第五讲 生物催化氧化反应课件1.pptVIP

生物催化氧化反应 生物催化氧化反应 催化作用原理和特点 羟化反应 烯烃的环氧化 拜依尔-维利格反应 芳烃双羟基化反应 多元醇的区域选择性氧化 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 生物催化的氧化反应如下所示 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； 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； 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。 羟化反应 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： 烷烃的羟化反应 芳香族化合物的羟化 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。 1．烷烃的羟化反应 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，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： 如黑根霉或黑曲霉能立体选择性催化孕甾酮（10.11）的11α-羟化，这样可省去常规化学合成中的许多步骤，大大降低11α-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β-羟基化； 玫瑰产色链霉菌能将9α-氟氢可的松（10.13）的16位α-羟基化；木贼镰孢菌生物催化可使石胆酸（10.14）的7β-羟化，并具有高度的选择性。 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。 2．芳香族化合物的羟化 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择性羟化。 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。 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。 普瑞特罗(Prenalterol)（10.18）是一种治疗心血管疾病的药物，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。 烯烃的环氧化 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。 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。 环氧化物的构型和光学纯度与所用菌种和底物有关。如Pseudomonas oleovorans R1 = H 、n-C5H11— 、n-C7H15— 时产物为R构型 ，e.e. =60-80% R1=NH2COCH2C6H4O— 、CH3O(CH2)C6H4O— 时为S构型， e.e. =97% 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% 拜依尔-维利格反应 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基中间体与过氧羧酸类似，作为亲核试剂进攻羰基碳。 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。 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。 芳烃双羟基化反应 双加氧酶分子中通常都