生物催化手性

合成的反應(yīng)實(shí)例還原反應(yīng)

生物催化的還原反應(yīng)在手性合成中有著重要的應(yīng)用。脫氫酶被廣泛用于醛或酮羰基以及烯烴碳-碳雙鍵的還原，這種生物催化反應(yīng)可使?jié)撌中缘孜镛D(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物。第一節(jié)輔酶的循環(huán)使用氧化還原酶需要輔酶作為反應(yīng)過(guò)程中氫或電子的傳遞體。常用輔酶有尼克酰胺嘌呤二核苷酸NADH（nicotinamideadeninedinucleotide)又稱(chēng)輔酶Ⅰ（CoⅠ)和尼克酰胺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH（nicotinamideadeninedinucleotidephosphate)又稱(chēng)輔酶Ⅱ（CoⅡ)，它們是氧化還原酶的主要輔酶。80%的氧化還原以NADPH為輔酶。脫氫酶催化酮還原脫氫酶能立體選擇性地將酮催化還原為手性仲醇，反應(yīng)過(guò)程中酶催化氫負(fù)離子從酮基的si面或re面進(jìn)攻將酮還原為手性(R)—或(S)－仲醇。一般來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)酶催化反應(yīng)的立體選擇性可用Prelog規(guī)則進(jìn)行預(yù)測(cè)，即根據(jù)底物的立體結(jié)構(gòu)，H從空間位阻小的方向進(jìn)攻酮基，形成構(gòu)象穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)中間體。S代表小基團(tuán)，L代表大基團(tuán)脫氫酶催化酮不對(duì)稱(chēng)還原的Prelog規(guī)則常用脫氫酶的特點(diǎn)

酵母醇脫氫酶(yeastalcoholdehydrogenaseYADH)、馬肝醇脫氫酶(horseliveralcoholdehydrogenaseHLADH)和羥基甾體脫氫酶(hydroxysteroiddehydrogenase，HSDH)均有商品化供應(yīng)，它們催化酮還原反應(yīng)的立體選擇性遵循Prelog規(guī)則，一些微生物細(xì)胞(如面包酵母)作催化劑時(shí)也遵循此規(guī)則。常用脫氫酶的優(yōu)先底物結(jié)構(gòu)圖

酵母醇脫氫酶(yeastalcoholdehydrogenaseYADH)、馬肝醇脫氫酶(horseliveralcoholdehydrogenaseHLADH)和羥基甾體脫氫酶(hydroxysteroiddehydrogenase，HSDH)酵母醇脫氫酶酵母醇脫氫酶(YADH)的底物專(zhuān)一性強(qiáng)，只有醛和甲基酮才能作為其底物，而環(huán)狀酮和非甲基酮均不能作為它的底物。上表中彎孢屬、爪哇毛霉、假單胞菌屬醇脫氫酶等，由于沒(méi)有商品化酶供應(yīng)，限制了它們的使用。具有空間位阻的籠狀多環(huán)酮能被選擇性還原。2—三環(huán)癸酮消旋體(1)被HLADH還原后，產(chǎn)生外醇和未反應(yīng)的對(duì)映體酮，其對(duì)映體過(guò)量率分別為ee90％和ee68％。O或S取代的雜環(huán)酮也是HLADH的適宜底物，例如8-位氧或硫取代的消旋體-二環(huán)[4.3.0]壬烷-3-酮（2）能被HLADH還原拆分。但是8-位N取代的這種環(huán)酮卻不能被拆分，這是由于含氮底物與酶分子活性中心的Zn2+形成配位鍵，而使酶喪失活性。馬肝醇脫氫酶（HLADH)能催化消旋體2-烷基噻喃-4-酮（3）的還原，酶使H盡從Si面進(jìn)攻羰基，產(chǎn)生一個(gè)反式-（S)-醇（4）和順式-（S)醇（5）。非對(duì)映體醇（4）和（5）可用色譜法加以分離，然后再被氧化成光學(xué)活性的酮，從而將消旋體（3）拆分。布氏熱厭氧菌脫氫酶馬肝醇脫氫酶(HLADH)和酵母醇脫氫酶(YADH)不適宜將直鏈酮立體選擇性還原，而布氏熱厭氧菌醇脫氫酶(TBADH)可將直鏈甲基酮和乙基酮還原為相應(yīng)的仲醇。布氏熱厭氧菌脫氫酶TBADH的最大缺點(diǎn)是反應(yīng)需要NADPH，尤其對(duì)于大規(guī)模合成來(lái)說(shuō)，這是難以克服的困難。最近的研究發(fā)現(xiàn)，NAD(H)—釩鹽復(fù)合物[NAD(H)-V]在TBADH催化的反應(yīng)體系中可以較好地模擬天然NADPH的功能。NAD(H)—V在溶液中可以自發(fā)地形成催化劑量的NAD(H)和無(wú)機(jī)釩鹽(HVO42-)，反應(yīng)緩沖液中的咪唑可消除由釩鹽引起副反應(yīng)。羥基甾體脫氫酶羥基甾體脫氫酶(HSDH)的最佳底物是烷基取代單環(huán)酮和二環(huán)酮。在二環(huán)[3.2.0]庚烷-6-酮衍生物中，當(dāng)7位連接較小的取代基（R1,R2=H)時(shí)，羥基甾體脫氫酶

