第六章 酶的非水相催化 PPT
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非水相中的酶催化技术ppt课件
非水相中的酶催 化技术
Enzyme
酶作为一种高效生物催化剂, 具有高度的特异
立体选择性及区域选择性, 并在常温、常压和值 中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利 用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多 的目标产物, 避免了化学合成中的许多不足。目 前, 酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关 注的领域之一, 这主要是因为医药产品一般附加 值高, 且大多是光学活性物质, 作为十分优良的 手性催化剂—酶, 用于多种高效手性药物的合成 及制备将十分有效, 潜力巨大。
二辛酸丙二醇酯的工艺条件研究
底物摩尔比对酯化率的影响
辛酸与丙二醇的摩尔比对辛酸转化为二辛酸丙二醇 酯的酯化率影响较大，考察底物摩尔比对酯化率的影响。 固定丙二醇的量不变，按辛酸与丙二醇摩尔比为1:1、2:1、 3:1、4:1 加入辛酸，加酶量均为丙二醇质量的 1.5%进行反 应。测定不同底物摩尔比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯 计）随反应时间的变化，结果如下图所示。 由图可知，随着辛酸与丙二醇 摩尔比从1:1增加至2:1时，丙二醇转 化为二辛酸丙二醇酯的酯化率有很 大幅度的提高，继续增加至3:1、4:1 酯化率增加幅度不大。同时，考虑 到辛酸过高不利于二辛酸丙二醇酯 的纯化，故选择辛酸与丙二醇最佳 摩尔比为2:1.
按辛酸与丙二醇的摩尔比为 2:1加入原料，加酶量为丙二 醇质量的1.5%，分别在温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、 60 ℃、65 ℃下进行反应，每隔1d取样进行GC分析。测定不 同温度下的酯化率（以二辛酸丙二醇酯计），结果如下图所 示。由下图可见，BT—01脂肪酶催化合成二辛酸丙二醇酯最 佳反应温度为50 ℃，温度过高或过低均不利于反应进行。
GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯类占 有较大的比例。目前，合成该类化合物主要采用化 学合成法。而化学合成工艺往往需要使用腐蚀性强 的强酸作为催化剂，以毒性高的有机原料为溶剂， 易造成环境污染。随着人们对健康的关注和环保意 识的增强，开辟一条对环境友好、安全的合成工艺 路线极为重要。与化学合成法相比，生物催化是一 种“绿色的”环境友好的合成工艺，它具有反应条 件温和、催化效率高、催化专一性强等优点。目前， 国外用生物催化剂替代化学催化剂生产化学品已成 为必然的发展趋势。
Enzyme
酶作为一种高效生物催化剂, 具有高度的特异
立体选择性及区域选择性, 并在常温、常压和值 中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利 用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多 的目标产物, 避免了化学合成中的许多不足。目 前, 酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关 注的领域之一, 这主要是因为医药产品一般附加 值高, 且大多是光学活性物质, 作为十分优良的 手性催化剂—酶, 用于多种高效手性药物的合成 及制备将十分有效, 潜力巨大。
二辛酸丙二醇酯的工艺条件研究
底物摩尔比对酯化率的影响
辛酸与丙二醇的摩尔比对辛酸转化为二辛酸丙二醇 酯的酯化率影响较大，考察底物摩尔比对酯化率的影响。 固定丙二醇的量不变，按辛酸与丙二醇摩尔比为1:1、2:1、 3:1、4:1 加入辛酸，加酶量均为丙二醇质量的 1.5%进行反 应。测定不同底物摩尔比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯 计）随反应时间的变化，结果如下图所示。 由图可知，随着辛酸与丙二醇 摩尔比从1:1增加至2:1时，丙二醇转 化为二辛酸丙二醇酯的酯化率有很 大幅度的提高，继续增加至3:1、4:1 酯化率增加幅度不大。同时，考虑 到辛酸过高不利于二辛酸丙二醇酯 的纯化，故选择辛酸与丙二醇最佳 摩尔比为2:1.
