国外生物催化技术进展及应用
□ 李祖义
利用生物体系(如各种细胞和酶)作催化剂实现有机物的生物转化
和生物合成是一门有机化学与生物学密切相关的交叉学科,是当今有
机化学的研究热点之一,也是21世纪生物有机化学和生物技术研究的
新生长点。生物催化体系是目前已知的效率最高、选择性最强的温和
催化体系。即使在生物体外,酶也可促进多种天然和合成化合物的诸
多转化反应,并显示出优良的化学选择性、区域选择性和立体选择性。
酶催化反应在过去的十几年间得到飞速的发展,并成为现代有机
合成方法的1种强有力的补充手段。据估计,1996年以来关于不对称
合成的论文中,应用生物催化方法的论文比例达到15%左右,且仍呈上
升趋势。
生物催化具有极其重要的应用前景,如可合成和制备许多光学纯
的医药、农药中间体和其他复杂功能化合物。生物催化反应条件非常
温和,产物纯净,是1种本质上环境友善的绿色化学过程,不仅可以带
来显著的经济效益,而且对绿色化工具有重要的战略意义。20世纪90
年代起,生物催化已成为众多有机化学家、医药和化学公司关注的领
域,并在一些产品生产中成功实现产业化。本文就当前世界著名化学
公司在生物催化产业化方面的情况作一介绍。
BASF
世界领先化学公司之一，重要的中间体供应商，在多种精细化学
品合成中均已形成了一定的研发实力。该公司在其“ChiPros”(Chiral
Products)项目中广泛使用酶催化方法，凭借其专有的酶法拆分工艺
生产高化学纯和光学纯的光学活性胺。光学纯胺是有机合成的重要的
手性原料，可用于合成多种天然产物和生理活性分子。1993年，该
公司研究人员发现利用Burkholderia plantarii细菌的脂肪酶催化
二级胺酰化反应，可实现二级胺的手性拆分，制得药物和农药合成中
广泛应用的中间体。这一反应的底物适应范围非常广泛，传统化学方
法难以涉及，目前已成功用于40多种手性胺的工业生产。
此外，BASF公司还用同样的菌株进行醇的酰化，使用动力学拆
分方法生产手性羟基化合物。如消旋*9琢-苯乙醇在B.plantafii脂
肪酶催化下与丙酸乙烯酯反应，生成(S)-醇和(R)-丙酸酯。苯乙烯与
过氧化氢和氯化氢反应生成消旋2-氯-1-苯乙醇，该消旋醇用琥珀酸
酐和B.plantafii脂肪酶处理，可得到(R)-醇和(S)-琥珀酸酯。
在众多重要的光学活性酸及其衍生物生产方面，BASF拥有多种
生物技术工艺。以吨计的产品有(S)-2-氯丙酸及其酯、L-二丙酮古龙
酸和L-赖氨酸等。最新产品(R)-扁桃酸也已开始试生产。
DSM
DSM公司较早开始利用生物催化技术，20世纪70年代中期就利
用细菌Pseudomonas putida中的酰胺酶拆分D/L-苯甘氨酸酰胺生产
L-苯甘氨酸和D-苯甘酸酰胺。目前，DSM发展了来源于Pseudomonas
putida，Mycobacter neoaurum, Ochrobatrum antropii等菌种的多
种酰胺酶，用手性拆分方法生产各种非天然L-及D-氨基酸。
DSM公司还与荷兰阿姆斯特丹大学和奈梅亨(Nijimegen)大学合
作，将生物催化与化学合成相结合发展出1种低成本生产各种取代光
学活性2-哌啶酸的工艺。
Nitto
具有腈水合酶或腈水解作用的酶可将腈转化为特种化学品、日用
化学品、农用化学品或医药中间体。腈水合酶可将腈化物转化为相应
的酰胺，而腈水解酶则可将腈化物转化为相应的羧酸和氨。日本Nitto
公司(现Mitsubishi Rayon Co. Ltd的一部分)3万t/a的丙烯酰胺
工程是腈水合酶在工业应用方面最著名的例子。
1973年，法国Galzy等人发现了1种能催化丙烯腈水合成为丙
烯酰胺的微生物Brevbacterium R312。1985年，日本Nitto公司建
成世界上第一个微生物法生产丙烯酰胺的工业性装置。所用菌种经历
了红球菌Rhodococcus sp. 774（活性900 U/mL）、假单胞菌
Pseudomonas chlororaphis B23（活性1400 U/mL）、玫瑰红球菌
Rhodococcus rhodochrous J1（活性2100 U/mL）三代更新，日本Nitto
公司丙烯酰胺年产量也由初始的4000t/a提高至3万t/a。目前，SNF
Floerger（法国Saint-Etienne）已核准了Mitsubishi Rayon的工
艺并计划建造五座丙烯酰胺工厂，每座工厂的生产能力为2万t/a。
Mitsui Chemicals也计划采用生物催化技术生产丙烯酰胺。
与传统的铜系催化酸水解法相比，酶催化反应在常温常压下进
行，生产安全性提高；不生成丙烯酸；丙烯腈转化率接近100%，远
