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新型金属-酶催化剂的设计及其在动态动力学拆分手性胺类化合物中的应用探索

一、引言

1.1研究背景

手性是自然界的基本属性之一，许多生物分子如蛋白质、核酸、多糖等都具有手性。手性化合物在医药、农药、香料、材料等领域具有广泛的应用，尤其是手性胺类化合物，作为一类重要的有机合成中间体，在有机合成、药物化学和材料科学等领域发挥着举足轻重的作用。在药物研发中，手性胺类化合物是许多药物分子的关键结构单元，其对映体的生物活性往往存在显著差异，一个对映体可能具有治疗作用，而另一个对映体则可能具有副作用甚至毒性。例如，治疗帕金森病的药物左旋多巴（L-DOPA），只有左旋体具有治疗效果，右旋体则无活性。在农药领域，手性农药具有更高的活性和选择性，能够减少农药的使用量，降低对环境的影响。如除草剂甲霜灵，其R-异构体的除草活性是S-异构体的数倍。因此，高效合成手性胺类化合物具有重要的理论意义和实际应用价值。

传统的手性胺类化合物合成方法主要包括化学拆分、不对称合成和生物催化等。然而，这些方法存在一些局限性，如化学拆分产率低、成本高，不对称合成需要使用昂贵的手性催化剂和配体，生物催化反应条件较为苛刻等。动态动力学拆分（DKR）作为一种高效的手性化合物合成方法，能够将外消旋体转化为单一构型的手性化合物，克服了传统动力学拆分产率最高仅为50%的缺点，近年来受到了广泛的关注。

金属-酶催化剂作为一种新型的催化剂，结合了金属催化剂和酶催化剂的优点，具有高活性、高选择性和温和的反应条件等特点，在有机合成领域展现出了巨大的应用潜力。通过设计和合成新型的金属-酶催化剂，实现手性胺类化合物的动态动力学拆分，有望为手性胺类化合物的高效合成提供新的策略和方法。

1.2手性胺类化合物与动态动力学拆分

1.2.1手性胺类化合物概述

手性胺类化合物是指分子中含有手性中心的胺类化合物，其结构通式为R1R2R3N，其中R1、R2、R3为不同的原子或基团。手性胺类化合物的特性主要源于其分子结构的不对称性，这种不对称性使得手性胺类化合物具有旋光性，能够使平面偏振光发生旋转。根据手性中心的不同，手性胺类化合物可分为中心手性胺、轴手性胺和平面手性胺等。中心手性胺是最常见的手性胺类化合物，其手性中心通常为碳原子，如α-手性胺类化合物，广泛存在于许多天然产物、药物及精细化学品中。轴手性胺是由于分子中存在轴手性而具有手性，如环己亚基取代胺，因其双键构象受限而表现出独特的轴手性特征。平面手性胺则是由于分子中存在平面手性而具有手性，如某些具有平面手性的金属配合物。

手性胺类化合物在医药、农药、香料、材料等领域具有广泛的应用。在医药领域，许多药物分子中含有手性胺结构，如抗抑郁药物氟西汀、抗高血压药物卡托普利等。这些药物的手性结构对其药理活性和药代动力学性质具有重要影响。在农药领域，手性农药具有更高的活性和选择性，能够减少农药的使用量，降低对环境的影响。如杀虫剂氯氰菊酯，其不同对映体的杀虫活性存在显著差异。在香料领域，手性香料具有独特的香气和香味，能够为产品增添独特的风味。在材料领域，手性材料具有特殊的光学、电学和磁学性质，可用于制备光学传感器、手性催化剂等。

1.2.2动态动力学拆分原理与方法

动态动力学拆分是指在进行动力学拆分的同时，加入消旋催化剂，将无用的光学异构体现场立体转化，从而达到由消旋体直接转化成单一光学纯度化合物的方法。其原理基于对映体选择性转化与原位外消旋的两个过程，外消旋过程可以是酶催化也可以是非酶催化的。在动态动力学拆分过程中，当对映体选择性转化速率大于消旋速率时，会形成某一对映体的富集，甚至有可能获得单一对映体的产物。例如，消旋的2-甲基苯乙醛和对甲氧基苯乙胺在催化剂的作用下发生还原胺化，以87%的产率和98∶2的对映选择性得到光学活性产物，该反应过程中即发生了动态动力学拆分，不同异构体底物之间发生了相互转化。

常见的动态动力学拆分方法主要包括化学法和生物法。化学法主要是利用过渡金属催化剂、酸碱催化剂等实现底物的消旋化和对映体选择性转化。例如，在过渡金属配合物的催化下，通过对底物进行氢化、脱氢、异构化等反应，实现动态动力学拆分。化学法具有反应条件温和、催化剂易于设计和调控等优点，但也存在催化剂成本高、对环境友好性差等缺点。生物法主要是利用酶催化剂或全细胞催化剂实现底物的动态动力学拆分。酶具有高活性、高选择性和温和的反应条件等优点，能够在温和的条件下实现复杂的化学反应。例如，利用亚胺还原酶催化亚胺的不对称还原反应，实现轴手性联芳基化合物的动态动力学拆分。生物法具有环境友好、选择性高、反应条件温和等优点，但也存在酶的稳定性差、成本高、底物范围有限等缺点。

1.3金属-酶催化剂