1、第二十三章第二十三章 生物轉化技術在現代制藥工業中的應用生物轉化技術在現代制藥工業中的應用第一節第一節 生物轉化與手性藥物合成生物轉化與手性藥物合成第二節第二節 生物轉化與手性中間體的制備生物轉化與手性中間體的制備第三節第三節 生物轉化技術在現代制藥工業中的應用生物轉化技術在現代制藥工業中的應用第四節第四節 生物轉化技術在其他相關產品中的應用生物轉化技術在其他相關產品中的應用第一節第一節 生物轉化與手性藥物合成生物轉化與手性藥物合成v 生物催化劑為高度手性催化劑，催化反應生物催化劑為高度手性催化劑，催化反應效率高、立體選擇性好，反應產物對映體過效率高、立體選擇性好，反應產物對映體過量率（量率（

2、e.e）有時可達）有時可達100%，生物催化法是，生物催化法是實現手性合成的有效途徑，而很多藥物的藥實現手性合成的有效途徑，而很多藥物的藥理活性與毒性與藥物手征性結構密切相關。理活性與毒性與藥物手征性結構密切相關。 利用生物轉化技術制備手性藥物（關鍵中間體）的一些實例利用生物轉化技術制備手性藥物（關鍵中間體）的一些實例 一、有關手性合成的幾個基本概念一、有關手性合成的幾個基本概念v1、手性或手征性（、手性或手征性（chiral或或chirality）v所謂手征性是指實物與其鏡像不能相互重合的性質，所謂手征性是指實物與其鏡像不能相互重合的性質，如同人的左手和右手的關系，互為鏡像，但不能重如同人的

3、左手和右手的關系，互為鏡像，但不能重合。判斷分子是否具有手征性，必須考慮它缺少哪合。判斷分子是否具有手征性，必須考慮它缺少哪些對稱因素。通常只要一個分子既沒有對稱面又沒些對稱因素。通常只要一個分子既沒有對稱面又沒有對稱中心時，就可以斷定它是手征性分子。造成有對稱中心時，就可以斷定它是手征性分子。造成分子有手征性的一個最通常的因素是含有手性碳原分子有手征性的一個最通常的因素是含有手性碳原子（子（常用常用*C表示表示），即和四個不同原子或基團相連），即和四個不同原子或基團相連的碳原子。的碳原子。2、手性藥物（、手性藥物（chiral drug）v所謂手性藥物是指單一異構體藥物所謂手性藥物是指單一異

4、構體藥物。v近年來人們對手性藥物愈來愈關注的重要原近年來人們對手性藥物愈來愈關注的重要原因是它們的治療活性主要存在于一種異構體，因是它們的治療活性主要存在于一種異構體，而另一（些）異構體或是無活性的、或是具而另一（些）異構體或是無活性的、或是具有不同的藥理活性，甚至有嚴重的毒副作用。有不同的藥理活性，甚至有嚴重的毒副作用。3、對映體、對映異構體、對映體、對映異構體（enantiomer）v具有一定構造的分子，其原子在空間的排列具有一定構造的分子，其原子在空間的排列方式可能不止一種，即可能存在不止一種構方式可能不止一種，即可能存在不止一種構型。型。凡是手性分子，必有互為鏡像的構型。凡是手性分子，

5、必有互為鏡像的構型。這種互為鏡像的兩種構型叫做對映體。分子這種互為鏡像的兩種構型叫做對映體。分子的手性是對映體存在的必要和充分的條件。的手性是對映體存在的必要和充分的條件。一對對映體的構造相同，只是立體結構不同，一對對映體的構造相同，只是立體結構不同，因此它們是立體異構體。這種立體異構體就因此它們是立體異構體。這種立體異構體就叫做對映異構體。叫做對映異構體。3、對映體、對映異構體、對映體、對映異構體（enantiomer）v對映異構和順反異構一樣都是對映異構和順反異構一樣都是構型異構構型異構。要。要把一種異構體變成構型異構體，必須斷裂分把一種異構體變成構型異構體，必須斷裂分子中的兩個鍵，然后對

6、換兩個基團的空間位子中的兩個鍵，然后對換兩個基團的空間位置。置。v而而構象異構構象異構則不同，只要通過鍵的扭轉，一則不同，只要通過鍵的扭轉，一種構象異構體就可以轉變為另一種構象異構種構象異構體就可以轉變為另一種構象異構體。體。4、立體異構體（、立體異構體（stereoisomer）v其分子由相同數目和相同類型的原子組成，其分子由相同數目和相同類型的原子組成，是具有相同的連接方式但原子的空間排列方是具有相同的連接方式但原子的空間排列方式不同，即式不同，即構型不同的化合物構型不同的化合物。5、非對映異構體（、非對映異構體（diastereoisomer）v具有二個或多個非對稱中心，且其分子相互具有

7、二個或多個非對稱中心，且其分子相互不為鏡像的立體異構體。如不為鏡像的立體異構體。如D-赤鮮糖和赤鮮糖和D-蘇蘇糖常簡稱為糖常簡稱為“非對映體非對映體”。6、不對稱合成、手性合成（、不對稱合成、手性合成（asymmetric synthesis, chiral synthesis）v不對稱合成常常也被稱之為手性合成。最初不對稱合成常常也被稱之為手性合成。最初的定義為，不對稱合成是一個用純手性試劑的定義為，不對稱合成是一個用純手性試劑通過非手性底物的反應形成光學活性化合物通過非手性底物的反應形成光學活性化合物（optically active compound）的過程，）的過程，即即從一個具有對稱

8、構造的化合物產生光學活性從一個具有對稱構造的化合物產生光學活性物質的反應過程。物質的反應過程。 6、不對稱合成、手性合成（、不對稱合成、手性合成（asymmetric synthesis, chiral synthesis）v更為廣義的不對稱合成的定義為，一個反應，更為廣義的不對稱合成的定義為，一個反應，其中底物分子整體中的非手性單元由反應劑其中底物分子整體中的非手性單元由反應劑以不等量地生成立體異構產物的途徑轉化為以不等量地生成立體異構產物的途徑轉化為手性單元。也就是說，不對稱合成是一個過手性單元。也就是說，不對稱合成是一個過程，它將程，它將潛手性（潛手性（prochiral）單元轉化為手單

