1、第二十三章第二十三章 生物转化技术在现代制药工业中的应用生物转化技术在现代制药工业中的应用第一节第一节 生物转化与手性药物合成生物转化与手性药物合成第二节第二节 生物转化与手性中间体的制备生物转化与手性中间体的制备第三节第三节 生物转化技术在现代制药工业中的应用生物转化技术在现代制药工业中的应用第四节第四节 生物转化技术在其他相关产品中的应用生物转化技术在其他相关产品中的应用第一节第一节 生物转化与手性药物合成生物转化与手性药物合成v 生物催化剂为高度手性催化剂，催化反应生物催化剂为高度手性催化剂，催化反应效率高、立体选择性好，反应产物对映体过效率高、立体选择性好，反应产物对映体过量率（量率（
2、e.e）有时可达）有时可达100%，生物催化法是，生物催化法是实现手性合成的有效途径，而很多药物的药实现手性合成的有效途径，而很多药物的药理活性与毒性与药物手征性结构密切相关。理活性与毒性与药物手征性结构密切相关。 利用生物转化技术制备手性药物（关键中间体）的一些实例利用生物转化技术制备手性药物（关键中间体）的一些实例 2、手性药物（、手性药物（chiral drug）v所谓手性药物是指单一异构体药物所谓手性药物是指单一异构体药物。v近年来人们对手性药物愈来愈关注的重要原近年来人们对手性药物愈来愈关注的重要原因是它们的治疗活性主要存在于一种异构体，因是它们的治疗活性主要存在于一种异构体，而另一
3、（些）异构体或是无活性的、或是具而另一（些）异构体或是无活性的、或是具有不同的药理活性，甚至有严重的毒副作用。有不同的药理活性，甚至有严重的毒副作用。3、对映体、对映异构体、对映体、对映异构体（enantiomer）v具有一定构造的分子，其原子在空间的排列具有一定构造的分子，其原子在空间的排列方式可能不止一种，即可能存在不止一种构方式可能不止一种，即可能存在不止一种构型。型。凡是手性分子，必有互为镜像的构型。凡是手性分子，必有互为镜像的构型。这种互为镜像的两种构型叫做对映体。分子这种互为镜像的两种构型叫做对映体。分子的手性是对映体存在的必要和充分的条件。的手性是对映体存在的必要和充分的条件。一
4、对对映体的构造相同，只是立体结构不同，一对对映体的构造相同，只是立体结构不同，因此它们是立体异构体。这种立体异构体就因此它们是立体异构体。这种立体异构体就叫做对映异构体。叫做对映异构体。3、对映体、对映异构体、对映体、对映异构体（enantiomer）v对映异构和顺反异构一样都是对映异构和顺反异构一样都是构型异构构型异构。要。要把一种异构体变成构型异构体，必须断裂分把一种异构体变成构型异构体，必须断裂分子中的两个键，然后对换两个基团的空间位子中的两个键，然后对换两个基团的空间位置。置。v而而构象异构构象异构则不同，只要通过键的扭转，一则不同，只要通过键的扭转，一种构象异构体就可以转变为另一种构
5、象异构种构象异构体就可以转变为另一种构象异构体。体。4、立体异构体（、立体异构体（stereoisomer）v其分子由相同数目和相同类型的原子组成，其分子由相同数目和相同类型的原子组成，是具有相同的连接方式但原子的空间排列方是具有相同的连接方式但原子的空间排列方式不同，即式不同，即构型不同的化合物构型不同的化合物。5、非对映异构体（、非对映异构体（diastereoisomer）v具有二个或多个非对称中心，且其分子相互具有二个或多个非对称中心，且其分子相互不为镜像的立体异构体。如不为镜像的立体异构体。如D-赤鲜糖和赤鲜糖和D-苏苏糖常简称为糖常简称为“非对映体非对映体”。6、不对称合成、手性合
6、成（、不对称合成、手性合成（asymmetric synthesis, chiral synthesis）v不对称合成常常也被称之为手性合成。最初不对称合成常常也被称之为手性合成。最初的定义为，不对称合成是一个用纯手性试剂的定义为，不对称合成是一个用纯手性试剂通过非手性底物的反应形成光学活性化合物通过非手性底物的反应形成光学活性化合物（optically active compound）的过程，）的过程，即即从一个具有对称构造的化合物产生光学活性从一个具有对称构造的化合物产生光学活性物质的反应过程。物质的反应过程。 6、不对称合成、手性合成（、不对称合成、手性合成（asymmetric syn
