Chapter7-酶的非水相催化

第七章

酶的非水相催化EnzymaticcatalysisinNon-aqueoussystem1人们以往普遍认为只有在水溶液中酶才具有催化活性。非水介质中酶催化在理论上进行了非水介质〔包括有机溶剂介质，超临界流体介质，气相介质，离子液介质等〕中酶的结构与功能、非水介质中酶的作用机制，非水介质中酶催化作用动力学等方面的研究，初步建立起非水酶学〔non-aqueousenzymology〕的理论体系。非水介质中酶催化作用的在应用上，利用酶在有机介质中的催化作用进行多肽、酯类等的生产，甾体转化，功能高分子的合成，手性药物的拆分等方面均取得显著成果。2Contents1、酶的非水相催化2、有机介质反响体系3、酶在有机介质中的催化特性

4、有机介质中酶催化反响的条件及其控制GoGoGoGo5、酶非水相催化的应用

Go31酶的非水相催化水是酶促反响最常用的反响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、聚合和分解等副反响的发生。是否存在非水介质能保证酶催化？1984年，克利巴诺夫〔Klibanov〕等人在有机介质中进行了酶催化反响的研究，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响。4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。有机介质中的酶催化、气相介质中的酶催化、超临界流体介质中的酶催化和离子液介质中的酶催化

。5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响。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。酶在有机介质中由于能够根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。酶在有机介质中起催化作用时，酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性和热稳定性等都有所改变。用于多肽、酯类的生产，甾体转化，功能高分子合成，手性药物的拆分等。6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响。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响。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。7超临界流体介质中的酶催化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响。用于酶催化反响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；具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性；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；超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用；超临界流体要容易获得，价格要廉价等。8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〔ionicliquids〕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。9在酶的非水相催化中，研究最多的非水相介质是有机溶剂。

1984年，克立巴诺夫等人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响；也可以在水和有机溶剂组成的双液相体系中进行催化反响；还可以在只含有微量水的有机溶剂，又称微水介质中进行催化反响。说明，只要条件适合，酶可以在有机介质催化疏水性底物进行反响转化为产物。使酶在非水介质中的催化作用研究取得了突破性的进展。

102有机介质反响体系反响体系的组成对酶分子的催化活性、酶的稳定性、酶催化作用底物和催化反响产物的溶解度及其分布状态、酶催化反响速度等都有显著影响。超临界流体介质反响体系气相介质反响体系有机介质反响体系水溶液反响体系112.1有机介质反响体系包括：微水介质体系，与水溶性有机溶剂组成的均一体系，与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系，胶束体系和反胶束体系，其中微水介质体系是在有机介质酶催化中研究最多、应用最广泛一种反响体系。不管采用何种有机介质反响体系，酶催化反响的介质中都含有机溶剂和一定量的水。它们都对催化反响有显著的影响。12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响体系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反响体系。用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的空间构象和催化活性至关重要。另外有一局部水分配在有机溶剂中。酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固体载体外表上。通常所说的有机介质反响体系主要是指微水介质体系。13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响体系。有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在这种体系中。由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能在该反响体系的进行催化反响的酶较少。该体系近几年受到人们的极大关注。主要是因为辣根过氧化物酶可以在此均一体系中催化酚类或芳香胺类底物聚合生成聚酚或聚胺类物质，这些物质在环保黏合剂、导电聚合物和发光聚合物等功能材料研发方面的应用引起人们的极大兴趣。14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响体系。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，那么以悬浮形式存在两相的界面。催化反响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于疏水化合物的催化反响。应用较少。15〔正〕胶束体系胶束又称为正胶束或正胶团，是在大量水溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂，参加外表活性剂后形成的水包油的微小液滴。外表活性剂的极性端朝外，非极性端朝内，有机溶剂包在液滴内部。反响时，酶在胶束外面的水溶液中，疏水性的底物或产物在胶束内部。反响在胶束的两相界面中进行。16反胶束体系

