生物制药工艺学（共计977页共计4部分）_部分3.pptx

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生物催化手性药物制备,手性药物的基本知识用于手性药物制备的生物催化反应立体选择性生物催化用于手性药物及其中间体的制备生物催化的优势生物转化过程实例,手性药物的基本知识,手性是自然界的基本特征之一手性（chirality，源于希腊文）即不对称性，是用于表达化合物分子结构不对称性的术语。

对映关系及对映体（enantiomer）人的手是不对称的，左手和右手不能相互叠合，彼此的关系如同实物与镜像，化学上将这种关系称为对映关系。

具有对映关系的两个物体互为对映体。

化合物分子中的原子排列是三维的，因而，有时候在平面上看起来相同的分子结构实际上代表不同的化合物。

如乳酸的两种构型。

在生命的产生和演变过程中，自然界往往对手性化合物的一种对映体有所偏爱，例如组成多糖和核酸的单糖都为D-构型，而构成蛋白质的20种天然氨基酸均为L-构型（甘氨酸除外）。

对于化学、生物学、医学和药学的理论和实践，手性均具有重大的意义。

手性药物,严格地说，手性药物是指分子结构中存在手性因素的药物。

通常所说的手性药物是指由具有药理活性的手性化合物组成的药物，其中只含有效对映体或者以有效对映体为主。

药物的药理作用是通过其与体内的大分子之间严格的手性识别和匹配而实现的，故不同对映体的药理活性有所差异。

在许多情况下，化合物的一对对映体在生物体内的药理活性、代谢过程、代谢速率及毒性等方面均存在显著的差异，常出现以下几种不同的情况。

一种对映体有药理活性，而另一种无活性或活性很弱。

如左氧氟沙星S-（-）-对映体的体外抗菌活性是R-（+）-对映体的8128倍。

又如沙丁胺醇和特布他林是两个支气管扩张药物，它们的R-对映体之药效比S-对映体强80200倍。

两种对映体具有完全不同的药理活性，都可作为治疗药物。

例如右旋丙氧吩是一种镇痛剂，而左旋丙氧吩则是一种止咳剂，两者表现出完全不同的生理活性。

又如噻吗心安的S-对映体是-阻断剂，而其R-对映体则用于治疗青光眼。

两种对映体中一种有药理活性，另一种不但没有活性，反而有毒副作用。

一个典型的例子是20世纪50年代末期发生在欧洲的“反应停”事件，即孕妇因服用酞胺哌啶酮（俗称反应停）而导致短肢畸胎的惨剧。

后来研究发现，酞胺哌啶酮的两种对映体中，只有（R）-对映体具有镇吐作用，而（S）-对映体是一种强力致畸剂。

两种对映体的药理活性完全相反。

如巴比妥类，DMBB5-（1,3-二甲丁基）-5-乙基巴比妥和MPPBN-甲基-5-丙基-5-苯基巴比妥，左旋体都具有麻醉活性，但右旋体却起促惊厥作用。

两种对映体的作用具有互补性。

普萘洛尔的S-（）-对映体的受体阻断作用比R-（）-强约100倍，而R-对映体对钠通道有抑制作用，两者在治疗心律失常时有协同作用。

故外消旋体用于治疗心律失常的效果比单一对映体好。

两种对映体具有等同或相近的同一药理活性。

如强心药SCH00013的两种对映体的药理作用相同。

两种对映体中，一种对映体为另一对映体的竞争性拮抗剂。

如左旋异丙肾上腺素是受体激动剂，而右旋异丙肾上腺素则为其竞争性拮抗剂，且两者与受体的亲和性相当。

对映体纯手性药物的研制和生产具有十分重要的意义。

与手性药物有关的术语,立体异构体、对映异构体和非对映异构体立体异构体（stereoisomers）是指由于分子中原子在空间上排列方式不同所产生的异构体，可分为对映异构体和非对映异构体两大类。

