《有机化学》酶催化的有机合成反应

引言

将生物催化剂应用于有机合成是目前最吸引人的研究领域。有机化合物的生物合成和生物转化是一门以有机合成化学为主，与生物学密切联系的交叉学科，它也是当今有机合成化学的研究热点和重要发展方向。

酶不仅在生物体内可以催化天然有机物质的生物转化，也能在生物体外促进天然的或人工合成的有机化合物的各种转化反应，并且显示出优良的化学选择性、区域选择性和立体选择性。

第一节酶的特性

（一）、什么是酶？

酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts 。

绝大多数的酶都是蛋白质。

酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reaction。

在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。

（二）、酶和一般催化剂的共性

1、用量少而催化效率高；

2、它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。

3、酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。（三），酶催化作用特性

1．高效性

酶的催化作用可使反应速度提高106 -1012倍。

例如：过氧化氢分解

2H

2O

2

2H

2

O + O

2

用Fe+ 催化，效率为6*10-4 mol/mol. S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。用a-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65°C条件下可催化2吨淀粉水解。

酶催化反应过程

2．选择性

酶的专一性 Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性。

3．反应条件温和酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40°C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。

4.酶活力可调节控制

5.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。

（四）、酶的命名及分类

习惯命名法:

1、根据其催化底物来命名；

2、根据所催化反应的性质来命名；

3、结合上述两个原则来命名，

4、有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。

（五）酶催化反应的专一性

(1)化学专一性

反应专一性

酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应。对于其他活泼功能基团不作用，例如脂肪酶可以催化各种脂肪中酯键的水解反应，但它不能催化脂肪化合物分子中其他键的水解，如环氧键。

结构专一性

有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（Absolute specificity)。

如：脲酶只能催化尿素的水解，对N-取代的尿素不水解。

相对专一性

有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性(Relative Specificity)。

族(group)专一性

如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。

键(Bond)专一性

如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。

（2）位置选择性

酶作用于某一类结构的物质，只能在某一特殊位置形成新的化合物。

如：酪氨酸酶催化苯酚氧化，只能产生邻位醌类化合物。某些脂肪酶只能催化取代戊二酸二乙酯的一端水解。

（3）立体化学专一性Stereochemical Specificity

1、光学专一性 Optical Specificity

酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。

例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷键

2、几何专一性geometrical specificity

有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。

如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。

第二节酶催化反应的条件

1、酶制剂

在酶催化的化学反应中，可以使用高纯度的酶，也可以使用比较便宜的低纯度的粗酶制剂。

酶制剂中酶分子的状态可以是游离状态或是固定化状态。

酶制剂的来源

酶制剂的类型a:游离酶； b：修饰酶； c：微团酶； d：固定化酶

2、酶活力的测定

1）酶活力：又称为酶活性，一般把酶催化一定化学反应的能力称为酶活力，通常以在一定条件下酶所催化的化学反应速度来表示。

因此酶活力可用单位时间内单位体积中底物的减少量或产物的增加量表示，单位为mol/min等。

2）酶活力单位：一般用活力单位U(Unit)表示，许多酶活力单位都是以最佳条件或某一固定条件下每分钟催化生成一微摩尔产物所需要的酶量为一个酶活力单位。

3）酶的比活力：是指每毫克酶蛋白所含有的酶活力单位数，它是酶制剂纯度的一个指标。

3、酶促反应的介质

（1）水介质

水是酶促反应最常用的反应介质。但是，对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为许多有机化合物在水介质中难溶或不溶。而且，由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。

（2）非水介质

用某些有机溶剂代替一部分水（不是全部），许多酶仍然能够保持其催化活性，并显示出一些重要特性。

酶促反应的有机溶剂体系

1) 与水互溶的有机溶剂--水单相体系

有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在这种体系中。

2) 非极性有机溶剂--水两相体系

由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性)相所组成的两相体系。

（3）非极性有机溶剂--酶悬浮体系

用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。但仍然含有必需的结合水以保持酶的催化活性(含水量一般小于2%)。

酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固体载体表面上。

反向胶束体系超临界流体无溶剂反应体系

4.有机溶剂中酶促反应的特性

(1)酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构象表现出比水溶液中更具有“刚性”特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来酶的某些特性成为可能。例如在有机溶剂中，可以利用酶与配体的相互作用性质，诱导改变酶分子的构象，酶的底物专一性,、立体选择性和手性选择性等。

(2) 在适当的条件下，可以改变酶促反应的热力学平衡向有利于合成方向（而不是水解方向）进行。

(3) 由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关, 因此在有机介质中酶的稳定性得到显著提高。

(4) 由于有机溶剂的存在, 水量减少，大大降低了许多需要水参与的副反应，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。

(5) 在有机介质中进行的酶促反应，可以省略产物的萃取分离过程, 提高收率。

(6) 脂溶性底物和产物在有机溶剂中的高度溶解性, 有利于提高底物浓度总的水平。同时由于底物和产物的高脂溶性，使它们在酶分子表面的实际浓度较低, 可以减少底物或产物对酶引起的抑制作用。

(7)在有机溶剂的存在下，一般不存在微生物污染问题。

(8) 由于酶不溶于有机溶剂中，所以是一个非均相反应体系。应用振荡或搅拌改善底物及产物的交换是反应的关键。

5.酶催化反应的某些缺点

1、酶催化反应只能得到一种构型（L-型或D-型）的光学产物；

2、酶常常存在着底物或产物抑制现象，造成反应转化率降低，生产能力低等问题；

3、极端的pH、较高的温度和高盐浓度的反应体系都可能使酶钝化，失去部分甚至大部分催化活性；

4、大量的氧化还原酶、转氨酶等需要等计量反应物的辅因子存在才能表现催化活性，从而了它们在许多有机合成反应中的应用；

5、酶通常在水溶液中实施其催化活性，对于大多数有机化学反应来说，使用的溶剂是非水溶性的有机溶剂。

目前以酶在非水相中研究中所涉及的酶类主要有脂肪酶、过氧化物酶、漆酶、酯酶、脱氢酶、蛋白水解酶 (胰凝乳蛋白酶、木瓜蛋白酶) 等，并迅速产生了一个全新的分支--非水酶学。

