金屬-酶協(xié)同催化動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)研究進(jìn)展

蔣成君，呂力瓊，黃俊

（浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

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金屬-酶協(xié)同催化動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)研究進(jìn)展

蔣成君，呂力瓊，黃俊

（浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

摘要：金屬催化和酶催化在很長(zhǎng)時(shí)間被認(rèn)為是兩個(gè)不同的領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)是金屬-酶協(xié)同催化的成功應(yīng)用。如何有效地協(xié)同金屬催化的消旋化與酶催化的動(dòng)力學(xué)拆分是其中的關(guān)鍵問題。本文對(duì)金屬-酶協(xié)同催化動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分醇和胺類化合物進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)介紹了動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分中常用的金屬催化劑，各種金屬與酶的協(xié)同，并對(duì)其前景進(jìn)行了展望，指出提高酶在反應(yīng)體系中的穩(wěn)定性是未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：生物催化；動(dòng)力學(xué)；化學(xué)反應(yīng)；手性

近年來，金屬催化劑在藥物合成領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這些金屬催化劑有時(shí)需要高溫、高壓等苛刻的反應(yīng)條件，且對(duì)環(huán)境造成污染。酶催化具有反應(yīng)條件溫和、高選擇性等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于手性藥物的合成。這兩種催化過程非常高效和經(jīng)濟(jì)，但是它們的協(xié)同使用尚不多見。主要有3個(gè)原因：第一，聯(lián)合這兩種催化過程最近才被關(guān)注；第二，金屬催化劑和酶催化劑在很長(zhǎng)時(shí)間被認(rèn)為是兩個(gè)不同的領(lǐng)域，有機(jī)化學(xué)家難以發(fā)現(xiàn)有效的酶催化，生物化學(xué)家難以了解金屬催化體系；第三，一般認(rèn)為酶的活性會(huì)被金屬抑制。然而，金屬-酶協(xié)同的催化反應(yīng)具有巨大的潛力。動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)（DKR）是金屬-酶協(xié)同的催化反應(yīng)的一個(gè)重要應(yīng)用[1]。在DKR中，金屬催化的底物消旋化與酶催化劑的動(dòng)力學(xué)拆分有機(jī)地結(jié)合（圖1）。本文對(duì)近幾年金屬-酶協(xié)同動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分醇和胺類化合物進(jìn)行綜述。

圖1 金屬-酶協(xié)同催化動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)

1 動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分中常用的金屬催化劑

常用的金屬催化劑如圖2所示。這些金屬主要是ⅧB族的元素Pd、Ru、Rh、Ni、Co、Ir，ⅤB的 V和ⅢA的鋁。

2 金屬-酶協(xié)同催化動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分醇類化合物

2.1 Pd配合物與酶的協(xié)同催化

1996年，WILLIAMS等[2]報(bào)道了PdCl2(MeCN)2與熒光假單胞菌脂肪酶動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分烯丙基酯衍生物（圖3），19天后獲得醇的產(chǎn)率為81%，ee值為 96%。在這一反應(yīng)中，底物通過鈀（Ⅱ）催化消旋化，脂肪酶水解生產(chǎn)單一構(gòu)型的醇。雖然反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)19天，但是這一開創(chuàng)性的研究證實(shí)了過渡金屬催化和酶結(jié)合進(jìn)行DKR的可能性。

2.2 Rh配合物與酶的協(xié)同催化

在隨后的研究中，WDINH等[3]報(bào)道了仲醇的DKR（圖4），通過氫轉(zhuǎn)移機(jī)理來實(shí)行底物的消旋化。Rh2(OAc)4協(xié)同脂肪酶進(jìn)行拆分，(R)-1-苯乙醇的收率為60%，ee值為98%。然而這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)，總的收率低和必須添加鄰菲咯啉和苯乙酮作為有效消旋試劑。盡管這種特殊的DKR系統(tǒng)有缺點(diǎn)，但是這項(xiàng)研究仍是重要的，因?yàn)樗C實(shí)了醇可以通過金屬催化的氫轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)消旋化。這項(xiàng)工作為后續(xù)催化劑的設(shè)計(jì)提供了靈感的源泉，不同的過渡金屬催化劑不斷開發(fā)，通過氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了底物的消旋化。

