生物合成手性化合物发展趋势□中国科学院微生物研究所 孙万儒 在许多杀虫剂、杀菌剂、除草剂、昆虫激素及信息素中，只有特
在许多杀虫剂、杀菌剂、除草剂、昆虫激素及信息素中，只有特定的手性组分具有生物活性。在香料中，不同手性组分的香味完全不同。在功能性材料如液晶、“靶”性化合物、半导体有机材料、导电有机材料等精细化工产品中，不同手性组分的物理性质不同，材料性能也相差甚远。因此，各种手性产品成为医药、农药、香料、新材料和精细化工产业关注的重点，其产业迅速发展，形成巨大的手性产品市场。为此，发展手性化技术成为当今有机化学家的挑战性课题，也成为有机化学研究的难点和热点。目前国际手性化合物的市场情况如表1所示。 一、 手性化技术
一、 手性化技术 除了天然的手性化合物外，一般化学合成只能制备外消旋体，如
除了天然的手性化合物外，一般化学合成只能制备外消旋体，如果制备手性化合物需采用以下方法： 1.物理法 利用两种对映体的结晶速度和结晶形态的不同，进行
1.物理法 利用两种对映体的结晶速度和结晶形态的不同，进行对映体的分离。但该方法生产效率低，只适用于极个别产品。 2.化学法 因原理不同又可分为以下3种方法。
2.化学法 因原理不同又可分为以下3种方法。 ①化学拆分法 利用手性试剂与两种对映体形成复合物的能力、
①化学拆分法 利用手性试剂与两种对映体形成复合物的能力、反应速度及形成的复合物的物化性质不同，可以将2种对映体分开，该法又称为动力学拆分。这种方法需要手性试剂，理论产率为50%。由于工艺复杂，要求条件高, 目前只有个别产品可用该法生产。 ②化学不对称合成 在不对称催化剂作用下， 利用化学反应的
②化学不对称合成 在不对称催化剂作用下， 利用化学反应的动力学和热力学不对称性进行单一对映体的合成。它是近年来有机化学的研究热点，发展迅速。该法虽然工艺简单，但适用范围有限,因需使用手性试剂、手性催化剂或手性溶剂,成本高。又由于手性催化剂往往含有重金属,在医药上应用受到一定限制。 ③手性色谱分离 需要使用手性色谱分离柱或一般色谱分离柱，
③手性色谱分离 需要使用手性色谱分离柱或一般色谱分离柱，采用手性流动相进行对映体分离，其特点是快速、产物纯度高、简便，但处理量小,因需要手性分离介质或手性试剂，成本高。 3.生物合成 利用生物催化剂(酶或产酶细胞)催化反应的高度底
3.生物合成 利用生物催化剂(酶或产酶细胞)催化反应的高度底物、区域、位点和立体选择性进行外消旋体拆分或手性化合物的不对称合成。 不同手性化合物制备方法的比较如表2所示。
不同手性化合物制备方法的比较如表2所示。 不难发现，在各种方法中，生物合成具有更多的优点，更适合大
不难发现，在各种方法中，生物合成具有更多的优点，更适合大规模工业化生产。有机化学家和生物学家一致认为，生物合成与拆分是制备手性化合物的首选方法。 二、生物合成手性化合物
二、生物合成手性化合物 利用生物法制备手性化合物已有100多年的历史，从最早的乳酸
利用生物法制备手性化合物已有100多年的历史，从最早的乳酸发酵，到甾体的微生物转化、酶法拆分生产L-氨基酸，直到近10年来的手性化合物的生物合成，经历了漫长的发展过程。随着生物技术的进步，特别是非水相酶促反应的发展，利用酶和微生物进行的手性化合物转化和合成获得成功，受到有机化学家的关注，并不断投身于手性化合物的生物合成与转化研究中。 手性生物合成的发展可以解决医药、农药、香料、功能材料和其
手性生物合成的发展可以解决医药、农药、香料、功能材料和其他精细化工产品的手性化问题和急需的各种手性化合物原料，也可为化学不对称合成提供必需的手性源，如手性催化剂、手性试剂、手性溶剂等；还可以解决化学合成易造成环境污染，产生大量无效、甚至对环境和人体有害的对映体问题，对于保护人类的自然环境和健康具有极为重要的意义。生物合成技术效率高，可以节省大量的宝贵资源，降低能耗，提高产品性能。因此，生物合成又称为“绿色合成”。 按方法分类，利用生物学方法制备手性化合物主要有2种。
按方法分类，利用生物学方法制备手性化合物主要有2种。 1.酶法拆分 利用水解酶的高度立体、位点和区域选择性,对催
1.酶法拆分 利用水解酶的高度立体、位点和区域选择性,对催化化学合成的外消旋体或衍生物中的某一对映体进行水解或合成反应,得到反应与未反应的光学异构体混合物,再利用它们的物理化学性质差异,将两种对映体分离,获得两种单一光学活性的产物。拆分法主要用于制备手性醇、酸、胺、酯、酰胺等化合物，目的产物的理论收率为50%，但在实际操作中很难达到。为了将外消旋化合物转化为单一手性化合物，可将另一对映体消旋化,进行反复拆分。在拆分法中，最常用的酶是水解酶，如酯酶、脂肪酶、酰胺酶、酰化酶、腈水合酶、磷酯酶等。 2.生物合成 利用氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化
