手性化合物和手性药物的酶法合成

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，北京１０００８０）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工业的关键技术，本文就手性化合物和药物的酶法合成做以介绍。关键词 手性化合物；手性药物；酶法合成１手性的重要性自１００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。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，毒性，代谢和药物素质完全不同。比如：同 一药物的两个对映体的生物活性不同。奈普森（Ｎａｐｒｏｘｅｎ）的Ｓ（＋）对映体的抗炎活性 是Ｒ（－）对映体的２８倍；治疗前列腺肥大药物Ｔａｍｓｕｌａｓｉｎ对肾上腺素能α１受体拮 抗活性，Ｒ（－）对映体是Ｓ（＋）对映体的３２０倍；氯霉素ＲＲ对映体的抗菌活性是ＳＳ对映 体的抗菌活性的５０－１００倍。同一药物的两个对映体的药理不同。治疗心律失调药物心得安（ Ｐｒｏｐｒａｎｏｌｏｌ）的Ｓ（－）对映体是Ｒ（＋）对映体的１００倍，而Ｒ（＋）对映体却 有降低性功作用；氯胺酮作为麻醉剂，只有Ｓ对映体有麻醉作用，Ｒ对映体具有兴奋和使心理失调 作用；沙丁胺醇（ａｌｂｕｔｅｒｏｌ）中的Ｒ对映体具有抗组织胺治疗哮喘作用，而Ｓ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 反应的镇静药酞胺哌啶酮（反应停）只有Ｒ（＋）对映体有效，而Ｓ（－）对映体能引起胎儿畸形 。乙胺丁醇是抗结核药物，ＳＳ对映体的抗菌活性是ＲＲ对映体的２００倍，ＲＲ对映体不仅活性 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 登记开始做出相应规定。如美国ＦＤＡ在１９９２年的政策规定中宣称：对于含有手性因素的药物 ，倾向于发展单一对映体的手性药物；以后又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，则要求对两个对映体都必需提供详细的生理活性和毒理数据，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１８５０种药物中天然及半合成药物有５２３种，其中手性药物 ５１７种，非手性药物６种；在化学合成药物１３２７种中，非手性药物有７９９种，具有手性的 药物５２８种，其中以单一手性药物出售的６１种，以消旋体出售的４６７种。由此可以看出，从 中开发手性药物具有巨大潜力和市场。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１：表１国际药物市场的销售情况１９８０１９９０２０００合成药物中的纯 手性药物（％）３９３４合成药物中的消旋体（％）１７１５１７天然药物中的纯手性药物（％） ２０２６２８无手性因素药物（％）６０５０２１世界上的各类手性药物销售额及其增长率如下表 ２：表２国际手性药物的销售情况销售额（亿美元）增长率（％）药物类别１９９１１９９２１９ ９３１９９４１９９３－４心血管药物１１３１２６１１．５抗生素１０８１２５１５．７激素４ ５６５４４．４神精药物２０３０５０．０抗炎抗肿瘤７０１０６５１．０及其他总计１９０２８ ０３５６４５２２７．０在ＦＤＡ的规定出台以后，欧美各国掀起了手性药物研究热潮，吸引了很 多药厂，大学，研究机构纷纷进入手性药物有关研究领域，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。２手性化合物的制备手性化 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。化学合成的化 合物均是两种对映体的混合物，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：１．物理法：利用两种对映体的结晶形态不同，直接进行结晶机械分 离。但此法生产效率低，只适用于个别产品。２．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，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５０％，工艺复杂，成本高，环境污染严重。已有工业应用。３．手性ＨＰＬＣ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。４．化学不对称合成：在不对称催化剂 作用下，利用化学反应的动力学和热力学不对称性进行对映体的合成。近年来取得迅速发展，它选 择性高，工艺简单；但适用范围有限，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。５．