圖2 動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分中常用的金屬催化劑

圖3 PdCl2(MeCN)2與熒光假單胞菌脂肪酶協(xié)同的DKR體系

圖4 Rh2(OAc)4與熒光假單胞菌脂肪酶協(xié)同的DKR體系

2.3 Ru配合物與酶的協(xié)同催化

緊接著WILLIMAS的開創(chuàng)性工作，B?CKVALL 等[4]首次提出了仲醇的DKR體系（圖5），其中南極假絲酵母脂肪酶B（CALB）固定在丙烯酸樹脂（商品名稱Novozyme-435）和Shvo的二釕配合物1，這兩種催化劑對(duì)脂肪族和芳香族的醇都兼容，并且產(chǎn)物的ee值也較高，根據(jù)KAZLAUSKAS規(guī)則[5]顯示出S型選擇性。但是這一體系的缺點(diǎn)是Shvo配合物要求70℃的溫度來有效地分裂成兩個(gè)單體物種1a和1b（圖2），其機(jī)制是氧化還原使底物消旋化[6]。由于Shvo配合物需要熱活化，Shvo配合物1只能結(jié)合耐熱的脂肪酶使用，這限制了可用于DKR的酶的種類，如對(duì)熱敏感的絲氨酸蛋白酶就不能使用。Shvo配合物的另一個(gè)缺點(diǎn)是它必須與活化的芳基酯（對(duì)氯苯乙酸酯）一起使用，當(dāng)以簡(jiǎn)單的烯基乙酸酯為酰基供體時(shí)，會(huì)干擾外消旋，導(dǎo)致形成大量酮副產(chǎn)物。盡管有這些限制，但是配合物1已經(jīng)成功地結(jié)合了一些酶來進(jìn)行β-疊氮醇、安息香、β-環(huán)醇、雜芳基乙醇、羥基烷烴磷酸鹽、γ-羥基酰胺、羥基酸酯、羥基醛、β-羥基烷基砜、β-腈醇等的DKR。此外，配合物1已經(jīng)被用作 β-取代伯醇DKR的消旋催化劑，通過中間醛的烯醇化發(fā)生消旋化。

圖5 Shvo雙釕配合物和Novozyme-435催化的仲醇DKR

由于Shvo的二釕配合物只有在溫度大于70℃時(shí)才有活性。隨后的研究致力于發(fā)現(xiàn)更高活性的催化劑，可以在溫和的反應(yīng)條件下有效的消旋醇，在DKR中可以更大范圍地使用各種酶。PARK等[7]報(bào)道了配合物2-(η5-茚基)RuCl(PPh3)2在室溫下可消旋底物，并且生成微量的酮副產(chǎn)物。然而，配合物2有一些缺點(diǎn)，它需要KOH來激發(fā)催化活性，KOH可以使酶失活。后來發(fā)現(xiàn)配合物2也可以用O2和Et3N來激活，有效的消旋需要60℃的反應(yīng)溫度。配合物2成功地和洋蔥假單胞菌脂肪酶結(jié)合對(duì)簡(jiǎn)單的仲醇進(jìn)行DKR（圖6）[8]。

圖6 (η5-茚基)RuCl(PPh3)2和洋蔥假單胞菌脂肪酶仲醇DKR

酶和以釕為活性中心的配合物的耦合，拓展了DKR領(lǐng)域的后期研究，開發(fā)了釕配合物作為外消旋催化劑[9]，通過氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)實(shí)現(xiàn)底物的消旋化。KIM 等[10]制備出了氨基環(huán)戊二烯釕配合物3，并證實(shí)它在室溫下能有效地催化仲醇外消旋化。和配合物1不同，使用配合物3時(shí)，可用叔丁醇鉀活化替代熱活化，與KOH相比，配合物3在大多DKR體系中顯示出更高的兼容性。