7、thesis, chiral synthesis）v更为广义的不对称合成的定义为，一个反应，更为广义的不对称合成的定义为，一个反应，其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂以不等量地生成立体异构产物的途径转化为以不等量地生成立体异构产物的途径转化为手性单元。也就是说，不对称合成是一个过手性单元。也就是说，不对称合成是一个过程，它将程，它将潜手性（潜手性（prochiral）单元转化为手单元转化为手性单元，使得产生不等量的立体异构产物。性单元，使得产生不等量的立体异构产物。 一个成功的不对称反应的标准一个成功的不对称反应的标准v1）高的对映体过量（）高的对映体
8、过量（e.e）；）；v2）用于不对称反应的反应剂应易于制备并能）用于不对称反应的反应剂应易于制备并能循环使用；循环使用；v3）可以制备得到）可以制备得到R和和S两种构型；两种构型；v4）最好是催化性的合成。）最好是催化性的合成。v迄今，能完成最好的不对称合成的反应剂可迄今，能完成最好的不对称合成的反应剂可以认为是生物催化剂，即自然界中的微生物以认为是生物催化剂，即自然界中的微生物和酶。和酶。 7、不对称放大、手性合成子和手性助剂、不对称放大、手性合成子和手性助剂（asymmetric amplification, chiral synthon, chiral auxiliary）v不对称放大是
9、指应用一种具较低对映体纯度不对称放大是指应用一种具较低对映体纯度的催化剂或试剂制备具较高对映体纯度的产的催化剂或试剂制备具较高对映体纯度的产物的过程。物的过程。v手性合成子为一单对映体化合物，以其作为手性合成子为一单对映体化合物，以其作为起始原料在反应过程中诱导产生所需的手性起始原料在反应过程中诱导产生所需的手性化合物。化合物。v手性助剂为一单对映体化合物，其通过共价手性助剂为一单对映体化合物，其通过共价键与底物暂时结合，在反应过程中诱导出手键与底物暂时结合，在反应过程中诱导出手性，最后再使共价键断开得到单对映体产物，性，最后再使共价键断开得到单对映体产物，并回收助剂。并回收助剂。 8、外消旋
10、、内消旋和外消旋化、外消旋、内消旋和外消旋化（racemic, meso, racemization）v外消旋外消旋是指一种物质以两种互为对映体的手是指一种物质以两种互为对映体的手性分子的等量混合物形式存在的现象，这种性分子的等量混合物形式存在的现象，这种物质即为外消旋体。物质即为外消旋体。v外消旋体也称为外消旋体也称为外消旋混合物（外消旋混合物（racemic mixture）或外消旋物）或外消旋物(racemate)，其化合物，其化合物名称前用名称前用dl（不鼓励使用）或（不鼓励使用）或 符号（较好）符号（较好）或用前缀或用前缀rac表示。表示。8、外消旋、内消旋和外消旋化、外消旋、内消旋
11、和外消旋化（racemic, meso, racemization）v内消旋内消旋是指一种物质的分子内具有是指一种物质的分子内具有2个或多个个或多个非对称中心但又有对称面，因而不能以对映非对称中心但又有对称面，因而不能以对映体存在的现象，这种物质即为内消旋体，其体存在的现象，这种物质即为内消旋体，其化合物用前缀化合物用前缀meso表示。表示。v外消旋化外消旋化是指一种对映体转化为两个对映体是指一种对映体转化为两个对映体的等量化合物。内消旋体和外消旋体都没有的等量化合物。内消旋体和外消旋体都没有旋光性，但它们在本质上是不同的。旋光性，但它们在本质上是不同的。9、光学（旋光）活性、光学（旋光）异构
12、体和光学纯度、光学（旋光）活性、光学（旋光）异构体和光学纯度（optically active, optical isomer, optical purity）v光学活性是指由实验观察到的一种物质将单光学活性是指由实验观察到的一种物质将单色平面偏振光的平面向观察者的右边或左边色平面偏振光的平面向观察者的右边或左边旋转的性质，通常用（旋转的性质，通常用（+）表示右旋，用（）表示右旋，用（）表示左旋。表示左旋。v光学异构体即为对映体的同义词，现已不常光学异构体即为对映体的同义词，现已不常用，因为一些对映体在某些光波长下并无光用，因为一些对映体在某些光波长下并无光学活性。学活性。v光学纯度是指根据实
13、验测定的旋光度，在两光学纯度是指根据实验测定的旋光度，在两个对映混合物中一个对映体所占的百分数。个对映混合物中一个对映体所占的百分数。 10、立体选择性反应和立体专一性反应、立体选择性反应和立体专一性反应（stereoselective reaction, stereospecefic reaction）v如果一个反应不管反应物的立体化学如何，生成的如果一个反应不管反应物的立体化学如何，生成的产物只有一种立体异构体（或有两种立体异构体时，产物只有一种立体异构体（或有两种立体异构体时，其中一种异构体占压倒优势），这样的反应被称之其中一种异构体占压倒优势），这样的反应被称之为为立体选择性反应立体选
