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摘要：近年来，我国在分子砌块领域发展迅速，这其中，市售的分子砌块中有30%以上为手性分子砌块。如何简洁高效的合成手性分子砌块是许多药物化学家亟需解决的难题。相较传统的手性拆分和不对称合成技术，通过酶催化反应的高活性和立体区域选择性将消旋化合物制备合成手性分子砌块，不仅环境友好，而且更有成本优势。

关键词：酶催化，手性分子砌块，合成

引言

分子砌块（Building blocks）在药物研发领域中起着重要的作用。药物分子通常由多个片段组成，而这些片段可以被视为分子砌块。这些分子砌块可以是简单的化合物片段，也可以是更复杂的结构单元，它们具有特定的生物活性或者在合成中能起到关键的功能。

通过对分子结构进行修饰来设计合成的分子砌块，由于其结构的多样性、特异性和复杂性，更受药物化学家们的青睐。砌块可用于特定分子结构的“自下而上”组装。比起多步合成，模块化的砌块拼接比起目标化合物的多步合成更为高效与可靠。药物分子砌块的构建改变了药物化学产业的格局，化学家们可以使用分子砌块模块组来快速稳定的构建并筛选活性小分子化合物，这种方法已经成为涉及药物发现的制药行业的重要策略之一。

手性（Chirality）是自然界的本质属性之一，指的是分子或物体如同人类的左右手，不能通过平移或旋转等手段使其与镜像重合的性质。在化学中，含有手性中心的分子存在左右手性质的对映异构体。对于手性药物来说，它们的对映体在人体内可能具有不同的药理活性、代谢途径和毒性。因此，重视手性药物的研究与开发就显得格外重要。在药物研发和生产中，必须严格控制对映体的生成，确保所得的药物是纯光学活性化合物或者是有效的光学活性化合物。通过手性合成，可以规避产生大量无效的，甚至对人体乃至环境有重大危害的对映体，保证人体用药安全，避免重大药害事件的发生。在医药工业中，研究人员越来越重视手性药物的研究与应用。因此，制备高纯度的单一对映体药物已成为药学界的一个发展趋势，也成为当代高新技术的研究方向之一。

酶是存在于生物体内的一类特殊的、高效的生物催化剂。和普通的化学催化剂一样，它可以提高化学反应的速度，不同的是，酶是一种蛋白质，催化的反应速度更快，比化学催化剂催化的反应速率大约要快几千倍到上亿倍。

酶催化具有很多优点：1、催化有机反应的类型比较广泛；2、反应条件很温和，通常是在常温、常压、近中性条件下进行；3、催化效率高；4、具有立体选择；5、几乎没有副反应。因此酶化学在有机合成、化妆品行业、医药和食品领域中均具有广泛的应用。

酶催化的基本原理

酶分子的三维结构具有刚性，其表面具有特定的形状，这种特异性使得酶只能与特定的底物结合，从而表现出高度的专一性‌。酶具有特定的活性位点，这些位点与底物的结构相契合，使二者能够紧密结合，将底物集中在一个范围较小的区域，这可以极大的提高底物在活性中心的有效浓度，从而使反应基团分子间距更小，增加其亲核进攻机会，提高反应速率。同时，在结合过程中，酶或底物可能会发生形变，以适应对方的形状，这种形变是诱导契合的结果。形变使得酶催化基团和底物反应基团分子轨道重叠，电子云相互穿透，使分子间反应趋向于分子内反应，一定程度上也加快了反应速率。这种结合通常被描述为“锁-钥匙理论”。

酶催化作用涉及多种催化机制的协同作用，包括：酸碱催化、共价催化和金属离子催化等。酶活性中心常含有酸性或碱性氨基酸残基，这些残基可以作为质子供体或受体，和底物中部分极性基团相互作用，从而有效地进行酸碱催化。酶和底物进行亲核或亲电子反应时，酸性或碱性氨基酸残基可以通过释出或吸取电子，作用于底物的缺电子中心或富电中心，形成不稳定的共价中间复合物，从而加速反应。许多酶在催化反应过程中需要金属离子的参与。底物的反应基团和酶的催化基团之间或底物的反应基团之间需要正确地取向，金属离子可以与底物结合，使酶和底物二者在结合过程中正确定向。反应过程中金属离子也可以通过其氧化态的变化进行氧化还原反应；或者通过静电作用稳定或掩蔽负电荷。

