《生物制藥》第十一章-手性藥物

第十一章手性藥物

手性藥物的基本知識(shí)手性是自然界的基本特征之一

手性（chirality，源于希臘文）即不對(duì)稱(chēng)性，是用于表達(dá)化合物分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)性的術(shù)語(yǔ)。

對(duì)映關(guān)系及對(duì)映體（enantiomer）人的手是不對(duì)稱(chēng)的，左手和右手不能相互疊合，彼此的關(guān)系如同實(shí)物與鏡像，化學(xué)上將這種關(guān)系稱(chēng)為對(duì)映關(guān)系。具有對(duì)映關(guān)系的兩個(gè)物體互為對(duì)映體。化合物分子中的原子排列是三維的，因而，有時(shí)候在平面上看起來(lái)相同的分子結(jié)構(gòu)實(shí)際上代表不同的化合物。如乳酸的兩種構(gòu)型。

與手性藥物有關(guān)的術(shù)語(yǔ)

立體異構(gòu)體、對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體立體異構(gòu)體（stereoisomers）是指由于分子中原子在空間上排列方式不同所產(chǎn)生的異構(gòu)體，可分為對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體兩大類(lèi)。對(duì)映異構(gòu)體(enantiomers)是指分子間互相為不可重合的實(shí)物和鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體，常簡(jiǎn)稱(chēng)為對(duì)映體。如（R）-乳酸和（S）-乳酸。非對(duì)映異構(gòu)體（diastereoisomers）是指分子中具有兩個(gè)或多個(gè)不對(duì)稱(chēng)中心，并且其分子間互相不為實(shí)物和鏡像關(guān)系的立體異構(gòu)體。例如，D-赤蘚糖和D-蘇力糖。

對(duì)映選擇性和對(duì)映體過(guò)量對(duì)映選擇性（enatioselectivity）是指一個(gè)化學(xué)反應(yīng)所具有的能優(yōu)先生成（或消耗）一對(duì)對(duì)映體中的某一種的特性。對(duì)映體過(guò)量（enantiomericexcess，e.e.）指樣品中一個(gè)對(duì)映體對(duì)另一個(gè)對(duì)映體的過(guò)量，用于描述樣品的對(duì)映體組成，通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

e.e.％＝[(S—R)/(S+R)]×100％可用手性色譜法、NMR法和旋光法等方法測(cè)定樣品的對(duì)映體過(guò)量。

光學(xué)活性、光學(xué)異構(gòu)體和光學(xué)純度光學(xué)活性(opticalactivity)試驗(yàn)觀察到的化合物將單色平面偏振光的平面向觀察者的右邊或左邊旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)。光學(xué)異構(gòu)體(opticalisomers)對(duì)映體的同義詞，現(xiàn)已不常用，因?yàn)橛幸恍?duì)映體在某些偏振光波長(zhǎng)下并無(wú)光學(xué)活性。光學(xué)純度(opticalpurity)根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的旋光度，計(jì)算而得的在兩個(gè)對(duì)映體混合物中，一個(gè)對(duì)映體所占的百分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)在常用對(duì)映體純度來(lái)代替。外消旋體和外消旋化外消旋體(raceme)也稱(chēng)外消旋物或是指兩種對(duì)映體的等量混合物，可用（D,L）、（R,S）或（±）表示。外消旋體也稱(chēng)外消旋物或外消旋混合物。外消旋化(racemization)一種對(duì)映體轉(zhuǎn)化為兩個(gè)對(duì)映體的等量混合物（即外消旋體）的過(guò)程。如果轉(zhuǎn)化后兩個(gè)對(duì)映體的量不相等，稱(chēng)為部分消旋化。在生命的產(chǎn)生和演變過(guò)程中，自然界往往對(duì)手性化合物的一種對(duì)映體有所偏愛(ài)，例如組成多糖和核酸的單糖都為D-構(gòu)型，而構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種天然氨基酸均為L(zhǎng)-構(gòu)型（甘氨酸除外）。對(duì)于化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和藥學(xué)的理論和實(shí)踐，手性均具有重大的意義。

