第五讲生物催化氧化反应省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物催化氧化反应l第1页生物催化氧化反应l催化作用原理和特点 l羟化反应l烯烃环氧化 l拜依尔-维利格反应 l芳烃双羟基化反应 l多元醇区域选择性氧化 l第2页催化作用原理和特点 l生物催化氧化反应主要由三大类酶所催化：l单加氧酶l双加氧酶l氧化酶l第3页生物催化氧化反应以下所表示l第4页l单加氧酶（mono-oxygenase）催化加氧反应是将分子氧中一个氧原子偶合到底物分子中，另一个氧原子被还原，普通被NADH（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADPH（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）还原形成水；l第5页l双加氧酶（dioxygenase）催化加氧反应是将O2两个氧原子连续地偶合进底物分子中；l氧化酶（oxidase）催化氧化反应是将分子氧作为直接电子受体，催化底物脱氢，脱下氢再与氧结合生成水或过氧化氢。l第6页羟化反应l烷烃和芳香烃羟化按单加氧酶催化反应机制进行。主要介绍：l烷烃羟化反应l芳香族化合物羟化l第7页l单加氧酶催化反应往往用完整微生物细胞作为生物催化剂，这么比较也有利于NADH或NADPH循环使用。l第8页1烷烃羟化反应l有机化学合成中几乎不能将碳氢化合物中非活泼C-H键羟化，而生物转化反应则能够直接进行羟化反应。比如，甾体分子中许多位置选择性羟化反应能用适当微生物来催化：l第9页黄体酮l第10页l如黑根霉或黑曲霉能立体选择性催化孕甾酮（10.11）11-羟化，这么可省去常规化学合成中许多步骤，大大降低11-羟基孕甾醇酮生产成本；弗氏链霉菌（Streptomyces fredial）能将化合物（10.12）C11位-羟基化；l第11页9-氟氢可松石胆酸l第12页l玫 瑰 产 色 链 霉 菌 能 将 9-氟 氢 可 松（10.13）16位-羟基化；木贼镰孢菌生物催化可使石胆酸（10.14）7-羟化，并含有高度选择性。l第13页e.e.91%l区域选择性l对映异构体选择性l第14页l微生物芽孢杆菌属Bacillus megaterium对烃（10.15）生物转化能形成不对称羟基化产物，而且其羟基化反应含有区域选择性（69）和对映体选择性，该反应收率为31，对映体过量（e.e.）为91%，反应没有得到芳基氧化或过氧化产物。l第15页2芳香族化合物羟化l苯环羟化反应有机合成用重氮盐水解或其它取代法，包括反应步骤繁多且副产物也多。而单加氧酶能催化邻、对位取代芳烃立体选择性羟化。l第16页l以真菌、酵母菌、高等生物体细胞单加氧酶催化芳烃羟化反应为模型，研究发觉其反应机理第一步是对芳香族化合物进行环氧化，生成不稳定中间体芳烃氧化物，该中间体经过氢负离子迁移重排生成苯酚产物，详细反应机制以下所表示。l第17页l第18页l芳香族化合物选择性羟基化也能够经过使用完整细胞催化进行。比如，6-羟基烟酸(10.16)是以烟酸为原料，在Pseudomonas sp 或Bacillus sp 催化作用下完成。l第19页l普瑞特罗(Prenalterol)（10.18）是一个治疗心血管疾病药品，可由刺孢小克银汉霉细胞催化其底物前体（10.17）区域选择性羟化而制得，该反应不含有对映选择性，因而产物为消旋体。普瑞特罗l第20页烯烃环氧化l合成小分子环氧化物能够利用单加氧酶催化烯烃环氧化反应来制备，而且还能够制得传统化学法所不能制备产物。在单加氧酶催化烯烃环氧化反应过程中，需要辅酶（NAD(P)H）和分子氧直接参加。l第21页l如食油假单胞菌能催化烯烃环氧化反应，另外还发觉各种细菌也可催化烯烃环氧化，所生成环氧化物绝对构型大多数是R型，微生物催化烯烃环氧化反应以下。l第22页l环氧化物构型和光学纯度与所用菌种和底物相关。如Pseudomonas oleovorans lR1=H、n-C5H11、n-C7H15 时产物为R构型，e.e.