全 文 ：第 ! 卷第 # 期
#$%% 年 & 月
生"物"加"工"过"程
9=QCJ(JTDIOCBEDN\QD)ODHJ((@CMQCJJOQCM
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KDQ"%$*&!7!:e*Q((C*%78# 6&783*#$%%*$#*$%
收稿日期"#$%$ 6$ 6$&
基金项目"国家自然科学基金资助项目##$87$$
作者简介"欧"玲#%!8#%$&女&四川成都人&硕士&工程师&研究方向"生物催化(许建和#联系人$&教授&@FPBQE"eQBC=JGIfJHI(A*JKI*HC
还原酶催化羰基不对称还原的应用进展
欧"玲%&谢"谚#&许建和&
#%j河南神马尼龙化工有限责任公司&平顶山 078$$$(
#j中国石油化工股份有限公司 青岛安全工程研究所&青岛 #77$8%(
&*华东理工大学 生物反应器工程国家重点实验室&上海 #$$#&8$
摘"要"羰基不对称还原作为合成手性醇的重要方法&已成为近年来有机合成的研究热点 与传统化学法相比&利
用还原酶催化前手性羰基化合物的不对称还原具有显著优势 介绍了还原酶的来源与形式&对完整细胞还原酶与
游离还原酶在手性药物不对称合成中的应用进行了简要综述
关键词"手性醇(羰基还原(不对称还原(还原酶
中图分类号"+3%0(d+07&""""文献标志码"Y""""文章编号"%78# 6&783##$%%$$# 6$$8# 6$8
*HW5/:01./5996.:5E.2/2740H3:E5101./:54K2/M651MJJ0E4.:40H3:E.2/
5SUQCM
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&*4ABAJ_JXUB;DOBADOXDN\QDOJBHADO@CMQCJJOQCM&@B(A9=QCBSCQZJO(QAXDN4HQJCHJBCK dJH=CDEDMX&4=BCM=BQ#$$#&8&9=QCB$
*K1E45:E"Y(DCJDNA=JPD(A)ODPQ(QCM(XCA=J(Q(B))ODBH=J(ADD)AQHBEXBHAQZJBEHD=DE(&A=JB(XPPJAOQH
OJKIHAQDC DNA=JHDOJ()DCKQCM)ODH=QOBEcJADCJ(LB(B=DA()DAQC A=JDOMBCQH(XCA=J(Q(*9DP)BOJK LQA=
AOBKQAQDCBEH=JPQHBEPJA=DK(&B;QDHBABEXAQHPJA=DK LQA= OJKIHAB(J(=BK DIA(ABCKQCMBKZBCABMJ(NDO(AJOJDF
BCK OJMQDF(JEJHAQZQAX&OJBHAQDC HDCKQAQDC BCK JCZQODCPJCABEFNOQJCKEQCJ((B(LJE*d=J(DIOHJBCK A=JNDOPDN
A=JJC)IOQNQJK JCL0M I24H1"H=QOBEBEHD=DE( HBO;DCXEOJKIHAQDC( B(XPPJAOQHOJKIHAQDC( OJKIHAB(J(
""由于手性醇的手性中心接有一个活泼的羟基
官能团&使得该类物质成为合成许多重要手性药
物)农用化学品和天然产品的关键手性中间体 获
得高光学纯度手性醇的主要途径包括化学不对称
还原)水解酶#例如脂肪酶$不对称水解拆分及生物
法不对称还原 通过前手性羰基化合物的不对称
还原得到手性醇&可合成一些在工业上有重要用途
的化学品#表 %$ *%+ (羰基不对称还原也被认为是合
成手性醇的最为重要和基本的手段*#+ 近年来&化
学催化羰基不对称还原取得了重大进展&但仍然存
在一些缺点&例如"手性催化剂制备复杂)成本昂
贵&需要与反应底物按照一定的化学剂量比进行反
应(反应条件苛刻(获得的产物光学纯度不够理想(
许多催化剂含有剧毒成分 这些都限制了化学催
化羰基不对称还原的发展 生物催化法&作为对化
学方法的重要补充&特别是利用醇脱氢酶# Y^ .($
和其他氧化还原酶的羰基不对称还原制备手性醇&
已取得很好的工业应用 利用酶进行不对称还原
具有立体和区域选择性高)反应条件温和)环境相
容性好等突出优势
表 C?经不对称还原反应得到的手性醇及其在重要工业化学品合成方面的应用
D5K60C?,-.45656:2-261942H3:0HKM 51MJJ0E4.:40H3:E.2/5/HE-0.431017241M/E-01.127./H31E4.56M .J924E5/E:-0J.:561
手性醇 产率:g #*#*:g 应用 公司
8# r!! 安非他命 [DO(H=ICM(WP;.
