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Chirotechnology and biocatalysis

手性技术与生物催化



全 文 :手性技术与生物催化
孙志浩!
(江南大学 生物工程学院,无锡 !"#$%&)
摘 要:简要介绍了手性,手性技术与生物催化的基本概念。手性,是指一个有机分子具有不对称性,形成两种空
间排布方式不同的对映异构体。手性技术即生产手性化合物的技术,手性化合物的制备方法主要有手性源、外消
旋体拆分、不对称合成等几种。生物催化,即利用酶或微生物等生物材料催化进行某种化学反应,被认为是手性化
合物生产取得突破的关健技术。文章还介绍了生物催化外消旋体拆分、生物催化不对称合成等几种生产手性化合
物的应用实例。
关键词:手性;手性技术;生物催化;外消旋体拆分;不对称合成
中图分类号:’("# 文献标识码:) 文章编号:"&*! + %&*((!$$#)$# + $$$& + $,
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4 手性化合物的认识与发展(<1284=29:)
手性,是指一个有机分子具有不对称性,即其中
某一原子(如碳)相连接的四个原子或基团互不相
同,形成两种空间排布方式不同的对映异构体,互成
镜像,不能重合。当一个物体不能与其镜像重合时,
被称为手性对映体。!$ 世纪 &$ 年代,手性概念进
入化学领域。手性分子化合物的宏观物理现象是光
学活性。光学纯的手性化合物是指单一对映异构体
的手性化合物。
在生物体中,具有重要生理意义的活性物质大
多数都是具有旋光性的物质,并仅以一个对映体存
在。生物大分子,如蛋白质、多糖、核酸和酶等,几乎
都是手性的。生物体中构成蛋白质的氨基酸都是
63构型,天然存在的单糖则多为 R3构型,生物体中
R/)又都是右螺旋结构。自然界的生命活动中,分
子手性起到极为重要的作用,可认为生命本身就依
! 收稿日期:!$$#3$*3$%
基金项目:S*%项目课题(!$$%I?*"&$$()及国家自然科学基金项目(!$#*&$%S)资助
作者简介:孙志浩("S#"3),男,教授,博士生导师,研究方向:生物催化与手性技术。
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生 物 加 工 过 程
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第 !卷第 #期
!$$#年 ""月
万方数据
赖于手性的识别,分子手性识别在研究生命活动和
生命物质产生中都起着极为重要的作用。
药物的有效生物活性也与手性立体结构密切相
关。经过多年来对许多手性化合物的对映异构体进
行深入研究,认识到手性化合物的对映体构型与药效
有非常重要的关系,一般手性药只有其中一个对映体
具有生理活性。含手性结构药物的 !个对映体,其生
物活性往往存在很大差异,可以相差数十倍、百倍甚
至完全相反的药理作用或毒性。例如(!)"天冬酰胺
有甜味,而天然的(")"天冬酰胺则是苦的;(")"( #)"
香芹酮有芫荽的香味,而其(!)"异构体则有留兰香的
香味;(!)"苎烯有桔子香味,而其(")"异构体则有柠
檬香味;左旋抗坏血酸(即 $%)可用于治疗坏血病,而
其右旋体则无效;&"四咪唑是驱虫剂,’"四咪唑有毒
又不能驱虫;舞毒蛾性引诱素 ()*+,-./-0是舞毒蛾的
性信息素,其一种对映异构体在极稀的浓度就有活
性,而另一异构体即使在极高的浓度也无活性;!"受
体阻断药(")"普萘洛尔(+-1+-,21.1.)比其(!)"异构体
的活性高 34倍;非甾体抗炎药(")"萘普生(2,+-1502)
的活性比其(!)"异构体高 67倍。
近几十年来在医药治疗、农药施用和环境污染
上相继发生了许多严重的事故,都与光学异构体杂
质有关,引起了各国注意。其中最为世人震惊的是
所谓“反应停事件”。!8 世纪 98 年代,在欧洲市场
上销售一种抗妊娠反应的镇静药沙利度胺(:;,.)(1"
<)(0,酞胺哌啶酮,商品名反应停)。外消旋的沙利
