實例還原

1、生物催化手性合成的反應(yīng)實例,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。,面包酵母脫氫酶和馬肝醇脫氫酶能催化酮不對稱還原，其還原產(chǎn)物仲醇的對映體過量率接近100%。,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（nicotinamide adenine

2、 dinucleotide)又稱輔酶Ⅰ（Co Ⅰ)和尼克酰胺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)又稱輔酶Ⅱ（Co Ⅱ)，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)過程中酶催化氫負離子從酮基的si 面或re面進攻將酮還原為手性(R)—或(S)－仲醇。,一般來說，絕大多數(shù)酶

3、催化反應(yīng)的立體選擇性可用Prelog規(guī)則進行預(yù)測，即根據(jù)底物的立體結(jié)構(gòu)，H從空間位阻小的方向進攻酮基，形成構(gòu)象穩(wěn)定的優(yōu)勢中間體。,S代表小基團，L代表大基團脫氫酶催化酮不對稱還原的Prelog規(guī)則,常用脫氫酶的特點,酵母醇脫氫酶(yeast alcohol dehydrogenase YADH)、馬肝醇脫氫酶(horseliver alcohol dehydrogenase HLADH)和羥基甾體脫氫酶(hydroxysteroid

4、dehydrogenase，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，一些微生物細胞(如面包酵母)作催化劑時也遵循此規(guī)則。,布氏熱厭氧菌醇脫氫酶(TBADH)催化大分子酮還原時遵循Prolog規(guī)則產(chǎn)生(S)-型醇，但催化小分子酮時則產(chǎn)物構(gòu)型相反。 也有一些微生物脫氫酶催化產(chǎn)生反Prolog規(guī)則的(R)—型醇，如乳桿菌屬的Lactobacillus kefir醇脫氧酶，但這些酶很少有商品化供

5、應(yīng)。,常用脫氫酶的優(yōu)先底物結(jié)構(gòu)圖,酵母醇脫氫酶(yeast alcohol dehydrogenase YADH)、馬肝醇脫氫酶(horseliver alcohol dehydrogenase HLADH)和羥基甾體脫氫酶(hydroxysteroid dehydrogenase，HSDH),酵母醇脫氫酶,酵母醇脫氫酶(YADH)的底物專一性強，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

6、、假單胞菌屬醇脫氫酶等，由于沒有商品化酶供應(yīng)，限制了它們的使用。,馬肝醇脫氫酶,馬肝醇脫氫酶(horseliver alcohol dehydrogenase， HLADH)是常用的脫氫酶，其底物專一性不強，因而可催化多種底物還原，應(yīng)用廣，缺點是立體選擇性不高。 HLADH是由兩個亞基組成的二聚體，每個亞基含有兩個鋅離子。該酶的三維空間結(jié)構(gòu)已由x射線衍射法確定。 HLADH的最大用途是還原中等大小的單環(huán)酮(四到九元環(huán))和

7、雙環(huán)酮，無環(huán)酮被還原的立體選擇性低，具有空間位阻和分子結(jié)構(gòu)大于萘烷的酮不宜作為該酶的底物。,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)的對映體酮，其對映體過量率分別為e e 90％和e e68％。,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

8、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面進攻羰基，產(chǎn)生一個反式-（S)-醇（4）和順式-（S)醇（5）。非對映體醇（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(T

9、BADH)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是從嗜熱微生物中分離得到的，其熱穩(wěn)定性好，可在85℃條件下使用。此外，TBADH還能耐受有機溶劑(如異丙醇)而不失活，而異丙醇可用于NADPH的再生循環(huán)。ω-鹵代烷基、甲基或三氟甲基酮被TBADH轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的仲醇，并具有很高的光學(xué)純度。但是，α、β－不飽和酮和兩個取代基都大于乙基的酮則不能被該酶催化還原。TBADH催化酮還原反應(yīng)遵循Prelog規(guī)則，

10、對正常大小的酮產(chǎn)生(S)－醇，但對小分子酮則立體選擇性相反。,布氏熱厭氧菌脫氫酶,TBADH的最大缺點是反應(yīng)需要NADPH，尤其對于大規(guī)模合成來說，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)和無機釩鹽(HVO42-)，反應(yīng)緩沖液中的咪唑可消除由釩鹽引起副反應(yīng)。,羥

11、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，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，HSDH會變成高選擇性的催化劑。而TBADH和HLADH則不能催化它們。,對沒有取代基的酮，若5位相對于7位是大的基團，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

12、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。,酵母細胞催化酮還原,早在19世紀初，人們就利用酵母細胞作為生物催化劑。面包酵母(Bake’s yeast)或稱釀酒酵母被廣泛用于酮的不對稱還原。它使用方便，無需特殊設(shè)備，可在普通實驗室中進行生物催化反應(yīng)，使用成本低。,微生物完整細胞中含有可催化氧化還原反應(yīng)的多種脫氫酶和輔酶，用細胞作為生物催化劑可省去酶的分離純化步驟，同時不需要

