淺析生物催化劑在化學(xué)合成中的應(yīng)用

＊付 涌

（南昌醫(yī)學(xué)院 江西 330004）

近年來(lái)，隨著全球環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重和可持續(xù)發(fā)展理念的提出，綠色化學(xué)合成成為了化學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向之一。傳統(tǒng)的化學(xué)合成往往使用高溫、高壓和有毒的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，并且嚴(yán)重依賴(lài)有限的化石能源資源。為了解決這些問(wèn)題，尋找一種環(huán)保高效、可持續(xù)的合成方法勢(shì)在必行。生物催化能將傳統(tǒng)的有機(jī)合成策略與現(xiàn)代生物技術(shù)完美地融為一體，具有條件溫和、高效專(zhuān)一、環(huán)境友好等特征。

1.概述

生物催化劑是一種天然的催化劑，因此對(duì)于復(fù)雜分子的合成和轉(zhuǎn)化具有特殊的適應(yīng)性。并且能夠在相對(duì)溫和的條件下高效率催化化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)對(duì)底物具有選擇性，降低了副反應(yīng)的發(fā)生。其次，生物催化劑具有可逆性，在適當(dāng)?shù)臈l件下能夠逆轉(zhuǎn)催化反應(yīng)，提高反應(yīng)的平衡度。工業(yè)用生物催化劑是指應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的游離或固定化的酶或活細(xì)胞。這些催化劑通常是從生物體中提取出來(lái)的微生物細(xì)胞。經(jīng)過(guò)提取和純化后的酶可以作為游離酶直接應(yīng)用于反應(yīng)體系中，也可以通過(guò)固定化技術(shù)進(jìn)行加工，將酶或活細(xì)胞固定在載體上，形成固定化酶催化劑。通過(guò)固定化技術(shù)，酶或活細(xì)胞可以在反應(yīng)體系中穩(wěn)定存在，不易失活。此外，工業(yè)用生物催化劑具有較好的可重復(fù)使用性，可以多次應(yīng)用于反應(yīng)過(guò)程，減少?gòu)U物產(chǎn)生，降低生產(chǎn)成本。工業(yè)用生物催化劑在生物燃料生產(chǎn)、食品加工、制藥、化妝品、紡織品等許多領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。在生物燃料生產(chǎn)中，通過(guò)利用酶或活細(xì)胞催化劑，可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為生物酒精或生物柴油等燃料。

2.生物催化劑的分類(lèi)和特點(diǎn)

（1）酶。酶（enzyme）是由活細(xì)胞產(chǎn)生的、對(duì)其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)或RNA。酶是一類(lèi)特殊的蛋白質(zhì)，具有催化化學(xué)反應(yīng)的能力。并通過(guò)特定的立體結(jié)構(gòu)和活性位點(diǎn)與底物分子相互作用，在催化過(guò)程中加速反應(yīng)的進(jìn)行。由于酶具有專(zhuān)一的催化活性位點(diǎn)，能夠選擇性地催化特定底物的轉(zhuǎn)化。與大多數(shù)非生物催化劑相比，酶通常在常溫和常壓下活化反應(yīng)。這不僅減少了能量消耗和生產(chǎn)成本，還能保持底物和產(chǎn)物的化學(xué)穩(wěn)定性，以及降低副反應(yīng)的發(fā)生。通過(guò)固定化技術(shù)，酶可以被固定在一種載體上，形成固定化酶。固定化酶能夠穩(wěn)定存在于反應(yīng)體系中，并能反復(fù)使用。與非生物催化劑相比，酶可以對(duì)底物的結(jié)構(gòu)變化較為容忍，并能催化多種不同類(lèi)型的底物，同時(shí)酶與底物嚴(yán)格互補(bǔ)（圖1）。

圖1 酶與底物嚴(yán)格互補(bǔ)