9、元轉化為手性單元，使得產生不等量的立體異構產物。性單元，使得產生不等量的立體異構產物。 一個成功的不對稱反應的標準一個成功的不對稱反應的標準v1）高的對映體過量（）高的對映體過量（e.e）；）；v2）用于不對稱反應的反應劑應易于制備并能）用于不對稱反應的反應劑應易于制備并能循環使用；循環使用；v3）可以制備得到）可以制備得到R和和S兩種構型；兩種構型；v4）最好是催化性的合成。）最好是催化性的合成。v迄今，能完成最好的不對稱合成的反應劑可迄今，能完成最好的不對稱合成的反應劑可以認為是生物催化劑，即自然界中的微生物以認為是生物催化劑，即自然界中的微生物和酶。和酶。 7、不對稱放大、手性合成子和手

10、性助劑、不對稱放大、手性合成子和手性助劑（asymmetric amplification, chiral synthon, chiral auxiliary）v不對稱放大是指應用一種具較低對映體純度不對稱放大是指應用一種具較低對映體純度的催化劑或試劑制備具較高對映體純度的產的催化劑或試劑制備具較高對映體純度的產物的過程。物的過程。v手性合成子為一單對映體化合物，以其作為手性合成子為一單對映體化合物，以其作為起始原料在反應過程中誘導產生所需的手性起始原料在反應過程中誘導產生所需的手性化合物。化合物。v手性助劑為一單對映體化合物，其通過共價手性助劑為一單對映體化合物，其通過共價鍵與底物暫時結合，

11、在反應過程中誘導出手鍵與底物暫時結合，在反應過程中誘導出手性，最后再使共價鍵斷開得到單對映體產物，性，最后再使共價鍵斷開得到單對映體產物，并回收助劑。并回收助劑。 8、外消旋、內消旋和外消旋化、外消旋、內消旋和外消旋化（racemic, meso, racemization）v外消旋外消旋是指一種物質以兩種互為對映體的手是指一種物質以兩種互為對映體的手性分子的等量混合物形式存在的現象，這種性分子的等量混合物形式存在的現象，這種物質即為外消旋體。物質即為外消旋體。v外消旋體也稱為外消旋體也稱為外消旋混合物（外消旋混合物（racemic mixture）或外消旋物）或外消旋物(racemate)，

12、其化合物，其化合物名稱前用名稱前用dl（不鼓勵使用）或（不鼓勵使用）或 符號（較好）符號（較好）或用前綴或用前綴rac表示。表示。8、外消旋、內消旋和外消旋化、外消旋、內消旋和外消旋化（racemic, meso, racemization）v內消旋內消旋是指一種物質的分子內具有是指一種物質的分子內具有2個或多個個或多個非對稱中心但又有對稱面，因而不能以對映非對稱中心但又有對稱面，因而不能以對映體存在的現象，這種物質即為內消旋體，其體存在的現象，這種物質即為內消旋體，其化合物用前綴化合物用前綴meso表示。表示。v外消旋化外消旋化是指一種對映體轉化為兩個對映體是指一種對映體轉化為兩個對映體的等

13、量化合物。內消旋體和外消旋體都沒有的等量化合物。內消旋體和外消旋體都沒有旋光性，但它們在本質上是不同的。旋光性，但它們在本質上是不同的。9、光學（旋光）活性、光學（旋光）異構體和光學純度、光學（旋光）活性、光學（旋光）異構體和光學純度（optically active, optical isomer, optical purity）v光學活性是指由實驗觀察到的一種物質將單光學活性是指由實驗觀察到的一種物質將單色平面偏振光的平面向觀察者的右邊或左邊色平面偏振光的平面向觀察者的右邊或左邊旋轉的性質，通常用（旋轉的性質，通常用（+）表示右旋，用（）表示右旋，用（）表示左旋。表示左旋。v光學異構體即為

14、對映體的同義詞，現已不常光學異構體即為對映體的同義詞，現已不常用，因為一些對映體在某些光波長下并無光用，因為一些對映體在某些光波長下并無光學活性。學活性。v光學純度是指根據實驗測定的旋光度，在兩光學純度是指根據實驗測定的旋光度，在兩個對映混合物中一個對映體所占的百分數。個對映混合物中一個對映體所占的百分數。 10、立體選擇性反應和立體專一性反應、立體選擇性反應和立體專一性反應（stereoselective reaction, stereospecefic reaction）v如果一個反應不管反應物的立體化學如何，生成的如果一個反應不管反應物的立體化學如何，生成的產物只有一種立體異構體（或有兩

15、種立體異構體時，產物只有一種立體異構體（或有兩種立體異構體時，其中一種異構體占壓倒優勢），這樣的反應被稱之其中一種異構體占壓倒優勢），這樣的反應被稱之為為立體選擇性反應立體選擇性反應。v從立體化學上有差別的反應物給出立體化學上有差從立體化學上有差別的反應物給出立體化學上有差別的產物的反應被稱之為立體專一性反應。別的產物的反應被稱之為立體專一性反應。v所有的立體專一性反應必定是立體選擇性反應，但所有的立體專一性反應必定是立體選擇性反應，但不是所有的立體選擇性反應必定是立體專一性反應，不是所有的立體選擇性反應必定是立體專一性反應，因為有些反應物是沒有立體結構特征，而生成物是因為有些反應物是沒有立體

16、結構特征，而生成物是有立體結構特征的。有立體結構特征的。 11、對映體過量（、對映體過量（enantiomeric excess, 簡稱簡稱e.e）和對映選擇性（和對映選擇性（enantioselectivity）v 對映體過量（對映體過量（e.e）是指在兩個對映體混）是指在兩個對映體混合物中，一個對映體合物中，一個對映體E1過量的百分數，即過量的百分數，即 ve.e = （E1E2） / （E1 + E2） 100%v 對映選擇性是指一個化學反應（包括生物對映選擇性是指一個化學反應（包括生物反應等）產生一種對映體多于相對對映體的反應等）產生一種對映體多于相對對映體的程度。程度。 12、D/L

