第二十三章
生物转化技术在现代制药工业中的应用
第一节 生物转化与手性药物合成
第二节 生物转化与手性中间体的制备
第三节 生物转化技术在现代制药工业中的应用
第四节 生物转化技术在其他相关产品中的应用
第一节 生物转化与手性药物合成
? 生物催化剂为高度手性催化剂，催化反应
效率高、立体选择性好，反应产物对映体过
量率（ e.e）有时可达 100%，生物催化法是
实现手性合成的有效途径，而很多药物的药
理活性与毒性与药物手征性结构密切相关。
利用生物转化技术制备手性药物（关键中间体）的一些实例
酶 关键中间体 制药工业实例
脂肪酶 抗抑郁药帕罗西汀,
脂肪酶 拆分得到 (S)-?-甲基 -?-乙酰硫
代丙酸
抗高血压药卡托普利
氧化酶 选择性氧化得到 (R)-?-甲基 -?-
羟基丙酸
脂肪酶 拆分得到 (2R,3S)-4-甲氧苯基缩
水甘油酸甲酯
抗心绞痛和高血压药地尔硫卓
脂肪酶 拆分得到手性侧链 ?-氨基 -N-苯甲
酰基 -(2R,3S)-3-苯基异丝氨
酸
抗肿瘤药紫杉醇
脂肪酶 拆分消旋体 非甾体消炎药（ S） -奈普生
脂肪酶 拆分消旋体 非甾体抗炎药（ R） -氟比洛芬
脂肪酶 拆分得到 D-泛酸内酯 辅助药 D-泛酸
单加氧酶 （ R） -3-（对氯苯基） -4-丁内酯 解痉药 (R)-（ -） -巴氯酚
?-胰凝乳蛋白酶 拆分得到（ R） -3-(对氯苯基 )戊
二酸甲酯
单加氧酶 （ S） -(+)-ε -内酯 维生素类药（ R）硫辛酸
单加氧酶 甾体
单加氧酶 不对称醇类的酶法拆分 β -受体阻滞药美托洛尔、阿替洛
尔
单加氧酶 β -受体阻滞药阿替洛尔
单加氧酶 β -受体阻滞药普瑞特罗
（ prenalterol）
单加氧酶 磷霉素
氧化酶 将 2,5-二甲基吡嗪中两个不对称
甲基中的一个氧化为羧基
降糖药格列吡嗪
氧化酶 维生素类药 L-肉碱（维生素 BT）
水解酶 拆分
脱氢酶 抗高血压新药 Omapatrilat,tert-
亮氨酸
腈水解酶 精神振奋药哌醋甲酯
腈水合酶 抗粗糙病药尼克酰胺（烟酰胺）
酰化酶 氨苄青霉素
酰化酶 氨苄头孢菌素
酰化酶 6-APA
酰化酶 乙酰泰乐菌素
D-氨基酸氧化酶和戊
二酰 -7-ACA酰化
酶
7-ACA
酰基转移酶 Xemilofiban
嘌呤核苷磷酸化酶 抗病毒药利巴伟林
丙酮酸脱羧酶 L-苯基乙酰基甲醇 抗支气管药 L-麻黄碱
抗感冒和抗过敏药 D-假麻黄碱
黄嘌呤氧化酶 抗病毒药阿昔洛韦
氰醇酶 手性氰醇 沙虫剂溴氰菊酯和氯氟胺氰戊菊酯
蛋白酶 抗病毒药 abacariv
脱卤酶 降血脂药 atorvastatin
乙酰内脲酶 D-苯甘氨酸,D-氨基酸
D-海因酶 拆分得到 (R)-N-氨甲酰 -4-羟基苯
苷氨酸
酪氨酸 -苯酚裂合酶 将儿茶酚、丙酮酸和氨缩合 L-多巴
一、有关手性合成的几个基本概念
? 1、手性或手征性（ chiral或 chirality）
? 所谓手征性是指实物与其镜像不能相互重合的性质，
如同人的左手和右手的关系，互为镜像，但不能重
合。判断分子是否具有手征性，必须考虑它缺少哪
些对称因素。通常只要一个分子既没有对称面又没
有对称中心时，就可以断定它是手征性分子。造成
分子有手征性的一个最通常的因素是含有手性碳原
子（ 常用 *C表示 ），即和四个不同原子或基团相连
的碳原子。
2、手性药物（ chiral drug）
?所谓手性药物是指单一异构体药物 。
?近年来人们对手性药物愈来愈关注的重要原
因是它们的治疗活性主要存在于一种异构体，
而另一（些）异构体或是无活性的、或是具
有不同的药理活性，甚至有严重的毒副作用。
3、对映体、对映异构体
（ enantiomer）
?具有一定构造的分子，其原子在空间的排列
方式可能不止一种，即可能存在不止一种构
型。 凡是手性分子，必有互为镜像的构型。
这种互为镜像的两种构型叫做对映体。分子
的手性是对映体存在的必要和充分的条件。
一对对映体的构造相同，只是立体结构不同，
因此它们是立体异构体。这种立体异构体就
叫做对映异构体。
3、对映体、对映异构体
（ enantiomer）
?对映异构和顺反异构一样都是 构型异构 。要
把一种异构体变成构型异构体，必须断裂分
子中的两个键，然后对换两个基团的空间位
置。
?而 构象异构 则不同，只要通过键的扭转，一
种构象异构体就可以转变为另一种构象异构
体。
4、立体异构体（ stereoisomer）
?其分子由相同数目和相同类型的原子组成，
是具有相同的连接方式但原子的空间排列方
式不同，即 构型不同的化合物 。
5、非对映异构体（ diastereoisomer）
?具有二个或多个非对称中心，且其分子相互
不为镜像的立体异构体。如 D-赤鲜糖和 D-苏
糖常简称为“非对映体”。
6、不对称合成、手性合成（ asymmetric
synthesis,chiral synthesis）
?不对称合成常常也被称之为手性合成。最初
的定义为，不对称合成是一个用纯手性试剂
通过非手性底物的反应形成光学活性化合物
（ optically active compound）的过程,即
从一个具有对称构造的化合物产生光学活性
物质的反应过程。
6、不对称合成、手性合成（ asymmetric
synthesis,chiral synthesis）
?更为广义的不对称合成的定义为，一个反应，
其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂
以不等量地生成立体异构产物的途径转化为
手性单元。也就是说，不对称合成是一个过
程，它将 潜手性（ prochiral） 单元转化为手
性单元，使得产生不等量的立体异构产物。
一个成功的不对称反应的标准
?1）高的对映体过量（ e.e）；
?2）用于不对称反应的反应剂应易于制备并能
循环使用；
?3）可以制备得到 R和 S两种构型；
?4）最好是催化性的合成。
?迄今，能完成最好的不对称合成的反应剂可
以认为是生物催化剂，即自然界中的微生物
和酶。
7、不对称放大、手性合成子和手性助剂
（ asymmetric amplification,chiral synthon,
chiral auxiliary）
?不对称放大是指应用一种具较低对映体纯度
的催化剂或试剂制备具较高对映体纯度的产
物的过程。
?手性合成子为一单对映体化合物，以其作为
起始原料在反应过程中诱导产生所需的手性
化合物。
?手性助剂为一单对映体化合物，其通过共价
键与底物暂时结合，在反应过程中诱导出手
性，最后再使共价键断开得到单对映体产物，
并回收助剂。
8、外消旋、内消旋和外消旋化
（ racemic,meso,racemization）
?外消旋 是指一种物质以两种互为对映体的手
性分子的等量混合物形式存在的现象，这种
物质即为外消旋体。
?外消旋体也称为 外消旋混合物（ racemic
mixture）或外消旋物 (racemate)，其化合物
名称前用 dl（不鼓励使用）或 ?符号（较好）
或用前缀 rac表示。
8、外消旋、内消旋和外消旋化
（ racemic,meso,racemization）
?内消旋 是指一种物质的分子内具有 2个或多个
非对称中心但又有对称面，因而不能以对映
体存在的现象，这种物质即为内消旋体，其
化合物用前缀 meso表示。
?外消旋化 是指一种对映体转化为两个对映体
的等量化合物。内消旋体和外消旋体都没有
旋光性，但它们在本质上是不同的。
9、光学（旋光）活性、光学（旋光）异构体和光学纯度
（ optically active,optical isomer,optical purity）
?光学活性是指由实验观察到的一种物质将单
色平面偏振光的平面向观察者的右边或左边
旋转的性质，通常用（ +）表示右旋，用（ –）
表示左旋。
?光学异构体即为对映体的同义词，现已不常
用，因为一些对映体在某些光波长下并无光
学活性。
?光学纯度是指根据实验测定的旋光度，在两
个对映混合物中一个对映体所占的百分数。
10、立体选择性反应和立体专一性反应
（ stereoselective reaction,stereospecefic reaction）
? 如果一个反应不管反应物的立体化学如何，生成的
产物只有一种立体异构体（或有两种立体异构体时，
其中一种异构体占压倒优势），这样的反应被称之
为 立体选择性反应 。
? 从立体化学上有差别的反应物给出立体化学上有差
别的产物的反应被称之为立体专一性反应。
? 所有的立体专一性反应必定是立体选择性反应，但
不是所有的立体选择性反应必定是立体专一性反应，
因为有些反应物是没有立体结构特征，而生成物是
有立体结构特征的。
11、对映体过量（ enantiomeric excess,简称 e.e）
和对映选择性（ enantioselectivity）
? 对映体过量（ e.e）是指在两个对映体混
合物中，一个对映体 E1过量的百分数，即
?e.e = [（ E1–E2） ] / [（ E1 + E2） ] × 100%
? 对映选择性是指一个化学反应（包括生物
反应等）产生一种对映体多于相对对映体的
程度。
12,D/L,R/S和 d/l
? D/L为分子的绝对构型，按照与参照化合物 D-或 L-
甘油醛的绝对构型 的实验化学关联而指定。
? D/L标记法应用已久，也比较方便。但是这种标记
只能表示出分子中一个手性碳原子的构型，对于含
有多个手性碳原子的化合物不合适，有时甚至会产
生名称上的混乱。
? 因此，其仅常用于一些常见的和天然的氨基酸或糖，
对其它一些化合物目前都采用 R/S来表示。
12,D/L,R/S和 d/l
? R/S 标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团的
排列顺序来标记手性碳原子构型的一种方法。因此，
在化学反应中，如果手性碳原子构型保持不变，产
物的构型与反应物的相同，但其,R”或,S”标记却
不一定与反应物相同。反之，如果反应后手性碳原
子的构型转化了，产物构型的,R”或,S”也不一定
与反应物相同。因为经过化学反应，产物的手性碳
上所连接的基团与反应物的不一样了，产物和反应
物的相应基团的排列次序可能相同也可能不同。
,R”或,S”的标记，决定于它本身四个基团的排列
次序，而与反应时的构型是否保持不变无关 。
12,D/L,R/S和 d/l
?d或 l是指物质 右旋或左旋,是按照实验测定
的将单色平面偏振光的平面向右或向左旋转
而定，目前常用（ +）表示右旋，用（ –）表
示左旋。
13、拆分（ resolution）
?拆分是指将外消旋体分离成旋光体的过程。
外消旋体是有一对对映体等量混合而成。
?对映体除旋光方向相反外，其它物理性质都
相同，因此，虽然外消旋体为两种化合物的
混合物，但用一般的物理方法，如蒸馏、重
结晶等不能把一对对映体分离开来，必须用
特殊的方法才能把它们拆开。
?目前常用的一些方法包括有以下几种。
化学拆分法,
? 这个方法应用最广。其原理是将对映体转变为非对
映体，然后分离。
? 外消旋体与无旋光性的物质作用并结合后，仍是外
消旋体。但是若使外消旋体与旋光性物质作用并结
合后，则原来的一对对映体变成了两种互不对映的
衍生物。于是外消旋体变成了非对映体的化合物。
非对映体具有不同的物理性质，可以用一般的分离
方法把它们分开。最后再把分离所得的两种衍生物
分别变回原来的旋光物质，即达到了拆分的目的。
这种拆分法最适合于酸或碱的外消旋体的拆分。目
前已经开发了许多光学异构体分离用的介质。
生物拆分法,
?某些微生物或它们所产生的酶。对于对映体
中的一种异构体有选择性的分解作用。利用
微生物或酶的这种性质可以从外消旋体中把
一种旋光体拆分出来，但在拆分过程中，外
消旋体至少有 一半被消耗掉 了。
诱导结晶拆分法,
?在外消旋体的过饱和溶液中，假如一定量的
一种旋光体的纯晶体作为晶种。由于溶液中
这种旋光体的含量较高，且在晶种的诱导下
优先结晶析出。将这种结晶滤出后，则另一
种旋光体在滤液中相对较多。再加入外消旋
体制成过饱和溶液，于是另一种旋光体优先
结晶析出。如此反复进行结晶，就可以把一
对对映体完全分开。
选择吸附拆分法,
?用某种旋光物质作为吸附剂，使之选择性地
吸附外消旋体中的一种异构体，以达到拆分
的目的。近年来开发用于分离光学异构体的
拟移动床色谱就是根据这种原理设计的。
逆流萃取拆分法,
?在萃取液中使用合适的手性助剂，以逆流萃
取的方法可以使外消旋体混合物对映体得到
分离。
其它拆分法,
?近年来正在不断开发各种新的对映体拆分技
术包括所应用的设备的开发。
14、外消旋体转换（ racemic switch）
?即从已知的外消旋体药物开发单一异构体药
物。
?这对该品种的原开发商而言可籍此延长产品
的专利保护期。对其它厂商而言是一条获得
新产品的捷径，因为其相对风险小投入少。
二、开发手性药物的意义
?美国 FDA于 1992年公布了手性药物指导原则
称：制药厂商必须确定外消旋体及各立体异
构体的特性、作用效果、质量、纯度，比较
各异构体的体外系统和（或）人体中的药理
活性，如异构体之间药物动力学特性有差异
的需分别测定相关的数据。
二、开发手性药物的意义
?另外，鼓励开发已经上市的外消旋体药物的
单一异构体，即如果发现单一异构体的疗效
提高、副作用减轻或具有新的药理作用，就
可以扩大适应症范围，并可望延长专利保护
期。
?FDA还正在考虑给此类单一异构体部分以新
化学实体的待遇，享受一定期限的市场独占
权。
市售的单一异构体和外消旋体药物
世界市售药物 制备方法
手征性 销售形式
总数 非手性 手性 单一异构 体 外消旋体
原料药总数
（ 1850）
生物或半合成 523 6 517 509 8
全合成 1327 799 528 61 467
二、开发手性药物的意义
? 药物的手征性问题在制药工业界愈来愈受到
重视。对单一异构体药物，即俗称为手性药
物的关注有许多理由。 最重要的一点是药物
的作用靶点 ——生物体的酶和细胞表面受体
是手性的。 外消旋体药物的两个对映体在体
内以不同的途径被吸收、活化或降解后，就
与具有不同手征性特性的靶点结合，从而出
现这两种对应体可能有相同的药理活性，或
者是一种可能是活性的，另一种可能是无活
性的甚至是有毒性的，或者是两者可能有不
同程度或不同性质的活性。
些药物或化合物异构体的不同药理活性或其它特性
药物或化合物名称 构型 生物学特性
沙利度安（ thalidomide） R 催眠镇静 S 强致畸作用
氯霉素（ chlonamphenicol） R,R 广谱抗菌作用 S,S 无活性
心得安（ propanolol） R 无活性 S β -阻滞剂
索他洛尔（ sotalol） D III-型抗心律失常 L β -阻滞剂
乙胺丁醇（ ethambutol） R,R 致盲 S,R 抗结核
他莫西芬（ tamoxifen）
E 雌激素
Z 抗雌激素活性、治疗乳腺癌
萘普生（ naproxen）
R 肝脏毒性
S 抗炎
酮洛芬（ ketoprofen）
R 解热镇痛
S 镇痛抗炎
氨氯地平（ amlodipine）
S(-) 抗心绞痛、高血压、充血性心力衰竭
R(+) 治疗和预防动脉粥样硬化
苯并吗啡（ Benzomorphia）
- 止痛,不成瘾