度胺曾是有效的镇静剂和止吐药,尤其适合在早期
妊娠反应中使用,妊娠妇女用药后,发生了数千例短
肢畸胎。由于沙利度胺的任一异构体在体内都能转
化为其对映体,都有致畸作用。
不幸的事故引起各国对手性药物光学异构体之
间的生物活性、药理毒理研究的重视,=33!年,美国
>’?对具有手性分子的药物提出了光学活性医药品
的管理要求和政策。规定提出含手性分子药物最好
以单一异构体形式申报,对用消旋体申报的药物,需
提供各对映体及消旋体分别进行的药理和毒性试验
报告,否则会被认定含有 78@的杂质而遇到麻烦,
难以批准。另外,对已上市的消旋体药物,也鼓励开
发单一异构体,可作为"类化学品,也可作新药提出
申请,并能得到专利保护(7 年)。此方法也为加拿
大、欧洲、日本等国采用。我国国家药检部门也已对
具有手性因素的药品制订严格法规要求。
有人统计了 =333年美国 >’?批准上市的 6A种
新药中有 =4种为手性药物,占 B3@,而 =4种中有 =9
种为光学纯药物,占 44@。据有关机构调查,目前
世界上正在开发的 = !88种药物中,有 4!8种属于手
性药物,其中 9=!种以单一对映体在开发,占世界正
在开发药物总数的 7=@,!8B种以消旋体在开发,占
=A@,非手性的为 64B种,占 6!@。可见正在开发中
的药物有三分之二是手性的。当前,手性药物已成
为国际新药研究与开发的新方向之一。=333 年单
一异构体手性药物销售额达到 = =78 亿美元,比
=334年增长 =9@,占世界药品市场 6 988亿美元的
6!@,=337 C =333年的 7年内全球单一异构体药物
销售额翻了一番,占世界药品市场份额从 = D 7增加
到 = D 6。据专家预测到 !887年,全球上市的化学合
成新药中约有 98@的为单一异构体药物。手性药
物的不断增加改变着化学药物的构成,成为制药工
业的新宠儿。
与此同时,手性问题在营养保健品、食品,饲料
添加剂,农药及其它精细化学的领域中也开始受到
关注和重视。可以说,以单一异构体形式产品上市,
是手性药物及其他手性化合物的发展趋势,这也是
生产企业和科技工作者面临的挑战和机遇。
手性与手性技术已成为目前的重大课题和关注
的热点之一。许多大制药公司投入巨资开发手性技
术和产品。国外还出现了许多专业手性技术公司,
纷纷提供手性中间体,手性技术服务(=336 年美国
精细化工会上,展示手性技术的厂家多达 =88 家以
上)。兴起了手性技术的研发热潮。
! 手性技术
手性技术(E;)-1:0E;21.1FG),按照文字上来讲,即
生产手性化合物的技术,亦有人称手性合成(E;)-,.
*G2:;0*)*)。手性合成也称为不对称合成,就是在反
应体系中引入不对称因素,如手性试剂、手性辅助
剂、手性催化剂等,是一个前手性反应底物选择性地
转化成一个具有旋光活性的手性产物的反应过程。
!H= 手性化合物的制备方法
从手性技术角度分,我们将对映纯化合物的制
备归纳为:#手性源,$消旋体拆分,%不对称合成
等几种主要方法。
!H=H= 手性源(E;)-,. +11=)
所谓手性源法,可以是从天然存在的光活性化
合物中获得,或由天然来源的手性物质经化学改造
!88B年 ==月 孙志浩:手性技术与生物催化 · A ·
万方数据
或定向合成,得到目标手性化合物。
由天然来源获得手性化合物,原料丰富,价廉易
得,生产过程简单,产品旋光度高。许多大宗手性产
品,如糖、氨基酸、生物碱等,都是用此法生产的。化
学拆分法和不对称合成中使用的许多手性试剂,也
有从天然来源取得的。
天然存在的手性化合物通常只含一种对映体,
用它们作起始原料,经化学改造制备其它手性化合
物,无需经过繁复的对映体拆分,利用其原有的手性
中心,在分子的适当部位引进新的活性功能团,可以
制成许多有用的手性化合物。例如,由天然存在的
( !)"樟脑衍生出超过 #$种的手性试剂。也有从手
性源定向合成,即在化学合成过程中引入手性源物,
可方便地合成手性化合物。天然的氨基糖、羟基酸
等,有机合成的旋光性醇、胺、环氧化合物都可作为
手性源物,工业生产的地尔硫卓、左氧氟沙星即应用
了手性源法。
%&#&% 消旋体拆分(’()*+,-.*/)