!# !! 降胆固醇药 \OQ(ADEF`XJO(4aIQ;;
!7 r!!j!
U]&$$%70
#口服活性托非索泮$ @EQUQEX
3#j r!3
(
& 激动剂 J`OHc bJ(JBOH=
UB;DOBADOQJ(
! !! 胆固醇拮抗剂 \OQ(ADEF`XJO(4aIQ;;
!j# !!
左旋肉碱(
#C$ 0 羟基 # 吡咯酮 B^QHJE9=JPQHBE,CKI(AOX
!3j !!
.` W 9DY还原酶抑制剂(
#/$ 0 羟基 # 吡咯酮 B^QHJE9=JPQHBE,CKI(AOX
C?还原酶的来源
""微生物是催化羰基化合物不对称还原酶的主
要来源&与其他来源的生物催化剂相比&微生物催
化剂的种类最多#表 #$ 这些菌株培养简便)各有
特点&催化效率和立体选择性根据底物的不同各有
优劣 此外&光合自养的海藻类微生物也逐渐引起
人们的关注&这主要归因于它们能够利用光能进行
辅酶的循环再生
""植物细胞也可以用于羰基化合物的不对称还原反
应&其中报道最多的是胡萝卜的根)菜豆)小麦叶)麦
麸)海藻)茴香的茎以及西葫芦的果实 植物种子红豆
#!7"#&($",;$(*2"#RQEK*$ R*[*RQM=A$ 具有高立
体选择性还原 # 氯 % 苯乙酮的功效##*#*r!!g$&
由红豆制成的红豆酶粉可高选择性地还原多种芳基
酮&并能耐受高浓度的底物#%$$ PPDE:U$&是一种有潜
表 @?不同来源和选择性的醇脱氢酶
D5K60@?*6:2-26H0-MH42;0/5101742JW54.2311234:01
5/HH.7040/E1060:E.W.E.01
醇脱氢酶 还原产物构型
\BcJOn(XJB(A >OJEDM规则
.DO(JEQZJO >OJEDM规则
L7#*+&,#*&34)#*#)7,&(24$" >OJEDM规则
L7#*+&,#*&32$+3*&4J2 >OJEDM规则
C7&%&)&*$( ()* >OJEDM规则
!"#$%&+&,"()* 反>OJEDM规则
-4)&342($"J#52* 反>OJEDM规则
<$4&*P1,24$" 反>OJEDM规则
-4)&342($"3*#12" 反>OJEDM规则
E#&)*27$+()* 反>OJEDM规则
M*&A2 (2:&(6)24 反>OJEDM规则
9":#*;2($")#*#$" 反>OJEDM规则
H+#*24#( ,2%$(," 反>OJEDM规则
M+%Q6+ 5*2,&" 反>OJEDM规则
&8"第 # 期 欧"玲等"还原酶催化羰基不对称还原的应用进展
力的新型生物催化剂*&+ 芹菜茎薄片在温和与环
境友好的条件下&可催化多种芳香酮&得到#/$ %
芳基醇的最大对映体过量值均大于 !!j$g*0+ 植
物细胞可对映选择性地还原酯类化合物的羰基或
者将酯键水解生成光学活性物质&另外&还能够催
化醛类物质的不对称羟氰化*+
具有与醇脱氢酶#Y^ .$相似活性的 b-Y的发
现&开启了一种新型氧化还原生物催化剂的研究领
域*7+ 核酶#OQ;D构&其氧化醇活性比醇自发氧化的反应速率快 8 个
数量级 有醇脱氢酶活性的 b-Y能够实现 -Y^ .