14、择性反应。v从立体化学上有差别的反应物给出立体化学上有差从立体化学上有差别的反应物给出立体化学上有差别的产物的反应被称之为立体专一性反应。别的产物的反应被称之为立体专一性反应。v所有的立体专一性反应必定是立体选择性反应，但所有的立体专一性反应必定是立体选择性反应，但不是所有的立体选择性反应必定是立体专一性反应，不是所有的立体选择性反应必定是立体专一性反应，因为有些反应物是没有立体结构特征，而生成物是因为有些反应物是没有立体结构特征，而生成物是有立体结构特征的。有立体结构特征的。 11、对映体过量（、对映体过量（enantiomeric excess, 简称简称e.e）和对映选择性（和对映选择性
15、（enantioselectivity）v 对映体过量（对映体过量（e.e）是指在两个对映体混）是指在两个对映体混合物中，一个对映体合物中，一个对映体E1过量的百分数，即过量的百分数，即 ve.e = （E1E2） / （E1 + E2） 100%v 对映选择性是指一个化学反应（包括生物对映选择性是指一个化学反应（包括生物反应等）产生一种对映体多于相对对映体的反应等）产生一种对映体多于相对对映体的程度。程度。 12、D/L、R/S和和d/lvD/L为分子的绝对构型，按照与参照化合物为分子的绝对构型，按照与参照化合物D-或或L-甘油醛的绝对构型甘油醛的绝对构型的实验化学关联而指定。的实验化学关联
16、而指定。vD/L标记法应用已久，也比较方便。但是这种标记标记法应用已久，也比较方便。但是这种标记只能表示出分子中一个手性碳原子的构型，对于含只能表示出分子中一个手性碳原子的构型，对于含有多个手性碳原子的化合物不合适，有时甚至会产有多个手性碳原子的化合物不合适，有时甚至会产生名称上的混乱。生名称上的混乱。v因此，其仅常用于一些常见的和天然的氨基酸或糖，因此，其仅常用于一些常见的和天然的氨基酸或糖，对其它一些化合物目前都采用对其它一些化合物目前都采用R/S来表示。来表示。 12、D/L、R/S和和d/lvR/S 标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团的标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团的排列顺
17、序来标记手性碳原子构型的一种方法。因此，排列顺序来标记手性碳原子构型的一种方法。因此，在化学反应中，如果手性碳原子构型保持不变，产在化学反应中，如果手性碳原子构型保持不变，产物的构型与反应物的相同，但其物的构型与反应物的相同，但其“R”或或“S”标记却标记却不一定与反应物相同。反之，如果反应后手性碳原不一定与反应物相同。反之，如果反应后手性碳原子的构型转化了，产物构型的子的构型转化了，产物构型的“R”或或“S”也不一定也不一定与反应物相同。因为经过化学反应，产物的手性碳与反应物相同。因为经过化学反应，产物的手性碳上所连接的基团与反应物的不一样了，产物和反应上所连接的基团与反应物的不一样了，产物
18、和反应物的相应基团的排列次序可能相同也可能不同。物的相应基团的排列次序可能相同也可能不同。“R”或或“S”的标记，决定于它本身四个基团的排列的标记，决定于它本身四个基团的排列次序，而与反应时的构型是否保持不变无关次序，而与反应时的构型是否保持不变无关。12、D/L、R/S和和d/lvd或或l是指物质是指物质右旋或左旋右旋或左旋，是按照实验测定，是按照实验测定的将单色平面偏振光的平面向右或向左旋转的将单色平面偏振光的平面向右或向左旋转而定，目前常用（而定，目前常用（+）表示右旋，用（）表示右旋，用（）表）表示左旋。示左旋。 13、拆分（、拆分（resolution）v拆分是指将外消旋体分离成旋光
19、体的过程。拆分是指将外消旋体分离成旋光体的过程。外消旋体是有一对对映体等量混合而成。外消旋体是有一对对映体等量混合而成。v对映体除旋光方向相反外，其它物理性质都对映体除旋光方向相反外，其它物理性质都相同，因此，虽然外消旋体为两种化合物的相同，因此，虽然外消旋体为两种化合物的混合物，但用一般的物理方法，如蒸馏、重混合物，但用一般的物理方法，如蒸馏、重结晶等不能把一对对映体分离开来，必须用结晶等不能把一对对映体分离开来，必须用特殊的方法才能把它们拆开。特殊的方法才能把它们拆开。v目前常用的一些方法包括有以下几种。目前常用的一些方法包括有以下几种。化学拆分法：化学拆分法：v这个方法应用最广。其原理是