+ 弱止痛,成瘾
苯并吡喃二醇（ Benzopyryldiol）
- 强致癌性
+ 无致癌性
香芹酮
R 留兰香香味
S 芜妥香味
天冬酰胺
S 苦味
R 甜味
噻吗洛尔
R 肾上腺素能阻断剂
S 无活性
日本丽金龟性信息素
R,Z 捕获雄性昆虫的数量大
S,Z 捕获雄性昆虫的能力大大降低
二、开发手性药物的意义
?在生物体系中，立体异构识别是很明显的。
一般就手性化合物而言,可能有四种不同的
生物学效应,
?只有一种异构体具有所希望的生物活性，而
另一种没有显著的所希望的生物活性。
?只有一种异构体具有所希望的生物活性，而
另一种不具有所希望的生物活性。
?只有一种异构体具有所希望的生物活性，而
另一种具有不希望的生物活性。
?两种异构体具有不同药理作用的生物活性。
引起对对映体可能表现有不同的药理作用
或毒副作用关注的原因
? 可以从在 20世纪 60年代欧洲发生的一个悲剧来说明：
即外消旋的沙利度胺曾是有力的镇静剂和止吐药，
尤其适合在早期妊娠反应中使用。
? 不幸的是，有些曾服用这种药的孕妇产下了畸形的
婴儿。
? 因此，很快就发现它是极强烈的致畸剂。进一步的
研究表明，其 致畸作用是由该药的（ S） -异构体所
引起的，而 (R)-异构体被认为即使在高剂量时在动
物中也不会引起畸变。
引起对对映体可能表现有不同的药理作用
或毒副作用关注的原因
?另外一个有趣的例子是治疗帕金森氏病的 L-
多巴 (DOPA)在体内的活性形式是通过脱羧作
用形成无手征性的多巴胺。
?但由于多巴胺不能跨越“血脑屏障”进入作
用部位，因而必须服用前药 L-多巴。再由体
内的酶将其催化脱羧形成活性态的多巴胺。
?然而，多巴脱羧酶是专一性的，只对 L-多巴
的（ -）对映体发生脱羧作用。因此，必须服
用 L-(-)- 多巴,否则,L-（ +） -多巴可能会在
体内积聚而发生危险。 目前，通过使用一系
列不对称合成方法，可以工业规模制备 L-(-)-
多巴。
N C
C N H
O
H
O
O
O
1
2
3
4
N C
C N H
O
O
O
O
1
2
3
H
4
S 型
R 型
O H
O
H
2
N
H O
H O
沙 利 度 胺 （ T h a l i d o m i d e ）
D 型
O H
O
H
2
N
H O
H O
L 型
多 巴 （ D o p a ）
沙利度胺和 L-多巴的异构体结构
一些处于不同阶段从外消旋体转换为单一异构体药物的开发状况
序
号
药品中
英文名称
开发
厂商
所处
阶段
药理
作用
适应症
或用途
单一
异构体特点
1 R-安非他酮
R-bupropion
Sepracor
USA
P 多巴胺激动剂,
肾上腺受体激动
剂
戒烟药 口干、失眠等副
作用减轻
2 （ -） -西替利嗪
（ -） -
cetirizine
Sepracor
USA
P 组胺 H1受体拮抗
剂
鼻炎、抗
过敏
提高疗效、减轻
中枢神经系统副
作用
3 右异环磷酰胺
Dexifosfamide
Chirosci-
ence UK
P DNA拮抗剂,DNA
合成抑制剂
抗肿瘤 剂量限制性副作
用（脑病）减轻
4 S-多沙左嗪
S-doxazosin
Sepracor
USA
P α 1肾上腺受体拮
抗剂
良性前列
腺增生
疗效为 R-体的
2~9倍，较少产
生烈性低血压
5 2R,4S-伊曲康唑
2R,4S-
Traconazole
Sepracor
USA
P 细胞壁合成抑制
剂、甾醇去甲基
酶抑制剂
真菌感染 提高疗效、减轻
副作用
6 R-酮洛酸
R-ketorolac
Sepracor
USA
P 前列腺素合成抑
制剂
镇痛 提高疗效、减轻
心血管副作用
7 S-兰索拉唑
S-lansoprazole
Sepracor
USA
P H+,K+转移 ATP酶
抑制剂
胃 -食道反
流性疾病
提高疗效、减轻
副作用
8 西沙比利
Norcisapride
Sepracor
USA
P 毒蕈碱拮抗剂,
5-羟色胺 3拮抗
剂,5-羟色胺 4
激动剂
止吐、过
敏性肠综
合症等
减少心血管副作
用
9 R-昂丹司琼
R-ondanstron
Sepracor
USA
P 5-羟色胺拮抗剂 呕吐、恶
心
减轻心血管副作
用、提高疗效
1
0
(-)-潘托拉唑
(-)-
pantoprazole
Sepracor
USA
P H+,K+转移 ATP酶
抑制剂
胃 -食道反
流性疾病
为 pantoprazole
的活性代谢产
物，提高疗效
1
1
S-西布曲明
S-sibutramine
Sepracor
USA
P 5-羟色胺摄入抑
制剂、肾上腺素
能摄入抑制剂,
多巴胺摄入抑制
剂
减肥 改善抗胆碱能的
副作用
1
2
Z-tamoxifen Kymed
UK
P 雌激素拮抗剂,
转移生长因子 β 1
激动剂
抗肿瘤
（乳腺
癌）
减少 E-型几何异
构体（为雌激
素）的危险性
1
3
曲马朵
Tramadol
Purdue
Pharma
USA
P 5-羟色胺摄入抑
制剂、肾上腺素
能摄入抑制剂
镇痛 顺式异构体
14 S-左比克隆
S-zopiclone
Sepracor
USA
C GABA受体激动剂,
氯离子通道激动剂
催眠 减少副作用、对胃
分泌影响较小
15 S-西酞普兰
S-citalopram
Lundbeck
Demark
I 5-羟色胺摄入抑制
剂
抑郁症 仅 S-异构体有该活
性，故可以减少剂
量
16 S-胺磺必利
S-amisulpride
Synthelabo
France
I 多巴胺 D1 /D2拮抗
剂
精神病 作用于边缘叶区 D1
/D2受体和突触多巴
胺受体
17 左维拉帕米
Levoverapamil
Chiroscienc
e
UK
II 钙通道拮抗剂 心绞痛、高
血压、心律
失常
较右旋体作用强 10
倍
18 Dexecadotril Bioproject
France
II 脑啡肽酶抑制剂 腹泻 acetorphan的 R-异
构体，第二代脑啡
肽酶抑制剂
19 S-氟西汀
S-fluoxetine
Sepracor
USA
II 5-羟色胺摄入抑制
剂,5-羟色胺 2C拮
抗剂
偏头痛、抑
郁、厌食,
减肥
半衰期较短，对更
换治疗剂有利
20 R,R-福莫特罗
R,R-
formoterol
Sepracor
USA
II β 2肾上腺素受体
激动剂
哮喘 起效快、持续时
间长，减轻心脏
毒性
21 R-酮洛酚
R-ketoprofen
Sepracor
USA
II 环氧化酶抑制
剂、前列腺素合
成酶抑制剂、血
小板凝集抑制剂
抗炎镇
痛、牙周
炎
减轻胃肠道副作
用，对出血
时间无影响
22 S-奥昔布宁
S-oxybutynin
Sepracor
USA
II 乙酰胆碱拮抗剂 泌尿系统
疾病、尿
失禁
解痉作用与外消
旋体或 R-异构体
相同，但抗毒蕈
碱活性较后两者
低 60~100倍
23 托莫西汀（ R-型）
Tomoxetine
Lilly
USA
II 肾上腺素能递质
摄入抑制剂
注意力分
散、多动
症
起效快、无明显
的镇静作用
24 右氯谷胺
Dexloxiglumide
Ratta
Research
Italy
III CCKA抑制剂 过敏性肠
综合症,
便秘、消
化不良,
胃 -食道反
流性疾病
较外消旋体及左
消旋体有效，毒
性降低
25 左西孟丹
Levosimendan
Orion
Pharma
Finland
III 肌钙蛋白钙结合
激动剂（增强肌
肉收缩）
心力衰竭
26 洛布卡韦
Lobucavir
Bristol-
Myers
Squibb
USA
III DNA聚合酶抑制
剂
单纯性疱
症病毒,
巨细胞病
毒及 HIV感
染
本品具有药理活
性，外消旋体
33054已中止开
发
27 d-哌甲酯
d-
methyphenid
ate
Celgene
USA
III 不明 儿童注意
力分散
提高疗效，减少
剂量
28 帕戈克隆
Pagoclone
Rhone-
Poulenc
Rorer
France
III GABA受体激动剂 惊恐、焦
虑
已中止开发的
(+)-异构体
59037
29 潘拉唑
Perprazole
Astra
Sweden
III H+,K+转移 ATP酶
抑制剂
胃 -食道反
流行疾
病、溃疡
奥美拉唑的单一
异构体，吸收迅
速、生物利用度
高
30 R-沙丁胺醇
R-salbutamol
Sepracor
USA
PR β 2肾上腺素受体
激动剂
哮喘 S-型异构体无支
气管扩张作用
31 左布比卡因
Levobupivacai
ne
Chiroscien
ce
UK
R 神经钠通道拮抗
剂
镇痛、局
部麻醉
心脏毒性为外消
旋体的 1/3
32 右布洛酚
Dexibuprofen
Gebro
Broschek
Australia
L(199
6奥地
利 )
环氧化酶抑制
剂、前列腺素合
成酶抑制剂、血
小板凝聚拮抗剂
关节炎 效果较外消旋体
好，副作用降低
33 右酮洛酚
Dexketoprofen
Chiroscienc
e
UK
L(1996
西班牙 )
环氧化酶抑制剂,
前列腺素合成酶抑
制剂、血小板凝聚
拮抗剂
抗炎、镇痛 疗效提高，安全性
更佳（ R-型为解热
镇痛药）
34 右雷佐生
Dexrazoxane
ICRT
UK
L(1992
意大利 )
微管抑制剂 抗肿瘤（乳
腺癌）
为雷左生
（ xrazoxane）的
(+)-对映体
35 右美沙芬
Dextromethorphan
Medeva
UK
L
（ 1983
加拿
大）
神经递质拮抗剂 镇咳
36 右谷氧芬
Dextropropoxypha
n
Nycomed
Amersham
Norway
L(1982
美国 )
鸦片样 mu受体激动
剂
镇痛
37 左旋咪唑
Levamisole
Johnson &
Johnson
USA
L(1983
爱尔兰 )
驱虫、免疫刺激剂 驱虫、抗
乙型肝炎
外消旋体
tetramisole（四
咪唑）为驱虫药
38 左卡巴斯汀
Levocabastine
Johnson &
Johnson
USA
L(1991
丹麦 )
组胺 H1受体拮抗
剂
过敏性鼻
炎
外消旋体为卡巴
斯汀 (cabastine)
39 左羟丙哌嗪
Levodropropizin
e
Dompe
Italy
L(1988
意大利 )
组胺拮抗剂 镇咳 减低副作用
40 左氧氟沙星
Levofloxacin
Daiich
Pharmacutic
al
Japan
L(199
4日本 )
DNA拓扑异构
水解酶抑制剂
呼吸道,
泌尿道,
皮肤、全
身感染
毒性降低
41 左莫普洛尔
Levomoprolol
Astra
Sweden
L(1981
意大利 )
β -肾上腺素受
体拮抗剂
抗高血
压、抗
心绞痛
外消旋体为莫普
洛尔
42 左炔诺酮
Levonorgestrel
Schering AG
Germany
L(1985
瑞典 )
雌二醇 17-β 脱
氢酶刺激剂、雌
甾酮磺基转移酶
刺激剂
女性避孕
药
外消旋体为炔诺
酮
4
3
左舒必利
Levosulpiride
Knoll
Germany
L(198
8意大
利 )
多巴胺拮抗剂 胃肠道疾
病（呕
吐、食欲
不振）
4
4
舍曲林
Sertraline
Pfizer
USA
L(1992美
国、加拿
大 )
5-羟色胺摄入抑
制剂
抑郁症,
强迫症,
惊恐症,
肥胖症
IS-cis异构体
第二节 生物转化与手性中间体的制备
? 手性药物制备的关键技术是不对称合成
(asymmetric synthesis)技术。多年来，有机化学
工作者已经研究开发了许多种用化学的方法进行不
对称合成的技术，但近 20多年来，很多长期从事化
学合成研究的工作者对微生物和酶反应发生了兴趣，
与此同时，很多长期从事微生物和酶的研究的工作
者对如何将此应用于有机合成发生了兴趣，从而使
生物催化转化（ biocatalytic transformation）成
为一种进行不对称合成的重要技术。
应用生物催化转化技术进行不对称合成与
化学合成法相比较具有的优越性有,
? 1） 转化底物某一基团的专一性强，即对不需要转
化的基团无需保护；
? 2） 通过对用于某一转化的微生物进行菌种选育和
转化条件的优化，可以得到极高的转化率；
? 3） 生物催化转化的反应条件温和且对环境的污染
很小。
? 特别是近年来 DNA重组技术的应用和新的转化系统
的开发应用，使愈来愈多的原来使用化学方法进行
不对称合成的化合物有可能被生物催化转化的方法
来替代。
一、三元环和四元环中间体的制备
C H
2
O H
N
N
N
H
C H
2
O A c
C H
2
O H
H
( R ) - ( - ) - 3 4
3 1 %,9 7 % e e
( + / - ) - 3 3
L i p a s e P S
O A c
- 4 0 ℃
( S ) - ( + ) - 3 3
6 2 %,4 6 % e e
O
O H
O H O
O
O
C l
C l
O
O
C l
H O O C N H
2
R h o d o c o c c u s
e q u i
( a )
( b )
9 4 % e e ( S ) - ( - ) - F r o n t a l i n
C u n n i n g h a m e l l a
e c h i n u l a t a
9 9 % e e
( R ) - ( - ) - B a c l o f e n
环氧乙烷的生物拆分和 frontalin以及 baclofen的合成
二、五元环中间体的制备
O
O
O
O
H O
R
H O O H
H O
O H
N H
O H
( C H
2
)
7
C H
3
O C H
3
H O
H O
C H
2
C C ( C H
2
)
3
C O
2
C H
3
H O
H O
O H
N
N
N
N
N H
2
( - ) - P G E
2
D - m a n n o - 1 - d e o x y n o j i r i m y c i n
4 - s u b s t i t u t e d r i b o s e
R = M e,P h,D
N e p t a n o x i n A
1 6
A n O
O H
H O O A n
A c O
O A n
A n O O A c
O O
A c O O A n
O O
H O O A n
O O
H O O A c
O O
O O
O
O A c
( + / - ) - 1 7
( + ) - 1 8
( - ) - 1 9
( - ) - 2 0
( + ) - 2 0
( - ) - 2 2 ( + ) - 1 6
( - ) - 2 1
A m a n o P S - 3 0
( + ) - 2 1 ( - ) - 1 6 ( + ) - 2 2
T h r e e s t e p s T w o s t e p s
o x,
o x,
A n = p - C H
3
O C
2
H
4
O H
H O
O A c
H O
O H
T B S O
O
O
L i p a s e L I P O x,
2 4 ( + ) - 2 5 > 9 9 % e e ( - ) - 2 3
O x,