按辛酸与丙二醇的摩尔比为 2:1加入原料，加酶量为丙二 醇质量的1.5%，分别在温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、 60 ℃、65 ℃下进行反应，每隔1d取样进行GC分析。测定不 同温度下的酯化率（以二辛酸丙二醇酯计），结果如下图所 示。由下图可见，BT—01脂肪酶催化合成二辛酸丙二醇酯最 佳反应温度为50 ℃，温度过高或过低均不利于反应进行。
GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯类占 有较大的比例。目前，合成该类化合物主要采用化 学合成法。而化学合成工艺往往需要使用腐蚀性强 的强酸作为催化剂，以毒性高的有机原料为溶剂， 易造成环境污染。随着人们对健康的关注和环保意 识的增强，开辟一条对环境友好、安全的合成工艺 路线极为重要。与化学合成法相比，生物催化是一 种“绿色的”环境友好的合成工艺，它具有反应条 件温和、催化效率高、催化专一性强等优点。目前， 国外用生物催化剂替代化学催化剂生产化学品已成 为必然的发展趋势。
非水相催化课件
非水相催化课件
常用表面活性剂：AOT [丁二酸二（2-乙基）己酯磺酸钠]、 Tween
酶被限制在含水的微环中，而底物和产物可以自由进出胶束。
非水相催化课件
小结
非水相催化课件
（二）气相介质的酶催化
指酶在气相介质中进行催化反应； 适用范围：底物是气体或能转化为气体的物质； 优点：某些酶在液相中使用受到一定限制，如酶和辅
是否可以在非水介质中能够保证酶催化？
非水相催化课件
一、非水相酶学的研究历史
非水相催化课件
非水相催化课件
水相和非水相酶的催化反应
非水相催化课件
二、非水相酶催化的特点和优势
(8) 改变酶选择性，包括底物专一性、对映和区域选择性
非水相催化课件
非水相催化课件
三、非水相酶催化的主要类型
（一）有机介质的酶催化； （二）气相介质的酶催化； （三）超临界流体介质中的酶催化； （四）离子液介质中的酶催化
P：一定条件下体系中水的蒸汽压
Po：相同条件下纯水的蒸汽压
水活度与溶剂极性大小无关，故采用水活度作参 数更确切。
非水相催化课件
三、水活度（activity of water）
2、水活度与酶的活性
酶活性与反应体系的Aw直接相关，如米黑 毛霉脂肪酶在Aw=0.55时，在不同极性的 溶剂中都表现出最高的酶活性，其中在正 己烷溶剂中活性最强，有机溶剂中过多的 水或过少的水都会影响酶活性。
非水相催化课件
水在反应系统中的分配与平衡
水在反应体系会发生分 配， 这种分配导致直接 以溶剂中的水含量计算 酶的结合水会出现误差， 以水活度计算才比较准 确。
非水相催化课件
三、水活度（activity of water）
常用表面活性剂：AOT [丁二酸二（2-乙基）己酯磺酸钠]、 Tween
酶被限制在含水的微环中，而底物和产物可以自由进出胶束。
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小结
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（二）气相介质的酶催化
指酶在气相介质中进行催化反应； 适用范围：底物是气体或能转化为气体的物质； 优点：某些酶在液相中使用受到一定限制，如酶和辅
是否可以在非水介质中能够保证酶催化？
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一、非水相酶学的研究历史
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水相和非水相酶的催化反应
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二、非水相酶催化的特点和优势
(8) 改变酶选择性，包括底物专一性、对映和区域选择性
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三、非水相酶催化的主要类型
（一）有机介质的酶催化； （二）气相介质的酶催化； （三）超临界流体介质中的酶催化； （四）离子液介质中的酶催化
P：一定条件下体系中水的蒸汽压
Po：相同条件下纯水的蒸汽压
水活度与溶剂极性大小无关，故采用水活度作参 数更确切。
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三、水活度（activity of water）
2、水活度与酶的活性
酶活性与反应体系的Aw直接相关，如米黑 毛霉脂肪酶在Aw=0.55时，在不同极性的 溶剂中都表现出最高的酶活性，其中在正 己烷溶剂中活性最强，有机溶剂中过多的 水或过少的水都会影响酶活性。
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水在反应系统中的分配与平衡
水在反应体系会发生分 配， 这种分配导致直接 以溶剂中的水含量计算 酶的结合水会出现误差， 以水活度计算才比较准 确。
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三、水活度（activity of water）
酶的非水相催化
.
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的 有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是 因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量 有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与 配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会 加速这种记忆丧失。
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
.
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
.
1 酶催化反应的介质
水是酶促反应最常用的反应介质。
但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为 许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。 由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反 应的发生。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行 了酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获 得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机 溶剂的互溶体系中进行催化反应。 .
.
酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
.