20、将对映体转变为非对这个方法应用最广。其原理是将对映体转变为非对映体，然后分离。映体，然后分离。v外消旋体与无旋光性的物质作用并结合后，仍是外外消旋体与无旋光性的物质作用并结合后，仍是外消旋体。但是若使外消旋体与旋光性物质作用并结消旋体。但是若使外消旋体与旋光性物质作用并结合后，则原来的一对对映体变成了两种互不对映的合后，则原来的一对对映体变成了两种互不对映的衍生物。于是外消旋体变成了非对映体的化合物。衍生物。于是外消旋体变成了非对映体的化合物。非对映体具有不同的物理性质，可以用一般的分离非对映体具有不同的物理性质，可以用一般的分离方法把它们分开。最后再把分离所得的两种衍生物方法把它们分开。最后
21、再把分离所得的两种衍生物分别变回原来的旋光物质，即达到了拆分的目的。分别变回原来的旋光物质，即达到了拆分的目的。这种拆分法最适合于酸或碱的外消旋体的拆分。目这种拆分法最适合于酸或碱的外消旋体的拆分。目前已经开发了许多光学异构体分离用的介质。前已经开发了许多光学异构体分离用的介质。生物拆分法：生物拆分法：v某些微生物或它们所产生的酶。对于对映体某些微生物或它们所产生的酶。对于对映体中的一种异构体有选择性的分解作用。利用中的一种异构体有选择性的分解作用。利用微生物或酶的这种性质可以从外消旋体中把微生物或酶的这种性质可以从外消旋体中把一种旋光体拆分出来，但在拆分过程中，外一种旋光体拆分出来，但在拆分
22、过程中，外消旋体至少有消旋体至少有一半被消耗掉一半被消耗掉了。了。诱导结晶拆分法：诱导结晶拆分法：v在外消旋体的过饱和溶液中，假如一定量的在外消旋体的过饱和溶液中，假如一定量的一种旋光体的纯晶体作为晶种。由于溶液中一种旋光体的纯晶体作为晶种。由于溶液中这种旋光体的含量较高，且在晶种的诱导下这种旋光体的含量较高，且在晶种的诱导下优先结晶析出。将这种结晶滤出后，则另一优先结晶析出。将这种结晶滤出后，则另一种旋光体在滤液中相对较多。再加入外消旋种旋光体在滤液中相对较多。再加入外消旋体制成过饱和溶液，于是另一种旋光体优先体制成过饱和溶液，于是另一种旋光体优先结晶析出。如此反复进行结晶，就可以把一结晶析
23、出。如此反复进行结晶，就可以把一对对映体完全分开。对对映体完全分开。选择吸附拆分法：选择吸附拆分法：v用某种旋光物质作为吸附剂，使之选择性地用某种旋光物质作为吸附剂，使之选择性地吸附外消旋体中的一种异构体，以达到拆分吸附外消旋体中的一种异构体，以达到拆分的目的。近年来开发用于分离光学异构体的的目的。近年来开发用于分离光学异构体的拟移动床色谱就是根据这种原理设计的。拟移动床色谱就是根据这种原理设计的。逆流萃取拆分法：逆流萃取拆分法：v在萃取液中使用合适的手性助剂，以逆流萃在萃取液中使用合适的手性助剂，以逆流萃取的方法可以使外消旋体混合物对映体得到取的方法可以使外消旋体混合物对映体得到分离。分离。
24、其它拆分法：其它拆分法：v近年来正在不断开发各种新的对映体拆分技近年来正在不断开发各种新的对映体拆分技术包括所应用的设备的开发。术包括所应用的设备的开发。14、外消旋体转换（、外消旋体转换（racemic switch）v即从已知的外消旋体药物开发单一异构体药即从已知的外消旋体药物开发单一异构体药物。物。v这对该品种的原开发商而言可籍此延长产品这对该品种的原开发商而言可籍此延长产品的专利保护期。对其它厂商而言是一条获得的专利保护期。对其它厂商而言是一条获得新产品的捷径，因为其相对风险小投入少。新产品的捷径，因为其相对风险小投入少。二、开发手性药物的意义二、开发手性药物的意义v美国美国FDA于于
25、1992年公布了手性药物指导原则年公布了手性药物指导原则称：制药厂商必须确定外消旋体及各立体异称：制药厂商必须确定外消旋体及各立体异构体的特性、作用效果、质量、纯度，比较构体的特性、作用效果、质量、纯度，比较各异构体的体外系统和（或）人体中的药理各异构体的体外系统和（或）人体中的药理活性，如异构体之间药物动力学特性有差异活性，如异构体之间药物动力学特性有差异的需分别测定相关的数据。的需分别测定相关的数据。 二、开发手性药物的意义二、开发手性药物的意义v另外，鼓励开发已经上市的外消旋体药物的另外，鼓励开发已经上市的外消旋体药物的单一异构体，即如果发现单一异构体的疗效单一异构体，即如果发现单一异构