（2）酵母菌。酵母菌（saccharomyces）一般泛指能發(fā)酵糖類(lèi)的各種單細(xì)胞真菌，可用于釀造生產(chǎn)，在有氧和無(wú)氧條件下都能夠存活，是一種天然發(fā)酵劑。酵母菌屬于真菌的一種，其酶系統(tǒng)能夠催化多種生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，并利用糖類(lèi)、脂類(lèi)、蛋白質(zhì)和酒精等多種有機(jī)物作為底物，通過(guò)其固有的酶系統(tǒng)，能夠催化底物的轉(zhuǎn)化，并在特定條件下選擇性地生成目標(biāo)產(chǎn)物。此外，酵母菌以葡萄糖等有機(jī)物為碳源進(jìn)行能量和生物物質(zhì)合成，能夠在相對(duì)簡(jiǎn)單的培養(yǎng)條件下生存和繁殖。酵母菌在應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力和逆境時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性和存活能力，能夠在較寬的溫度、酸堿度和氧濃度范圍內(nèi)生長(zhǎng)和催化反應(yīng)。此外，酵母菌的酶系統(tǒng)在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定存在，通過(guò)重復(fù)循環(huán)使用進(jìn)行催化。

（3）微生物催化。微生物是一種生物催化劑，能促使生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化的進(jìn)行，由微生物體內(nèi)酶系的催化作用，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物最終被釋放出來(lái)。微生物能夠利用糖類(lèi)、脂類(lèi)、氨基酸等多種有機(jī)和無(wú)機(jī)底物進(jìn)行代謝和轉(zhuǎn)化，通過(guò)在相對(duì)簡(jiǎn)單的培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)和繁殖，在工業(yè)生產(chǎn)中可用于生產(chǎn)化學(xué)品、藥物、食品等。微生物催化還可以應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、廢水處理、生物能源生產(chǎn)等方面。利用微生物和酶催化原料的轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)生物乙醇和生物柴油。用微生物酶和微生物細(xì)胞作為傳感器的組件，用于檢測(cè)環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)、生物分子和氣體。微生物催化效率高、底物選擇性好、減少副產(chǎn)物生成、環(huán)境友好。在生物工程、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)和醫(yī)藥等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。此外，微生物催化也在合成有機(jī)化合物、合成酶、生物傳感器等生物技術(shù)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。

3.化學(xué)合成的現(xiàn)狀分析

化學(xué)合成是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將原料轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的過(guò)程?；瘜W(xué)合成技術(shù)對(duì)于操作和環(huán)境要求比較高，一般都需要在高溫高壓的環(huán)境中，用易燃易爆物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)合成，合成的過(guò)程中有些對(duì)于溫度、濕度、甚至pH值都有苛刻的要求，且成功概率偏低，操作過(guò)程復(fù)雜。在當(dāng)今社會(huì)，化學(xué)合成在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。首先，化學(xué)合成在有機(jī)合成領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。有機(jī)合成化學(xué)是指對(duì)碳原子的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變和構(gòu)建，通過(guò)合成有機(jī)分子來(lái)制造藥物、農(nóng)藥、染料、聚合物等化合物。有機(jī)合成化學(xué)的重要性體現(xiàn)在它能夠合成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的分子來(lái)滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需求。在藥物工業(yè)中化學(xué)合成可以用于產(chǎn)生藥物的活性成分，并通過(guò)合成和改進(jìn)藥物分子的結(jié)構(gòu)，提高藥物的療效和減少副作用，大多數(shù)現(xiàn)代藥物都是通過(guò)化學(xué)合成來(lái)制備的。在材料科學(xué)和能源領(lǐng)域，通過(guò)化學(xué)合成可以制備聚合物、金屬有機(jī)框架、納米顆粒等各種功能材料，還可以用于制備太陽(yáng)能電池、燃料電池等新型的能源材料，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。

