第五讲生物催化氧化反应.ppt

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1、第五讲生物催化氧化反应现在学习的是第1页，共72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烯烃的环氧化 l拜依尔-维利格反应 l芳烃双羟基化反应 l多元醇的区域选择性氧化 现在学习的是第2页，共72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氧化酶现在学习的是第3页，共72页生物催化的氧化反应如下所示现在学习的是第4页，共72页l单加氧酶（mono-oxygenase）催化的加氧反应是将分子氧中的一个氧原子偶合到底物分子中，另一个氧原子被还原，一般被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；现在学习

2、的是第5页，共72页l双加氧酶（dioxygenase）催化的加氧反应是将O2的两个氧原子连续地偶合进底物分子中；l氧化酶（oxidase）催化的氧化反应是将分子氧作为直接电子受体，催化底物脱氢，脱下的氢再与氧结合生成水或过氧化氢。现在学习的是第6页，共72页羟化反应l烷烃和芳香烃的羟化按单加氧酶催化反应的机制进行。主要介绍：l烷烃的羟化反应l芳香族化合物的羟化现在学习的是第7页，共72页l单加氧酶催化的反应往往用完整的微生物细胞作为生物催化剂，这样比较也有利于NADH或NADPH的循环使用。现在学习的是第8页，共72页1烷烃的羟化反应l有机化学合成中几乎不能将碳氢化合物中的非活泼C-H键羟化

3、，而生物转化反应则可以直接进行羟化反应。例如，甾体分子中许多位置的选择性羟化反应能用适当的微生物来催化：现在学习的是第9页，共72页黄体酮现在学习的是第10页，共72页l如黑根霉或黑曲霉能立体选择性催化孕甾酮（10.11）的11-羟化，这样可省去常规化学合成中的许多步骤，大大降低11-羟基孕甾 醇 酮 的 生 产 成 本；弗 氏 链 霉 菌（Streptomyces fredial）能 将 化 合 物（10.12）的C11位-羟基化；现在学习的是第11页，共72页9-氟氢可的松石胆酸现在学习的是第12页，共72页l玫 瑰 产 色 链 霉 菌 能 将 9-氟 氢 可 的 松（10.13）的16位

4、-羟基化；木贼镰孢菌生物催化可使石胆酸（10.14）的7-羟化，并具有高度的选择性。现在学习的是第13页，共72页e.e.91%l区域选择性l对映异构体选择性现在学习的是第14页，共72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，而且其羟基化反应具有区域选择性（69）和对映体选择性，该反应的收率为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。现在学习的是第15页，共72页2芳香族化合物的羟化l苯环羟化反应有机合成用重氮盐水解或其它取代法，涉及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

5、择性羟化。现在学习的是第16页，共72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，研究发现其反应机理的第一步是对芳香族化合物进行环氧化，生成不稳定的中间体芳烃氧化物，该中间体通过氢负离子迁移重排生成苯酚产物，具体反应机制如下所示。现在学习的是第17页，共72页现在学习的是第18页，共72页l芳香族化合物的选择性羟基化也可以通过使用完整的细胞催化进行。例如，6-羟基烟酸(10.16)是以烟酸为原料，在Pseudomonas sp 或Bacillus sp 催化作用下完成的。现在学习的是第19页，共72页l普瑞特罗(Prenalterol)（10.18）是一种治疗心血管疾病的

6、药物，可由刺孢小克银汉霉的细胞催化其底物前体（10.17）区域选择性羟化而制得，该反应不具有对映选择性，因而产物为消旋体。普瑞特罗现在学习的是第20页，共72页烯烃的环氧化l合成小分子环氧化物可以利用单加氧酶催化烯烃的环氧化反应来制备，而且还可以制得传统化学法所不能制备的产物。在单加氧酶催化烯烃的环氧化反应过程中，需要辅酶（NAD(P)H）和分子氧的直接参与。现在学习的是第21页，共72页l如食油假单胞菌能催化烯烃的环氧化反应，此外还发现多种细菌也可催化烯烃的环氧化，所生成的环氧化物的绝对构型大多数是R型，微生物催化烯烃环氧化反应如下。现在学习的是第22页，共72页l环氧化物的构型和光学纯度与

