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第十一章 酶催化有机反应 Enzyme-Catalyzed Reactions • 酶催化有机反应是指以酶为催化剂实现的化学 转化过程。有直接使用细胞来完成反应的实例， 其本质是相同的，因此可以统称为生物催化。 • 酿酒和制醋业。 • 酶催化由于表现出 “绿色”特性而备受研究工 作者、开发商关注，现已成为合成（特别是不 对称合成）的一种有效的方法，在药物合成中 也得到了广泛的应用。 第一节 酶催化反应概述 • 酶是生物提高其生化反应效率而产生的催化剂，绝大多数酶的化学 本质是蛋白质，少数酶同时含有少量的糖和脂肪。 • 与通常遇到的化学催化反应相比，酶催化既有与之相似的一面，也 有其本身的特点。酶能降低反应的活化能，加快反应达到平衡的速 率，但不能改变反应的平衡常数。 • 酶催化的能力相对较高；反应通常发生在水相中，大多数在22-45 oC 以及近似中性pH条件下完成，无需高温和高压等极端条件，反 应耗能低，且转化率几乎可达到100% ；另一特点是表现出高度的 化学、区域、对映和非对映选择性或专一性。 • 酶催化反应的机理相对复杂。Fischer提出的 “锁-钥”理 论(lock-and-key theory)是一种普遍接受的模型。酶与底 物的相互作用既有化学键合作用，也有诸如氢键、范德 华力和离子相互作用等，过渡金属如锌、钴、锰、铜2价 离子对催化反应影响极大。 • 活性中间复合物学说。由Michaelis-Menten提出，认为酶 催化反应至少包括两步，首先是底物S和酶E相结合形成 中间复合物[ES]，然后[ES]分解成产物P ，并释放出酶E 。 第二节 酶催化逆合成分析 • 逆合成分析：一种合成分析的方法，即从产物出发回推反应原料， 以期获得更加合理的合成路线。 • 酶催化几乎可以实现所有的有机反应类型。 • 一、酶催化卤化 • 在卤素过氧化酶(haloperoxidases)或卤化酶(halogenases)催化下，一 些富电子的芳香化合物或含有活泼亚甲基的化合物与含卤试剂容易 发生卤化反应，能够选择性地生成对应的卤化物。 • 二、酶催化烃基化 • 在特定酶催化下，氧原子、氮原子上能够发生烃基化，用于合成醚 和有机胺。 烷基转移酶 苯酚裂合酶 • 三、酶催化酰化 • 与酶催化烃化相似，酶催化酰化也可以发生在C 、O 、和N原子上。 但在实际过程中，酶催化酰基的转移更多地是发生在O和N原子上。 O 脂肪酶 O O 脂肪酶 O + ROH + ROH R OR R OH R OR R OR O 脂肪酶 O O 脂肪酶 O + RRNH + RRNH R NRR R OH R NRR R OR • 四、酶催化氧化 • 酶催化下，几乎能被化学试剂氧化的底物均能在适当酶(或细胞)催化 下氧化。在烃结构中引入羟基，醇、醛、酮发生深度氧化，烯被环 氧化，这些都是常见的氧化反应。 羟化酶 O 醇单加氧酶 R OH R H R OH R H O 环氧化酶