26、体的疗效提高、副作用减轻或具有新的药理作用，就提高、副作用减轻或具有新的药理作用，就可以扩大适应症范围，并可望延长专利保护可以扩大适应症范围，并可望延长专利保护期。期。vFDA还正在考虑给此类单一异构体部分以新还正在考虑给此类单一异构体部分以新化学实体的待遇，享受一定期限的市场独占化学实体的待遇，享受一定期限的市场独占权。权。 市售的单一异构体和外消旋体药物市售的单一异构体和外消旋体药物 二、开发手性药物的意义二、开发手性药物的意义v 药物的手征性问题在制药工业界愈来愈受到药物的手征性问题在制药工业界愈来愈受到重视。对单一异构体药物，即俗称为手性药重视。对单一异构体药物，即俗称为手性药物的关注
27、有许多理由。物的关注有许多理由。最重要的一点是药物最重要的一点是药物的作用靶点的作用靶点生物体的酶和细胞表面受体生物体的酶和细胞表面受体是手性的。是手性的。外消旋体药物的两个对映体在体外消旋体药物的两个对映体在体内以不同的途径被吸收、活化或降解后，就内以不同的途径被吸收、活化或降解后，就与具有不同手征性特性的靶点结合，从而出与具有不同手征性特性的靶点结合，从而出现这两种对应体可能有相同的药理活性，或现这两种对应体可能有相同的药理活性，或者是一种可能是活性的，另一种可能是无活者是一种可能是活性的，另一种可能是无活性的甚至是有毒性的，或者是两者可能有不性的甚至是有毒性的，或者是两者可能有不同程度或
28、不同性质的活性。同程度或不同性质的活性。 些药物或化合物异构体的不同药理活性或其它特性些药物或化合物异构体的不同药理活性或其它特性二、开发手性药物的意义二、开发手性药物的意义v在生物体系中，立体异构识别是很明显的。在生物体系中，立体异构识别是很明显的。一般就手性化合物而言，一般就手性化合物而言，可能有四种不同的可能有四种不同的生物学效应：生物学效应：v只有一种异构体具有所希望的生物活性，而只有一种异构体具有所希望的生物活性，而另一种没有显著的所希望的生物活性。另一种没有显著的所希望的生物活性。v只有一种异构体具有所希望的生物活性，而只有一种异构体具有所希望的生物活性，而另一种不具有所希望的生物
29、活性。另一种不具有所希望的生物活性。v只有一种异构体具有所希望的生物活性，而只有一种异构体具有所希望的生物活性，而另一种具有不希望的生物活性。另一种具有不希望的生物活性。v两种异构体具有不同药理作用的生物活性。两种异构体具有不同药理作用的生物活性。 引起对对映体可能表现有不同的药理作用引起对对映体可能表现有不同的药理作用或毒副作用关注的原因或毒副作用关注的原因v可以从在可以从在20世纪世纪60年代欧洲发生的一个悲剧来说明：年代欧洲发生的一个悲剧来说明：即外消旋的沙利度胺曾是有力的镇静剂和止吐药，即外消旋的沙利度胺曾是有力的镇静剂和止吐药，尤其适合在早期妊娠反应中使用。尤其适合在早期妊娠反应中使
30、用。v不幸的是，有些曾服用这种药的孕妇产下了畸形的不幸的是，有些曾服用这种药的孕妇产下了畸形的婴儿。婴儿。v因此，很快就发现它是极强烈的致畸剂。进一步的因此，很快就发现它是极强烈的致畸剂。进一步的研究表明，其研究表明，其致畸作用是由该药的（致畸作用是由该药的（S）-异构体所异构体所引起的，而引起的，而(R)-异构体被认为即使在高剂量时在动异构体被认为即使在高剂量时在动物中也不会引起畸变。物中也不会引起畸变。 引起对对映体可能表现有不同的药理作用引起对对映体可能表现有不同的药理作用或毒副作用关注的原因或毒副作用关注的原因v另外一个有趣的例子是治疗帕金森氏病的另外一个有趣的例子是治疗帕金森氏病的L
31、-多巴多巴(DOPA)在体内的活性形式是通过脱羧作在体内的活性形式是通过脱羧作用形成无手征性的多巴胺。用形成无手征性的多巴胺。v但由于多巴胺不能跨越但由于多巴胺不能跨越“血脑屏障血脑屏障”进入作进入作用部位，因而必须服用前药用部位，因而必须服用前药L-多巴。再由体多巴。再由体内的酶将其催化脱羧形成活性态的多巴胺。内的酶将其催化脱羧形成活性态的多巴胺。v然而，多巴脱羧酶是专一性的，只对然而，多巴脱羧酶是专一性的，只对L-多巴多巴的（的（-）对映体发生脱羧作用。因此，必须服）对映体发生脱羧作用。因此，必须服用用L-(-)- 多巴，多巴，否则，否则，L-（+）-多巴可能会在多巴可能会在体内积聚而发生