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化： 有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水
的有机溶剂中进行的催化反应。 特点：
1）适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的 酶催化作用。
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的 有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是 因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量 有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与 配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会 加速这种记忆丧失。
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
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1 酶催化反应的介质
水是酶促反应最常用的反应介质。
但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为 许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。 由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反 应的发生。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行 了酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获 得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机 溶剂的互溶体系中进行催化反应。 .
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酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
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一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化： 有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水
的有机溶剂中进行的催化反应。 特点：
1）适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的 酶催化作用。
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3、水- 有机溶剂两相系统
指由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相体系。疏水 性底物和产物溶解于有机相中，酶溶解于水相中。 由于双相体系中的酶催化反应是在水相中进行，必须保 证反应底物和产物在酶与两相之间又良好的质量传递条 件，因此振荡和搅拌将是该生物催化反应体系中最重要 的参数。
常使用的水不溶性溶剂有烃、醚、酯等。一般应用于强 疏水性的底物，如甾体类、脂类和烯烃类生物转化。
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2、水互溶有机溶剂单相体系
是指由水和与水互溶的有机助溶剂（10~20%） 组成的反应体系，酶、底物、产物均能溶解于 该体系中。 主要适用于在单一水溶液中溶解度很低、反应 速度也很慢的亲脂性底物的生物转化。 常用的有机溶剂有二甲基亚砜（DMSO）、二 甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、二噁烷、 丙酮和低级醇。 非水相催化课件
超临界流体指温度和压力超过临界点的流体。
常用的超临界流体有：CO2、氟利昂（CF3H）、
烷烃类（甲烷、乙烯、丙烷）或无机化合物
（SO2、N2O）。酶在这些溶剂中就像在亲脂 性有机溶剂中一样稳定。
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（四）离子液介质中的酶催化
指酶在离子液中进行催化作用； 离子液(Ionic liquids)是有机阳离子、有机阴离子 在室温下呈液态低熔点盐类。 特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择性、 立体选择性、键选择性。
（二）活性位点和机制
在有机相中酶能够保持其整体结构的完整性，
酶活性部位与水溶液中的结构式相同。 有机溶剂中酶反应机制与水溶液中的酶反应机 制相同。如在有机溶剂中的酶促转酯反应遵循 米氏方程；酶在有机溶剂中的最大催化活力对 应的pH也是酶在水溶液中的最佳pH。
酶的非水相催化
而达到最大反应速度的水活度却变化不大，都在的范围内。 还可以在只含有微量水的有机介质（microaqueous media,又称为微水介质）中进行催化反应。
异性、立体选择性、区域选择性、键选 在有机介质酶催化反应中，有机溶剂对酶的活力、酶的稳定性、酶的催化特性及酶催化速度等都有显著影响。
产物是:酯类、肽类、手性醇等有机化合物
择性和热稳定性等都有所改变。 因此，作为催化介质使用的有机溶剂必须通过实验进行选择、确定。
二、气相介质中的酶催化
气相介质中的酶催化是指酶在气相介 质中进行的催化反应。
适用于底物是气体或者能够转化为气 体的物质的酶催化反应。
由于气体介质的密度低，扩散容易，
所以酶在气象介质中的酶催化作用与在 水溶液中的催化作用有明显的不同特点 。
。 有机溶剂中酶对底物的对映体选择性由于介质的亲(疏)水性的变化而发生改变，例如胰凝乳蛋白酶，胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、弹性
蛋白酶等蛋白水解酶对于底物N—Ac-A1a—OetCl(N—乙酰基丙氨酸氯乙酯)的立体选择因子[即(kcaL／Km)l／(kcat／Km)D的比值]在有
aw=rwXw
体系
是
由
水
和
极
性
较
大
的
有
机
溶
剂
互
相混合组成的反应体系。 三、超临界流体介质中的酶催化
酶催化过程，pH值影响酶活性中心基团和底物的解离状态，直接影响酶的催化活性; 第三节
酶和反 酶在有机介质中的催化特性
而最佳水活度与溶剂的极性大小无关。
应
底
物
都
是
以
溶
解
状
态
存
在
均
一
体
异性、立体选择性、区域选择性、键选 在有机介质酶催化反应中，有机溶剂对酶的活力、酶的稳定性、酶的催化特性及酶催化速度等都有显著影响。
产物是:酯类、肽类、手性醇等有机化合物
择性和热稳定性等都有所改变。 因此，作为催化介质使用的有机溶剂必须通过实验进行选择、确定。
二、气相介质中的酶催化
气相介质中的酶催化是指酶在气相介 质中进行的催化反应。
适用于底物是气体或者能够转化为气 体的物质的酶催化反应。
由于气体介质的密度低，扩散容易，
所以酶在气象介质中的酶催化作用与在 水溶液中的催化作用有明显的不同特点 。
。 有机溶剂中酶对底物的对映体选择性由于介质的亲(疏)水性的变化而发生改变，例如胰凝乳蛋白酶，胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、弹性
蛋白酶等蛋白水解酶对于底物N—Ac-A1a—OetCl(N—乙酰基丙氨酸氯乙酯)的立体选择因子[即(kcaL／Km)l／(kcat／Km)D的比值]在有
aw=rwXw
体系
是
由
水
和
极
性
较
大
的
有
机
溶
剂
互
相混合组成的反应体系。 三、超临界流体介质中的酶催化
酶催化过程，pH值影响酶活性中心基团和底物的解离状态，直接影响酶的催化活性; 第三节
酶和反 酶在有机介质中的催化特性
而最佳水活度与溶剂的极性大小无关。
应
底
物
都
是
以
溶
解
状
态
存
在
均
一
体
酶的非水相催化 ppt课件
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人类认识的进步
1966 年，Dostoli 和 Siegel 分别报道胰凝乳蛋白酶和辣根
过氧化物酶在几种非极性有机溶剂中具有催化活力 1975～1983 年间，Buckland 和 Martinek 等对游离酶和 固定化酶在有机溶剂中合成类固醇及甾醇转化中的应用进 行了大量的探索 1977 年，Klibanov 等人报道了在水/氯仿两相体系中脂肪 酶催化 N-乙酰-L-色氨酸与乙醇的酯化反应，在水中收率 极低，而在两相体系中竟达到 100% 1984 年，Zaks 和 Klibanov 在 Science 杂志上发表了一篇 关于酶在有机介质中催化条件和特点的文章，他们指出， 只要条件适合，酶可以在非水体系中表现出活性，并催化
