第六讲典型生物催化的反应生成.ppt

第六讲典型生物催化的反应生成现在学习的是第1页，共61页1、醛缩反应以醛缩反应为基础的CC键不对称形成是 有机合成中的难点缺点：需要大量辅助试剂 需要使用金属烯醇复合物（不稳 定）或其类似 物来实现立体选择 在有机溶剂中低温进行（亲酯性）醛缩酶催化现在学习的是第2页，共61页最早在70多年前发现，催化己糖和其3C亚基反应目前底物范围广，酶种类非常多在醛或者酮的羰基上高度立体选择性的加 上1C、2C或者3C部分主要有两类：不需要金属辅酶（高等植物和 动物中），反应中形成希夫碱动物中），反应中形成希夫碱 需要Zn2+，主要存在于细菌 和真菌中 现在学习的是第3页，共61页现在学习的是第4页，共61页现在学习的是第5页，共61页酮为供体，醛为受体绝大多数醛缩酶对供体底物（亲核试剂）结构要求很高，对受体底物（亲电试剂）结构要求不高根据供体底物的类型分为四组，受体为醛，反应后受体醛的碳链分别延长2-3个C现在学习的是第6页，共61页现在学习的是第7页，共61页现在学习的是第8页，共61页Fructose-1,6-diphosphate aldolase(RAMA:rabbit muscle aldolase)如果C5是有手性的，则其立体选择性不高，获得一对非对映体产物现在学习的是第9页，共61页R R（天然底物）（天然底物）R R（非天然底物）（非天然底物）D-D-或或L-L-苏糖苏糖H,Me,Et,n-Pr,i-Pr,CH=O,COOH,CHH,Me,Et,n-Pr,i-Pr,CH=O,COOH,CH2 2F FD-D-或或L-L-赤藓糖赤藓糖CHCH2 2OCHOCH2 2Ph,(CHPh,(CH2 2)2 2OH,CH(OCHOH,CH(OCH3 3)CH)CH2 2OHOHL-L-阿拉伯糖，阿拉伯糖，D-D-核糖核糖(CH(CH2 2)2 2OMe,CHOHMe,CHOHCHOMe,CHOHMe,CHOHCH2 2OMeOMeD-D-来苏糖，来苏糖，D-D-木糖木糖CHCH2 2Ph,COPh,(CHPh,COPh,(CH2 2)3 3CH=OCH=OD-3-D-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛CHCH2 2P(O)(OEt)P(O)(OEt)2 2,2-,2-和和3-3-吡啶基，吡啶基，4-4-环己烯基，环己烯基，CHCH2 2OPOP，环氧乙烷基，环氧乙烷基现在学习的是第10页，共61页 底物范围：天然底物的结构类似物为底物，催化合成碳底物范围：天然底物的结构类似物为底物，催化合成碳水化合物或其类似物，如催化含氮或者含硫糖类以及脱水化合物或其类似物，如催化含氮或者含硫糖类以及脱氧糖等。氧糖等。受体醛和天然受体底物受体醛和天然受体底物D-3-D-3-磷酸磷酸-甘油醛结构差别很大，甘油醛结构差别很大，一般要遵循以下规则：一般要遵循以下规则：1 1、无位阻的脂肪族醛、无位阻的脂肪族醛、a-a-杂原子取代醛、保护的烷氧基醛可杂原子取代醛、保护的烷氧基醛可作为底物作为底物2 2、具有严重位阻的脂肪族醛，如三甲基乙醛不能作为底物，,-不不饱饱和和醛醛和容易和容易发发生生,消除反消除反应应的的醛醛也不能也不能作作为为底物底物3 3、芳香、芳香醛醛反反应应性很差性很差4 4、-羟羟基基醛醛的末端的末端羟羟基磷酸化基磷酸化产产物比未磷酸化底物反物比未磷酸化底物反应应速度速度快快 