T w o s t e p s
β '
α '
β
α
O A c
( + ) - 2 3
O
Z N
H
3
C O
2
C
H
N Z
C O
2
C H
3
( - ) - 2 3
N
H
H
3
C O
2
C
N
H
C O
2
H
C O
2
H
( - ) - k a i n i c a c i d
S t e p s
T h e r m o l y s i s
I n t r a m o l e c u l a r
e n e r e a c t i o n
S t e p s
逆狄尔斯 -阿尔德反应和海人藻酸的合成
三、六元环中间体的制备
O H
O H
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
X
XX
X
X
X
X
O H
F
N
3
O
H O
O H
N H R
O H
O H
O H
H O
O
X
X = H,B r,C l
E, c o l i
J M 1 0 9
1
O A c
B r
B r
O A c
O A c
B r
B r
O H
O A c
B r
B r
O A c
( + / - ) - 1 2 ( + ) - 1 1 ( + ) - 1 2
+
A m a n o P S - 3 0
p h o s p h a t e b u f f e r
C2不对称化合物 12的酶拆分过程
四、七元环中间体的制备
O T I P S O T I P S
H O O H
O T I P S
A c O O H
O T I P S
O T B SO
2 7
( + ) - 2 8
( - ) - 2 6
( + ) - 2 6
T w o s t e p s A m a n o P - 3 0
s t e p s
s t e p s
O A c
5
3 7
3 7
对映体纯 化合物（ +） -26和（ -） -26的合成
第三节
生物转化在现代制药工业中的应用
? 一、钙离子拮抗剂，抗心绞痛和高血压药地尔硫
卓关键中间体的制备
? 利用来源于 S.marcescens的脂肪酶拆分
(2RS,3SR)-3-(4-甲氧基苯基 )缩水甘油酸甲酯，能
够得到纯度很高的 (2R,3S)-4-甲氧苯基缩水甘油酸
甲酯（其对映体过剩率 e.e值高达 98%以上），理
论转化率为 50%。自从 1993年以来，日本 Tanabe
公司每年生产 50吨这样的关键中间体，用于制备
抗心绞痛和高血压药。
? 图所示为用脂肪酶制备关键中间体 (2R,3S)-4-甲氧
苯基缩水甘油酸甲酯的路线。
利用脂肪酶拆分外消旋体对甲氧基苯苷氨酰甲酯制备地尔硫关键中间体
二、农药 FRONTIER的关键中间体的制备
?另外一个利用微生物来源脂肪酶实现工业化制备
药物关键中间体的实例是,BASF AG公司利用
假单胞菌 DSM 8246脂肪酶 制备农药 FRONTIER
的关键中间体，（ S） -1-甲氧基 -2-氨基丙烷，其
不需要的对映体可以被外消旋化后循环拆分。
?由于动力学拆分的最大转化率为 50%，因此，通
过选择不同的溶剂系统研究原位外消旋化技术非
常重要。
?图所示为利用脂肪酶制备关键中间体（ S） -1-甲
氧基 -2-氨基丙烷的路线。
利用脂肪酶制备农药 FRONTIER关键中间体 (S)-1-甲氧基 -2-氨基丙烷
目前正在研究的一种杀虫剂关键中间体（ S） -4-羟基 -3-甲基 -prop-2-
ynyl-cyclopent-2-enone也是通过脂肪酶催化获得的
三、免疫抑制剂脱氧精胍菌素关键中间体的制备
? 抗肿瘤抗生素精胍菌素（ spergualin）首先从微生
物发酵液中发现，在用全合成方法制备精胍菌素时，
用酸催化的缩合反应导致产生 C-11两个对映体。用
合成方法得到的外消旋体精胍菌素的抗肿瘤活性仅
为微生物来源的一半，提示 C-11位构型的重要性。
? 免疫抑制剂 15-脱氧精胍菌素（ 15-
deoxyspergualin）合成的关键中间体,S-(-)-乙
酸酯，可以用来源于假单胞菌的脂肪酶对其相应的
外消旋体进行对映体选择性酰化得到，该反应可在
甲基乙基酮系统中进行，假单胞菌脂肪酶 AK为生
物催化剂，醋酸乙烯酯为酰化剂。
? 目的产物 S-(-)-乙酸酯的转化率为 48%（理论最大
值为 50%），对映体过剩率为 98%，不需要的醇转
化率为 41%，对映体过剩率为 98.5%。
15-脱氧精胍菌素
15-脱氧精胍菌素的化学结构及其关键中间体 S-(-)-乙酸酯的制备路线
四、选择性 ?3-受体激动剂关键中间体的制备
?选择性 ?3-受体激动剂可以用来治疗胃肠道疾
病,II型糖尿病和肥胖症等，合成如图所示的
?3-受体激动剂时所用的单一构型的关键中间
体，（ S） -单酯化合物可以通过猪肝酯酶水
解甲基 -（ 4-甲氧苯基） -丙二酸二乙酯获得
（如图所示）。
?当用乙醇作为反应助溶剂，在双相系统中温
度为 10℃ 时，其（ S） -单酯化合物转化率可
达到 96.7%，对映体过剩率可达到 96%。
?-3受体激动剂
?3-受体激动剂的化学结构及其关键中间体（ S） -单酯化合物的制备路线
五,?2-受体激动剂，支气管扩张药物（ R,R） -福莫特罗中间体的制备
? 目前临床应用的 ?2-受体激动剂，支气管扩张药物福莫特罗
（ formoterol）为外消旋体。
? 最近的研究表明，不同的异构体其药理活性不同,(R,R)-立体
异构体具有正常的药理作用。
? 应用酶促拆分的方法可以获得制备（ R,R） -福莫特罗的关键
中间体：用洋葱假单胞菌脂肪酶 PS-30酶促酰化外消旋体醇化
合物 12，得到酰化产物 (S)-13和期望的未反应产物（ R） -11
（得率为 46%）；用 Candida antarctica脂肪酶拆分外消旋体
化合物 14，得到期望的产物（ R） -15和未反应的产物 (S)-16。
（ R） -15的反应总收率为 11%，对映体过剩率为 96%；当在
反应过程中加入 0.15当量的三乙胺时，反应至 4小时时能够得
到 42%的转化率和 94%的，经过水解和层析分离，其收率为
21%，对映体过剩率为 94%。
? 最后，通过化学反应，将关键中间体（ R） -11和（ R） -15缩
合，得到终产物（ R,R） -福莫特罗。
（ R,R） -福莫特罗的制备路线
六、抗 Alzheimer’s药物关键中间体的制备
? S-2-戊醇是多个研究中的抗 Alzheimer’s药物（抑
制 ?-淀粉状蛋白的释放和 /或合成）的关键中间体。
利用 Candida antarctica脂肪酶 B拆分外消旋体 2-
戊醇和 2-庚醇，能够得到这一关键中间体。
? 该酶能够有效地催化这一反应，转化率为 49%（理
论最大转化率为 50%），对映体过剩率为 99%。在
这个反应系统中，琥珀酸酐为最合适的酰化剂,2-
戊醇既是反应底物，同时也是反应溶剂。
? 图所示为利用 Candida antarctica脂肪酶 B制备关
键中间体 S-2-戊醇和 S-2-庚醇的路线。
抗 Alzheimer’s药物关键中间体 S-2-戊醇和 S-2-庚醇的制备路线
七、具有降胆固醇作用的鲨烯合成酶
抑制剂关键手性中间体
? BMS188494是一个正在研究开发中的鲨烯合成酶
抑制剂。在该药物的化学合成过程中，需要有关键
手性中间体 S-（ +） -二乙酯化合物。利用
Geotrichum candidum脂肪酶，在甲苯溶剂中以
异丙烯醋酸酯为酰化剂，催化外消旋体二乙酯化合
物 67获得该关键中间体，其转化率为 38%（理论最
大转化率为 50%），对映体过剩率为 95%。
? 图所示为 BMS188494的化学结构以及酶促制备关
键手性中间体 S-（ +） -二乙酯化合物的路线。
鲨烯合成酶抑制剂 BMS188494关键手性中间体
S-（ +） -二乙酯化合物的制备路线
八、抗肿瘤药物紫杉醇关键中间体的制备
?紫杉醇是目前唯一已知能够抑制微管蛋白解
聚过程的多环二萜类药物。天然的紫杉醇从
yew bark 中分离获得，但其产率很低,1公
斤紫杉醇需要大约 2磅的 yew bark（约 3000
棵树）。
用半合成的方法制备紫杉醇是
最近几年研究的一个热点
? 其中用酶促方法制备 C-13手性侧链取得了一定的进
展：利用来源于洋葱假单胞菌的脂肪酶 PS-300以及
来源于假单胞菌 SC 13856的脂肪酶 BMS，能够对
映体选择性地水解外消旋体醋酸酯 cis-3-（乙酰氧）
-4-苯基 -2-杂氮环二酮 73，至相应的 (S)-醇 74和所期
望未反应的（ R） -醋酸酯 75，后者的转化率为大于
48%（理论最大转化率为 50%），对映体过剩率大
于 99.5%。用化学方法还原（ R） -醋酸酯 75，就可
以得到 C-13关键手性中间体（ R） -醇化合物。
紫杉醇 C-13关键手性中间体（ R） -醇化合物的制备路线
九、法尼基合成酶抑制剂关键中间体的制备
法尼基转移酶抑制剂
法尼基合成酶抑制剂关键中间体（ R） -77化合物的制备路线
十、生物转化与青霉素和头孢菌素母核及有关产品的制备
C H
2
C O N H
N
S
C H
3
C H
3
C O O H
O
N
S
C H
3
C H
3
C O O H
O
H
2
N H
C C O C H
3
N H
2
+
酶 水 解
大 肠 杆 菌 酰 基 酶
无 侧 链 青 霉 素
H
C C O N H
N H
2 N
S
C H
3
C H
3
C O O H
O
酶 法 酰 基 化
假 单 孢 型 酰 基 酶
氨 苄 青 霉 素
青霉素母核 6-APA和半合成产品氨苄青霉素制备过程
十、生物转化与青霉素和头孢菌素母核及有关产品的制备
C H
2
C O N H
N
S
C H
3
C H
3
C O O H
O
青 霉 素 G
C H
2
C O N H
N
S
C H
3
C O O H
O
N
S
C H
3
C O O H
O
H
2
N
C H C O O C H
3
N H
2
+
C H C O N H
N
S
C O O H
O
N H
2
化 学 扩 环 或
基 因 工 程 菌 扩 环
酶 水 解
大 肠 杆 菌
酰 基 酶
酶 酰 基 化
里 假 单 孢 菌
酰 基 酶
头 孢 氨 苄
C H
3
头孢菌素母核 7-ADCA和半合成产品头孢氨苄的制备过程
十一、生物转化 HMG-CoA还原酶抑制剂普伐他汀的制备
十二、克拉红霉素的生物转化
? 克拉红霉素为 6-O-甲基红霉素。目前已经
通过多种化学合成途径，实现了产业化。但
由于在红霉素分子结构中存在有多个羟基，
因此，为了能够在 6-OH的羟基上进行甲基化，
需要对 C-9位的酮基和糖分子中的多个羟基进
行保护，然后再进行脱保护反应，整个反应
步骤冗长，且环境污染大制造成本高。
十二、克拉红霉素的生物转化
N― 取代 ―1― 脱氧野尻霉素的合成方法一
十三,
α-糖苷酶抑制剂米格列醇和伏格列波糖的生物转化
（一）利用生物转化技术制备米格列醇关键中间体的主要方法
十三,
α-糖苷酶抑制剂米格列醇和伏格列波糖的生物转化
（一）利用生物转化技术制备米格列醇关键中间体的主要方法
O H
O H
O H
O H
N H R
葡 萄 糖
H O H O
R
O H
O H
O H
O H
N
P
保 护 微 生 物 氧 化
P
N R
O H
O H
O H
H O
O
去 保 护
氢 化
R
H O
O H
O H
N
H O
N― 取代 ―1― 脱氧野尻霉素的合成方法二
葡 萄 糖
胺 化
O H
O H
O H
H O
H O
H
R N
微 生 物 氧 化
C H 2 O H
O H
H O
O H
O
NR
H
R
C H 2 O H
H O
O H
O H
N
氢 化
N― 取代 ―1― 脱氧野尻霉素的合成方法三
方法三具有的优点,
?1）转化液经离心除去菌体，无需分离纯化出
中间体，就可进行下一步合成；
?2）无需基团保护，成本大大降低，且避免因
去除保护剂而造成的回收率下降；
?3）中间体 6－ (取代胺基 )－ 6－脱氧－ α－ L－
sorbofuranose具有较高的溶解度和稳定性，
不易被降解。
（二）利用生物转化技术制备伏格列波糖关键中间体的方法
有 效 霉 素 发 酵 液
分 离 纯 化
伏 格 列 波 糖
分 离 纯 化
有 效 霉 素 A, G
生 物 转 化
v a l i e n a m i n e
有 效 霉 素 发 酵 液
分 离 纯 化
水
中
氢
解
N － 取 代 v a l i o l a m i n e
D - 葡 萄 糖
v a l i o l o n e
N a 2 B H
H C l 催 化 剂
过 柱 提 纯
1
2
3
4
十四、抗高血压药物 Omapatrilatt 的生物转化
H S
N
H
O
N
S
O
O
O H
H
Glucose acid Glucose
NADH NAD+
Glutamate Dehydrogenase
Glucose Dehydrogenase
2－ Hydroxytetrahydropyran
2－ carboxylic acid,sodium salt
2－ Keto－ 6－ hydroxyhexanoic acid,sodium
salt 3
L－ 6－ Hydroxynorleucine 2
NH3
O
O H
C O 2 Na
H O
O N a
O
O
H O
O H
O
N H 2
第一种方法：利用牛肝谷氨酸脱氢酶将 2-keto-6-hydroxyhexanoic acid（化合物
3） 还原胺化为 L-6-hydroxynorleucine（化合物 2）。
+H2O2
+NH3 H2O+O2
Glucose acid Glucose
NADH NAD+
Glucose Dehydrogenase
T.variabilis
D － amino acid
oxidase
Glutamate Dehydrogenase
rac － 6－ Hydroxynorleucine
2 － Keto － 6 － hydroxyhexanoic acid,
sodium salt 3
L－ 6－ Hydroxynorleucine 2
O2
+
Cataslase
NH3
L－ 6－ Hydroxynorleucine 2
H O
H 2 N
O H
O
H O
O N a
O
O
H O
O H
O
N H 2
H O
O H
O
N H 2
第二种方法：为了避免上述制备 2-酮酸化学合成的过程太长，利用来自于猪肾或
Trigonopis variabillis 的 D-氨基酸氧化酶处理外销旋的 6-hydroxynorleucine
12
11
BMS-199541-01
N
S
O O
O H
R H N
H
Compound 11
DCC DTT,NaOMe
R=Benzyloxycarbonyl or t －
Butoxycarbonyl
CH3SO3H 13
SOCl2
CH3OH
O H
S
S
H 2 N
O
O
O H
H 2 N
O H
S
S
R HN
O
O
O H
R HN
H
N
S
S
R H N
O
O
N
H
R H N
C O O C H 3
H 3 C O
H 3 C O