32、危险。体内积聚而发生危险。目前，通过使用一系目前，通过使用一系列不对称合成方法，可以工业规模制备列不对称合成方法，可以工业规模制备L-(-)- 多巴。多巴。 NCCNHOHOOO1234NCCNHOOOO123H4S 型R 型OHOH2NHOHO沙利度胺（Thalidomide）D 型OHOH2NHOHOL 型多巴（Dopa）沙利度胺和沙利度胺和L-多巴的异构体结构多巴的异构体结构 一些处于不同阶段从外消旋体转换为单一异构体药物的开发状况一些处于不同阶段从外消旋体转换为单一异构体药物的开发状况 第二节第二节 生物转化与手性中间体的制备生物转化与手性中间体的制备v 手性药物制备的关键技术是不对称
33、合成手性药物制备的关键技术是不对称合成(asymmetric synthesis)技术。多年来，有机化学技术。多年来，有机化学工作者已经研究开发了许多种用化学的方法进行不工作者已经研究开发了许多种用化学的方法进行不对称合成的技术，但近对称合成的技术，但近20多年来，很多长期从事化多年来，很多长期从事化学合成研究的工作者对微生物和酶反应发生了兴趣，学合成研究的工作者对微生物和酶反应发生了兴趣，与此同时，很多长期从事微生物和酶的研究的工作与此同时，很多长期从事微生物和酶的研究的工作者对如何将此应用于有机合成发生了兴趣，从而使者对如何将此应用于有机合成发生了兴趣，从而使生物催化转化（生物催化转化（b
34、iocatalytic transformation）成）成为一种进行不对称合成的重要技术。为一种进行不对称合成的重要技术。应用生物催化转化技术进行不对称合成与应用生物催化转化技术进行不对称合成与化学合成法相比较具有的优越性有：化学合成法相比较具有的优越性有：v1）转化底物某一基团的专一性强，即对不需要转转化底物某一基团的专一性强，即对不需要转化的基团无需保护；化的基团无需保护；v2）通过对用于某一转化的微生物进行菌种选育和通过对用于某一转化的微生物进行菌种选育和转化条件的优化，可以得到极高的转化率；转化条件的优化，可以得到极高的转化率；v3）生物催化转化的反应条件温和且对环境的污染生物催化转
35、化的反应条件温和且对环境的污染很小。很小。v特别是近年来特别是近年来DNA重组技术的应用和新的转化系统重组技术的应用和新的转化系统的开发应用，使愈来愈多的原来使用化学方法进行的开发应用，使愈来愈多的原来使用化学方法进行不对称合成的化合物有可能被生物催化转化的方法不对称合成的化合物有可能被生物催化转化的方法来替代。来替代。 一、三元环和四元环中间体的制备一、三元环和四元环中间体的制备CH2OHNNNHCH2OAcCH2OHH(R)-(-)-3431%, 97% ee(+/-)-33Lipase PSOAc-40(S)-(+)-3362%, 46% eeOOHOHOOOClClOOClHOOCNH
36、2Rhodococcusequi(a)(b)94% ee(S)-(-)-FrontalinCunninghamellaechinulata99% ee(R)-(-)-Baclofen 环氧乙烷的生物拆分和环氧乙烷的生物拆分和frontalin以及以及baclofen的合成的合成 二、五元环中间体的制备二、五元环中间体的制备OOOOHORHOOHHOOHNHOH(CH2)7CH3OCH3HOHOCH2CC(CH2)3CO2CH3HOHOOHNNNNNH2(-)-PGE2D-manno-1-deoxynojirimycin4-substituted riboseR=Me, Ph, DNeptano
37、xin A16AnOOHHOOAnAcOOAnAnOOAcOOAcOOAnOOHOOAnOOHOOAcOOOOOOAc(+/-)-17(+)-18(-)-19(-)-20(+)-20(-)-22(+)-16(-)-21Amano PS-30(+)-21(-)-16(+)-22Three stepsTwo stepsox.ox.An = p-CH3OC2H4OHHOOAcHOOHTBSOOOLipase LIPOx.24(+)-25 99% ee(-)-23Ox.Two steps OAc(+)-23OZNH3CO2CHNZCO2CH3(-)-23NHH3CO2CNHCO2HCO2H(-)-ka