现在学习的是第11页，共61页供体要求非常严格，上式是可作为RAMA底物的DHAP类似物，反应速度降低一个数量级现在学习的是第12页，共61页糖类化合物合成抗HIV化学酶法合成现在学习的是第13页，共61页外性激素的合成外性激素的合成现在学习的是第14页，共61页提高对映体选择性（-取代醛产生消旋化）1、动力学控制2、热力学控制：产物稳定性，反应可逆3、形成的非对映体酮糖中的D-酮糖（DL）转化为D-醛糖，然后进行分离纯化现在学习的是第15页，共61页现在学习的是第16页，共61页醛糖的合成现在学习的是第17页，共61页现在学习的是第18页，共61页唾液酸醛缩酶：丙酮酸依赖型，用于制备体外-酮酸衍生物 丙酮酸需要过量：平衡常数接近1现在学习的是第19页，共61页乙醛现在学习的是第20页，共61页R R赤型赤型苏型苏型R R赤型赤型苏型苏型MeMe93937 7PhCHPhCH2 2O(CHO(CH2 2)2 2-54544747PhCHPhCH2 2OCHOCH2 2-92928 8Ph(CHPh(CH2 2)3 3O(CHO(CH2 2)-)-92928 8现在学习的是第21页，共61页2 转酮醇酶以Mg2+和焦磷酸硫胺素（TPP）为辅酶催化羟甲基酮从一个磷酸酮糖分子转移到另一个磷酸醛糖分子中催化醛糖链选择性的延长2C羟基丙酮酸作为底物时，反应不可逆，存在脱羧反应，不需要TPP现在学习的是第22页，共61页现在学习的是第23页，共61页转酮醇酶可以从酵母和菠菜中提取基因工程菌高效表达比醛缩酶对醛基部分的手性识别能力强优先催化R对映体的反应，可以进行动力学拆分位无取代基的醛作为受体，反应的立体选择性降低现在学习的是第24页，共61页3 偶姻反应两分子醛缩合形成酮醇的反应面包酵母催化的偶姻反应与转酮醇反应相似反应机理：涉及到丙酮酸脱羧酶，催化丙酮酸脱羧形成C2单元，然后加成到醛上，形成R-羟基酮产物可被还原生成赤型二醇（，不饱和芳香醛和脂肪醛与酮酸反应生成手性二醇，是重要中间体，但是产率不高，只有1035左右），反应遵循Prelog法则，对映体过量值一般可以大于90现在学习的是第25页，共61页现在学习的是第26页，共61页现在学习的是第27页，共61页醛基和碳碳双键也可以被面包酵母还原现在学习的是第28页，共61页4 Michael加成反应常规偶姻反应的一种变体添加三氟乙醇作为底物（产物的绝对构型无法预测，但是R型产物可能性较大）推测反应机理：三氟乙醇被酶氧化成三氟乙醛，后者与焦磷酸硫胺素加成，然后酰基阴离子加成到CC双键上，形成三氟甲基酮中间体，继而被DH选择性还原，生成手性三氟甲基醇或相应的内酯现在学习的是第29页，共61页现在学习的是第30页，共61页水解酶催化的M加成反应现在学习的是第31页，共61页亲核试剂亲核试剂酶酶e.e./%e.e./%H H2 2OOCandida rugosa lipaseCandida rugosa lipase7070EtEt2 2NHNHCandida rugosa lipaseCandida rugosa lipase7171H H2 2OOPig liver esterasePig liver esterase6060EtEt2 2NHNHPig liver esterasePig liver esterase6969PhSHPhSHPig liver esterasePig liver esterase5050现在学习的是第32页，共61页加成和消去反应氰醇反应：醇氰酶催化氢氰酸不对称加成到醛或者酮分子的羰基上，形成手性氰醇高度的立体选择性，R-或者S-醇氰酶（来源）（来源）杏仁、李子、樱桃等中提取，以R型酶为主芳香醛是最适底物，取代基可以在邻位或者对位；杂环芳烃如呋喃、噻吩等也能够有效反应现在学习的是第33页，共61页链长不超过6C的直链脂肪醛和,不饱和醛、位甲基取代醛、甲基酮都可以作为底物，乙基酮转化率很低S-醇氰酶主要来源于高梁类植物，如三叶胶，苜蓿等反应速度较慢，产物光学纯度不高氰醇的消旋：酸性pH，水含量低，其他供体现在学习的是第34页，共61页现在学习的是第35页，共61页R