五讲生物催化氧化反应

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1、生物催化氧化反应 生物催化氧化反应 l催化作用原理和特点 l羟化反应 l烯烃的环氧化 l拜依尔-维利格反应 l芳烃双羟基化反应 l多元醇的区域选择性氧化 催化作用原理和特点 l生物催化氧化反应主要由三大类酶所催化 ： l单加氧酶 l双加氧酶 l氧化酶 生物催化的氧化反应如下所示 l单加氧酶（mono-oxygenase）催化的加氧 反应是将分子氧中的一个氧原子偶合到底 物分子中，另一个氧原子被还原，一般被 NADH（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）或 NADPH（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸） 还原形成水； l双加氧酶（dioxygenase）催化的加氧反应 是将O2的两个氧原子连续地偶合进底物分 子中

2、； l氧化酶（oxidase）催化的氧化反应是将分 子氧作为直接电子受体，催化底物脱氢， 脱下的氢再与氧结合生成水或过氧化氢。 羟化反应 l烷烃和芳香烃的羟化按单加氧酶催化反应 的机制进行。 主要介绍： l烷烃的羟化反应 l芳香族化合物的羟化 l单加氧酶催化的反应往往用完整的微生物 细胞作为生物催化剂，这样比较也有利于 NADH或NADPH的循环使用。 1烷烃的羟化反应 l有机化学合成中几乎不能将碳氢化合物中 的非活泼C-H键羟化，而生物转化反应则可 以直接进行羟化反应。例如，甾体分子中 许多位置的选择性羟化反应能用适当的微 生物来催化： 黄体酮 l如黑根霉或黑曲霉能立体选择性催化孕甾 酮（1

3、0.11）的11-羟化，这样可省去常规 化学合成中的许多步骤，大大降低11-羟 基孕甾醇酮的生产成本；弗氏链霉菌（ Streptomyces fredial）能将化合物（10.12 ）的C11位-羟基化； 9-氟氢可的松石胆酸 l玫瑰产色链霉菌能将9-氟氢可的松（10.13 ）的16位-羟基化；木贼镰孢菌生物催化可 使石胆酸（10.14）的7-羟化，并具有高度 的选择性。 e.e. 91% l区域选择性 l对映异构体选择性 l微生物芽孢杆菌属Bacillus megaterium对烃 （10.15）生物转化能形成不对称羟基化产物 ，而且其羟基化反应具有区域选择性（69 ）和对映体选择性，该反应

4、的收率为31， 对映体过量（e.e.）为91%，反应没有得到芳 基氧化或过氧化产物。 2芳香族化合物的羟化 l苯环羟化反应有机合成用重氮盐水解或其 它取代法，涉及反应步骤繁多且副产物也 多。而单加氧酶能催化邻、对位取代芳烃 立体选择性羟化。 l以真菌、酵母菌、高等生物体细胞单加氧酶 催化芳烃羟化反应为模型，研究发现其反应 机理的第一步是对芳香族化合物进行环氧化 ，生成不稳定的中间体芳烃氧化物，该中间 体通过氢负离子迁移重排生成苯酚产物，具 体反应机制如下所示。 l芳香族化合物的选择性羟基化也可以通过使 用完整的细胞催化进行。例如，6-羟基烟酸 (10.16)是以烟酸为原料，在Pseudomon

5、as sp 或Bacillus sp 催化作用下完成的。 l普瑞特罗(Prenalterol)（10.18）是一种治疗 心血管疾病的药物，可由刺孢小克银汉霉的 细胞催化其底物前体（10.17）区域选择性羟 化而制得，该反应不具有对映选择性，因而 产物为消旋体。 普瑞特罗 烯烃的环氧化 l合成小分子环氧化物可以利用单加氧酶催 化烯烃的环氧化反应来制备，而且还可以 制得传统化学法所不能制备的产物。在单 加氧酶催化烯烃的环氧化反应过程中，需 要辅酶（NAD(P)H）和分子氧的直接参与 。 l如食油假单胞菌能催化烯烃的环氧化反应， 此外还发现多种细菌也可催化烯烃的环氧化 ，所生成的环氧化物的绝对构型大