反胶束又称为反胶团，是指在大量与水不相混溶的有机溶剂中，含有少量的水溶液，参加外表活性剂后形成的油包水的微小液滴。外表活性剂的极性端朝内，非极性端朝外，水溶液包在胶束内部。反响时，酶分子在反胶束内部的水溶液中，疏水性底物或产物在反胶束外部，催化反响在两相的界面中进行。酶分子处于反胶束内部的水溶液中，稳定性较好。适用于处于生物膜外表或与膜结合的酶的结构、催化特性和动力学性质的研究。172.2反响体系中水对酶催化反响的影响酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件下，酶分子才能进行催化反响。所以酶在有机介质中进行催化反响时，水是不可缺少的成分之一。有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶的催化活性、酶的稳定性、酶的催化反响速度等都有密切关系，水还与酶催化作用的底物和反响产物的溶解度有关。酶分子只有在空间构象完整的状态下，才具有催化功能。在无水的条件下，酶的空间构象被破坏，酶将变性失活。故此，酶分子需要一层水化层，以维持其完整的空间构象。维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量称为必需水〔essentialwater〕。必需水与酶分子的结构和性质有密切关系。不同的酶，所要求的必需水的量差异很大。18有机介质中水的含量对酶催化反响速度有显著影响。在催化反响速度到达最大时的水含量称为最适水含量。最适水含量与有机溶剂种类、固定化载体特性、修饰剂的种类有关，要根据实际情况，通过实验确定最适水含量。在有机介质中含有的水，主要有两类，一类是与酶分子紧密结合的结合水，另一类是溶解在有机溶剂中的游离水。研究说明，在有机介质体系中，酶的催化活性随着结合水量的增加而提高。结合水也是影响酶催化活性的关键因素。研究说明，在一般情况下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加。最正确水活度与溶剂的极性大小没有关系。所以采用水活度作为参数来研究有机介质中水对酶催化作用的影响更为确切。192.3反响体系中有机溶剂对酶催化反响的影响常用的有机溶剂有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇，丙醇，乙腈，已酯，二氯甲烷等。酶具有完整的空间结构和活性中心才能发挥其催化功能。在水溶液中，酶分子均一地溶解于水溶液中，可以较好地保持其完整的空间结构。在有机溶剂中，酶分子不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反响。根据酶分子的特性和有机溶剂的特性的不同，保持其空间结构完整性的情况也有所差异。有些酶在有机溶剂的作用下，其空间结构会受到某些破坏，从而使酶的催化活性受到影响甚至引起酶的变性失活。有些酶在有机溶剂中结构和活性中心根本保持完整，能在有机介质中进行反响，但也可能对外表结构和活性中心产生影响，从而影响酶的催化活性。20极性较强的有机溶剂，如甲醇，乙醇等，会夺取酶分子的结合水，影响酶分子微环境的水化层，从而降低酶的催化活性,甚至引起酶的变性失活。因此应选择好所使用的溶剂，控制好介质中的含水量，或者经过酶分子修饰提高酶分子的亲水性，防止酶在有机介质中因脱水作用而影响其催化活性。有机溶剂与水之间的极性不同，在反响过程中会影响底物和产物的分配，从而影响酶的催化反响。有机容剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。一般选用2≤lgP≤5这样极性适中的有机溶剂作为有机介质。213酶在有机介质的催化特性酶在有机介质中起催化作用时，由于有机溶剂的极性与水有很大差异，对酶的外表结构、活性中心的结合部位和底物性质都会产生一定的影响，从而显示出与水相介质中不同的催化特性。底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性、热稳定性、pH值22底物专一性在有机介质中，由于酶分子活性中心的结合部位与底物之间的结合状态发生某些变化，致使酶的底物特异性会发生改变。有机介质中有机溶剂与底物之间的疏水作用比底物与酶之间的疏水作用更强，所以疏水性强的底物容易受到有机溶剂的影响，从而影响底物与酶分子活性中心的结合。不同的有机溶剂具有不同的极性，所以在不同的有机介质中，酶的底物专一性也不一样。在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反响；而在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易反响。23立体选择性酶的对映体选择性〔enantioselectivity〕又称为立体选择性或立体异构专一性，是酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小的指标。酶立体选择性的强弱可以用立体选择系数〔KLD〕的大小来衡量。立体选择系数越大，说明酶催化的对映体选择性越强。KL，D=(Kcat/Km)L/(Kcat/Km)D酶在有机介质中催化，与在水溶液中催化比较，由于介质的特性发生改变，而引起酶的对映体选择性也发生改变。