17、、R/S和和d/lvD/L為分子的絕對構型，按照與參照化合物為分子的絕對構型，按照與參照化合物D-或或L-甘油醛的絕對構型甘油醛的絕對構型的實驗化學關聯而指定。的實驗化學關聯而指定。vD/L標記法應用已久，也比較方便。但是這種標記標記法應用已久，也比較方便。但是這種標記只能表示出分子中一個手性碳原子的構型，對于含只能表示出分子中一個手性碳原子的構型，對于含有多個手性碳原子的化合物不合適，有時甚至會產有多個手性碳原子的化合物不合適，有時甚至會產生名稱上的混亂。生名稱上的混亂。v因此，其僅常用于一些常見的和天然的氨基酸或糖，因此，其僅常用于一些常見的和天然的氨基酸或糖，對其它一些化合物目前都采用對

18、其它一些化合物目前都采用R/S來表示。來表示。 12、D/L、R/S和和d/lvR/S 標記法是根據手性碳原子所連接的四個基團的標記法是根據手性碳原子所連接的四個基團的排列順序來標記手性碳原子構型的一種方法。因此，排列順序來標記手性碳原子構型的一種方法。因此，在化學反應中，如果手性碳原子構型保持不變，產在化學反應中，如果手性碳原子構型保持不變，產物的構型與反應物的相同，但其物的構型與反應物的相同，但其“R”或或“S”標記卻標記卻不一定與反應物相同。反之，如果反應后手性碳原不一定與反應物相同。反之，如果反應后手性碳原子的構型轉化了，產物構型的子的構型轉化了，產物構型的“R”或或“S”也不一定也不

19、一定與反應物相同。因為經過化學反應，產物的手性碳與反應物相同。因為經過化學反應，產物的手性碳上所連接的基團與反應物的不一樣了，產物和反應上所連接的基團與反應物的不一樣了，產物和反應物的相應基團的排列次序可能相同也可能不同。物的相應基團的排列次序可能相同也可能不同。“R”或或“S”的標記，決定于它本身四個基團的排列的標記，決定于它本身四個基團的排列次序，而與反應時的構型是否保持不變無關次序，而與反應時的構型是否保持不變無關。12、D/L、R/S和和d/lvd或或l是指物質是指物質右旋或左旋右旋或左旋，是按照實驗測定，是按照實驗測定的將單色平面偏振光的平面向右或向左旋轉的將單色平面偏振光的平面向右

20、或向左旋轉而定，目前常用（而定，目前常用（+）表示右旋，用（）表示右旋，用（）表）表示左旋。示左旋。 13、拆分（、拆分（resolution）v拆分是指將外消旋體分離成旋光體的過程。拆分是指將外消旋體分離成旋光體的過程。外消旋體是有一對對映體等量混合而成。外消旋體是有一對對映體等量混合而成。v對映體除旋光方向相反外，其它物理性質都對映體除旋光方向相反外，其它物理性質都相同，因此，雖然外消旋體為兩種化合物的相同，因此，雖然外消旋體為兩種化合物的混合物，但用一般的物理方法，如蒸餾、重混合物，但用一般的物理方法，如蒸餾、重結晶等不能把一對對映體分離開來，必須用結晶等不能把一對對映體分離開來，必須用

21、特殊的方法才能把它們拆開。特殊的方法才能把它們拆開。v目前常用的一些方法包括有以下幾種。目前常用的一些方法包括有以下幾種。化學拆分法：化學拆分法：v這個方法應用最廣。其原理是將對映體轉變為非對這個方法應用最廣。其原理是將對映體轉變為非對映體，然后分離。映體，然后分離。v外消旋體與無旋光性的物質作用并結合后，仍是外外消旋體與無旋光性的物質作用并結合后，仍是外消旋體。但是若使外消旋體與旋光性物質作用并結消旋體。但是若使外消旋體與旋光性物質作用并結合后，則原來的一對對映體變成了兩種互不對映的合后，則原來的一對對映體變成了兩種互不對映的衍生物。于是外消旋體變成了非對映體的化合物。衍生物。于是外消旋體變

22、成了非對映體的化合物。非對映體具有不同的物理性質，可以用一般的分離非對映體具有不同的物理性質，可以用一般的分離方法把它們分開。最后再把分離所得的兩種衍生物方法把它們分開。最后再把分離所得的兩種衍生物分別變回原來的旋光物質，即達到了拆分的目的。分別變回原來的旋光物質，即達到了拆分的目的。這種拆分法最適合于酸或堿的外消旋體的拆分。目這種拆分法最適合于酸或堿的外消旋體的拆分。目前已經開發了許多光學異構體分離用的介質。前已經開發了許多光學異構體分離用的介質。生物拆分法：生物拆分法：v某些微生物或它們所產生的酶。對于對映體某些微生物或它們所產生的酶。對于對映體中的一種異構體有選擇性的分解作用。利用中的一

23、種異構體有選擇性的分解作用。利用微生物或酶的這種性質可以從外消旋體中把微生物或酶的這種性質可以從外消旋體中把一種旋光體拆分出來，但在拆分過程中，外一種旋光體拆分出來，但在拆分過程中，外消旋體至少有消旋體至少有一半被消耗掉一半被消耗掉了。了。誘導結晶拆分法：誘導結晶拆分法：v在外消旋體的過飽和溶液中，假如一定量的在外消旋體的過飽和溶液中，假如一定量的一種旋光體的純晶體作為晶種。由于溶液中一種旋光體的純晶體作為晶種。由于溶液中這種旋光體的含量較高，且在晶種的誘導下這種旋光體的含量較高，且在晶種的誘導下優先結晶析出。將這種結晶濾出后，則另一優先結晶析出。將這種結晶濾出后，則另一種旋光體在濾液中相對較