C O O C H 3
O C H 3
O C H 3
S H
O
H
N
R H N
O
O C H 3
O C H 3
O
O
C O O HH 2 N
O C H 3
O C H 3
C O O M eH 2 N
CO2 Ammonium formate
NADH
NAD+
Formate dehydrogenase
Phenylalanise dehydrogenase
O
O
O C O O H
6
O
O
H 2 N C O O H
5
NH3
利用生物转化方法将化合物 6转化为化合物 5的过程
H
N
S
S
P H N
O
O
N
H
P H N
C O
2
H
H
2
N
C O
2
H
N H
2
D i p e p t i d e D i m e r
B M S - 2 0 1 3 9 1 - 0 1
P = C b z
Dithiothreitol or
Tributylphosphine
S
H
O
N
H
P H N
C O 2 H
H 2 N
D i p e p t i d e M o n o m e r
S
N
O
C O O H
P H N
B M S - 1 9 9 5 4 1 - 0 1
P =
O
O
ACID
S
H
O
N
H
P H N
C O 2 H
C H O
GlutamateOxidas
e
S.noursei
α-keto glutarate
Glutamate
L-lysine ε-aminotransferase S.paucimobili or
rec E.coil
S
H
O
N
P H N
C O O H
H O
利用 L-赖氨酸 ε-氨基转移酶生物转化二肽化合物
BMS-201391-01至产物 BMS-199541-01的过程
第四节 生物转化在其他有关工业中
的应用
?一、生物转化与单一构型氨基酸的制备（一）
生物转化与 L-型氨基酸制备
目前工业规模制备各种 L-型氨基酸的方法
L-氨基酸名称 化学方法 分离提取方法 发酵方法 生物转化方法
丙氨酸 + +
精氨酸 + +
天冬氨酸 + +
胱氨酸 +
半胱氨酸 * +
谷氨酸 （ +） +
组氨酸 + +
异亮氨酸 + +
亮氨酸 +
懒氨酸 + +
甲硫氨酸 +
苯丙氨酸 （ +） （ +） （ +） +
脯氨酸 + （ +）
丝氨酸 + +
苏氨酸 + +
色氨酸 + +
酪氨酸 +
缬氨酸 + （ +） +
（二）生物转化与 D-型氨基酸的制备
?最近，日本学者在多种微生物中发现了一种
新型的 D-脱氨基甲酰酶（ N-氨基甲酰 -D-氨基
酸 酰胺水解酶），这种酶能够立体专一性地
水解 N-氨基甲酰 -D-氨基酸，如 Blastobacter
sp,A17p-4 能够同时产生 D-脱氨基甲酰酶和
D-乙内酰脲酶。因此，用这二步酶促反应有
可能将 DL-5(p-羟基苯基 )乙内酰脲进行立体
专一性地水解，以及随之水解 D-氨基甲酰衍
生物至 D-p-羟基苯甘氨酸 。
C H O
C O O H
+
N H
2
C O
N H
2
+
O H
S p o n t a n e o u s
r a c e m i z a t i o n
A m i d o a l k y l a t i o n
H
N H C O N H
2
C O O H
H O
H
N H
2
C O O H
H O
D - H y d a n t o i n a s e
D - D e c a r b a m o y l a s e
H N
C
O
N H
O
C
H
H O
H N
C
O
N H
O
C
H
H O
从 DL-5(p-羟基苯基 )乙内酰脲生产 D-p-羟基苯甘氨酸的化学和酶促过程
N H
H N
O
O
R
H
N H
2
C O O H
H N
O
R
H
H
2
O
H N
N H
O
O
H N
N H
2
C O O H
O
H
2
O
N H
O
O
N H
2
C O O H
O
H
2
O
N H
N
O
O
N H
2
C O O H
N
OC H
3 C H
3
N H
H N
O
O
N H
2
C O O H
H N
O
H
H
R
R
D - s p e c i f i c
A T P
+
2 H
2
O
A D P
+
P i
L - s p e c i f i c
D - H y d a n t o i n a s e
A T P
+
2 H
2
O
A D P
+
P i
N - M e t h y l h y d a n t o i n a m i d o h y d r o l a s e
I m i d a s e
涉及到乙内酰脲水解反应的有关酶的作用过程
H N
N H
O
R
O
H
2
O
C O O H
H N
N H
2
R
O
H
2
O
N H
3
+
C O
2
R
C O O H
N H
2
C O O H
H N
N H
2
O
R
H
+ H
2
O
N H
2
C O O HR
H
+
H y d a n t o i n t r a n s f o r m a t i o n p a t h w a y
D - D e c a r b a m o y l a s e
N H
3
+ C O
2
C O O H
H N
N H
2
O
H
R
+ H
2
O
N H
2
C O O H
H
R
+
L - D e c a r b a m o y l a s e
N H
3
+ C O
2
H N
N H
O
O
H N
N H
2
C O O H
O
N H
2
C O O HH
2
O
P y r i m i d i n e t r a n s f o r m a t i o n p a t h w a y
H N
N H
2
C O O H
O
N H
2
C O O H
N H
3 C O
2
H
2
0
N H
3
+
C O
2
β - U r e i d o p r o p i o n a s e
+ H
2
0
+
+
N H
2
C O O H
N H
3 C O
2
+ H
2
0
+
+
H N
N H
2
C O O H
O
N H
2
C O O H
N H
3 C O
2
+ H
2
0
+
+
H N
N H
2
C O O H
O
H
R
H
R
N-氨基甲酰氨基酸水解酶（脱氨基甲酰酶）的催化反应
R C C O O H
H N H
2
N
H
H N
N H
2
C O O H
H N
R
H
O
R
H
O
O
碱 性 催 化
乙 内 酰 脲
消 旋 酶
假 单 胞 菌
节 杆 菌
D － 5 － 单 取 代 的
乙 内 酰 脲
L － 5 － 单 取 代 的
乙 内 酰 脲
外
消
旋
环 状 酰 脲
的 水 解
D － 乙 内 酰 脲 酶
与 二 氢 嘧 啶 酶 一 致
假 单 胞 菌
芽 生 杆 菌
专 一 性 D － 乙 内 酰 脲
土 壤 杆 菌
D L － 乙 内 酰 脲 酶
不 依 赖 A T P
黄 杆 菌
节 杆 菌
依 赖 于 A T P
假 单 胞 菌
L － 乙 内 酰 脲 酶
不 依 赖 A T P
芽 孢 杆 菌
节 杆 菌 等
依 赖 于 A T P
芽 孢 杆 菌
N － 甲 基 乙 内 酰 脲
酰 胺 水 解 酶
依 赖 于 A T P 和 专 一
性 L － 乙 内 酰 脲 的
假 单 胞 菌
N － 氨 甲 酰 － D －
氨 基 酸
N － 氨 甲 酰 － L －
氨 基 酸
N - 氨 甲 酰 氨 基 酸 水 解
D － 脱 氧 甲 酰 酶
丛 毛 单 胞 菌
芽 生 杆 菌
土 壤 杆 菌 等
N － 氨 甲 酰 肌 氨 酸
酰 胺 水 解 酶
D － 专 一 性, N －
氨 甲 酰 氨 基 酸
假 单 胞 菌
L － 脱 氧 甲 酰 酶
产 碱 菌
黄 杆 菌
节 杆 菌
β － 脲 基 - p r o p i n a s e
L － 专 一 性, N － 氨 甲
酰 － α － 氨 基 酸
假 单 胞 菌
化 学 脱 氨 甲 酰 反 应
D － 氨 基 酸
L － 氨 基 酸
利用乙内酰脲酶和脱氨基甲酰酶制备光学活性氨基酸的各种过程
D-型泛酸盐的生物转化
? 泛酸为人和动物体内代谢过程中携带活化酰基的载
体（表所示为代谢过程中一些重要的活化载体），
是辅酶 A生物合成的直接前体（其生物合成途径见
图所示）。
? 与植物和微生物不同，人和动物必须通过食物摄入
泛酸而不能在体内合成。
? 因此，泛酸作为维生素类药物被广泛用于临床和作
为饲料添加剂用于动物的饲养。目前世界上用两种
方法来制备右旋泛酸（左旋体无生物活性）即化学
合成法和生物转化法。
人和动物体内代谢过程中一些重要的活化载体
载体分子 活化形式的携带基因 载体分子 活化形式的携带基因
ATP 磷酰基 生物素 CO2
NADH和 NADPH 电子 四氢叶酸 一碳单位
FADH2 电子 S腺苷甲硫氨酸 甲基
辅酶 A 酰基 尿苷二磷酸葡萄糖 葡萄糖
硫辛酰胺 酰基 胞苷二磷酸二酰基甘 油 磷脂酸
焦磷酸硫胺素 醛
泛 酸
A T P
A D P
H O H
2
C C C
H
C H
3
C
O H
N H C
H
2
C
H
2
C H
3
O
C O O
-
O H
2
C C C
H
C H
3
C
O H
N H C
H
2
C
H
2
C H
3
O
C O O
-
P
O
- O
O -
4 ' - 磷 酸 泛 酸
A D P + P i
C y s + A T P
O H
2
C C C
H
C H
3
C
O H
N H C
H
2
C
H
2
C H
3
O
CP
O
- O
O - O
N
H
C C
H
2
C O O
-
H
S H
O H
2
C C C
H
C H
3
C
O H
N H C
H
2
C
H
2
C H
3
O
CP
O
- O
O -
O
N
H
C
H
2
C
H
2
S H
4 ' - 磷 酸 泛 酰 半 胱 氨 酸
C O
2
4 ' - 磷 酸 泛 酰 巯 基 乙 胺
脱 磷 酸 辅 酶 A
辅 酶 A
A T P
A T P
P P i
A D P
辅酶 A生物合成的途径
O H
H
N
R
O
O
O H
H
N
R
O
O H
H
N
C O O H
O
O H
H
O H
H
O
H
O H
O
O
O
O
O H
H
O
O
O H
O
O
O H
O H
H
O
H O
H O
c a r b o n y l
r e d u c t a s e
K P a O E t ( R = C O O E t )
K P a C N ( R = C N )
c h e m i c a l
D - P a O E t ( R = C O O E t )
D - P a C N ( R = C N )
D - P a n t o t h e n i c a c i d
p o l y k e t o n e
r e d u c t a s e
( L - P L f o r m i n g )
p o l y k e t o n e
r e d u c t a s e
( D - P L f o r m i n g )
K P L
L - P L
D - P L
K P A r e d u c t a s e
K P A
D - P A
S p o n t a n e o u s
( P H 7 )
c h e m i c a l
H
2
N
R
c h e m i c a l
C O O H
H
2
N
C h e m i c a l
( H C L )
①②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
微生物转化制备 D-型泛酸的可能途径
D L - P L 浓 缩
D - P L
复 合 物
拆 分 剂 提 取
拆 分 D - P A
内 酯 化 提
取 结 晶
D - P L
结 晶
拆 分 剂
L - P L
复 合 物
拆 分 剂 提 取 L - P A
消 旋 化
内 酯 化
提 取
D L -
P L
化 学 拆 分
酶 拆 分
D L - P L 酶 水 解
提 取 D - P A
内 酯 化 提
取 结 晶
D - P L
结 晶
L - P L
浓 缩 消 旋 化 D L -
P L
用酶法拆分 DL-泛酸内酯和用常规的化学法拆分的简单工艺 流程比较
PL：泛酸内酯； PA：泛解酸
R-(+)硫辛酸制备
? 硫辛酸 (lipoic acid)是一种具有生物活性的天然产
物，属维生素类，作为辅酶参与糖代谢，临床上用
于肝病的治疗。近年来，通过深入研究发现：硫辛
酸亦是一种安全有效的抗氧化剂而重新受到重视，
大量有关它的药理和临床应用的研究被报道，在德
国已批准其用于糖尿病神经病变的治疗。目前硫辛
酸主要以消旋体的形式生产、销售，但研究表明，
硫辛酸的两种对映体（ R型与 S型）表现出不一样的
生物活性，其中 R型较之 S型具有更高的生物活性，
且副作用小。因此，开发单一的 R型硫辛酸具有重
要的意义。
O
R
O
O
O
O
R
R
O
M e O
O HO H( - ) - ( R )
( + ) - ( S )
O
M e O
O R O R
O
M e O
O H
B V M O
O H
( R )
( S )
( S )
S S
O
H O
( + ) - ( R ) - 硫 辛 酸
( ± ) R, S
用于 Baeyer-villiger反应的单加氧酶（ BVMOS） R-(+)硫辛酸的制备过程
五、其他一些酶的重要应用
?1、蛋白酶
?蛋白酶在洗涤剂和食品工业中的应用最为广
泛。尽管它在精细化工中的应用并不多见，
但是，糜蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和嗜热芽
孢杆菌蛋白酶，已经成功地在工业规模用于
外消旋氨基酸和氨基酸酯的拆分，更为重要
的是用于阿斯巴甜前体 Z-Asp-Phe-OMe的生
产。阿斯巴甜的每年产量高达数千吨。
2、酰胺酶和氨肽酶
? 在很多药物的准备过程中，很多天然的或
非天然的以及它们的衍生物具有非常重要的
作用，如 L-脯氨酸为心血管药物卡托普利的
重要前体,L-叔 -亮氨酸为抗肿瘤药物
Marimastat的重要前体。很多水解酶如酰胺
酶、氨肽酶和乙内酰脲酶都已经在工业规模
得到了应用。由于这些酶的底物特异性比较
宽泛，因此，可以制备各种类型底氨基酸。
利用载有恶臭假单胞菌或人苍白杆菌 酰胺酶基因的重组工程菌,
对外消旋氨基酸氨化物进行拆分
3、脱卤素酶
?脱卤素酶催化卤原子从底物中除去。美国
Astra Zeneca公司利用一种来源于假单胞菌
的对映体选择性卤酸脱卤素酶，用于拆分
（ S） -2-氯丙酸，其为生产杀虫剂的关键中
间体，年产 2000吨。 BASF公司利用另外一
种基于（ R）乳酸发酵技术和化学合成相结
合的方法，得到了同样的分子。
3、氨基转移酶
?已经成功地开发了 D-氨基酸的生产方法，即
利用 D-专一性氨基酸转移酶，能够从相应的
L-氨基酸制备 D-氨基酸。美国 NSG
Technologies公司构建了一种同时载有 L-氨
基酸脱氨酶（来源于产黏变形菌,Proteus
myxofaciens）,D-氨基酸氨基转移酶，以
及丙氨酸消旋酶的重组大肠埃希氏菌，其可
