6.1 酶促酰化反應拆分消旋體胺

    比較一致的意見，還是認為催化不對稱路線是最為理想的。當向一些公司詢問他們在商業上最有生命力的手性化學時，大多數公司的回答都是催化不對稱化學。德國BASF公司負責新業務開發的經理Henning Althoefer認為，公司Ludwigshafen中間體部至今最好的事跡莫過于(S)-甲氧基異丙胺。該化合物是除草劑Outlook的單一對映體活性成分的中間體。

Outlook是一個手性轉換的產品。BASF另一個除草劑Frontier的活性成分是消旋體。在BASF的Geismar工廠有一個專門車間，每年以數千噸的規模生產(S)-甲氧基異丙胺。該生產是基于一個消旋胺通過一個適當酯的酶促酰化反應。只有一個對映體被酰化生成酰胺，生成的酰胺可以很容易地與未反應的胺分離開。BASF采用同樣的原理，在Ludwigshafen生產ChiPros手性胺。在通常情況下，不需要的對映體通過消旋化再反饋給原生產過程。

    6.2 生物催化拆分制備對映體純β-氨基酸

    (1)脂酶選擇性水解拆分消旋β-氨基酸

    Dowpharma公司應用脂酶生物催化拆分生產對映體純β-氨基酸。該公司的脂酶是1990年代末由英國劍橋Chirotech Technology公司開發的，后者現在是Dow化學公司的子公司。Dowpharma公司負責生物催化技術的領導Karen E.Holt說，從前拆分消旋β-氨基酸時氨基是需要保護的，也就是說拆分的底物是羧基(轉化為酯)和氨基(轉化為酰胺)雙重保護衍生而來。采用生物催化拆分沒有必要保護氨基，而且拆分的步驟比從前要做的試驗也少[Trtrahedron Lett.,41，2679(2000)]。該路線已在Dowpharma公司以噸級規模生產，產品的對映體純度達到99%。

    Degussa公司負責技術和R&D管理的副總裁Karlheinz Drauz認為，β-氨基酸是如此之重要，脂酶路線對于β-氨基酸又是如此之普遍，所以許多公司都在試圖將β-氨基酸化學商業化。β-氨基酸是多種正在開發中藥物的中間體，對每種化合物的需求量從幾百公斤到幾噸。和Dowpharma一樣，Degussa的路線也是從通過一鍋燴合成制備的消旋β-氨基酸開始。應用Degussa專有的酯將該氨基酸酯化。采用一種商業上可以買到的脂酶選擇性水解，只有(S)-酯被水解釋放出(S)-β-氨基酸。該游離酸直接從反應中沉淀出來，對映體過剩大于99.5%，化學純度達到99%。Degussa已經以幾百公斤規模生產各種β-氨基酸(如β-苯丙氨酸)，而且生產規模不久將會更大。

    (2)生物催化劑的優點幾乎是無法超越的

    Dowpharma負責化學催化技術的領導Ian C.Lennon指出，Chirotech的科學家通過對不飽和底物碳-碳雙鍵的催化不對稱氫化，考查生成β-氨基酸的反應。考查的結論是，這條路線比較復雜，即使是關鍵步驟是不對稱的，也要經過更多的階段和步驟，而且產生的廢物也比較多。這種復雜性的部分原因是在合成需要的底物時生成E和Z異構體混合物。大多數催化劑能以高對映體過剩有效氫化E-異構體，而不能氫化Z-異構體。可是，Z-異構體生成的數量又比較多，因為它在熱力學上更為穩定。在這種情形下，對映選擇的總收率與生物催化拆分相比就大為遜色了。

    最近，Chiral Quest公司應用銠-TangPhos催化劑，為這個問題的解決提供了一個方法。據賓西法尼亞州立大學化學教授和該公司創始人及首席執行官張枯木(譯音)稱，該催化劑與底物的幾何異構體形式無關。他聲稱，反應條件是相當溫和的，銠-TangPhos催化劑可以98%-99%對映體過剩氫化E-和Z-異構體。因為TangPhos電子給予能力高，周轉次數可高達10000次。根據需求預測，該公司將這個催化劑的生產擴大到公斤級。

    在采用生物催化路線制備β-氨基酸之前，Degussa曾試圖對α,β-不飽和烯酰胺進行對映選擇性催化氫化，但結果證明不理想。應用Degussa的銠-MalPhos催化劑，只能達到95%對映純。要想使對映體純度提高到藥用要求，至少還要進行一次重結晶。另外，該路線生成的是一種β-氨基酸衍生物，要得到該氨基酸還要進行一步化學反應和相應的后處理。看來，在一步反應中直接從溶液中獲得大于99.5%對映體過剩的產品，其他方法是很難超越酶法的。

    (3)對映體純β-氨基酸的用途潛力巨大

    Degussa正在開發使不希望的對映體重新消旋的方法，同時也在尋求這些對映體的潛在用途。現在發現(R)-β-氨基酸酯是一種出色的拆分劑。據Degussa披露，在對特-亮氨酸消旋體拆分以公斤規模生產D-特-亮氨酸的工藝中，成功地應用了(R)-3-氨基-3-苯基丙酸乙酯。Drauz認為，D-特-亮氨酸在手性圖中是一個薄弱環節。許多不對稱配體、催化劑和手性助劑都是以特-亮氨酸為基礎的。原來只有那些摻人L-特-亮氨酸的對映體可被容易地制造，現在可以大體上相同的成本制備基于D-特-亮氨酸的互補化合物。這對于所有基于特-亮氨酸的不對稱反應都是一個絕好的結果。D-特-亮氨酸可作為新藥侯選化合物的構建單元，在含有L-特-亮氨酸的侯選藥物對映體的合成中也有需要，因為在藥物開發過程中對含有D-特-亮氨酸的對映體也必須進行評價。

