生物催化在手性化合物合成中的应用

2017-03-04李树柏吴本林姜红林青岛瀚生生物科技股份有限公司山东青岛266101

化工管理 2017年3期

关键词：生物转化消旋手性

李树柏吴本林姜红林(青岛瀚生生物科技股份有限公司，山东青岛 266101)

生物催化在手性化合物合成中的应用

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生物催化的手性合成可以说是目前手性合成方法研究的中心以及发展的方向。本文主要对生物催化技术在手性化合物合成上的使用进行分析，同时对其具体的使用前景给予展望。

手性合成；生物合成；酶催化；生物催化

1 手性研究的意义

“手性”这个词源于古希腊语言中的“Cheir”，其最初的意思就是手。现如今，“手性”所指的是碳原子通过几个不同的原子以及基于基团在空间排布上使用两种不同的形式以及结构去构成的一种相对体，他们相互之间进行镜像，同时其还是一种对称又不会重合的联系。如果只是从一个放弃对应映体会使得偏振光产生偏转的情况，所以也有学者将其称之为光学的异构体或者是具有一定的光学活性的化合物，目前也经常会被人们将其叫做手性的化合物。在目前的自然界中，手性所表示的是一种非常重要的属性，即使是相同的化合物，如果其手性存在着差异，不仅会使得其光学性质之间存在不同，同时还会使得其生物活性也有所不同。例如，在药理学上，药物的作用主要是通过膜的药物递送的酶抑制和受体融合都与药物和手性的结构有关。

2 手性生物合成与拆分

现阶段在对手性生物进行合成和拆分的时候，其主要使用的方法有如下几种：

2.1 酶法拆分

使用酶法进行拆分的时候，其主要的拆分原理是基于水解酶所具有的高度选择性，以及通过水解催化外消旋或对映异构体衍生物的化学合成的反应。在该反应实施的过程中，还会对未反应物的光学异构体特性进行充分地利用。通过利用它们的物理和化学性质的差异，分离两种对映异构体以获得两种单一的光学活性产物。该方法主要用于制备手性醇和酸以及胺，酯和酰胺等化合物，根据反应理论上进行分析，这种制备方法所生产的产物产率在50%左右，然而在实际的生产过程中，受多种因素和限制的影响，使得该理论产率无法达到。在对外消旋化合物进行处理的时候，要想使其转化成单一的手性化合物，可以将其它对映异构体外消旋化并重复拆分。在切割时，最常用的酶之一是水解酶。

2.2 生物合成

在进行生物合成的时候，不仅需要使用到大量的金属前体，同时还需要使用到硫、磷、氮及卤素等元素，在将金属前提转化为手性化合物的过程中，还需要使用到氧化还原酶、裂解酶、羟化酶及合成酶等多种化学酶。从理论上来讲，该生物合成的转化率高达100%。

2.3 生物转化

生物转化的实现主要是通过利用动物、植物或者是微生物的细胞，在一种酶或者多种酶的共同作用下，将前体化合物转化成相应产物的过程。对于所需要使用的细胞，如果是作为酶的来源细胞，则可以使用死细胞。而如果是为了给单一酶或者是多种酶提供新陈代谢的环境，那么需要使用到活细胞。对于生物转化技术的应用，不仅可以直接用于简单化合物的合成之中，而且更加常用于比较复杂或者是天然化合物的合成之中。使用生物转化技术存在着操作简便的优点，但同时也存在着合成物纯度相对较低的缺点。其主要原因在于进行转化的过程中，细胞在进行新陈代谢的时候，可能会使得代谢物进入到反应系统中，最终导致反应物纯度降低。

3 手性生物合成技术进展

生物的合成可以说自身有着一定的高度立体性还有一定的选择性，其自身的选择性以及区域选择性酶的反应或者是微生物的转变会把化学合成的外消旋作为主要的衍生物，这样可能会导致前体以及潜在的手性化合物变成光学活性较为单一的产物。在本次的研究过程中，相应的最佳反应温度在20～30℃之间，所以其可以进行选择性比较强，并且产生的副反应也相对少一些，产率比价高，同时还不会对环境造成污染。

在利用生物合成的方法来合成手性化合物的时候，主要存在着以下两种途径。在早期，通过使用水解酶如蛋白酶，酰胺酶，腈水合酶和酰基转移酶对外消旋底物进行不对称水解，从而来生产得到相应的手性化合物。这种生物合成的方法主要的缺点在于需要事先合成外消旋目标产物，最高的生物合成产率在50%以下。现阶段在进行生物合成的时候，主要属于微生物以及酶去进行直接的转化，或者是选择氧化的方式对酶进行还原或整个是合成裂解，以及水解和羟化，或者是环氧合酶，直接在前体化合物不对称的构成多种比较复杂的手性醇，还有酮以及醛，还有酯以及胺的衍生物，其与多种含磷和硫以及氮和金属的手性化合物去进行融合。这种方法不需要直接去对前体的衍生物进行制备，能够100%的把前体转变成为手性的目标产物，所以自身的工业价值还是非常巨大的。