=60-80%lR1=NH2COCH2C6H4O、CH3O(CH2)C6H4O 时为S构型，e.e.=97%l第23页l又如菌种Mycobacterium sp lR1=H时产物为R构型，e.e.=98%；R1=PhO-时产物为S构型，e.e.=80%l第24页拜依尔-维利格反应l是一个合成酯或内酯含有很高应用价值合成方法。酮在过氧羧酸作用下氧化生成酯或内酯反应称为拜尔-维利格反应。生物催化拜尔-维利格反应黄素辅基中间体与过氧羧酸类似，作为亲核试剂进攻羰基碳。l第25页l酶法催化拜尔-维利格反应含有立体选择性，潜手性酮能经过环己酮单加氧酶不对称氧化生成对应内酯，氧插入含有很高选择性。l第26页（Nl第27页l比如Acinetobacter sp环己酮单加氧酶可将潜手性酮不对称氧化为对应内酯，氧插入位置取决于4-位取代基R性质，其产物立体构型取决于中间体中基团迁移能力：当R为CH3O、Et、n-Pr和t-Bu时，产物为S构型；但当4-位为n-Bu时，其产物转变为R构型，环己酮单加氧酶催化反应以下所表示。l第28页l第29页 芳烃双羟基化反应 l双加氧酶分子中通常都含有一个血红素复合物和一个铁离子，它催化分子氧中两个氧原子与底物相结合。微生物细胞中双加氧酶能够催化芳烃化合物氧化为内过氧化物中间体，该中间体再被还原酶催化还原为顺式连二醇，生成手性顺式二醇，双加氧酶催化芳烃顺式二羟基化反应历程以下。l第30页l第31页l恶臭假单胞菌突变菌株能催化不一样取代基芳香族化合物转化为对应手性顺式连二醇。该菌株对单取代苯和对位双取代苯顺式二羟基化所得连二醇产物构型相反。l第32页l比如，将单取代苯对位用碘取代，苯环经双加氧酶氧化后经过还原反应再除去碘得到连二醇产物(10.20)，它构型与单取代苯反应后得到连二醇产物(10.19)构型相反。l第33页l这种构型转变与对位取代基团性质相关，普通碘效应大于氟和甲基，且碘最终轻易用还原法除去。l第34页-萘甲酸联苯类化合物l第35页l-萘甲酸能够被睾丸酮假单胞菌A3C氧化为顺式连二醇（10.21）。还有报道用基因工程技术构建了一株高表示甲苯双加氧化酶工程菌珠，这种菌可把联苯类化合物顺式二羟基化为对应连二醇类化合物（10.22）。l第36页l第37页多元醇区域选择性氧化l利用生物催化剂马肝醇脱氢酶(HLADH)对潜S型（pro-S）或潜R型（pro-R）羟基氧化含有很好选择性。l第38页1,5-二醇l马肝醇脱氢酶l第39页l如1,4-或1,5-二醇中，所得还原产物羟基醇会自然环合形成更稳定5或6元环状半缩醛，最终再被HLADH氧化形成对应内酯。l第40页生物催化还原反应生物催化还原反应 l第41页生物催化还原反应 l催化作用原理和特点 l酮还原反应 l烯烃还原反应 l第42页催化作用原理和特点 l生物催化还原反应使用最多是脱氢酶，它可广泛用于催化醛或酮羰基以及烯烃碳-碳双键还原反应。假如所转化底物是潜潜手手性性，则能够得到手性产物手性产物。l第43页l惯用脱氢酶有面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶，它们催化酮不对称还原，所得还原产物仲醇对映体过量率可靠近100。l这一类酶已被广泛地用于醛和酮还原反应中，尤其是在手性醇合成上，含有广泛应用前景。l第44页l脱氢酶催化酮或烯烃还原反应原理是首首先先脱脱氢氢酶酶在在还还原原型型辅辅酶酶参参加加下下使使底底物物加加上上1分分子子氢氢，而而还还原原型型辅辅酶酶本本身身转转化化为为氧氧化化型型辅辅酶酶；为为了了使使还还原原反反应应继继续续进进行行，需需要要加加入入第第二二种种辅辅助助底底物物，作作为为氧氧化化型型辅辅酶酶再再生生电电子子和和质子供体质子供体。l第45页酶偶联法辅酶循环酶偶联法辅酶循环l l第46页l惯用辅酶有NADH辅酶I（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADPH辅酶 II（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），普通有80氧化还原酶以NADH作为辅酶，10氧化还原酶以NADPH为辅酶。