謝途徑及其酶催化機(jī)制的知識爆炸性增長的時期。4.1鹵化反應(yīng)例如色氨酸，鹵化酶等FADH2鹵化酶可以催化一系列的吲哚衍生物和芳香雜環(huán)化合物的區(qū)域特異性鹵化反應(yīng)。同樣是利用色氨酸7-鹵化酶，在體內(nèi)組合進(jìn)行鹵化和糖化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個可用于抗癌的蝴蝶霉素類化合物庫(圖式4.1),鹵化酶用于蝴蝶霉素類化合物的合成 圖式4.1 鹵化酶用于蝴蝶霉素類化合物的合成4.2大環(huán)化作用多數(shù)情況下，線性的NRP和PK框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)一步的后合成酶修飾前，先進(jìn)行環(huán)化作用以形成大環(huán)內(nèi)酯或巨內(nèi)酰胺。大環(huán)結(jié)構(gòu)通常是天然產(chǎn)物具有生物活性所必須的4.3 糖基化作用近來多種糖基轉(zhuǎn)移酶的發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了糖基化的分子的合成。該方法與化學(xué)方法互補(bǔ)，或者比后者效果更好。例如，一種來自糖肽A-40926合成酶的Gtf可接受多種糖底物，從而形成新的糖肽。5 結(jié)語在漫長的進(jìn)化