酶催化合成手性氰醇的研究進(jìn)展

杜剛

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710302）

酶催化合成手性氰醇的研究進(jìn)展

杜剛

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710302）

手性氰醇是一類重要的手性藥物與農(nóng)藥中間體，并能夠轉(zhuǎn)化成具有不同官能團(tuán)的光學(xué)活性中間體，在手性藥物的合成中具有極其重要的地位。本文從氰醇醛縮酶的來源、酶催化合成手性氰醇的條件因素等幾個(gè)方面系統(tǒng)介紹了手性氰醇的酶催化合成研究進(jìn)展以及手性氰醇的應(yīng)用。

醇腈酶；氰醇；藥物中間體

手性化合物由于其獨(dú)特的性能，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、化工等領(lǐng)域具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，引起了化學(xué)家和生物學(xué)家的極大關(guān)注。但是手性化合物的制備技術(shù)還不盡成熟，手性中間體的研究與開發(fā)是急待解決的重大課題。手性氰醇是一類重要的手性藥物中間體，同時(shí)由于其很容易轉(zhuǎn)化為氨基醇、羥基酸、羥基酮等具有光學(xué)活性產(chǎn)物，進(jìn)而能夠得到更多的有價(jià)值的光學(xué)活性化臺(tái)物，例如合成抗癌藥喜樹堿、抗菌藥甲砜霉素、殺蟲劑溴氰菊酯等手性藥物與農(nóng)藥等。制備光學(xué)活性氰醇的方法多種多樣，其中酶法因其選擇性高、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)物光學(xué)純度高等優(yōu)點(diǎn)在眾多制備手性氰醇的方法中，越來越受到關(guān)注，酶法不對(duì)稱合成手性腈醇是利用醇腈酶催化醛（酮)與HCN反應(yīng)合成手性氰醇。

1 氰醇醛縮酶

醇腈酶又稱羥基腈裂解酶,最早在苦杏仁中發(fā)現(xiàn)，主要用于分解氰醇（圖1），Akazawa在研究蜀黍腈苷生物合成時(shí)，高粱中也發(fā)現(xiàn)氰醇醛縮酶，Colette Bovfit和Eric E.Conn在1963年對(duì)源于高粱的氰醇醛縮酶的功能于特性進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，人們才逐漸認(rèn)識(shí)了醇腈酶，醇腈酶在pH值為5.4的醋酸緩沖溶液中，以對(duì)羥基苯乙醇氰為底物，發(fā)現(xiàn)在室溫條件下具有分解對(duì)羥基苯乙醇氰能力，但在0℃則活性消失。現(xiàn)在研究表明利用羥基腈裂解酶氰解逆反應(yīng)，是得到氰醇化合物的有效途徑。

圖1 醇腈酶氰解反應(yīng)Fig.1 Enzyme-catalysed reactions of cyanohydrins

自然界的醇腈酶來源廣泛，主要有苦扁桃醛化酶、木薯醛化酶、三葉酸醛化酶等。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的是橡膠樹醇腈酶[1]與巴旦杏醇腈酶[2]。

2 酶催化反應(yīng)條件的選擇

2.1 酶催化反應(yīng)體系

生物催化不對(duì)稱合成手性氰醇的反應(yīng)體系有水相體系、水相-有機(jī)相體系兩種。兩種反應(yīng)體系各有自身的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)與水相反應(yīng)體系的研究，最早從事這方面的研究是Rosenthaler，采用苦杏仁氰醇醛縮酶催化HCN與苯甲醛不對(duì)稱合成制備扁桃氰，在水相體系中產(chǎn)物的ee值和產(chǎn)率較低。現(xiàn)代利用氰醇醛縮酶合成手性氰醇有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了水相-有機(jī)相反應(yīng)體系，在水相-有機(jī)相中而酶分解反應(yīng)卻受到抑制，利用水相一有機(jī)相反應(yīng)體系，氰醇酶催化多種酮與HCN反應(yīng)，獲得ee值高達(dá)99%的S-氰醇[3]。Effenberger將反應(yīng)體系由水相變?yōu)橐宜嵋阴ビ袡C(jī)相后由苯氧基苯甲醛轉(zhuǎn)化生成的R一氰醇的ee值為98%，可見反應(yīng)體系對(duì)于手性氰醇的光學(xué)純度有著重要影響，為了獲得較高的光學(xué)純，非水相中制備光學(xué)活性氰醇是必要的選擇。

