生物催化在手性化合物合成中的應用

李樹柏 吳本林 姜紅林(青島瀚生生物科技股份有限公司，山東 青島 266101)

生物催化在手性化合物合成中的應用

李樹柏 吳本林 姜紅林(青島瀚生生物科技股份有限公司，山東 青島 266101)

生物催化的手性合成可以說是目前手性合成方法研究的中心以及發展的方向。本文主要對生物催化技術在手性化合物合成上的使用進行分析，同時對其具體的使用前景給予展望。

手性合成；生物合成；酶催化；生物催化

1 手性研究的意義

“手性”這個詞源于古希臘語言中的“Cheir”，其最初的意思就是手。現如今，“手性”所指的是碳原子通過幾個不同的原子以及基于基團在空間排布上使用兩種不同的形式以及結構去構成的一種相對體，他們相互之間進行鏡像，同時其還是一種對稱又不會重合的聯系。如果只是從一個放棄對應映體會使得偏振光產生偏轉的情況，所以也有學者將其稱之為光學的異構體或者是具有一定的光學活性的化合物，目前也經常會被人們將其叫做手性的化合物。在目前的自然界中，手性所表示的是一種非常重要的屬性，即使是相同的化合物，如果其手性存在著差異，不僅會使得其光學性質之間存在不同，同時還會使得其生物活性也有所不同。例如，在藥理學上，藥物的作用主要是通過膜的藥物遞送的酶抑制和受體融合都與藥物和手性的結構有關。

2 手性生物合成與拆分

現階段在對手性生物進行合成和拆分的時候，其主要使用的方法有如下幾種：

2.1 酶法拆分

使用酶法進行拆分的時候，其主要的拆分原理是基于水解酶所具有的高度選擇性，以及通過水解催化外消旋或對映異構體衍生物的化學合成的反應。在該反應實施的過程中，還會對未反應物的光學異構體特性進行充分地利用。通過利用它們的物理和化學性質的差異，分離兩種對映異構體以獲得兩種單一的光學活性產物。該方法主要用于制備手性醇和酸以及胺，酯和酰胺等化合物，根據反應理論上進行分析，這種制備方法所生產的產物產率在50%左右，然而在實際的生產過程中，受多種因素和限制的影響，使得該理論產率無法達到。在對外消旋化合物進行處理的時候，要想使其轉化成單一的手性化合物，可以將其它對映異構體外消旋化并重復拆分。在切割時，最常用的酶之一是水解酶。

2.2 生物合成

在進行生物合成的時候，不僅需要使用到大量的金屬前體，同時還需要使用到硫、磷、氮及鹵素等元素，在將金屬前提轉化為手性化合物的過程中，還需要使用到氧化還原酶、裂解酶、羥化酶及合成酶等多種化學酶。從理論上來講，該生物合成的轉化率高達100%。

2.3 生物轉化

生物轉化的實現主要是通過利用動物、植物或者是微生物的細胞，在一種酶或者多種酶的共同作用下，將前體化合物轉化成相應產物的過程。對于所需要使用的細胞，如果是作為酶的來源細胞，則可以使用死細胞。而如果是為了給單一酶或者是多種酶提供新陳代謝的環境，那么需要使用到活細胞。對于生物轉化技術的應用，不僅可以直接用于簡單化合物的合成之中，而且更加常用于比較復雜或者是天然化合物的合成之中。使用生物轉化技術存在著操作簡便的優點，但同時也存在著合成物純度相對較低的缺點。其主要原因在于進行轉化的過程中，細胞在進行新陳代謝的時候，可能會使得代謝物進入到反應系統中，最終導致反應物純度降低。

3 手性生物合成技術進展

生物的合成可以說自身有著一定的高度立體性還有一定的選擇性，其自身的選擇性以及區域選擇性酶的反應或者是微生物的轉變會把化學合成的外消旋作為主要的衍生物，這樣可能會導致前體以及潛在的手性化合物變成光學活性較為單一的產物。在本次的研究過程中，相應的最佳反應溫度在20～30℃之間，所以其可以進行選擇性比較強，并且產生的副反應也相對少一些，產率比價高，同時還不會對環境造成污染。

在利用生物合成的方法來合成手性化合物的時候，主要存在著以下兩種途徑。在早期，通過使用水解酶如蛋白酶，酰胺酶，腈水合酶和酰基轉移酶對外消旋底物進行不對稱水解，從而來生產得到相應的手性化合物。這種生物合成的方法主要的缺點在于需要事先合成外消旋目標產物，最高的生物合成產率在50%以下。現階段在進行生物合成的時候，主要屬于微生物以及酶去進行直接的轉化，或者是選擇氧化的方式對酶進行還原或整個是合成裂解，以及水解和羥化，或者是環氧合酶，直接在前體化合物不對稱的構成多種比較復雜的手性醇，還有酮以及醛，還有酯以及胺的衍生物，其與多種含磷和硫以及氮和金屬的手性化合物去進行融合。這種方法不需要直接去對前體的衍生物進行制備，能夠100%的把前體轉變成為手性的目標產物，所以自身的工業價值還是非常巨大的。

4 結語

現階段，選擇微生物或酶催化進行化合物的制備可以說是當前十分常用的一種制備的工具，其是對于環境的要求并不大，而且自身也有著很高的立體選擇性，同時允許選擇多種微生物池去對合適的催化劑進行選擇。所以，通過生物的方式去催化的手性合成已經吸引越來越多人們的關注，并已逐漸發展成為生物學家以及化學家的合成方式。

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