第五讲生物催化氧化反应名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物催化氧化反应,第1页,生物催化氧化反应,催化作用原理和特点,羟化反应,烯烃环氧化,拜依尔,-,维利格反应,芳烃双羟基化反应,多元醇区域选择性氧化,第2页,催化作用原理和特点,生物催化氧化反应主要由三大类酶所催化：,单加氧酶,双加氧酶,氧化酶,第3页,生物催化氧化反应以下所表示,第4页,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；,第5页,双加氧酶,（,dioxygenase,）催化加氧反应是将,O,2,两个氧原子连续地偶合进底物分子中；,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。,第6页,羟化反应,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：,烷烃羟化反应,芳香族化合物羟化,第7页,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。,第8页,1,烷烃羟化反应,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：,第9页,黄体酮,第10页,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；,第11页,9,-,氟氢可松,石胆酸,第12页,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。,第13页,e.e.91%,区域选择性,对映异构体选择性,第14页,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。,第15页,2,芳香族化合物羟化,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。,第16页,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。,第17页,第18页,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。,第19页,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,第20页,烯烃环氧化,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。,第21页,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。,第22页,环氧化物构型和光学纯度与所用,菌种和底物,相关。如,Pseudomonas oleovorans,R1=H,、,n,-C,5,H,11,、,n,-C,7,H,15,时产物为,R,构型，,e.e.=60-80%,R1=NH,2,COCH,2,C,6,H,4,O,、,CH,3,O(CH,2,)C,6,H,4,O,时为,S,构型，,e.e.=97%,第23页,又如菌种,Mycobacterium sp,R1=H,时产物为,R,构型，,e.e.=98%,；,R1=PhO-,时产物为,S,构型，,e.e.=80%,第24页,拜依尔,-,维利格反应,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。,第25页,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。,第26页,（,N,第27页,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,CH,3,O,、,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。,第28页,第29页,芳烃双羟基化反应,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。,第30页,第31页,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。,第32页,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。,第33页,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。,第34页,-,萘甲酸,联苯类化合物,第35页,-,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,）。,第36页,第37页,多元醇区域选择性氧化,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。,第38页,1,5-,二醇,马肝醇脱氢酶,第39页,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。,第40页,生物催化还原反应,第41页,生物催化还原反应,催化作用原理和特点,酮还原反应,烯烃还原反应,第42页,催化作用原理和特点,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,潜手性,，则能够得到,手性产物,。,第43页,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,。,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。,第44页,脱氢酶催化酮或烯烃还原反应原理是,首先脱氢酶在还原型辅酶参加下使底物加上,1,分子氢，而还原型辅酶本身转化为氧化型辅酶,；,为了使还原反应继续进行，需要加入第二种辅助底物，作为氧化型辅酶再生电子和质子供体,。,第45页,酶偶联法辅酶循环,第46页,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。,第47页,酮还原反应,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。,第48页,而且大多数情况下，脱氢酶立体选择性服从,Prelog,规则，即,H,从空间位阻小方向对羰基进攻，形成构象稳定优势中间体，,所以由底物立体结构能够预测反应产物。,第49页,酮还原反应主要内容,1,马肝醇脱氢酶催化酮还原,2,酵母细胞催化酮还原,3,其它微生物细胞催化酮还原,第50页,1,马肝醇脱氢酶催化酮还原,马肝醇脱氢酶,(,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。,第51页,含有空间位阻笼状多环酮，如,2-,三环癸酮,外消旋体,(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。,第52页,HLADH,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。,第53页,第54页,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。,第55页,2,酵母细胞催化酮还原,面包酵母,或称,酿酒酵母,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。,第56页,第57页,长链脂肪酮,(,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：,第58页,第59页,3,其它微生物细胞催化酮还原,第60页,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。,第61页,第62页,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：,第63页,第64页,烯烃还原反应,用传统化学法选择性还原,碳碳双键,是十分困难，而,脱氢酶催化烯烃双键还原成饱和烷烃含有很高立体选择性,，而且含有较广底物适用性。,第65页,酵母细胞对烯酸酯还原反应历程是先,水解后还原。,第66页,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。,第67页,R,产物构型 光学纯度,e.e./%,C2H5 ER 47,C2H5 ZS 98,CCl3 ES 98,第68页,在这种还原反应中，产物绝对构型是由,起始烯烃顺、反,(,E,、,Z,),异构体来决定，因而分别得到,(,R,)-,或,(,S,)-,型取代烷基酸。,还原酶对,Z,-,型烯烃手性识别很好，而对,E,-,型烯烃识别较差。,第69页,香茅醇,牻牛儿醇,第70页,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,牻牛儿醇,（,10.24,）被还原为,香茅醇,（,10.25,）,(e.e.,为,97,),；,1,3-,共轭二烯（,10.26,）仅,-,双键被还原生成（,10.27,）。,第71页,谢谢！,第72页,