HSDH催化反應(yīng)的立體選擇性低；當(dāng)7位取代基增大時(shí)，HSDH會(huì)變成高選擇性的催化劑。而TBADH和HLADH則不能催化它們。對(duì)沒(méi)有取代基的酮，若5位相對(duì)于7位是大的基團(tuán)，底物（9）被還原為（S)-醇（10）。但當(dāng)7位的氫原子被氯原子或甲基取代后，5位取代基小于7位取代基，底物（9）則被還原為（S）-醇（11）。這種立體選擇性的轉(zhuǎn)換可以用Prelog規(guī)則解釋。酵母細(xì)胞催化酮還原

早在19世紀(jì)初，人們就利用酵母細(xì)胞作為生物催化劑。面包酵母(Bake’syeast)或稱(chēng)釀酒酵母被廣泛用于酮的不對(duì)稱(chēng)還原。它使用方便，無(wú)需特殊設(shè)備，可在普通實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行生物催化反應(yīng)，使用成本低。微生物完整細(xì)胞中含有可催化氧化還原反應(yīng)的多種脫氫酶和輔酶，用細(xì)胞作為生物催化劑可省去酶的分離純化步驟，同時(shí)不需要額外添加輔酶循環(huán)再生系統(tǒng)。天然細(xì)胞內(nèi)的酶和輔酶被細(xì)胞環(huán)境所保護(hù)，酶的反應(yīng)活性高。該方法的缺點(diǎn)是有些非天然底物對(duì)細(xì)胞有毒性，需降低催化反應(yīng)中底物的濃度。另外，細(xì)胞內(nèi)存在的其他物質(zhì)會(huì)給產(chǎn)物的分離純化帶來(lái)困難。無(wú)環(huán)酮的還原1.簡(jiǎn)單酮簡(jiǎn)單脂肪族酮或芳香族酮被酵母還原時(shí)遵循Prelog規(guī)則,產(chǎn)生相應(yīng)的(s)-醇，產(chǎn)物具有較高的光學(xué)純度。多數(shù)長(zhǎng)鏈酮(如n-丙基酮、n—丁基酮和苯基酮)不能被酵母還原，只有長(zhǎng)鏈甲基酮才能被酵母催化還原。連接酮基的功能基團(tuán)上可以有氯、溴、硝基、羥基以及二噻烷基、甲硅烷基等。無(wú)環(huán)酮的還原2.β－酮酯