现在非水酶学方法在多肽合成、聚合物合成、药物合成以及立体异构体拆分等方面显示出广阔的应用前景。

6.有机溶剂中影响酶催化性质的各种因素

1)水的作用 2)pH状态 3)溶剂对酶催化活力的影响 4)酶的固定化 5)酶的修饰 6)添加物对酶催化反应的影响 7) 生物印迹

为了维持酶分子的构象和酶的催化活性，酶分子的周围必须存在一个水层，任何影响该水化层的因素都有可能破坏酶的构象，使酶丧失催化活性。

酶体系中存在的水分子可以分为两类：一类是与酶紧密地结合的“结合水”；另一类是与酶松散结合起溶剂作用的“大量水”。

第三节酶在有机化学中的应用

1. 酶催化的有机化学反应类型

水溶液中酶催化反应的应用1、天冬氨酸的生产

2、苹果酸的生产

3、丙氨酸的生产

4、青霉烷酸的生产

5、丙烯酰胺的生产

6、高果糖浆的生产

2．手性化合物的拆分

当酶水解消旋化的底物时，由于酶活性中心的手性选择性，消旋化底物中的一个对映体以较高的速度被酶催化水解。这种现象被称为酶的动力学分辨力。

(1)消旋化氨基酸酯的酶法拆分

常用的蛋白酶是胰凝乳蛋白酶, 枯草杆菌蛋白酶, 胰蛋白酶, 胃蛋白酶和木瓜蛋白酶等。

（2）消旋化羧酸酯的酶法拆分

-芳基或芳氧基的羧酸酯用羧酸酯酶催化水解，可得到高光学纯的产物。

3．手性化合物的合成

（1）潜手性原子或基团的选择性取代

潜手性氢原子的选择性取代是最常用的方法。

例如甲烷单加氧酶(简称MMO)能够直接利用氧将甲烷氧化成甲醇。

MMO除了能氧化甲醇外，也能氧化其它烷烃，并且具有很好的手性选择性，可以获得光学纯度接近100%的手性纯产物。

（2）潜手性面的选择性加成

在酶催化下，含有活泼双键的烯烃和酮能够发生不对称加成，生成手性产物。

例如兔肌醛缩酶（RAMA）催化的缩合反应，能够得到手性纯多元醇：

4、酶在高分子合成中的应用

（1）辣根过氧化物酶在水相中能够催化酚及芳胺类化合物的聚合。

（2）脂肪酶

在脂肪酶催化下，己二酸（或癸二酸）与蔗糖在己烷溶液中进行酯化反应，能够生成聚糖酯高聚物：

5、酶在环境化学中的应用

（1）含酚废水的处理

过氧化物酶多酚氧化酶

（2）含有残留有机氯农药土壤的处理

某些细菌中含有一种特殊的甲烷单加氧酶(MMO),具有比较广泛的底物选择性，能够催化降解大多数氯代烃污染物--先转化成相应的醇，然后再在其它酶作用下，分解成无害物质。

第四节非水介质中的酶促反应

1984年A. Zaks 和A.M Klibanov 首次发表了关于非水相介质中脂肪酶的催化行为及热稳定性的研究报道，引起了广泛的关注。传统的酶学领域迅速产生一个全新的分支--非水酶学。

现在非水酶学方法在多肽合成、聚合物合成、药物合成以及立体异构体拆分等方面显示出广阔的应用前景。

1．有机介质中酶催化的酯化反应

脂肪酶是工业上最常用的酶之一。研究表明，在水溶液中它催化油脂和其他酯类的水解反应，而在有机介质中它催化水解反应的逆反应－酯合成反应及酯交换反应。

脂肪酶催化酯合成反应的底物专一性取决于酶的类型，不同微生物来源的脂肪酶催化不同链长脂肪酸与不同链长脂肪醇的酯化反应。

(1) 位置选择性酯化反应葡萄糖苷-6-O-酰基衍生物是一种可生物降解的非离子表面活性剂，它可以用脂肪酸和葡萄糖苷在脂肪酶催化下进行选择性酯化得到：

糖酯的合成

(2) 消旋化合物选择性酯化

以2-取代-1,3-丙二醇和脂肪酸为原料，在有机溶剂介质中用脂肪酶(CCL)或猪肝酯酶（PLE）催化酯化反应，可得到较高光学纯度的R-或S-酯。

(3)消旋化合物的拆分

有机介质中用脂肪酶(PSL)催化酯化用于γ-羟基-α,β-不饱和酯的拆分。可以避免副反应的发生。

(4) 内酯合成反应

-羟基酸或它的酯在脂肪酶催化下，发生分子内环化作用得到内酯化合物。内酯可继续反应形成开链寡聚物。内酯化产物形式主要取决于羟基酸的长度外，也取决于脂肪酶的类型、溶剂及温度等。

