手性化合物和手性药物的酶法合成
2022-09-02
来源:好走旅游网
药物生物技术一综述手性化合物和手性药物的酶法合成孙万儒中国科学院微生物研究所北京摘要由于分子生物学和分子药理学的发展人们已充分认识到手性对于药物的重要性手性化合物和药物的生物合成已发展成为制药合成做以介绍「业的关键技术本文就手性化合物和药物的酶法关键词手性化合物手性药物酶法合成 !手性的重要性自多年前巴斯德发现分子不对称性以来大量事实证明分子不对称性即手性是中的对映体具有抗组织胺治疗哮喘作用而对映体却具有使气管收缩作用同一药物的两个对映体的毒副作用不同六十年代在欧洲市场销售的抗妊娠反应自然界最重要的属性之一分子手性识别在生命活动中起着极为重要的作用的镇静药酞胺呱咙酮反应停只有对映体有效而一对映体能引起胎儿畸形同一化合物的两个对映体之间不仅具有不同的光学活性和物理化学性质而且它们具有不同的生乙胺丁醇是抗结核药物对映体的抗菌活性是对映体的倍对映体不仅活物活性比如在药理上药物作用包括酶的抑制膜的传递受体结合等均和药物的立体化学有关手性药物的对映体的生物学活性性低且有致失明作用因此近年来一些国家的药政部门对单一对映体作为药物开发专利及注册登记开毒性代谢和药物素质完全不同同比如始做出相应规定如美国 在年的同一药物的两个对映体的生物活性不政策规定中宣称对于含有手性因素的药物奈普森 !的对映体的抗倾向于发展单一对映体的手性药物以后又炎活性是拮抗活性一对映体的倍治疗前列腺,表示鼓励把销售的外消旋药物转化为手性药物对于申请新的外消旋药物则要求对两个肥大药物对肾上腺素能受体的一对映体是 对映体对映体都必需提供详细的生理活性和毒理数倍氯霉素对映体的抗菌活性是据而不得作为相同物质对待目前一些发达国家正在酝酿作为药物必须对有效对映体对映体的抗菌活性的倍同一药物的两个对映体的药理不同疗心律失调药物心得安十对映体却有治进行分离不得把消旋物作为纯药物销售目前国际上销售的及半合成药物有种非手性药物 的种药物中天然一对映体是对映体的倍而种其中手性药物降低性功作用氯胺酮作为种在化学合成药物飞 麻醉剂只有对映体有麻醉作用对映体种中非手性药物有种具有手性的药物具有兴奋和使心理失调作用沙丁胺醇种其中以单一手性药物出售的种收稿日期药物生物技术卷以消旋体出售的种由此可以看出从中物理法利用两种对映体的结晶形态开发手性药物具有巨大潜力和市场不同直接进行结晶机械分离但此法生产效根据国际药物市场的统计和预测手性药物在药物销售总值中的比例增长如下表率低只适用于个别产品化学拆分利用手性试剂与两种对映体形成复合物的热力学和动力学反应能力表国际药物市场的销售情况 反应速度物化性质不同进行拆分需要手性试剂理论产率仅为工艺复杂成本合成药物中的纯手性药物合成药物中的消旋们 高环境污染严重已有工业应用天然药物中的纯手性药物无手性因素药物 手性分离快速产物纯度高简便但需手性分离介质处理量小成本高化学不对称合成在不对称催化剂作世界上的各类手性药物销售额及其增长用下利用化学反应的动力学和热力学不对率如下表称性进行对映体的合成国际手性药物的销售情况近年来取得迅速发表展它选择性高工艺简单但适用范围有限销售额亿美元增长率 反应需使用手性试剂手性催化剂或手性溶剂成本高因催化剂含有重金属在医药上应用受一定限制药物类别心血管药物 ! 抗生素素激神精药物抗炎抗肿瘤及其他总计生物合成近年由于生物技术特别 !。