R1 1R R2 2e.e./%(R)e.e./%(R)R R1 1R R2 2e.e./%(R)e.e./%(R)Ph-Ph-H H9494(E)-CH(E)-CH3 3CH=CH-CH=CH-H H6969P-MeOPh-P-MeOPh-H H9393C C2 2H H5 5-MeMe76762-furyl-2-furyl-H H9898n-Cn-C4 4H H9 9-MeMe9898n-Cn-C3 3H H7 7-H H92-9692-96(CH(CH3 3)2 2CH-(CHCH-(CH2 2)2 2-MeMe9898n-Cn-C5 5H H1111-H H6767CHCH2 2=CH(CH=CH(CH3 3)-)-MeMe9494t-Bu-t-Bu-H H7373Cl-(CHCl-(CH2 2)3 3-MeMe8484现在学习的是第36页，共61页R R1 1R R2 2e.e./%(S)e.e./%(S)R R1 1R R2 2e.e./%(S)e.e./%(S)Ph-Ph-H H96-9896-98m-Br-Ph-m-Br-Ph-H H9292m-HO-Ph-m-HO-Ph-H H91-9891-98p-Cl-Ph-p-Cl-Ph-H H5454p-HO-Ph-p-HO-Ph-H H94-9994-99n-Cn-C5 5H H1111-H H8484m-MeOPh-m-MeOPh-H H8989n-Cn-C8 8H H1717-H H8585m-PhO-Ph-m-PhO-Ph-H H9696CHCH2 2=CH-=CH-H H8484现在学习的是第37页，共61页水和氨的加成反应富马酸酶：水加成到富马酸形成水加成到富马酸形成L-L-苹果酸苹果酸天冬氨酸酶：氨加成到富马酸生成氨加成到富马酸生成L-L-天冬氨酸天冬氨酸 反式加成，底物特异性高，立体选择性好反式加成，底物特异性高，立体选择性好现在学习的是第38页，共61页现在学习的是第39页，共61页现在学习的是第40页，共61页糖基转移反应寡糖和多糖具有重要的生物学功能主要涉及：1、糖蛋白的分泌和胞内转移2、细胞间相互作用3、肿瘤形成4、病原体和细胞表面的相互作用现在学习的是第41页，共61页在基础研究和应用研究中都非常重要直接分离提取困难：不经济（含量低、类似物多）化学合成过程复杂，保护脱保护，总产率低生物合成是较好的选择现在学习的是第42页，共61页1、糖基转移酶（Glycosyl transferases）负责体内寡糖的合成 单糖需要磷酸化进行活化 核苷酸磷酸化Leloir 磷酸基团磷酸化非Leloir 高度的底物专一性和立体选择性 2、糖苷酶（glycosidases）水解酶类，水解多糖形成寡糖和单糖，专一性较差现在学习的是第43页，共61页每一个NDP糖有一个相应的转移酶现在学习的是第44页，共61页Leloir途径：二磷酸核苷糖（NDP糖）糖基转移酶-半乳糖基半乳糖基转转移移酶酶：糖基供体：糖基供体为为UDPUDPGalGal（尿苷二磷酸半乳糖）（尿苷二磷酸半乳糖）受受 体体产产 物物 