酶在水溶液中催化的立体选择性较强，而在疏水性强的有机介质中，酶的立体选择性较差。24区域选择性酶在有机介质中进行催化时，具有区域选择性〔regioselectivity〕,即酶能够选择底物分子中某一区域的基团优先进行反响。酶区域选择性的强弱可以用区域选择系数Krs的大小来衡量。区域选择系数与立体选择系数相似，只是以底物分子的区域位置1，2，代替异构体的构型L,D。即： K1，2=(Kcat/Km)1/(Kcat/Km)2。25键选择性酶在有机介质中进行催化的另一个显著特点是具有化学键选择性。即在同一个底物分子中有2种以上的化学键都可以与酶反响时，酶对其中一种化学键优先进行反响。键选择性与酶的来源和有机介质的种类有关。如脂肪酶催化6-氨基-1-己醇的酰化反响，底物分子中的氨基和羟基都可能被酰化，分别生产肽键和酯键。当采用黑曲霉脂肪酶进行催化，羟基的酰化占绝对优势；采用毛霉脂肪酶催化时，那么优先使氨基酰化。26热稳定性许多酶在有机介质中的热稳定性比在水溶液中的热稳定性更好，可能是由于有机介质中缺少引起酶分子变性失活的水分子所致。因为水分子会引起酶分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的脱氨基作用，还能引起天冬氨酸肽键的水解、半胱氨酸的氧化、二硫键的破坏等等。酶在有机介质中的热稳定性还与介质中的水含量有关。通常情况下，随着介质中水含量的增加，其热稳定性降低。27pH值特性在有机介质反响中，酶所处的pH环境与酶在冻干或吸附到载体上之前所使用的缓冲液pH值相同。这种现象称之为pH印记〔pH-imprinting〕或称为pH记忆。酶在有机介质中催化反响的最适pH值通常与酶在水溶液中反响的最适pH值接近或者相同。利用酶的这种pH印记特性，可以通过控制缓冲液中pH值的方法，到达控制有机介质中酶催化反响的最适pH值。28有机介质酶催化反响的优点酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构象表现出比水溶液中更具有“刚性”特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些特性成为可能。例如在有机溶剂中，可以利用酶与配体的相互作用性质，诱导改变酶分子的构象，调控酶的底物专一性、立体选择性和手性选择性等。由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关,因此在有机介质中酶的稳定性得到显著提高。由于有机溶剂的存在,水量减少，大大降低了许多需要水参与的副反响，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。在有机介质中进行的酶促反响，可以省略产物的萃取别离过程,提高收率。294有机介质酶催化反响的条件及其控制酶在有机介质中可以催化多种反响：合成反响、转移反响、醇解反响、氨解反响、异构反响、氧化复原反响、裂合反响等。酶在有机介质中的各种催化反响受到各种因素的影响：酶的种类和浓度、底物的种类和浓度、有机溶剂的种类，水含量、温度、pH和离子强度等30酶的种类和浓度酶的选择至关重要。不同的酶具有不同的结构和特性，同一种酶，由于来源的不同和处理方法〔如纯度、冻干条件、固定化载体和固定化方法、修饰方法和修饰剂等〕的不同，其特性也有所差异，所以要根据需要通过试验进行选择。在酶催化反响时，通常酶所作用的底物浓度远远高于酶浓度，所以酶催化反响速度随着酶浓度的升高而升高，两者成正比。在有机介质中进行催化反响，对酶的选择不但要看催化反响的速度的大小，还要特别注意酶的稳定性、底物专一性、对映体选择性、区域选择性、键选择性等。31底物的种类和浓度由于酶在有机介质中的底物专一性与在水溶液中的专一性有些差异，所以要根据酶在所使用的有机介质中的专一性选择适宜的底物。底物的浓度对酶催化反响速度有显著影响，一般说来，在底物浓度较低的情况下，酶催化反响速度随底物浓度的升高而增大。