7、所用菌种和底物有关。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%现在学习的是第23页，共72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%现在学习的是第24页，共72页拜依尔-维利格反应l是一种合成酯或内酯的具有很高应用价值的合成方法。酮在过氧羧酸作用下氧化生成酯或内酯的反应称为拜尔-维利格反应。生物催化拜尔-维利格反应的黄素辅

8、基中间体与过氧羧酸类似，作为亲核试剂进攻羰基碳。现在学习的是第25页，共72页l酶法催化拜尔-维利格反应具有立体选择性，潜手性的酮能通过环己酮单加氧酶的不对称氧化生成相应的内酯，氧的插入具有很高的选择性。现在学习的是第26页，共72页（N现在学习的是第27页，共72页l例如Acinetobacter sp的环己酮单加氧酶可将潜手性酮不对称氧化为相应的内酯，氧插入位置取决于4-位取代基R的性质，其产物的立体构型取决于中间体中基团的迁移能力：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如下所示。现在学习的是第28页，共

9、72页现在学习的是第29页，共72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，它催化分子氧中的两个氧原子与底物相结合。微生物细胞中的双加氧酶可以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的反应历程如下。现在学习的是第30页，共72页现在学习的是第31页，共72页l恶臭假单胞菌的突变菌株能催化不同取代基的芳香族化合物转化为相应的手性顺式连二醇。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。现在学习的是第32页，共72页l例如，将单取代苯对位用碘取代，苯环经双加氧

10、酶氧化后通过还原反应再除去碘得到的连二醇产物(10.20)，它的构型与单取代苯反应后得到的连二醇产物(10.19)构型相反。现在学习的是第33页，共72页l这种构型转变与对位取代基团的性质有关，一般碘的效应大于氟和甲基，且碘最后容易用还原法除去。现在学习的是第34页，共72页-萘甲酸联苯类化合物现在学习的是第35页，共72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达的甲苯双加氧化酶的工程菌珠，这种菌可把联苯类化合物顺式二羟基化为相应连二醇类化合物（10.22）。现在学习的是第36页，共72页现在学习的是第37页，共72页多元醇的区

11、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）羟基的氧化具有较好的选择性。现在学习的是第38页，共72页1,5-二醇l马肝醇脱氢酶现在学习的是第39页，共72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的5或6元环状半缩醛，最后再被HLADH氧化形成相应的内酯。现在学习的是第40页，共72页生物催化还原反应生物催化还原反应 现在学习的是第41页，共72页生物催化还原反应 l催化作用原理和特点 l酮的还原反应 l烯烃的还原反应 现在学习的是第42页，共72页催化作用原理和特点 l生物催化的还原反应使用最多的是脱氢酶，它

12、可广泛用于催化醛或酮羰基以及烯烃碳-碳双键的还原反应。如果所转化的底物是潜手性的潜手性的，则可以得到手性产物手性产物。现在学习的是第43页，共72页l常用的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，所得还原产物仲醇的对映体过量率可接近100。l这一类酶已被广泛地用于醛和酮的还原反应中，尤其是在手性醇的合成上，具有广泛的应用前景。现在学习的是第44页，共72页l脱氢酶催化酮或烯烃的还原反应的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的的参参与与下下使使底底物物加加上上1分分子子的的氢氢，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

13、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生的电子和质子供体再生的电子和质子供体。现在学习的是第45页，共72页酶偶联法的辅酶循环酶偶联法的辅酶循环l 现在学习的是第46页，共72页l常用辅酶有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），一般有80的氧化还原酶以NADH作为辅酶，10的氧化还原酶以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。现在学习的是第47页，共72页酮的还原反应l脱氢酶可以选择性还原醛或酮为手性醇。在脱氢酶的作用下，氢