是生物催化技术有机相催化固定化技术的发展使利用生物催化剂进行手性化合物拆分和不对称合成已成为现实取得令人鼓舞的成果吸引了大批的生物技术和有机化学合在的规定出台以后欧美各国掀起成方面的专家进行了大量的开发研究推动了该领域的迅速发展成为生物催化与有机了手性药物研究热潮吸引了很多药厂大学研究机构纷纷进人手性药物有关研究领化学合成交叉科学的新研究热点域推动了手性药物市场的迅速发展当前在手性药物研究领域内居领先地位的国家有美国英国日本和德国很早就发现醋酶脂肪酶酞胺酶具有选择性水解外消旋的醋或酞胺的某一对映体年代产生单一光学活性的梭酸的性质到手性化合物的制备随着酶生物技术的发展和对单一光学活性化合物如氨基酸的需求的不断增加利用醋酶脂肪酶酞氨酶蛋白酶等水解酶从消旋手性化合物不仅在制药工业上是重要的手性化合物在杀虫剂杀菌剂除草剂香的化学合成的氨基酸衍生物生产单一光学活性氨基酸的研究迅速发展在料液晶功能性高分子等工业上也具有同等重要性因此在国际上对手性化合物的需求也越来越大年代初实现了固定化氨基酞化酶选择性水解氨基酸生产乙酞基氨基酸的工业化生产进化学合成的化合物均是两种对映体的混一步刺激了这方面的研究从利用水解酶进合物即外消旋物为获得单一光学活性的手性化合物需要进行对映体拆分目前主要有以下方法行手性化合物拆分发展到今天利用各种生物催化剂从潜手性化合物直接合成手性化合物进一步简化了手性化合物的生产使之具孙万儒手性化合物和手性药物的酶法合成有更大的工业价值类主要有以下五种利用生物催化剂制备手性化合物的方法别对映体拆分不对称合成去外消旋化起始物外消旋产物衍生物最大理论产率”的生物催化剂水解酶类水解酶类氧化还原酶类裂解酶类潜手性化合物外消旋底物光学活性底物削旋底物水解酶类氧化还原酶类裂解酶类手性集中立体转化 。氧化还原酶类利用生物催化反应制备的手性化合物包括结构简单和复杂的手性醇醛酮酸醋胺含磷含氮含硫及金属有机手性化合物表产已工业化的手性药物或手性中间体有以上种如表所列工业生产的手性药物和手性中间体品底物酶力法产率肠年产量公司酞基氨基酸氨基酞化酶天冬氮酸天冬氨酸酶富马酸苯丙氨酸肉桂酸苯丙氨酸氨解酶丙酮酸十苔儿酪氨酸酚解多巴酶酚氨苹果酸富马酸富马酸酶丙氨酸天冬氨酸天冬脱竣酶苯甘氨酸苯海因海因酶俘经基丁酸异丁酸烯酞基水合酶苯乙酸基甲醇苯甲醛甲醛丙酮酸脱梭酶氨基酸固定化酶固定化细胞田边田边细胞细胞批式 批式固定化细胞田边固定化细胞细胞细胞田边批式批式批式细胞氨基丁酸衍生物苯乙酞基氨基丁酸衍生物青霉素酸化酶固定化酶奈普森薄菏醇得安戊二醇醋薄菏醇瑚酸单醋消旋体脂肪酶脂肪酶固定化酶固定化细胞固定化酶细胞一心脂肪酶醇脱氢酶批式为我国已投产或完成中试酶法拆分首先化学合成外消旋目的产物衍生物化学合成的氨基酸是外消旋的和异构体的混合物若生产单一光学活性的氨基酸必须进行拆分酞基化衍生物首先需根据使用的酶将利用水解酶的立体选择性将单一的对映体衍生物水解得到的光学活性的目的产物和氨基酸制成不同的衍生物如醋酞胺或使用的水解酶主要有各种蛋未水解的另一对映体衍生物因它们的物理化学性质差异大很容易将它们分离开其目的产物的理论收率为白酶酞胺酶氨基酞化酶脂肪酶酞化酶及它们的固定化酶等进行动力学拆分生产而另一种对映体氨基酸已实现大规模工业化生产可经消旋化进行反复拆分青霉素酞化酶对苯乙酞胺基团有较高的立体选择性因此利用青霉素酞化酶水解胺氨基酸的拆分药物士物技术卷类和醇类的苯乙酞基衍生物进行胺和醇的拆分分上日。。