Glc-OHGlc-OH-Gal-(1-4)-Glc-OH-Gal-(1-4)-Glc-OHGlcNAc-OHGlcNAc-OH-Gal-(1-4)-Gal-(1-4)-GlcNAc-OHGlcNAc-OH-GlcNAc-(1-4)-Gal-OH-GlcNAc-(1-4)-Gal-OH-Gal-(1-4)-Gal-(1-4)-GlcNAc-(1-4)-Gal-OH-GlcNAc-(1-4)-Gal-OH-GlcNAc-(1-6)-Gal-OH-GlcNAc-(1-6)-Gal-OH-Gal-(1-4)-Gal-(1-4)-GlcNAc-(1-6)-Gal-OH-GlcNAc-(1-6)-Gal-OH-GlcNAc-(1-3)-Gal-OH-GlcNAc-(1-3)-Gal-OH-Gal-(1-4)-Gal-(1-4)-GlcNAc-(1-3)-Gal-OH-GlcNAc-(1-3)-Gal-OH现在学习的是第45页，共61页LeloirLeloir 现在学习的是第46页，共61页非非LeloirLeloir 现在学习的是第47页，共61页糖苷酶：外糖苷酶，内糖苷酶较高的底物专一性，但不是绝对底物专一性，对糖苷配基缺乏特异性另一种亲核性强的化合物可与之反应形成新的糖苷化合物现在学习的是第48页，共61页糖苷合成的反应平衡：水有机相两相体系 活化的糖苷：转糖基反应，如氟化糖苷，芳基化糖苷（对硝基苯基糖苷）现在学习的是第49页，共61页卤化和脱卤反应含卤素的化合物：天然，人造 溴吲哚衍生物Tyrian紫染料 腓尼基人从软体动物中分离制得大约1000多种各种结构形式的卤代天然产物 细菌、真菌、藻类、高等植物、海洋软体动物、昆虫和哺乳动物F和I比较少（陆地生物）Cl和Br比较多（海洋生物）现在学习的是第50页，共61页卤化酶的生物学功能：不清楚，可能涉及到 生物的防御机制 比如：藻类合成卤素代谢物，不可食用研究历史比较短现在学习的是第51页，共61页卤化反应尽管有非常多的卤素代谢物被分离鉴定，但 是到目前为止，仅有一种卤化酶被分离纯 化卤素过氧化物酶（haloperoxidase）这种过氧化物酶在自然界中广泛存在催化如下反应（不包括F-）现在学习的是第52页，共61页酶分别称为氯、溴、碘过氧化物酶，名字反 映了它们所能氧化的最小的卤素唯一的卤化酶广泛的底物专一性 较低的底物选择性催化的反应中所引入的不对称因素较低霉菌：氯过氧化物酶 藻类、细菌：溴过氧化物酶现在学习的是第53页，共61页烯烃的卤化反应 1、反应机理和化学合成是类似的 2、卤正离子中间体（卤素原子的浓度）3、制备F化物的有效方法 4、前面氧化反应中介绍过烯烃的环氧化反应 5、各种CC双键：单独（丙烯）、共扼（丁 二烯）、连续（丙二烯）都可以反应 6、底物的空间结构大小影响不大（甾体）现在学习的是第54页，共61页现在学习的是第55页，共61页现在学习的是第56页，共61页现在学习的是第57页，共61页过氧化反应：副反应富电子容易反应现在学习的是第58页，共61页吸电子基团（羰基）活化的CH可以反应酶催化反应：温和的反应条件，用处不大现在学习的是第59页，共61页Reaction typeReaction typeStarting MaterialStarting MaterialProductsProductsReductive dehalogenationReductive dehalogenationC-XC-XC-H+XC-H+XOxidative degradationOxidative degradationH-C-XH-C-XC=O+HXC=O+HXDehydrohalogenationDehydrohalogenationH-C-C-XH-C-C-XC=C+HXC=C+HXEpoxide formationEpoxide formationHO-C-C-XHO-C-C-XEpoxide+HXEpoxide+HXHydrolysisHydrolysisC-X+H2OC-X+H2OC-OH+HXC-OH+HX脱卤反应现在学习的是第60页，共61页卤醇环氧化物酶：末端卤素活性高现在学习的是第61页，共61页