配合物3成功地與Novozym-435配對(duì)，在室溫下高產(chǎn)率和高ee值地合成多種脂肪族和芐基(R)-乙酸酯（圖7）。配合物3的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以用乙酸異丙烯酯代替活性酯（對(duì)氯苯乙酸酯）作為?；w。然而，需要長(zhǎng)達(dá)7天的反應(yīng)時(shí)間。這與分步消旋和KR反應(yīng)有鮮明對(duì)比，它們一般在幾小時(shí)內(nèi)完成。DKR和分步反應(yīng)效率上的顯著差異表明配合物3和CALB不完全兼容，導(dǎo)致催化劑部分失活。

因?yàn)樗谑覝叵铝己玫南钚裕耘浜衔?可以協(xié)同更敏感的蛋白酶枯草桿菌DKR仲醇，得到S構(gòu)型產(chǎn)物。KIM等[11]已在最近的研究中表明配合物3可以與表面活性劑-洋蔥假單胞菌脂肪酶協(xié)同在室溫下進(jìn)行烯丙基醇DKR。

圖7 配合物3和Novozym-435仲醇DKR

配合物3發(fā)現(xiàn)后不久，B?CKVALL等[12]制備出了相關(guān)的環(huán)戊二烯釕配合物4。它被證實(shí)為一種高效的催化劑，即使催化劑用量低至0.5%（摩爾分?jǐn)?shù)）[13]也能在10min內(nèi)完全消旋光學(xué)純的1-苯乙醇。無論在結(jié)構(gòu)和活化方法上，這種消旋催化劑顯示出許多與配合物3的相似之處；但是配合物3改善了其與酶的兼容性。配合物4和Novozym-435的結(jié)合提供了仲醇快速的DKR方法；如1-苯乙醇在3h內(nèi)高產(chǎn)率轉(zhuǎn)化為ee值大于99%的乙酸酯[14]。配合物4為新一代DKR和動(dòng)態(tài)不對(duì)稱轉(zhuǎn)換（DYKAT）的發(fā)展鋪平了道路。DKR中利用配合物4這一方法已被廣泛地應(yīng)用到功能仲醇中，消旋得到高產(chǎn)率和高ee值的產(chǎn)物，包括脂肪醇、烯丙基醇、氯醇、二元醇、高烯丙基醇、N-雜環(huán)1,2-氨基醇。

配合物4對(duì)于氯乙醇[38]、烯丙基醇的消旋速度顯著減慢，它要求在DKR中不斷增加反應(yīng)溫度。對(duì)于這些底物，有必要進(jìn)一步研究更高效的消旋配合物與敏感蛋白酶結(jié)合進(jìn)行DKR。VERHO等[15]報(bào)道了匹配配合物和底物的電子性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)更高效的氯乙醇外消旋的方法。在研究中發(fā)現(xiàn)配合物4的高度電子缺失相似物配合物5對(duì)氯乙醇消旋反應(yīng)比配合物4快10～30倍。

近年來，合成了一些基于環(huán)戊二烯釕為核心的酶-兼容消旋配合物相似物。特別是KIM等[16]、HAN 等[17]開發(fā)出了釕為活性中心的消旋催化劑-配合物5，配合物5可以在空氣中進(jìn)行醇的DKR，穩(wěn)定性和適用范圍更廣。配合物5的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以連接到聚苯乙烯上，形成非均相的聚合物接枝配合物6。配合物6可回收，在1-苯乙醇DKR重復(fù)使用3次，仍可獲得95%的收率、99%的ee值。在隨后的研究中，配合物6被用在光學(xué)純藥物(-)-卡巴拉汀關(guān)鍵中間體的合成。

