内酯是羟基脂肪酸分子经过分子内酯化形成的化合物，根据羟基位置的不同可分为γ-内酯、δ-内酯和w-内酯等。内酯广泛存在于自然界中，具有生物活性，是合成一些天然产物和药物的重要中间体。大多数内酯化合物具有手性，其生理活性通常取决于分子的绝对构型。手性内酯作为一种特殊的酯类化合物，有着重要的研究及应用价值，因此仅从动植物中获取已无法满足人们的需要。而化学方法合成手性内酯化合物不仅过程复杂，需要特殊的催化剂，而且产率不高。
酶作为一种生物催化剂，来源广泛，具有效率高、底物专一性强、条件温和的特点。工业中应用的酶多数来自微生物，也有来自动植物体内，应用最多的是水解酶和氧化还原酶，水解酶中以脂肪酶的研究最为热门。随着酶在非水相中具有催化活性的发现和固定化酶（固定化细胞）技术的日趋成熟，它们被越来越广泛地应用于有机合成中。利用酶催化的特异性，以酶法合成手性内酯化合物具有很好的应用前景。目前酶法合成手性内酯主要通过以下三种途径：（1）立体选择性水解反应；（2）立体选择性内酯化反应；（3）立体选择性氧化反应。作者在此对其相关研究与应用进展进行了阐述。
1 立体选择性水解反应
立体选择性水解反应是利用内酯水解酶立体选择性水解外消旋内酯获取其中一个对映体的羟基酸，而另一个不反应的对映体仍然以内酯的形式存在，然后采用一定的方法使两者得到分离，从而达到拆分的目的。
D-泛解酸内酯是生产D-泛酸与D-泛醇的关键中间体，生产D-泛酸的主要技术是泛解酸内酯的手性拆分技术。已报道的酶法选择性水解拆分泛解酸内酯研究主要有以下三种技术：（1）用微生物彻底分解DL-泛解酸内酯中的L-泛解酸内酯，得到未分解的D-泛解酸内酯。此方法的缺点是至少损失一半DL-泛解酸内酯原料。（2）用微生物选择性地不对称水解DL-泛解酸内酯中的L-泛解酸内酯，而得到未水解的D-泛解酸内酯。此方法只有L-构型的内酯水解得非常彻底才能得到高光学纯度的D-泛解酸内酯。（3）用微生物选择性地不对称水解DL-泛解酸内酯中的D-泛解酸内酯，得到D-泛解酸，用高光学纯度的D-泛解酸进行内酯化生成D-泛解酸内酯。
汤一新等筛选到一株产D-泛解酸内酯水解酶的串珠镰孢霉菌Fusarium moniliforme SW-902，用D-立体专一性内酯水解酶水解DL-泛解酸内酯，得到D-泛解酸，再经过内酯化反应生成D-泛解酸内酯。该方法反应时间短，未水解部分经过消旋化可反复使用。其拆分路线如图1所示。
图1 酶催化选择性水解拆分泛解酸内酯
γ-癸内酯（GDL）被美国食品药品管理局确认为安全的食品添加剂和药物添加剂，我国国家标准规定其为允许使用的食用香料。由于γ-癸内酯的（R）-异构体和（S）-异构体具有不同的香气特征，手性γ-癸内酯的生产在香精香料行业得到了重视。郭花蕾等研究了脂肪酶对γ-癸内酯对映催化选择性水解反应。采用脂肪酶能有效地对映选择性水解R型的γ-癸内酯，留下产品的S型异构体。当底物浓度为0.6 mol•L-1、反应时间为2.5 h时，转化率达48.49%。
Gutman等利用猪胰脂肪酶（PPL）立体选择性水解γ-羟基-α-氨基酸内酯，再用乙醚萃取未水解的内酯，从而将产物相互分离。水解产物再通过酸化后环化成内酯（图2）。
图2 PPL催化立体选择性水解γ-羟基-α-氨基酸内酯
底物内酯环上的R基不同，对反应的选择性也有较大的影响（表1）。
表1 不同R基对反应选择性的影响
R e.e.酸/% e.e.内酯/% 选择性
H 71 62 11
Ph 86 32 18
CH2=CH- 90 95 70
皮雄娥等以镰孢霉菌Fusarium sp ZG223发酵的菌丝球作酶源，不对称水解生物素手性中间体内酯，从而达到手性拆分的目的。反应24 h后水解率为45%，对映体过量值（e.e.值）达到90%，取得了较好的效果。
2 立体选择性内酯化反应
立体选择性内酯化反应即利用脂肪酶或酯酶立体选择性内酯化外消旋的羟基脂肪酸或羟基脂肪酸酯，获取其中一个对映体的内酯，另一个不反应的对映体以羟基脂肪酸或羟基脂肪酸酯的形式存在，然后利用一定的方法使两者得到分离，从而达到拆分的目的。
脂肪酶在有机溶剂中的催化作用提供了一种方便、高产率和高对映选择性的合成内酯的方法。脂肪酶催化羟基脂肪酸的反应，既可以是分子内反应形成内酯，也可以是分子间反应形成聚酯。两者之间的比例取决于底物的化学结构和浓度等。研究表明碳链长6～8的γ-羟基脂肪酸酯的内酯化产生高e.e.值的产物和剩余底物，但是剩余底物的e.e.值随着链长增加而逐渐下降。
