1、第第1111章生物转化章生物转化一引言一引言 生物转化是一种以生物工程方法，以微生物或酶进行生物转化是一种以生物工程方法，以微生物或酶进行的有机化学反应。的有机化学反应。例如，在非活性碳原子上引入羟基：例如，在非活性碳原子上引入羟基：醋酸化合物醋酸化合物 氢化可的松前体氢化可的松前体 OCH2OAcOHO梨头酶28,48hOCH2OAcOHOHO再例：再例：喜树碱喜树碱 10-羟基喜树碱羟基喜树碱在温和及中性条件下进行水解：在温和及中性条件下进行水解：青霉素青霉素 青霉胺青霉胺 NNOOOOH黄曲霉素T-37NNOOOOHHONHNOSCOOCONH2NOSCOOCOO+青霉素酶 青霉胺的左旋
2、体具有治疗风湿的功能，而其右旋体有青霉胺的左旋体具有治疗风湿的功能，而其右旋体有致特变的作用。致特变的作用。又如：又如：OOCCCCOOHH天冬酶(aspartase)HOOCCOOHNH3NH4+NCH3CH3(H3C)2NNCH3CH3(H3C)2NOHNCH3CH3(H3C)2NOH多多主主枝枝黑黑心心菌菌+锥丝碱 9-羟基锥丝碱 12-羟基锥丝碱 再如生物转化在脱氢方面的应用，抗炎药物乙酸强的松再如生物转化在脱氢方面的应用，抗炎药物乙酸强的松可由乙酸可的松可由乙酸可的松C-1,2位去氢制得，它的抗炎作用比乙酸位去氢制得，它的抗炎作用比乙酸可的松强可的松强34倍，副作用也小。以前用二氧化
3、硒法脱氢，倍，副作用也小。以前用二氧化硒法脱氢，收率低，而采用简单节杆菌脱氢，收率高达收率低，而采用简单节杆菌脱氢，收率高达85%左右。左右。OOCH2OAcOOHOOCH2OAcOOH简简单单节节杆杆菌菌乙酸可的松 乙酸强的松 应用酶法，反应可以在温和条件下进行，且收率高。应用酶法，反应可以在温和条件下进行，且收率高。由于由于生物转化在温和条件下进行，选择性高，立体专一生物转化在温和条件下进行，选择性高，立体专一性强，方法简便，故越来越受到性强，方法简便，故越来越受到有机化学家、微生物学家有机化学家、微生物学家和药物化学家的重视。和药物化学家的重视。下面结合天然产物研究的一些实例下面结合天然
4、产物研究的一些实例作些阐述。作些阐述。二二生物转化应用于甾体药物合成生物转化应用于甾体药物合成 1.1.甾体药物与甾醇生物转化甾体药物与甾醇生物转化(1)(1)甾体药物甾体药物 甾体药物是制药工业中极为重要甾体药物是制药工业中极为重要的产品，它的产品，它包括性激素、避孕药、包括性激素、避孕药、肾上腺皮质激素、同化激素肾上腺皮质激素、同化激素等。例等。例雄激素雄激素睾丸酮睾丸酮，雌激素，雌激素炔雌醇甲醚炔雌醇甲醚，孕激素孕激素双酯炔诺酮双酯炔诺酮，避孕药，避孕药甲基炔甲基炔诺酮诺酮，皮质激素，皮质激素氟烃氢化泼尼松氟烃氢化泼尼松，同化激素同化激素去氢甲睾酮去氢甲睾酮等。等。OOH睾丸酮OHC C
5、HH3CO炔雌醇甲醚OAcC CHAcO双酯炔诺酮OHCCHO甲基炔诺酮OFHOOCH2OHOHOH氟烃氢化泼尼松OHCH3O去氢甲睾酮 1968年，全世界约年，全世界约70%的甾体药物是从墨西哥产的薯蓣的甾体药物是从墨西哥产的薯蓣皂素作起始原料进行生产。下图表示由薯蓣皂素及中间体皂素作起始原料进行生产。下图表示由薯蓣皂素及中间体ADD出发生产的甾体激素。出发生产的甾体激素。HOOOOOOOH6步HOHO胆固醇-谷甾醇发酵OOOOHC CH薯蓣皂素4-雄甾烯-3,17-二酮 （4AD）睾丸酮1,4-雄甾二烯-3,17-二酮 （ADD）妊娠素17-乙炔基-17-羟基-4-雄甾烯-3-酮OOHCC