对映异构体（enantiomers）是指分子间互相为不可重合的实物和镜像关系的立体异构体，常简称为对映体。

如（R）-乳酸和（S）-乳酸。

非对映异构体（diastereoisomers）是指分子中具有两个或多个不对称中心，并且其分子间互相不为实物和镜像关系的立体异构体。

例如，D-赤藓糖和D-苏力糖。

对映选择性和对映体过量对映选择性（enatioselectivity）是指一个化学反应所具有的能优先生成（或消耗）一对对映体中的某一种的特性。

对映体过量（enantiomericexcess，e.e.）指样品中一个对映体对另一个对映体的过量，用于描述样品的对映体组成，通常用百分数来表示。

e.e.（SR）/（S+R）100可用手性色谱法、NMR法和旋光法等方法测定样品的对映体过量。

光学活性、光学异构体和光学纯度,光学活性（opticalactivity）试验观察到的化合物将单色平面偏振光的平面向观察者的右边或左边旋转的性质。

光学异构体（opticalisomers）对映体的同义词，现已不常用，因为有一些对映体在某些偏振光波长下并无光学活性。

光学纯度（opticalpurity）根据试验测定的旋光度，计算而得的在两个对映体混合物中，一个对映体所占的百分数。

现在常用对映体纯度来代替。

外消旋体和外消旋化外消旋体（raceme）也称外消旋物或是指两种对映体的等量混合物，可用（D,L）、（R,S）或（）表示。

外消旋体也称外消旋物或外消旋混合物。

外消旋化（racemization）一种对映体转化为两个对映体的等量混合物（即外消旋体）的过程。

如果转化后两个对映体的量不相等，称为部分消旋化。

手性药物的发展概况,（亿美元）,全球手性药物开发与销售表1全球手性药物市场销售情况,目前世界上正在开发的1200多种新药中约有三分之二是手性化合物，单一异构体占51，2005年全球上市的新药中将有60为单一对映体药物，估计在2010年手性药物销售额将超过2000亿美元。

各国对手性药物的相应规定,对于含有手性因素的药物倾向于发展单一对映体产品，鼓励把已上市的外消旋药物转化为手性药物（手性转换）。

对于申请新的外消旋药物，则要求必须提供每个对映体各自的药理作用、毒性和临床效果，不得将不同对映体作为相同物质对待。

这无疑大大增加了新药以外消旋体上市的难度。

对已上市的外消旋体药物，可以单一立体异构体形式作为新药提出申请，并能得到专利保护。

国内手性药物的研究现状我国在不对称合成研究领域起步较晚，在手性科学研究领域，尤其是不对称合成和手性技术方面的总体水平与世界先进国家之间存在不小的差距。

最近几年中，我国政府部门、研究机构及科研人员已经关注到手性科学及技术和手性药物的研究，特别是其中有关的基础研究。

国家自然科学基金委分别在“九五”和“十五”期间支持了“手性药物的化学和生物学”及“手性和手性药物研究中的若干科学问题研究”的重大研究项目。

中国科学院也将“手性药物的合成与拆分”列为重大项目。

这对提升我国手性药物的开发和生产能力，直接面对国际竞争具有重要的现实意义。

手性药物的制备技术,手性药物的制备技术由化学控制技术和生物控制技术两部分组成。

该两者具有一定的互补性，在手性药物的生产过程中常交替使用。

图2手性药物的制备技术分类,根据原料的不同，制备手性药物的方法主要分为四大类，即外消旋体拆分、不对称合成、手性源合成和提取法。

外消旋体拆分对用一般的制备方法得到的外消旋体进行拆分，可获得单一对映体。

拆分法尽管操作烦琐，但一直是制备光学纯异构体的重要方法之一，在很多手性药物的生产中得到应用。

其主要可分为结晶法拆分、动力学拆分和色谱分离三大类。

结晶法拆分又分为直接结晶法拆分和非对映异构体拆分，分别适用于外消旋混合物和外消旋化合物的拆分。

前者是在一种外消旋混合物的过饱和溶液中直接加入某一对映体的晶种，使该对映体优先析出；后者是外消旋化合物与另一手性化合物（拆分剂，通常是手性酸或手性碱）作用生成两种非对映异构体盐的混合物，然后利用两种盐的性质差异用结晶法分离之。

