蛋白酶的催化多功能性在不对称aldol反应和插烯Michael反应中的应用

摘要

酶除了可以催化天然底物外，还可以催化非天然底物的化学转化，我们称这种功能为酶的多功能性，这种功能通常被隐藏在天然催化转化中。酶催化多功能性不仅为有机合成提供了更多的催化剂，也为酶的进一步研究奠定了基础。本论文主要研究了蛋白酶的催化多功能性在不对称aldol反应和插烯Michael反应中的应用。
　　α-胰凝乳蛋白酶是一种能够分解蛋白质的消化性酶，其活性基团含有丝氨酸残基，属于丝氨酸蛋白酶，其活性位点主要包含组氨酸-57、天冬氨酸-102和丝氨酸-195三个氨基酸残基，它们构成了著名的催化三联体。我们首次用α-胰凝乳蛋白酶作为催化剂催化对氰基苯甲醛和环己酮的不对称aldol反应，从溶剂、含水量、酶量和温度等方面对反应条件进行了优化，随后又进行了底物的扩展，得到了最高26％的收率，63/37的dr值和50%的ee值。为了证明该aldol反应确实是由α-胰凝乳蛋白酶催化的，我们用金属离子Cu2+、Ag+，尿素，盐酸胍，以及特异性抑制剂对甲苯磺酰氟（PMSF）、焦磷酸二乙酯（DEPC）和二环己基碳亚胺（DCC）做了一系列的对照实验，同时用与α-胰凝乳蛋白酶具有相同活性位点的牛胰蛋白酶、人糜蛋白酶、猪胰蛋白酶催化该反应，验证了aldol反应发生在α-胰凝乳蛋白酶的活性位点上，基于对照实验，我们提出了一个可能的三联体催化该aldol反应的机理。
　　手性叔醇结构在很多天然产物和人工合成的生物活性分子中广泛存在，但由于位阻的原因，在合成上存在一些困难。对于此类物质的合成所用的催化剂有金属配体复合物以及一些小分子。作为一种绿色环保又可持续的生物催化剂，蜂蜜曲霉蛋白酶被用作催化剂，在无外加溶剂下，通过不饱和酮酸酯和环己酮的不对称aldol反应成功实现了手性叔醇结构的构建。我们通过温度、含水量、投料比、酶量等条件的探究对反应进行了优化，在最佳的反应条件下，蜂蜜曲霉蛋白酶催化直接不对称aldol反应合成了一系列含有手性叔醇结构的芳环化合物，杂环吡啶也可以实现手性叔醇结构的合成，直链丙酮、四元环、五元环、六元环和吡喃环的酮都可以作为底物，得到了高达90%的收率，93/7的dr值和70%的ee值。本工作不仅拓展了蜂蜜曲霉蛋白酶的的应用范围，还为探索天然酶未发现的催化多功能性提供有价值的信息。
　　水是一种绿色的溶剂，廉价易得，水作为有机反应的溶剂具有清洁安全无污染的特点。猪胃蛋白酶是在人和很多其他的动物的消化系统中产生的一种酶，它能使蛋白质分解成更小的多肽，猪胃蛋白酶的活性位点是32号和215号的天冬氨酸残基。本论文中我们用水作为反应的溶剂，猪胃蛋白酶作为催化剂催化当归内酯和N-苯基马来酰亚胺的插烯Michael反应，首先对投料比、酶量、温度和时间等条件进行了优化，接着在最优条件下对底物进行了扩展，合成了一系列的γ,γ-二取代的丁烯酸内酯化合物，共12个化合物，收率最高达98%，dr值高达>99/1。我们通过用金属离子Ag+，羰基二咪唑（CDI）和二环己基碳亚胺（DCC）对猪胃蛋白酶做了对照实验，验证了反应可能发生在猪胃蛋白酶的活性位点上，在此基础上我们提出了一个猪胃蛋白酶催化插烯Michael反应的可能的机理。

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第一章 绪论

1.1 酶的多功能性概述

1.2 酶的多功能性在aldol反应中的应用

1.3 手性叔醇结构的研究进展

1.4γ,γ-二取代的丁烯酸内酯的文献综述

1.5 课题研究的意义和前景

第二章 α-胰凝乳蛋白酶催化不对称aldol反应

2.1 引言

2.2 结果与讨论

2.3实验部分

2.4 结论

2.5 产物表征及分析

第三章 蜂蜜曲霉蛋白酶催化不对称aldol反应构建手性叔醇

3.1引言

3.2 结果与讨论

3.3 实验部分

3.4 结论

3.5 产物表征及分析

第四章 猪胃蛋白酶催化插烯Michael反应

4.1引言

4.2结果与讨论

4.3实验部分

4.4结论

4.5产物表征及分析

参考文献

附录：部分化合物谱图

硕士期间的科研成果

致谢