KIM等[18]報(bào)道了配合物4的相似物配合物7，其在空氣中穩(wěn)定，在室溫下可由Ag2O激活并和Novozym-435協(xié)同用于一小部分脂肪族和芐醇的DKR體系中。最近，LEE等[19]報(bào)道了配合物8，它包含了一個(gè)酰基取代的環(huán)戊二烯基配體。這種配合物可更廣范圍地應(yīng)用于光學(xué)純仲醇的DKR體系。配合物8和洋蔥假單胞菌脂肪酶可在16～25℃下DKR α-芳基丙炔基醇、芐基醇、γ-氯醇和TMS-炔醇。LEINO等[20-21]報(bào)道了五芐基環(huán)戊二烯基釕配合物9，它顯示出與配合物4相同的活性和功能范圍。配合物9的優(yōu)點(diǎn)是芐基取代配體可以由簡(jiǎn)單和廉價(jià)的原料環(huán)戊二烯和芐醇大規(guī)模簡(jiǎn)單的合成。與配合物1和3～8的合成相比較，配合物9需要更昂貴的前體四苯基環(huán)戊二烯酮。NOLAN等[22]開發(fā)了另一種有效的外消旋配合物。陽(yáng)離子釕茚基配合物10，可由K2CO3有效激活，它和Novozyme-435成功結(jié)合用于多種仲醇的DKR，此配合物在室溫下獲得高產(chǎn)率和ee值。AGRAWAL等[23]表明釕配合物可由易得的配合物[Ru(p-異丙基)Cl2]2和配體1,4-雙（二苯基膦）-丁烷原位反應(yīng)形成，配合物可結(jié)合從施氏假單胞菌形成的TL脂肪酶在室溫下對(duì)α-羥基酮進(jìn)行有效DKR。這些底物的DKR提供了各種功能分子直接獲取路徑，如光學(xué)純的氨基醇和二醇衍生物。

基于釕的消旋配合物在仲醇的DKR中也可以應(yīng)用。例如，HAAK等[24]開發(fā)了在含有甲苯和50mmHEPES緩沖液的兩相體系中利用陽(yáng)離子不變的配合物11和雙突變環(huán)氧化物水解酶（Hhec）從相應(yīng)的氯乙醇一步合成光學(xué)純化合物的方法。與配合物3～9相比，配合物11可由叔丁醇鉀活化，在室溫下有效地DKR。配合物11對(duì)芐醇比較表現(xiàn)出明顯高的消旋活性和選擇性。

2.4 Ir與酶的協(xié)同催化

MARR等[25]報(bào)道了銥催化的消旋化。這種DKR利用一系列“鋼琴凳”型銥NHC配合物與CALB結(jié)合，見圖8。

圖8 銥配合物11和環(huán)氧化物水解酶合成光學(xué)純的環(huán)氧化物

2.5 V與酶的協(xié)同催化

在過去的十年，大量釩催化醇的DKR得到了發(fā)展。AKAI等[26-27]發(fā)現(xiàn)含氧釩（Ⅴ）配合物[VO(OSiPh3)3)]在溫和的反應(yīng)條件下能通過羥基的1,3-轉(zhuǎn)移消旋二烯丙基醇（圖9）。因此，這種配合物被發(fā)現(xiàn)能與幾種酯兼容，如洋蔥假單胞菌脂肪酶、Novozyme-435、熒光假單胞菌的脂肪酶，它適用于線性和環(huán)狀烯丙基醇DKR，有良好的產(chǎn)率和ee值。EGI等[28]也制備出了非均相的含氧釩（Ⅴ）配合物相似物，它被固定在聚合物和介孔硅膠上。固載的含氧釩（Ⅴ）配合物證實(shí)可以循環(huán)6次以上而不失活性，而且它能夠消旋芳香和丙炔醇。這種配合物增加缺少烯丙醇的底物消旋能力，它可以通過碳正離子中間體脫水機(jī)理進(jìn)行。WUYTS等[29]報(bào)道了釩配合物催化的其他仲醇DKR。在這個(gè)系統(tǒng)中，VOSO4結(jié)合Novozyme-435實(shí)現(xiàn)一些芐基醇在80℃下的DKR。