当底物到达一定浓度以后，再增加底物浓度，反响速度的增大幅度逐渐减少，最后趋于平衡，逐步接近最大反响速度。需要考虑底物在有机溶剂和必需水层中的分配情况。疏水性强的底物虽然在有机溶剂中溶解度大，浓度高，但难于从有机溶剂中进入必需水层，与酶分子活性中心结合的底物浓度降低，降低催化速度；如果底物亲水性强，在有机溶剂中溶解度低，也使催化速度降低。故应根据底物极性，结合有机溶剂选择，控制好底物浓度32有机溶剂的种类有机溶剂由于极性不同，对酶分子的结构以及底物和产物的分配有不同影响，从而影响催化速度，同时还影响底物专一性、立体选择性、区域选择性和键选择性等。因此，作为影响酶在有机介质中催化的关键因素之一，使用时要根据具体情况进行选择。有机溶剂的极性选择要适当，通常选用2≤lgP≤5的溶剂作为催化反响介质。极性过强〔lgP<2〕的溶剂，会夺取较多的酶分子外表结合水，影响酶分子的结构，并使疏水性底物的溶解度降低，从而降低酶反响速度，在一般情况下不选用；极性过弱〔lgP≥5〕的溶剂，虽然对酶分子必需水的夺取较少，疏水性底物在有机溶剂中的溶解度也较高，但是底物难于进入酶分子的必须水层，催化反响速度也不高。在与水混溶的有机介质中，有机溶剂的含量对酶催化作用也有显著影响。〔见书中例子〕33水含量有机介质中，水的含量对酶分子的空间构象和酶催化反响速度有显著影响。在酶、有机溶剂和其他条件不变的情况下，水含量低，反响速度与水含量正相关；在体系水含量到达最适水含量时，催化速度到达最大；超过最适水含量，反响速度降低。所以要通过试验确定反响体系的最适水含量。最适水含量与溶剂的极性有关，通常随溶剂极性的增大，最适水含量也增大；而到达最大反响速度的水活度却变化不大，都在0.5～0.6之间。所以水活度更确切地反映了水对催化反响速度的影响。34温度控制温度是影响酶催化作用的主要因素之一。温度升高能加快反响速度，也会导致酶的变性失活。酶反响的最适温度就是综合两种因素的结果，在该温度下，酶催化的反响速度将到达最大。在微水有机介质中，由于水含量低，酶的热稳定性增强，所以其最适温度高于在水溶液中催化的最适温度，故要通过试验来确定最适温度，以提高催化速度。酶与其它非酶催化剂一样，温度升高时，其立体选择性降低。必须通过试验，控制适宜的反响温度，使酶催化反响在较高的反响速度以及较强的立体选择性条件下进行。由于手性化合物的拆分使有机介质酶催化的主要应用领域，这方面的温度控制显得特别重要35pH值和离子强度的控制酶在有机介质中催化的最适pH值通常与在水溶液中催化的最适pH值相同或者接近。原因在于，在有机介质中，与酶分子基团结合的必需水维持酶分子的空间构象，而且只有在特定的pH和离子强度条件下，酶的活性中心上的基团才能到达最正确的解离状态，从而保持其催化活性。在有机介质中，酶的催化活性与酶在缓冲溶液中的pH值和离子强度有密切关系。酶分子从缓冲溶液转到有机介质后，酶分子保存了原有的pH印记。可以通过调节缓冲溶液pH和离子强度的方法对有机介质中酶催化的pH值和离子强度进行调节控制。虽然酶分子从缓冲溶液转到有机介质时，其pH状态保持不变，但在酶进行冷冻枯燥过程中，pH状态常常有所变化。为使酶分子在有机介质中具有最正确的解离状态，应当在酶液冻干之前或者在催化过程中采取某些保护措施，防止酶的催化活性受到不良影响。在有机介质中参加某些有机相缓冲液，即某些疏水性酸〔碱〕与其相应的盐组成的混合物，可以对反响的pH值进行调节控制。365酶非水相催化的应用随着酶催化理论的突破，近年来，酶催化聚合反响的研究十分活泼，特别是利用酶催化技术成功合成了化学方法难以实现的功能高分子，而且该技术具有节能和对环境无不良影响等优点。与水相中的酶反响相比，非水相中的酶反响有它独特的优越性，尤其是在有机合成方面主要表现在：有利于疏水性物质的反响；可改变反响的平衡方向；可催化水相中不能进行的反响；可以控制底物专一性；可提高酶的稳定性；便于消除底物和产物的抑制作用；酶和产物易于回收；可减少微生物的污染。37酶催化反应应用

