手性技术是有机化学家的新领域

6月25日化工报 2003-06-30

科学界已发现分子手性在自然界生命活动中起着重要的作用,手性化技术已成为当今有 机化学家面临的挑战性课题,2001年诺贝尔化学奖获得者正是在人工合成具有新特性的手性 分子领域取得了突破性的进展。目前,各种手性产品已成为医药、农药、香料、新材料和精 细化工产业追寻的目标,其产业迅速发展,形成巨大的手性产品市场。 (一)手性研究的意义 一些有机物特别是许多天然产物和人体内的活性分子都具有两种形态,这如同人的左右 手,组成成分完全一样,但在立体结构上是成镜像对称的,因此被形象地称为“手性分子” 。例如在药物领域,互为手性的分子中一个可能具有疗效,而另一个可能无效甚至有害。而 手性技术可以有效地将药物中不起作用或有毒副作用的成分剔除,生产出具有单一立体结构 的纯手性药物,从而让药物成分更纯,在治疗疾病时疗效更高,毒副作用更低。 我国科技界越来越重视手性技术在药物合成、现代农业、化工、生命科学、材料科学等 领域中的运用,越来越多的有机化学专家正涉足于手性研究领域。目前已可以利用拆分、化 学不对称合成或生物法制备手性化合物。实际上利用生物法制备手性化合物已有100多年的 历史,从最早的L-乳酸发酵,到甾体的微生物转化,酶法拆分生产L-氨基酸,直到近10年来 的手性化合物的生物合成与转化。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成功,受到有机化学家的关注,并投身于手 性化合物的生物合成与转化研究。生物合成与化学合成的融合及优势互补,促成了新的研究 领域酶化学技术的形成。 手性生物合成的发展可以解决医药、农药、香料、功能材料和其他精细化工产品的手性 化问题以及急需的各种手性化合物原料,也可为化学不对称合成提供必需的手性源,如手性 催化剂、手性试剂、手性溶剂等;还可以解决化学合成造成的环境污染、产生大量无效甚至 对环境和人体有害的对映体问题,对于保护自然环境和人体健康具有极为重要的意义。 (二)制备手性化合物的方法 在生物体内产生的绝大多数天然化合物是手性化合物,一般化学合成只能制备外消旋体 ,如果制备手性化合物可采用物理拆分法,化学合成与拆分法,以及生物合成、转化与拆分 三种方法。其中,生物合成、转化与拆分更适合大规模工业化生产,是制备手性化合物的首 选方法。 制备手性化合物可能有多种生物合成路线和方法,而具体采用哪一种方法则需要进行充 分比较,择优使用。在满足能够催化产生目的手性化合物要求的前提下,首先选择具有选择 性高、性能优良、容易大规模工业化生产、成本低廉的酶。酶催化的反应简单易控、效率高 ,原材料易得,产物容易分离纯化,整个工艺易于放大,适合工业化应用。另外,手性化工 艺易于与化学合成衔接,有利于整个生产工艺的优化。但现在还难以实现,尚处于有什么酶 就用什么酶的阶段。因此,目前的生物合成研究还难以满足要求。 (三)手性生物合成研究的主要内容 目前,手性生物合成还处于扩大研究领域和工业应用的迅速发展阶段,应重点研究开展 下列研究: 探索适合制备各种手性化合物的新生物催化剂和生物催化反应,研究利用生物催化剂合 成手性化合物的策略,丰富和扩大生物催化反应制备手性化合物的应用范围。同时,根据其 特点开展基础研究,如极端环境微生物酶、酶催化的立体选择性机理和控制、利用基因突变 与蛋白质工程以及shuffling技术改善酶的性能;利用代谢工程改造微生物的代谢途径,提 高生物转化能力,阻断产物继续代谢;构建工程菌,解决生物催化剂的大量来源问题;化学 修饰、生物催化剂固定化、有机相生物催化反应、界面催化反应、多酶反应系统、辅酶再生 等所谓反应工程和溶剂工程的研究。此外,研究生物催化反应合成手性化合物的反应动力学 、热力学、酶结构与酶催化的高度选择性的关系及影响因素,提高酶催化选择性的策略。 针对具有工业应用前景的手性化合物、手性药物及中间体的生物合成开展实用化研究, 并将生物催化与转化与有机化学反应和化学工程相结合,构建完整的生产技术和工艺。

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