了氨基丁酸衍生物是氨基丁酸氨基转是合成一系列药物的基本结移酶的抑制剂是癫痈病的治疗药物但它们的生物活性完全取决于它的立体结构炔基乙的(R卜异构体有生物活性构同样的拆分方法也可应用在冠状血管舒a张药的合成及合成生育酚(维 生素E)和几种降血糖降血脂药的中间体而羊丙二烯基和y乙烯基BA是(S)异构体有生物活性下乙炔基GABA的生产是使用固定化青霉素酞化经基四甲基色满甲醇的拆分性的结果表明脂肪酶用于拆分制备光学活a经基叔碳酸要比仲碳酸难度大些00kg酶规模达到1.32醇酸酉旨的拆分和醋酶脂肪酶另外黑曲霉毛霉和根霉产生的脂肪酶也应用于高效抗高血压药caPt叩rl合成它i脂肪酶和醋酶广泛地应用于光学异构体的拆分是目前国际上研究的最多的拆分方法对血管紧张肤转化酶的抑制作用取决于琉基烷酸部分的立体化学结构异构体的活黑曲霉脂肪(1)外消旋酸的拆分:以外消旋的梭酸与性大约是(R)对映体的100倍酶的立体选择性是水解非目的产物(R)对映体而对(S)对映体的水解能力很低低级醇如甲醇或乙醇形成的醋为底物利用醋酶或脂肪酶在水溶液中进行立体选择性水解产生单一光学活性的梭酸和醋enidacy!将近圆柱状假丝酵母(Candeleit的胞外脂肪酶固定化在AmbrXAD上于柱反应器上用于拆分奈普森甲醋具有很好的立体选择性;也可利用梭酸醋trlca的(oo高效抗炎和去痛药物keS)-异构体的药效比(R)对映体高虽然可以用脂肪酶进行拆分而且具有高的立体选择性但只是对不需要的(R)异构体有效如果使-用灰色链霉菌蛋白酶可有选择性水解(S)醋产物分离后酶立体专一性水解奈普森甲酷均可大规模生产(S)酉旨在碱性条件下消旋化只一次循环获得的92%的(S)酸的收奈普森5%率光学纯度8利用脂肪酶在有机溶剂中催化外消旋酸与简单的醇进行不对称醋化反应经简单的分离可以得到单一光学活性的醋和酸达到拆分外消旋梭酸的目的如果需要利用同一脂肪酶可将得到的醋水解成单一光学活性的酸利用蛋白酶的立体选择性水解也可进行手性拆分灰色链霉蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶对氨基酸醋的水解具有很高的立体选择-ro性用于拆分合成广谱抗生素氯霉素和flicfenol所需的中间体已取得非常满意的结:外消旋醇的拆分将结构复杂的外消果.33旋醇利用化学法醋化制备成低级脂肪酸如甲酸或乙酸的醋以其为底物利用醋酶或脂肪酶的不对称水解进行拆分获得单一光学活性的目的产物如果酶选择得当产物的光学纯度较高另外水解酶类在有机相中催化的醋化或转醋反应同样也可用于消旋醇的拆-于于子对内消旋化合物由在分内存在对从潜手性化合物制备手性化合物称因素而无对映体也就没有旋光性能如内消旋的二酸二醇二酷通过适当的不对称转化如水解酉旨化等使分子内不对称因素消失而成为手性化合物是一种有力的方法利用脂肪酶和酷酶的高度立体和区域选择性进行不对称转化就分采用酶促转化潜手性化由近圆柱状假丝酵母产生的脂肪酶应用合物为手性化合物的收率可超过50%接近10%甚至ieim合成所需的中间体拆zsha在抗抑郁药t如内消旋的二醋和二醇的手性:孙万儒手性化合物和手性药物的酶法合成243化可通过脂肪酶催化醋的不对称水解酉旨化和转酉旨来完成酶法不对称合成近年来发展的生物不对称合成法是直接tire‘roviralagn是个重要的抗后病毒剂(aent-)现正在临床上进行艾滋病治疗效果的评价由两种对映体抗HIV的将前体转化为所需的手性化合物产物光学活性纯度高转化率可接近10%因此该法活性评价表明(一)异构体有抗病毒活性而相应的(+)对映体无活性更简单更具有工业化价值因此光学活性氨基酸的不对称合成中间体的制备十分重要利用脂肪酶催化对在八十年代开始的酶促不对称合成单一光学活性氨基酸的研究为氨基酸工业开辟了一条新的生产途径称的二醋或二醇进行不对称水解或醋化形成手性单醋利用同样方法可以合成抗肿瘤药nenA和抗生素利福霉素以及具有anoPlcine和imo血管舒张和降血压的药物ndiPnieardip,ne等较早期的研究和产业化的酶促不对称合成的光学活性氨基酸如表表4微生物.Eeoli.eoEil.eoiEl.eoEil酶促不对称合成的氨基酸天冬氨酸酶天冬氨酸脱梭酶色氨酸酶色氨酸合成酶酪氨酸合成酶L丝氨酸琉基化酶苏氨酸醛缩酶ACL消旋酶和水解酶日氯丙氨酸裂酶PseudomonasPurlda物反丁烯二酸L天冬氨酸。