脂肪酶肽合成青霉素G前体肽合成酯合成醇与有机酸合成酯类转酯各种酯类生产聚合二酯的选择性聚合酰基化甘醇的酰基化蛋白酶肽合成合成多肽酰基化糖类酰基化羟基化酶氧化甾体转化过氧化物酶聚合酚类、胺类化合物的聚合多酚氧化酶氧化芳香化合物的羟基化胆固醇氧化酶氧化胆固醇测定醇脱氢酶酯化有机硅醇的酯化38手性药物拆分手性是自然界的一种普遍现象，构成生物体的根本物质如氨基酸、糖类等都是手性分子。手性异构体(对映体)在药物中占有很大的比例，据统计，药物中约有30％一40％是手性的。经由化学合成得到的药物往往是对映体，不是单一的光学异构体。虽然其物理化学性质根本相同，但是由于药物分子所作用的受体或靶位是氨基酸、核苷、膜等组成的手性蛋白质和核酸大分子等，它们对与其结合的药物分子的空间立体构型有一定的要求，因此，对映体药物在体内往往呈现很大的药效学、药动学等方面的差异。鉴于此，美国食品医药管理局(FAD)在1992年规定，今后研制具有不对称中心的药物，必须给出手性拆分结果，欧共体也采取了相应措施，这大大推动了手性药物拆分的研究和生产应用，手性拆分已成为药理学研究和制药工业日益迫切的课题。39应用酶和微生物在底物上引进手性中心的方法有很久的历史了，如氢化可的松及维生素c的生产等。因为酶的活性中心是一个不对称环境，有利于识别消旋体，在一定条件下，酶只能催化消旋体中的一个对映体发生反响而成为不同的化合物，从而使两个对映体分开，反响产物的对映过剩百分率可达100％。另外，酶催化的反响大多在温和的条件下进行，温度通常不超过0~50℃，pH值接近中性；而且酶无毒，易降解不会造成环境污染，适于大规模生产。因此，用催化效率高、专一性强的酶拆分消旋体是获取对映体纯化合物的捷径。随着酶固定化技术、多相反响器等新技术日趋成熟，大大促进了酶拆分技术的开展，脂肪酶、酯酶、蛋白酶、转氨酶等诸多酶类已用于外消旋体的拆分。40脂肪酶(Lipase)是研究最早的一类酶，是一类特殊的酯键水解酶。脂肪酶具有高度的选择性和立体专一性，且反响条件温和，副反响少，适用于催化非水相介质中的化学反响。Miehimasa等人分别用Pseudomonassp脂肪酶和猪胰脂肪酶(PPL)对2-苯-l-丙醇进行了拆分，反响是通过两种酶分别催化酯交换反响而进行，使得对映体拆分率分别提高到了39％和4l％。另外，酯酶具有很高的工业价值，其应用前景也极为广阔。最近，Jianxin等人利用Pseudomaonascepacia脂肪酶拆分了一类酰基取代的1-环己烯衍生物。因为在抗体或抗肿瘤的天然活性物质中常含有此基团，是一类极有药用前途的母核。该法通过酶催化酯交换反响，而得到了产率较高的光学纯化合物，且提供了反响过程监测方法，因此可有效的推广到该类化合物的一系列衍生物的合成与拆分。41手性高分子聚合物的制备蛋白质、核酸、多糖等生物大分子都属于手性高分子聚合物。手性对于生物体的新陈代谢有重要意义。研究说明，手性对于人工合成的高分子有机物的物理特性和加工特性都有明显影响，故手性有机材料的研究开发逐渐受到人们的重视。利用脂肪酶等水解酶在有机介质中的催化作用，可以合成多种具有手性的聚合物，用作可生物降解的高分子材料、手性物质吸附剂等。42利用脂肪酶在甲苯、四氢呋喃、乙腈等有机介质中的催化反响，将选定的有机酸和醇的单体聚合，可以得到可生物降解的聚酯。如猪胰脂肪酶在甲苯介质中，催化己二酸氯乙酯与2,4-戊二醇反响，聚合生成可生物降解的聚酯。糖酯是一类由糖和酯类聚合而成的有重要应用价值的可生物降解的聚合物。高级脂肪酸的糖酯是一种高效无毒的外表活性剂，在医药、食品等领域广泛应用；一些糖酯如二丙酮缩葡萄糖丁酸酯等具有抑制肿瘤细胞生长的成效。采用不同的糖为羟基供体，以各种有机酸酯为酰基供体，以蛋白酶、脂肪酶等为催化剂，在有机介质中反响，可获得各种糖酯。如蛋白酶在吡啶介质中催化蔗糖与三氯乙醇丁二酸酯聚合生产聚糖酯。43酚树脂的合成酚醛树脂具有机械强度高、电性能好、耐热性能优良、难燃等特点,被广泛应用于涂料、粘合剂和航天等领域。由于原料甲醛的毒性,所以人们一直在研究传统酚醛树脂的绿色化生产技术和寻求其替代品。采用过氧化物酶催化酚类底物合成聚酚树脂,代替酚醛树脂,是一种解决传统酚醛树脂生产中的污染问题的新方法。用于酚类单体聚合反响的酶主要是氧化复原酶,如辣根过氧化物酶(HRP)、大豆过氧化物酶(SBP)和漆酶(Laccase)。如辣根过氧化物酶在二氧六环与水混溶的均一介质体系中，可以催化苯酚等酚类物质聚合，生成酚类聚合物。44导电有机聚合物的合成导电聚合物(conductingpolymer)又称导电高分子，是指通过掺杂等手段，能使得电导率在半导体和导体范围内的聚合物。通常指本征导电聚合物(intrinsiccondcutingpolymer)，这一类聚合物主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系。π电子的流动产生了导电的可能性。导电聚合物〔聚乙炔〕由日本科学家白川英树最先发现，美国科学家Heeger和MacDiarmid也是这一研究领域的先驱。这三位科学家由于在导电聚合物研究中的突出奉献，共同获得了2000年的诺贝尔化学奖。