6、HOHCCHHOOHHOOHHOOH炔诺酮（避孕药）雌二醇乙炔雌二醇（雌性激素）雌三醇（更年期病药）HOO雌酮ADD 近年来随着新甾体药物的发现，生产的发展，近年来随着新甾体药物的发现，生产的发展，生产规模生产规模的扩大的扩大，原料需要量也逐年增加；另一方面由于不合理的，原料需要量也逐年增加；另一方面由于不合理的采掘，造成资源逐年短缺，植物中皂苷含量下降，使在国采掘，造成资源逐年短缺，植物中皂苷含量下降，使在国际市场上供需间出现矛盾，际市场上供需间出现矛盾，薯蓣皂素的成本飞涨薯蓣皂素的成本飞涨。日本及。日本及美国的一些学者着手进行扩大资源的研究。美国的一些学者着手进行扩大资源的研究。(2)(2
7、)甾醇生物转化甾醇生物转化 自然界存在着极为丰富的甾族化合物，如胆固醇、自然界存在着极为丰富的甾族化合物，如胆固醇、-谷谷甾醇等，其结构与甾体药物相近，利用这些甾体资源的甾醇等，其结构与甾体药物相近，利用这些甾体资源的关关键是使键是使C-17位侧链降解，并进行羟化、脱氢、芳构化等位侧链降解，并进行羟化、脱氢、芳构化等一些反应。一些反应。大家都知道，以大家都知道，以CrO3氧化，使侧链降解获得氧化，使侧链降解获得17-酮基化合物的方法，收率酮基化合物的方法，收率98%(-),含量99%)OCH2OCH2CH2N2Bacillus sp再看下例，它是酶催化合成手性合成子的成功例子。再看下例，它是酶
8、催化合成手性合成子的成功例子。OAcAcO猪猪胰胰脂脂肪肪酶酶OAcHOOAcAcOOO1(+)-23OHHOOHAcOOTBSOS SP P-4 43 35 54(-)-25 已发现许多酶，如乙酰胆碱酯酶、猪胰脂肪酶已发现许多酶，如乙酰胆碱酯酶、猪胰脂肪酶(PPL)、假、假丝酵母丝酵母Candida antarcita 脂肪酶可用于从脂肪酶可用于从1制备对映体纯的制备对映体纯的环戊烯醇环戊烯醇(+)-2，通过在有机介质中与乙酸异丙烯酸酯进行，通过在有机介质中与乙酸异丙烯酸酯进行SP-345酶催化的乙酰化反应，从二醇酶催化的乙酰化反应，从二醇4制得了对映体制得了对映体(-)-2。OOOOOOO
9、TBSOOTBSOTHBSOOTBS(+)-6(-)-678 因此，经过常规的化学转化，从因此，经过常规的化学转化，从3和和5可以得到许多天可以得到许多天然产物分子制备中有用的关键中间体环戊酮衍生物然产物分子制备中有用的关键中间体环戊酮衍生物(+)-6、(-)-6、7和和8。3.3.生物催化不对称还原反应生物催化不对称还原反应 微生物内部含有多种氧化微生物内部含有多种氧化-还原酶，可利用它来进行氧还原酶，可利用它来进行氧化及还原反应，微生物还原的特点是立体选择性还原，可化及还原反应，微生物还原的特点是立体选择性还原，可引进手性中心。前手性羰基官能团的不对称还原反应在有引进手性中心。前手性羰基官