2.2 反應(yīng)溫度

溫度是氰醇酶反應(yīng)中的重要參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)臏囟炔粌H可增強(qiáng)酶的活性和穩(wěn)定性。劉森林[4]認(rèn)為非酶反應(yīng)的活化能較酶反應(yīng)的活化能高得多，因此，提高溫度，活化能較高的非酶反應(yīng)速度增加的幅度比活化能較低的酶反應(yīng)太，即溫度升高有利于活化能較高的非酶反應(yīng)，而溫度降低則有利于活化能較低的酶反應(yīng)，即在較低溫度下，酶反應(yīng)比非酶反應(yīng)更具優(yōu)勢(shì)。當(dāng)溫度下降到6℃以下，非酶反應(yīng)的相對(duì)反應(yīng)速度很小，幾乎完全受到抑制，可提高產(chǎn)物的光學(xué)純度，但是反應(yīng)活性會(huì)受到抑制。褚朝森[5]等對(duì)于底物2-萘甲醛的轉(zhuǎn)氰化，應(yīng)用微水相酶體系效果比較好。在微水相環(huán)境下，苦杏仁、枇杷仁、桃仁、黑布林果仁和蘋果籽仁醇腈酶催化2-萘甲醛的轉(zhuǎn)氰反應(yīng)，反應(yīng)溫度為14℃時(shí)，苦杏仁醇腈酶催化底物的轉(zhuǎn)氰反應(yīng)效果最好，產(chǎn)率和e.e.值分別達(dá)到68.8%和88.3%。桃仁、枇杷仁、黑布林仁醇腈酶的催化效果不如苦杏仁醇腈酶，但在小于14℃反應(yīng)時(shí)，e.e.值均大于50%。劉森林[6]在利用桃仁醇腈酶促不對(duì)稱合成含硅(R)-酮氰醇過程中發(fā)現(xiàn)30℃是最佳反應(yīng)溫度。反應(yīng)溫度過高，e.e.有所下降。

2.3 反應(yīng)底物的影響

HCN(或其堿金屬鹽)作為氰供體，使CN基加成在C=0的碳上，H與C=O的氧結(jié)合生成a-氰醇，在加成過程中羰基碳連接基團(tuán)大小也決定了反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率與ee值，對(duì)于醇腈酶的酶催化活性與選擇性隨著與羰基碳原子相連基團(tuán)空問體積的增大而降低。韓世清等[7]用苦杏仁和枇杷仁醇腈酶在微水相體系中用N2保護(hù)，催化7-乙基苯并呋喃-2-甲醛和苯并呋喃-2-甲醛的合成(S)-呋喃氰醇的過程中，在相同條件下，酶催化苯并呋喃-2-甲醛的反應(yīng)的產(chǎn)率和e.e.值要明顯高于7-乙基苯并呋喃-2-甲醛。(S)-呋喃氰醇產(chǎn)率及e.e.值見表2。

表1 底物對(duì)于酶反應(yīng)的影響Table 1 Effectof substrate on the enzymatic reaction

2.4 體系pH值的影響

pH值不僅影響酶反應(yīng)速度而且對(duì)非酶反應(yīng)速度也有極大的影響[4]醇腈酶的催化特性與其pH值有關(guān)，pH值直接影響著酶與底物的結(jié)合狀態(tài)，從而影響酶的活性。pH值升高，酶反應(yīng)速度呈上升趨勢(shì)．但pH值繼續(xù)升高，酶反應(yīng)速度反而有所下降，反應(yīng)體系有最佳pH值，一般在5.0～6.0之間。在選擇性方面，隨著pH值升高，選擇性降低，一般在4.0以下產(chǎn)物有較高的ee值。劉森林[6]用桃仁(R)-醇腈酶催化2-三甲基硅-2-乙酮與丙酮氰醇，在水和有機(jī)溶劑雙相中不對(duì)稱合成(R)-2-三甲基硅-2-羥基-丙腈，在pH值小于等于5.0時(shí)，產(chǎn)物光學(xué)純度達(dá)99%以上。