手性藥物

嚴(yán)格地說(shuō)，手性藥物是指分子結(jié)構(gòu)中存在手性因素的藥物。通常所說(shuō)的手性藥物是指由具有藥理活性的手性化合物組成的藥物，其中只含有效對(duì)映體或者以有效對(duì)映體為主。

藥物的藥理作用是通過(guò)其與體內(nèi)的大分子之間嚴(yán)格的手性識(shí)別和匹配而實(shí)現(xiàn)的，故不同對(duì)映體的藥理活性有所差異。在許多情況下，化合物的一對(duì)對(duì)映體在生物體內(nèi)的藥理活性、代謝過(guò)程、代謝速率及毒性等方面均存在顯著的差異，常出現(xiàn)以下幾種不同的情況。一種對(duì)映體有藥理活性，而另一種無(wú)活性或活性很弱。如左氧氟沙星[S-（-）-對(duì)映體]的體外抗菌活性是R-（+）-對(duì)映體的8～128倍。又如沙丁胺醇和特布他林是兩個(gè)支氣管擴(kuò)張藥物，它們的R-對(duì)映體之藥效比S-對(duì)映體強(qiáng)80～200倍。

兩種對(duì)映體具有完全不同的藥理活性，都可作為治療藥物。例如右旋丙氧吩是一種鎮(zhèn)痛劑，而左旋丙氧吩則是一種止咳劑，兩者表現(xiàn)出完全不同的生理活性。又如噻嗎心安的S-對(duì)映體是β-阻斷劑，而其R-對(duì)映體則用于治療青光眼。

兩種對(duì)映體中一種有藥理活性，另一種不但沒(méi)有活性，反而有毒副作用。一個(gè)典型的例子是20世紀(jì)50年代末期發(fā)生在歐洲的“反應(yīng)?！笔录丛袐D因服用酞胺哌啶酮（俗稱(chēng)反應(yīng)停）而導(dǎo)致短肢畸胎的慘劇。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，酞胺哌啶酮的兩種對(duì)映體中，只有(R)-對(duì)映體具有鎮(zhèn)吐作用，而(S)-對(duì)映體是一種強(qiáng)力致畸劑。

兩種對(duì)映體的藥理活性完全相反。如巴比妥類(lèi)，DMBB[5-(1,3-二甲丁基)-5-乙基巴比妥]和MPPB[N-甲基-5-丙基-5-苯基巴比妥]，左旋體都具有麻醉活性，但右旋體卻起促驚厥作用。

兩種對(duì)映體的作用具有互補(bǔ)性。普萘洛爾的S-（－）-對(duì)映體的β受體阻斷作用比R-（＋）-強(qiáng)約100倍，而R-對(duì)映體對(duì)鈉通道有抑制作用，兩者在治療心律失常時(shí)有協(xié)同作用。故外消旋體用于治療心律失常的效果比單一對(duì)映體好。兩種對(duì)映體具有等同或相近的同一藥理活性。如強(qiáng)心藥SCH00013的兩種對(duì)映體的藥理作用相同。兩種對(duì)映體中，一種對(duì)映體為另一對(duì)映體的競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑。如左旋異丙腎上腺素是β受體激動(dòng)劑，而右旋異丙腎上腺素則為其競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑，且兩者與β受體的親和性相當(dāng)。對(duì)映體純手性藥物的研制和生產(chǎn)具有十分重要的意義。沙利度胺的S-異構(gòu)體可導(dǎo)致嚴(yán)重的致畸性

1957年～1962年，造成數(shù)萬(wàn)名嬰兒嚴(yán)重畸形。

進(jìn)一步研究表明，其致畸作用是由沙利度胺其中的一個(gè)異構(gòu)體（S-異構(gòu)體）引起的，而R-構(gòu)型即使大劑量使用，也不會(huì)引起致畸作用。圖：沙利度胺的另一個(gè)對(duì)映體可導(dǎo)致嚴(yán)重的致畸性。

手性藥物的發(fā)展概況年份19981999200020012002200320042005銷(xiāo)售額(億美元)9911150123313561460155816531785增長(zhǎng)(%1全球手性藥物市場(chǎng)銷(xiāo)售情況