和黄素腺嘌呤二核苷酸之间的电子传递&提供
-Y^
/的再生系统
@?还原酶的形式
完整细胞和游离酶是生物催化剂的两种形式&
目前都有应用于工业生产的例子 完整细胞催化
剂具有获取方便)价格低廉)稳定性高)不需要添加
辅酶等优点&但由于细胞中存在多种酶&反应的立
体选择性有时不高&还可能有副产物生成 而用游
离酶进行反应&通常反应专一性强&只催化某一特
殊官能团的转化&副产物少&反应后处理简单&底物
扩散限制小(但酶稳定性差)易失活&酶的分离纯化
较为繁琐且花费昂贵&酶完成催化反应后极难回
收&且酶催化反应体系须加入昂贵的辅酶 完整细
胞和游离酶各有优缺点&对它们进行合理利用和改
造可创造更高的价值
目前已经有许多成功利用完整细胞制备具有
经济价值手性产物的报道#表 &$ *8 6%0+
利用游离酶生产手性产品的例子也很多&辅酶再
生是其关键点 施贵宝#\OQ(ADEF`XJO(4aIQ;;$公司利
用来源于942,#)&34)#*4(4&4#)24$"的脱氢酶 Y^ .作为
表 O?利用完整细胞催化制备的手性醇
D5K60O?,-.45656:2-261942H3:0HKM K.2:2/W041.2/1I.E-I-260:061
完整细胞 底物 产物 #*#*:g
042($"()*@9S$$%& !!
8&*6,#34)#*2$+(AOBQC 4dF%$
r!!
r!3
C7&%&4&44$"#)76)7*&:&(2"
#YABr!!j&
C7&%&)&*$( ()*Y4#j##0%
##C$F-QNJCBEDE的中间体$
!8
!2472 ,;$") Yd99%77#&
#进一步转化为#/F4BEPJAJODE$
r!3
08 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
续表 &
完整细胞 底物 产物 #*#*:g
C7&%&4&44$"*$3#*^ 4`000% r!!
8,%2% +*2",[5%$$$& r!!
-4)&342($"J#52*^ 4`#$38 r!!
催化剂合成 7 苄氧基 #&C&/$ 二羟基 己酸乙酯
#一种抗胆固醇药物的手性中间体$&由 W^ .和
-Y^
/实现-Y^ .的再生 单批次反应得到产物的
产率为 !#g&#K#K值为 !!g*%+ 该酶经过定向进化
优化后与 W^ .催化合成乙基 #/$ 0 氯 & 羟基丁
酸酯&底物几乎被完全转化# r!!jg$&产物#K#K值
超过 !!j!g*%7+
9Q;B公司使用来源于 /):76(&4&44$"#:2%#*+2"
的#C$ 乳酸 -Y^ 氧化还原酶与8K3&2%2,2的 [^.
合成#C$ # 羟基 0 苯基 丁酸&反应在连续搅拌
反应釜#94db$中进行&使用超滤膜截留酶 为了避
免副产物95
#
排气引起的机械剪切力&操作在 & 个
大气压下进行&$j# U的反应规模的时空产率为每天
0%$ M:U&产物的 #K#K值为 !!g*%8+ 辉瑞公司利用
同样的酶组合&实现了#C$ & #0 氟苯基$ # 羟
基丙酸盐的工业规模化生产&该反应在#j# U的连续
酶膜反应器中进行&时空产率达每天7$ M:U&产品
#K#K值为 !!j!g*%3+
O?还原酶在羰基不对称还原合成手性
药物中的应用
O=C?完整细胞还原酶的应用
""利用完整细胞还原酶对前手性酮进行催化还
原&可得到多种关键手性中间体&再经多步转化制
备手性药物#表 0$
表 P?利用完整细胞还原酶制备的手性药物