10、能团的不对称还原反应在有机合成中是极有用的生物转化反应，能进行不对称还原的机合成中是极有用的生物转化反应，能进行不对称还原的微生物很多，有细菌、根霉、酵母等，其中以酵母应用最微生物很多，有细菌、根霉、酵母等，其中以酵母应用最多，例周维善等利用啤酒酵母进行羰基的选择性不对称还多，例周维善等利用啤酒酵母进行羰基的选择性不对称还原反应。原反应。Ref：周维善等，：周维善等，中国科学中国科学B，1984,405.OOO啤酒酵母OHOOTHPOTHPOPrelog规则规则(1)Prelog 经验规则经验规则1965年年 Prelog根据如下实验结果：根据如下实验结果：R1 R2 ee%R1 R2 ee%
11、C2H5 n-C4H7 13 CH3 C2H5 67 CH3 n-C3H7 64 CH3 i-C3H7 90 CH3 n-C4H9 82 R1R2HOHR1R2OR1R2HOHR型（R2R1)S型（R2R1)提出经验规律：提出经验规律：当当RLRS到一定程度到一定程度，分子前面部分与酶结合，氢，分子前面部分与酶结合，氢原子从后面进攻，还原后获得原子从后面进攻，还原后获得S-构型构型的产物的产物。RLRSHOHRLRSOS型芳香族羰基化合物的还原产物及芳香族羰基化合物的还原产物及ee值为：值为：Prelog经验规则经验规则能用来预测部分微生物还原产物的构型，能用来预测部分微生物还原产物的构型，但
12、是其本质还远没有阐明。它是否具有普遍意义，它的机理但是其本质还远没有阐明。它是否具有普遍意义，它的机理是单一种酶作用的结果还是多种酶竞争反应的结果，都有待是单一种酶作用的结果还是多种酶竞争反应的结果，都有待进一步澄清及实验证明。进一步澄清及实验证明。RCH3HOHRee%86927489X:ee%HHOCH2XF Cl Br95 90 93RCH3OCCH2XO面面包包酵酵母母面面包包酵酵母母(2)(2)羰基的酵母还原羰基的酵母还原 -酮酸酯、芳香酮、酮酸酯、芳香酮、,-不饱和酮等羰基化合物都可不饱和酮等羰基化合物都可被酵母不对称还原，面包酵母不对称还原乙酰乙酸乙酯为被酵母不对称还原，面包酵母
13、不对称还原乙酰乙酸乙酯为S-3-羟基丁酸乙酯是最典型的例子。羟基丁酸乙酯是最典型的例子。OC2H5OOOC2H5HOHOS(+)-3-羟基丁酸乙酯面包酵母 研究表明，底物结构改变会影响产物手性中心光学纯度，研究表明，底物结构改变会影响产物手性中心光学纯度，如下面反应所示，底物结构变化对产物如下面反应所示，底物结构变化对产物ee值的影响。值的影响。当当R1增大时产物中增大时产物中L-成分为主，而当成分为主，而当R2增大时，产物以增大时，产物以D-成分为主。成分为主。R2R1HOHR2R1OOOR2R1OHOHDL酵母酵母例：例：D型产物型产物L型产物型产物R2R1ee%R2R1ee%CH3CH2
14、OC2H544CH3OC2H595CH3CH2CH2OH100CH3CH2OC8H1799CH3CH2CH2CH2OH100CH3CH2CH2OC8H1771C6H5OC2H5100ClCH2HNC6H597 微生物不对称还原在甾体药物的合成中也有应用，例如微生物不对称还原在甾体药物的合成中也有应用，例如D-18-甲基炔诺酮甲基炔诺酮及及D-18-甲基二烯炔诺酮甲基二烯炔诺酮是两种具有较高是两种具有较高生物活性的口服避孕药，这两种口服避孕药可用全合成制生物活性的口服避孕药，这两种口服避孕药可用全合成制成，其中关键中间体成，其中关键中间体12可采用酵母对可采用酵母对11进行不对称还原。进行不对称