以用来生产一系列的 D-丙氨酸。
生物转化技术在现代制药工业中的应用
第一节 生物转化与手性药物合成
第二节 生物转化与手性中间体的制备
第三节 生物转化技术在现代制药工业中的应用
第四节 生物转化技术在其他相关产品中的应用
第一节 生物转化与手性药物合成
? 生物催化剂为高度手性催化剂，催化反应
效率高、立体选择性好，反应产物对映体过
量率（ e.e）有时可达 100%，生物催化法是
实现手性合成的有效途径，而很多药物的药
理活性与毒性与药物手征性结构密切相关。
利用生物转化技术制备手性药物（关键中间体）的一些实例
酶 关键中间体 制药工业实例
脂肪酶 抗抑郁药帕罗西汀,
脂肪酶 拆分得到 (S)-?-甲基 -?-乙酰硫
代丙酸
抗高血压药卡托普利
氧化酶 选择性氧化得到 (R)-?-甲基 -?-
羟基丙酸
脂肪酶 拆分得到 (2R,3S)-4-甲氧苯基缩
水甘油酸甲酯
抗心绞痛和高血压药地尔硫卓
脂肪酶 拆分得到手性侧链 ?-氨基 -N-苯甲
酰基 -(2R,3S)-3-苯基异丝氨
酸
抗肿瘤药紫杉醇
脂肪酶 拆分消旋体 非甾体消炎药（ S） -奈普生
脂肪酶 拆分消旋体 非甾体抗炎药（ R） -氟比洛芬
脂肪酶 拆分得到 D-泛酸内酯 辅助药 D-泛酸
单加氧酶 （ R） -3-（对氯苯基） -4-丁内酯 解痉药 (R)-（ -） -巴氯酚
?-胰凝乳蛋白酶 拆分得到（ R） -3-(对氯苯基 )戊
二酸甲酯
单加氧酶 （ S） -(+)-ε -内酯 维生素类药（ R）硫辛酸
单加氧酶 甾体
单加氧酶 不对称醇类的酶法拆分 β -受体阻滞药美托洛尔、阿替洛
尔
单加氧酶 β -受体阻滞药阿替洛尔
单加氧酶 β -受体阻滞药普瑞特罗
（ prenalterol）
单加氧酶 磷霉素
氧化酶 将 2,5-二甲基吡嗪中两个不对称
甲基中的一个氧化为羧基
降糖药格列吡嗪
氧化酶 维生素类药 L-肉碱（维生素 BT）
水解酶 拆分
脱氢酶 抗高血压新药 Omapatrilat,tert-
亮氨酸
腈水解酶 精神振奋药哌醋甲酯
腈水合酶 抗粗糙病药尼克酰胺（烟酰胺）
酰化酶 氨苄青霉素
酰化酶 氨苄头孢菌素
酰化酶 6-APA
酰化酶 乙酰泰乐菌素
D-氨基酸氧化酶和戊
二酰 -7-ACA酰化
酶
7-ACA
酰基转移酶 Xemilofiban
嘌呤核苷磷酸化酶 抗病毒药利巴伟林
丙酮酸脱羧酶 L-苯基乙酰基甲醇 抗支气管药 L-麻黄碱
抗感冒和抗过敏药 D-假麻黄碱
黄嘌呤氧化酶 抗病毒药阿昔洛韦
氰醇酶 手性氰醇 沙虫剂溴氰菊酯和氯氟胺氰戊菊酯
蛋白酶 抗病毒药 abacariv
脱卤酶 降血脂药 atorvastatin
乙酰内脲酶 D-苯甘氨酸,D-氨基酸
D-海因酶 拆分得到 (R)-N-氨甲酰 -4-羟基苯
苷氨酸
酪氨酸 -苯酚裂合酶 将儿茶酚、丙酮酸和氨缩合 L-多巴
一、有关手性合成的几个基本概念
? 1、手性或手征性（ chiral或 chirality）
? 所谓手征性是指实物与其镜像不能相互重合的性质，
如同人的左手和右手的关系，互为镜像，但不能重
合。判断分子是否具有手征性，必须考虑它缺少哪
些对称因素。通常只要一个分子既没有对称面又没
有对称中心时，就可以断定它是手征性分子。造成
分子有手征性的一个最通常的因素是含有手性碳原
子（ 常用 *C表示 ），即和四个不同原子或基团相连
的碳原子。
2、手性药物（ chiral drug）
?所谓手性药物是指单一异构体药物 。
?近年来人们对手性药物愈来愈关注的重要原
因是它们的治疗活性主要存在于一种异构体，
而另一（些）异构体或是无活性的、或是具
有不同的药理活性，甚至有严重的毒副作用。
3、对映体、对映异构体
（ enantiomer）
?具有一定构造的分子，其原子在空间的排列
方式可能不止一种，即可能存在不止一种构
型。 凡是手性分子，必有互为镜像的构型。
这种互为镜像的两种构型叫做对映体。分子
的手性是对映体存在的必要和充分的条件。
一对对映体的构造相同，只是立体结构不同，
因此它们是立体异构体。这种立体异构体就
叫做对映异构体。
3、对映体、对映异构体
（ enantiomer）
?对映异构和顺反异构一样都是 构型异构 。要
把一种异构体变成构型异构体，必须断裂分
子中的两个键，然后对换两个基团的空间位
置。
?而 构象异构 则不同，只要通过键的扭转，一
种构象异构体就可以转变为另一种构象异构
体。
4、立体异构体（ stereoisomer）
?其分子由相同数目和相同类型的原子组成，
是具有相同的连接方式但原子的空间排列方
式不同，即 构型不同的化合物 。
5、非对映异构体（ diastereoisomer）
?具有二个或多个非对称中心，且其分子相互
不为镜像的立体异构体。如 D-赤鲜糖和 D-苏
糖常简称为“非对映体”。
6、不对称合成、手性合成（ asymmetric
synthesis,chiral synthesis）
?不对称合成常常也被称之为手性合成。最初
的定义为，不对称合成是一个用纯手性试剂
通过非手性底物的反应形成光学活性化合物
（ optically active compound）的过程,即
从一个具有对称构造的化合物产生光学活性
物质的反应过程。
6、不对称合成、手性合成（ asymmetric
synthesis,chiral synthesis）
?更为广义的不对称合成的定义为，一个反应，
其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂
以不等量地生成立体异构产物的途径转化为
手性单元。也就是说，不对称合成是一个过
程，它将 潜手性（ prochiral） 单元转化为手
性单元，使得产生不等量的立体异构产物。
一个成功的不对称反应的标准
?1）高的对映体过量（ e.e）；
?2）用于不对称反应的反应剂应易于制备并能
循环使用；
?3）可以制备得到 R和 S两种构型；
?4）最好是催化性的合成。
?迄今，能完成最好的不对称合成的反应剂可
以认为是生物催化剂，即自然界中的微生物
和酶。
7、不对称放大、手性合成子和手性助剂
（ asymmetric amplification,chiral synthon,
chiral auxiliary）
?不对称放大是指应用一种具较低对映体纯度
的催化剂或试剂制备具较高对映体纯度的产
物的过程。
?手性合成子为一单对映体化合物，以其作为
起始原料在反应过程中诱导产生所需的手性
化合物。
?手性助剂为一单对映体化合物，其通过共价
键与底物暂时结合，在反应过程中诱导出手
性，最后再使共价键断开得到单对映体产物，
并回收助剂。
8、外消旋、内消旋和外消旋化
（ racemic,meso,racemization）
?外消旋 是指一种物质以两种互为对映体的手
性分子的等量混合物形式存在的现象，这种
物质即为外消旋体。
?外消旋体也称为 外消旋混合物（ racemic
mixture）或外消旋物 (racemate)，其化合物
名称前用 dl（不鼓励使用）或 ?符号（较好）
或用前缀 rac表示。
8、外消旋、内消旋和外消旋化
（ racemic,meso,racemization）
?内消旋 是指一种物质的分子内具有 2个或多个
非对称中心但又有对称面，因而不能以对映
体存在的现象，这种物质即为内消旋体，其
化合物用前缀 meso表示。
?外消旋化 是指一种对映体转化为两个对映体
的等量化合物。内消旋体和外消旋体都没有
旋光性，但它们在本质上是不同的。
9、光学（旋光）活性、光学（旋光）异构体和光学纯度
（ optically active,optical isomer,optical purity）
?光学活性是指由实验观察到的一种物质将单
色平面偏振光的平面向观察者的右边或左边
旋转的性质，通常用（ +）表示右旋，用（ –）
表示左旋。
?光学异构体即为对映体的同义词，现已不常
用，因为一些对映体在某些光波长下并无光
学活性。
?光学纯度是指根据实验测定的旋光度，在两
个对映混合物中一个对映体所占的百分数。
10、立体选择性反应和立体专一性反应
（ stereoselective reaction,stereospecefic reaction）
? 如果一个反应不管反应物的立体化学如何，生成的
产物只有一种立体异构体（或有两种立体异构体时，
其中一种异构体占压倒优势），这样的反应被称之
为 立体选择性反应 。
? 从立体化学上有差别的反应物给出立体化学上有差
别的产物的反应被称之为立体专一性反应。
? 所有的立体专一性反应必定是立体选择性反应，但
不是所有的立体选择性反应必定是立体专一性反应，
因为有些反应物是没有立体结构特征，而生成物是
有立体结构特征的。
11、对映体过量（ enantiomeric excess,简称 e.e）
和对映选择性（ enantioselectivity）
? 对映体过量（ e.e）是指在两个对映体混
合物中，一个对映体 E1过量的百分数，即
?e.e = [（ E1–E2） ] / [（ E1 + E2） ] × 100%
? 对映选择性是指一个化学反应（包括生物
反应等）产生一种对映体多于相对对映体的
程度。
12,D/L,R/S和 d/l
? D/L为分子的绝对构型，按照与参照化合物 D-或 L-
甘油醛的绝对构型 的实验化学关联而指定。
? D/L标记法应用已久，也比较方便。但是这种标记
只能表示出分子中一个手性碳原子的构型，对于含
有多个手性碳原子的化合物不合适，有时甚至会产
生名称上的混乱。
? 因此，其仅常用于一些常见的和天然的氨基酸或糖，
对其它一些化合物目前都采用 R/S来表示。
12,D/L,R/S和 d/l
? R/S 标记法是根据手性碳原子所连接的四个基团的
排列顺序来标记手性碳原子构型的一种方法。因此，
在化学反应中，如果手性碳原子构型保持不变，产
物的构型与反应物的相同，但其,R”或,S”标记却
不一定与反应物相同。反之，如果反应后手性碳原
子的构型转化了，产物构型的,R”或,S”也不一定
与反应物相同。因为经过化学反应，产物的手性碳
上所连接的基团与反应物的不一样了，产物和反应
物的相应基团的排列次序可能相同也可能不同。
,R”或,S”的标记，决定于它本身四个基团的排列
次序，而与反应时的构型是否保持不变无关 。
12,D/L,R/S和 d/l
?d或 l是指物质 右旋或左旋,是按照实验测定
的将单色平面偏振光的平面向右或向左旋转
而定，目前常用（ +）表示右旋，用（ –）表
示左旋。
13、拆分（ resolution）
?拆分是指将外消旋体分离成旋光体的过程。
外消旋体是有一对对映体等量混合而成。
?对映体除旋光方向相反外，其它物理性质都
相同，因此，虽然外消旋体为两种化合物的
混合物，但用一般的物理方法，如蒸馏、重
结晶等不能把一对对映体分离开来，必须用
特殊的方法才能把它们拆开。
?目前常用的一些方法包括有以下几种。
化学拆分法,
? 这个方法应用最广。其原理是将对映体转变为非对
映体，然后分离。
? 外消旋体与无旋光性的物质作用并结合后，仍是外
消旋体。但是若使外消旋体与旋光性物质作用并结
合后，则原来的一对对映体变成了两种互不对映的
衍生物。于是外消旋体变成了非对映体的化合物。
非对映体具有不同的物理性质，可以用一般的分离
方法把它们分开。最后再把分离所得的两种衍生物
分别变回原来的旋光物质，即达到了拆分的目的。
这种拆分法最适合于酸或碱的外消旋体的拆分。目
前已经开发了许多光学异构体分离用的介质。
生物拆分法,
?某些微生物或它们所产生的酶。对于对映体
中的一种异构体有选择性的分解作用。利用
微生物或酶的这种性质可以从外消旋体中把
一种旋光体拆分出来，但在拆分过程中，外
消旋体至少有 一半被消耗掉 了。
诱导结晶拆分法,
?在外消旋体的过饱和溶液中，假如一定量的
一种旋光体的纯晶体作为晶种。由于溶液中
这种旋光体的含量较高，且在晶种的诱导下
优先结晶析出。将这种结晶滤出后，则另一
种旋光体在滤液中相对较多。再加入外消旋
体制成过饱和溶液，于是另一种旋光体优先
结晶析出。如此反复进行结晶，就可以把一
对对映体完全分开。
选择吸附拆分法,
?用某种旋光物质作为吸附剂，使之选择性地
吸附外消旋体中的一种异构体，以达到拆分
的目的。近年来开发用于分离光学异构体的
拟移动床色谱就是根据这种原理设计的。
逆流萃取拆分法,
?在萃取液中使用合适的手性助剂，以逆流萃
取的方法可以使外消旋体混合物对映体得到
分离。
其它拆分法,
?近年来正在不断开发各种新的对映体拆分技
术包括所应用的设备的开发。
14、外消旋体转换（ racemic switch）
?即从已知的外消旋体药物开发单一异构体药
物。
?这对该品种的原开发商而言可籍此延长产品
的专利保护期。对其它厂商而言是一条获得
新产品的捷径，因为其相对风险小投入少。
二、开发手性药物的意义
?美国 FDA于 1992年公布了手性药物指导原则
称：制药厂商必须确定外消旋体及各立体异
构体的特性、作用效果、质量、纯度，比较
各异构体的体外系统和（或）人体中的药理
活性，如异构体之间药物动力学特性有差异
的需分别测定相关的数据。
二、开发手性药物的意义
?另外，鼓励开发已经上市的外消旋体药物的
单一异构体，即如果发现单一异构体的疗效
提高、副作用减轻或具有新的药理作用，就
可以扩大适应症范围，并可望延长专利保护
期。
?FDA还正在考虑给此类单一异构体部分以新
化学实体的待遇，享受一定期限的市场独占
权。
市售的单一异构体和外消旋体药物
世界市售药物 制备方法
手征性 销售形式
总数 非手性 手性 单一异构 体 外消旋体
原料药总数
（ 1850）
生物或半合成 523 6 517 509 8
全合成 1327 799 528 61 467
二、开发手性药物的意义
? 药物的手征性问题在制药工业界愈来愈受到
重视。对单一异构体药物，即俗称为手性药
物的关注有许多理由。 最重要的一点是药物
的作用靶点 ——生物体的酶和细胞表面受体
是手性的。 外消旋体药物的两个对映体在体
内以不同的途径被吸收、活化或降解后，就
与具有不同手征性特性的靶点结合，从而出
现这两种对应体可能有相同的药理活性，或
者是一种可能是活性的，另一种可能是无活
性的甚至是有毒性的，或者是两者可能有不
同程度或不同性质的活性。
些药物或化合物异构体的不同药理活性或其它特性
药物或化合物名称 构型 生物学特性
沙利度安（ thalidomide） R 催眠镇静 S 强致畸作用
氯霉素（ chlonamphenicol） R,R 广谱抗菌作用 S,S 无活性
心得安（ propanolol） R 无活性 S β -阻滞剂
索他洛尔（ sotalol） D III-型抗心律失常 L β -阻滞剂
乙胺丁醇（ ethambutol） R,R 致盲 S,R 抗结核
他莫西芬（ tamoxifen）
E 雌激素
Z 抗雌激素活性、治疗乳腺癌
萘普生（ naproxen）
R 肝脏毒性
S 抗炎
酮洛芬（ ketoprofen）
R 解热镇痛
S 镇痛抗炎
氨氯地平（ amlodipine）
S(-) 抗心绞痛、高血压、充血性心力衰竭
R(+) 治疗和预防动脉粥样硬化
苯并吗啡（ Benzomorphia）
- 止痛,不成瘾
+ 弱止痛,成瘾
苯并吡喃二醇（ Benzopyryldiol）