圖9 [VO(OSiPh3)3)]和Novozyme-435協(xié)同

2.6 其他類型

上述金屬價(jià)格昂貴，近年來發(fā)展了一些低成本的金屬催化體系。BERKESSEL等[30]設(shè)計(jì)了AlMe3/binol/CALB系統(tǒng)，用于室溫下脂肪族和芐醇的DKR。酸和沸石也可作為消旋催化劑與酶一起進(jìn)行仲醇DKR。但是酸和沸石只能通過脫水機(jī)理來消旋醇，這限制了要形成穩(wěn)定碳正離子底物。此外，由于副產(chǎn)物的大量形成，這些酸和沸石催化時(shí)的收率比預(yù)期產(chǎn)量低。

與二級(jí)醇形成鮮明對(duì)比的是叔醇實(shí)現(xiàn)DKR。雖然有一些酶可以拆分叔醇，但是它已被證實(shí)很難配合DKR過程來原位消旋。因?yàn)槭宕技咎既鄙贇淙〈?，所以不可能通過氫轉(zhuǎn)移機(jī)理消旋底物。因此，叔醇消旋的催化劑僅限于那些通過脫水機(jī)制形成碳正離子的催化劑（如路易斯酸或釩催化劑）。碳正離子中間體的形成比相應(yīng)的仲醇更容易，這將有利于叔醇的外消旋化。叔醇的DKR被認(rèn)為是不對(duì)稱合成領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)重要的里程碑，在天然產(chǎn)物和藥物合成中有很大的應(yīng)用。

3 金屬-酶協(xié)同催化動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分胺類化合物

3.1 Pd與酶的協(xié)同催化

光學(xué)純的胺類可以通過酶的動(dòng)力學(xué)拆分獲得。然而，由于缺乏有效的胺消旋催化劑，胺類的DKR大大減少。胺類消旋困難的主要原因是它們可以作為很強(qiáng)的配位體，這可能會(huì)抑制催化劑甚至導(dǎo)致催化劑完全失活。因此，需要高溫來打破這種平衡并促進(jìn)消旋反應(yīng)，但是升高溫度會(huì)限制可使用酶的種類。另外一個(gè)與胺消旋相關(guān)的挑戰(zhàn)是生成的亞胺中間體是高度活性的，可發(fā)生一些副反應(yīng)，從而減少了產(chǎn)品產(chǎn)量，增加了分離的難度。例如，亞胺在水存在下易于水解生成相應(yīng)的酮。亞胺中間體也可受到另一胺分子的親核攻擊生成縮胺醛，可進(jìn)一步降低為仲胺副產(chǎn)物。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些副反應(yīng)通常是由于高溫引起。因此，高效、溫和的消旋胺尤為重要。

1996年REETZ等[31]第一次報(bào)道了胺的DKR，Pd/C催化外消旋化完成1-苯乙胺的拆分。不幸的是，DKR反應(yīng)在三乙胺存在下進(jìn)行，溫度50～55℃，使用乙酸乙酯作為?；w，發(fā)現(xiàn)過程緩慢，8天只得到了60%的轉(zhuǎn)化率。

