手性化合物的生物合成与转化

2003-08-20

1 手性研究的意义 大量事实证明手性是自然界的基本属性之一。四价碳原子的四面体结构决定了含碳化合物的手性特征。在漫长的分子进化过程中,手性选择成为生物进化的基础。构成生命体的基础物质,核苷酸、氨基酸和单糖均具有手性特征,由它们构成的生物大分子核酸、蛋白质和糖类均具有特征性的空间结构。这种特性赋予了蛋白质催化活性,核酸的信息储备和遗传性能,多糖的识别功能,从而奠定了生命生成和进化基础。 在生物体的手性环境中,分子之间的严格手性匹配是分子识别的基础。如酶的高度底物、区域、位点和立体催化专一性,抗原与抗体的免疫识别,受体与给体的专一作用,药物手性与其生物应答关系;如药物在体内的吸收、转运、组织分配,与靶点作用,代谢和消除都可能有重要影响,直接关系到药物的药理作用、临床效果、毒副作用、发挥药效时间和药效持续作用时间等。大量事实表明同一药物的两个对映体药效、药理和毒理均不同。这些事实说明药物的手性化已成为药物研究与发展的关键。 在许多杀虫剂、杀菌剂、除草剂、昆虫激素、信息素中,只有特定的手性组分具有生物活性。在香料中,不同手性组分的香味完全不同。在功能性材料中,如液晶、“靶”性化合物、半导体有机材料、光导、电导有机材料等精细化工产品,不同手性组分的物理性质不同,材料性能也相差甚远。手性分子是纳米发动机及其动力开关的构建基础;因此,各种手性产品成为医药、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(见表1)。为此,发展手性化技术成为当今有机化学家的挑战性课题,成为有机化学研究的难点和热点。 表1 手性化合物的国际市场情况(亿美元) 产品 1997年 1998年 1999年 2004年 平均增长,% 中间体 12.0 14.3 15.6 24.4 9.3 分析用 1.35 1.59 1.72 2.61 8.6 药物制剂 870 1230 1460 3490 19.0 农化化学品 50 70 84 201 19.0 其他 1.15 1.36 1.47 2.22 8.6 总计 884.5 1317.25 1562.79 3720.23 12.9 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,直到近十年来的手性化合物的生物合成与转化,经历了漫长的发展过程。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和优势互补,生物学家、生物化学家与有机化学家的合作,促成了新的研究领域酶化学技术(chemzyme technology)的形成。 手性生物合成的发展可以解决医药、农药、香料、功能材料和其它精细化工产品的手性化问题和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易造成环境污染,产生大量无效、甚至对环境和人体有害的对映体问题,对于保护人类的自然环境和健康具有极为重要的意义。生物合成技术的高效率,可以节省大量的宝贵资源,降低能耗,提高产品性能。因此,生物合成又称为“绿色合成”。 2 手性化技术 除了天然的手性化合物外,一般化学合成只能制备外消旋体,如果制备手性化合物需采用以下方法: (1)物理法:利用两种对映体的结晶形态的不同,进行对映体的分离。但它生产效率低,只适用于极个别产品。 (2)化学法:因使用的原理不同又可分为以下三种方法: ①化学拆分法:利用手性试剂与两种对映体形成复合物的能力,反应速度及形成的复合物的物化性质不同可以将两种对映体分开,该法又称为动力学拆分。这种方法需要手性试剂,理论产率为50%。由于工艺复杂,要求条件高,目前只有个别产品可用该法生产。 ②化学不对称合成:在不对称催化剂作用下,利用化学反应的动力学和热力学不对称性进行单一对映体的合成。它是近年来有机化学的研究热点,取得迅速发展。该方法虽然工艺简单,但适用范围有限,因需使用手性试剂、手性催化剂或手性溶剂,成本高,另外因手性催化剂往往含有重金属,在医药上应用受到一定限制。 表2 手性化合物制备方法的比较 化学不对称 生物合成 色谱法 合成和拆分 和拆分 生产效率 高 中 低 选择性 变动 高 较高 产率 变动 高 较高 产物回收 一般简单 可能复杂 简单 操作条件 常压高温 常温常压 常温常压 生产成本 可变 中 高 必需的条件 需对新反应验证 酶筛选,酶工程 基础和方法研究 生产规模 可大 可大 小 开发周期 3-5年 2-3年 数月 开发成本 高 中 低 法律限制 大 中 小 手性源 需要 不需要 需要 ③手性色谱分离:需要使用手性色谱分离柱,或使用一般色谱分离柱,采用手性流动相进行对映体分离,其特点是快速,产物纯度高,简便,但处理量小,因需要手性分离介质或手性试剂,成本高。 (3)生物合成与转化:利用生物催化剂(酶或产酶细胞)催化的反应的高度底物、区域、位点和立体选择性进行外消旋体拆分或手性化合物的不对称合成和转化。 