24、多。再加入外消旋種旋光體在濾液中相對較多。再加入外消旋體制成過飽和溶液，于是另一種旋光體優先體制成過飽和溶液，于是另一種旋光體優先結晶析出。如此反復進行結晶，就可以把一結晶析出。如此反復進行結晶，就可以把一對對映體完全分開。對對映體完全分開。選擇吸附拆分法：選擇吸附拆分法：v用某種旋光物質作為吸附劑，使之選擇性地用某種旋光物質作為吸附劑，使之選擇性地吸附外消旋體中的一種異構體，以達到拆分吸附外消旋體中的一種異構體，以達到拆分的目的。近年來開發用于分離光學異構體的的目的。近年來開發用于分離光學異構體的擬移動床色譜就是根據這種原理設計的。擬移動床色譜就是根據這種原理設計的。逆流萃取拆分法：逆流萃取

25、拆分法：v在萃取液中使用合適的手性助劑，以逆流萃在萃取液中使用合適的手性助劑，以逆流萃取的方法可以使外消旋體混合物對映體得到取的方法可以使外消旋體混合物對映體得到分離。分離。其它拆分法：其它拆分法：v近年來正在不斷開發各種新的對映體拆分技近年來正在不斷開發各種新的對映體拆分技術包括所應用的設備的開發。術包括所應用的設備的開發。14、外消旋體轉換（、外消旋體轉換（racemic switch）v即從已知的外消旋體藥物開發單一異構體藥即從已知的外消旋體藥物開發單一異構體藥物。物。v這對該品種的原開發商而言可籍此延長產品這對該品種的原開發商而言可籍此延長產品的專利保護期。對其它廠商而言是一條獲得的專

26、利保護期。對其它廠商而言是一條獲得新產品的捷徑，因為其相對風險小投入少。新產品的捷徑，因為其相對風險小投入少。二、開發手性藥物的意義二、開發手性藥物的意義v美國美國FDA于于1992年公布了手性藥物指導原則年公布了手性藥物指導原則稱：制藥廠商必須確定外消旋體及各立體異稱：制藥廠商必須確定外消旋體及各立體異構體的特性、作用效果、質量、純度，比較構體的特性、作用效果、質量、純度，比較各異構體的體外系統和（或）人體中的藥理各異構體的體外系統和（或）人體中的藥理活性，如異構體之間藥物動力學特性有差異活性，如異構體之間藥物動力學特性有差異的需分別測定相關的數據。的需分別測定相關的數據。 二、開發手性藥物

27、的意義二、開發手性藥物的意義v另外，鼓勵開發已經上市的外消旋體藥物的另外，鼓勵開發已經上市的外消旋體藥物的單一異構體，即如果發現單一異構體的療效單一異構體，即如果發現單一異構體的療效提高、副作用減輕或具有新的藥理作用，就提高、副作用減輕或具有新的藥理作用，就可以擴大適應癥范圍，并可望延長專利保護可以擴大適應癥范圍，并可望延長專利保護期。期。vFDA還正在考慮給此類單一異構體部分以新還正在考慮給此類單一異構體部分以新化學實體的待遇，享受一定期限的市場獨占化學實體的待遇，享受一定期限的市場獨占權。權。 市售的單一異構體和外消旋體藥物市售的單一異構體和外消旋體藥物 二、開發手性藥物的意義二、開發手性

28、藥物的意義v 藥物的手征性問題在制藥工業界愈來愈受到藥物的手征性問題在制藥工業界愈來愈受到重視。對單一異構體藥物，即俗稱為手性藥重視。對單一異構體藥物，即俗稱為手性藥物的關注有許多理由。物的關注有許多理由。最重要的一點是藥物最重要的一點是藥物的作用靶點的作用靶點生物體的酶和細胞表面受體生物體的酶和細胞表面受體是手性的。是手性的。外消旋體藥物的兩個對映體在體外消旋體藥物的兩個對映體在體內以不同的途徑被吸收、活化或降解后，就內以不同的途徑被吸收、活化或降解后，就與具有不同手征性特性的靶點結合，從而出與具有不同手征性特性的靶點結合，從而出現這兩種對應體可能有相同的藥理活性，或現這兩種對應體可能有相同

29、的藥理活性，或者是一種可能是活性的，另一種可能是無活者是一種可能是活性的，另一種可能是無活性的甚至是有毒性的，或者是兩者可能有不性的甚至是有毒性的，或者是兩者可能有不同程度或不同性質的活性。同程度或不同性質的活性。 些藥物或化合物異構體的不同藥理活性或其它特性些藥物或化合物異構體的不同藥理活性或其它特性二、開發手性藥物的意義二、開發手性藥物的意義v在生物體系中，立體異構識別是很明顯的。在生物體系中，立體異構識別是很明顯的。一般就手性化合物而言，一般就手性化合物而言，可能有四種不同的可能有四種不同的生物學效應：生物學效應：v只有一種異構體具有所希望的生物活性，而只有一種異構體具有所希望的生物活性

30、，而另一種沒有顯著的所希望的生物活性。另一種沒有顯著的所希望的生物活性。v只有一種異構體具有所希望的生物活性，而只有一種異構體具有所希望的生物活性，而另一種不具有所希望的生物活性。另一種不具有所希望的生物活性。v只有一種異構體具有所希望的生物活性，而只有一種異構體具有所希望的生物活性，而另一種具有不希望的生物活性。另一種具有不希望的生物活性。v兩種異構體具有不同藥理作用的生物活性。兩種異構體具有不同藥理作用的生物活性。 引起對對映體可能表現有不同的藥理作用引起對對映體可能表現有不同的藥理作用或毒副作用關注的原因或毒副作用關注的原因v可以從在可以從在20世紀世紀60年代歐洲發生的一個悲劇來說明：

31、年代歐洲發生的一個悲劇來說明：即外消旋的沙利度胺曾是有力的鎮靜劑和止吐藥，即外消旋的沙利度胺曾是有力的鎮靜劑和止吐藥，尤其適合在早期妊娠反應中使用。尤其適合在早期妊娠反應中使用。v不幸的是，有些曾服用這種藥的孕婦產下了畸形的不幸的是，有些曾服用這種藥的孕婦產下了畸形的嬰兒。嬰兒。v因此，很快就發現它是極強烈的致畸劑。進一步的因此，很快就發現它是極強烈的致畸劑。進一步的研究表明，其研究表明，其致畸作用是由該藥的（致畸作用是由該藥的（S）-異構體所異構體所引起的，而引起的，而(R)-異構體被認為即使在高劑量時在動異構體被認為即使在高劑量時在動物中也不會引起畸變。物中也不會引起畸變。 引起對對映體可