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化学合成交叉科学的新研究热点。很早 就发现酯酶，脂肪酶，酰胺酶具有选择性水解外消旋的酯或酰胺的某一对映体，产生单一光学活性 的羧酸的性质。到６０年代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，利用酯酶，脂肪酶，酰氨酶，蛋白酶等水解酶从消旋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７０年代初实现了固定化氨基酰化酶选择性水解Ｎ－乙酰基－ ＤＬ氨基酸生产Ｌ－氨基酸的工业化生产。进一步刺激了这方面的研究。从利用水解酶进行手性化 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，使之具有更大的工业价值。利用生物催化剂制备手性化合物的方法主要有以下 五种：类别起始物最大理论产率（％）生物催化剂１．对映体拆分外消旋产物衍生物５０水解酶类 ２．不对称合成潜手性化合物１００水解酶类，氧化还原酶类裂解酶类３．去外消旋化外消旋底物 １００水解酶类，氧化还原酶类４．手性集中光学活性底物１００裂解酶类５．立体转化削旋底物 １００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、酯、胺、含磷、含氮、含硫及金属有机手性化合物。已工业化的手性药物或手性中间体有１３ 种以上。如表３所列。表３工业生产的手性药物和手性中间体产品底物酶方法产率（％）年产量公 司Ｌ－氨基酸Ｎ－酰基－ＤＬ－氨基酸氨基酰化酶固定化酶＞４０３００田边Ｌ－天冬氨酸＊富马 酸天冬氨酸酶固定化细胞１００田边Ｌ－苯丙氨酸＊肉桂酸苯丙氨酸氨解酶细胞批式９０＞１００ ＧｅｎｅｘＬ－多巴丙酮酸＋苔儿酪氨酸酚解细胞批式２００Ａｊｉｎｏｍｏｔｅ酚＋氨酶Ｌ－苹 果酸＊富马酸富马酸酶固定化细胞９８５００田边Ｌ－丙氨酸＊Ｌ－天冬氨酸天冬脱羧酶固定化细 胞１００１００田边Ｄ－苯甘氨酸＊苯海因海因酶细胞批式８０３０００Ｄ－β－羟基丁酸异丁酸 烯酰基－ＣｏＡ细胞批式＞９０Ｋａｒｉｅｋｏ水合酶Ｒ－苯乙酰基甲醇苯甲醛＋甲醛丙酮酸脱羧 酶细胞批式１００４０００Ｋｎｏｌγ－氨基丁酸Ｎ－苯乙酰基青霉素酰化酶固定化酶＞４０３０ 衍生物γ－氨基丁酸衍生物Ｓ－奈普森ＲＳ－酯脂肪酶固定化酶＞４０１００Ｌ－薄菏醇ｄｌ－薄 菏醇瑚脂肪酶固定化细胞８６１０００酸单酯Ｓ（－）心得安脂肪酶固定化酶＞４０Ｓ－１，２－ 戊二醇消旋体醇脱氢酶细胞批式９３＊为我国已投产或完成中试３酶法拆分首先化学合成外消旋目 的产物衍生物，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５０％。而另一种对映体可经消旋化，进行反复拆分。３．１氨基酸的拆分化学合 成的氨基酸是外消旋的Ｄ和Ｌ－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。首 先需根据使用的酶将氨基酸制成不同的衍生物，如酯，酰胺或Ｎ－酰基化衍生物。使用的水解酶主 要有各种蛋白酶，酰胺酶，氨基酰化酶，脂肪酶，酰化酶及它们的固定化酶等，进行动力学拆分， 生产Ｌ－氨基酸。已实现大规模工业化生产。青霉素酰化酶对苯乙酰胺基团有较高的立体选择性， 因此，利用青霉素酰化酶水解胺类和醇类的苯乙酰基衍生物进行胺和醇的拆分。γ－氨基丁酸衍生 物是γ－氨基丁酸氨基转移酶的抑制剂，是癫痫病的治疗药物，但它们的生物活性完全取决于它的 立体结构。γ－乙炔基－ＧＡＢＡ－Ｔ的（Ｒ）－异构体有生物活性，而γ－丙二烯基－ＧＡＢＡ －Ｔ和γ－乙烯基－ＧＡ－ＢＡ－Ｔ是（Ｓ）－异构体有生物活性。γ－乙炔基－ＧＡＢＡ－Ｔ的 生产是使用固定化青霉素酰化酶，规模达到１００ｋｇ。３．２醇、酸、酯的拆分和酯酶，脂肪酶 脂肪酶和酯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。（１）外消 旋酸的拆分：以外消旋的羧酸与低级醇如甲醇或乙醇形成的酯为底物，利用酯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羧酸和酯。将近圆柱状假丝酵母（Ｃａｎｄｉｄａｃ ｙｌｅｎ－ｄｒｅｃｅａ）的胞外脂肪酶固定化在ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＸＡＤ－７上，于柱反应器 上用于拆分奈普森甲酯具有很好的立体选择性；也可利用羧酸酯酶立体专一性水解奈普森甲酯，均可大规模生产（Ｓ）－（＋）奈普森。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酯化反应，经简单的分离可以得到单一光学活性的酯和酸，达到拆分外消旋羧酸的目的。如果需要，利用同一脂肪酶可将得到的酯水解成单一光学活性的酸。（２）外消旋醇的拆分：将结构复杂

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