经比较(见上表2),不难发现在上述三种方法中,生物合成具有更多的优点,更适合大规模工业化生产。有机化学家和生物学家一致认为:生物合成与拆分是制备手性化合物的首选方法。 3 手性生物合成与拆分 按方法学分类,利用生物学方法制备手性化合物主要有三种: 3.1 酶法拆分 该方法是利用水解酶的高度立体、位点、区域选择性、催化化学合成的外消旋体或衍生物中的某一对映体进行水解法合成反应,得到反应与未反应的光学异构体混合物,利用它们的物理化学性质差异,将两种对映体分离,获得两种单一光学活性的产物。拆分法主要用于制备手性醇、酸、胺、酯、酰胺等化合物,目的产物的理论收率为50%,但在实际操作中很难达到。为了将外消旋化合物转化为单一手性化合物,可将另一对映体消旋化,进行反复拆分。在拆分法中,最常用的酶是水解酶,如酯酶、脂肪酶、酰胺酶、酰化酶、腈水合酶、磷酯酶等。 3.2 生物合成 该方法是利用氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶、醛缩酶等催化的不对称合成反应,将化学合成的前体转化为结构复杂的手性醇、酮、醛、胺、酸、酯、酰胺等衍生物,也可将含硫、磷、氮、卤素及金属的前体转化为手性化合物。理论转化率为100%。 从发表的文献统计结果看,研究用于手性化合物合成和拆分的酶类。 3.3 生物转化 该方法是利用微生物和动植物细胞的单酶或多酶系统以及代谢途径将前体化合物转化为目的产物,有时可以用死细胞,这种情况往往是将细胞作为酶源使用;有时需要使用活细胞,多是为利用细胞的多酶系统或代谢途径,因在转化过程中需要辅因子或能量供给,有时需在细胞培养过程中进行转化,有时也可以使用培养好的细胞进行转化,而后者相对于前者较简单些。生物转化可用于简单化合物,更多的是用于复杂和天然化合物的转化。 生物转化的优点是比较简单。但由于细胞中可能存在能够代谢产物的其他途径,可能会造成转化收率低,又可能在转化过程中,细胞的其他代谢产物或细胞的自溶物进入转化反应系统,增加产物的分离纯化难度。 4 手性化合物生物合成与转化的发展 根据酶催化的反应特点和起始物种类可将手性生物合成方法分为表3所列的五种。 表3 利用生物催化剂制备手性化合物的方法 类别 起始物 最大理论产率,% 生物催化剂 对映体拆分 外消旋产物或衍生物 50 水解酶类,氧化还原酶类 不对称合成 潜手性化合物 100 裂解酶类,连接酶类,水解酶类,氧化还原酶类 去外消旋化 外消旋底物 100 水解酶类,氧化还原酶类,裂解酶类,异构酶 手性集中 光学活性底物 100 裂解酶类,转移酶 立体转化 消旋底物 100 氧化还原酶类,连接酶类 由此可见制备一个手性化合物或药物可能有多种生物合成路线和方法,采用哪一种需要进行充分比较,择优使用。在满足能够催化产生目的手性化合物的要求的前提下,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、容易控制、操作稳定性好,生产效率高,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,有利于生产总工艺的优化。但实际上由于相关基础研究和积累不够,现在还难以做到这点,对于大多数研究者基本还处于有什么酶用什么酶的阶段。因此目前的生物合成研究还难以满足要求。 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。研究的内容主要有以下几个方面: (1)探索适合制备各种手性化合物的新的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。 (2)针对生物催化剂和生物催化反应及手性合成的特点开展的基础研究,如极端环境生物酶的研究;酶催化的立体选择性机理和控制;利用基因突变、蛋白质工程和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,大量积累产物;构件工程菌,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,辅酶再生等所谓的反应工程和溶剂工程的研究。 (3)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。 (4)大量的工作是以应用为目的,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。 (5)生物催化与转化与有机化学反应和化学工程相结合,构建完整的生物技术和工艺。 (6)开展抗体酶、核酶、人工合成酶的研究,扩大生物催化研究领域。 可以预料随着手性生物合成与转化研究的发展,该技术在手性化合物及其相关产品的产业上发挥巨大作用。

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