15、还原。OOHC CHOOHC CHD-18-甲基炔诺酮D-18-甲基二烯炔诺酮MeOOO啤酒酵母MeOOOH1112上海有机上海有机化学所甾化学所甾体激素小体激素小组采用啤组采用啤酒酵母菌酒酵母菌从从1111到到1212得率为得率为83.3%.83.3%.(3)(3)l l-肉碱的合成肉碱的合成 l-肉碱肉碱(l-carnitine)是从动物横纹肌中分得的一种天然成分，是从动物横纹肌中分得的一种天然成分，它是脂肪代谢过程中的载体，脂肪酸与它结合后才能进入它是脂肪代谢过程中的载体，脂肪酸与它结合后才能进入线粒体，进行代谢，产生能量。可用于治疗心脏及初生儿线粒体，进行代谢，产生能量。可用于治疗心脏
16、及初生儿的的l-肉碱缺乏症；近年来也用于提高运动员训练时的运动耐肉碱缺乏症；近年来也用于提高运动员训练时的运动耐受量。而其受量。而其d-异构体是拮抗剂，临床只使用异构体是拮抗剂，临床只使用l型化合物型化合物。目。目前生产是先合成消旋体，再以化学法拆分得光学活性化合前生产是先合成消旋体，再以化学法拆分得光学活性化合物，此法收率低、方法繁。物，此法收率低、方法繁。1983年周炳南等报道了年周炳南等报道了l-肉碱的合成肉碱的合成(Zhou,Bing-nan et al.J.Am.Chem.Soc.,1983,105,5925)。NHOHCOO-l-肉碱H3CH3CH3C+如前所述，乙酰乙酸乙酯以面包
17、酵母还原获得如前所述，乙酰乙酸乙酯以面包酵母还原获得S-(+)-3-羟基丁酸乙酯羟基丁酸乙酯，其羟基与，其羟基与l-肉碱中羟基的构型相同，因肉碱中羟基的构型相同，因此期望用相同方法来合成此期望用相同方法来合成l-肉碱的中间体。肉碱的中间体。但当但当-氯代乙酰乙酸乙酯氯代乙酰乙酸乙酯以面包酵母还原时，其产物以面包酵母还原时，其产物羟基在前面，是所需化合物的对映体羟基在前面，是所需化合物的对映体S(-)-4-氯氯-3-羟基丁酸羟基丁酸乙酯乙酯，D23-11.7(c,5.75,CHCl3)(55%ee)。ROC2H5OOOC2H5HOHOS(+)-3-羟基丁酸乙酯C2H5OHHOS(-)-4-氯-3
18、-羟基丁酸乙酯面包酵母R=HR=ClCl 此后，将此后，将4-氯氯-3-氧代丁酸乙酯用各种微生物进行还原，氧代丁酸乙酯用各种微生物进行还原，其其产物都是产物都是S(-)-4-氯氯-3-羟基丁酸乙酯羟基丁酸乙酯，结果见表。，结果见表。周炳南等合成了周炳南等合成了ClCH2COCH2COO(CH2)nH的各种醇的的各种醇的酯，企望改变酯基的大小，使以微生物还原时，得到所需酯，企望改变酯基的大小，使以微生物还原时，得到所需要的醇。当要的醇。当n7时，产物为时，产物为R(+)-异构体，若异构体，若n12时，产物时，产物光学活性纯度很高，但产物收率下降，可能是由于溶解度光学活性纯度很高，但产物收率下降，
19、可能是由于溶解度的 原 因 所 致。的 原 因 所 致。n=8 时，产 率 和 光 学 纯 度 都 较 高，时，产 率 和 光 学 纯 度 都 较 高，D23+15.1(c,4.66,CHCl3)，ee=98%。周炳南等得到周炳南等得到R(+)-3-羟基羟基-4-氯代丁酸辛酯氯代丁酸辛酯以后，采用以以后，采用以下方法直接合成天然的下方法直接合成天然的l-肉碱，这是肉碱，这是首次直接合成的天然首次直接合成的天然l-肉碱。肉碱。ClCH2COO(n-C8H17)ClCH2COCH2COO(n-C8H17)Mg酵母75%R型N(CH3)3NHOHCOO(n-C8H17)H3CH3CH3C+Cl-Cl