ppt课件 4
引起全球关注的“非水相酶催化”的报道
Porcine pancreatic lipase catalyzes the transesterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent organic medium. Upon further dehydration, the enzyme becomes extremely thermo-stable. Not only can the dry lipase withstand heating at 100 degrees C for many hours, but it exhibits a high catalytic activity at that temperature. Reduction in water content also alters the substrate specificity of the lipase: in contrast to its wet c o u n t e r p a r t , t h e d r y
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1）用于酶催化反应的超临界流体应当对酶的结构没有 破坏作用，对催化作用没有明显的不良影响；
2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性； 3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在
酶催化的最适温度附近； 4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用； 5）超临界流体要容易获得，价格要便宜等。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
一、酶非水相催化的几种类型
2、气相介质中的酶催化 定义：气相介质中的酶催化是指酶在气相介
质中进行的催化反应。 特点：
酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进 行的催化作用。
离子液（ionic liquids）是由有机阳离子与有机（无机） 阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发 性低、稳定性好。酶在离子液中的催化作用具有良好的 稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特 点。
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
酶的非水相催化
非水相酶催化的相关问题
★在完全无水的情况下，酶是无活性的，极少量的水就 会激发酶的活性；但含水量低于最适水量时，酶会失去 催化活性。
★有机溶剂可能直接与酶分子水合层中的必须水发生反 应，影响酶的结构和功能，尤其是极性较强的溶剂，它 可以溶解大量的水，将酶分子水合层中的必须水剥离掉， 导致酶失活，相对来讲，疏水性溶剂对水的溶解能力较 低，故对酶活和结构影响较小。
酶的非水相催化
酶的非水相催化 酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非
水相催化。 在非水相中，酶分子受到非水相介质的影响，
其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。
酶的非水相催化
非水相酶催化的特性
（1）增加非极性基质的溶解度； （2）使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如
肽的合成、酯的合成等； （3）可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
有机介质 反应体系
微水介质
水与有机溶剂 的均一体系
水与不溶有机 溶剂的
非均一体系
正胶束体系
反胶束体系
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(1)微水介质体系: ◆微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体
系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反应体系。 ◆微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的
性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能 在该反应体系的进行催化反应的酶较少。
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系 (3)与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系： ◆这种体系是由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相
或多相反应体系。游离酶、亲水性底物或产物溶解于水 相，疏水性底物或产物溶解于有机溶剂相。 ◆如果采用固定化酶，则以悬浮形式存在两相的界面。 ◆催化反应通常在两相的界面进行。一般适用于底物和 产物两者或其中一种是属基本保持其完整的结构和 活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的 有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是 因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量 有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与 配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会 加速这种记忆丧失。
1）适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶 催化反应。
2）由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相 中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特 点。
一、酶非水相催化的几种类型
3、超临界流体介质中的酶催化 定义：超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体
中进行的催化反应。 条件要求：
1 酶催化反应的介质
水是酶促反应最常用的反应介质。
但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为 许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。 由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反 应的发生。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行 了酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获 得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机 溶剂的互溶体系中进行催化反应。
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
Chapter 6 Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
Contents of chapter 6
Go 1、酶催化反应的介质 Go 2、有机介质反应体系 Go 3、酶在有机介质中的催化特性 Go 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go 5、酶非水相催化的应用
一、酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
常见的阳离子有季铵盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐 离子等（如下图所示），阴离子有卤素离子、四氟 硼酸根离子、六氟磷酸根离子等.