a引曾丙酮酸氨叫嘈丝氨酸5羚叫嘈丝氨酸苯酚丙酮酸氨邻苯二酚丙酮酸氨L丝氨酸硫氢化钠经基苏氨酸Q氨基环戊内酞氨2氯代D丙氨酸底物L天冬氨酸L丙氨酸L色氨酸L色氨酸L经色氨酸产L酪氨酸L多巴L半胧氨酸L丝氨酸L赖氨酸D半胧氨酸硫氢化钠在表4中所列的几种酶促不对称合成氨专一而幽醇脱氢酶(SADH)主要催化稠环基酸中已有L天冬氨酸丙氨酸色氨脂肪醇或醛酮的氧化还原即使对于同一化合物不同来源的醇脱氢酶催化反应的产物的光学活性也不同蔡烷酮分别用HLADH爪哇毛霉(MueenJdvnleus)的醇脱urvularlafaleata)的醇氢酶和镰形弯抱霉(C酸和L赖氨酸在工业上以不同规模进行生产取得令人满意的结果醇脱氢酶醇脱氢酶(ADH)可以催化醇或醛酮的氧化和还原反应反应中需要作为电子传递+体的NAD和NADH以及电子的受体和给脱氢酶催化还原它们的产物的光学活性是完全不同的体因此利用醇脱氢酶可使醇氧化产生醛酮一卜broxatherol是件肾上腺素刺或使醛酮还原产生醇但醇脱氢酶具有极高的位点和立体选择性不同来源的酶具有不激剂用于治疗哮喘moaerob‘umbroxatherolr;i一)对映体的疗效至少是(R卜对映体的10bcok倍-er利用Th同的底物特异性比如酵母醇脱氢酶(YADH)主要催化脂肪醇或醛酮的反应;马肝醇脱氢酶(HLADH)对脂肪环烷醇或醛酮的醇脱氢酶(TBADH)将一)-化合物的拨基选择性还原产生(S)-由于反应过程消耗辅酶NAD药PH物生物技术3卷作为电子给体在醇脱氢酶作用下将产生的NADP需要在反应体系中加人丙醇基二茂铁得到(IR甲酞轻甲还原使NADPH再生续下去可以使目的反应继2)而还原1二甲酚基二茂铁基二茂铁(3卜(一工1轻甲基础甲酞基时得到(15ca用于合成昆虫信息素(S关(千)sulotl和具有抗病毒抗真菌抗肿瘤等多种生物活.二茂铁(34)而(32)与(34)正好互为对映体-这说明HLADH在上面的两个反应中对l性的(+)所需的(S)硝基T醇和(s)均可用面包酵母醇脱氢硝基戊醇位的(R)基有很高的选择性也说明一对对映体可以通过HLADH催化不同的内消旋化合物来制备酶进行立体选择性还原相应的酮制备其收醇脱氢酶作为氧化还原酶在催化反应时需要辅酶NADH或NAD率和光学活性均很高.光学活性的12二醇是合成除草剂信为使反应能顺利进行需要有充足的辅酶如果依靠不断添加这是很不经济的这就需要辅酶再生系统与醇脱氢酶反应系统偶联以解决其工业化的一大问题另外醇脱氢酶的工业应用还需解决酶的成本和酶反应过程产物对酶的抑制息素液晶等所需的起始手性化合物是相关工业急需的原料它的不对称合成受到广泛注意利用醇脱氢酶的高度立体选择性可以巧妙的不对称合成所需的光学异构体醇脱氢酶除可用于含氮的硝基醇的不对作用等问题称合成外也可以用于含硫的醇类衍生物的不对称合成环氧化酶环氧化酶催化烯基双键的氧化形成环氧化合物它具很强的立体选择性产生单一的光学异构体因此可用于光学活性的环氧化另外醇脱氢酶也可用于金属有机化合物如二茂铁衍生物的对映体的不对称转化或合成且具有极高的选择性热带假丝酵母-、as)罗氏。eeih(Cand:datropleal酵母(S合物的合成比如广谱抗生素磷霉素的合成romyeesrosei)、和食油假单抱菌(I。