目前世界上正在開(kāi)發(fā)的1200多種新藥中約有三分之二是手性化合物，單一異構(gòu)體占51％，2005年全球上市的新藥中將有60％為單一對(duì)映體藥物，估計(jì)在2010年手性藥物銷(xiāo)售額將超過(guò)2000億美元。

全球手性藥物開(kāi)發(fā)與銷(xiāo)售

各國(guó)對(duì)手性藥物的相應(yīng)規(guī)定

對(duì)于含有手性因素的藥物傾向于發(fā)展單一對(duì)映體產(chǎn)品，鼓勵(lì)把已上市的外消旋藥物轉(zhuǎn)化為手性藥物（手性轉(zhuǎn)換）。對(duì)于申請(qǐng)新的外消旋藥物，則要求必須提供每個(gè)對(duì)映體各自的藥理作用、毒性和臨床效果，不得將不同對(duì)映體作為相同物質(zhì)對(duì)待。這無(wú)疑大大增加了新藥以外消旋體上市的難度。對(duì)已上市的外消旋體藥物，可以單一立體異構(gòu)體形式作為新藥提出申請(qǐng)，并能得到專(zhuān)利保護(hù)。我國(guó)在不對(duì)稱(chēng)合成研究領(lǐng)域起步較晚，在手性科學(xué)研究領(lǐng)域，尤其是不對(duì)稱(chēng)合成和手性技術(shù)方面的總體水平與世界先進(jìn)國(guó)家之間存在不小的差距。最近幾年中，我國(guó)政府部門(mén)、研究機(jī)構(gòu)及科研人員已經(jīng)關(guān)注到手性科學(xué)及技術(shù)和手性藥物的研究，特別是其中有關(guān)的基礎(chǔ)研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委分別在“九五”和“十五”期間支持了“手性藥物的化學(xué)和生物學(xué)”及“手性和手性藥物研究中的若干科學(xué)問(wèn)題研究”的重大研究項(xiàng)目。中國(guó)科學(xué)院也將“手性藥物的合成與拆分”列為重大項(xiàng)目。這對(duì)提升我國(guó)手性藥物的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)能力，直接面對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)手性藥物的研究現(xiàn)狀

手性藥物的制備技術(shù)手性藥物的制備技術(shù)由化學(xué)控制技術(shù)和生物控制技術(shù)兩部分組成。該兩者具有一定的互補(bǔ)性，在手性藥物的生產(chǎn)過(guò)程中常交替使用。圖2手性藥物的制備技術(shù)分類(lèi)根據(jù)原料的不同，制備手性藥物的方法主要分為四大類(lèi)，即外消旋體拆分、不對(duì)稱(chēng)合成、手性源合成和提取法。

外消旋體拆分對(duì)用一般的制備方法得到的外消旋體進(jìn)行拆分，可獲得單一對(duì)映體。拆分法盡管操作煩瑣，但一直是制備光學(xué)純異構(gòu)體的重要方法之一，在很多手性藥物的生產(chǎn)中得到應(yīng)用。其主要可分為結(jié)晶法拆分、動(dòng)力學(xué)拆分和色譜分離三大類(lèi)。

結(jié)晶法拆分又分為直接結(jié)晶法拆分和非對(duì)映異構(gòu)體拆分，分別適用于外消旋混合物和外消旋化合物的拆分。前者是在一種外消旋混合物的過(guò)飽和溶液中直接加入某一對(duì)映體的晶種，使該對(duì)映體優(yōu)先析出；后者是外消旋化合物與另一手性化合物（拆分劑，通常是手性酸或手性堿）作用生成兩種非對(duì)映異構(gòu)體鹽的混合物，然后利用兩種鹽的性質(zhì)差異用結(jié)晶法分離之。色譜分離可分為直接法和間接法。直接法又分為手性固定相法和手性流動(dòng)相添加劑法。其中手性固定相法應(yīng)用較多，已發(fā)展成為噸級(jí)手性藥物拆分的工藝方法。間接法又稱(chēng)為手性試劑衍生化法，是指外消旋體與一種手性試劑反應(yīng)，形成一對(duì)非對(duì)映異構(gòu)體，再用普通的正相或反相柱分離之。