38、inic acidStepsThermolysisIntramolecularene reactionSteps 逆狄尔斯逆狄尔斯-阿尔德反应和海人藻酸的合成阿尔德反应和海人藻酸的合成 三、六元环中间体的制备三、六元环中间体的制备OHOHOOOOOOOOOOOOOOXXXXXXXOHFN3OHOOHNHROHOHOHHOOXX=H, Br, ClE.coliJM1091OAcBrBrOAcOAcBrBrOHOAcBrBrOAc(+/-)-12(+)-11(+)-12+Amano PS-30phosphate bufferC2不对称化合物不对称化合物12的酶拆分过程的酶拆分过程四、七元环中间体的
39、制备四、七元环中间体的制备 O OT TI IP PS SO OT TI IP PS SH HO OO OH HO OT TI IP PS SA Ac cO OO OH HO OT TI IP PS SO OT TB BS SO O2 27 7( (+ +) )- -2 28 8( (- -) )- -2 26 6( (+ +) )- -2 26 6T Tw wo o s st te ep ps sA Am ma an no o P P- -3 30 0s st te ep ps ss st te ep ps sO OA Ac c5 53 37 73 37 7对映体纯对映体纯 化合物（化合物（
40、+）-26和（和（-）-26的合成的合成 第三节第三节 生物转化在现代制药工业中的应用生物转化在现代制药工业中的应用v一、钙离子拮抗剂，抗心绞痛和高血压药地尔硫一、钙离子拮抗剂，抗心绞痛和高血压药地尔硫卓关键中间体的制备卓关键中间体的制备v利用来源于利用来源于S.marcescens的脂肪酶拆分的脂肪酶拆分(2RS,3SR)-3-(4-甲氧基苯基甲氧基苯基)缩水甘油酸甲酯，能缩水甘油酸甲酯，能够得到纯度很高的够得到纯度很高的(2R,3S)-4-甲氧苯基缩水甘油酸甲氧苯基缩水甘油酸甲酯（其对映体过剩率甲酯（其对映体过剩率e.e值高达值高达98%以上），理以上），理论转化率为论转化率为50%。自从
41、。自从1993年以来，日本年以来，日本Tanabe公司每年生产公司每年生产50吨这样的关键中间体，用于制备吨这样的关键中间体，用于制备抗心绞痛和高血压药。抗心绞痛和高血压药。v图所示为用脂肪酶制备关键中间体图所示为用脂肪酶制备关键中间体(2R,3S)-4-甲氧甲氧苯基缩水甘油酸甲酯的路线。苯基缩水甘油酸甲酯的路线。 利用脂肪酶拆分外消旋体对甲氧基苯苷氨酰甲酯制备地尔硫关键中间体利用脂肪酶拆分外消旋体对甲氧基苯苷氨酰甲酯制备地尔硫关键中间体 二、农药二、农药FRONTIER的关键中间体的制备的关键中间体的制备v另外一个利用微生物来源脂肪酶实现工业化制备另外一个利用微生物来源脂肪酶实现工业化制备药
42、物关键中间体的实例是，药物关键中间体的实例是，BASF AG公司利用公司利用假单胞菌假单胞菌DSM 8246脂肪酶脂肪酶制备农药制备农药FRONTIER的关键中间体，（的关键中间体，（S）-1-甲氧基甲氧基-2-氨基丙烷，其氨基丙烷，其不需要的对映体可以被外消旋化后循环拆分。不需要的对映体可以被外消旋化后循环拆分。v由于动力学拆分的最大转化率为由于动力学拆分的最大转化率为50%，因此，通，因此，通过选择不同的溶剂系统研究原位外消旋化技术非过选择不同的溶剂系统研究原位外消旋化技术非常重要。常重要。v图所示为利用脂肪酶制备关键中间体（图所示为利用脂肪酶制备关键中间体（S）-1-甲甲氧基氧基-2-氨
43、基丙烷的路线。氨基丙烷的路线。利用脂肪酶制备农药利用脂肪酶制备农药FRONTIER关键中间体关键中间体(S)-1-甲氧基甲氧基-2-氨基丙烷氨基丙烷 目前正在研究的一种杀虫剂关键中间体（目前正在研究的一种杀虫剂关键中间体（S）-4-羟基羟基-3-甲基甲基-prop-2-ynyl-cyclopent-2-enone也是通过脂肪酶催化获得的也是通过脂肪酶催化获得的 三、免疫抑制剂脱氧精胍菌素关键中间体的制备三、免疫抑制剂脱氧精胍菌素关键中间体的制备v抗肿瘤抗生素精胍菌素（抗肿瘤抗生素精胍菌素（spergualin）首先从微生）首先从微生物发酵液中发现，在用全合成方法制备精胍菌素时，物发酵液中发现，
44、在用全合成方法制备精胍菌素时，用酸催化的缩合反应导致产生用酸催化的缩合反应导致产生C-11两个对映体。用两个对映体。用合成方法得到的外消旋体精胍菌素的抗肿瘤活性仅合成方法得到的外消旋体精胍菌素的抗肿瘤活性仅为微生物来源的一半，提示为微生物来源的一半，提示C-11位构型的重要性。位构型的重要性。v免疫抑制剂免疫抑制剂15-脱氧精胍菌素（脱氧精胍菌素（15-deoxyspergualin）合成的关键中间体，）合成的关键中间体，S-(-)-乙乙酸酯，可以用来源于假单胞菌的脂肪酶对其相应的酸酯，可以用来源于假单胞菌的脂肪酶对其相应的外消旋体进行对映体选择性酰化得到，该反应可在外消旋体进行对映体选择性酰