4. 酰胺键形成反应

（1）酰胺的合成反应

酯的酶催化氨解反应可以生成酰胺，这个反应具有良好的立体选择性。

脂肪酶催化的酰胺化合物的拆分

（2）肽的合成

有机溶剂中利用蛋白酶催化的多肽水解逆反应,肽转移反应或氨解（氨基酸酯的氨解）反应可进行多肽合成。

除了蛋白酶以外，其它的水解酶（主要是脂肪酶和酯酶等）也能催化这类反应。

5.有机介质中酶催化的过氧酸形成反应

在适当的有机溶剂中, 过氧酸可以直接由羧酸和过氧化氢在脂肪酶催化下制备。如果反应体系中存在烯烃，则过氧酸能将烯烃氧化成环氧化物。

6.有机介质中酶催化的氧化还原反应

有机溶剂中马肝醇脱氢酶（HLADH）催化的不对称氧化和还原反应

马肝醇脱氢酶催化二羟甲基环戊烷（或己烷）脱氢

多酚氧化酶

多酚氧化酶是一种加氧酶，它催化酚的选择性羟基化，羟基化产物继续氧化生成邻-苯醌。

7.酶催化的糖苷键形成反应

糖苷水解酶在水溶液中可以催化糖苷键的水解反应。

而在有机介质中，糖苷水解酶可以催化水解反应的逆反应－糖苷键的合成反应。

第五节无溶剂体系中酶催化反应

目前酶催化的无溶剂有机合成反应中，使用的酶主要有脂肪酶、蛋白水解酶和糖苷酶。

无溶剂酶催化反应主要包括以下几种反应体系：无溶剂体系（液态），；固态-对-固态反应体系（包括低共熔混合物反应体系、超饱和底物反应体系）以及干介质反应体系。

1.液态无溶剂体系

酶催化的底物为脂肪酸或脂肪酸酯（包括甘油酯）与脂肪醇（包括甘油），这些底物大多数在反应温度下呈现液体状态，或者具有较低的熔点，在稍稍高的温度下（50-70摄氏度）也呈液体状态。

这种反应体系，除了加入保持酶催化活性所必须的微量水之外，不再加入任何溶剂。采用这种反应体系，可以有效地合成在医药、食品、化妆品中使用的油脂、单甘油酯和各种脂肪酸酯等。

甘油酯的合成

酶催化可可脂替代品的合成，使用脂肪酶催化较为廉价的棕榈油和葵花油与硬脂酸、硬脂酸甲酯酯交换反应，可以得到一种三甘油酯，它的组分和性质类似于天然可可脂的产品。

从营养和吸收方面讲，并非所有脂肪酸都容易被肠道吸收。长链的饱和脂肪酸（C12-C18）一般不如中短链脂肪酸（C6-C10）和不饱和脂肪酸吸收的好。

通过脂肪酶催化动物乳脂与脂肪酸之间的酯交换反应，得到合适脂肪酸含量的特殊结构性油脂。

类可可酯的合成

结构性油脂的合成脂肪酸酯的合成

酶催化的酯交换反应和酯合成反应也成功的应用到需要量小、价值高的食品、医药产品、化妆品添加剂的合成中。

其中包括简单的烷基、萜烯、硫醇酯以及蜡酯，如异戊酸乙酯、油酸戊醇酯，乙酸牻牛耳春牛儿醇酯、乙酸香茅醇酯，棕榈酸异丙醇酯等。

聚酯的合成

无溶剂体系催化己二酸-二（2,2,2-三氯乙基）酯与1,4-丁二醇的聚合的聚合，用Novozyme脂肪酶（5.8-14.4g/mol二酯）在50摄氏度反应仅4-5小时，即可得到分子量17000-23000的聚酯。

磷酸异丙基（或丁基）乙二醇内酯是一种强极性的内酯，很难选择适当的有机溶剂，但在无溶剂体系中，使用猪胰脂肪酶在60摄氏度催化反应120小时，也可获得分子量1270-1660的聚磷酸酯，单体的转化率达到94%。

2.“固-对-固”反应体系中的酶促合成

在高底物浓度的酶催化反应中，反应体系一般仅加10-30%水或有机溶剂，主要是固体的反应物。

即起始反应混合物主要由悬浮在少量溶剂中的固体反应物或高度饱和的液体相组成（水或有机溶剂），而最后的反应混合物主要由固体产物组成，这种反应体系被称为“固体-对-固体”反应。

这种酶催化反应主要用于酰胺、糖苷、糖酯的合成。

多肽的合成

L-苯丙氨酸乙酯（油状物）和L-亮氨酰胺（固体）的混合物做底物，使用固定化的枯草杆菌蛋白酶和糜蛋白酶作催化剂进行肽的合成。

实验表明在这种无溶剂体系中，这两种酶很容易催化反应进行，其中用枯草杆菌蛋白酶催化时可得到83%的产率（0.8g/每克固体反应混合物）。

低共熔混合物介质

Kim J.等报道了用糜蛋白酶催化N-苄氧酰基-L-天冬氨酸-乙酯与D-丙氨酸在9%DMSO，18%MEA和12%水构成的共熔反应体系中合成一种甜味二肽衍生物，37°C反应6小时，反应收率达到70%以上。