32、能表現有不同的藥理作用引起對對映體可能表現有不同的藥理作用或毒副作用關注的原因或毒副作用關注的原因v另外一個有趣的例子是治療帕金森氏病的另外一個有趣的例子是治療帕金森氏病的L-多巴多巴(DOPA)在體內的活性形式是通過脫羧作在體內的活性形式是通過脫羧作用形成無手征性的多巴胺。用形成無手征性的多巴胺。v但由于多巴胺不能跨越但由于多巴胺不能跨越“血腦屏障血腦屏障”進入作進入作用部位，因而必須服用前藥用部位，因而必須服用前藥L-多巴。再由體多巴。再由體內的酶將其催化脫羧形成活性態的多巴胺。內的酶將其催化脫羧形成活性態的多巴胺。v然而，多巴脫羧酶是專一性的，只對然而，多巴脫羧酶是專一性的，只對L-多巴

33、多巴的（的（-）對映體發生脫羧作用。因此，必須服）對映體發生脫羧作用。因此，必須服用用L-(-)- 多巴，多巴，否則，否則，L-（+）-多巴可能會在多巴可能會在體內積聚而發生危險。體內積聚而發生危險。目前，通過使用一系目前，通過使用一系列不對稱合成方法，可以工業規模制備列不對稱合成方法，可以工業規模制備L-(-)- 多巴。多巴。 NCCNHOHOOO1234NCCNHOOOO123H4S 型R 型OHOH2NHOHO沙利度胺（Thalidomide）D 型OHOH2NHOHOL 型多巴（Dopa）沙利度胺和沙利度胺和L-多巴的異構體結構多巴的異構體結構 一些處于不同階段從外消旋體轉換為單一異構

34、體藥物的開發狀況一些處于不同階段從外消旋體轉換為單一異構體藥物的開發狀況 第二節第二節 生物轉化與手性中間體的制備生物轉化與手性中間體的制備v 手性藥物制備的關鍵技術是不對稱合成手性藥物制備的關鍵技術是不對稱合成(asymmetric synthesis)技術。多年來，有機化學技術。多年來，有機化學工作者已經研究開發了許多種用化學的方法進行不工作者已經研究開發了許多種用化學的方法進行不對稱合成的技術，但近對稱合成的技術，但近20多年來，很多長期從事化多年來，很多長期從事化學合成研究的工作者對微生物和酶反應發生了興趣，學合成研究的工作者對微生物和酶反應發生了興趣，與此同時，很多長期從事微生物和酶

35、的研究的工作與此同時，很多長期從事微生物和酶的研究的工作者對如何將此應用于有機合成發生了興趣，從而使者對如何將此應用于有機合成發生了興趣，從而使生物催化轉化（生物催化轉化（biocatalytic transformation）成）成為一種進行不對稱合成的重要技術。為一種進行不對稱合成的重要技術。應用生物催化轉化技術進行不對稱合成與應用生物催化轉化技術進行不對稱合成與化學合成法相比較具有的優越性有：化學合成法相比較具有的優越性有：v1）轉化底物某一基團的專一性強，即對不需要轉轉化底物某一基團的專一性強，即對不需要轉化的基團無需保護；化的基團無需保護；v2）通過對用于某一轉化的微生物進行菌種選育

36、和通過對用于某一轉化的微生物進行菌種選育和轉化條件的優化，可以得到極高的轉化率；轉化條件的優化，可以得到極高的轉化率；v3）生物催化轉化的反應條件溫和且對環境的污染生物催化轉化的反應條件溫和且對環境的污染很小。很小。v特別是近年來特別是近年來DNA重組技術的應用和新的轉化系統重組技術的應用和新的轉化系統的開發應用，使愈來愈多的原來使用化學方法進行的開發應用，使愈來愈多的原來使用化學方法進行不對稱合成的化合物有可能被生物催化轉化的方法不對稱合成的化合物有可能被生物催化轉化的方法來替代。來替代。 一、三元環和四元環中間體的制備一、三元環和四元環中間體的制備CH2OHNNNHCH2OAcCH2OHH

37、(R)-(-)-3431%, 97% ee(+/-)-33Lipase PSOAc-40(S)-(+)-3362%, 46% eeOOHOHOOOClClOOClHOOCNH2Rhodococcusequi(a)(b)94% ee(S)-(-)-FrontalinCunninghamellaechinulata99% ee(R)-(-)-Baclofen 環氧乙烷的生物拆分和環氧乙烷的生物拆分和frontalin以及以及baclofen的合成的合成 二、五元環中間體的制備二、五元環中間體的制備OOOOHORHOOHHOOHNHOH(CH2)7CH3OCH3HOHOCH2CC(CH2)3CO2C

38、H3HOHOOHNNNNNH2(-)-PGE2D-manno-1-deoxynojirimycin4-substituted riboseR=Me, Ph, DNeptanoxin A16AnOOHHOOAnAcOOAnAnOOAcOOAcOOAnOOHOOAnOOHOOAcOOOOOOAc(+/-)-17(+)-18(-)-19(-)-20(+)-20(-)-22(+)-16(-)-21Amano PS-30(+)-21(-)-16(+)-22Three stepsTwo stepsox.ox.An = p-CH3OC2H4OHHOOAcHOOHTBSOOOLipase LIPOx.24(+

39、)-25 99% ee(-)-23Ox.Two steps OAc(+)-23OZNH3CO2CHNZCO2CH3(-)-23NHH3CO2CNHCO2HCO2H(-)-kainic acidStepsThermolysisIntramolecularene reactionSteps 逆狄爾斯逆狄爾斯-阿爾德反應和海人藻酸的合成阿爾德反應和海人藻酸的合成 三、六元環中間體的制備三、六元環中間體的制備OHOHOOOOOOOOOOOOOOXXXXXXXOHFN3OHOOHNHROHOHOHHOOXX=H, Br, ClE.coliJM1091OAcBrBrOAcOAcBrBrOHOAcBrBrO