6、多数是R 型，微生物催化烯烃环氧化反应如下。 l环氧化物的构型和光学纯度与所用菌种和 底物有关。如Pseudomonas oleovorans lR1 = H 、n-C5H11 、n-C7H15 时产物为 R构型 ，e.e. =60-80% lR1=NH2COCH2C6H4O 、 CH3O(CH2)C6H4O 时为S构型， e.e. =97% l又如菌种Mycobacterium sp lR1=H时产物为R构型 ， e.e. = 98%； R1=PhO-时产物为S构型， e.e. = 80% 拜依尔-维利格反应 l是一种合成酯或内酯的具有很高应用价值 的合成方法。酮在过氧羧酸作用下氧化生 成酯

7、或内酯的反应称为拜尔-维利格反应。 生物催化拜尔-维利格反应的黄素辅基中间 体与过氧羧酸类似，作为亲核试剂进攻羰 基碳。 l酶法催化拜尔-维利格反应具有立体选择性 ，潜手性的酮能通过环己酮单加氧酶的不 对称氧化生成相应的内酯，氧的插入具有 很高的选择性。 （N l例如Acinetobacter sp的环己酮单加氧酶可将 潜手性酮不对称氧化为相应的内酯，氧插入 位置取决于4-位取代基R的性质，其产物的立 体构型取决于中间体中基团的迁移能力：当 R为CH3O、Et、n-Pr和t-Bu时，产物为S构型 ；但当4-位为n-Bu时，其产物转变为R构型， 环己酮单加氧酶催化反应如下所示。 芳烃双羟基化反应

8、 l双加氧酶分子中通常都含有一个血红素复 合物和一个铁离子，它催化分子氧中的两 个氧原子与底物相结合。微生物细胞中的 双加氧酶可以催化芳烃化合物氧化为内过 氧化物中间体，该中间体再被还原酶催化 还原为顺式连二醇，生成手性顺式二醇， 双加氧酶催化芳烃顺式二羟基化的反应历 程如下。 l恶臭假单胞菌的突变菌株能催化不同取代基 的芳香族化合物转化为相应的手性顺式连二 醇。该菌株对单取代苯和对位双取代苯顺式 二羟基化所得连二醇产物构型相反。 l例如，将单取代苯对位用碘取代，苯环经双 加氧酶氧化后通过还原反应再除去碘得到的 连二醇产物(10.20)，它的构型与单取代苯反 应后得到的连二醇产物(10.19)

9、构型相反。 l这种构型转变与对位取代基团的性质有关 ，一般碘的效应大于氟和甲基，且碘最后 容易用还原法除去。 -萘甲酸联苯类化合物 l-萘甲酸能够被睾丸酮假单胞菌A3C氧化为 顺式连二醇（10.21）。还有报道用基因工程 技术构建了一株高表达的甲苯双加氧化酶的 工程菌珠，这种菌可把联苯类化合物顺式二 羟基化为相应连二醇类化合物（10.22）。 多元醇的区域选择性氧化 l利用生物催化剂马肝醇脱氢酶(HLADH)对 潜S型（pro-S）或潜R型（pro-R）羟基的 氧化具有较好的选择性。 1,5-二醇 l马肝醇脱氢酶 l如1,4-或1,5-二醇中，所得还原产物羟基醇 会自然环合形成更稳定的5或6元

10、环状半缩 醛，最后再被HLADH氧化形成相应的内酯 。 生物催化还原反应 生物催化还原反应 l催化作用原理和特点 l酮的还原反应 l烯烃的还原反应 催化作用原理和特点 l生物催化的还原反应使用最多的是脱氢酶 ，它可广泛用于催化醛或酮羰基以及烯烃 碳-碳双键的还原反应。如果所转化的底物 是潜手性的，则可以得到手性产物。 l常用的脱氢酶有面包酵母醇脱氢酶和马肝 醇脱氢酶，它们催化酮不对称还原，所得 还原产物仲醇的对映体过量率可接近100 。 l这一类酶已被广泛地用于醛和酮的还原反 应中，尤其是在手性醇的合成上，具有广 泛的应用前景。 l脱氢酶催化酮或烯烃的还原反应的原理是 首先脱氢酶在还原型辅酶的

11、参与下使底物 加上1分子的氢，而还原型辅酶本身转化为 氧化型辅酶；为了使还原反应继续进行， 需要加入第二种辅助底物，作为氧化型辅 酶再生的电子和质子供体。 酶偶联法的辅酶循环 l l常用辅酶有NADH辅酶I（尼克酰胺腺嘌呤二 核苷酸）和NADPH辅酶 II（尼克酰胺腺嘌呤 二核苷酸磷酸），一般有80的氧化还原酶 以NADH作为辅酶，10的氧化还原酶以 NADPH为辅酶。少数氧化还原酶以黄素单核 苷酸FMN和黄素腺嘌呤二核苷酸FAD作为辅 酶。 酮的还原反应 l脱氢酶可以选择性还原醛或酮为手性醇。 在脱氢酶的作用下，氢负离子从醛或酮基 的一个潜手性面（Si面或Re面）进攻，从 而将醛或酮还原为手