- 强致癌性
+ 无致癌性
香芹酮
R 留兰香香味
S 芜妥香味
天冬酰胺
S 苦味
R 甜味
噻吗洛尔
R 肾上腺素能阻断剂
S 无活性
日本丽金龟性信息素
R,Z 捕获雄性昆虫的数量大
S,Z 捕获雄性昆虫的能力大大降低
二、开发手性药物的意义
?在生物体系中，立体异构识别是很明显的。
一般就手性化合物而言,可能有四种不同的
生物学效应,
?只有一种异构体具有所希望的生物活性，而
另一种没有显著的所希望的生物活性。
?只有一种异构体具有所希望的生物活性，而
另一种不具有所希望的生物活性。
?只有一种异构体具有所希望的生物活性，而
另一种具有不希望的生物活性。
?两种异构体具有不同药理作用的生物活性。
引起对对映体可能表现有不同的药理作用
或毒副作用关注的原因
? 可以从在 20世纪 60年代欧洲发生的一个悲剧来说明：
即外消旋的沙利度胺曾是有力的镇静剂和止吐药，
尤其适合在早期妊娠反应中使用。
? 不幸的是，有些曾服用这种药的孕妇产下了畸形的
婴儿。
? 因此，很快就发现它是极强烈的致畸剂。进一步的
研究表明，其 致畸作用是由该药的（ S） -异构体所
引起的，而 (R)-异构体被认为即使在高剂量时在动
物中也不会引起畸变。
引起对对映体可能表现有不同的药理作用
或毒副作用关注的原因
?另外一个有趣的例子是治疗帕金森氏病的 L-
多巴 (DOPA)在体内的活性形式是通过脱羧作
用形成无手征性的多巴胺。
?但由于多巴胺不能跨越“血脑屏障”进入作
用部位，因而必须服用前药 L-多巴。再由体
内的酶将其催化脱羧形成活性态的多巴胺。
?然而，多巴脱羧酶是专一性的，只对 L-多巴
的（ -）对映体发生脱羧作用。因此，必须服
用 L-(-)- 多巴,否则,L-（ +） -多巴可能会在
体内积聚而发生危险。 目前，通过使用一系
列不对称合成方法，可以工业规模制备 L-(-)-
多巴。
N C
C N H
O
H
O
O
O
1
2
3
4
N C
C N H
O
O
O
O
1
2
3
H
4
S 型
R 型
O H
O
H
2
N
H O
H O
沙 利 度 胺 （ T h a l i d o m i d e ）
D 型
O H
O
H
2
N
H O
H O
L 型
多 巴 （ D o p a ）
沙利度胺和 L-多巴的异构体结构
一些处于不同阶段从外消旋体转换为单一异构体药物的开发状况
序
号
药品中
英文名称
开发
厂商
所处
阶段
药理
作用
适应症
或用途
单一
异构体特点
1 R-安非他酮
R-bupropion
Sepracor
USA
P 多巴胺激动剂,
肾上腺受体激动
剂
戒烟药 口干、失眠等副
作用减轻
2 （ -） -西替利嗪
（ -） -
cetirizine
Sepracor
USA
P 组胺 H1受体拮抗
剂
鼻炎、抗
过敏
提高疗效、减轻
中枢神经系统副
作用
3 右异环磷酰胺
Dexifosfamide
Chirosci-
ence UK
P DNA拮抗剂,DNA
合成抑制剂
抗肿瘤 剂量限制性副作
用（脑病）减轻
4 S-多沙左嗪
S-doxazosin
Sepracor
USA
P α 1肾上腺受体拮
抗剂
良性前列
腺增生
疗效为 R-体的
2~9倍，较少产
生烈性低血压
5 2R,4S-伊曲康唑
2R,4S-
Traconazole
Sepracor
USA
P 细胞壁合成抑制
剂、甾醇去甲基
酶抑制剂
真菌感染 提高疗效、减轻
副作用
6 R-酮洛酸
R-ketorolac
Sepracor
USA
P 前列腺素合成抑
制剂
镇痛 提高疗效、减轻
心血管副作用
7 S-兰索拉唑
S-lansoprazole
Sepracor
USA
P H+,K+转移 ATP酶
抑制剂
胃 -食道反
流性疾病
提高疗效、减轻
副作用
8 西沙比利
Norcisapride
Sepracor
USA
P 毒蕈碱拮抗剂,
5-羟色胺 3拮抗
剂,5-羟色胺 4
激动剂
止吐、过
敏性肠综
合症等
减少心血管副作
用
9 R-昂丹司琼
R-ondanstron
Sepracor
USA
P 5-羟色胺拮抗剂 呕吐、恶
心
减轻心血管副作
用、提高疗效
1
0
(-)-潘托拉唑
(-)-
pantoprazole
Sepracor
USA
P H+,K+转移 ATP酶
抑制剂
胃 -食道反
流性疾病
为 pantoprazole
的活性代谢产
物，提高疗效
1
1
S-西布曲明
S-sibutramine
Sepracor
USA
P 5-羟色胺摄入抑
制剂、肾上腺素
能摄入抑制剂,
多巴胺摄入抑制
剂
减肥 改善抗胆碱能的
副作用
1
2
Z-tamoxifen Kymed
UK
P 雌激素拮抗剂,
转移生长因子 β 1
激动剂
抗肿瘤
（乳腺
癌）
减少 E-型几何异
构体（为雌激
素）的危险性
1
3
曲马朵
Tramadol
Purdue
Pharma
USA
P 5-羟色胺摄入抑
制剂、肾上腺素
能摄入抑制剂
镇痛 顺式异构体
14 S-左比克隆
S-zopiclone
Sepracor
USA
C GABA受体激动剂,
氯离子通道激动剂
催眠 减少副作用、对胃
分泌影响较小
15 S-西酞普兰
S-citalopram
Lundbeck
Demark
I 5-羟色胺摄入抑制
剂
抑郁症 仅 S-异构体有该活
性，故可以减少剂
量
16 S-胺磺必利
S-amisulpride
Synthelabo
France
I 多巴胺 D1 /D2拮抗
剂
精神病 作用于边缘叶区 D1
/D2受体和突触多巴
胺受体
17 左维拉帕米
Levoverapamil
Chiroscienc
e
UK
II 钙通道拮抗剂 心绞痛、高
血压、心律
失常
较右旋体作用强 10
倍
18 Dexecadotril Bioproject
France
II 脑啡肽酶抑制剂 腹泻 acetorphan的 R-异
构体，第二代脑啡
肽酶抑制剂
19 S-氟西汀
S-fluoxetine
Sepracor
USA
II 5-羟色胺摄入抑制
剂,5-羟色胺 2C拮
抗剂
偏头痛、抑
郁、厌食,
减肥
半衰期较短，对更
换治疗剂有利
20 R,R-福莫特罗
R,R-
formoterol
Sepracor
USA
II β 2肾上腺素受体
激动剂
哮喘 起效快、持续时
间长，减轻心脏
毒性
21 R-酮洛酚
R-ketoprofen
Sepracor
USA
II 环氧化酶抑制
剂、前列腺素合
成酶抑制剂、血
小板凝集抑制剂
抗炎镇
痛、牙周
炎
减轻胃肠道副作
用，对出血
时间无影响
22 S-奥昔布宁
S-oxybutynin
Sepracor
USA
II 乙酰胆碱拮抗剂 泌尿系统
疾病、尿
失禁
解痉作用与外消
旋体或 R-异构体
相同，但抗毒蕈
碱活性较后两者
低 60~100倍
23 托莫西汀（ R-型）
Tomoxetine
Lilly
USA
II 肾上腺素能递质
摄入抑制剂
注意力分
散、多动
症
起效快、无明显
的镇静作用
24 右氯谷胺
Dexloxiglumide
Ratta
Research
Italy
III CCKA抑制剂 过敏性肠
综合症,
便秘、消
化不良,
胃 -食道反
流性疾病
较外消旋体及左
消旋体有效，毒
性降低
25 左西孟丹
Levosimendan
Orion
Pharma
Finland
III 肌钙蛋白钙结合
激动剂（增强肌
肉收缩）
心力衰竭
26 洛布卡韦
Lobucavir
Bristol-
Myers
Squibb
USA
III DNA聚合酶抑制
剂
单纯性疱
症病毒,
巨细胞病
毒及 HIV感
染
本品具有药理活
性，外消旋体
33054已中止开
发
27 d-哌甲酯
d-
methyphenid
ate
Celgene
USA
III 不明 儿童注意
力分散
提高疗效，减少
剂量
28 帕戈克隆
Pagoclone
Rhone-
Poulenc
Rorer
France
III GABA受体激动剂 惊恐、焦
虑
已中止开发的
(+)-异构体
59037
29 潘拉唑
Perprazole
Astra
Sweden
III H+,K+转移 ATP酶
抑制剂
胃 -食道反
流行疾
病、溃疡
奥美拉唑的单一
异构体，吸收迅
速、生物利用度
高
30 R-沙丁胺醇
R-salbutamol
Sepracor
USA
PR β 2肾上腺素受体
激动剂
哮喘 S-型异构体无支
气管扩张作用
31 左布比卡因
Levobupivacai
ne
Chiroscien
ce
UK
R 神经钠通道拮抗
剂
镇痛、局
部麻醉
心脏毒性为外消
旋体的 1/3
32 右布洛酚
Dexibuprofen
Gebro
Broschek
Australia
L(199
6奥地
利 )
环氧化酶抑制
剂、前列腺素合
成酶抑制剂、血
小板凝聚拮抗剂
关节炎 效果较外消旋体
好，副作用降低
33 右酮洛酚
Dexketoprofen
Chiroscienc
e
UK
L(1996
西班牙 )
环氧化酶抑制剂,
前列腺素合成酶抑
制剂、血小板凝聚
拮抗剂
抗炎、镇痛 疗效提高，安全性
更佳（ R-型为解热
镇痛药）
34 右雷佐生
Dexrazoxane
ICRT
UK
L(1992
意大利 )
微管抑制剂 抗肿瘤（乳
腺癌）
为雷左生
（ xrazoxane）的
(+)-对映体
35 右美沙芬
Dextromethorphan
Medeva
UK
L
（ 1983
加拿
大）
神经递质拮抗剂 镇咳
36 右谷氧芬
Dextropropoxypha
n
Nycomed
Amersham
Norway
L(1982
美国 )
鸦片样 mu受体激动
剂
镇痛
37 左旋咪唑
Levamisole
Johnson &
Johnson
USA
L(1983
爱尔兰 )
驱虫、免疫刺激剂 驱虫、抗
乙型肝炎
外消旋体
tetramisole（四
咪唑）为驱虫药
38 左卡巴斯汀
Levocabastine
Johnson &
Johnson
USA
L(1991
丹麦 )
组胺 H1受体拮抗
剂
过敏性鼻
炎
外消旋体为卡巴
斯汀 (cabastine)
39 左羟丙哌嗪
Levodropropizin
e
Dompe
Italy
L(1988
意大利 )
组胺拮抗剂 镇咳 减低副作用
40 左氧氟沙星
Levofloxacin
Daiich
Pharmacutic
al
Japan
L(199
4日本 )
DNA拓扑异构
水解酶抑制剂
呼吸道,
泌尿道,
皮肤、全
身感染
毒性降低
41 左莫普洛尔
Levomoprolol
Astra
Sweden
L(1981
意大利 )
β -肾上腺素受
体拮抗剂
抗高血
压、抗
心绞痛
外消旋体为莫普
洛尔
42 左炔诺酮
Levonorgestrel
Schering AG
Germany
L(1985
瑞典 )
雌二醇 17-β 脱
氢酶刺激剂、雌
甾酮磺基转移酶
刺激剂
女性避孕
药
外消旋体为炔诺
酮
4
3
左舒必利
Levosulpiride
Knoll
Germany
L(198
8意大
利 )
多巴胺拮抗剂 胃肠道疾
病（呕
吐、食欲
不振）
4
4
舍曲林
Sertraline
Pfizer
USA
L(1992美
国、加拿
大 )
5-羟色胺摄入抑
制剂
抑郁症,
强迫症,
惊恐症,
肥胖症
IS-cis异构体
第二节 生物转化与手性中间体的制备
? 手性药物制备的关键技术是不对称合成
(asymmetric synthesis)技术。多年来，有机化学
工作者已经研究开发了许多种用化学的方法进行不
对称合成的技术，但近 20多年来，很多长期从事化
学合成研究的工作者对微生物和酶反应发生了兴趣，
与此同时，很多长期从事微生物和酶的研究的工作
者对如何将此应用于有机合成发生了兴趣，从而使
生物催化转化（ biocatalytic transformation）成
为一种进行不对称合成的重要技术。
应用生物催化转化技术进行不对称合成与
化学合成法相比较具有的优越性有,
? 1） 转化底物某一基团的专一性强，即对不需要转
化的基团无需保护；
? 2） 通过对用于某一转化的微生物进行菌种选育和
转化条件的优化，可以得到极高的转化率；
? 3） 生物催化转化的反应条件温和且对环境的污染
很小。
? 特别是近年来 DNA重组技术的应用和新的转化系统
的开发应用，使愈来愈多的原来使用化学方法进行
不对称合成的化合物有可能被生物催化转化的方法
来替代。
一、三元环和四元环中间体的制备
C H
2
O H
N
N
N
H
C H
2
O A c
C H
2
O H
H
( R ) - ( - ) - 3 4
3 1 %,9 7 % e e
( + / - ) - 3 3
L i p a s e P S
O A c
- 4 0 ℃
( S ) - ( + ) - 3 3
6 2 %,4 6 % e e
O
O H
O H O
O
O
C l
C l
O
O
C l
H O O C N H
2
R h o d o c o c c u s
e q u i
( a )
( b )
9 4 % e e ( S ) - ( - ) - F r o n t a l i n
C u n n i n g h a m e l l a
e c h i n u l a t a
9 9 % e e
( R ) - ( - ) - B a c l o f e n
环氧乙烷的生物拆分和 frontalin以及 baclofen的合成
二、五元环中间体的制备
O
O
O
O
H O
R
H O O H
H O
O H
N H
O H
( C H
2
)
7
C H
3
O C H
3
H O
H O
C H
2
C C ( C H
2
)
3
C O
2
C H
3
H O
H O
O H
N
N
N
N
N H
2
( - ) - P G E
2
D - m a n n o - 1 - d e o x y n o j i r i m y c i n
4 - s u b s t i t u t e d r i b o s e
R = M e,P h,D
N e p t a n o x i n A
1 6
A n O
O H
H O O A n
A c O
O A n
A n O O A c
O O
A c O O A n
O O
H O O A n
O O
H O O A c
O O
O O
O
O A c
( + / - ) - 1 7
( + ) - 1 8
( - ) - 1 9
( - ) - 2 0
( + ) - 2 0
( - ) - 2 2 ( + ) - 1 6
( - ) - 2 1
A m a n o P S - 3 0
( + ) - 2 1 ( - ) - 1 6 ( + ) - 2 2
T h r e e s t e p s T w o s t e p s
o x,
o x,
A n = p - C H
3
O C
2
H
4
O H
H O
O A c
H O
O H
T B S O
O
O
L i p a s e L I P O x,
2 4 ( + ) - 2 5 > 9 9 % e e ( - ) - 2 3
O x,
T w o s t e p s
β '