14、负离子从醛或酮基的一个潜手性面（Si面或Re面）进攻，从而将醛或酮还原为手性(R)-或(S)-醇。现在学习的是第48页，共72页l而且大多数情况下，脱氢酶的立体选择性服从Prelog规则，即H从从空空间间位位阻阻小小的的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的的优优势势中中间间体体，因此由底物的立体结构可以预测反应的产物。现在学习的是第49页，共72页 酮的还原反应主要内容 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现在学习的是第50页，共72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)是常用的脱氢酶，其最大用途是还原中等

15、大小的单环酮（四到九元环）和双环酮，无环酮被还原时的立体选择性低，具有空间位阻和分子结构大于萘烷的酮不宜作为该酶的底物。现在学习的是第51页，共72页l具有空间位阻的笼状多环酮，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，可以得到外醇和未反应的对映体酮，产物对映体过量率分别为e.e.90%和e.e.68%，反应如下。现在学习的是第52页，共72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-2,6-二酮具体反应如下。现在学习的是第53页，共72页现在学习的是第54页，共72

16、页l还原后产生具有高度光学活性的(S)-醇，产物的对映体过量率大于98，因此对于二环或多环酮分子中的桥头碳原子不能发生消旋化而使构型保留。现在学习的是第55页，共72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的不对称还原中应用最广泛的微生物。酵母完整细胞中含有可催化氧化还原反应的多种脱氢酶和辅酶，因此不需要额外添加辅酶循环再生系统。通过微生物转化，酵母细胞可以还原简单脂肪族酮或芳香族酮形成相应的S醇，产物具有较高的光学纯度。现在学习的是第56页，共72页现在学习的是第57页，共72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

17、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基团不同，产物顺反式的比例有显著差异。酵母细胞还原环状-二酮过程如下：现在学习的是第58页，共72页现在学习的是第59页，共72页3其它微生物细胞催化酮还原现在学习的是第60页，共72页l在前列腺素PGE2全合成中，毛霉属（M.ramamnicus）可选择性还原重要的光学中间体环戊烷三酮的其中一个羰基为醇，环戊烷三酮的选择性生物催化还原过程如下。现在学习的是第61页，共72页现在学习的是第62页，共72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

18、可选择性地将一些潜手性单元的羰基化合物转化为相应的手性化合物，作为合成许多复杂的天然产物分子的手性中间体。其它微生物细胞催化酮的选择性还原反应过程如下：现在学习的是第63页，共72页现在学习的是第64页，共72页烯烃的还原反应l用传统的化学法选择性还原碳碳碳碳双双键键是十分困难的，而脱脱氢氢酶酶催催化化烯烯烃烃的的双双键键还还原原成成饱饱和和烷烷烃烃具具有有很很高高的的立立体体选选择择性性，并且具有较广的底物适用性。现在学习的是第65页，共72页l酵母细胞对烯酸酯的还原反应历程是先水水解解后还原。后还原。现在学习的是第66页，共72页l例如，酵母催化2-氯-2-烯酸甲酯结构中烯烃双键得到的产物

19、是具有高度光学活性的2-氯烷基羧酸。现在学习的是第67页，共72页 R 产物构型 光学纯度e.e./%C2H5 ER 47C2H5 ZS 98CCl3 ES 98现在学习的是第68页，共72页l在这种还原反应中，产物的绝对构型是由起起始始烯烯烃烃的的顺顺、反反(E、Z)异异构构体体来来决决定定的的，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-型烯烃的手性识别很好，而对E-型烯烃识别较差。现在学习的是第69页，共72页香茅醇牻牛儿醇牻牛儿醇现在学习的是第70页，共72页l对于-取代或-取代的烯丙醇中C=C双键可被面包酵母还原生成手性醇。例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）。现在学习的是第71页，共72页l谢谢！现在学习的是第72页，共72页