受到REETZ等[31]開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的鼓舞，幾個(gè)研究小組繼續(xù)研究基于鈀的非均相催化劑，應(yīng)用于胺的DKR。JACOBS等[32-33]研究了作為載體的堿土是怎樣影響固定化鈀粒子的外消旋化活動(dòng)。在這些載體中，鈀/硫酸鋇具有最高的活性和選擇性。DKR 在70℃和0.01MPa 氫氣壓力下進(jìn)行，反應(yīng)可以用乙酸乙酯或者乙酸異丙酯作為?；w。在這些反應(yīng)條件下，一系列的芐基伯胺轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的(R)-酰胺，在24～72h內(nèi)有高產(chǎn)率、高ee值。ANDRADE等[34]也證實(shí)了這些催化劑對(duì)含硒的芐基伯胺的DKR也適用。然而，這個(gè)DKR體系明顯的缺點(diǎn)是它只限于芐基胺，脂肪族伯胺反應(yīng)太過緩慢，唯一可適用的脂肪族胺是1-甲基-3-苯丙胺。脂肪族的胺明顯比芐型的底物消旋慢，相應(yīng)的DKR要求不斷升高溫度并延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，來獲得滿意的結(jié)果。

在隨后的研究中，PARVULESCU等[35]證實(shí)Pd/BaSO4和Pd/CaCO3對(duì)伯胺的消旋活性和選擇性可以用微波輻射替代傳統(tǒng)的加熱方法。造成這種現(xiàn)象的原因是金屬活性中心能夠有效地吸收微波，從而產(chǎn)生所謂的“熱點(diǎn)”，可以達(dá)到超過周圍反應(yīng)介質(zhì)的溫度，利用微波輻射導(dǎo)致更快的DKR。

圖10 Pd/AlO(OH) 和Novozyme-435.對(duì)脂肪族和芐基伯胺的DKR

KIM等[36-37]將Pd固定在AlO(OH)上作為消旋催化劑與Novozyme-435協(xié)同催化（圖10）。這個(gè)催化體系在伯胺的DKR中有效。然而，這種催化系統(tǒng)對(duì)于脂肪族底物DKR要求更嚴(yán)苛的反應(yīng)條件（12%Pd，100℃，1大氣壓H2）。有趣的是，無論是納米鈀催化劑還是酶，在1-甲基-3-苯丙胺的DKR中可以循環(huán)8次，沒有觀察到轉(zhuǎn)化率或ee值的損失。在隨后的研究中，CHOI等[38]擴(kuò)展了這種方法的適用范圍，使α-氨基酰胺也包括在內(nèi)。此外，B?CKVALL等[39]將Pd/AlO(OH)和CALA-MCF結(jié)合用于β-氨基酯的DKR。

徐剛等[40]制備了一種基于鈀固定在雙氫氧化物陰離子支持層上的非均相消旋催化劑，并證實(shí)了它可以與Novozyme-435協(xié)同在55℃下用于芐基伯胺的DKR。不幸的是，它有幾個(gè)缺點(diǎn)，如催化劑用量多、底物濃度稀和需要用4-氯苯基戊酸酯作為?；w。最近SHAKERI等[41]也開發(fā)了一種基于鈀的非均相消旋催化劑，1.5～3.0nm的鈀納米粒子固定在MCF(AmP-MCF)上。這種鈀納米催化劑（Pd0-AmP-MCF）在1-苯乙胺的消旋中顯示出高活性，而且與酶有良好的兼容性。這種（Pd0-AmP-MCF）催化劑與Novozyme-435協(xié)同對(duì)一系列伯胺DKR，生成相應(yīng)(R)-酰胺有高的產(chǎn)率和良好的ee值（圖11）。更進(jìn)一步，通過增加催化劑中鈀的量（摩爾分?jǐn)?shù)從1.25%到5.0%），在50℃下可能促進(jìn)有效的消旋，這允許催化劑在1-苯乙胺的DKR中與敏感的脂肪酶Amano Lipase PS-C1（洋蔥假單胞菌脂肪酶固定在陶制小珠子上）結(jié)合。值得注意的是，這是Amano Lipase PS-C1第一次成功地用在胺的DKR上。在這個(gè)反應(yīng)中，鈀納米粒子的使用量減少，反應(yīng)時(shí)間縮短，底物濃度提高。Pd0-AmP-MCF還表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和低流失率，在1-苯乙胺的DKR中可循環(huán)4次，催化性能沒有明顯的降低。和其他鈀基催化劑類似，這個(gè)DKR系統(tǒng)對(duì)于脂肪族胺類并不適用。