40、Ac(+/-)-12(+)-11(+)-12+Amano PS-30phosphate bufferC2不對稱化合物不對稱化合物12的酶拆分過程的酶拆分過程四、七元環中間體的制備四、七元環中間體的制備 O OT TI IP PS SO OT TI IP PS SH HO OO OH HO OT TI IP PS SA Ac cO OO OH HO OT TI IP PS SO OT TB BS SO O2 27 7( (+ +) )- -2 28 8( (- -) )- -2 26 6( (+ +) )- -2 26 6T Tw wo o s st te ep ps sA Am ma an n

41、o o P P- -3 30 0s st te ep ps ss st te ep ps sO OA Ac c5 53 37 73 37 7對映體純對映體純 化合物（化合物（+）-26和（和（-）-26的合成的合成 第三節第三節 生物轉化在現代制藥工業中的應用生物轉化在現代制藥工業中的應用v一、鈣離子拮抗劑，抗心絞痛和高血壓藥地爾硫一、鈣離子拮抗劑，抗心絞痛和高血壓藥地爾硫卓關鍵中間體的制備卓關鍵中間體的制備v利用來源于利用來源于S.marcescens的脂肪酶拆分的脂肪酶拆分(2RS,3SR)-3-(4-甲氧基苯基甲氧基苯基)縮水甘油酸甲酯，能縮水甘油酸甲酯，能夠得到純度很高的夠得到純度很高

42、的(2R,3S)-4-甲氧苯基縮水甘油酸甲氧苯基縮水甘油酸甲酯（其對映體過剩率甲酯（其對映體過剩率e.e值高達值高達98%以上），理以上），理論轉化率為論轉化率為50%。自從。自從1993年以來，日本年以來，日本Tanabe公司每年生產公司每年生產50噸這樣的關鍵中間體，用于制備噸這樣的關鍵中間體，用于制備抗心絞痛和高血壓藥。抗心絞痛和高血壓藥。v圖所示為用脂肪酶制備關鍵中間體圖所示為用脂肪酶制備關鍵中間體(2R,3S)-4-甲氧甲氧苯基縮水甘油酸甲酯的路線。苯基縮水甘油酸甲酯的路線。 利用脂肪酶拆分外消旋體對甲氧基苯苷氨酰甲酯制備地爾硫關鍵中間體利用脂肪酶拆分外消旋體對甲氧基苯苷氨酰甲酯制備

43、地爾硫關鍵中間體 二、農藥二、農藥FRONTIER的關鍵中間體的制備的關鍵中間體的制備v另外一個利用微生物來源脂肪酶實現工業化制備另外一個利用微生物來源脂肪酶實現工業化制備藥物關鍵中間體的實例是，藥物關鍵中間體的實例是，BASF AG公司利用公司利用假單胞菌假單胞菌DSM 8246脂肪酶脂肪酶制備農藥制備農藥FRONTIER的關鍵中間體，（的關鍵中間體，（S）-1-甲氧基甲氧基-2-氨基丙烷，其氨基丙烷，其不需要的對映體可以被外消旋化后循環拆分。不需要的對映體可以被外消旋化后循環拆分。v由于動力學拆分的最大轉化率為由于動力學拆分的最大轉化率為50%，因此，通，因此，通過選擇不同的溶劑系統研究原

44、位外消旋化技術非過選擇不同的溶劑系統研究原位外消旋化技術非常重要。常重要。v圖所示為利用脂肪酶制備關鍵中間體（圖所示為利用脂肪酶制備關鍵中間體（S）-1-甲甲氧基氧基-2-氨基丙烷的路線。氨基丙烷的路線。利用脂肪酶制備農藥利用脂肪酶制備農藥FRONTIER關鍵中間體關鍵中間體(S)-1-甲氧基甲氧基-2-氨基丙烷氨基丙烷 目前正在研究的一種殺蟲劑關鍵中間體（目前正在研究的一種殺蟲劑關鍵中間體（S）-4-羥基羥基-3-甲基甲基-prop-2-ynyl-cyclopent-2-enone也是通過脂肪酶催化獲得的也是通過脂肪酶催化獲得的 三、免疫抑制劑脫氧精胍菌素關鍵中間體的制備三、免疫抑制劑脫氧精

45、胍菌素關鍵中間體的制備v抗腫瘤抗生素精胍菌素（抗腫瘤抗生素精胍菌素（spergualin）首先從微生）首先從微生物發酵液中發現，在用全合成方法制備精胍菌素時，物發酵液中發現，在用全合成方法制備精胍菌素時，用酸催化的縮合反應導致產生用酸催化的縮合反應導致產生C-11兩個對映體。用兩個對映體。用合成方法得到的外消旋體精胍菌素的抗腫瘤活性僅合成方法得到的外消旋體精胍菌素的抗腫瘤活性僅為微生物來源的一半，提示為微生物來源的一半，提示C-11位構型的重要性。位構型的重要性。v免疫抑制劑免疫抑制劑15-脫氧精胍菌素（脫氧精胍菌素（15-deoxyspergualin）合成的關鍵中間體，）合成的關鍵中間體，

46、S-(-)-乙乙酸酯，可以用來源于假單胞菌的脂肪酶對其相應的酸酯，可以用來源于假單胞菌的脂肪酶對其相應的外消旋體進行對映體選擇性酰化得到，該反應可在外消旋體進行對映體選擇性酰化得到，該反應可在甲基乙基酮系統中進行，假單胞菌脂肪酶甲基乙基酮系統中進行，假單胞菌脂肪酶AK為生為生物催化劑，醋酸乙烯酯為酰化劑。物催化劑，醋酸乙烯酯為酰化劑。v目的產物目的產物S-(-)-乙酸酯的轉化率為乙酸酯的轉化率為48%（理論最大（理論最大值為值為50%），對映體過剩率為），對映體過剩率為98%，不需要的醇轉，不需要的醇轉化率為化率為41%，對映體過剩率為，對映體過剩率為98.5%。 15-15-脫氧精胍菌素脫氧