無(wú)環(huán)β－酮酯易被酵母還原為β－羥酯，后者可作為β－內(nèi)酰胺、昆蟲(chóng)激素和類(lèi)胡蘿卜素等合成的手性源。

氫負(fù)離子H-按Prelog規(guī)則向羰基發(fā)生親核進(jìn)攻。還原醇的手性中心構(gòu)型由底物結(jié)構(gòu)決定，即與羰基兩側(cè)取代基的大小有關(guān)。無(wú)環(huán)酮的還原面包酵母中存在多種脫氫酶，它們對(duì)同一底物具有不同的立體化學(xué)選擇性。D-型脫氫酶(屬于脂肪酸合成酶系)對(duì)具有短鏈醇基的β-酮酯(如β-酮酸甲酯)有高的反應(yīng)活性。L-型脫氫酶則對(duì)具有長(zhǎng)鏈醇基的β-酮酯(如β-酮酸辛酯)有較高的活性。因此還原反應(yīng)的立體化學(xué)結(jié)果可以通過(guò)對(duì)底物的設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)。無(wú)環(huán)酮的還原選用D-或L-型脫氫酶的抑制劑也可得到所需構(gòu)型的產(chǎn)物，例如不飽和化合物(如烯丙醇或甲基乙烯酮)可抑制L-型脫氫酶，將使β-酮酯轉(zhuǎn)化反應(yīng)中D-β-

羥基酯的對(duì)映體過(guò)量率增加，而L-β-

羥基酯的光學(xué)純度降低。將酵母固定在聚氨酯膠內(nèi)會(huì)得到相同的結(jié)果。無(wú)環(huán)酮的還原3.α-單取代-β-酮酯

α-單取代-β-酮酯被酵母還原產(chǎn)生非對(duì)映體順式和反式β-羥基酯，其產(chǎn)物的比率不是1：1，這是由于烯醇化引起的快速原位消旋、從而改變了動(dòng)力學(xué)拆分結(jié)果。順、反非對(duì)映體的比率取決于還原過(guò)程中酶的立體選擇性，有時(shí)可高達(dá)100：0。α-取代基較小時(shí)，主要生成順式非對(duì)映體；而α-取代基增大時(shí)，選擇性相反。無(wú)環(huán)酮的還原