動(dòng)力學(xué)拆分法是利用兩個(gè)對(duì)映體在手性試劑或手性催化劑作用下反應(yīng)速度不同而使其分離的方法。依手性催化劑的不同，動(dòng)力學(xué)拆分又可分為生物催化動(dòng)力學(xué)拆分和化學(xué)催化動(dòng)力學(xué)拆分。前者主要以酶或微生物細(xì)胞為催化劑，后者主要以手性酸、手性堿或手性配體過(guò)渡金屬配合物為催化劑。不對(duì)稱(chēng)合成所謂不對(duì)稱(chēng)合成是指一個(gè)化合物（底物）中的非手性部分在反應(yīng)劑作用下轉(zhuǎn)化為手性單元，并產(chǎn)生不等量的立體異構(gòu)體的過(guò)程。其中，反應(yīng)劑可以是試劑、輔劑、催化劑等。

按照反應(yīng)劑的影響方式和合成方法的演變和發(fā)展，可將不對(duì)稱(chēng)合成的方法粗略地劃分為四代。

第一代方法，即底物控制方法，其通過(guò)手性底物中已經(jīng)存在的手性單元進(jìn)行分子內(nèi)定向誘導(dǎo)而在底物中產(chǎn)生新的手性單元。

第二代方法也稱(chēng)輔基控制法。它通過(guò)連接在底物上的手性輔基進(jìn)行分子內(nèi)定向誘導(dǎo)而實(shí)現(xiàn)手性控制。與第一代不對(duì)稱(chēng)合成的不同點(diǎn)在于，起不對(duì)稱(chēng)誘導(dǎo)作用的輔基要事先連接到底物上，并在反應(yīng)結(jié)束后除去。

第三代方法，即試劑控制法，是通過(guò)手性試劑直接與非手性底物作用，產(chǎn)生手性產(chǎn)物的方法。與前兩代方法不同的是，其立體化學(xué)控制是依賴(lài)分子間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

第四代方法為催化劑控制法，它使用催化劑誘導(dǎo)非手性底物與非手性試劑反應(yīng)，向手性產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。其通過(guò)分子間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)立體化學(xué)控制。根據(jù)所用催化劑的不同，第四代方法又可分為化學(xué)催化法和生物催化法。迄今，用于不對(duì)稱(chēng)合成的最好的反應(yīng)劑當(dāng)屬自然界中的酶，發(fā)展象酶催化體系一樣有效的化學(xué)催化體系是不對(duì)稱(chēng)合成的重要發(fā)展方向。

手性源合成手性源合成指的是以廉價(jià)易得的天然或合成的手性源化合物為原料，通過(guò)化學(xué)修飾方法將其轉(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物的方法。產(chǎn)物構(gòu)型既可能保持，也可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)或手性轉(zhuǎn)移。用于制備手性藥物的手性原料主要有三個(gè)來(lái)源，一是自然界中大量存在的手性化合物，如糖類(lèi)、萜類(lèi)、生物堿等；二是以大量廉價(jià)易得的糖類(lèi)為原料經(jīng)微生物發(fā)酵得到的手性化合物，如氨基酸、羥基酸等簡(jiǎn)單手性化合物和抗生素、維生素、激素等復(fù)雜的手性化合物；三是以手性或前手性化合物為原料化學(xué)合成得到的手性化合物。盡管合成一個(gè)手性化合物最簡(jiǎn)便的方法是挑選結(jié)構(gòu)相近的手性源進(jìn)行手性源合成，但手性源合成法僅適用于能找到與產(chǎn)物具有相似結(jié)構(gòu)手性源的情況，故應(yīng)用受到一定的限制。