45小插曲 1977年，日本科学家白川英树的一个学生在做合成聚乙炔的实验中出现了一个偶然的失误,他向聚合体系中多参加了1000倍的催化剂,结果却让白川英树非常吃惊：一层美丽的具有金属光泽的银色薄膜出现了！这种闪闪发光的薄膜是反式聚乙炔。

与此同时,在太平洋此岸，麦克迪尔米德和黑格正在试验用无机聚合物氮化硫制备具有金属光泽的薄膜。在日本东京的一次学术交流会的咖啡休息时间里，麦克迪尔米德很偶然地遇见了白川英树，当他得知他的同行发现了聚合物闪光薄膜后，便邀请白川英树到宾夕法尼亚大学访问。之后，他们着手通过碘蒸气氧化掺杂聚乙炔。黑格让他的一个学生来测量这种薄膜的导电性，结果发现经碘掺杂的反式聚乙炔的电导率提高了上千万倍！1977年，他们把这一发现发表在英国皇家学会的TheJournalofChemicalSociety:ChemicalCommunications上。 导电聚合物打破了普通塑料的常规，它将为人类提供新一代的神奇装置，如可以折叠的电视机屏幕和可以穿在身上的计算机等。这一国际前沿研究领域成为21世纪科学的先驱！

46自1970年代第一种导电聚合物--聚乙炔发现以来，一系列新型的导电高聚物相继问世。常见的导电聚合物有：聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔等。聚乙炔是最先报道具有高电导率的、结构最简单的共轭高聚物。由于聚乙炔具有特殊的光学、电学和磁学性质以及可逆的电化学性质，它在二次电池和光电化学电池方面显示诱人的应用前景，但最致命的弱点是它在空气中不稳定。聚噻吩和聚吡咯具有将聚乙炔的氢用硫或NH取代的结构,尽管它们的电导率没有聚乙炔高,但其稳定性好,能够用于制备电子器件。

