第6章 酶的非水相催化

Contents of chapter 6
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1、酶催化反应的介质 2、非水相反应体系 3、影响酶在非水反应介质中催化的因素 4、非水相酶催化反应中酶催化的调控
5、酶非水相催化的应用
第一节 酶非水相催化的反应介质
有机介质 气相介质
超临界介质 氟溶剂 离子液体
一 酶非水相催化的反应介质—有机溶剂
从理论上来讲，这种室温呈溶解状态的盐(molten salt)按阴阳离子 不同排列组合方式有1018 种之多，数量十分庞大，但根据阳离子母 体的不同可将常见的离子液体大致归纳为四类：分别是咪唑盐类 (A)；吡啶盐类(B)；季铵盐类；(C)和季鏻盐类；(D)其阳离子的结 构:
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可作为离子液体的阴离子有：BF4-、PF6-、TA- (CF3COO- )、HB - (C3F7COO- )、TfO- (CF3SO3- )、NfO-(C4F9SO3- )、Tf2N( (CF3SO2) 2N- )、Beti - ( (C2F5SO2 -) 2N- )、Tf3C- ( (CF3SO2- ) 3C- )、SbF6-、AsF6-、NO2-等。
Chapter 6
Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
非水相酶学的诞生
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。



离子液体强极性的特点也拓宽了酶催化反应介质选择的 范围，这是因为强极性底物一般用强极性溶剂来溶解， 但强极性有机溶剂常常使酶失活，而在相同强极性的离 子液体中，酶却表现出较好的活性和稳定性 * 离子液体强极性的特点使它对精细化工和医用 产品起始材料的“构建单元”(如肽、糖、核酸等极性 底物)具有的较强的溶解性，预示着离子液体可能在精 细化工和医用产品生产上扮演重要角色。 同时还有很多研究者认为离子液体是一种“可设计”的 溶剂，可以通过合成手段合成一系列结构和性质迥异的 离子液体来满足各方面研究和应用的需求。
非水相酶催化的缺点-酶催化活力下降
但与酶在水相中催化时的活性相比，酶在有机溶剂中催化 时的活性大大降低。如下因素常被认为与酶在非水相中催 化活性降低有关 在制备酶干粉进行冷冻干燥时酶活性中心构象会发生变化 或与有机溶剂直接接触导致的酶活性构象改变； 酶在有机溶剂中的构象过于刚硬(rigid)导致活性降低； 由于酶在有机溶剂中不能溶解，可能存在底物和产物的扩 散限制； 底物在不同溶剂中去溶剂化能(desolvation energy)的差异； pH变化，尤其对于交联体晶体酶而言。同时在冷冻干燥 过程中使用挥发性缓冲液也可能导致酶最适pH的改变。
(二)离子液体的优点
离子液体具有热稳定性高、蒸汽压低和对环境友好等特点 而被研究者称为“绿色”的溶剂 A 室温离子液体没有显著的蒸汽压。虽然在室温离子液体中， 阴阳离子间的库仑力较弱，但和一般分子溶剂的分子间的 作用力相比，离子液体显然要大得多，因此即使在较高的 温度下，离子液体也不易挥发，故离子液体可用于高真空 体系，而且对环境无污染，有望为绿色工业开辟新的道路。 B 离子液体有较好的热稳定性、化学稳定性，可以不必考虑其 它溶剂通常具有的易燃性，大大提高了实验室和工业应用 中的安全性和可操作性。
三 酶非水相催化的反应介质—超临界流体
优点: 超临界流体有极好的扩散性和很低的黏度，有利于底物 向酶分子扩散。底物在超临界中的溶解度还可通过调节 超临界流体的压力和温度来改变。 由于通常用于酶催化反应的超临界流体为二氧化碳，它 在常温下是气态不会与产物混合，所以可制得高纯度的 产物。 缺点: 设备复杂，难于连续生产和进行工业放大。 反应介质还会降低酶表面的pH 值且还可能对酶表面进 行化学修饰 反应结束后取出产物的减压过程也容易造成酶的失活。

是目前研究最多的一种非水反应介质
应用较多的一种反应介质

二 酶非水相催化的反应介质-气相
优点： 避免了有机溶剂的使用； 酶的回收较为方便； 气相中底物和产物的传质效果较好。
缺点: 反应器中的反应物浓度受到底物蒸汽压的影响 酸与醇的酯化反应中酶还受到酸蒸汽的不可逆抑制 失活作用
四 酶非水相催化的反应介质--氟溶剂


高氟代烃通常具有极大的惰性、非极性、热力学稳 定、无毒，和一般的有机溶剂、水不能混溶。 具有高氟化基团的化合物会优先溶解于含氟溶剂中
* 如Goto 等人发现一些脂肪酶在全氟辛烷 (perfluorooctane)中催化反应的速率超出酶在异辛烷 中催化反应的速率10倍之多。
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 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。
非水相酶催化的优点




脂溶性底物和产物在有机溶剂中的溶解性较高，有利于 提高底物和产物浓度的水平； 在适当的条件下，可以使酶促反应的热力学平衡向合 成方向(而不是水解方向)移动；同时由于有机溶剂的存 在，含水量减少，大大降低了许多水参与的副反应； 在非水相中酶的稳定性得到显著提高。如猪胰脂肪酶在 99 %的有机溶剂中100 °C保温数十个小时仍保持较高的 酶活性。而在此温度条件下，酶在水溶液中却迅速失活； 由于酶不溶于有机溶剂中，酶的重复利用更加方便； 可以省略产物的萃取分离过程，提高了产物得率； 在有机溶剂存在的条件下，一般不存在微生物对反应体 系的污染问题。
五 酶非水相催化的反应介质—离子液体
(一) 离子液体的结构及分类 离子液体是呈现为液态的盐
离子液体是完全由阴阳离子组成且常温下呈液态的 离子化合物，这些离子化合物结构上存在离子结构对称 性低、分子间作用力弱等特点，导致了离子液体熔点接 近室温或低于室温，使离子液体成为一种以液态方式存 在的盐。