提取法在天然產(chǎn)物中，存在大量可直接作為藥物的手性化合物，如生物堿、維生素等。這些化合物可通過(guò)萃取、沉淀、層析、結(jié)晶等手段提取得到，如從紅豆衫的樹(shù)皮中提取對(duì)乳腺癌等有很好療效的抗腫瘤手性藥物紫杉醇。然而，該法也有其缺陷。首先，有些物質(zhì)在自然界中的含量極低，其分離純化十分困難；其次，自然界往往只給我們提供一種異構(gòu)體，其他構(gòu)型的異構(gòu)體可能不存在；此外，還有很多手性化合物在自然界根本不存在或尚未被發(fā)現(xiàn)，無(wú)法通過(guò)提取法得到這些物質(zhì)。第二節(jié)生物催化手性藥物的合成一、生物催化劑的種類(lèi)和來(lái)源二、生物催化的特性1、高效性2、高度選擇性3、底物專(zhuān)一性4、反應(yīng)條件溫和5、生物催化不需要重金屬6、多個(gè)反應(yīng)可同時(shí)在一種微生物內(nèi)進(jìn)行。

三、用于手性藥物制備的生物催化反應(yīng)

氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)是向有機(jī)化合物分子中引入功能基團(tuán)的重要反應(yīng)之一，其在手性藥物的合成中具有重要的作用。用于手性藥物制備的催化氧化反應(yīng)的酶主要有單加氧酶、雙加氧酶和脫氫酶。

單加氧酶（mono-oxygenases）催化的氧化反應(yīng)單加氧酶主要有細(xì)胞色素P450類(lèi)單加氧酶以及黃素類(lèi)單加氧酶，前者以鐵卟啉為輔基，后者以黃素為輔基。單加氧酶催化氧分子中的一個(gè)氧原子加入到底物分子中，另一個(gè)氧原子使還原型輔酶NADH或NADPH氧化并產(chǎn)生水（圖3）。

可催化烷烴、芳香烴化合物的羥化、烯烴的環(huán)氧化、含雜原子化合物中雜原子的氧化以及酮的氧化等反應(yīng)，且反應(yīng)的立體選擇性較高。

常采用完整細(xì)胞作為催化劑。例如，假絲酵母屬、假單胞菌屬微生物細(xì)胞均能催化異丁酸不對(duì)稱(chēng)羥化產(chǎn)生可用于合成維生素、抗生素的光學(xué)活性的β-羥基異丁酸。

雙加氧酶(dioxygenases)催化的氧化反應(yīng)

雙加氧酶催化氧分子的兩個(gè)氧原子加入到同一底物分子中（圖4）。常見(jiàn)的雙加氧酶有脂氧酶、過(guò)氧化物酶等，可催化烯烴的氫過(guò)氧化反應(yīng)、芳烴的雙羥基化反應(yīng)等。脫氫酶催化的氧化反應(yīng)脫氫酶可催化氧化和還原雙向可逆反應(yīng)。在底物為還原態(tài)、輔酶為氧化態(tài)NAD(P)＋時(shí)催化氧化反應(yīng)為主。其機(jī)理是催化底物脫氫，脫下來(lái)的氫與NAD(P)＋結(jié)合。脫氫酶催化的氧化反應(yīng)具有高度的立體選擇性。例如，馬肝醇脫氫酶（HLADH）可催化外消旋醇對(duì)映選擇性地氧化而使之得以拆分(圖5)。圖5馬肝醇脫氫酶催化氧化反應(yīng)拆分二元醇

還原反應(yīng)生物催化的還原反應(yīng)在手性藥物的合成中具有重要的應(yīng)用。氧化還原酶類(lèi)可以催化酮或者醛羰基以及潛手性烯烴的不對(duì)稱(chēng)還原，使?jié)撌中缘孜镛D(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物。在酶促底物加氫的同時(shí)，還原型輔酶轉(zhuǎn)化為氧化型輔酶。由于輔酶一般不太穩(wěn)定，且價(jià)格昂貴，能否將輔酶再生循環(huán)使用，即將氧化型輔酶轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原型輔酶就成為制約該反應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的重要因素。目前主要通過(guò)在反應(yīng)過(guò)程中添加輔助性底物（底物偶聯(lián)法）、利用兩個(gè)平行氧化還原酶系統(tǒng)（酶的偶聯(lián)法）以及完整細(xì)胞還原體系等實(shí)現(xiàn)輔酶再生(圖6)。圖6