圖11 Pd0-AmP-MCF 和 Novozyme-435/Amano Lipase PS-C1結(jié)合對(duì)伯胺的DKR

李燦等[42]也研究伯胺的DKR系統(tǒng)，他們用一種稍微不同的Pd0-AmP-MCF催化劑，這種催化劑浸漬在碳酸鉀中，鈀負(fù)載量比B?CKVALL等[39]所用的低，得到了幾種胺有效DKR。但是，這很難與SHAKERI等[41]的體系相比較，因?yàn)樗麄冊(cè)黾恿嗣傅挠昧?，降低了底物濃度?/p>

B?CKVALL等[39]用來固定Pd納米顆粒的材料MCF也被用來固定CALA。B?CKVALL探索了同時(shí)固定鈀納米粒子和酶的可能性。首先制備載有中等負(fù)載鈀的Pd0-AmP-MCF催化劑，為酶留下大量的自由氨基，用戊二醛連接CALB。通過共固定化設(shè)計(jì)，可得到類似于金屬酶雙功能催化劑，可用于外消旋作用和KR。在1大氣壓氫氣、70℃下，使用甲氧基乙酸乙酯作為?；w，進(jìn)行1-苯乙胺的DKR來評(píng)價(jià)這種雙功能催化劑。在這些條件下反應(yīng)16h，以99%的產(chǎn)率得到99%的ee值的(R)-酰胺。有趣的是，發(fā)現(xiàn)雙功能催化劑的性能要比Pd(0)-AmP-MCF 和 CALB-MCF兩個(gè)催化劑單獨(dú)使用時(shí)好，顯然兩個(gè)催化劑的高接近性提高了DKR的反應(yīng)速率。這種雙功能催化劑可以循環(huán)利用，但是從第三個(gè)循環(huán)開始，活性會(huì)慢慢下降，因?yàn)橛H水硅膠表面會(huì)引起部分酶變性。

3.2 Ru與酶的協(xié)同催化

PAMIES等[44]證實(shí)Shvo二聚體1可以在110℃下對(duì)伯胺進(jìn)行有效的消旋，但是消旋需要高溫，而酶拆分需要在較低的溫度下進(jìn)行。因此，消旋和拆分必須分步進(jìn)行。然而，這個(gè)問題后來改用甲氧基取代的shvo類似物配合物12來解決，在90℃下能有效地消旋。配合物12和Novozyme-435一起使用，一些脂肪族和芐基的伯胺一鍋法DKR可以達(dá)到高收率和ee值（圖12）。

圖12 配合物12和Novozyme-435伯胺DKR

這使1-苯乙胺的DKR能大規(guī)模地進(jìn)行，只需加入少量催化劑（1.25%，摩爾分?jǐn)?shù)），就能獲得高收率和98%的ee值的手性1-苯乙胺。

當(dāng)配合物12為DKR的催化劑時(shí)，乙酸異丙酯就可作為酰基供體，這種?；w因?yàn)槠漭^低的價(jià)格和高可用性被視為理想選擇，但是斷開酰胺鍵需要強(qiáng)酸和高溫，這可能對(duì)含敏感功能基團(tuán)的底物不利。為了解決這個(gè)問題，B?CKVALL等[45]改進(jìn)了脂肪族和芐基伯胺的DKR過程，采用配合物12和CALB協(xié)同，碳酸二芐酯作為酰基供體。此時(shí)的產(chǎn)物在溫和的反應(yīng)條件下，通過Pd催化氫解，接上的芐氧羰基可以很容易地去除。SHAKERI等[46]也證實(shí)了配合物12可與相關(guān)的固定在硅質(zhì)單細(xì)胞泡沫（MCF）上的南極假絲酵母脂肪酶A（CALA）合用來進(jìn)行β-氨基酯的DKR。