2.生物合成 利用氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶、醛缩酶等催化的不对称合成反应，将化学合成的前体转化为结构复杂的手性醇、酮、醛、胺、酸、酯、酰胺等衍生物，也可将含硫、磷、氮、卤素及金属的前体转化为手性化合物。理论转化率为100%。 从发表的文献统计结果看，在手性化合物和药物的生物合成和拆
从发表的文献统计结果看，在手性化合物和药物的生物合成和拆分中，应用的各种酶的比例分布为脂肪酶25%、蛋白酶18%、酯酶15%、氧化还原酶11%、加氧酶10%、裂解酶10%以及其他酶种。 三、酶催化发展趋势
三、酶催化发展趋势 根据酶催化的反应特点和起始物种类的不同，利用酶作为生物催
根据酶催化的反应特点和起始物种类的不同，利用酶作为生物催化剂制备手性化合物的方法分为5种，如表3所示。 由表中可见，制备一种手性化合物或药物可能有多种生物合成路
由表中可见，制备一种手性化合物或药物可能有多种生物合成路线和方法，需要对其进行充分比较，择优使用。在能够催化产生目的手性化合物的前提下，首先选择具有选择性高、性能优良、容易大规模工业化生产、成本低廉的酶，对酶催化反应要求简单、容易控制，操作稳定性好，生产效率高，原材料易得，产物容易分离纯化，整个工艺易于放大，适合工业化应用。另外，手性化工艺易于与化学合成衔接，有利于生产总工艺的优化。但实际上由于相关基础研究和积累不够，现在还难以做到这点，对于大多数研究来说，基本还处于有什么酶用什么酶的阶段，因此目前的生物合成研究还难以满足要求。 目前手性生物合成还处于扩大研究领域和工业应用的迅速发展阶段。主要有以下几个研究方向: 1.探索适合制备各种手性化合物的新生物催化剂和生物催化反应,
1.探索适合制备各种手性化合物的新生物催化剂和生物催化反应,研究利用生物催化剂合成手性化合物的策略。丰富和扩大生物催化反应制备手性化合物的应用范围。 2.针对生物催化剂和生物催化反应及手性合成的特点开展基础研
2.针对生物催化剂和生物催化反应及手性合成的特点开展基础研究,如生物催化剂固定化、化学修饰对不对称合成的影响、有机相生物催化反应、界面催化反应、多酶反应系统、辅酶再生等反应工程和溶剂工程的研究。 3.研究生物催化反应合成手性化合物的反应动力学、热力学,酶
3.研究生物催化反应合成手性化合物的反应动力学、热力学,酶结构与酶催化的高度选择性的关系及影响因素,提高酶催化选择性的策略。 4.以应用为目的,针对具有工业应用前景的手性化合物、手性药
4.以应用为目的,针对具有工业应用前景的手性化合物、手性药物及中间体的生物合成开展实用化研究。 5.开展抗体酶、核酶、人工合成酶的研究，扩大生物催化研究领
5.开展抗体酶、核酶、人工合成酶的研究，扩大生物催化研究领域。 表1 手性化合物国际市场情况 亿美元
表1 手性化合物国际市场情况 亿美元产品 1997年 1998年 1999年 2004年 平均增(预计) 长/%中间体 12.0 14.3 15.6 24.4 9.3分析用手性化合物 1.35 1.59 1.72 2.61 8.6药物制剂 870 1230 1460 3490 19.0农用化学品 50 70 84 201 19.0其他 1.15 1.36 1.47 2.22 8.6 总计 884.5 1317.25 1562.79 3720.23 12.9
表2 手性化合物制备方法比较
表2 手性化合物制备方法比较制备方法 化学不对称 色谱法 生物合成 合成和拆分 和拆分
合成和拆分 和拆分生产效率 高 低 中选择性 变动 较高 高产率 变动 较高 高 产物回收 一般简单 简单 可能复杂操作条件 高压高温 常温常压 常温常压生产成本 可变 高 中必需条件 需对新反应验证 基础和方法研究 酶筛选,酶工程生产规模 可大 小 可大开发周期 3～5年 数月 2～3年开发成本 高 低 中法律限制 大 小 中手性源 需要 需要 不需要
表3 生物催化剂制备手性化合物方法
表3 生物催化剂制备手性化合物方法 类 别 起始物 最大理论 生物催化剂
类 别 起始物 最大理论 生物催化剂 产率/%
产率/%对映体拆分 外消旋产物 50 水解酶类,氧化还原酶类 或衍生物
或衍生物不对称合成 潜手性化合物 100 裂解酶类,连接酶类, 水解酶类,氧化还原酶类
水解酶类,氧化还原酶类去外消旋化 外消旋底物 100 水解酶类,氧化还原酶类 裂解酶类,异构酶
裂解酶类,异构酶手性集中 光学活性底物 100 裂解酶类,转移酶立体转化 消旋底物 100 氧化还原酶类,连接酶类