有机介质中酶促有机化学反应

有机介质中的酶促有机反应

摘要:综述了有机介质中酶促有机化学反应的优点，反应的条件，有机介质对酶反应的影响，以及有机介质酶促反应在有机反应及药物合成中的应用。

关键词：有机介质酶促反应有机化学反应药物合成

Abstract:Review introduces the advantages of enzymatic organic chemical reactions in organic medium, reaction conditions, organic media's influence on the enzyme reaction, and organic medium enzymatic reaction in organic chemistry and the application of the drug synthesis.

Key words:organic medium enzymatic reaction organic chemical reactions drug synthesis

1.有机介质中的酶促反应概述

1.1有机介质酶促反应的优点传统观念认为[1] [3],酶促反应是在水溶液中进行的，又知道水是极性分子，酶只能在极性溶剂中反应，有机溶剂是酶的变性剂，使用有机溶剂时应尽可能短时间内去除，再把酶溶于水中，以防止酶的变性。

随着酶应用技术研究的深入,酶作为一种高效催化剂逐渐向更广泛的应用方面发展，1984年猪胰脂肪酶应用于有机溶剂中进行催化反应,结果发现其具有较高

的催化活性和极高的热稳定性,这一发现开辟了有机相酶促反应这一新的领域。从此酶的应用环境从水介质扩展到有机介质。酶在有机溶剂中不仅保持其生物

活性,而且还有许多突出的优点[1]:(1)增加某些有机底物的溶解度从而提高底物

浓度和产物浓度;(2)有机溶剂影响反应的平衡, 可控制反应向产物合成方向移动;(3)减少水介质可能带来的副反应;(4)酶在有机介质中的热稳定性增加。在

有机介质中脂肪酶可催化许多类型的反应,包括酯化反应、酯交换反应、内酯化反应、多肽合成、聚酯合成、外消旋化合物的动力学拆分及前手性化合物的合

成等。

1.2 有机介质酶促反应的条件

1.2.1必需水[1] [2]

1.概念紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活性所必需的最少量水，亦称结合水或者束缚水

2.含量[1]一般因酶分子本身，或溶剂系统不同而有所不同。如脂肪酶有几个水

分子，胰凝乳蛋白酶几十个水分子，多酚氧化酶几百个水分子。另外同一个酶

在不同溶剂系统中含水量也不同。如胰凝乳蛋白酶在甲苯中含水0.5%，在氯仿

等系统中，含水1.0%，酶活性最高。

3.重要性水是保证酶催化反应的必需条件，酶活性构象的维系与水分子的氢键效应密切相关，与酶分子紧密结合的一单层水分子对催化作用非常重要，而其

他的水则没那么重要,也就是说只要必需水不丢失，其他大部分水可由有机溶剂代替。有机介质中的酶反应从微观上说就是水的酶反应。

1.2.2酶的选择

1、酶种类的选择：脂肪酶、蛋白酶、次黄嘌呤氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。除与酶有关，还与酶-底物、产物-溶剂间关系有关。

2、酶形式的选择

（1）酶粉例如：有人研究a-胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，发现催化活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。

（2）化学修饰酶例如：SOD酶经糖脂修饰后变成脂溶性，它对温度、pH、蛋白酶水解的稳定性均高于天然SOD。

（3）固定化酶把酶吸附在不溶性载体上（如硅胶、硅藻土、玻璃珠等）制成固定化酶，其对抗有机介质变性的能力、反应速度、热稳定性等都可提高。

1.2.3 溶剂及反应体系的选择

1.水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、甘油、丙酮、乙晴等。

2.水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、戊醚等。

3.酶促反应有机介质体系：

（1）单相共溶剂体系（水/水溶性有机熔剂）

（2）两相体系（水/水不溶性有机溶剂）

（3）低水有机溶剂体系（有机溶剂体系）

（4）反胶束体系

1.2.4 pH选择和离子强度的影响[3]

