生物催化氧化反應演示文稿現在是1頁\一共有70頁\編輯于星期三（優選）第五講生物催化氧化反應現在是2頁\一共有70頁\編輯于星期三催化作用原理和特點

生物催化氧化反應主要由三大類酶所催化：單加氧酶雙加氧酶氧化酶現在是3頁\一共有70頁\編輯于星期三生物催化的氧化反應如下所示現在是4頁\一共有70頁\編輯于星期三單加氧酶（mono-oxygenase）催化的加氧反應是將分子氧中的一個氧原子偶合到底物分子中，另一個氧原子被還原，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）還原形成水；現在是5頁\一共有70頁\編輯于星期三雙加氧酶（dioxygenase）催化的加氧反應是將O2的兩個氧原子連續地偶合進底物分子中；氧化酶（oxidase）催化的氧化反應是將分子氧作為直接電子受體，催化底物脫氫，脫下的氫再與氧結合生成水或過氧化氫?，F在是6頁\一共有70頁\編輯于星期三羥化反應烷烴和芳香烴的羥化按單加氧酶催化反應的機制進行。主要介紹：烷烴的羥化反應芳香族化合物的羥化現在是7頁\一共有70頁\編輯于星期三單加氧酶催化的反應往往用完整的微生物細胞作為生物催化劑，這樣比較也有利于NADH或NADPH的循環使用?，F在是8頁\一共有70頁\編輯于星期三1．烷烴的羥化反應有機化學合成中幾乎不能將碳氫化合物中的非活潑C-H鍵羥化，而生物轉化反應則可以直接進行羥化反應。例如，甾體分子中許多位置的選擇性羥化反應能用適當的微生物來催化：現在是9頁\一共有70頁\編輯于星期三黃體酮現在是10頁\一共有70頁\編輯于星期三如黑根霉或黑曲霉能立體選擇性催化孕甾酮（10.11）的11α-羥化，這樣可省去常規化學合成中的許多步驟，大大降低11α-羥基孕甾醇酮的生產成本；弗氏鏈霉菌（Streptomycesfredial）能將化合物（10.12）的C11位β-羥基化；現在是11頁\一共有70頁\編輯于星期三9α-氟氫可的松石膽酸現在是12頁\一共有70頁\編輯于星期三玫瑰產色鏈霉菌能將9α-氟氫可的松（10.13）的16位α-羥基化；木賊鐮孢菌生物催化可使石膽酸（10.14）的7β-羥化，并具有高度的選擇性?，F在是13頁\一共有70頁\編輯于星期三e.e.91%區域選擇性對映異構體選擇性現在是14頁\一共有70頁\編輯于星期三微生物芽孢桿菌屬Bacillusmegaterium對烴（10.15）生物轉化能形成不對稱羥基化產物，而且其羥基化反應具有區域選擇性（69％）和對映體選擇性，該反應的收率為31％，對映體過量（e.e.）為91%，反應沒有得到芳基氧化或過氧化產物。現在是15頁\一共有70頁\編輯于星期三2．芳香族化合物的羥化苯環羥化反應有機合成用重氮鹽水解或其它取代法，涉及反應步驟繁多且副產物也多。而單加氧酶能催化鄰、對位取代芳烴立體選擇性羥化。現在是16頁\一共有70頁\編輯于星期三以真菌、酵母菌、高等生物體細胞單加氧酶催化芳烴羥化反應為模型，研究發現其反應機理的第一步是對芳香族化合物進行環氧化，生成不穩定的中間體芳烴氧化物，該中間體通過氫負離子遷移重排生成苯酚產物，具體反應機制如下所示?，F在是17頁\一共有70頁\編輯于星期三現在是18頁\一共有70頁\編輯于星期三芳香族化合物的選擇性羥基化也可以通過使用完整的細胞催化進行。例如，6-羥基煙酸(10.16)是以煙酸為原料，在Pseudomonassp或Bacillussp

催化作用下完成的?，F在是19頁\一共有70頁\編輯于星期三普瑞特羅(Prenalterol)（10.18）是一種治療心血管疾病的藥物，可由刺孢小克銀漢霉的細胞催化其底物前體（10.17）區域選擇性羥化而制得，該反應不具有對映選擇性，因而產物為消旋體。普瑞特羅現在是20頁\一共有70頁\編輯于星期三烯烴的環氧化合成小分子環氧化物可以利用單加氧酶催化烯烴的環氧化反應來制備，而且還可以制得傳統化學法所不能制備的產物。在單加氧酶催化烯烴的環氧化反應過程中，需要輔酶（NAD(P)H）和分子氧的直接參與?，F在是21頁\一共有70頁\編輯于星期三如食油假單胞菌能催化烯烴的環氧化反應，此外還發現多種細菌也可催化烯烴的環氧化，所生成的環氧化物的絕對構型大多數是R型，微生物催化烯烴環氧化反應如下?，F在是22頁\一共有70頁\編輯于星期三環氧化物的構型和光學純度與所用菌種和底物有關。如Pseudomonasoleovorans