13、額外添加輔酶循環(huán)再生系統(tǒng)。天然細胞內(nèi)的酶和輔酶被細胞環(huán)境所保護，酶的反應(yīng)活性高。 該方法的缺點是有些非天然底物對細胞有毒性，需降低催化反應(yīng)中底物的濃度。另外，細胞內(nèi)存在的其他物質(zhì)會給產(chǎn)物的分離純化帶來困難。,無環(huán)酮的還原,1.簡單酮 簡單脂肪族酮或芳香族酮被酵母還原時遵循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，只有長鏈

14、甲基酮才能被酵母催化還原。連接酮基的功能基團上可以有氯、溴、硝基、羥基以及二噻烷基、甲硅烷基等。,無環(huán)酮的還原,2.β－酮酯 無環(huán)β－酮酯易被酵母還原為β－羥酯，后者可作為β－內(nèi)酰胺、昆蟲激素和類胡蘿卜素等合成的手性源。 氫負離子H-按Prelog規(guī)則向羰基發(fā)生親核進攻。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)。,無環(huán)酮的還原,面包酵母中存在多種脫氫酶，它們對同一底物具有不同的立體

15、化學(xué)選擇性。D-型脫氫酶(屬于脂肪酸合成酶系)對具有短鏈醇基的β-酮酯(如β-酮酸甲酯)有高的反應(yīng)活性。L-型脫氫酶則對具有長鏈醇基的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)果可以通過對底物的設(shè)計而實現(xiàn)。,無環(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- 羥基酯的對映體過量率增加，而L- β- 羥

16、基酯的光學(xué)純度降低。將酵母固定在聚氨酯膠內(nèi)會得到相同的結(jié)果。,無環(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、從而改變了動力學(xué)拆分結(jié)果。順、反非對映體的比率取決于還原過程中酶的立體選擇性，有時可高達100：0 。 α-取代基較小時，主要生成順式非對映體；而α-取代基增大時，選擇性相反。,無環(huán)酮的還原,α-單

17、取代-β-酮酯的還原可以得到四種可能的非對映體產(chǎn)物。通過選擇適當(dāng)?shù)奈⑸锟梢缘玫剿铇?gòu)型的產(chǎn)物。,無環(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。對于小環(huán)來說，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)擴大后，其產(chǎn)物的非對映選擇性難以預(yù)測，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

18、式-非對映體卻不能形成。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)的對映體選擇性總是比無環(huán)類酮酯還原反應(yīng)的對映選擇性高。,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%，對映體過量率為e.e.97%.,其他類型酮的還原,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，以及金屬有機化合物的

19、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％、對映體過量率為e e．97％；酮砜也可被面包酵母對映選擇性還原。,化合物（35）可由其前體酮經(jīng)解脂假絲酵母（candida lipolytica)對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，無環(huán)a-二酮的還原產(chǎn)物一般不會停留在酮醇結(jié)構(gòu)階段，它會被進一步還原為二醇。首先是位

20、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一步還原，最終產(chǎn)生二醇，其優(yōu)勢產(chǎn)物為反式構(gòu)型。,去消旋化,消旋體仲醇可以通過氧化、還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為單一對映體。仲醇消旋體中的一個對映體可以被選擇性氧化為酮(醇脫氫酶)，而另一個對映體則不被氧化。新生的酮可以再被另一個氧化還原系統(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)變單一對映體，這是—項去消旋化技術(shù)。由于有兩個連續(xù)的氧化—還原反應(yīng)，反應(yīng)體系中不需

21、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（Bacillus stearothermophilus)與Yarrowia lipolytica或多色假單胞菌（Peseudomonas polycolor)與弗氏微球菌（Micrococcus freudenreichii)偶聯(lián)用于信息素sulcatol和扁桃酸的去消旋化。 另外采用一

22、種微生物如白地霉（Geotrium candidum)或近平滑假絲酵母（Candida parapsilosis)催化仲醇去消旋化也取得了很好的結(jié)果。,,,酵母細胞催化烯烴還原,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)還原法所無法實現(xiàn)的。負責(zé)這種還原反應(yīng)的酶一般是NADH依賴的烯酸還原酶，這類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需要輔

23、酶循環(huán)，因此絕大多數(shù)制備性生物轉(zhuǎn)化仍采用完整細胞作為酶源。,烯酸還原的立體化學(xué)過程已被闡明，氫反式加成到C＝C雙鍵中，在植物細胞培養(yǎng)中(如煙草)卻發(fā)現(xiàn)了順式加成。烯酸還原酶對連有吸電子基團的烯烴雙鍵表現(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，后者是萜類化合物合成的C5原料。取代基團硫的極

24、性對反應(yīng)的立體化學(xué)過程有很重要的影響。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)活性的氯乙醇。在生物轉(zhuǎn)化過程中，最初轉(zhuǎn)化為（S)-氯酮，然后再被轉(zhuǎn)化為氯乙醇類衍生物，其酮的還原遵循Prelog規(guī)則，順，反乙醇的比例反映了中間產(chǎn)物氯酮的光學(xué)純度。,硝基烯烴的還原,作業(yè)：1.簡述脫氫酶催化酮