D5K60P?,-.456H43;1942H3:0HKM K.2:2/W041.2/1
I.E-I-260:061
酶的来源 手性药物 文献
/447*&+64#"()*
左芬氟拉明 *%!+
左旋肉碱 *#$+
托莫西汀)氟西汀 *#%+
#/$FY.\Y *##+
E#&)*247$+
4,%2%$+
*#&+
舍曲林 *#0+
942,#)&34)&*
4(4&4#)24$"
*%+
/)*#:)&+64#"
,&%&"$"
*#+
8"第 # 期 欧"玲等"还原酶催化羰基不对称还原的应用进展
""在众多羰基还原酶中&面包酵母#/447*&+64#"
()*$的手性酮催化还原能力突出 利用其还原得到
的手性醇&可生产多种手性药物&包括食欲抑制药)
营养药)抗抑郁药)抗生素和神经递质抑制剂等
利用面包酵母不对称还原苯甲酰乙酸乙酯#%$或&
氯苯丙酮#&$得到相应的手性醇中间体&再经过一
系列转化得到抗抑郁药 dDPDGJAQCJ#$和 [EIDGJAQCJ
#7$&如图 % 所示* #%+
图 C?利用面包酵母催化还原得到的手性醇中间体生产D2J2G0E./0和U632G0E./0
U.;=C?X409545E.2/27D2J2G0E./05/HU632G0E./0W.5 E-0:-.45656:2-26./E04J0H.5E012KE5./0HKM :5E56ME.:40H3:E.2/
I.E-K5b04e1M051E
O=@?游离酶的应用
""除完整细胞外&从菌株中分离出的游离羰基还
原酶也广泛应用于手性药物合成#表 $
表 Q?利用游离羰基还原酶制备的手性药物
D5K60Q?,-.456H43;1942H3:0HKM K.2:2/W041.2/1I.E-.1265E0H:54K2/M640H3:E5101
酶的来源 手性中间体 #*#*:g 手性药物 文献
L7#*+&,#*&32$+3*&4J2 r!!j3 #/$ 溴沙特罗 *#7+
<&*;,#( +&*;,2TF3 . 伪麻黄碱 *#8+
E#&)*247$+4,%2%$+ r!! .` WF9DY *#3+
8,%2% J*$"#24R#$#7 r!! Y9@抑制剂 *#!+
042($"()*的6)3@基因编码
重组醛酮还原酶 r!! 贝氟沙通 *&$+
!2472 ")2:2)2"短链脱氢酶:还
原酶超家族还原酶 r!!
.` WF9DY还原酶抑制剂)
0 羟基吡咯烷酮 *&%+
E#&)*247$+4:2))$+T9`
&!$3
#/$ G 苄基 & 吡咯烷醇 r!!j! 抗肿瘤药)解痉药)抗.,2药 *&#+
0$*J7&(%#*2 ()*]d #C$ # 氨基 % 苯乙醇 r!! 糖尿病和肥胖症治疗药物 *&&+
8,%2% 12"A,)72 d`99
%3
苯乙醇和吡啶乙醇 !!j8 YcIBPQKQCJ&
.JAJODXD=QPQKQCJ
*&0+
78 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
""-Q等*&$+首次报道了来自 042($"()*的 6)3@
基因编码重组醛酮还原酶&可选择性还原各种羰
基化合物 在耦联 -Y^ >.再生体系后&可将三氟
乙酰乙酸乙酯#8$还原为#C$ 0&0&0 三氟 & 羟
基丁酸乙酯#3$ ##K#Kr!!g$&该化合物是合成抗
抑郁药物贝氟沙通的中间体#图 #$ 实验表明&
该酶可以高选择性##K#Kr!!g$还原芳香酮&还能
够以高至中等对映选择性还原
!