γ-茉莉酮内酯具有桃子和热带水果的气味，可以增强食物和饮料中的水果香味。Missio等利用PPL催化立体选择性内酯化合成S型γ-茉莉酮内酯（Z-7-Decen-4-olide）关键中间体（图3），从而最终得到γ-茉莉酮内酯。该反应以乙醚为溶剂，反应24h，转化率为74%，产物e.e.值90%。
图3 PPL催化立体选择性内酯化合成S型γ-茉莉酮内酯
Sharma等利用PPL催化立体选择性内酯化3，5-二羟基-2-烷基酯得到对映体过量值较高的内酯，e.e.值为92.8%。产物内酯及其类似物可以作为重要合成子不对称合成一些具有生理活性的化合物，其中包括减肥药物奥利司他。
Gutman等研究了在乙醚中脂肪酶催化合成γ-丁内酯的反应（图4），对带有不同长度支链的γ-羟基丁酸甲酯的内酯化进行了考察，产物4位取代的γ-丁内酯的光学纯度都很好，达到98%以上（表2）。
表2 不同长度支链对反应的影响
R 初始速度 转化率/% 构型 e.e./%
Μmol•min-1•g-1
H 1.40 100 一 一
CH3 1.10 21 S >98
C2H5 2.00 41 S 88
C6H13 3.70 48 S 82
C8H17 4.60 43 S 91
C6H5 0.23 31 R 92
Me-C6H4 0.17 30 R 94
MeO-C6H4 0.31 34 R 98
Br-C6H4 O.37 28 R 94
3 立体选择性氧化反应
立体选择性氧化反应即利用单加氧酶催化立体选择性氧化环酮生成手性内酯。生物转化中的B-V氧化反应主要是通过Baeyer-Villiger单加氧酶（Baeyer-Villiger monooxygenases，BVMOs）来完成，BVMOs被用来对链状和环状的酮进行立体选择性氧化，可以将开链酮或环酮转化成相应的酯或内酯（图5）。
图5 单加氧酶催化立体选择性氧化环酮生成手性内酯
目前利用这类酶进行的反应主要采取两种方法：一种是利用分离出来的酶作为催化剂，一种是利用完整的细胞作为催化剂。催化Baeyer-Villiger反应的酶属于黄素类单加氧酶。这种酶催化的氧化反应机理中，氧分子的一个原子被结合到底物中，而另一个则被还原为H2O。催化活性需要二个辅因子，一个是在活性位点中非共价结合的、被还原的黄素（如FAD或FMN），另一个是被还原的烟酰胺辅因子（NADPH或NADH），为酶提供还原黄素用的电子。
环己酮单加氧酶（CHMO，E.C．1.14．13.X）是迄今为止研究得最多的一类BVMOs，被广泛用作研究的模型和合成催化剂。Taschner等对来自A．calcoaceticus NCIMB9871经纯化的CHMO进行研究发现，一些前手性底物包括4-取代环己酮被有效地转化为相应的内酯，且均显示了很高的对映体纯度（表3）。因而证实CHMO对区分这种前手性底物两边的羰基官能团是非常有效的。但如果4位存在醇或甲醚官能团就会意外地产生低e.e.值的产物。
表3 CHMO催化氧化各类前手性底物
底物 产物 产率（e.e.）/%
80（＞98）
73（＞98）
27（＞98）
25（＞98）
76（＞75）
88（98）
73（9.6）
硫辛酸是一种具有生理活性的天然产物。以环己酮为原料合成外消旋体硫辛酸是一种常见的方法，可以利用环己酮单加氧酶B-V氧化反应不对称催化环己酮获得R或S型的ε-内酯，然后通过化学合成得到光学纯的R型硫辛酸。Stewart等将Acinetobater sp．NCIMB9871中的BVMOs基因插入啤酒酵母Baker's yeast表达载体中，由此得到的工程菌可作为Baeyer-Villiger氧化的通用试剂。再利用该工程菌立体选择性氧化2-环己酮转化得到R-硫辛酸关键手性中间体R-己内酯，反应如图6所示。转化率高达40%，e.e.值达98%，回收得到的R型环酮的产率及e.e.值也很高。高光学纯度的R型环酮可采用化学催化剂催化得到R型己内酯。
图6 Baker's yeast立体选择性氧化2-环己酮
B-V氧化反应是生物转化中的一类重要反应，在催化过程中存在的问题有的已经得到了初步解决，相信在不久的将来生物催化的B-V氧化反应能够得到大规模的应用。
4 结语
手性是自然界最重要的属性之一，两个对映体之间不仅具有不同的光学性质和物理化学性质，而且具有不同的生物活性。随着手性科学和手性技术的快速发展，不断推动了手性内酯类化合物的研究与开发。酶催化反应具有催化效率高、立体选择性强、条件温和等特殊优点，广泛应用于手性内酯类化合物的制备。酶的体外定向进化技术、交联酶晶体、反胶束酶、固定化酶及非水相酶学等新技术的不断出现和发展为生物催化开辟了广阔的应用前景，也必将会促进酶法合成手性内酯技术的研究与应用。
