生物催化在手性技术中的应用进展
摘要：本文简单综述了目前生物催化技术发展的情况，目前生物催化的应用领域，主要主要从利用生物催化对外消旋化合物进行拆分，不对称合成反应两个方面介绍了生物催化在手性技术中的应用，指明了研究生物催化在研究手性分子技术中的研究进展和研究前景，同时指出了生物催化技术存在的问题并展望未来的发展方向。
正文
生物催化是利用酶或有机体实现化学转化的过程，现已成为重要的科技与产业发展战略。生物催化体系是迄今为止人类所知的最高效和最具有选择性的温和催化体系[1]，具有选择性高，反应条件温和、环境友好等特性，逐渐成为生物技术中一个快速发展的领域。在过去的几十年中，生物催化技术已经发展成为工业合成大宗化学品、医药中间体、活性药物等物质的重要工具，并有望在医药、精细化工等领域取代传统化学合成途径而成为主要的合成手段。
作为可持续工业发展最有希望的工业生物技术的核心——生物催化正在向新药研究、环境保护等多个领域渗透。近年来，在多领域的共同合作下，生物催化在多个发展方向上均有较好表现，如生物催化剂筛选手段的优化、催化剂改造、 介质系统开发及新型催化反应开发等。生物催化与手性技术的结合彰显出其他手段所不具备的许多优势， 已成为获得手性化合物的最有前景的方法之一。本文拟对生物催化的主要发展方向进行综述， 并介绍生物催化在手性技术方面的应用。
1、生物催化在手性技术中的应用
手性物质因其特殊的生物活性在医药、食品、农药以及精细化工等诸多领域具有重要的意义，如手性农药溴氰菊酯在全球农药市场上占有较大份额，手性材料是当今液晶显示材料的研究热点，手性药物的研究更是引人注目。利用化学方法生产手性物质，不但催化剂昂贵、生产路线复杂，而且产物的光学纯度要达95％以上是非常困难的，有些反应甚至根本无法完成。而利用生物催化剂将潜手性化合物转变为手性产物的过程[2] ，可选择的催化剂种类繁多、 反应选择性高、 产物光学纯度高(理论上可达到100％) ，而且发生条件温和，可多步串联高效进行，使得生物催化成为许多传统手性合成反应的理想替代途径。
1.1利用生物催化对外消旋化合物进行拆分
对外消旋化合物进行手性拆分是合成手性化合物的常用方法，生物催化的手性拆分研究也较为普遍，用水解酶类如脂肪酶、酯酶、蛋白酶、酰胺酶、腈 水合酶、酰化酶等，对外消旋底物进行拆分以得到手性化合物。这种方法虽然最多只能得到50％的手性化合物，但对于某些利用化学和生物方法都不易进行合成的化合物，或者2种旋光异构体均具有应用价值，或对于无效异构体可经过简单处理而原位消旋化的手性物质，仍然是一个不错的选择，如许多L-氨基酸都是先合成成本低廉的DL-氨基酸，再进行酶法拆分制备的。此外，徐毅等[3]利用筛选的具有环氧水解酶活力的酵母菌冻干细胞催化拆分消旋的缩水甘油萘基醚合成S-普萘洛尔，筛选到的沙雷氏杆菌在水-有机溶剂两相系统中直接催化转化高浓度的手性环氧酯底物经简单处理即可获得光学纯度>99％的地尔硫卓手性前体；Sugai等[4]用酯酶对合成昆虫信息素、α-生素E、D3及前列腺素类似物的重要中问体叔-α- 苯氧酸酯进行促酯化反应，得到了2种不同的异构体；Solodenko等以青霉素酰化酶将与天然氨基酸极相似的具磷-碳键的胺基-烷基-磷酸盐的苯醋的衍生物进行拆分，得到了2个同时具有酶抑制剂及植物生长调节剂功能的异构体。[5]
1.2不对称合成反应
在目前的研究背景下，不对称合成是获取手性化合物最为行的方法，文献数量众多。不对称合成反应是将化学合成的前体转化为结构复杂的手性醇、酮、醛、胺、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。在不对称合成中引入生物催化技术愈来愈受到重视，涉及氧化还原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羟化酶、环氧化酶、醛缩酶等，取得了许多成就，也展示了手性化合物制备的良好前景[6]。如以固定化大肠杆菌细胞转化延胡索酸生产-天冬氨酸已经是成熟技术，甾体类化合物的不对称合成也是较早的研究对象。 如稳居2010年全球最畅销品牌药首位的立普妥，其化学制备方法要从手性池开始，制备出手性中间产物，再在严格条件下经过侧链添加、羟基保护和脱氢等多个步骤制得。而采用生物催化方法，用脱氧核糖-5-磷酸醛缩酶来催化连续的醇醛缩合反应，利用氨基醛和乙醛反应形成氨基内酯，随后通过常规氧化、保护和酯化形成他汀侧链。这一生物催化反应可具有较高的产量(200g/L·d )及较高收率 (90％～95％),最重要的是具有极好的立体控制效果，ee值和de值可分别达98％和97％。
利用生物催化进行的不对称反应中，不对称还原的研究最多。这是由于生物氧化还原反应的多样性和可选择性，使得具有不同化学结构和功能的醇类、 酯类、氨基酸、环氧化合物等重要手性中间体都可以分别通过氧化还原途径实现单一光学活性对映体的制备。如手性芳香醇是多种工业原料和药物中间体的手性砌块(building block ),通过生物催化生产手性芳香醇的方法很多， 其中对潜手性芳香酮进行不对称还原，是目前公认的最环保、高效的手性醇生产方法[7]，而且随着研究的深入，可使用的催化剂种类越来越多，对于既定的芳香酮底物来说，目前最少有150种脱氢酶可供使用，这些酶可以产生光学纯度高的(S)-或(R)-型手性醇。如Andrade利用醇脱氢酶对多种芳香酮进行不对称还原，转化率和产物光学纯度均在99％以上[8]。笔者所在实验室筛选并诱变了1株酵母菌，发现其对多种不同种类苯乙酮衍生物都具有不对称还原的能力，但是对于不同的苯乙酮衍生物，该菌的还原能力差别较大，转化率在44％～90％。[9]
最近有人用不同来源的乙醇脱氢酶分别对对乙烯苯乙酮进行不对称还原，同时使用NADPH辅酶 循环系统,分别得到(S)-和(R)-对乙烯苯乙醇，这2种不同构型的异构体在苯乙烯存在下发生聚合，得到平均相对分子质量为5000-6000的多聚物，这种多聚物又可以在脂肪酶催化下和醋酸乙烯发生转移反应，在此过程中，多聚物中仅(R) -部位可以发生转移反应(如下图)，产生的新的多聚物是性能参数优良的新型材料 [10] 。