3.3 Raney鎳/Raney鈷與酶的協(xié)同催化

JACOBS等[47]報(bào)道了Raney 鎳和 Raney 鈷催化劑也可與Novozyme-435結(jié)合進(jìn)行伯胺的DKR，這些DKR反應(yīng)進(jìn)行緩慢，甚至在70～80℃下要反應(yīng)2～5天，轉(zhuǎn)化率和ee值普遍較低。跟蹤整個(gè)反應(yīng)中起始原料的ee值，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)的速率限制步驟是動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)。而在通常情況下伯胺的動(dòng)力拆分在高溫下應(yīng)該是比較快的。

4 結(jié)論與展望

從動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分的概念產(chǎn)生到現(xiàn)在，該法已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注，并有少量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。這一進(jìn)步的關(guān)鍵是幾種消旋催化劑的成功設(shè)計(jì)，特別是基于釕的消旋催化劑，它可以在溫和的反應(yīng)條件下消旋醇，因此可以使用越來越多的與之兼容的酶。

動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分的底物類型最終是由酶來確定的。因此酶的選擇非常重要，到目前為止，因?yàn)橹久妇哂懈呋钚院瓦x擇性，已成為DKR首選的酶。此外，脂肪酶有許多實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，包括價(jià)廉易得、高熱穩(wěn)定性和對(duì)有機(jī)反應(yīng)介質(zhì)的高耐受性。然而正如前面提到的，天然的脂肪酶在仲醇的拆分中更易偏向選擇R型，不能直接得到S型的產(chǎn)物，這限制了仲醇DKR的應(yīng)用，篩選S型選擇性的酶就顯得十分重要，可以直接通過DKR獲得S型產(chǎn)物。絲氨酸蛋白酶對(duì)醇的動(dòng)力學(xué)拆分中表現(xiàn)出S選擇性，但是可承受的溫度比較低。

醇和胺的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)研究進(jìn)程中，改進(jìn)酶的研究將會(huì)起到重要的作用，根據(jù)現(xiàn)有的分子生物技術(shù)，生物化學(xué)家已經(jīng)有了提高和擴(kuò)展天然酶組合的方法。尤其是通過基因庫(kù)的篩選和選擇獲得新的改進(jìn)酶突變體，提高酶熱穩(wěn)定性。

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綜述與專論

Recent progress in dynamic kinetic resolution by metal catalysis cooperate with enzymes

JIANG Chengjun，Lü Liqiong，HUANG Jun
（School of Biological and Chemical Engineering，Zhejiang University of Science & Technology，Hangzhou 310023，Zhejiang，China）

Abstract：Enzyme and metal catalysis used to be considered as unconnected just like “two sides of a medal”. Chemoenzymatic dynamic kinetic resolution is an important application of metal complexes in cooperative catalysis with enzymes. The key point is how to cooperate racemization by metal and to conduct kinetic resolution by enzymes effectively. Racemization of a substrate with a metal complexes combined with a stereoselective transformation of the substrate catalyzed by an enzyme by kinetic resolutions dynamic was reviewed. The metal catalysts used in dynamic kinetic resolution and the coordination of various metals and enzymes were mainly introduced. In the final part of the perspective，improving the stability of enzyme in the reaction system is thought to be the future research direction.

Key words：biocatalysis; kinetics; chemical reaction; chirality

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金（2014M551745）及浙江省自然科學(xué)基金（LY15B060008）項(xiàng)目。

收稿日期：2015-06-29；修改稿日期：2015-09-25。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.024

中圖分類號(hào)：TQ 463

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）03–0807–08

第一作者及聯(lián)系人：蔣成君（1981—），男，博士，高級(jí)工程師。E-mail jcj312@ 163.com。