酶催化在手性分子砌块的应用

根据酶所催化的反应性质的不同，我们将酶分成七大类[1]：1）氧化还原酶类（oxidoreductase），用于催化促进底物进行氧化还原反应。2）转移酶类（transferases），催化底物之间进行某些基团（如乙酰基、甲基、氨基、磷酸基等）的转移或交换。3）水解酶类（hydrolases ），用于催化底物发生水解反应。4）裂合酶类（lyases），催化从底物（非水解）移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应。5）异构酶类（isomerases），催化各种同分异构体、几何异构体或光学异构体之间相互转化。6）合成酶类（ligase），催化两分子底物合成为一分子化合物，同时偶联有ATP的磷酸键断裂释能。7）易位酶类（translocase），催化离子或分子跨膜转运或在膜内移动。目前，在手性分子领域，酶催化应用较多的是不对成氧化还原、不对成酯化、不对称水解、异构化等。

（一）酶催化的不对称水解反应

研究数据表明，酶催化在不对称水解反应领域应用最为广泛成熟。通过对酯键、酰胺键、环氧化物、酸酐键、糖苷键等化学键进行酶催化水解，化学家们可以简洁高效的获得传统化学制备困难的手性分子砌块。

酯水解酶（PLE）可以将酯类化合物水解成手性酸。目前，大部分能够催化不对称水解反应的都是脂肪酶，反应期间也不需要辅酶。在水解酶催化作用下，两种对映异构体水解反应速率不同，会引起对映体过量或者生成单一手性对映体。例如：被广泛用于镇痛消炎的药物布洛芬，其（R）-对映体无抗炎特性，仅有（S）-构型有治疗作用。最近，liu等[2]利用子囊菌酵母的胞外脂肪酶LIP，在pH=8的0.1mol/L的磷酸缓冲液中，催化水解（S）-布洛芬酯，得到了ee值高达98%的高纯度（S）-布洛芬。S-1-Boc-2，5-二氢-1H-吡咯-2-羧酸（结构见下图），是合成抗病毒药物奈玛特韦（nirmatrelvir）、波普瑞韦（boceprevir）和那拉匹韦（narlaprevir）的关键中间体，利用传统化学方法构建该手性化合物有各种各样的弊端。B. Schäfer等[3]使用脂肪水解酶Novozyme 435®，在室温条件下，pH=6.5～8.5的磷酸/碳酸氢钠缓冲液体系，通过水解消旋化合物1-Boc-2，5-二氢-1H-吡咯-2-羧酸甲酯，以45%收率得到了ee值高达99%的目标化合物。

乙酰基水解酶可以将酰胺化合物水解成手性胺，是另一类应用比较广泛的酶催化反应。非天然氨基酸在肽类药物的构效关系研究中应用广泛，其分子结构的特殊性，不仅可以提高药物的生物活性，也可以提高其通过肠系膜和血脑屏障的能力。通过酶法水解消旋氨基酸化合物酰胺键制备手性非天然氨基酸，不仅成本低廉，反应简单易行，而且手性纯度高，原子经济性好。例如：苯丙氨酸作为具备生理活性的芳香族氨基酸，不仅是身体必不可少的氨基酸成分之一，而且在医药行业中可以作为治疗癌症药物的中间体，也可以用来抗衰老或者用于治疗由患风湿性关节炎、肌肉痛和骨质疏松症等疾病而产生的慢性疼痛。而苯丙氨酸类似物往往具有更好的药理活性和更高的研究价值。传统方法合成苯丙氨酸类似物，不仅原子经济性低，三废严重，而且经常面临手性纯度不够的难题。南京医科大学的刘金春等[4]使用L-氨基酰化酶在37℃下，pH=7.0～7.2近中性水溶液体系中，通过水解消旋N-乙酰基苯丙氨酸类似物，获得了L-2，6-二甲基苯丙氨酸。

酶催化的不对称还原反应

酶催化的不对称还原主要是利用酶催化反应通过对分子中的酮羰基或者其他活性基团进行特异性还原，从而制备单一手性异构体的反应。目前常见的酶催化反应是将酮不对称还原成手性醇或者手性胺类化合物。