远高于传统酸水解65%的转化率，无需回收原料，后处理可避免中和
强酸时生成硫酸铵副产物；无需铜分离工段，产品中不含铜离子，纯
度高；工艺过程简单，设备投资少，生产经济效益高。微生物法催化
生产丙烯酰胺是微生物催化技术生产石油化工骨干产品第一成功范
例，具有划时代意义。
瑞士Lonza
瑞士Lonza公司采用酶催化方法生产B族维生素烟酸和烟酰胺。
以尼龙-6,6的副产物3-甲基-1,5-二氨基戊烷为起始原料，首先将其
转化为3-甲基吡啶，随后被氨氧化，所得3-氰基吡啶用固定化
Rhodococcus rhodochrous J1细胞水解得到产品烟酰胺，选择性
>99%，转化率为100%。与之相比，碱性水解3-氰基吡啶的化学方法
会产生4%的烟酸副产物。
此外，该公司还筛选出新的菌种，利用菌体中腈水解酶和烟
酰胺脱氢酶的共同作用，分别从2-氰基吡嗪和2-氰基吡啶出发，合
成药物中间体5-羟基吡嗪-2-甲酸和6-羟基吡啶-2-甲酸，转化率接
近100%。
DuPont
5-氰基戊酰胺（5-CVAM）是合成新型除草剂azafenidin
（Milestone*9誖）的起始原料。DuPont经一系列筛选，发现菌株
Pseudomonas chlororaphis B23 (Nitto公司生产丙烯酰胺的第二代
菌种)能选择性地将己二腈（ADN）水合得到5-CVAM，且产率较高。
初始工业规模实验结果表明，ADN转化率为97%时，5-CVAM的最终产
率93%，选择性96%，生产1kg 5-CVAM仅用0.006 kg生物催化剂。
而传统以二氧化锰作为催化剂的化学合成方法，ADN的转化率仅为25%
左右，生产1 kg 5-CVAM需要消耗1.25 kg催化剂。
DuPont还开发了1种腈水解酶催化的工业化生产过程，将尼龙-
6,6生产中的副产物2-甲基戊二腈（MGN）转化为1,5-二甲基-2-哌
啶酮（1,5-DMPD，XolvoneTM）。这个化合物在电子产品、涂料及溶剂
等方面具有很好的特性。首先用菌株Acidovorax facilis 72W的固
定化的细胞催化MGN的水解，得到4-氰基戊酸（4-CPA）铵盐，水解
反应的选择性大于98%，转化率为100%，惟一的副产物是2-甲基戊
二酸二铵盐，产率仅为1%～2% 。催化剂可循环使用，每千克干细胞
可催化生成至少1000 kg 4-CPA。4-CPA铵盐在甲胺的存在下经低压
催化加氢，即可制得1,5-DMPD。与MGN加氢直接转化为1,3-DPMD和
1,5-DMPD混合物的化学工艺相比，酶法和化学法联合使用可以得到
单一的内酰胺异构体，产量大大提高。
Degussa-Hüls
Degussa-Hüls是德国第三大化学公司，是世界特种化学品的领
导者，关键业务为高光学纯度化合物的生产。1981年合并法国著名
光学活性氨基酸生产企业Rexim公司后，将生物工程技术的应用作为
新产品研发一个重要的发展方向，将新酶的开发与应用作为手性分子
合成的重要手段。
该公司用首创的技术生产多种光学活性氨基酸，包括L-新戊基
甘氨酸、D-或L-高丝氨酸、D-吡啶基丙氨酸、甲基硅烷基氨基酸（三
甲基硅烷甘氨酸等）。其中高丝氨酸是生物合成苏氨酸等天然氨基酸
的必需中间体；此外，由于分子结构中含有多个官能团，可用于合成
在生理活性分子和药物中间体合成中起关键作用的特殊氨基酸及各种
光学纯的杂环类化合物。
此外，还有很多公司在手性中间体的合成中用生物催化方法代替
了传统化学方法。如Merck公司在生产用于治疗肥胖、降低血糖的b-3-
拮抗剂时，用脱氢酶还原羰基，生成重要的手性羟基化合物中间体。
Fuji化学公司用内酯酶来合成D-3-羟基-4,4-二甲基-二氢-呋喃-2-
酮。
展 望
近年来，生物技术的很多新方法进一步拓展酶催化在手性合成
中的应用。其中最突出的是建立在PCR、重组DNA、高通量筛选等技
术上的定向进化方法(directed evolution)。短短几年间，定向进化
方法已取得了很大进展，筛选出了很多与母体性能迥异的新酶，有的
可用于极端环境中反应，有的底物适应性发生改变，甚至可改变反应
类型。
新技术突破了天然酶源的局限性，为发展更多性能更加优良的酶
或新功能酶提供了条件。利用基因工程技术，可以比较容易地克隆和
表达各种酶基因，在很大程度上摆脱对天然酶源的依赖。运用这一原
理，很多酶制剂得以工业化生产，酶催化方法也越来越多的受到关注，
很多有机化学家成功地利用这一工具合成了所需化合物，尤其是一些
化学方法难以合成的手性分子。预计在今后的10年间，将会有更多
优于传统化学路线的生物催化方法被广泛应用于各种精细化学品的工
业生产中。