α '
β
α
O A c
( + ) - 2 3
O
Z N
H
3
C O
2
C
H
N Z
C O
2
C H
3
( - ) - 2 3
N
H
H
3
C O
2
C
N
H
C O
2
H
C O
2
H
( - ) - k a i n i c a c i d
S t e p s
T h e r m o l y s i s
I n t r a m o l e c u l a r
e n e r e a c t i o n
S t e p s
逆狄尔斯 -阿尔德反应和海人藻酸的合成
三、六元环中间体的制备
O H
O H
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
X
XX
X
X
X
X
O H
F
N
3
O
H O
O H
N H R
O H
O H
O H
H O
O
X
X = H,B r,C l
E, c o l i
J M 1 0 9
1
O A c
B r
B r
O A c
O A c
B r
B r
O H
O A c
B r
B r
O A c
( + / - ) - 1 2 ( + ) - 1 1 ( + ) - 1 2
+
A m a n o P S - 3 0
p h o s p h a t e b u f f e r
C2不对称化合物 12的酶拆分过程
四、七元环中间体的制备
O T I P S O T I P S
H O O H
O T I P S
A c O O H
O T I P S
O T B SO
2 7
( + ) - 2 8
( - ) - 2 6
( + ) - 2 6
T w o s t e p s A m a n o P - 3 0
s t e p s
s t e p s
O A c
5
3 7
3 7
对映体纯 化合物（ +） -26和（ -） -26的合成
第三节
生物转化在现代制药工业中的应用
? 一、钙离子拮抗剂，抗心绞痛和高血压药地尔硫
卓关键中间体的制备
? 利用来源于 S.marcescens的脂肪酶拆分
(2RS,3SR)-3-(4-甲氧基苯基 )缩水甘油酸甲酯，能
够得到纯度很高的 (2R,3S)-4-甲氧苯基缩水甘油酸
甲酯（其对映体过剩率 e.e值高达 98%以上），理
论转化率为 50%。自从 1993年以来，日本 Tanabe
公司每年生产 50吨这样的关键中间体，用于制备
抗心绞痛和高血压药。
? 图所示为用脂肪酶制备关键中间体 (2R,3S)-4-甲氧
苯基缩水甘油酸甲酯的路线。
利用脂肪酶拆分外消旋体对甲氧基苯苷氨酰甲酯制备地尔硫关键中间体
二、农药 FRONTIER的关键中间体的制备
?另外一个利用微生物来源脂肪酶实现工业化制备
药物关键中间体的实例是,BASF AG公司利用
假单胞菌 DSM 8246脂肪酶 制备农药 FRONTIER
的关键中间体，（ S） -1-甲氧基 -2-氨基丙烷，其
不需要的对映体可以被外消旋化后循环拆分。
?由于动力学拆分的最大转化率为 50%，因此，通
过选择不同的溶剂系统研究原位外消旋化技术非
常重要。
?图所示为利用脂肪酶制备关键中间体（ S） -1-甲
氧基 -2-氨基丙烷的路线。
利用脂肪酶制备农药 FRONTIER关键中间体 (S)-1-甲氧基 -2-氨基丙烷
目前正在研究的一种杀虫剂关键中间体（ S） -4-羟基 -3-甲基 -prop-2-
ynyl-cyclopent-2-enone也是通过脂肪酶催化获得的
三、免疫抑制剂脱氧精胍菌素关键中间体的制备
? 抗肿瘤抗生素精胍菌素（ spergualin）首先从微生
物发酵液中发现，在用全合成方法制备精胍菌素时，
用酸催化的缩合反应导致产生 C-11两个对映体。用
合成方法得到的外消旋体精胍菌素的抗肿瘤活性仅
为微生物来源的一半，提示 C-11位构型的重要性。
? 免疫抑制剂 15-脱氧精胍菌素（ 15-
deoxyspergualin）合成的关键中间体,S-(-)-乙
酸酯，可以用来源于假单胞菌的脂肪酶对其相应的
外消旋体进行对映体选择性酰化得到，该反应可在
甲基乙基酮系统中进行，假单胞菌脂肪酶 AK为生
物催化剂，醋酸乙烯酯为酰化剂。
? 目的产物 S-(-)-乙酸酯的转化率为 48%（理论最大
值为 50%），对映体过剩率为 98%，不需要的醇转
化率为 41%，对映体过剩率为 98.5%。
15-脱氧精胍菌素
15-脱氧精胍菌素的化学结构及其关键中间体 S-(-)-乙酸酯的制备路线
四、选择性 ?3-受体激动剂关键中间体的制备
?选择性 ?3-受体激动剂可以用来治疗胃肠道疾
病,II型糖尿病和肥胖症等，合成如图所示的
?3-受体激动剂时所用的单一构型的关键中间
体，（ S） -单酯化合物可以通过猪肝酯酶水
解甲基 -（ 4-甲氧苯基） -丙二酸二乙酯获得
（如图所示）。
?当用乙醇作为反应助溶剂，在双相系统中温
度为 10℃ 时，其（ S） -单酯化合物转化率可
达到 96.7%，对映体过剩率可达到 96%。
?-3受体激动剂
?3-受体激动剂的化学结构及其关键中间体（ S） -单酯化合物的制备路线
五,?2-受体激动剂，支气管扩张药物（ R,R） -福莫特罗中间体的制备
? 目前临床应用的 ?2-受体激动剂，支气管扩张药物福莫特罗
（ formoterol）为外消旋体。
? 最近的研究表明，不同的异构体其药理活性不同,(R,R)-立体
异构体具有正常的药理作用。
? 应用酶促拆分的方法可以获得制备（ R,R） -福莫特罗的关键
中间体：用洋葱假单胞菌脂肪酶 PS-30酶促酰化外消旋体醇化
合物 12，得到酰化产物 (S)-13和期望的未反应产物（ R） -11
（得率为 46%）；用 Candida antarctica脂肪酶拆分外消旋体
化合物 14，得到期望的产物（ R） -15和未反应的产物 (S)-16。
（ R） -15的反应总收率为 11%，对映体过剩率为 96%；当在
反应过程中加入 0.15当量的三乙胺时，反应至 4小时时能够得
到 42%的转化率和 94%的，经过水解和层析分离，其收率为
21%，对映体过剩率为 94%。
? 最后，通过化学反应，将关键中间体（ R） -11和（ R） -15缩
合，得到终产物（ R,R） -福莫特罗。
（ R,R） -福莫特罗的制备路线
六、抗 Alzheimer’s药物关键中间体的制备
? S-2-戊醇是多个研究中的抗 Alzheimer’s药物（抑
制 ?-淀粉状蛋白的释放和 /或合成）的关键中间体。
利用 Candida antarctica脂肪酶 B拆分外消旋体 2-
戊醇和 2-庚醇，能够得到这一关键中间体。
? 该酶能够有效地催化这一反应，转化率为 49%（理
论最大转化率为 50%），对映体过剩率为 99%。在
这个反应系统中，琥珀酸酐为最合适的酰化剂,2-
戊醇既是反应底物，同时也是反应溶剂。
? 图所示为利用 Candida antarctica脂肪酶 B制备关
键中间体 S-2-戊醇和 S-2-庚醇的路线。
抗 Alzheimer’s药物关键中间体 S-2-戊醇和 S-2-庚醇的制备路线
七、具有降胆固醇作用的鲨烯合成酶
抑制剂关键手性中间体
? BMS188494是一个正在研究开发中的鲨烯合成酶
抑制剂。在该药物的化学合成过程中，需要有关键
手性中间体 S-（ +） -二乙酯化合物。利用
Geotrichum candidum脂肪酶，在甲苯溶剂中以
异丙烯醋酸酯为酰化剂，催化外消旋体二乙酯化合
物 67获得该关键中间体，其转化率为 38%（理论最
大转化率为 50%），对映体过剩率为 95%。
? 图所示为 BMS188494的化学结构以及酶促制备关
键手性中间体 S-（ +） -二乙酯化合物的路线。
鲨烯合成酶抑制剂 BMS188494关键手性中间体
S-（ +） -二乙酯化合物的制备路线
八、抗肿瘤药物紫杉醇关键中间体的制备
?紫杉醇是目前唯一已知能够抑制微管蛋白解
聚过程的多环二萜类药物。天然的紫杉醇从
yew bark 中分离获得，但其产率很低,1公
斤紫杉醇需要大约 2磅的 yew bark（约 3000
棵树）。
用半合成的方法制备紫杉醇是
最近几年研究的一个热点
? 其中用酶促方法制备 C-13手性侧链取得了一定的进
展：利用来源于洋葱假单胞菌的脂肪酶 PS-300以及
来源于假单胞菌 SC 13856的脂肪酶 BMS，能够对
映体选择性地水解外消旋体醋酸酯 cis-3-（乙酰氧）
-4-苯基 -2-杂氮环二酮 73，至相应的 (S)-醇 74和所期
望未反应的（ R） -醋酸酯 75，后者的转化率为大于
48%（理论最大转化率为 50%），对映体过剩率大
于 99.5%。用化学方法还原（ R） -醋酸酯 75，就可
以得到 C-13关键手性中间体（ R） -醇化合物。
紫杉醇 C-13关键手性中间体（ R） -醇化合物的制备路线
九、法尼基合成酶抑制剂关键中间体的制备
法尼基转移酶抑制剂
法尼基合成酶抑制剂关键中间体（ R） -77化合物的制备路线
十、生物转化与青霉素和头孢菌素母核及有关产品的制备
C H
2
C O N H
N
S
C H
3
C H
3
C O O H
O
N
S
C H
3
C H
3
C O O H
O
H
2
N H
C C O C H
3
N H
2
+
酶 水 解
大 肠 杆 菌 酰 基 酶
无 侧 链 青 霉 素
H
C C O N H
N H
2 N
S
C H
3
C H
3
C O O H
O
酶 法 酰 基 化
假 单 孢 型 酰 基 酶
氨 苄 青 霉 素
青霉素母核 6-APA和半合成产品氨苄青霉素制备过程
十、生物转化与青霉素和头孢菌素母核及有关产品的制备
C H
2
C O N H
N
S
C H
3
C H
3
C O O H
O
青 霉 素 G
C H
2
C O N H
N
S
C H
3
C O O H
O
N
S
C H
3
C O O H
O
H
2
N
C H C O O C H
3
N H
2
+
C H C O N H
N
S
C O O H
O
N H
2
化 学 扩 环 或
基 因 工 程 菌 扩 环
酶 水 解
大 肠 杆 菌
酰 基 酶
酶 酰 基 化
里 假 单 孢 菌
酰 基 酶
头 孢 氨 苄
C H
3
头孢菌素母核 7-ADCA和半合成产品头孢氨苄的制备过程
十一、生物转化 HMG-CoA还原酶抑制剂普伐他汀的制备
十二、克拉红霉素的生物转化
? 克拉红霉素为 6-O-甲基红霉素。目前已经
通过多种化学合成途径，实现了产业化。但
由于在红霉素分子结构中存在有多个羟基，
因此，为了能够在 6-OH的羟基上进行甲基化，
需要对 C-9位的酮基和糖分子中的多个羟基进
行保护，然后再进行脱保护反应，整个反应
步骤冗长，且环境污染大制造成本高。
十二、克拉红霉素的生物转化
N― 取代 ―1― 脱氧野尻霉素的合成方法一
十三,
α-糖苷酶抑制剂米格列醇和伏格列波糖的生物转化
（一）利用生物转化技术制备米格列醇关键中间体的主要方法
十三,
α-糖苷酶抑制剂米格列醇和伏格列波糖的生物转化
（一）利用生物转化技术制备米格列醇关键中间体的主要方法
O H
O H
O H
O H
N H R
葡 萄 糖
H O H O
R
O H
O H
O H
O H
N
P
保 护 微 生 物 氧 化
P
N R
O H
O H
O H
H O
O
去 保 护
氢 化
R
H O
O H
O H
N
H O
N― 取代 ―1― 脱氧野尻霉素的合成方法二
葡 萄 糖
胺 化
O H
O H
O H
H O
H O
H
R N
微 生 物 氧 化
C H 2 O H
O H
H O
O H
O
NR
H
R
C H 2 O H
H O
O H
O H
N
氢 化
N― 取代 ―1― 脱氧野尻霉素的合成方法三
方法三具有的优点,
?1）转化液经离心除去菌体，无需分离纯化出
中间体，就可进行下一步合成；
?2）无需基团保护，成本大大降低，且避免因
去除保护剂而造成的回收率下降；
?3）中间体 6－ (取代胺基 )－ 6－脱氧－ α－ L－
sorbofuranose具有较高的溶解度和稳定性，
不易被降解。
（二）利用生物转化技术制备伏格列波糖关键中间体的方法
有 效 霉 素 发 酵 液
分 离 纯 化
伏 格 列 波 糖
分 离 纯 化
有 效 霉 素 A, G
生 物 转 化
v a l i e n a m i n e
有 效 霉 素 发 酵 液
分 离 纯 化
水
中
氢
解
N － 取 代 v a l i o l a m i n e
D - 葡 萄 糖
v a l i o l o n e
N a 2 B H
H C l 催 化 剂
过 柱 提 纯
1
2
3
4
十四、抗高血压药物 Omapatrilatt 的生物转化
H S
N
H
O
N
S
O
O
O H
H
Glucose acid Glucose
NADH NAD+
Glutamate Dehydrogenase
Glucose Dehydrogenase
2－ Hydroxytetrahydropyran
2－ carboxylic acid,sodium salt
2－ Keto－ 6－ hydroxyhexanoic acid,sodium
salt 3
L－ 6－ Hydroxynorleucine 2
NH3
O
O H
C O 2 Na
H O
O N a
O
O
H O
O H
O
N H 2
第一种方法：利用牛肝谷氨酸脱氢酶将 2-keto-6-hydroxyhexanoic acid（化合物
3） 还原胺化为 L-6-hydroxynorleucine（化合物 2）。
+H2O2
+NH3 H2O+O2
Glucose acid Glucose
NADH NAD+
Glucose Dehydrogenase
T.variabilis
D － amino acid
oxidase
Glutamate Dehydrogenase
rac － 6－ Hydroxynorleucine
2 － Keto － 6 － hydroxyhexanoic acid,
sodium salt 3
L－ 6－ Hydroxynorleucine 2
O2
+
Cataslase
NH3
L－ 6－ Hydroxynorleucine 2
H O
H 2 N
O H
O
H O
O N a
O
O
H O
O H
O
N H 2
H O
O H
O
N H 2
第二种方法：为了避免上述制备 2-酮酸化学合成的过程太长，利用来自于猪肾或
Trigonopis variabillis 的 D-氨基酸氧化酶处理外销旋的 6-hydroxynorleucine
12
11
BMS-199541-01
N
S
O O
O H
R H N
H
Compound 11
DCC DTT,NaOMe
R=Benzyloxycarbonyl or t －
Butoxycarbonyl
CH3SO3H 13
SOCl2
CH3OH
O H
S
S
H 2 N
O
O
O H
H 2 N
O H
S
S
R HN
O
O
O H
R HN
H
N
S
S
R H N
O
O
N
H
R H N
C O O C H 3
H 3 C O
H 3 C O
C O O C H 3
O C H 3
O C H 3