47、精胍菌素15-15-脫氧精胍菌素的化學結構及其關鍵中間體脫氧精胍菌素的化學結構及其關鍵中間體S-(-)-S-(-)-乙酸酯的制備路線乙酸酯的制備路線四、選擇性四、選擇性 3-受體激動劑關鍵中間體的制備受體激動劑關鍵中間體的制備v選擇性選擇性 3-受體激動劑可以用來治療胃腸道疾受體激動劑可以用來治療胃腸道疾病、病、II型糖尿病和肥胖癥等，合成如圖所示的型糖尿病和肥胖癥等，合成如圖所示的 3-受體激動劑時所用的單一構型的關鍵中間受體激動劑時所用的單一構型的關鍵中間體，（體，（S）-單酯化合物可以通過豬肝酯酶水單酯化合物可以通過豬肝酯酶水解甲基解甲基-（4-甲氧苯基）甲氧苯基）-丙二酸二乙酯獲得丙二

48、酸二乙酯獲得（如圖所示）。（如圖所示）。v當用乙醇作為反應助溶劑，在雙相系統中溫當用乙醇作為反應助溶劑，在雙相系統中溫度為度為10時，其（時，其（S）-單酯化合物轉化率可單酯化合物轉化率可達到達到96.7%，對映體過剩率可達到，對映體過剩率可達到96%。 -3-3受體激動劑受體激動劑 3-3-受體激動劑的化學結構及其關鍵中間體（受體激動劑的化學結構及其關鍵中間體（S S）- -單酯化合物的制備路線單酯化合物的制備路線五、五、 2-受體激動劑，支氣管擴張藥物（受體激動劑，支氣管擴張藥物（R,R）-福莫特羅中間體的制備福莫特羅中間體的制備v 目前臨床應用的目前臨床應用的 2-受體激動劑，支氣管擴張

49、藥物福莫特羅受體激動劑，支氣管擴張藥物福莫特羅（formoterol）為外消旋體。）為外消旋體。v最近的研究表明，不同的異構體其藥理活性不同，最近的研究表明，不同的異構體其藥理活性不同，(R,R)-立體立體異構體具有正常的藥理作用。異構體具有正常的藥理作用。v應用酶促拆分的方法可以獲得制備（應用酶促拆分的方法可以獲得制備（R,R）-福莫特羅的關鍵福莫特羅的關鍵中間體：用洋蔥假單胞菌脂肪酶中間體：用洋蔥假單胞菌脂肪酶PS-30酶促酰化外消旋體醇化酶促酰化外消旋體醇化合物合物12，得到酰化產物，得到酰化產物(S)-13和期望的未反應產物（和期望的未反應產物（R）-11（得率為（得率為46%）；用）

50、；用Candida antarctica脂肪酶拆分外消旋體脂肪酶拆分外消旋體化合物化合物14，得到期望的產物（，得到期望的產物（R）-15和未反應的產物和未反應的產物(S)-16。（R）-15的反應總收率為的反應總收率為11%，對映體過剩率為，對映體過剩率為96%；當在；當在反應過程中加入反應過程中加入0.15當量的三乙胺時，反應至當量的三乙胺時，反應至4小時時能夠得小時時能夠得到到42%的轉化率和的轉化率和94%的，經過水解和層析分離，其收率為的，經過水解和層析分離，其收率為21%，對映體過剩率為，對映體過剩率為94%。v最后，通過化學反應，將關鍵中間體（最后，通過化學反應，將關鍵中間體（R

51、）-11和（和（R）-15縮縮合，得到終產物（合，得到終產物（R,R）-福莫特羅。福莫特羅。 （R,R）-福莫特羅的制備路線福莫特羅的制備路線六、抗六、抗Alzheimers藥物關鍵中間體的制備藥物關鍵中間體的制備vS-2-戊醇是多個研究中的抗戊醇是多個研究中的抗Alzheimers藥物（抑藥物（抑制制 -淀粉狀蛋白的釋放和淀粉狀蛋白的釋放和/或合成）的關鍵中間體。或合成）的關鍵中間體。利用利用Candida antarctica脂肪酶脂肪酶B拆分外消旋體拆分外消旋體2-戊醇和戊醇和2-庚醇，能夠得到這一關鍵中間體。庚醇，能夠得到這一關鍵中間體。v該酶能夠有效地催化這一反應，轉化率為該酶能夠有

52、效地催化這一反應，轉化率為49%（理（理論最大轉化率為論最大轉化率為50%），對映體過剩率為），對映體過剩率為99%。在。在這個反應系統中，琥珀酸酐為最合適的酰化劑，這個反應系統中，琥珀酸酐為最合適的酰化劑，2-戊醇既是反應底物，同時也是反應溶劑。戊醇既是反應底物，同時也是反應溶劑。v圖所示為利用圖所示為利用Candida antarctica脂肪酶脂肪酶B制備關制備關鍵中間體鍵中間體S-2-戊醇和戊醇和S-2-庚醇的路線。庚醇的路線。抗抗Alzheimers藥物關鍵中間體藥物關鍵中間體S-2-戊醇和戊醇和S-2-庚醇的制備路線庚醇的制備路線七、具有降膽固醇作用的鯊烯合成酶七、具有降膽固醇作用

53、的鯊烯合成酶抑制劑關鍵手性中間體抑制劑關鍵手性中間體vBMS188494是一個正在研究開發中的鯊烯合成酶是一個正在研究開發中的鯊烯合成酶抑制劑。在該藥物的化學合成過程中，需要有關鍵抑制劑。在該藥物的化學合成過程中，需要有關鍵手性中間體手性中間體S-（+）-二乙酯化合物。利用二乙酯化合物。利用Geotrichum candidum脂肪酶，在甲苯溶劑中以脂肪酶，在甲苯溶劑中以異丙烯醋酸酯為酰化劑，催化外消旋體二乙酯化合異丙烯醋酸酯為酰化劑，催化外消旋體二乙酯化合物物67獲得該關鍵中間體，其轉化率為獲得該關鍵中間體，其轉化率為38%（理論最（理論最大轉化率為大轉化率為50%），對映體過剩率為），對映