α-單取代-β-酮酯的還原可以得到四種可能的非對(duì)映體產(chǎn)物。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)奈⑸锟梢缘玫剿铇?gòu)型的產(chǎn)物。無(wú)環(huán)酮的還原環(huán)狀酮的還原1．環(huán)狀β-二酮的還原環(huán)狀β-二酮可被選擇性地還原為β-羥基酮，而不產(chǎn)生二羥基化合物。對(duì)于小環(huán)來(lái)說(shuō)，順式產(chǎn)物優(yōu)先生成，且具有極高的光學(xué)純度。但是，當(dāng)環(huán)擴(kuò)大后，其產(chǎn)物的非對(duì)映選擇性難以預(yù)測(cè)，且產(chǎn)率下降。環(huán)狀酮的還原環(huán)狀酮的還原2.環(huán)狀β-酮酯環(huán)狀β-酮酯被酵母還原總是產(chǎn)生順式β-羥基酯。而反式-非對(duì)映體卻不能形成。這是由于在這種結(jié)構(gòu)中α，β-碳碳鍵不能旋轉(zhuǎn)，增加了分子剛性所致。因此，環(huán)狀β-酮酯還原反應(yīng)的對(duì)映體選擇性總是比無(wú)環(huán)類(lèi)酮酯還原反應(yīng)的對(duì)映選擇性高。環(huán)狀酮的還原環(huán)狀β-羥基酯（26）~（28）均由面包酵母催化相應(yīng)的β-酮酯還原所得，產(chǎn)率為74%~89%，對(duì)映體過(guò)量率為e.e.97%.其他類(lèi)型酮的還原酵母發(fā)酵法選擇性還原環(huán)酮的例子很多，它同樣還被用于帶有硝基、氟、硫和雜環(huán)功能基化合物的還原，以及金屬有機(jī)化合物的還原。含酮基硫醚PhS(CH2)3COCH3被面包酵母還原產(chǎn)生(S)-醇，產(chǎn)率為97％、對(duì)映體過(guò)量率為ee．97％；酮砜也可被面包酵母對(duì)映選擇性還原。化合物（35）可由其前體酮經(jīng)解脂假絲酵母（candidalipolytica)對(duì)映選擇性還原而生成。面包酵母在pH為7.2條件下能催化4-疊氮鬼臼毒素還原為4-β-氨基鬼臼毒素（36）。與環(huán)酮相比，無(wú)環(huán)a-二酮的還原產(chǎn)物一般不會(huì)停留在酮醇結(jié)構(gòu)階段，它會(huì)被進(jìn)一步還原為二醇。首先是位阻小的羰基被還原為（S)-a-羥基酮（Prelog規(guī)則），然后位阻稍大的酮被進(jìn)一步還原，最終產(chǎn)生二醇，其優(yōu)勢(shì)產(chǎn)物為反式構(gòu)型。去消旋化消旋體仲醇可以通過(guò)氧化、還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為單一對(duì)映體。仲醇消旋體中的一個(gè)對(duì)映體可以被選擇性氧化為酮(醇脫氫酶)，而另一個(gè)對(duì)映體則不被氧化。新生的酮可以再被另一個(gè)氧化還原系統(tǒng)還原為仲醇，其構(gòu)型與原仲醇構(gòu)型相反，最終使消旋體轉(zhuǎn)變單一對(duì)映體，這是—項(xiàng)去消旋化技術(shù)。由于有兩個(gè)連續(xù)的氧化—還原反應(yīng)，反應(yīng)體系中不需要額外的輔酶循環(huán)。為了使產(chǎn)物具有高的光學(xué)活性，兩步反應(yīng)中至少有一步必須是不可逆反應(yīng)，氧化和還原反應(yīng)最好采用兩種微生物。嗜熱脂肪芽孢桿菌（Bacillusstearothermophilus)與Yarrowialipolytica或多色假單胞菌（Peseudomonaspolycolor)與弗氏微球菌（Micrococcusfreudenreichii)偶聯(lián)用于信息素sulcatol和扁桃酸的去消旋化。另外采用一種微生物如白地霉（Geotriumcandidum)或近平滑假絲酵母（Candidaparapsilosis)催化仲醇去消旋化也取得了很好的結(jié)果。酵母細(xì)胞催化烯烴還原

生物催化潛手性烯烴雙鍵的還原具有立體選擇性，這是常規(guī)化學(xué)還原法所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。負(fù)責(zé)這種還原反應(yīng)的酶一般是NADH依賴(lài)的烯酸還原酶，這類(lèi)酶存在于多種微生物中，如梭狀芽孢桿菌、變形桿菌屬和面包酵母等。雖然烯酸還原酶已被分離純化和鑒定，但使用純酶作催化劑時(shí)需要輔酶循環(huán)，因此絕大多數(shù)制備性生物轉(zhuǎn)化仍采用完整細(xì)胞作為酶源。

烯酸還原的立體化學(xué)過(guò)程已被闡明，氫反式加成到C＝C雙鍵中，在植物細(xì)胞培養(yǎng)中(如煙草)卻發(fā)現(xiàn)了順式加成。烯酸還原酶對(duì)連有吸電子基團(tuán)的烯烴雙鍵表現(xiàn)出更高的還原活性。α、β不飽和酯的還原酵母催化2-氯-2-烯酸甲酯還原可以得到高光學(xué)活性的2-氯烷基羧酸。β-取代的a,β-不飽和五元環(huán)內(nèi)酯中C=C很容易被面包酵母還原為（R)-型產(chǎn)物，后者是萜類(lèi)化合物合成的C5原料。取代基團(tuán)硫的極性對(duì)反應(yīng)的立體化學(xué)過(guò)程有很重要的影響。硫醚和亞砜很容易被高選擇性地轉(zhuǎn)化，而極性較大的砜則產(chǎn)率和光學(xué)純度均較低。烯丙醇和共軛烯酮的還原烯丙醇和共軛烯酮的還原α、β-不飽和酮的還原酵母能將a-氯-a，β-不飽和酮還原為光學(xué)活性的