阿伐他汀钙，作为降血脂药物的一线用药，其主要原料S（-）-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的合成一直备受关注。Jing等[5]通过克隆掷孢酵母的醛还原基因，利用基因工程构建重组菌种，不对称还原4-氯-3-羰基乙酸丁酯，高收率（98.5%）、高手性纯度（99%）的制备得到了S（-）-4-氯-3-羟基丁酸乙酯。

羟基脯氨酸是一种常见的氨基酸，在动物蛋白中，它主要存在于胶原蛋白（和胶原样结构域）、弹性蛋白和少数其他蛋白质中。由于其结构改造的多样性，一直是药物分子砌块领域的明星产品。但是除了L-反式-4-羟基脯氨酸容易获取外，其他三个异构体均存在制备成本较高的问题。Wenxing Guo等[6]利用酮还原酶KRED在37 °C，PBS缓冲体系中以89%的收率、＞98%ee的结果顺利从4-酮脯氨酸制备得到L-顺式-4-羟基脯氨酸。

手性胺类化合物是多种药物分子的重要结构单元。利用生物酶法不对称催化合成手性胺化合物具有底物谱广、立体特异性高、条件温和等优点，是当前药物合成工业中极具前景的方法之一。TRK是一类酪氨酸激酶，其在人体组织中的异常表达可能会引起肿瘤等疾病的发生，开发TRK抑制剂药物具有巨大的医学价值和市场前景。（R）-2-（1-氨乙基）-4-氟苯酚，作为TRK抑制剂药物的一种重要中间体，需要简单高效的合成方法。Quan Luo等[7]通过筛选21种R型ω-转氨酶，开发、优化了基于全细胞催化的（R）-2-（1-氨乙基）-4-氟苯酚酶法合成方法，产品纯化回收率达到98.8%，手性纯度（e.e.）接近100%。

酶催化的其他反应

酶催化也可以利用氧化反应、裂解反应对化合物进行手性分离。同时，也可以利用酶的高度立体选择性对消旋化合物进行手性拆分，以获取高光学纯度产品。常用的技术有直接拆分外消旋体、对映体收敛转化去消旋化、酶膜拆分法等。

结语与展望

由于手性分子砌块的立体化学特性会影响其成药性，对光学纯手性分子砌块的开发就显得更为迫切，这个领域具有很好的市场前景。当下虽有较多的手性合成方法用在手性砌块制备中，但是这些方法均具有各自的优势和缺陷。虽然酶法在制备某些手性砌块的合成中得到了应用，但这些酶只是极少数（多为水解酶），而且大部分酶都需要进行结构修饰，价格也不便宜，应用会受到很大限制。随着国内生物化学的不断发展，相信酶开发技术会很快走上快车道。随着其规模效应的发展，其功能性和经济性会更有优势，这势必会使酶化学在手性砌块合成中的应用变得更为广阔，成为一个真正的化学分支学科。

参考文献

[1] 王晴晴. 新型纳米酶的开发及其在生物传感器中的应用[D]. 吉林大学博士论文， 2018.

[2] Liu Y， Wang F，Tan T. Cyclic resolution of racemic Ibuprofen via coupled efficient lipase and acid-base catalysis [J]. Chirality， 2009， 21（3）， 349 .

[3] R. Stürmer， B. Schäfer， et al. A Short and Efficient Synthesis of （S）-1-Boc-2，5-dihydro-1H-pyrrole-2- carboxylic Acid [J]. Synthesis， 2001， 1， 46–48.

[4] 刘金春，厉廷有，等. DL-苯丙氨酸类似物的合成及其拆分[J].南京医科大学学报， 2013， 33（3）， 412-415.

[5] Jing K，Xu Z， et al. Efficient production of recombinant aldehyde reductase and in application for asymmetric reduction of ethyl 4-chloro-3-oxobutanoate to ethyl （R）-4-chloro-3-hydroxy-butanoate [J].Prep Biochem Biotechnol， 2005， 35（3）， 203.

[6] Wenxing Guo， Tawfik Gharbaoui， et al. Practical Asymmetric Synthesis of a Bicyclic Pyrrolidinol [J].Org. Process Res. Dev. 2022， 26， 2839−2846

[7] Quan Luo， Guan Zhou， et al. ω-transaminase-catalyzed synthesis of （R）-2-（1-aminoethyl）-4-fluorophenol， a chiral intermediate of novel anti-tumor drugs[J]. Enzyme and Microbial Technology. 2024，175，110406.