芳香酮的不对称还原反应及制备酶 反应材料的光学活性单体
2展望
与传统的工业化学相比，生物催化是一个非常年轻的研究领域，大多数相关研究还处于实验室探索阶段，只有一些零星的成功实例，没能形成产业体系。而且在研发过程中暴露的问题很多，如要实现生物催化和化学催化的整合问题，必须解决2种催化体系的相容性问题，使对反应条件敏感的生物催化体系适应需要一定压力和温度的化学催化体系；转
化过程和分离过程的耦合也是一大难题，如何建立产物原位分离技术，将产物从转化体系中快速分离是必须解决的重要问题 ； 再比如很多新型的催化介质系统，在应用中也暴露出一些明显的缺陷。
生物催化的手性合成中涉及很多的问题仍然是阻碍工业化的巨大拦路石， 如获取高选择性、高活性的生物催化剂一直是限速步骤，即便在多种新技术的帮助之下，要筛选到通用性的高效催化剂仍然困难重重；对于生物催化的氧化还原体系而言， 纯化的酶本身易被氧化或还原，因此催化的稳定性大打折扣，但即便是使用了全细胞体系，如果没有理想的辅酶循环系统，催化的进程也会很快终结，但迄今为止，还没有一个持续可靠的辅酶再生体系适用于丰富的底物类型。
虽然面临着多种困难，但不可否认的是，生物催化是21世纪最有希望的快速发展的研究领域，打造适应性、通用性、多样性转化平台，获取高活性生物催化剂，构建温和适用的催化介质系统，设计新型生物转化反应器结构和操作方式，并结合产物的原位，实现生物催化的转化生产与分离技术的偶联，将有助于生物催化技术走向应用的前台。
参考文献
[1] Par Tufvesson，Fu Wenjing，Jacob Skibsted Jensen，et al．Process
considerations for the scale-up and implementation of biocatalysis [J]．Food Biopro Proc，2010，88(1)：3-11 ．
[2] Strauss UT，Faber U，Felferand K．Biocatalytic transformation of racemates into chiral building blocks in 100％chemical yield and 100％enantiomeric excess
[J].Tetrahedron：Asymmetry，1999,10 (1)：107-l17 ．
[3] 徐毅，潘江，许建和．环氧水解酶催化合成(R)-和(S)-普萘洛尔[J]．石油化工， 2004,33 (S1)：950-952．
[4] sgai Takeshi，Ohta Hiromichi．Lipase-mediated efficient preparation of both enantiomers of 2-acetoxytetracosanoic acid, the intermediate for sphingolipid synthesis[J] .Tetra Lett，1991，32(48)：7063-70．
[5] Solodenko V A，Belik M Y，Galushko S V．et al.Enzymatic prepnnation of both L- and D-enantiomers of phosphonic and phosphanous analogues of alanine using penicillin acylase[J]．Tetra：Asymm，1993，4(9):1965-1968．
[6] Tao JH，xu JH．Biocatalysis in development of green pharmaeeutical proceesses [J].Curt Opin Chem Biol，2009，13(1)：43-50．
[7] Goldberg K，Schroer K，Lutz S，et al ．Biocatalytie ketone reduction - ap owerful tool for the production of ehiral alcohols-part I：process with isolate en -zymes [J]．Appl Microbial Biotechnol,2007 76：237-248 ．
[8] Andrade LH，Piovan L，Pasquini MD．Improving the enantioselective bioreduetion of aromatic ketones mediatedby Aspergillus terreus and Rhizopus oryzae：the role of glycerol as a co-solvent[J]． Tetra：Asym，2009，20(13)：1521-1525 ．
[9] 张芳，薛颖，李莉，等 Asymmetric Reduction o f 3，5-Bistrifluoromethyl Ac- etophenone with NADH Regeneration by Immobilized Cells of Saccharomy
-ces rhodotorula in Aqueous Organic Solvent Biphas System[J]．过程工程学报2011，11(5)1040-1045．
[10] Aashrita Ragopalan，Wolfgang Kroutil．Biocatalytic reactions：selected hi- ghlights[J].Mater Today,2011，14(4)：144—152．