酮酯和
(
酮
酯&因此&在合成左旋肉碱)尼索西汀等抗抑郁药
及生产液晶)医药中间体和手性配体等方面具有
广阔的应用前景
图 @?利用.20($"19=的5)1#基因编码重组醛酮还原酶催化还原生产#?$ P&P&P 三氟 O 羟基丁酸乙酯
U.;=@?X409545E.2/270E-M6#?$FP&P&PFE4.763242FOF-MH42GM K3E5/25E0KM :5E56ME.:40H3:E.2/I.E-5)1#
;0/0F0/:2H./; 40:2JK./5/E56H2Fb0E2 40H3:E510742J.20($"19=
""/# $% #%n萘$乙醇#%$$是合成羟甲基戊二酰辅
酶Y#.` WF9DY$抑制剂内酯结构单元的关键中间体
利用从 E#&)*247$+4,%2%$+中纯化得到的羰基还原
酶&可高度立体选择性还原带有萘环的酮 在以优化
的0 PM:M蛋白上样量固定于硅胶载体后&该酶能够有
效催化 % 萘乙酮#!$转化为#%$$&结果见图 &*#3+
图 O?利用@#&)*026$+2,%0%$+游离酶催化还原得到的手性醇生产"A%F,2*
U.;=O?X409545E.2/27"A%F,2*W.5 E-0:-.45656:2-26./E04J0H.5E02KE5./0HKM :5E56ME.:40H3:E.2/I.E-934.7.0H
40H3:E510742J@#&)*026$+2,%0%$+
P?展望
""近年来的研究表明&生物法不对称还原已取得
长足进展&利用还原酶催化还原前手性羰基化合物
合成相应的手性醇已成为商业化合成手性醇的重
要方法之一 在生物催化与转化领域&仍有许多方
面需要进一步研究&例如&可以通过筛选)过量表
达)定向进化和催化抗体构造等手段开发新型生物
催化剂&可以利用生物催化反应工程来提高酶稳定
性)控制还原反应的对映体选择性)优化酶促反应
条件)选择合适的生物反应器等&这些都将成为今
后研究的重点
参考文献"
* % +"]I .U&1I T.&UI R]&JABE*^Q(HDZJOXBCK IAQEQHBABEX(A(NDOH=QOBE(XCA=J(Q("BC DZJOZQJLDN9=QCJ(J(HQJCAQ(A(OJF
(JBOH= BCK KJZJED)PJCA*T+*YKZ\QDH=JP@CM\QDAJH=CDE&#$$!&
%%&"%F&%*
* # +"张文虎&蔡燕&刘湘&等*芳香酮的不对称还原*T+*化学进展&
#$$8&%!#%$$"%&8F%#j
* & +"1QJ]&1I T.&UI R]&JABE*YKDHBABEX(ANDOB(XPPJAOQHOJKIHAQDC DNBODPBAQHcJADCJ(LQA= =QM=
(AJOJD(JEJHAQZQAXBCK (I;(AOBAJADEJOBCHJ*T+*\QDOJ(dJH=CDE&
#$$!&%$$#!$"#07&F#073*
* 0 +"UQI 1&V=BCM\U&1QB] &`JABE*@CBCAQD(JEJHAQZJOJKIHAQDC DN
BODPBAQHcJADCJ(I(QCMHJEJOQBHB(;QDHBABEX(A*T+*YHAB9=QPQHB
4QCQHB&#$$!&78#%&$"%0!#F%0!7*
* +"刘湘&张宝立&夏咏梅&等*植物细胞在含羰基化合物不对称
转化中的应用*T+*化学进展&#$$3&#$#8:3$"%%$3F%%%0*
* 7 +"d(IcQeQ4&>BACBQc 4 \& 4IMB.*YC BEHD=DEKJ=XKODMJCB(JOQF
;D* 8 +"1QJ]&1I T.&1I ]*,(DEBAQDC DNB042($"(AOBQC )ODKIHQCMcJF
ADCJOJKIHAB(JLQA= =QM= (I;(AOBAJADEJOBCHJ*T+*\QDOJ(dJH=CDE&
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88"第 # 期 欧"玲等"还原酶催化羰基不对称还原的应用进展
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*%3+"dBDT.& H`WJJ_*^ JZJED)PJCADNBHDCAQCIDI(JC)ODHJ((NDOA=J)OJ)BOBAQDC DN#C$F&F#0FNEIDOD)=JCXE$F#F=XKODGX
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;DA= JCBCAQDPJO(DNNEIDGJAQCJZQBPQHOD;QDEDMQHBEOJKIHAQDC DNJA=XE
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*#&+">BAJEb-&\BCJOeJJY& H`CBPJJ9W&JABE*4AJOJD(JEJHAQZJOJF
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A=J(XCA=J(Q(DN(JOAOBEQCJ*T+*dJAOB=JKODC" Y(XPPJAOX&%!!!&%$
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