（1）pH选择：在有机溶剂的环境中，不会发生质子化及脱质子化的现象。酶在水相的pH值可在有机相中保持，同一种酶不同来源，对pH值敏感程度大不相同。

（2）离子强度影响随冻干时用的缓冲溶液离子强度增大，酶活性会增大。

1.3 有机介质对酶性质的影响

1.3.1 稳定性

在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密切相关。一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定，含水量超出临界含水量后酶稳定性随含水量的增加而急剧下降。

1.3.2 活性

（1）单相共溶剂体系中，有机溶剂直接作用于酶。有些酶的活性会随着某些有机溶剂浓度升高而增大，在某一浓度（最适浓度）达到最大值；若浓度再升高，则活性下降。

（2）低水有机溶剂体系中，大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活性亦变化。例有人对吸附在不同载体上的胰凝乳蛋白酶或乙酸脱氢酶在各种水活度下的酶活性研究表明，酶活性随水活度大小而变化，在一定水活度下，酶活性随载体不同而变化。

（3）在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加。

1.3.3 专一性

某些有机介质可能使某些酶的专一性发生变化，这是酶活性中心构象刚性增强的结果。有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主导反应。

2.有机介质酶促反应在有机化学反应中的应用

2.1 酯合成

在有机介质中进行酶促酯化反应有着传统化学方法无可比拟的优点。为了解决维生素A在空气中易氧化变质的问题,人们采用了酯化法将维生素A进行修饰,但是酯化过程中产生的副产物较多、收率不高。而在有机溶剂中进行酶催化酯化,则克服了上述缺点。宋欣[4]等利用自制的丝孢酵母脂肪酶在正己烷中利用长链不饱和亚油酸和油醇合成了亚油酸油醇酯,这是一种可用作高级润滑剂的酯蜡。而传统的化学合成方法不但需要高温高压及强酸等苛刻条件,副反应多,产物的分离纯化困难,生产成本高,而且对于长链脂肪酸和醇之间的反应难度增大。

2.2 酯交换反应

酯交换反应(又称转酯化反应)是一类有重要应用价值的酯化反应, 主要被用于油脂工业中来改良天然油脂的组成和物理性质。为了获得具有一定物理和化学性质的油脂, 需要改变一些天然油脂的部分组成, 即去掉某些脂肪酸残基, 而引入某些所需的脂肪酸, 实现酰基间的交换。丁永学[5]等在多种有机溶剂中利用脂肪酶催化消旋化的环戊烯酮与乙酸乙烯酯的转酯反应,由于只有R型环戊烯酮参与反应,从而得到了旋光度很高的S型环戊烯酮。最后,经进一步的化学反应得到了光学纯的丙烯菊酯,丙烯菊酯是一种高效、低毒杀虫剂,其S 型旋光异构体的药效比R型高2～5倍。

2.3高分子聚合物的合成

根据酶在生物体内可以催化合成多糖、蛋白质等生物大分子,近年来人们研究了酶在体外状态下催化合成高分子聚合物。国内外利用生物酶催化合成高分子的研究已有很多报道,如过氧化酶中的辣根酶、酚氧化酶中的漆酶、酪氨酸酶可以催化芳香胺、酚或取代酚类化合物聚合合成高分子,脂肪酶可催化合成聚酯,糖苷酶可催化合成聚糖等。从目前的发展来看,利用生物酶催化聚合合成高分子化合物是高分子学科的前沿领域之一。

2.4 肽合成

在自然界,大多数蛋白质与活性肽是由一个氨基酸的α羧基与另一氨基酸α

氨基形成肽键。在无水第三戊醇中,用枯草杆菌酶作催化剂,当氨基组分为赖氨酸时,α-氨基不参与反应,只有ε-氨基参与肤键的形成得到纯的ε-异体。在无水甲苯或四氢吠喃中,猪胰脂肪酶可以催化肽键的形成,肽的N-端也可以是D-构型的氮基酸。[1]

2.5 其它

除了上述的典型反应,酶在有机介质中还能催化其它类型的反应。猪胰脂肪酶和Candidacylindracea 脂肪酶在四氯化碳中可以催化对甲氧基苯胺与丙炔酸乙酯反应制备丙炔酰胺。而常规化学合成会在三键上发生Michaels加成反应。