20、HOHCOO(n-C8H17)NHOHCOOHH3CH3CH3C+Cl-HCll-肉碱4.4.对映选择性微生物氧化反应对映选择性微生物氧化反应 自自50年代以来就知道用假单胞菌年代以来就知道用假单胞菌Pseudomonas putida能将能将苯及其衍生物氧化为相应的环己二烯醇，如下所示。苯及其衍生物氧化为相应的环己二烯醇，如下所示。RROHOHPseudomonas putida 由由Pseudomonas putida催化的溴苯的生物氧化产生二醇催化的溴苯的生物氧化产生二醇13，二醇，二醇13经保护、醛基亚硝基亲二烯试剂的加成和还原经保护、醛基亚硝基亲二烯试剂的加成和还原等步骤生成等步骤生
21、成15，化合物，化合物15是制备是制备indolizidine(17)和和(+)-1-deoxygalacto-nojirimycin(18)的关键中间体。的关键中间体。BrBrBrOHOHOOPseudomonas putida1314BrOONHCbzNNHOHHOHHOOHHOHOOHOH151617 另一个广泛研究的生物氧化反应是用单加氧酶为催化另一个广泛研究的生物氧化反应是用单加氧酶为催化剂的环酮的剂的环酮的Baeyer-Villiger型氧化。一个例子是酵母试型氧化。一个例子是酵母试剂用于催化一系列剂用于催化一系列2-，3-，4-取代的环己酮的氧化，以取代的环己酮的氧化，以良好产率
22、和高良好产率和高ee值生成相应的内酯。下面总结了由值生成相应的内酯。下面总结了由2-取取代环己酮出发的代环己酮出发的Baeyer-Villiger的氧化结果：的氧化结果：ORR:Et n-Pr i-Pr 烯烯丙丙基基 n-Butyl产产率率 6 69 9%6 66 6%4 46 6%5 58 8%6 64 4%ee%:9 98 8%9 92 2%9 96 6%9 98 8%9 98 8%R:Et n-Pr i-Pr 烯烯丙丙基基 n-Butyl产产率率 7 79 9%5 54 4%4 41 1%5 59 9%5 59 9%ee%:9 95 5%9 97 7%9 98 8%9 98 8%9 98
23、 8%OOR 生物转化在天然产物化学研究中极为重要，是一项生物转化在天然产物化学研究中极为重要，是一项既有理论意义，又有实用价值的工作，在国民经济中，既有理论意义，又有实用价值的工作，在国民经济中，日益显示它的重要性，有着极为广阔的前景。日益显示它的重要性，有着极为广阔的前景。取代莰酮也可用微生物催化进行取代莰酮也可用微生物催化进行Baeyer-Villiger氧化。氧化。FBrOAcinetobacter sp.FBrOOOFBr+ee 97%ee 95%下列化合物理论上应有多少个对映异构体？下列化合物理论上应有多少个对映异构体？(1).吗啡吗啡 (2).三尖杉碱三尖杉碱 (3).橙皮苷橙皮苷 (4).薄荷醇薄荷醇 (5).-蒎烯蒎烯 (6).穿心莲内酯穿心莲内酯 (7).可的松可的松 (8).炔诺酮炔诺酮 (9).间糖精酸间糖精酸 (10).芸苔甾醇芸苔甾醇