R1=H、n-C5H11—、n-C7H15—時產物為R構型，e.e.=60-80%R1=NH2COCH2C6H4O—、CH3O(CH2)C6H4O—時為S構型，

e.e.=97%現在是23頁\一共有70頁\編輯于星期三又如菌種Mycobacteriumsp

R1=H時產物為R構型，e.e.=98%；R1=PhO-時產物為S構型，e.e.=80%現在是24頁\一共有70頁\編輯于星期三拜依爾-維利格反應是一種合成酯或內酯的具有很高應用價值的合成方法。酮在過氧羧酸作用下氧化生成酯或內酯的反應稱為拜爾-維利格反應。生物催化拜爾-維利格反應的黃素輔基中間體與過氧羧酸類似，作為親核試劑進攻羰基碳?，F在是25頁\一共有70頁\編輯于星期三酶法催化拜爾-維利格反應具有立體選擇性，潛手性的酮能通過環己酮單加氧酶的不對稱氧化生成相應的內酯，氧的插入具有很高的選擇性?，F在是26頁\一共有70頁\編輯于星期三（N現在是27頁\一共有70頁\編輯于星期三例如Acinetobactersp的環己酮單加氧酶可將潛手性酮不對稱氧化為相應的內酯，氧插入位置取決于4-位取代基R的性質，其產物的立體構型取決于中間體中基團的遷移能力：當R為CH3O、Et、n-Pr和t-Bu時，產物為S構型；但當4-位為n-Bu時，其產物轉變為R構型，環己酮單加氧酶催化反應如下所示。現在是28頁\一共有70頁\編輯于星期三現在是29頁\一共有70頁\編輯于星期三芳烴雙羥基化反應雙加氧酶分子中通常都含有一個血紅素復合物和一個鐵離子，它催化分子氧中的兩個氧原子與底物相結合。微生物細胞中的雙加氧酶可以催化芳烴化合物氧化為內過氧化物中間體，該中間體再被還原酶催化還原為順式連二醇，生成手性順式二醇，雙加氧酶催化芳烴順式二羥基化的反應歷程如下。現在是30頁\一共有70頁\編輯于星期三現在是31頁\一共有70頁\編輯于星期三惡臭假單胞菌的突變菌株能催化不同取代基的芳香族化合物轉化為相應的手性順式連二醇。該菌株對單取代苯和對位雙取代苯順式二羥基化所得連二醇產物構型相反?，F在是32頁\一共有70頁\編輯于星期三例如，將單取代苯對位用碘取代，苯環經雙加氧酶氧化后通過還原反應再除去碘得到的連二醇產物(10.20)，它的構型與單取代苯反應后得到的連二醇產物(10.19)構型相反?，F在是33頁\一共有70頁\編輯于星期三這種構型轉變與對位取代基團的性質有關，一般碘的效應大于氟和甲基，且碘最后容易用還原法除去?，F在是34頁\一共有70頁\編輯于星期三β-萘甲酸聯苯類化合物現在是35頁\一共有70頁\編輯于星期三β-萘甲酸能夠被睪丸酮假單胞菌A3C氧化為順式連二醇（10.21）。還有報道用基因工程技術構建了一株高表達的甲苯雙加氧化酶的工程菌珠，這種菌可把聯苯類化合物順式二羥基化為相應連二醇類化合物（10.22）?，F在是36頁\一共有70頁\編輯于星期三現在是37頁\一共有70頁\編輯于星期三多元醇的區域選擇性氧化利用生物催化劑馬肝醇脫氫酶(HLADH)對潛S型（pro-S）或潛R型（pro-R）羥基的氧化具有較好的選擇性?，F在是38頁\一共有70頁\編輯于星期三1,5-二醇馬肝醇脫氫酶現在是39頁\一共有70頁\編輯于星期三如1,4-或1,5-二醇中，所得還原產物羥基醇會自然環合形成更穩定的5或6元環狀半縮醛，最后再被HLADH氧化形成相應的內酯?，F在是40頁\一共有70頁\編輯于星期三生物催化還原反應