外消旋体拆分是指将外消旋混合物中的两个对
映体进行分离的方法,包括物理拆分、化学拆分和生
物拆分。
物理方法拆分有诱导结晶法,色谱法等。选用
拆分法技术时,应考虑其中的一种对映体能否优先
结晶,可以利用两个对映体在不同条件下的溶解度
不同进行分离。在开始研制手性化合物时,有条件
时用手性色谱柱可以直接分离对映异构体。先用手
性色谱柱分离小量的对映异构体,进行初步的药理
试验,认为有前景时再进一步开发。手性柱色谱分
离对每种异构体产率,光学纯度(对映体过剩,
! & ! & 0)都很高,操作费用也不高,被认为是研制对
映体药物的首选方法。但商业规模放大的手性柱色
谱应用例不多。据报道,在对映体选择性分离拆分
中现已达到吨级规模(123公司,每年从消旋体生产
""4"氯"#"苯丙醇 #$ $$$ 56,作为中间体供 7.++8公司
制备抗抑郁药氟西汀 9+,*:(-./()。
化学或生物拆分用手性化学试剂把外消旋混合
物中的两个对映体转变成非对映异构体,再利用两
种非对映体异构体的物理性质差别,将其分开。或
用生物酶或含有的活性酶的微生物菌体作生物催化
剂,将其中一个对映体进行选择性转化,达到外消旋
体拆分分离的目的。外消旋化合物拆分是目前手性
化合物制备的经典方法和主要途径。
化学拆分法是大多数化学工作者都比较熟悉、
容易做到、在许多情况下也是行之有效的。这种老
方法至今仍普遍被采用。但化学拆分方法有其局限
性:!拆分剂和溶剂的选择是经验性的,拆分过程较
长;"产率通常不高;#拆分得到的对映体,旋光纯
度通常不够高,多数情况需经多次重结晶;$对于一
些不能形成良好结晶的手性化合物不适用。“生物
拆分法”用微生物(或酶)生物催化剂拆分外消旋体,
可以弥补化学拆分法的某些不足,展现了广阔的应
用前景。
生物拆分法的优点:!生物催化剂催化的反应
通常具有高度的立体专一性。因此,得到的产物旋
光纯度很高,适于作各种生物活性和药理试验;"副
反应少,产率高,产品分离提纯简单;#生物催化剂
催化的反应大多在温和的条件下进行,温度通常不
超出 $ ; <$ =区间,>?值接近中性。因此没有设备
腐蚀问题,生产安全性也高;$生物催化剂无毒,易
降解,对环境友好,适于工业化大规模生产。
%&#&4 不对称合成(@)8AA(-’.B )8/-C().))
不对称合成也称为手性合成,是指在手性环境
中,由潜手性化合物(或非手性前体)出发,用化学方
法、生物方法转化为手性产物的方法。它被称为是
目前最有效、最通用的方法。近数十年来有机化学
中不对称化学合成方法的发展很快,促进了手性化
合物合成工业的发展。例如金属有机化合物的利
用,同种异物体的均相金属催化(A(-@+ B@-@+8D(E C*"
A*6(/*,))、多相金属催化(C(-*’*6(/*,) B@-@+8D(E)和
相转移催化(>C@)( -’@/)9(’ B@-@+8).))以及电化学和光
化学技术的应用等。新的手性技术研究,例如“不对
称放大”(@)8AA(-’.B @A>+.9.B@-.*/)、“手性合成子”
(BC.’@+ )8/-C*/))、“手性助剂”(BC.’@+ @,:.+.@’.())等近
年也取得了卓著成就。最近报道,%$$$年诺贝尔化
学奖授给了不对称化学合成手性技术研究的几位科
学家。
不对称化学合成技术很巧妙,而且经济。但总
的来看不对称化学合成方法也有一定难度,反应步
数较多,要使用价昂的对映体试剂(二磷配体与铱、
铑、钌的络化物等)。因此在实际应用上,特别是工
业生产上能有效应用的尚不多见。已用于工业生产
的实例,有美国 F*/)@/-*公司采用不对称催化氢化
反应工业生产 7"多巴,G/.B H/.BC(A公司生产 7"苯
丙氨酸等。
%$世纪末生物技术的飞跃发展,也为手性化合
物的工业生产提供了新的途径。微生物或酶催化不
· I · 生物加工过程 第 %卷第 J期
万方数据
对称合成(也称生物催化合成),能高度立体选择性
地制备手性化合物。选择性生物催化合成已成为合
成手性化合物的最有意义方法之一,适用于大规模
的工业生产。传统发酵、固定化细胞、固定化酶以及
有机溶媒和水双相转化等技术,使选择性生物催化