54、體過剩率為95%。v圖所示為圖所示為BMS188494的化學結構以及酶促制備關的化學結構以及酶促制備關鍵手性中間體鍵手性中間體S-（+）-二乙酯化合物的路線。二乙酯化合物的路線。 鯊烯合成酶抑制劑鯊烯合成酶抑制劑BMS188494關鍵手性中間體關鍵手性中間體S-（+）-二乙酯化合物的制備路線二乙酯化合物的制備路線八、抗腫瘤藥物紫杉醇關鍵中間體的制備八、抗腫瘤藥物紫杉醇關鍵中間體的制備v紫杉醇是目前唯一已知能夠抑制微管蛋白解紫杉醇是目前唯一已知能夠抑制微管蛋白解聚過程的多環二萜類藥物。天然的紫杉醇從聚過程的多環二萜類藥物。天然的紫杉醇從yew bark 中分離獲得，但其產率很低，中分離獲得，但其

55、產率很低，1公公斤紫杉醇需要大約斤紫杉醇需要大約2磅的磅的yew bark（約（約3000棵樹）。棵樹）。 用半合成的方法制備紫杉醇是用半合成的方法制備紫杉醇是最近幾年研究的一個熱點最近幾年研究的一個熱點v其中用酶促方法制備其中用酶促方法制備C-13手性側鏈取得了一定的進手性側鏈取得了一定的進展：利用來源于洋蔥假單胞菌的脂肪酶展：利用來源于洋蔥假單胞菌的脂肪酶PS-300以及以及來源于假單胞菌來源于假單胞菌SC 13856的脂肪酶的脂肪酶BMS，能夠對，能夠對映體選擇性地水解外消旋體醋酸酯映體選擇性地水解外消旋體醋酸酯cis-3-（乙酰氧）（乙酰氧）-4-苯基苯基-2-雜氮環二酮雜氮環二酮73

56、，至相應的，至相應的(S)-醇醇74和所期和所期望未反應的（望未反應的（R）-醋酸酯醋酸酯75，后者的轉化率為大于，后者的轉化率為大于48%（理論最大轉化率為（理論最大轉化率為50%），對映體過剩率大），對映體過剩率大于于99.5%。用化學方法還原（。用化學方法還原（R）-醋酸酯醋酸酯75，就可，就可以得到以得到C-13關鍵手性中間體（關鍵手性中間體（R）-醇化合物。醇化合物。 紫杉醇紫杉醇C-13關鍵手性中間體（關鍵手性中間體（R）-醇化合物的制備路線醇化合物的制備路線 九、法尼基合成酶抑制劑關鍵中間體的制備九、法尼基合成酶抑制劑關鍵中間體的制備 法尼基轉移酶抑制劑法尼基轉移酶抑制劑法尼基合

57、成酶抑制劑關鍵中間體（法尼基合成酶抑制劑關鍵中間體（R R）-77-77化合物的制備路線化合物的制備路線十、生物轉化與青霉素和頭孢菌素母核及有關產品的制備十、生物轉化與青霉素和頭孢菌素母核及有關產品的制備CH2CONHNSCH3CH3COOHONSCH3CH3COOHOH2NHCCOCH3NH2+酶水解大腸桿菌酰基酶無側鏈青霉素HCCONHNH2NSCH3CH3COOHO酶法酰基化假單孢型酰基酶氨芐青霉素青霉素母核青霉素母核6-APA和半合成產品氨芐青霉素制備過程和半合成產品氨芐青霉素制備過程十、生物轉化與青霉素和頭孢菌素母核及有關產品的制備十、生物轉化與青霉素和頭孢菌素母核及有關產品的制備C

58、H2CONHNSCH3CH3COOHO青霉素GCH2CONHNSCH3COOHONSCH3COOHOH2NCHCOOCH3NH2+CHCONHNSCOOHONH2化學擴環或基因工程菌擴環酶水解大腸桿菌酰基酶酶酰基化里假單孢菌酰基酶頭孢氨芐CH3頭孢菌素母核頭孢菌素母核7-ADCA和半合成產品頭孢氨芐的制備過程和半合成產品頭孢氨芐的制備過程 十一、生物轉化十一、生物轉化HMG-CoA還原酶抑制劑普伐他汀的制備還原酶抑制劑普伐他汀的制備 MeOOOOHOMeOOOOHOHOPenicillium citrinumStreptomycescarbophilusPenicillium citrinum

59、P450 scaPravastatinCompactin十二、克拉紅霉素的生物轉化十二、克拉紅霉素的生物轉化v 克拉紅霉素為克拉紅霉素為6-O-甲基紅霉素。目前已經甲基紅霉素。目前已經通過多種化學合成途徑，實現了產業化。但通過多種化學合成途徑，實現了產業化。但由于在紅霉素分子結構中存在有多個羥基，由于在紅霉素分子結構中存在有多個羥基，因此，為了能夠在因此，為了能夠在6-OH的羥基上進行甲基化，的羥基上進行甲基化，需要對需要對C-9位的酮基和糖分子中的多個羥基進位的酮基和糖分子中的多個羥基進行保護，然后再進行脫保護反應，整個反應行保護，然后再進行脫保護反應，整個反應步驟冗長，且環境污染大制造成本

60、高。步驟冗長，且環境污染大制造成本高。 十二、克拉紅霉素的生物轉化十二、克拉紅霉素的生物轉化OCH3OHHOH3COHCH3CH3OOH3CH3CH3COOOOH3CCH3OHOCH3CH3OHNCH3H3COCH3OHOH3COHCH3CH3OOH3CH3CH3COOOOH3CCH3OHOCH3CH3OHNCH3H3CCH3目前的化學工藝酶法紅霉素Erythromycin克拉紅霉素ClarithromycinN取代取代1脫氧野尻霉素的合成方法一脫氧野尻霉素的合成方法一 十三、十三、-糖苷酶抑制劑米格列醇和伏格列波糖的生物轉化糖苷酶抑制劑米格列醇和伏格列波糖的生物轉化（一）利用生物轉化技術制備