    6.3 生物催化生產-羥基丁酸酪

    (S)-4-氯-3-羥基丁酸酯(ECHB)是合成阿托伐他汀(atorvastatin，Lipitor)和羅素伐他汀(rosuvastatin，Crestor)等降膽固醇藥的中間體。Lipitor單個產品2003的銷售額為103億美元(編譯者注：2004年銷售額達到120億美元)。許多公司都在搶著為這些化合物供應手性側鏈。圍繞開發ECHB更好的生產方法展開了激烈競爭。

    (1)羰基還原酶不對稱氫化

    生物催化劑被成功地用于從前手性酮工業生產單一對映體3-羥基丁酸酯。東京Daicel化學工業公司采用全細胞生物催化，ECHB的生產能力每年達100多噸。自從5年前文獻報道該化合物以來，該化合物的生產工藝已經有了重大改進(C&EN,July19，1999)。關鍵步驟是應用生物催化劑對4-氯乙酰乙酸乙酯(ECAA)進行不對稱氫化。該催化劑是一種羰基還原酶，最初從Kluyveromyces aestuarii中分離，然后在大腸桿菌中表達。ECAA是從雙烯酮化學合成而來，雙烯酮是Daicel的一個核心原料。氫的來源是煙酰胺腺苷二核苷(NADH)被還原。該化合物預先通過葡萄糖脫氫酶系統將葡萄糖轉化為葡糖酸而再生。考慮到生成大量葡糖酸廢棄物對環境的影響，Daicel改用甲酸轉化成二氧化碳的甲酸鹽脫氫酶系統。

    一種既穩定又有活性的甲酸鹽脫氫酶從Mycobacterium vaccae中分離得到，其生產能力通過定點突變得到提高。該變種現在已用于商業生產ECHB，在49.9g/L比例的情況下，對映體純度超過99%，其生產效率遠遠高于野生型酶(19.0g/L)，甚至也優于經過優化的葡萄糖脫氫酶(45.6g/L)。甲酸鹽脫氫酶的定點突變還收到另外兩種效果：增加了對ECAA的耐受性，改善了在有機溶媒中的行為。ECAA對于產生野生型酶的所有細胞都是有毒的，而且通常有機溶媒也可使野生型酶失活。在經過定點突變酶的情況下，沒有多少細胞因ECAA的存在而死亡，實際上這種酶在有機溶劑中工作也比較好。Dowpharma與位于圣迭戈的生物催化公司Diversa合作，開發出一條基于腈水解酶(nitrilases)的路線(C&EN，Feb.18，2002；Oct.7，2002)。

    (2)化學催化羰基不對稱氫化

    Chiral Quest公司也加入了競爭的行列，該公司采用釕-C3-TunePhos催化劑進行ECAA不對稱氫化。使用1公斤該催化劑，可從ECAA生產9噸98%-99%對映純的ECHB。Chiral Quest正在向一家工業生產ECHB的客戶供應公斤量的這種催化劑。位于德國慕尼黑的Wacker Specialty公司也瞄準了3-羥基-丁酸酯單一對映體，將此作為實現從酮制備手性醇最大生產商目標的一部分。該公司是雙烯酮的一家主要生產商，從雙烯酮很容易制備前手性的乙酰乙酸酯。

    為了對生產3-羥基丁酯不同的選擇進行經濟學比較，Wacker對制備(R)-3-羥基丁酯的兩條路線(使用分離酶生物催化還原和使用銠及二磷配體催化不對稱氫化)進行了分析。該公司根據已發表的文獻得出的結論是：應用全細胞發酵生物催化還原并不是一條理想的路線。Wacker的分離酶生物催化路線，是基于一種從Lactobacillus brevis中分離出的醇脫氫酶。該酶的商業應用已被開發，其專有權屬于Julich精細化學品公司(JFC)。該公司位于德國Julich，是Wacker為精細化學品開發酶催化過程的一個合作伙伴。Wacker聲稱，該工藝以97%收率生成100%對映純的產品，并以數百公斤規模投入生產。Wacker估計，該路線可以生產出商業數量的(R)-3-羥基丁酯，其成本在100美元/公斤以下。相比之下，應用Wacker專有配體的化學催化路線生成98%對映純的產品，收率可達到95%。這條路線也被用于百公斤級的生產。Wacker估計，采用此路線生產(R)-3-羥基丁酯的成本比生物催化要低10%-15%。

    最大的不同是化學催化路線的產量比生物催化的高3至4倍。要想在生物催化中得到高對映體過剩，工藝過程必須在稀溶液中進行，這就意味著產出率是比較低的。兩條路線都被用于數噸規模生產，根據客戶對純度和價格的要求決定采用哪一條路線。由于該生物催化路線生成的手性醇質量特別好，Wacker正在與JFC和Prokaria合作，開發其它各種專用手性醇的生產工藝。Prokaria是位于冰島首都雷基亞比克的一家公司，該公司從冰島生物多樣性來源發現各種酶。

    Bayer化學品部的3-羥基酯(包括3-羥基丁酯)，是用Bayer的催化劑釕-ClMeO-BIPHEP催化不對稱氫化方法生產的，年產量為噸級，對映體純度大于99%。根據客戶要求，Bayer已經應用該化學從乙酰基丙酮制備對映純的(S,S)-戊-2,4-二醇。Bayer生產了若干公斤這種對映體，其對映體過剩大于99%，非對映體過剩大于98%。有趣的是，這家客戶是專門從事生物催化的，而且已擁有一條制備R,R-對映體的生物催化路線。該公司一直想找到一種方法，以便在他們的產品目錄中有兩種對映體。