少数氧化还原酶以黄素单核苷酸FMN和黄素腺嘌呤二核苷酸FAD作为辅酶。l第47页酮还原反应l脱氢酶能够选择性还原醛或酮为手性醇。在脱氢酶作用下，氢负离子从醛或酮基一个潜手性面（Si面或Re面）进攻，从而将醛或酮还原为手性(R)-或(S)-醇。l第48页l而且大多数情况下，脱氢酶立体选择性服从Prelog规则，即H从从空空间间位位阻阻小小方方向向对对羰羰基基进进攻攻，形形成成构构象象稳稳定定优优势势中中间间体体，所以由底物立体结构能够预测反应产物。l第49页 酮还原反应主要内容 l1马肝醇脱氢酶催化酮还原l2酵母细胞催化酮还原l3其它微生物细胞催化酮还原l第50页1马肝醇脱氢酶催化酮还原l马马肝肝醇醇脱脱氢氢酶酶(HLADH)是惯用脱氢酶，其最大用途是还原中等大小单环酮（四到九元环）和双环酮，无环酮被还原时立体选择性低，含有空间位阻和分子结构大于萘烷酮不宜作为该酶底物。l第51页l含有空间位阻笼状多环酮，如2-三三环环癸癸酮酮外外消消旋旋体体(10.23)被HLADH还原后，能够得到外醇和未反应对映体酮，产物对映体过量率分别为e.e.90%和e.e.68%，反应以下。l第52页lHLADH催化内消旋体顺式十氢萘-2,7-二酮、反 式 十 氢 萘-2，6-二 酮 和 无 手 性1,2,3,4,5,6,7,8-八氢萘-2,6-二酮详细反应以下。l第53页l第54页l还原后产生含有高度光学活性(S)-醇，产物对映体过量率大于98，所以对于二环或多环酮分子中桥头碳原子不能发生消旋化而使构型保留。l第55页2酵母细胞催化酮还原l面面包包酵酵母母或称酿酿酒酒酵酵母母是酮不对称还原中应用最广泛微生物。酵母完整细胞中含有可催化氧化还原反应各种脱氢酶和辅酶，所以不需要额外添加辅酶循环再生系统。经过微生物转化，酵母细胞能够还原简单脂肪族酮或芳香族酮形成对应S醇，产物含有较高光学纯度。l第56页l第57页l长长链链脂脂肪肪酮酮(如正丙基酮、正丁基酮和苯基酮)不能被酵母还原。只有酮分子中有甲基酮才能被酵母催化还原。环状-二酮可被选择性地还原为-羟基酮，而不产生二羟基化合物，式中R基团不一样，产物顺反式百分比有显著差异。酵母细胞还原环状-二酮过程以下：l第58页l第59页3其它微生物细胞催化酮还原l第60页l在前列腺素PGE2全合成中，毛霉属（M.ramamnicus）可选择性还原主要光学中间体环戊烷三酮其中一个羰基为醇，环戊烷三酮选择性生物催化还原过程以下。l第61页l第62页l其 它 霉 菌 如 孢 子 丝 菌 属（Sporotriahum exile）、新月弯孢霉和出芽短柄霉也可选择性地将一些潜手性单元羰基化合物转化为对应手性化合物，作为合成许多复杂天然产物分子手性中间体。其它微生物细胞催化酮选择性还原反应过程以下：l第63页l第64页烯烃还原反应l用传统化学法选择性还原碳碳碳碳双双键键是十分困难，而脱脱氢氢酶酶催催化化烯烯烃烃双双键键还还原原成成饱饱和和烷烷烃烃含含有有很很高高立立体体选选择择性性，而且含有较广底物适用性。l第65页l酵母细胞对烯酸酯还原反应历程是先水水解解后还原。后还原。l第66页l比如，酵母催化2-氯-2-烯酸甲酯结构中烯烃双键得到产物是含有高度光学活性2-氯烷基羧酸。l第67页 R 产物构型 光学纯度e.e./%C2H5 ER 47C2H5 ZS 98CCl3 ES 98l第68页l在这种还原反应中，产物绝对构型是由起起始始烯烯烃烃顺顺、反反(E、Z)异异构构体体来来决决定定，因因而而分分别别得得到到(R)-或或(S)-型型取取代代烷烷基基酸酸。还原酶对Z-型烯烃手性识别很好，而对E-型烯烃识别较差。l第69页香茅醇牻牛儿醇牻牛儿醇l第70页l对于-取代或-取代烯丙醇中C=C双键可被面包酵母还原生成手性醇。比如牻牻牛牛儿儿醇醇（10.24）被还原为香香茅茅醇醇（10.25）(e.e.为97)；1,3-共轭二烯（10.26）仅,-双键被还原生成（10.27）。l第71页l谢谢！l第72页