能适用于各种规模的工业生产。从另一角度看,应
用选择性生物催化方法不会产生有毒的副产物,在
环境污染问题方面比传统化学合成方法要小得多,
甚至不存在污染问题,对环境是友好的。
! 生物催化(!"#$%&%’()"))
生物催化,即利用某种生物材料(主要是酶或微
生物)来催化进行某种化学反应。有些教科书泛指
“生物转化”(!"#&*%+),#*-%&"#+或 !"#$#+./*&"#+)。例如
微生物转化反应(-"$*#!"%’ &*%+),#*-%&"#+ 或 -"$*#!"%’
!"#$#+./*&"#+),确切地说是利用微生物代谢过程中某
个酶或一组酶对底物进行催化反应。
应用于手性技术的主要是选择性生物催化。其
特点是对底物有高度的立体选择性,不仅有化学选
择性($0/-#)/’/$&"."&()和非对映异构体选择性(1"2
%)&/*/#/ )/’/$&"."&(),并且有严格的区域选择性(*/2
4"#)/’/$&"."&()、面选择性( ,%$/ )/’/$&"."&()和对映异构
体选择性(/+%+&"#3/ )/’/$&"./)。选择性生物催化特
别适用于手性合成与手性拆分,它不需要手性分离
介质、手性试剂、手性溶剂、手性配基、手性催化剂
等,可直接将化学合成的外消旋衍生物、前体或潜手
性化合物转化成单一对映异构体的光学活性产物。
它能催化合成各种立体异构体,也适用于许多不稳
定化合物,如!2内酰胺抗生素的制备。生物催化的
优点还有:反应条件温和(常温、常压),设备简单,生
产安全,反应速率快,反应步骤少,副反应少,收率
高,产品光学纯度高,环境友好等。符合 56世纪“绿
色化学”的要求,被认为是手性化合物生产取得突破
的关健技术。
786 生物催化的主要方式
生物催化几乎能应用于所有化学反应,对于有
些很难进行、甚至不能进行的化学反应也能应用。
目前,生物催化已涉及羟基化、环氧化、脱氢、氢化等
氧化还原反应;水解、水合、酯化、酯转移、脱水、脱
羧、酰化、胺化、异构化和芳构化等各类化学反应。
生物催化材料有酶,微生物菌体,马、猪、兔和木瓜
等动植物的组织及细胞。在手性合成中应用较多的是
水解酶,氧化2还原酶和面包酵母等微生物。应用于手
性合成中的选择性生物催化反应主要有:"水解反应;
#氧化2还原反应;$碳2碳键的不对称合成等。
生物催化的方式计有添加前体发酵法,游离酶,
休止细胞,固定化酶,固定化细胞等,可以在水相,有
机相和水2有机溶剂双相等溶剂系统中进行。
785 生物催化生产手性化合物应用例
78586 微生物或酶的手性拆分
微生物或酶法拆分已经广泛使用。用水解酶类
如脂肪酶、酯酶、蛋白酶、酰胺酶、腈水合酶、酰化酶
等,对外消旋底物进行不对称水解或合成,使其拆分
以得到手性化合物。
例如:采用酰基转移酶 9(%$(’%)/ 9)拆分化学合
成的消旋体 :2酰基2氨基酸来制取对映体纯 ;2或 <
构型氨基酸,在氨基酸工业生产上是非常重要的方
法(见图 6)。
图 6 氨基酰化酶水解拆分乙酰2;<2氨基酸生产 ;2或 <构
型氨基酸
="486 >(1*#’(&"$ */)#’?&"#+ #, %$/&(’2;<2%-"+# %$"1) &# ;2 #* <2
%-"+# %$"1) !( %-"+# %$*(’%)/
将化学合成的 ;<2氨基酸乙酰化后,用米曲霉
的酰基酶水解拆分,可得到 <2氨基酸和 ;2乙酰氨基
酸。;2异构体可经消旋反复利用再拆分,理论上可
得到 6@@A的单一异构体,用此方法也可获得非天
然的 ;2氨基酸。(如 ;2丙氨酸,B,"C/* 公司人工甜味
剂 %’"&%-/的组成分)。这是比较经典的酶法拆分方
法,这种方法几乎适用于所有合成法生产的 ;<2氨
基酸的拆分。
由于合成 ;<2氨基酸成本低廉,不少 <2氨基酸
可以用酶法拆分制备。利用氨基酰化酶进行乙酰2
;<2氨基酸不对称水解反应,然后再利用生成的 <2
氨基酸与 :2酰化2;2氨基酸的溶解度之差进行分离,
所制得的 <2氨基酸光学纯度好、收率高,而且 ;型
组分很容易消旋化。6DEE 年这种方法就已用于工
业生产,6DFD 年日本 制药的千癅一郎(G0"!%&% 9)