現在是41頁\一共有70頁\編輯于星期三生物催化還原反應

催化作用原理和特點酮的還原反應烯烴的還原反應現在是42頁\一共有70頁\編輯于星期三催化作用原理和特點

生物催化的還原反應使用最多的是脫氫酶，它可廣泛用于催化醛或酮羰基以及烯烴碳-碳雙鍵的還原反應。如果所轉化的底物是潛手性的，則可以得到手性產物?，F在是43頁\一共有70頁\編輯于星期三常用的脫氫酶有面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶，它們催化酮不對稱還原，所得還原產物仲醇的對映體過量率可接近100％。這一類酶已被廣泛地用于醛和酮的還原反應中，尤其是在手性醇的合成上，具有廣泛的應用前景?，F在是44頁\一共有70頁\編輯于星期三脫氫酶催化酮或烯烴的還原反應的原理是首先脫氫酶在還原型輔酶的參與下使底物加上1分子的氫，而還原型輔酶本身轉化為氧化型輔酶；為了使還原反應繼續進行，需要加入第二種輔助底物，作為氧化型輔酶再生的電子和質子供體。現在是45頁\一共有70頁\編輯于星期三酶偶聯法的輔酶循環

現在是46頁\一共有70頁\編輯于星期三常用輔酶有NADH輔酶I（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADPH輔酶II（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），一般有80％的氧化還原酶以NADH作為輔酶，10％的氧化還原酶以NADPH為輔酶。少數氧化還原酶以黃素單核苷酸FMN和黃素腺嘌呤二核苷酸FAD作為輔酶。現在是47頁\一共有70頁\編輯于星期三酮的還原反應脫氫酶可以選擇性還原醛或酮為手性醇。在脫氫酶的作用下，氫負離子從醛或酮基的一個潛手性面（Si面或Re面）進攻，從而將醛或酮還原為手性(R)-或(S)-醇。現在是48頁\一共有70頁\編輯于星期三而且大多數情況下，脫氫酶的立體選擇性服從Prelog規則，即H－從空間位阻小的方向對羰基進攻，形成構象穩定的優勢中間體，因此由底物的立體結構可以預測反應的產物。現在是49頁\一共有70頁\編輯于星期三

酮的還原反應主要內容

1．馬肝醇脫氫酶催化酮還原2．酵母細胞催化酮還原3．其它微生物細胞催化酮還原現在是50頁\一共有70頁\編輯于星期三1．馬肝醇脫氫酶催化酮還原馬肝醇脫氫酶(HLADH)是常用的脫氫酶，其最大用途是還原中等大小的單環酮（四到九元環）和雙環酮，無環酮被還原時的立體選擇性低，具有空間位阻和分子結構大于萘烷的酮不宜作為該酶的底物。現在是51頁\一共有70頁\編輯于星期三具有空間位阻的籠狀多環酮，如2-三環癸酮外消旋體(10.23)被HLADH還原后，可以得到外醇和未反應的對映體酮，產物對映體過量率分別為e.e.90%和e.e.68%，反應如下?，F在是52頁\一共有70頁\編輯于星期三HLADH催化內消旋體順式十氫萘-2,7-二酮、反式十氫萘-2，6-二酮和無手性1,2,3,4,5,6,7,8-八氫萘-2,6-二酮具體反應如下?，F在是53頁\一共有70頁\編輯于星期三現在是54頁\一共有70頁\編輯于星期三還原后產生具有高度光學活性的(S)-醇，產物的對映體過量率大于98％，因此對于二環或多環酮分子中的橋頭碳原子不能發生消旋化而使構型保留?，F在是55頁\一共有70頁\編輯于星期三2．酵母細胞催化酮還原面包酵母或稱釀酒酵母是酮的不對稱還原中應用最廣泛的微生物。酵母完整細胞中含有可催化氧化還原反應的多種脫氫酶和輔酶，因此不需要額外添加輔酶循環再生系統。通過微生物轉化，酵母細胞可以還原簡單脂肪族酮或芳香族酮形成相應的S醇，產物具有較高的光學純度?，F在是56頁\一共有70頁\編輯于星期三現在是57頁\一共有70頁\編輯于星期三長鏈脂肪酮(如正丙基酮、正丁基酮和苯基酮)不能被酵母還原。只有酮分子中有甲基酮才能被酵母催化還原。環狀β-二酮可被選擇性地還原為β-羥基酮，而不產生二羥基化合物，式中R基團不同，產物順反式的比例有顯著差異。酵母細胞還原環狀β-二酮過程如下：現在是58頁\一共有70頁\編輯于星期三現在是59頁\一共有70頁\編輯于星期三3．其它微生物細胞催化酮還原現在是60頁\一共有70頁\編輯于星期三在前列腺素PGE2全合成中，毛霉屬（M.ramamnicus）可選擇性還原重要的光學中間體環戊烷三酮的其中一個羰基為醇，環戊烷三酮的選擇性生物催化還原過程如下?，F在是61頁\一共有70頁\編輯于星期三現在是62頁\一共有70頁\編輯于星期三其它霉菌如孢子絲菌屬（Sporotriahumexile）、新月彎孢霉和出芽短柄霉也可選擇性地將一些潛手性單元的羰基化合物轉化為相應的手性化合物，作為合成許多復雜的天然產物分子的手性中間體。其它