酶在精细有机化工中的应用综述

酶在精细有机化工中的应用综述
刘环宇1
,林森1
,梅德胜
2
(1.南昌大学化学系,江西南昌　330047;2.江西师范大学化学系,江西南昌　330027)
摘　要:生物催化在精细有机化工中已得到较为广泛的应用,本文主要对生物催化剂酶近年来在精细有机化工中的应用进行阐述。

关键词:生物催化;酶
生物技术是当今迅速发展的一个高技术领域,
已广泛应用为人类和社会服务,其中酶作为催化剂在各方面广泛的应用已产生相当的经济和社会效益。

本文重点对各种酶及其在有机化工中的应用进行阐述。

1　酶的概念与分类1.1　酶的涵义、概念
酶是由活细胞产生的具有催化活性和高度选择性的特殊蛋白质。

它的分子量在1.2×10
4
～1.0×106
之间,现在国际生化学会已确认的酶已有2100种以上,其中已得结晶的约有150多种,有工业前景的约有50～60种。

按分子组成,酶可分为单纯蛋白质与结合蛋白质两大类。

大多数的水解酶是单纯蛋白质组成的酶,如黄素单核苷酸酶属于结合蛋白酶,其蛋白质部分称为酶蛋白,非蛋白质部分称为辅助因子。

辅助因子包括辅酶或辅基以及金属离子,辅助因子中与酶蛋白结合较松,极易脱落,可以透析分离的叫辅酶;结合较紧密,不能分开的叫作辅基。

酶蛋白质与辅助因子组成全酶,只有全酶才有催化活性。

虽然酶来源于生物体,但可以脱离生物体而独立存在,正因为此,它才能得以利用。

1.2　分类
酶虽然有多种分类方法,但科学界比较认
同的还是按酶反应类型分,把酶分成为6大类。

1.2.1　氧化还原酶(oxidoreducatases )
[1]
氧化还原酶是一类催化物质进行氧化还原反应的酶类,被氧化的底物就是氢或电子供体,这类酶都需要辅助因子参与,据估计所有的生物转化过程涉及的生物催化剂有25%为氧化还原酶,根据受氢体的物质种类可将其分为4类;脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶和加氧酶。

1.2.2　转移酶(transferases )
转移酶能催化一种底物分子上的特定基因(例如酰基、糖基、氨基、磷酰基、甲基、醛基和羰
基等)转移到另一种底物分子上,在很多场合,供体是一种辅助因子(辅酶),它是被转移基团的携带者,所以大部分转移酶需有辅酶的参与,在转移酶中,转氨酶是应用较多的一类酶。

1.2.3　水解酶(hydrolase )
水解酶是指在有水参加下,把大分子物质底物水解为小分子物质的酶,大多不可逆,一般不需要辅助因子。

此类酶发现和应用数量日增,是目前应用最广泛的一种酶。

据估计,生物转化利用的酶约2Π3为水解酶,其它还包括酯酶、蛋白酶、酰胺酶、腈水解酶、磷脂酶和环氧化物水解酶等。

由于脂肪酶较易获得,在已报道的生物转化过程约有30%与脂肪酶有关。

1.2.4　裂解酶(lyases )
裂解酶催化小分子在不饱和键(C=C,C =N和C=O)上的加成或消除。

裂解酶中的醛缩酶,转羟乙醛酶和氧腈酶3类酶在形成C -C时,具有高度的立体选择性,因而日渐引起关注。

用醛缩酶催化的醛缩反应可用于将醛的长度延长2个或3个碳单元,类似于化学醛缩应,该反应可能是将一稳定的带负电的碳加到醛上,并具有高度立体选择性。

1.2.5　异构酶[2]
异构酶能催化顺反异构化、消旋化和差向异构化等多种异构化反应。

例如,葡萄糖异构酶、木糖异构酶、丙氨酸消旋酶等。

1.2.6　合成酶
合成酶也称连接酶,能催化以C-C,C-O,C-S或C-N键将两个分子结合起来,并伴随有三磷酸腺苷(ATP)等的焦磷酶键生成的水解反应,如乙酰辅酶A合成酶,酪氨酸转移RNA合成酶等。