45、化得到，该反应可在甲基乙基酮系统中进行，假单胞菌脂肪酶甲基乙基酮系统中进行，假单胞菌脂肪酶AK为生为生物催化剂，醋酸乙烯酯为酰化剂。物催化剂，醋酸乙烯酯为酰化剂。v目的产物目的产物S-(-)-乙酸酯的转化率为乙酸酯的转化率为48%（理论最大（理论最大值为值为50%），对映体过剩率为），对映体过剩率为98%，不需要的醇转，不需要的醇转化率为化率为41%，对映体过剩率为，对映体过剩率为98.5%。 15-15-脱氧精胍菌素脱氧精胍菌素15-15-脱氧精胍菌素的化学结构及其关键中间体脱氧精胍菌素的化学结构及其关键中间体S-(-)-S-(-)-乙酸酯的制备路线乙酸酯的制备路线四、选择性四、选择性 3-
46、受体激动剂关键中间体的制备受体激动剂关键中间体的制备v选择性选择性 3-受体激动剂可以用来治疗胃肠道疾受体激动剂可以用来治疗胃肠道疾病、病、II型糖尿病和肥胖症等，合成如图所示的型糖尿病和肥胖症等，合成如图所示的 3-受体激动剂时所用的单一构型的关键中间受体激动剂时所用的单一构型的关键中间体，（体，（S）-单酯化合物可以通过猪肝酯酶水单酯化合物可以通过猪肝酯酶水解甲基解甲基-（4-甲氧苯基）甲氧苯基）-丙二酸二乙酯获得丙二酸二乙酯获得（如图所示）。（如图所示）。v当用乙醇作为反应助溶剂，在双相系统中温当用乙醇作为反应助溶剂，在双相系统中温度为度为10时，其（时，其（S）-单酯化合物转化率可单酯
47、化合物转化率可达到达到96.7%，对映体过剩率可达到，对映体过剩率可达到96%。 -3-3受体激动剂受体激动剂 3-3-受体激动剂的化学结构及其关键中间体（受体激动剂的化学结构及其关键中间体（S S）- -单酯化合物的制备路线单酯化合物的制备路线五、五、 2-受体激动剂，支气管扩张药物（受体激动剂，支气管扩张药物（R,R）-福莫特罗中间体的制备福莫特罗中间体的制备v 目前临床应用的目前临床应用的 2-受体激动剂，支气管扩张药物福莫特罗受体激动剂，支气管扩张药物福莫特罗（formoterol）为外消旋体。）为外消旋体。v最近的研究表明，不同的异构体其药理活性不同，最近的研究表明，不同的异构体其药
48、理活性不同，(R,R)-立体立体异构体具有正常的药理作用。异构体具有正常的药理作用。v应用酶促拆分的方法可以获得制备（应用酶促拆分的方法可以获得制备（R,R）-福莫特罗的关键福莫特罗的关键中间体：用洋葱假单胞菌脂肪酶中间体：用洋葱假单胞菌脂肪酶PS-30酶促酰化外消旋体醇化酶促酰化外消旋体醇化合物合物12，得到酰化产物，得到酰化产物(S)-13和期望的未反应产物（和期望的未反应产物（R）-11（得率为（得率为46%）；用）；用Candida antarctica脂肪酶拆分外消旋体脂肪酶拆分外消旋体化合物化合物14，得到期望的产物（，得到期望的产物（R）-15和未反应的产物和未反应的产物(S)-
49、16。（R）-15的反应总收率为的反应总收率为11%，对映体过剩率为，对映体过剩率为96%；当在；当在反应过程中加入反应过程中加入0.15当量的三乙胺时，反应至当量的三乙胺时，反应至4小时时能够得小时时能够得到到42%的转化率和的转化率和94%的，经过水解和层析分离，其收率为的，经过水解和层析分离，其收率为21%，对映体过剩率为，对映体过剩率为94%。v最后，通过化学反应，将关键中间体（最后，通过化学反应，将关键中间体（R）-11和（和（R）-15缩缩合，得到终产物（合，得到终产物（R,R）-福莫特罗。福莫特罗。 （R,R）-福莫特罗的制备路线福莫特罗的制备路线六、抗六、抗Alzheimers
50、药物关键中间体的制备药物关键中间体的制备vS-2-戊醇是多个研究中的抗戊醇是多个研究中的抗Alzheimers药物（抑药物（抑制制 -淀粉状蛋白的释放和淀粉状蛋白的释放和/或合成）的关键中间体。或合成）的关键中间体。利用利用Candida antarctica脂肪酶脂肪酶B拆分外消旋体拆分外消旋体2-戊醇和戊醇和2-庚醇，能够得到这一关键中间体。庚醇，能够得到这一关键中间体。v该酶能够有效地催化这一反应，转化率为该酶能够有效地催化这一反应，转化率为49%（理（理论最大转化率为论最大转化率为50%），对映体过剩率为），对映体过剩率为99%。在。在这个反应系统中，琥珀酸酐为最合适的酰化剂，这个反应