12、性(R)-或(S)-醇。 l而且大多数情况下，脱氢酶的立体选择性 服从Prelog规则，即H从空间位阻小的方 向对羰基进攻，形成构象稳定的优势中间 体，因此由底物的立体结构可以预测反应 的产物。 酮的还原反应主要内容 l1马肝醇脱氢酶催化酮还原 l2酵母细胞催化酮还原 l3其它微生物细胞催化酮还原 1马肝醇脱氢酶催化酮还原 l马肝醇脱氢酶(HLADH)是常用的脱氢酶， 其最大用途是还原中等大小的单环酮（四 到九元环）和双环酮，无环酮被还原时的 立体选择性低，具有空间位阻和分子结构 大于萘烷的酮不宜作为该酶的底物。 l具有空间位阻的笼状多环酮，如2-三环癸酮 外消旋体(10.23)被HLADH还

13、原后，可以得到 外醇和未反应的对映体酮，产物对映体过量 率分别为e.e.90%和e.e.68%，反应如下。 lHLADH催化内消旋体顺式十氢萘-2,7-二酮、 反式十氢萘-2，6-二酮和无手性 1,2,3,4,5,6,7,8-八氢萘-2,6-二酮具体反应如 下。 l还原后产生具有高度光学活性的(S)-醇，产 物的对映体过量率大于98，因此对于二 环或多环酮分子中的桥头碳原子不能发生 消旋化而使构型保留。 2酵母细胞催化酮还原 l面包酵母或称酿酒酵母是酮的不对称还原 中应用最广泛的微生物。酵母完整细胞中 含有可催化氧化还原反应的多种脱氢酶和 辅酶，因此不需要额外添加辅酶循环再生 系统。通过微生物

14、转化，酵母细胞可以还 原简单脂肪族酮或芳香族酮形成相应的S醇 ，产物具有较高的光学纯度。 l长链脂肪酮(如正丙基酮、正丁基酮和苯基酮) 不能被酵母还原。只有酮分子中有甲基酮才 能被酵母催化还原。环状-二酮可被选择性 地还原为-羟基酮，而不产生二羟基化合物 ，式中R基团不同，产物顺反式的比例有显 著差异。酵母细胞还原环状-二酮过程如下 ： 3其它微生物细胞催化酮还原 l在前列腺素PGE2全合成中，毛霉属（M. ramamnicus）可选择性还原重要的光学中 间体环戊烷三酮的其中一个羰基为醇，环 戊烷三酮的选择性生物催化还原过程如下 。 l其它霉菌如孢子丝菌属（Sporotriahum exile

15、 ）、新月弯孢霉和出芽短柄霉也可选择性地 将一些潜手性单元的羰基化合物转化为相应 的手性化合物，作为合成许多复杂的天然产 物分子的手性中间体。其它微生物细胞催化 酮的选择性还原反应过程如下： 烯烃的还原反应 l用传统的化学法选择性还原碳碳双键是十 分困难的，而脱氢酶催化烯烃的双键还原 成饱和烷烃具有很高的立体选择性，并且 具有较广的底物适用性。 l酵母细胞对烯酸酯的还原反应历程是先水 解后还原。 l例如，酵母催化2-氯-2-烯酸甲酯结构中烯 烃双键得到的产物是具有高度光学活性的2- 氯烷基羧酸。 R 产物构型 光学纯度e.e./% C2H5 ER 47 C2H5 ZS 98 CCl3 ES 98 l在这种还原反应中，产物的绝对构型是由 起始烯烃的顺、反(E、Z)异构体来决定的， 因而分别得到(R)-或(S)-型取代烷基酸。还 原酶对Z-型烯烃的手性识别很好，而对E-型 烯烃识别较差。 香茅醇 牻牛儿醇 l对于-取代或-取代的烯丙醇中C=C双键可 被面包酵母还原生成手性醇。例如牻牛儿 醇（10.24）被还原为香茅醇（10.25） (e.e.为97)；1,3-共轭二烯（10.26）仅 ,-双键被还原生成（10.27）。 l谢谢！