5@@H年 66月 孙志浩:手性技术与生物催化 · D ·
万方数据
开始采用固定化酶装置连续生产。固定化米曲霉
(!"# ! $%&’())产生的氨基酰化酶柱非常稳定,(酶活
性下降时可补加酶溶液进行简单的再生),使用期达
"年以上。一个 # $$$ %酶柱月产量 #$ & ’( )。此方
法适用于多种 %*氨基酸的生产。这种方法曾用于
生产 %*丙氨酸、%*蛋氨酸、%*色氨酸、%*缬氨酸等。
我国最近报道筛选了高酶活的菌种,用于 %*蛋
氨酸的生产,并较好地解决了 +*乙酰蛋氨酸的消旋
问题。可望实现大规模工业化生产。
’!(!( 生物催化不对称合成
用酶,主要是微生物酶,如氧化还原酶、合成酶、
裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶等,直接将前体化
合物不对称合成或转化多种相应的手性醇、酮、醛、
酸、酯、胺衍生物,以及各种含磷、硫、氮及金属的手
性化合物。
微生物酶直接合成或转化,很多情况下,可将非
手性或手性前体 #$$,转化成手性目标产物。例如
早期的甾体化合物微生物氧化可的松、氢化可的松
生产 ##!*醇和 ##"*醇,近年 -*./.、0*.1.、%*天冬氨
酸、%*丙氨酸、%*苹果酸、%*酒石酸、+*对羟苯甘氨酸
等的工业化都是很典型的例子。在合成中引入生物
催化技术已愈来愈受到重视并取得了许多成就,也
展示了手性化合物制备的良好前景。
固定化细胞方法生产 %*天冬氨酸是比较经典
的实例,技术已经比较成熟。大肠杆菌(* ! +$,-)含
有大量的天冬氨酸酶,它能将延胡索酸转化为 %*天
冬氨酸,见图 (。细胞经培养发酵后,离心收集菌
体,采用卡拉胶固定化细胞。将含天冬氨酸酶的固
定化大肠杆菌装填于填充床式反应器(#2$ 34 5 ($$
34)中,制成柱式生物反应器。将 ’0 6的 # 478 9 %
延胡索酸铵(含 8 4478 9 % :;18(,<=>!")底物溶液按
一定空间速度(?@)连续流过生物反应柱,控制达到
最大转化率( A B",)时,收集转化液。转化液经过
滤澄清后,搅拌下用 8 478 9 % =18调节为 <= (!>," 6
结晶过夜,滤取晶体,用少量冷水洗涤抽干,#$" 6
干燥得 %*天冬氨酸。
图 ( 固定化细胞生物转化制备 %*天冬氨酸
CD;!( /EF日本日触公司的生产过程已经有了很大改进,
用重组大肠杆菌使发酵酶活力由 #$ 5 #$2 O 9 P+提
高到 0"$ 5 #$2 O 9 P+,改进固定化方法使固定化细胞
酶活力由 # "$$ O 9 4%提高到 ’ $$$ O 9 4%,生产能力
达到 # 4’固定化细胞每年生产 #$ $$$) %*天冬氨酸。
酶法生产 %*赖氨酸也是大规模生物催化不对
称合成的生产实例,见图 ’。
图 ’ 酶法生产 %*赖氨酸
CD;!’ /EF用环已烯合成的价廉的 +%*!氨基*$已内酰胺
(+%*.1%)原料(生产尼龙原料己内酰胺副产物),用
卢氏隐球酵母(.%&#/$+$++0" ,(0%)1/--)生产的水解酶
水解其中 %*.1%组分而生成 %*赖氨酸,未水解的 +*
组分可用奥贝无色杆菌( !+2%$3$4(+/)% $4())等细菌
产生的消旋酶(RG3F4GJF)消旋。两种酶协同作用,
酶反应在底物浓度 $!> 478 9 %条件下,<=>!$,2$ 6,
(" Q,转化率几乎 #$$,,产品光学纯度达到 BB!",
) ! ) ! 。
(下转第 #-页)
·#$· 生物加工过程 第 (卷第 2期
万方数据
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(上接第 !W页)
该方法已达到年产万吨规模,成为目前与发酵
法同时并存的两种生产 JE赖氨酸方法之一。我国
尚未见研究成功的报道。
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·!Q· 生物加工过程 第 D卷第 "期
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