d〕omon:15利用环氧化酶制备的嶙霉素均为顺式其收率很高且100%具有抗菌活性如果用化学合成需要进行拆分具有抗菌科学研究0%性的产物的最高产率为5looeovarsn)产生的醇脱氢酶可立体选择性还原乙酞二茂铁得到(S)一经基乙基二2%茂铁收率9光学纯度96%以上酵母醇环氧化酶催化碳一碳双键产生环氧化物脱氢酶也要选择性还原乙酞苯基三碳基铬得a到(S)十)三碳基(甲基苯甲醇)铬收率。为94少光学纯度74%而若用罗氏酵母或rlropolls)也可得红平诺卡氏菌(Noeadiaerytl的立体选择性很高产物均为顺式结构在催化顺丁烯二酸环氧化时产物为顺环氧丁二酸经无色杆菌的环氧化物水解酶催化水解产生L酒石酸;如果用产气杆菌的环氧化物水解酶水解产物为D酒石酸利用环氧化酶到同样的(S)产物其收率虽然低些但光学纯度高利用微生物不对称转化合成和环氧化物水解酶的立体选择性组成连接反应系统可以制备含邻二轻基的不同光学活金属有机手性化合物要比拆发法简单的多化合物的合成这样的金属有机手性化合物又用于其他手性性的衍生物因此它具重大应用价值醛缩酶同样利用马肝醇脱氢酶催化二醇和二酮氧化还原的高度位点选择性和氧化还原反醛缩酶存在于各种生物体内它催化拨基化合物之间的缩合反应产生具有光学活性的偶姻衍生物再经其他化学反应可以合应时的选择性的同一性合成所需的手性金属二轻甲有机化合物催化氧化1成各种光学活性产物例如在醛缩酶催化下:孙万儒手性化合物和手性药物的酶法合成245苯乙醛与乙醛缩合产生L苯基偶姻再与甲胺缩合还原生产的L一卜麻黄素与从麻丫I.Margol黄草提取的天然麻黄素完全相同由于它的二l,93.15:2663KurterFabandMaurxee.C.RFrenssen成本低具有很强的竞争力对我国的天然麻黄素国际市场构成威胁一利用醛缩酶催化不对称合成反应的能力还可合成氨基糖类抗生素和糖昔酶抑制剂nirimyci以及抗糖尿病的药物deoxynoj4610一.JVanderWerf“rhe[entpo曰丫ases「()rrhce浏ute川allvae[腺昔脱氨酶核昔酸衍生物是一类重要的药物特别是作为抗癌药物近年来有很大发展v是个重要的抗病毒剂(antiretroiralagent).现正在进行艾兹病临床实验抗病毒实验证r是有活性的而(+)-lrbo明只有(一卜cavlr没有活性利用腺昔脱氨酸的立体arcbov一SHugek1H盯-aeterlzat二1995选择性进行脱氨反应可得到高光学活性的-(一)另外腺昔脱氨酶也可用于日二氟核甘酸的制备由于腺营脱氨酶已工业汇onvors一ves化生产很容易得到用于生产的产品的成本也比较低因此有较好的应用前景参考文献,o01GeoffH.avesDi一ermc-,〔dlatesuslngenzymes。0ze介:‘ofMci,勿109夕,:;Sin;e,,召100080)lysixty15animportantfaerorforthep}ologiealaetlvityandtoxTheehlralbeenreeognizedbythedevelopmentofthemrolehkeeularbiologyuesandmol一e一tyofdrugartharaeoo}飞aseeularphonmlgy〔rug、as!idlyeyteehniqfortheproduetiofh、ghae-tivityandolwtoxieitydrugwouldbewusedIntllepharm.aeeutieanustrylidonieati即loflipa、eeh一raleo5一ofmpoundsanddorugspumare,ntruueedd一ra.KeyWordsChlralCmdslDrugs