固体对固体反应体系

反应体系一般仅加10-30%水或有机溶剂，主要是固体的反应物。即起始反应混合物主要由悬浮在少量溶剂中的固体反应物或高度饱和的液体相组成（水或有机溶剂），而最后的反应混合物主要由固体产物组成，这种反应体系被称为“固体-对-固体”反应体系。

这种固体反应物体系的重要特点是反应热力学表现出类似“开关”的行为，得到的产率或者非常低，或者极其高。

过饱和反应体系

在一些超饱和反应体系中，水的加入量高达40%以上。

例如Isono,Y等在研究甜味二肽的酶促合成中直接使用高浓度的底物溶液（3.77mol/L）进行反应反应转化率也可达到90%以上。

Youshiko等用青霉素酰化酶催化6-氨基青霉烷酸（6-APA）与D-苯甘氨酸及D-苯甘氨酸甲酯的酯化和酯交换反应，使用过饱和的底物水溶液，得到95-99.9%的氨卞青霉素产物。

糖酯的合成

在脂肪酶催化脂肪酸糖酯合成中，Yan Y等在Candida Antarctica B脂肪酶催化硬脂酸葡萄糖酯的合成中，使用2-丁酮作为辅助剂，通过抽真空除去反应中产生的水，58小时反应得到93%的产率。

同样利用2-丁酮或丙酮作为辅助剂催化葡萄糖与各种脂肪酸（辛酸、棕榈酸和硬脂酸）的酯化或与各种脂肪酸甲酯的酯交换反应，转化率达到90%以上。

3.干介质体系中的酶促合成

在干反应技术中反应物沉积在无机氧化物上，如氧化铝、硅胶、高岭土、硅藻土等均可用来作为反应物的载体，然后通过加热方法使反应进行。

固定化酶

把酶固定化在固体载体上，可以增强酶的稳定性，如热稳定性和使用稳定性，从而使固定化酶可以在较高温度下使用。

如Novozyme Sp 435是由Novo(Denmark)公司将Candida antarctica脂肪酶固定化在聚丙烯酸树脂上的商品，可以耐受80-100°C的高温。

而固定化在由硅胶制成的Hyflo Supercell(HSC)上的Pseudomonas 脂肪酶也可以耐受较高温度。

2-苯乙醇的拆分

用这两种固定化脂肪酶催化酯交换或酯合成反应对消旋的2-苯乙醇进行拆分，与加热方法相比，采用微波辐照加热技术效果更好，光学收率达到80%-93%。

Carrillo等利用微波辅助加热，使用Novozyme 435脂肪酶催化消旋的2-苯乙醇与戊酸乙酯、戊酸乙烯酯、辛酸乙酯、辛酸的转酯化和酯化反应，在Mw 40w微波加热5-15分钟（80°C）条件下，转化率达到46-50%，醇（R）的ee值达到100%。

脂肪酸糖酯的合成

用Novozyme Sp 435也可以催化脂肪酸糖酯的合成，如用脂肪酸（月桂酸）与-D-甲基葡萄糖苷为底物，40-120W微波加热5小时（95°C），产率达到95%，120-60W加热2小时（110°C），产率达到97%。

而用无溶剂方法70°C反应24小时，产率仅为53%。Novozyme Sp 435也可以催化脂肪酸（月桂酸）与-海藻糖的酯合成反应，在110°C反应13小时，得到88%的产率。在这些反应中，酶仍然可以循环使用，而没有较大的活性损失。

糖苷的合成

干反应技术也可以用于糖苷酶催化的糖苷合成反应，Gelo-Pajic等人使用Almond--葡萄糖苷酶与各种无机载体混合方法，在加热到80°C条件下催化葡萄糖与1,4-丁二醇的糖苷化反应，反应2小时，得到58%产率的4-羟基丁基葡萄糖苷。

而在微波辐照加热条件下，催化葡萄糖或苯基葡萄糖苷与1,6己二醇的糖苷化或转糖基化反应，微波加热80-110°C，1-6小时，转化率达到80-100%。