生物催化的還原反應(yīng)

催化常用于手性藥物制備的還原反應(yīng)的酶主要有酵母醇脫氫酶(YADH)、馬肝醇脫氫酶（HLADH）、布氏熱厭氧菌醇脫氫酶和羥基甾體脫氫酶(HSDH)等。它們可立體選擇性地催化酮還原為手性仲醇，其選擇性一般遵循Prelog規(guī)則，即它們催化氫負(fù)離子從空間位阻較小方向進(jìn)攻羰基，形成構(gòu)象穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)中間體。但也有一些微生物的醇脫氫酶催化還原反應(yīng)時(shí)不遵循Prelog規(guī)則，如假單胞菌屬的醇脫氫酶。

水解反應(yīng)及其逆反應(yīng)在手性藥物及其中間體的制備中應(yīng)用最為廣泛的水解反應(yīng)及其逆反應(yīng)主要有酯水解、腈水解、環(huán)氧化合物水解、酰胺水解、酯化、酰胺化等（圖8）。圖8

生物催化的水解反應(yīng)的主要類(lèi)型

常用的脂肪酶主要有豬胰腺脂肪酶、假絲酵母屬脂肪酶、假單胞菌屬脂肪酶和毛酶屬脂肪酶。不同來(lái)源的脂肪酶，其氨基酸殘基的數(shù)量從270到641個(gè)不等，且疏水性氨基酸殘基比親水性氨基酸殘基多。雖然這些脂肪酶的氨基酸序列大不相同，但都具有一個(gè)共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即含有β-折疊的核和被α-螺旋包圍并指向酶的活性中心的三元復(fù)合物，這個(gè)復(fù)合物由Asp-His-Ser或His-Ser-Glu組成。

近期的研究表明，許多脂肪酶在綠色反應(yīng)介質(zhì)離子液體中能催化酯的不對(duì)稱(chēng)水解，且選擇性和穩(wěn)定性高于其在水中的對(duì)應(yīng)值。例如，Mohile等報(bào)道在離子液體-緩沖液混合反應(yīng)介質(zhì)中，皺落假絲酵母脂肪酶（CRL）能高效地催化2-(4-氯苯氧基)丙酸丁酯不對(duì)稱(chēng)水解，所得到的產(chǎn)物(R)-2-(4-氯苯氧基)丙酸的對(duì)映體純度（99％e.e.以上）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在水相中的相應(yīng)值（47％e.e.），并且在離子液體中CRL的熱穩(wěn)定性也提高了。

酯水解反應(yīng)圖9離子液體-緩沖液混合溶劑中酶促對(duì)羥基苯甘氨酸甲酯不對(duì)稱(chēng)水解反應(yīng)

腈水解反應(yīng)

在有機(jī)合成中，腈是一類(lèi)重要的化合物，它可以方便地通過(guò)化學(xué)合成得到，而且可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成具有更高價(jià)值的酰胺和羧酸。但是利用化學(xué)手段將腈轉(zhuǎn)變成酰胺或羧酸通常要求高溫、昂貴的試劑，或者需要在強(qiáng)酸(6mo1/L鹽酸)或強(qiáng)堿(2mol/L氫氧化鈉溶液)條件下進(jìn)行，在后續(xù)的中和反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生大量鹽。而酶促腈水解在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)擁有以下優(yōu)勢(shì)：溫和的反應(yīng)條件，高選擇性，產(chǎn)物純度高，無(wú)副產(chǎn)物及鹽、金屬類(lèi)廢物。酶促腈水解有兩條途徑，其一，通過(guò)腈水合酶轉(zhuǎn)化為酰胺，再由酰胺酶催化其水解為相應(yīng)的羧酸；其二，由腈水解酶直接催化其水解為羧酸。酶催化腈水解反應(yīng)不僅得到光學(xué)活性羧酸,而且還能合成光學(xué)活性酰胺化合物,后者可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為光學(xué)活性胺和其它含氮化合物。故腈的酶法水解已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)活性氨基酸、酰胺、羧酸及其衍生物的合成（圖10）。