特点: 不挥发、不可燃、导电性强、黏度低、热容大、蒸
汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好 的溶解性，在电化学、有机合成、催化、分离等领 域被广泛的应用。
酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化： 有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水
的有机溶剂中进行的催化反应。 特点：
1）适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的 酶催化作用。
2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性； 3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在
酶催化的最适温度附近； 4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用； 5）超临界流体要容易获得，价格要便宜等。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
一、酶非水相催化的几种类型
2、气相介质中的酶催化 定义：气相介质中的酶催化是指酶在气相介
质中进行的催化反应。 特点：
酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进 行的催化作用。
离子液（ionic liquids）是由有机阳离子与有机（无机） 阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发 性低、稳定性好。酶在离子液中的催化作用具有良好的 稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特 点。
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
酶的非水相催化
非水相酶催化的相关问题
★在完全无水的情况下，酶是无活性的，极少量的水就 会激发酶的活性；但含水量低于最适水量时，酶会失去 催化活性。
★有机溶剂可能直接与酶分子水合层中的必须水发生反 应，影响酶的结构和功能，尤其是极性较强的溶剂，它 可以溶解大量的水，将酶分子水合层中的必须水剥离掉， 导致酶失活，相对来讲，疏水性溶剂对水的溶解能力较 低，故对酶活和结构影响较小。
酶的非水相催化
酶的非水相催化 酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非
水相催化。 在非水相中，酶分子受到非水相介质的影响，
其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。
酶的非水相催化
非水相酶催化的特性
（1）增加非极性基质的溶解度； （2）使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如
肽的合成、酯的合成等； （3）可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
有机介质 反应体系
微水介质
水与有机溶剂 的均一体系
水与不溶有机 溶剂的
非均一体系
正胶束体系
反胶束体系
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(1)微水介质体系: ◆微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体
系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反应体系。 ◆微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的
性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能 在该反应体系的进行催化反应的酶较少。
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系 (3)与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系： ◆这种体系是由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相
或多相反应体系。游离酶、亲水性底物或产物溶解于水 相，疏水性底物或产物溶解于有机溶剂相。 ◆如果采用固定化酶，则以悬浮形式存在两相的界面。 ◆催化反应通常在两相的界面进行。一般适用于底物和 产物两者或其中一种是属基本保持其完整的结构和 活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的 有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是 因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量 有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与 配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会 加速这种记忆丧失。
1）适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶 催化反应。
2）由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相 中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特 点。
一、酶非水相催化的几种类型
3、超临界流体介质中的酶催化 定义：超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体
中进行的催化反应。 条件要求：
1 酶催化反应的介质
水是酶促反应最常用的反应介质。
但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为 许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。 由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反 应的发生。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行 了酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获 得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机 溶剂的互溶体系中进行催化反应。
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
Chapter 6 Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
Contents of chapter 6
Go 1、酶催化反应的介质 Go 2、有机介质反应体系 Go 3、酶在有机介质中的催化特性 Go 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go 5、酶非水相催化的应用
一、酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
常见的阳离子有季铵盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐 离子等（如下图所示），阴离子有卤素离子、四氟 硼酸根离子、六氟磷酸根离子等.
特点: 不挥发、不可燃、导电性强、黏度低、热容大、蒸
汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好 的溶解性，在电化学、有机合成、催化、分离等领 域被广泛的应用。
酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化： 有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水
的有机溶剂中进行的催化反应。 特点：
1）适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的 酶催化作用。