动力学拆分法是利用两个对映体在手性试剂或手性催化剂作用下反应速度不同而使其分离的方法。

依手性催化剂的不同，动力学拆分又可分为生物催化动力学拆分和化学催化动力学拆分。

前者主要以酶或微生物细胞为催化剂，后者主要以手性酸、手性碱或手性配体过渡金属配合物为催化剂。

色谱分离可分为直接法和间接法。

直接法又分为手性固定相法和手性流动相添加剂法。

其中手性固定相法应用较多，已发展成为吨级手性药物拆分的工艺方法。

间接法又称为手性试剂衍生化法，是指外消旋体与一种手性试剂反应，形成一对非对映异构体，再用普通的正相或反相柱分离之。

不对称合成所谓不对称合成是指一个化合物（底物）中的非手性部分在反应剂作用下转化为手性单元，并产生不等量的立体异构体的过程。

其中，反应剂可以是试剂、辅剂、催化剂等。

按照反应剂的影响方式和合成方法的演变和发展，可将不对称合成的方法粗略地划分为四代。

第一代方法，即底物控制方法，其通过手性底物中已经存在的手性单元进行分子内定向诱导而在底物中产生新的手性单元。

第二代方法也称辅基控制法。

它通过连接在底物上的手性辅基进行分子内定向诱导而实现手性控制。

与第一代不对称合成的不同点在于，起不对称诱导作用的辅基要事先连接到底物上，并在反应结束后除去。

第三代方法，即试剂控制法，是通过手性试剂直接与非手性底物作用，产生手性产物的方法。

与前两代方法不同的是，其立体化学控制是依赖分子间的相互作用来实现的。

第四代方法为催化剂控制法，它使用催化剂诱导非手性底物与非手性试剂反应，向手性产物转化。

其通过分子间的相互作用来实现立体化学控制。

根据所用催化剂的不同，第四代方法又可分为化学催化法和生物催化法。

迄今，用于不对称合成的最好的反应剂当属自然界中的酶，发展象酶催化体系一样有效的化学催化体系是不,对称合成的重要发展方向。

手性源合成手性源合成指的是以廉价易得的天然或合成的手性源化合物为原料，通过化学修饰方法将其转化为手性产物的方法。

产物构型既可能保持，也可能发生翻转或手性转移。

用于制备手性药物的手性原料主要有三个来源，一是自然界中大量存在的手性化合物，如糖类、萜类、生物碱等；二是以大量廉价易得的糖类为原料经微生物发酵得到的手性化合物，如氨基酸、羟基酸等简单手性化合物和抗生素、维生素、激素等复杂的手性化合物；三是以手性或前手性化合物为原料化学合成得到的手性化合物。

尽管合成一个手性化合物最简便的方法是挑选结构相近的手性源进行手性源合成，但手性源合成法仅适用于能找到与产物具有相似结构手性源的情况，故应用受到一定的限制。

提取法在天然产物中，存在大量可直接作为药物的手性化合物，如生物碱、维生素等。

这些化合物可通过萃取、沉淀、层析、结晶等手段提取得到，如从红豆衫的树皮中提取对乳腺癌等有很好疗效的抗肿瘤手性药物紫杉醇。

然而，该法也有其缺陷。

首先，有些物质在自然界中的含量极低，其分离纯化十分困难；其次，自然界往往只给我们提供一种异构体，其他构型的异构体可能不存在；此外，还有很多手性化合物在自然界根本不存在或尚未被发现，无法通过提取法得到这些物质。

用于手性药物制备的生物催化反应,氧化反应氧化反应是向有机化合物分子中引入功能基团的重要反应之一，其在手性药物的合成中具有重要的作用。

用于手性药物制备的催化氧化反应的酶主要有单加氧酶、双加氧酶和脱氢酶。

单加氧酶（mono-oxygenases）催化的氧化反应单加氧酶主要有细胞色素P450类单加氧酶以及黄素类单加氧酶，前者以铁卟啉为辅基，后者以黄素为辅基。

单加氧酶催化氧分子中的一个氧原子加入到底物分子中，另一个氧原子使还原型辅酶NADH或NADPH氧化并产生水（图3）。

可催化烷烃、芳香烃化合物的羟化、烯烃的环氧化、含杂原子化合物中杂原子的氧化以及酮的氧化等反应，且反应的立体选择性较高。

常采用完整细胞作为催化剂。

例如，假丝酵母属、假单胞菌属微生物细胞均能催化异丁酸不对称羟化产生可用于合成维生素、抗生素的光学活性的-羟基异丁酸。

双加氧酶（dioxygenases）催化的氧化反应双加氧酶催化氧分子的两个氧原子加入到同一底物分子中（图4）。

常见的双加氧酶有脂氧酶、过氧化物酶等，可催化烯烃的氢过氧化反应、芳烃的双羟基化反应等。

脱氢酶催化的氧化反应脱氢酶可催化氧化和还原双向可逆反应。

在底物为还原态、辅酶为氧化态NAD（P）时催化氧化反应为主。

其机理是催化底物脱氢，脱下来的氢与NAD（P）结合。

脱氢酶催化的氧化反应具有高度的立体