腈水合酶催化腈轉(zhuǎn)化為相應(yīng)酸的兩步酶轉(zhuǎn)化過(guò)程中的第一步，即腈化合物水合轉(zhuǎn)化為酰胺的過(guò)程。這些酶是金屬酶，酶分子中含有鐵或鈷，存在于多種革蘭氏陽(yáng)性和陰性細(xì)菌中。圖10

酶法腈水解的途徑

環(huán)氧化物水解圖11生物催化芳香族環(huán)氧化合物水解

環(huán)氧化物是一類(lèi)重要的有機(jī)合成物，是許多生物活性物質(zhì)合成的原料，因此，其在有機(jī)合成中被廣泛地利用。一般可用化學(xué)法制備環(huán)氧化物，但反應(yīng)的立體選擇性不高。環(huán)氧化物水解酶能催化環(huán)氧化物進(jìn)行區(qū)域和對(duì)映體選擇性水解，從而能用于制備所需構(gòu)型的環(huán)氧化物。

環(huán)氧化物水解酶廣泛存在于哺乳動(dòng)物、植物、昆蟲(chóng)、絲狀真菌、細(xì)菌以及赤酵母中。在哺乳動(dòng)物中，環(huán)氧化物水解酶在外源性化合物，尤其是芳香烴化合物的代謝中發(fā)揮重要作用。環(huán)氧化物水解酶將芳香烴經(jīng)單加氧酶催化氧化得到的、具有致畸、致癌作用的芳烴環(huán)氧化物水解為生物惰性的反式1,2-二醇，后者可被生物體進(jìn)一步分解代謝和排泄。

酰胺水解

酰胺水解是制備廣泛用于手性藥物合成的光學(xué)活性氨基酸的重要途徑。常用于催化酰胺水解的酶主要有氨基酰胺酶、氨基?；?、乙內(nèi)酰脲酶等。圖12氨基酰胺酶催化氨基酰胺水解拆分

氨解反應(yīng)

近年來(lái)的研究表明,許多水解酶類(lèi),如脂肪酶、蛋白酶等,不僅可以催化水解反應(yīng),而且能夠在非水介質(zhì)中催化其逆反應(yīng)，例如，它們能催化以氨、胺或者肼為非天然酰基受體的酯或酸的氨解反應(yīng)，形成酰胺。與傳統(tǒng)的化學(xué)法相比,通過(guò)酶促酯或酸氨解的途徑使之酰胺化具有條件溫和、專(zhuān)一性強(qiáng)、催化效率高的優(yōu)點(diǎn)。

酶促酯氨解反應(yīng)的機(jī)理為：酶活性中心絲氨酸殘基中的羥基親核進(jìn)攻酯中的羰基碳，形成酶-酰基中間體,之后親核試劑氨、胺或者肼進(jìn)攻酶-?；虚g體，形成產(chǎn)物酰胺，酶同時(shí)恢復(fù)其原形。所形成的產(chǎn)物酰胺廣泛應(yīng)用手性藥物的合成。

酯化反應(yīng)

酯化，這一受熱力學(xué)限制不可能在水介質(zhì)中發(fā)生的反應(yīng)，可在非水介質(zhì)中被多種酶，如脂肪酶、蛋白酶等催化。該反應(yīng)在有機(jī)合成中特別有用，因?yàn)檫@些酶可催化大量不同類(lèi)型的有機(jī)化合物的酯化，并具有高度立體選擇性。圖16脂肪酶PSL催化外消旋醇不對(duì)稱(chēng)酯化（或?；?/p>

酶促酯化反應(yīng)在手性合成中已有許多應(yīng)用。例如,C.rugosa脂肪酶能高對(duì)映選擇性地催化外消旋-2-羥基壬酸與正丁醇在甲苯中發(fā)生酯化反應(yīng)，所獲產(chǎn)物的光學(xué)純度很高，可用于合成抗微生物制劑(4R,7S)-7-甲氧基十四烷-4-烯酸。