4.生物催化與傳統(tǒng)化學(xué)合成的對(duì)比

（1）傳統(tǒng)化學(xué)合成的局限性。傳統(tǒng)化學(xué)合成方法在反應(yīng)條件限制、資源消耗、廢棄物處理、合成復(fù)雜性、時(shí)間成本、結(jié)構(gòu)多樣性等方面存在一些局限性。傳統(tǒng)化學(xué)合成通常需要高溫、高壓或強(qiáng)酸堿等較嚴(yán)苛的反應(yīng)條件，需要大量的試劑和溶劑，導(dǎo)致對(duì)資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。同時(shí)，合成過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物處理也是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)合成方法對(duì)于復(fù)雜有機(jī)分子的合成需要多步反應(yīng)、純化和結(jié)構(gòu)確認(rèn)等繁瑣步驟，并且有些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物可能無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的合成方法來(lái)合成，此外，在納米材料、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等新興領(lǐng)域，傳統(tǒng)合成方法無(wú)法滿(mǎn)足新材料或新藥物的需求。

（2）生物催化的優(yōu)勢(shì)。生物催化與傳統(tǒng)化學(xué)合成是兩種不同的合成方法，生物催化利用酶作為催化劑，能夠在溫和的條件下催化特定的化學(xué)轉(zhuǎn)化，降低合成過(guò)程中的能量和溫度要求。相比之下，傳統(tǒng)化學(xué)合成需要較高的溫度、壓力和強(qiáng)酸堿等條件。同時(shí)酶能夠催化一系列的底物反應(yīng)，且能夠選擇性地催化目標(biāo)底物的特定位點(diǎn)，減少或避免副產(chǎn)物的生成。而傳統(tǒng)化學(xué)合成往往需要更多的步驟和制備過(guò)程以達(dá)到類(lèi)似的選擇性。生物催化利用可再生的底物，在反應(yīng)中形成的副產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小。此外，生物催化常常是以水為溶劑進(jìn)行的，在廢液處理方面也更加便利。而傳統(tǒng)化學(xué)合成則需要使用大量的有機(jī)溶劑和生成大量的廢棄物，造成環(huán)境污染。

5.生物催化在有機(jī)合成中的應(yīng)用

（1）精細(xì)有機(jī)化工。高立體選擇性合成是指在有機(jī)合成中，酶可以以非常高的立體選擇性催化特定反應(yīng)，合成手性有機(jī)物，并通過(guò)合適的催化劑或反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)手性化合物的選擇性合成。手性化合物是具有非對(duì)稱(chēng)碳原子的化合物。在自然界和很多重要的有機(jī)分子中，手性性質(zhì)對(duì)于化學(xué)活性、生物活性和藥理活性等方面起著重要作用。高立體選擇性合成的關(guān)鍵在于選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┗蚍磻?yīng)條件。常用的催化劑有手性配體、酶和金屬催化劑等。手性配體可以配合金屬催化劑，形成具有空間立體異構(gòu)體的復(fù)合物，通過(guò)對(duì)底物進(jìn)行空間位阻和電子效應(yīng)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)手性中心的選擇性反應(yīng)。在高立體選擇性合成中，還需要考慮溫度、溶劑、反應(yīng)時(shí)間等反應(yīng)條件的選擇，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，可以控制不同基團(tuán)的空間位阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)手性中心的選擇性反應(yīng)。高立體選擇性合成應(yīng)用于藥物合成、精細(xì)化學(xué)品合成和天然產(chǎn)物的合成等領(lǐng)域。通過(guò)合適的催化劑和反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的合成路線(xiàn)，從而提高合成效率。官能團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)有環(huán)氧化、親電取代、求核取代和脫酰反應(yīng)等多種機(jī)制和類(lèi)型，環(huán)氧化是一種官能團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，通過(guò)環(huán)氧化劑將環(huán)氧化合物中的一個(gè)氧原子與另一個(gè)分子上的親電中心反應(yīng)，形成醇或氧雜環(huán)化合物。親電取代反應(yīng)中，一個(gè)親電試劑攻擊化合物中的一個(gè)官能團(tuán)，并與之形成一個(gè)新的化學(xué)鍵[1]。求核取代涉及親核試劑攻擊有機(jī)分子中的特定官能團(tuán)，形成新的化學(xué)鍵。脫酰反應(yīng)通過(guò)裂解?；优c鄰近原子相連接的化學(xué)鍵，生成一個(gè)含有新官能團(tuán)的新化合物。