2　酶在精细有机化工中的应用
2.1　在高分子改性中的应用[3]
生物催化剂酶用于高分子合成及改性正是利用酶催化反应的专一性、高效性、高选择性及反应条件的相对温和性,它包括天然高分子的酶催化改性和合成高分子的酶催化改性。

在天然高分子改性中常用的酶有脂肪酶、蛋白酶、半乳糖氧化酶、β-乳糖苷酶等。

应该注意的是,即使是同一种酶,来自于不同的菌种,其性质都会有很大的差异,脂肪酶是高分子改性中应用较多的一种酶,主要用于高分子的酰化、酯化及接枝反应。

而应用于改性合成高分子方面,常用β-半乳糖苷酶、酪氨酸酶和脂肪酶等,如Cheng等[4]用β-半乳糖苷酶催化了合成高分子聚乙二醇(PGE)与乳糖之间的反应。

2.2　合成生物表面活性剂[5]
生物表面活性剂与化学表面活性剂相比,是一类环境友好的表面活性剂。

目前主要有两种方法应用于生物表面活性剂的生产,一种是微生物的方法,另一种是酶催化的方法,与微生物方法相比较,酶法合成的表面活性剂分子多是一些结构相对简单的分子,但同样具有优越的表面活性。

酶法的合成还有其它的优点,如反应条件温和,常温常压的操作没有危险,原料价廉,反应专一性强,副反应少,产物易分离纯化,以及固定化酶可以重复使用等等。

应用酶法合成的生物表面活性剂主要有以下几种类型:(1)酶法合成单酰化甘油脂类生物表面活性剂,单酰化甘油脂主要是通过1,3特那里性脂酶催化动植物油类或脂肪的甘油解(glycerolysis),水解或醇解反应得到。

(2)酶法合成糖脂类生物表面活性剂,利用脂酶的区域选择性,可以很容易地从糖类和脂肪酸或甘油三酯等价廉易得的原料出发合成脂化位置特定的糖脂。

(3)酶法合成氨基酸类生物表面活性剂,利用脂酶以甘油为纽带联接氨基酸和长链脂肪羧酶,再利用无溶剂酶促合成方法等,最后以65%总收率得到了1-0-甘氨酰-3-0-十四烷基酰甘油和45%总收率得到了1-0-(L-苯丙氨酰)-3-0十六酰甘油这两种氨基酸类生物表面活性物质。

(4)酶法合成和修饰磷脂类生物表面活性剂,由磷脂胆碱出发,经过不同的酶催化可以生成磷脂酰丝氨酸、磷脂酰甘油、溶血磷脂等一系列具有表面活性的物质。

(5)酶法合成异头碳上构成单一的烷基糖类表面活性剂,化学方法合成糖苷时会产生端基异构体,采用糖苷酶则可以控制产物异头碳上键的空间构象,生成异头碳上构型单一的烷基糖苷的纯度可达到95%[6]。

2.3　在制药工业的应用
在生产小分子的药物及中间体时,生物催
化或生物转化和传统的化学方法最显著的区别就是非常有效地不对称合成手性化合物。

Om apatrilat是血管紧张素转化酶和肽链内切酶的抑制剂,临床上可用于治疗高血压,L-6-羟基已氨酸是用于合Om apatrilat的手性中间体,分别以氨基酸氧化酶和合氨酸脱氢酶为催化剂,通过两步反应可将外消旋-6-羟基已氨酸转化为L-6-羟基已氨酸,转化率为97%。

对应体过量(e.e值)大于98%[7]。

利用黄嘌呤氧化酶能催化各种含氮杂环化合物的区域选择氧化这一性质,能有效地将6-脱氧阿昔洛韦氧化成阿昔洛韦。

佳息患是HIV-I蛋白酶抑制剂,临床上用于爱滋病的治疗,生产佳息患的一个关键中间体反-1S,2R-氨基茚醇能以手性的1S,2R-环氧茚为前体合成,而以curou2 laria proluberate MF5400中的溴过氧化酶和脱氢酶为催化剂,可直接将茚转化为1S,2R-环氧茚。