表2 pH對(duì)酶反應(yīng)的影響Table 2 Effectof pH on the enzymatic reaction

2.5 氰醇的應(yīng)用

由于手性藥物特殊療效，手性腈醇作為手性藥物的重要合成原料，在藥物合成上取得了重大進(jìn)展。利用氰醇酶的高效性和高選擇性合成光學(xué)活性氰醇，進(jìn)而合成手性藥物，日益受到化學(xué)家以及藥物學(xué)家的關(guān)注。

溴氰菊酯是目前藥效最高的擬除蟲菊酯，是單一異構(gòu)體，可利用S-a-氰基-3-苯氧基卞醇與（1R,3R）-2-2二甲基-3-（2,2-二溴乙烯基）環(huán)丙烷酸進(jìn)行酯化縮合成溴氰菊酯,具體反應(yīng)式如圖2。采用化學(xué)-酶法可以合成β-腎上腺素的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)而可以合成(s)-propanolol（見圖3）。利用s-丁酸與s-氰醇反應(yīng)可以得到s,s-氰戊菊酯比普通消旋氰戊菊酯活性高2.5倍。韓世清等[6]利用苦杏仁和枇杷仁醇腈酶催化HCN對(duì)C=O基的加成獲得(S)-呋喃氰醇,進(jìn)而合成得到(S)-丁呋洛爾（見圖5），ee值達(dá)71%,總產(chǎn)率為23.3%。

圖2 氰醇合成溴氰菊酯Fig.2 synthesis route of deltamethrin

圖3 氰醇合成(s)-普萘洛爾Fig.3 synthesis of(s)-propranolol

圖4 s,s-氰戊菊酯Fig.4 s,s-fenvalerate

圖5 氰醇合成s-丁呋洛爾Fig.5 synthesis route of s-bufuralol

3 結(jié)語

手性氰醇是一類非常重要的手性合成子，可以合成多種手性藥物及中間體，為手性藥物的研制和開發(fā)開辟了一條新的途徑。氰醇酶催化合成手性氰醇，由于其酶源廣泛，反應(yīng)條件溫和，對(duì)映體過剩量得率高等特點(diǎn)日益成為手性中間體研究重要方向。酶催化合成手性氰醇的發(fā)展為手性氰醇工業(yè)化生產(chǎn)開創(chuàng)了廣闊的前景。

［1］Kirschbaum Bettina,Wilbert Goetz.Effenberger Franz.Process for preparing optically active cyanohydrins and secondary products［P］.US：2003,498，6653-6655.

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［3］GrlenglH+Klempler N，Pochlaue r P.etal.EnzymeCatlysed Formation of(S)一Cyanohyd r［nsDe rivedfrom Aldehydesand Ketones in a B［pbasic SolventSystem.Tetrahedron，1998,s4：14477-14486.

［4］劉森林，宗敏華，涂然，等.醇腈酶促不對(duì)稱合成手性氰醇反應(yīng)條件的研究［J］.分于催化，2001,15（2）：109-112.

［5］褚朝森，韓世清，韋萍.(R)-醇腈酶催化法合成(R)-(-)-1-(2-萘基)-2-N-甲基氨基乙醇［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2008,22（6）, 999-1003.

［6］劉森林.桃仁醇腈酶促不對(duì)稱合成含硅(R)-酮氰醇［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2011，28（1）：55-58.

［7］韓世清,褚朝森,韋萍.(R)-醇腈酶催化法合成光學(xué)活性(S)-丁呋洛爾［J］.精細(xì)化工,2008,25（11）：1106-1108.

Progress on chiral cyanohydrin for asymmetric synthesis of catalyzed by hyd roxynitrile lyases

DUGang
（College of Chemical Engineering,Shan Xi Institute of Technology，Xi'an,710302，China）

s：Chiral cyanohydrins for the synthesis of optically active compoundswhich are versatile bifunctional building blocks for agro-and pharmaceutical intermediates，are proving increasingly interesting.In this review，the utilities of different kinds of processes in the field of pharmaceutical chemistry have been reported.The hydroxynitrile lyases source，the reaction conditions and the app lication of chiral cyanohydrinswere described.

hydroxynitrile lyases；cyanohydrins；pharmaceutical intermediates

1002-1124（2014）07-0041-03

2014-05-15

杜剛（1975-），男，講師，畢業(yè)于山西大學(xué)，應(yīng)用化工專業(yè)（生物化工方向），碩士，現(xiàn)從事石油化工及生物化工研究。