四、生物催化用于手性藥物及其中間體的制備

生物催化劑為高度手性的催化劑，其催化反應(yīng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如，能在溫和的條件下發(fā)揮催化作用，減少在化學(xué)過(guò)程中常出現(xiàn)的異構(gòu)化、外消旋化等問(wèn)題；且催化效率高；具有高度的立體選擇性,反應(yīng)產(chǎn)物的對(duì)映體過(guò)量（e.e.）有時(shí)可達(dá)100％；環(huán)境污染小。因此生物催化法是制備手性藥物的有效途徑之一。

由于酶的底物譜通常較窄，應(yīng)用酶法合成一些非天然產(chǎn)物尚存在一定困難和局限性。

目前,手性新藥的開(kāi)發(fā),通常采用化學(xué)-酶法(chemo-enzymaticmethod)，即利用酶或微生物細(xì)胞作為催化劑對(duì)化學(xué)合成路線中某一個(gè)手性中間體進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)合成或拆分,再用其合成光學(xué)純的手性藥物。

生物催化外消旋手性藥物及其中間體的拆分利用酶對(duì)對(duì)映體的識(shí)別作用，可有效地拆分外消旋藥物及其中間體的不同對(duì)映體。其主要特點(diǎn)是拆分效率和立體選擇性高、反應(yīng)條件溫和。

外消旋藥物的拆分當(dāng)外消旋藥物分子中含有手性羥基、羧基或酯基時(shí)，可直接利用酶進(jìn)行拆分,獲得具有所需構(gòu)型的光學(xué)活性藥物。

非甾體抗炎類(lèi)藥物

非甾體抗炎類(lèi)藥物(nonsteroidalanti-inflammatoryagents)臨床上廣泛用于治療關(guān)節(jié)炎等人結(jié)締組織疾病。其活性成分是2-芳基丙酸衍生物CH3CHArCOOH,如萘普生(naproxen)、布洛芬(ibuprofen)、酮基布洛芬(ketoprofen)、氟比洛芬(flurbiprofen)等(圖18)。研究表明，該類(lèi)藥物的的(S)-對(duì)映體具有較高活性，如(S)-萘普生在體內(nèi)的抗炎活性是(R)-對(duì)映體的28倍。目前，只有萘普生是以單一對(duì)映體的形式上市，其余均以外消旋體供藥，因此，近年來(lái)用酶法拆分2-芳基丙酸衍生物引起了人們的廣泛重視。圖182-芳基丙酸類(lèi)非甾體消炎藥

萘普生

萘普生是用量較大的一種非甾體消炎藥，世界年銷(xiāo)售額在十億美元以上。目前使用的光學(xué)純(S)-萘普生主要采用不對(duì)稱(chēng)化學(xué)合成或合成消旋體再拆分法制備。近年來(lái)，用酶法拆分外消旋萘普生的研究報(bào)道甚多。意大利的Battistel等將柱狀假絲酵母脂肪酶CCL(Candidacylindracealipase)固定化在離子交換樹(shù)脂AmberliteXAD-7上，并裝填于500mL柱式反應(yīng)器中，連續(xù)水解外消旋體萘普生的乙氧基乙酯，在35℃下反應(yīng)1200h，得到18kg的光學(xué)純(S)-萘普生，且酶活幾乎無(wú)損失，該工藝極具工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值(圖19)。英國(guó)Chirtech公司通過(guò)篩選和分子進(jìn)化對(duì)一種酯酶進(jìn)行改造,提高了酶的立體選擇性。該酶只水解(S)-萘普生酯,底物濃度可達(dá)到150g/L,反應(yīng)殘留的(R)-萘普生酯可通過(guò)堿催化消旋化再拆分。產(chǎn)物可通過(guò)結(jié)晶分離,操作簡(jiǎn)單。該工藝目前在印度的ShasunChemicals公司進(jìn)行中試。圖19固定化CCL催化外消旋萘普生酯水解

布洛芬用馬肝酯酶選擇性水解拆分外消旋布洛芬乙酯可制備(S)-布洛芬(圖20)，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行11h,轉(zhuǎn)化率達(dá)40％時(shí),