在降血糖药物格列吡嗪(glipizide)的合成中,其中一个前体就是在生物催化剂催化下,直接将甲基基团上的非活化碳直接氧化而成[7]。

L-丝氨酸是一具重要的药用氨基酸,孙进等[8]利用丝氨酸羟甲基转移酶催化甲醛和甘氨酸,可逆地合成L-丝氨酸,该法是目前最有应用前景的L-丝氨酸生产方法。

现在用固定化脂肪酶合成抗高血压病药物地尔硫卓的一个关键中间体[11],目的物产率为40%-43%,光学纯度(e.e值为100%)。

用固定化醛缩酶合成N-乙酰神经氨酸已达到吨以上的规模[9],N-乙酰神经氨酸为神经氨酸苷酶抑制剂的前体,该抑制剂临床上用于治疗病毒性流感。

玉米浆生产果糖是在葡萄糖异构酶作用下使D-葡萄糖转化为D-果糖。

以上通过实例说明了氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶等目前已在制药工业中的应用。

2.4　在石油脱硫技术中的应用[10]
酶脱硫路线主要有两种,一种是还原路线,另一种是氧化路线。

在还原路线脱硫过程中,有机硫被转化成H
2
S,然后进一步被氧化成为单质硫,此过程由于没有氧的存在,可以防止烃类物质的氧化,减少油品热量的损失,但是这种方法脱硫能力比较差,很难把它应用于工业化生产。

因此,常常采用氧化法脱硫路线,在氧化路线中,有机硫被转变为硫酸盐,其脱硫路线分为两种途径,一种是碳代谢的kadam a路线,另一种是硫化谢的4-S途径,由于kadam a路线,使油品脱硫后收率约损失1.0%,而4-S 路线酶只选择性地剪断C-S键,将硫原子氧化成硫酸盐或亚硫酸盐而转入水相中除去。

二苯并噻吩(DBT)的骨架结构被氧化成羟基联苯后仍留在油相中,对烃基不发生降解,研究发现,采用与DBT历程中同样的酶对于硫醇、硫化物、二硫化物、噻吩和苯并噻吩等含硫化合物具有相同的历程。

研究证实,生物催化剂对于苯并噻吩类和二苯并噻吩类物质尤其有效。

2.5　在其他方面的应用
环氧水解酶在不对称有机合成中的应用[11],它能够立体选择性地将水分子加成到环氧底物上生成相应的1,2-二醇。

固定化E. coΠiB L21(pT rc-gsh)细胞催化合成谷胱甘肽(G SH)[12],即利用固定化高表达、高G SH催化活性的工程菌细胞催化合成G SH,可通过固定化载体及有机溶剂对细胞膜的作用使细胞的通透性提高而导致合成的G SH由细胞内逐渐扩散至细胞外,从而降低G SH的反馈控制,提高酶的催化效率,并利用后续的分离提取。

这是目前工业化生产G SH的有效途径之一。

厌氧酸化-SBR法(序批式活性污泥法)处理甲醛废水[13],甲醛去除率可以达到98%。

等等酶工程其它一系列工业化应用。

3　结束语
酶催化具有许多化学催化难以比拟的优点,如反应专一性和立体选择性强、反应条件温和、耗能低、
副反应和副产物少等。

但由于对酶反应的发生及其效率影响因素很多使得每一个酶催化都很少具有普遍性的应用、酶易失活、成本高、产物分离困难等,所以它的应用有一定的局限性,解决此类问题目前采用酶的固定化技术。

生物催化剂应用于工业生产目前还为数不多,影响固定化生物催化剂工业应用的主要障碍是酶在有机溶剂中不稳定,另外就是固定化技术尚不够成熟,适合于固定化生物催化剂的生化反应器尚有待研究与开发。

我们相信随着酶工程领域许多新技术的不断涌现酶化学技术一定会在有机化学、药学及其它学科深入地发展并反过来推动其自身的发展
[14]。

参考文献
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REVIEW OF APPLICATIONS OF ENZ YME IN
FINE ORGANIC CHEMICALS
Liu Huan -yu 1
,Lin sen 1
,Mei de -sheng
2
(1.Department o f Chemistry ,Nanchang Univer sity ,Nanchang ,330047China ;2.Department o f Chemistry ,Jianxi Normal Univer sity ,Nanchang ,330027China )
Abstract :Applications of biocatalysis in fine organic chemicals are widely adopted.The applictions of biocata 2lyst enzyme in fine orgainc chemicals in recent years are introduced in this paper.K ey Words :Biocatalysis ;Enzyme。