有机溶剂中酶法制备手性化合物
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摘要： 首先以外消旋文斯内酰胺为底物转化为外消旋N-羟甲基文斯内酰胺（N-羟甲基-2-氮杂双环[2.2.1]庚-5-烯-3-酮），然后在有机相中利用脂肪酶催化拆分N-羟甲基文斯内酰胺，得到（1S，4R）-N-羟甲基文斯内酰胺，最后转化为（1S，4R）-2-氮杂双环[2.2.1]庚-5-烯-3-酮，即（1S，4R）-文斯内酰胺（Scheme1-3）。目的是提高脂肪酶的活性与立体选择性，缩短反应时间，获得高旋光纯的文斯内酰胺。
我国生产的液晶在质量上与国外的产品还存在一定的差距，其主要原因之一便是缺少合适的手性化合物原料。国内液晶生产制造商为了生产高质量的产品只能从国外进口液晶原料，所以产品生产成本高，产业发展滞后。因此，通过手性拆分获得高光学纯度的单一手性化合物并应用在液晶材料领域便显得举足轻重。
1 有机溶剂中的酶催化
1.1 非水酶学的产生与发展。与一般的化学催化剂相比，酶具有专一性强，反应条件温和，催化效率高及环境友好等优点。迄今为止，已发现大约有2000种以上的酶存在于动植物及微生物体内及其代谢产物中。很多化学家错误的认为酶只能在水溶液中起作用，与有机溶剂接触便会变性失活。并且大部分有机物在水中难溶且不稳定，所以有机溶剂常作为反应介质，从而忽略了有机溶剂在高度专一的酶催化剂中的应用。
1.2 酶在有机溶剂中的特性。酶在有机溶剂中发挥催化作用是因为它在有机溶剂中仍保持了其整体结构与活性催化中心的完整性。然而，Shweta Shah等经结构分析表明酶在有机溶剂中具有刚性结构，从而使得酶在有机溶剂中表现出与在水溶液中不同的特性。
1）酶的pH记忆。有机溶剂中的酶活力与酶干燥或吸附到载体上前所在缓冲液的pH密切相关，其最适pH值与水相中酶的最适pH值一致，这种现象称为“pH记忆”。原因是酶从水溶液转移到有机溶剂中时还能保持其在水溶液中的电离状态。但有些研究中发现酶在不同有机溶剂中的最适pH值与水溶液中相差很大，说明有机溶剂中酶活力与pH的关系是否与水中的相似还依赖于溶剂的种类。
2）酶的热力学稳定性。研究表明，许多酶在有机溶剂中的热稳定性比在水中高。Zaks A等发现猪胰脂肪酶（PPL）在100℃的无水有机溶剂中时酶活半衰期长达数个小时，但在同样温度的水溶液中则立即失活。Volkia等将有机溶剂中酶的热稳定性比水溶液中高的原因归结于有机溶剂中缺少使酶失活的水分子。水分子的缺失使得酶分子中由水而引起的脱氨基作用（天冬酰胺，谷氨酰胺），肽键的水解（天冬氨酸），半胱氨酸的氧化作用及脯氨酸与甘氨酸的异构化等酶的热失活过程难以进行。
2 有机溶剂中脂肪酶的催化拆分
2.1 脂肪酶特性。脂肪酶是酶家族中一类非常重要的酶，又称其为三酰甘油酰基水解酶（EC 3.1.1.3）。脂肪酶已经有效地应用于酯、胺与醇的拆分，尤其是2-醇与羧酸酯的拆分。研究表明，许多脂肪酶的活性部位为一“催化三联体”，包括一个丝氨酸残基，一个组氨酸残基和一个天冬氨酸残基，且脂肪酶作用于酯时，酶的活性部位的一个亲核基团先进攻酯的酰基。脂肪酶的亲核基团为丝氨酸的羟基，三种氨基酸特殊的氢键重组使得脂肪酶活性部位的丝氨酸残基的亲核能力增强，从而进攻酰基供体的羰基形成“酰基-酶复合体”。之后，底物进攻此复合体形成产物。Faber等经研究报道了脂肪酶催化的酯化或反向水解的反应机理，证实其遵循乒乓机理（Scheme 1-2）。由于脂肪酶的立体选择性，可通过其催化外消旋化合物的立体选择性水解，酯化与酯交换反应来获得单一手性的化合物。
Scheme 1-2 Reaction mechanism of esterification or hydrolysis catalyzed by lipase
2.2 有机溶剂中脂肪酶催化不对称水解反应。用脂肪酶催化水解外消旋化合物，通常需先酯化要拆分的外消旋醇或酸，再利用用脂肪酶的立体选择性进行水解，从而获取其中的一个对映体，而另一不反应或反应慢的对映体将仍以酯的形式存在，从而获得单一手性的醇或酸。
2.3 有机溶剂中脂肪酶催化不对称酯化反应。脂肪酶催化酯化反应时，需要尽可能在有机溶剂中进行。在有机溶剂中通过酯化反应拆分外消旋化合物时，用水量是获得较高光学纯度的产物的关键。通过选择适当的底物与脂肪酶，应用酯化反应可得到高光学活性的醇、酸或酯。
2.4 有机溶剂中脂肪酶催化不对称酯交换反应。在有机溶剂中用脂肪酶催化酯交换反应来进行外消旋化合物拆分已有研究。麻省理工学院的Klibanov等在有机溶剂中利用脂肪酶的酯交换反应拆分了外消旋醇，得到90%以上光学纯度的手性产物。由于酯交换反应中酰基供体的水解会消耗溶剂中的水，降低脂肪酶的柔性，故应严格控制有机相体系的水活度（αw）。
有机溶剂中由脂肪酶催化的水解、酯化与酯交换反应而进行的外消旋化合物的拆分，缺点是反应速度慢，反应周期长，从而限制了其在工业中的应用。超声技术作为能影响酶蛋白活性的新兴技术为解决上述问题提供了机遇。
参考文献：
[1]张永敏，物理有机化学，上海：上海科学技术出版社，2001.
[2]叶秀林，立体化学，北京：北京大学出版社，1999.
[3]向小莉、袁黎明，手性化合物，化学教育，2003，5：3-6.