被称为“苯胺黑”的聚苯胺粉末早在1910年已经合成出来,然而直到从酸性的水溶液介质中通过苯胺单体的氧化聚合而制备的聚苯胺才具有较高的电导率。聚苯胺具有结构多样化、在空气中稳定、物理化学性能优异、制备工艺简单等特点,在二次钮扣电池和电致变色等方面有着诱人的应用前景。辣根过氧化物酶可以在与水混溶的有机介质〔丙酮、乙醇、二氧六环等〕中，催化苯胺聚合生成聚苯胺。发光有机聚合物的合成47发光有机聚合物的合成新型光学材料在激光技术、全色显示系统、光电计算机等方面都有重要应用，时当今材料科学与工程领域的研究热点。非线性光学材料时激光技术的物质根底之一。研究说明，有机非线性光学材料的倍频效应比无机材料高几百倍，激发响应时间时无机材料的上千倍。在有机介质中，通过酶催化聚合而成的聚酚类物质具有较高的三阶非线性光学系数，是一类有重要应用前景的非线性光学材料。辣根过氧化物酶在有机介质中可以催化对苯基苯酚合成聚对苯基苯酚，将其制成二极管，可以发蓝光，是一种具有良好应用前景的蓝光发射材料。48食品添加剂的生产食品添加剂是指在食品中或食品加工中使用的各种微量物质，其添加量通常不超过2%。添加不同的物质，所要到达的目的或所起作用是不同的。有的是为了改进和保持食品的营养价值而添加的；有的是为了延长食品的货架期添加的；有的是为方便食品而添加的；有的是为增强食品的风味，改变食品的色泽而添加的；有的是为了确保微生物的平安性而添加的；有的是保持食品品质的连续性和统一性添加的。据统计，目前全球开发的食品添加剂种类已到达14000多种,其中直接使用约有4000种左右,常用的品种近700种,主要品种有食品防腐抗氧剂、调味剂、乳化增稠剂、酸味剂、甜味剂、品质改进剂、酶制剂、食用着色剂、食用香料、营养强化剂等。49食品添加剂的生产可以通过提取别离技术从天然动植物或微生物中获取，也可以通过微生物发酵、酶法转化或化学合成法生产。利用酶在有机介质中的催化作用，可以生产人们所需的食品添加剂。如利用脂肪酶的作用，将甘油三酯水解生产的甘油单酯，是一种广泛使用的食品乳化剂；利用脂肪酶在有机介质中的转酯反响，将甘油三酯转化为具有特殊风味的可可脂；利用酯酶催化小分子醇和有机酸合成具有各种香型的酯类等。50天苯肽是一种用途广泛的食品甜味剂，可通过嗜热菌蛋白酶在有机介质中催化合成：嗜热菌蛋白酶在有机介质中催化L-天冬氨酸和L-苯丙氨酸甲酯反响生成天苯肽。香兰素是一种广泛使用的食品香料，从天然植物中提取的话，产量较低；也可由苯酚、甲基邻苯二酚等进行化学合成，但这些物质有毒性；一种较好的途径是通过微生物发酵得到香兰酸，在通过芳香醛脱氢酶的催化作用，将香兰酸复原为香兰素。51生物柴油的生产柴油是石油化工产品，由于石油属于不可再生的能源，石油资源的短缺是世界面临的危机之一，寻求新的可再生能源已经成为世界性的重大课题。根据1992年美国生物柴油协会(NationalBiodieselBoard,NBB)的定义,生物柴油(Biodiesel)是指以植物、动物油脂等可再生生物资源生产的可用于压燃式发动机的清洁替代燃油。从化学成分上讲,生物柴油是一系列长链脂肪酸单烷基酯。最典型的生物柴油是脂肪酸甲酯。生物柴油作为一种生物质能经过近20多年年的开展,已成为继燃料乙醇之后的第二大生物质液体燃料。这是因为:①它是一种可再生能源,可缓解目前对石油的依赖;②与环境友好,根本不含硫和芳烃,可被生物降解、无毒、对环境无害;③具有优良的润滑性能;④闪点高(普通柴油的闪点50℃),储藏、运输和使用都更加平安。生物柴油作为优质的柴油代用品，是典型的“绿色能源”，生物柴油产业在我国具有巨大的开展潜力，对保障石油平安、保护生态环境、调整农业结构、促进农业和制造业开展、提高农民收入均产生相当重要的积极作用。52生物油脂的来源：菜子油，豆油，椰子油，棕榈油、蓖麻油、棉籽油，葵花籽油，废食用油等从生物质到生物柴油生物柴油生产装备53化学法合成生物柴油工艺复杂,醇必须过量,后续工艺必须有相应的醇回收装置;能耗高,色泽深;由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容