1、生物酶催化合成手性化合物生物酶催化合成手性化合物及其固载化研究及其固载化研究镜平面镜平面对映体对映体 A对映体对映体 B 生物分子皆具有手性。手性药物，香料，食品添加剂等精细化学生物分子皆具有手性。手性药物，香料，食品添加剂等精细化学品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外，手性品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外，手性非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。手性手性ee%A-BA+B100沙利多胺沙利多胺(Thalidomide)HNOONOOHNOONOO (R):镇静剂(S):致畸性*全世界手性化合物
2、需求逐年上升全世界手性化合物需求逐年上升Chem.&Eng.News,2001,Vol.79,No.40,pp793504526147068129341180133017182000030060090012001500180021001993199419951996 199719981999200020052008(Unit:100 million$)获得手性化合物途径：获得手性化合物途径：拆分拆分 衍生衍生 化学手性催化化学手性催化 生物酶催化生物酶催化生物酶催化的优越性生物酶催化的优越性(与化学催化相比与化学催化相比)：催化条件温和催化条件温和催化效率高催化效率高 10 101010倍倍高
3、选择性高选择性(底物，区域，位点，立体底物，区域，位点，立体)低能耗低能耗绿色过程绿色过程酶活性位特点：酶活性位特点：三维立体结构三维立体结构位于酶分子表面的一个裂隙内位于酶分子表面的一个裂隙内由几个氨基酸组成，占酶分子体的由几个氨基酸组成，占酶分子体的2 2具有柔性和可运动性具有柔性和可运动性底物与酶以次级键结合底物与酶以次级键结合催化为诱导契合机理催化为诱导契合机理氧化还原酶(细胞)11%裂解酶及其他酶10%脂肪酶脂肪酶25%其他水解酶2%酯酶15%氧化还原酶4%蛋白酶18%腈水合酶5%加氧酶10%合成手性化合物的酶的比例合成手性化合物的酶的比例(系统命名系统命名)199920002001
4、2002200320040100200300 所有酶催化不对称反应所有酶催化不对称反应 脂肪酶脂肪酶 催化不对称反应催化不对称反应酶催化的不对称反应发表的文章数酶催化的不对称反应发表的文章数OHOHOHHOOC-RHOOC-RHOOC-RR=C17H35,C16H33,C16H31OOOCCCOOORRR脂脂肪肪酶酶甘甘油油脂脂肪肪脂脂酸酸脂肪酶来源脂肪酶来源手性酸手性酸 醇醇 胺胺 酯酯 酰胺酰胺脂肪酶脂肪酶R1XR2OR1COOH+R2XH,X:O,NH动力学拆分动力学拆分去对称化去对称化水解水解酯化酯化动力学拆分动力学拆分 酯化酯化 水解水解 偶合其他反应偶合其他反应针对外消旋底物针对外
5、消旋底物选择其中一种构型反应选择其中一种构型反应保留另一种构型保留另一种构型选择性与酶有关选择性与酶有关理论转化率理论转化率5050PhOHPhOHPhOHPhOO脂脂肪肪酶酶动力学拆分动力学拆分-酯化酯化JOC,2003,68,6899动力学拆分动力学拆分-酯化酯化Ee%95%T.2002,58,2973.40%yie,93%eeT.A.2002,13,511.动力学拆分动力学拆分-水解水解一步法制备两类有价值的中间体一步法制备两类有价值的中间体b b-胺基酸和胺基酸和b b-内酰胺内酰胺(Ee%98%)Ee%98%)O.L.2003,5,1209.动力学拆分动力学拆分-偶合加氢和外消旋化反
6、应偶合加氢和外消旋化反应Pd/C和和Lipase偶合，底物定量转化为纯手性产物偶合，底物定量转化为纯手性产物 O.L.2001.3.4099.去对称化去对称化 水解水解 酯化酯化脂脂肪肪酶酶HHHOOHMeMeHHHOOMeMeO针对内消旋底物针对内消旋底物只与一侧反应只与一侧反应选择性与酶有关选择性与酶有关产物对称面消失产物对称面消失产物产生手性产物产生手性理论产率理论产率100%去对称化去对称化-水解水解酶选择性的水解一个酯基酶选择性的水解一个酯基产率产率57,ee99%.JOC,2004,69,2478.去对称化去对称化-酯化酯化JOC,2002,67,411用用EtO-，可避免产物的消
7、旋化可避免产物的消旋化.酶催化的不足：酶催化的不足：稳定性差稳定性差 易失活易失活 催化过程的操作范围通常较窄催化过程的操作范围通常较窄 通常仅在水溶液中表现出高活性通常仅在水溶液中表现出高活性 分离循环使用较难分离循环使用较难 解决方法：解决方法：从生物角度考虑，从生物角度考虑，生物培养生物培养 生物筛选生物筛选 生物工程改造生物工程改造利用化学的优势，利用化学的优势，化学修饰化学修饰 固载化固载化酶的固载化：酶的固载化：包囊包囊 吸附吸附 共价键合共价键合 膜反应器膜反应器 超临界流体超临界流体 离子液离子液固载化固载化-包囊包囊酶存在下，酸碱催化水解硅酯酶存在下，酸碱催化水解硅酯Si(O
8、R)4与与RSi(OR)3之比为之比为1:5，形成疏水空穴，形成疏水空穴热稳定性增加热稳定性增加活性增加活性增加2 28 8倍；倍；循环循环2020次，保留次，保留7070活性。活性。Adv.Synth.Catal.2001.343.711C5H11OHOAcC5H11OAcC5H11OHLipaseRST.A.2002,13,2039.固载化固载化-吸附吸附Alcohol Acetate Lipases Time h Yield%Ee Yield%Ee%PS 180 46 99 44 99 PS-硅藻土硅藻土 75 45 99 46 99 PS-陶瓷陶瓷 13 46 99 46 99 固载化
9、固载化-膜反应器膜反应器OOH(S)OOOMeOMe聚酰胺膜：聚酰胺膜：固载酶固载酶不对称反应不对称反应分离产物分离产物渗透水渗透水保留微乳保留微乳微乳：微乳：有机相含底物有机相含底物大反应界面大反应界面水相萃取产物水相萃取产物膜反应器膜反应器96%ee未固载未固载98%ee两相反应两相反应90%eeBioEng 2003,84,677.固载化固载化:超临界流体和离子液超临界流体和离子液Chem.Commun.2000,1367.J.M.C.A.2004,214,113.Ionic Liquids总结总结酶酶(脂肪酶脂肪酶)水解或酯化水解或酯化 外消旋底物外消旋底物 动力学拆分动力学拆分 内消旋底物内消旋底物 去对称化去对称化固载化固载化 可提高稳定性和活性可提高稳定性和活性 对不对称诱导影响不大对不对称诱导影响不大1.1.扩充反应和底物的类型扩充反应和底物的类型2.2.优化酶催化条件优化酶催化条件3.3.改善酶稳定性，提高可重复使用能力改善酶稳定性，提高可重复使用能力4.4.探求底物结构和反应选择性相关性探求底物结构和反应选择性相关性5.5.化学模拟酶化学模拟酶展望展望(从化学角度从化学角度)谢谢大家！谢谢大家！