S H
O
H
N
R H N
O
O C H 3
O C H 3
O
O
C O O HH 2 N
O C H 3
O C H 3
C O O M eH 2 N
CO2 Ammonium formate
NADH
NAD+
Formate dehydrogenase
Phenylalanise dehydrogenase
O
O
O C O O H
6
O
O
H 2 N C O O H
5
NH3
利用生物转化方法将化合物 6转化为化合物 5的过程
H
N
S
S
P H N
O
O
N
H
P H N
C O
2
H
H
2
N
C O
2
H
N H
2
D i p e p t i d e D i m e r
B M S - 2 0 1 3 9 1 - 0 1
P = C b z
Dithiothreitol or
Tributylphosphine
S
H
O
N
H
P H N
C O 2 H
H 2 N
D i p e p t i d e M o n o m e r
S
N
O
C O O H
P H N
B M S - 1 9 9 5 4 1 - 0 1
P =
O
O
ACID
S
H
O
N
H
P H N
C O 2 H
C H O
GlutamateOxidas
e
S.noursei
α-keto glutarate
Glutamate
L-lysine ε-aminotransferase S.paucimobili or
rec E.coil
S
H
O
N
P H N
C O O H
H O
利用 L-赖氨酸 ε-氨基转移酶生物转化二肽化合物
BMS-201391-01至产物 BMS-199541-01的过程
第四节 生物转化在其他有关工业中
的应用
?一、生物转化与单一构型氨基酸的制备（一）
生物转化与 L-型氨基酸制备
目前工业规模制备各种 L-型氨基酸的方法
L-氨基酸名称 化学方法 分离提取方法 发酵方法 生物转化方法
丙氨酸 + +
精氨酸 + +
天冬氨酸 + +
胱氨酸 +
半胱氨酸 * +
谷氨酸 （ +） +
组氨酸 + +
异亮氨酸 + +
亮氨酸 +
懒氨酸 + +
甲硫氨酸 +
苯丙氨酸 （ +） （ +） （ +） +
脯氨酸 + （ +）
丝氨酸 + +
苏氨酸 + +
色氨酸 + +
酪氨酸 +
缬氨酸 + （ +） +
（二）生物转化与 D-型氨基酸的制备
?最近，日本学者在多种微生物中发现了一种
新型的 D-脱氨基甲酰酶（ N-氨基甲酰 -D-氨基
酸 酰胺水解酶），这种酶能够立体专一性地
水解 N-氨基甲酰 -D-氨基酸，如 Blastobacter
sp,A17p-4 能够同时产生 D-脱氨基甲酰酶和
D-乙内酰脲酶。因此，用这二步酶促反应有
可能将 DL-5(p-羟基苯基 )乙内酰脲进行立体
专一性地水解，以及随之水解 D-氨基甲酰衍
生物至 D-p-羟基苯甘氨酸 。
C H O
C O O H
+
N H
2
C O
N H
2
+
O H
S p o n t a n e o u s
r a c e m i z a t i o n
A m i d o a l k y l a t i o n
H
N H C O N H
2
C O O H
H O
H
N H
2
C O O H
H O
D - H y d a n t o i n a s e
D - D e c a r b a m o y l a s e
H N
C
O
N H
O
C
H
H O
H N
C
O
N H
O
C
H
H O
从 DL-5(p-羟基苯基 )乙内酰脲生产 D-p-羟基苯甘氨酸的化学和酶促过程
N H
H N
O
O
R
H
N H
2
C O O H
H N
O
R
H
H
2
O
H N
N H
O
O
H N
N H
2
C O O H
O
H
2
O
N H
O
O
N H
2
C O O H
O
H
2
O
N H
N
O
O
N H
2
C O O H
N
OC H
3 C H
3
N H
H N
O
O
N H
2
C O O H
H N
O
H
H
R
R
D - s p e c i f i c
A T P
+
2 H
2
O
A D P
+
P i
L - s p e c i f i c
D - H y d a n t o i n a s e
A T P
+
2 H
2
O
A D P
+
P i
N - M e t h y l h y d a n t o i n a m i d o h y d r o l a s e
I m i d a s e
涉及到乙内酰脲水解反应的有关酶的作用过程
H N
N H
O
R
O
H
2
O
C O O H
H N
N H
2
R
O
H
2
O
N H
3
+
C O
2
R
C O O H
N H
2
C O O H
H N
N H
2
O
R
H
+ H
2
O
N H
2
C O O HR
H
+
H y d a n t o i n t r a n s f o r m a t i o n p a t h w a y
D - D e c a r b a m o y l a s e
N H
3
+ C O
2
C O O H
H N
N H
2
O
H
R
+ H
2
O
N H
2
C O O H
H
R
+
L - D e c a r b a m o y l a s e
N H
3
+ C O
2
H N
N H
O
O
H N
N H
2
C O O H
O
N H
2
C O O HH
2
O
P y r i m i d i n e t r a n s f o r m a t i o n p a t h w a y
H N
N H
2
C O O H
O
N H
2
C O O H
N H
3 C O
2
H
2
0
N H
3
+
C O
2
β - U r e i d o p r o p i o n a s e
+ H
2
0
+
+
N H
2
C O O H
N H
3 C O
2
+ H
2
0
+
+
H N
N H
2
C O O H
O
N H
2
C O O H
N H
3 C O
2
+ H
2
0
+
+
H N
N H
2
C O O H
O
H
R
H
R
N-氨基甲酰氨基酸水解酶（脱氨基甲酰酶）的催化反应
R C C O O H
H N H
2
N
H
H N
N H
2
C O O H
H N
R
H
O
R
H
O
O
碱 性 催 化
乙 内 酰 脲
消 旋 酶
假 单 胞 菌
节 杆 菌
D － 5 － 单 取 代 的
乙 内 酰 脲
L － 5 － 单 取 代 的
乙 内 酰 脲
外
消
旋
环 状 酰 脲
的 水 解
D － 乙 内 酰 脲 酶
与 二 氢 嘧 啶 酶 一 致
假 单 胞 菌
芽 生 杆 菌
专 一 性 D － 乙 内 酰 脲
土 壤 杆 菌
D L － 乙 内 酰 脲 酶
不 依 赖 A T P
黄 杆 菌
节 杆 菌
依 赖 于 A T P
假 单 胞 菌
L － 乙 内 酰 脲 酶
不 依 赖 A T P
芽 孢 杆 菌
节 杆 菌 等
依 赖 于 A T P
芽 孢 杆 菌
N － 甲 基 乙 内 酰 脲
酰 胺 水 解 酶
依 赖 于 A T P 和 专 一
性 L － 乙 内 酰 脲 的
假 单 胞 菌
N － 氨 甲 酰 － D －
氨 基 酸
N － 氨 甲 酰 － L －
氨 基 酸
N - 氨 甲 酰 氨 基 酸 水 解
D － 脱 氧 甲 酰 酶
丛 毛 单 胞 菌
芽 生 杆 菌
土 壤 杆 菌 等
N － 氨 甲 酰 肌 氨 酸
酰 胺 水 解 酶
D － 专 一 性, N －
氨 甲 酰 氨 基 酸
假 单 胞 菌
L － 脱 氧 甲 酰 酶
产 碱 菌
黄 杆 菌
节 杆 菌
β － 脲 基 - p r o p i n a s e
L － 专 一 性, N － 氨 甲
酰 － α － 氨 基 酸
假 单 胞 菌
化 学 脱 氨 甲 酰 反 应
D － 氨 基 酸
L － 氨 基 酸
利用乙内酰脲酶和脱氨基甲酰酶制备光学活性氨基酸的各种过程
D-型泛酸盐的生物转化
? 泛酸为人和动物体内代谢过程中携带活化酰基的载
体（表所示为代谢过程中一些重要的活化载体），
是辅酶 A生物合成的直接前体（其生物合成途径见
图所示）。
? 与植物和微生物不同，人和动物必须通过食物摄入
泛酸而不能在体内合成。
? 因此，泛酸作为维生素类药物被广泛用于临床和作
为饲料添加剂用于动物的饲养。目前世界上用两种
方法来制备右旋泛酸（左旋体无生物活性）即化学
合成法和生物转化法。
人和动物体内代谢过程中一些重要的活化载体
载体分子 活化形式的携带基因 载体分子 活化形式的携带基因
ATP 磷酰基 生物素 CO2
NADH和 NADPH 电子 四氢叶酸 一碳单位
FADH2 电子 S腺苷甲硫氨酸 甲基
辅酶 A 酰基 尿苷二磷酸葡萄糖 葡萄糖
硫辛酰胺 酰基 胞苷二磷酸二酰基甘 油 磷脂酸
焦磷酸硫胺素 醛
泛 酸
A T P
A D P
H O H
2
C C C
H
C H
3
C
O H
N H C
H
2
C
H
2
C H
3
O
C O O
-
O H
2
C C C
H
C H
3
C
O H
N H C
H
2
C
H
2
C H
3
O
C O O
-
P
O
- O
O -
4 ' - 磷 酸 泛 酸
A D P + P i
C y s + A T P
O H
2
C C C
H
C H
3
C
O H
N H C
H
2
C
H
2
C H
3
O
CP
O
- O
O - O
N
H
C C
H
2
C O O
-
H
S H
O H
2
C C C
H
C H
3
C
O H
N H C
H
2
C
H
2
C H
3
O
CP
O
- O
O -
O
N
H
C
H
2
C
H
2
S H
4 ' - 磷 酸 泛 酰 半 胱 氨 酸
C O
2
4 ' - 磷 酸 泛 酰 巯 基 乙 胺
脱 磷 酸 辅 酶 A
辅 酶 A
A T P
A T P
P P i
A D P
辅酶 A生物合成的途径
O H
H
N
R
O
O
O H
H
N
R
O
O H
H
N
C O O H
O
O H
H
O H
H
O
H
O H
O
O
O
O
O H
H
O
O
O H
O
O
O H
O H
H
O
H O
H O
c a r b o n y l
r e d u c t a s e
K P a O E t ( R = C O O E t )
K P a C N ( R = C N )
c h e m i c a l
D - P a O E t ( R = C O O E t )
D - P a C N ( R = C N )
D - P a n t o t h e n i c a c i d
p o l y k e t o n e
r e d u c t a s e
( L - P L f o r m i n g )
p o l y k e t o n e
r e d u c t a s e
( D - P L f o r m i n g )
K P L
L - P L
D - P L
K P A r e d u c t a s e
K P A
D - P A
S p o n t a n e o u s
( P H 7 )
c h e m i c a l
H
2
N
R
c h e m i c a l
C O O H
H
2
N
C h e m i c a l
( H C L )
①②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
微生物转化制备 D-型泛酸的可能途径
D L - P L 浓 缩
D - P L
复 合 物
拆 分 剂 提 取
拆 分 D - P A
内 酯 化 提
取 结 晶
D - P L
结 晶
拆 分 剂
L - P L
复 合 物
拆 分 剂 提 取 L - P A
消 旋 化
内 酯 化
提 取
D L -
P L
化 学 拆 分
酶 拆 分
D L - P L 酶 水 解
提 取 D - P A
内 酯 化 提
取 结 晶
D - P L
结 晶
L - P L
浓 缩 消 旋 化 D L -
P L
用酶法拆分 DL-泛酸内酯和用常规的化学法拆分的简单工艺 流程比较
PL：泛酸内酯； PA：泛解酸
R-(+)硫辛酸制备
? 硫辛酸 (lipoic acid)是一种具有生物活性的天然产
物，属维生素类，作为辅酶参与糖代谢，临床上用
于肝病的治疗。近年来，通过深入研究发现：硫辛
酸亦是一种安全有效的抗氧化剂而重新受到重视，
大量有关它的药理和临床应用的研究被报道，在德
国已批准其用于糖尿病神经病变的治疗。目前硫辛
酸主要以消旋体的形式生产、销售，但研究表明，
硫辛酸的两种对映体（ R型与 S型）表现出不一样的
生物活性，其中 R型较之 S型具有更高的生物活性，
且副作用小。因此，开发单一的 R型硫辛酸具有重
要的意义。
O
R
O
O
O
O
R
R
O
M e O
O HO H( - ) - ( R )
( + ) - ( S )
O
M e O
O R O R
O
M e O
O H
B V M O
O H
( R )
( S )
( S )
S S
O
H O
( + ) - ( R ) - 硫 辛 酸
( ± ) R, S
用于 Baeyer-villiger反应的单加氧酶（ BVMOS） R-(+)硫辛酸的制备过程
五、其他一些酶的重要应用
?1、蛋白酶
?蛋白酶在洗涤剂和食品工业中的应用最为广
泛。尽管它在精细化工中的应用并不多见，
但是，糜蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶和嗜热芽
孢杆菌蛋白酶，已经成功地在工业规模用于
外消旋氨基酸和氨基酸酯的拆分，更为重要
的是用于阿斯巴甜前体 Z-Asp-Phe-OMe的生
产。阿斯巴甜的每年产量高达数千吨。
2、酰胺酶和氨肽酶
? 在很多药物的准备过程中，很多天然的或
非天然的以及它们的衍生物具有非常重要的
作用，如 L-脯氨酸为心血管药物卡托普利的
重要前体,L-叔 -亮氨酸为抗肿瘤药物
Marimastat的重要前体。很多水解酶如酰胺
酶、氨肽酶和乙内酰脲酶都已经在工业规模
得到了应用。由于这些酶的底物特异性比较
宽泛，因此，可以制备各种类型底氨基酸。
利用载有恶臭假单胞菌或人苍白杆菌 酰胺酶基因的重组工程菌,
对外消旋氨基酸氨化物进行拆分
3、脱卤素酶
?脱卤素酶催化卤原子从底物中除去。美国
Astra Zeneca公司利用一种来源于假单胞菌
的对映体选择性卤酸脱卤素酶，用于拆分
（ S） -2-氯丙酸，其为生产杀虫剂的关键中
间体，年产 2000吨。 BASF公司利用另外一
种基于（ R）乳酸发酵技术和化学合成相结
合的方法，得到了同样的分子。
3、氨基转移酶
?已经成功地开发了 D-氨基酸的生产方法，即
利用 D-专一性氨基酸转移酶，能够从相应的
L-氨基酸制备 D-氨基酸。美国 NSG
Technologies公司构建了一种同时载有 L-氨
基酸脱氨酶（来源于产黏变形菌,Proteus
myxofaciens）,D-氨基酸氨基转移酶，以
及丙氨酸消旋酶的重组大肠埃希氏菌，其可
以用来生产一系列的 D-丙氨酸。
