有机介质中酶促有机化学反应.docx

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 medias 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 synthesis1. 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25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羧基与另一氨基酸氨基形成肽键。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, -氨基不参与反应,只有-氨基参与肤键的形成得到纯的-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 。12.5 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。另外, 脂肪酶还能够催化过氧化氢氧化羧酸形成过氧酸,因而就可以将脂肪酶催化的过氧酸酸形成反应与由过氧酸促成的烯烃环氧化相偶联, 反应可以烯烃本身为溶剂,脂肪酶和羧酸均只需极少量即可。例如,环己烯在脂肪酶、过氧化氢及少量长链或中链脂肪酸的作用下即可发生环氧化。另外长链末端烯烃也可发生类似的环氧化形成某些有重要工业价值的烯烃化合物。3. 有机介质酶促反应在药物合成中的应用3.1 手性药物的拆分3.1.1背景 制备光学活性化合物一直是有机合成的难题。药物的药理作用与其结构有着密切的关系,许多药物必须具有光学纯的形态才能发挥疗效，对手性药物而言,不同对映体的药效、代谢过程及副作用程度存在着很大差异。近年来酶法拆分光学异构体得到了迅速发展,利用酶的高度立体选择性在有机相中进行生物转化的研究越来越多,并已成为制备光学活性化合物的重要途径。脂肪酶、蛋白酶等在有机溶剂中对某些手性化合物表现出高度的立体选择性及高转化率。3.1.2 有机介质中的酶促酯化或转酯反应制备手性药物有机介质中的酶促酯化或转酯反应过程中,根据热力学原理,反应物醇或酸的一种对映体容易参与反应,而另一种对映体的醇或酸不容易参与反应从而实现光学拆分。（1） 转酯反应拆分手型药物2-氨基丙醇是合成左旋氧氟沙星的中间体,其(S)(+)型异构体才具有药理活性。韦丽红6等先用ClCO2Et 对氨基进行保护,然后在乙酸乙酯中利用胰脂酶作为催化剂进行转酯反应,控制反应使R型异构体的酯交换速率远远大于S型异构体,最后经处理得到(S)(+)2-氨基丙醇,收率达97%。无论是从经济角度还是从实用角度来讲,这一结果都非常可观,是化学催化剂不可比拟的。有机相酶催化转酯化反应拆分西酞普兰中间体7，抗抑郁药物西酞普兰(citalopram) 是新一代5-羟色胺(5-HT) 再摄取抑制剂(SSRIs)与其它的SSRIs相比,对5-HT 的再摄取抑制性强、选择性高。研究表明,S型西酞普兰的活性是R型的100 倍以上。(S)-4-4-(二甲基氨基)-1-(4-氟苯基)-1-羟基丁基-3-(羟基甲基)苄腈是合成(S)-西酞普兰的重要中间体,其季碳手性中心上连接有一个叔醇,目前可通过化学法和酶法拆分二醇得到S型单一对映体,进一步反应得到(S)-西酞普兰。化学法例如诱导结晶和手性色谱分离存在成本高、所得产品旋光纯度低、收率低等问题。与化学法相比,酶法拆分具有反应条件温和、高度的选择性等优点, 酶促拆分手性药物在光学纯化合物的制备方面显示出巨大的开发潜力及广阔的应用前景。脂肪酶催化选择性催化伯醇与仲醇反应已得到广泛应用,由于空间位阻作用,只有少量酶对含有季碳手性中心的叔醇有选择性。研究表明,来源于南极洲假丝酵母(Candia antarctica)和洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia)的脂肪酶可通过催化距离季碳手性中心四个化学键的伯羟基发生转酯化或水解反应远程拆分二醇,且具有较好的选择性。 （2）酯化反应拆分手型药物与消旋醇的拆分原理相似,酸在参与非水酶促酯化反应过程中只有一种对映体容易参与反应,从而使消旋体得到拆分。萘普生、布洛芬、酮洛芬等非甾体消炎药的不同对映体的生理活性有差别,已证实S型萘普生在体内的抗炎活性是R型的28倍。这些消炎药都是2-芳基丙酸(CH3CHArCOOH)的衍生物,光学纯萘普生、布洛芬等是由光学纯2-芳基丙酸制备的。Tsai 等利用脂肪酶在有机溶剂中通过立体选择性酯化反应得到了光学纯的芳基丙酸,从而进一步得到高效的非甾体消炎药。3.1.3有机介质中的酶促水解反应制备手性药物某些酶在水解酯的过程中,只能作用于单一对映体的酯得到光学活性的酸或醇,而另一对映体的酯不被水解,从而得到光学纯的产物酸或醇。脂肪水解酶、蛋白水解酶以及酯酶是常用的水解酶。Vantol 等在有机溶剂中采用猪胰脂肪酶水解2,3环氧丙醇丁酸酯,得到了单一对映体的环氧丙醇。环氧丙醇是合成一种受体阻断剂类药物的中间体。普萘洛尔的S型异构体可用于治疗高血压和心肌梗塞,其合成中间体为()-1-氯-3-(1-萘氯)-2-丙醇,即萘氧氯丙醇。Bevinakatti8 等先制备了消旋的萘氧氯丙醇酯,再利用脂肪酶在有机溶剂中水解外消旋的萘氧氯丙醇酯,得到了高对映体过量值(大于95%)的R酯,而S酯水解得到了酸和醇。最后由光学纯的萘氧氯丙醇制备了S型普萘洛尔。4.结语 综上所述，有机溶剂中的酶催化在精细化工,医药和特种新材料的研制与主产中具有广阔的应用前景，酶在有机介质中的反应无论对酶学家还是对化学家来都是一个具有魅力的新领域。大量的实验已有力地证明了酶在有机溶剂中可以保持其生物活性而且可以顺利地进行某些极有意义的反应,并在有机合成反应中表现了良好的应用前景。但是影响酶在有机溶剂中的反应因素是复杂的,溶剂的性质,不同酶在不同溶剂中对必需水含量的要求,底物性质等都影响了反应的产率与选择性(区域选择性和立体选择性)对于在有机介质中进行酶促反应的内在规律及对反应结果的预测还有待于进行大量的实验与深人的研究才能得到满意的回答。参考文献：1 叶蕴华，在有机溶剂中进行的酶催化反应，大学化学，1992,4（7）：17202 叶蕴华,谢海波,田佳玲，非水溶剂中酶反应研究进展J，化学通报，1994,10:563 曹淑桂，有机溶剂中酶催化研究的新进展J，化学通报，1995,5,584 宋 欣，曲音波，非水介质中脂肪酶催化亚油酸油醇醋合成的研究J，微生物学通报，2000,27（3）：1955丁永学，张铭俊，虞星炬，有机相酶催化酯