（2）合成藥物領(lǐng)域。與傳統(tǒng)化學(xué)制藥方法不同的是，生物催化法主要合成不對(duì)稱(chēng)手性化合物，應(yīng)用于制藥、藥物中間體的生產(chǎn)過(guò)程。在化學(xué)中，手性分子具有非對(duì)稱(chēng)性，存在兩種可能的立體異構(gòu)體，即左旋與右旋。非對(duì)映選擇性催化的目標(biāo)是控制催化反應(yīng)，使得只有特定手性產(chǎn)物生成，而不是兩種手性產(chǎn)物均等生成[2]。手性催化劑能夠在催化反應(yīng)中傳遞其手性信息給底物，使手性配體可以與金屬離子形成手性配位化合物，催化不對(duì)映選擇性反應(yīng)。手性配體的立體構(gòu)型可以通過(guò)其自身手性中心改變分子的對(duì)稱(chēng)性，同時(shí)手性誘導(dǎo)劑（如手性配體）與底物形成穩(wěn)定的配位體，然后發(fā)生配體交換反應(yīng)，將手性信息傳遞給底物，選擇性地生成具有特定手性的產(chǎn)物。生物催化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)立體異構(gòu)體的選擇性合成，酶催化合成可以根據(jù)底物的立體構(gòu)型來(lái)得到單一立體異構(gòu)體的產(chǎn)物，從而避免復(fù)雜的分離和純化步驟。生物催化技術(shù)可以用于制備合成藥物中的高價(jià)值中間體。將特定酶催化的反應(yīng)引入到合成中間體的合成步驟中，可以提高合成的效率，減少副產(chǎn)物的生成。分子內(nèi)N-H卡賓插入化學(xué)的應(yīng)用為β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素的合成讓創(chuàng)新分子設(shè)計(jì)成為可能，打開(kāi)了合成原先無(wú)法獲得的具有高度治療價(jià)值的分子的通道（圖2）。

圖2 β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素的合成

6.生物催化的發(fā)展前景

(1)交聯(lián)酶聚集體技術(shù)[3]

以交聯(lián)酶聚集體法為代表的無(wú)載體固定化技術(shù)是指先采用物理方法將酶蛋白聚集，之后采用交聯(lián)劑對(duì)酶進(jìn)行交聯(lián)。交聯(lián)酶聚集體技術(shù)的基本原理是通過(guò)交聯(lián)劑將酶分子固定在載體上，形成酶聚集體。交聯(lián)劑可以是化學(xué)交聯(lián)劑或物理交聯(lián)劑，用于將酶分子之間或酶與載體之間的化學(xué)鍵或物理相互作用加強(qiáng)，從而形成聚集體結(jié)構(gòu)。在交聯(lián)過(guò)程中，酶的活性可能部分喪失，需要找到合適的交聯(lián)劑和條件。

(2)柔性長(zhǎng)鏈技術(shù)[4]

酶的柔性固定化是指將一些有足夠碳鏈長(zhǎng)度且具有一定親水性的分子鏈，通過(guò)化學(xué)法接枝在固定化載體上的技術(shù)。柔性長(zhǎng)鏈分子可以通過(guò)物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)與材料相互作用，形成柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在材料中起到增強(qiáng)、調(diào)控或穩(wěn)定化的作用。柔性長(zhǎng)鏈分子可以作為增強(qiáng)相引入到材料中，通過(guò)與基質(zhì)相互作用，增強(qiáng)材料的力學(xué)強(qiáng)度、韌性和耐磨性。并且可以影響材料的組織結(jié)構(gòu)和形貌，調(diào)控材料的孔隙結(jié)構(gòu)、表面特性和界面性能。柔性長(zhǎng)鏈分子的引入可以阻礙裂紋傳播、防止材料蠕變和降低材料的老化速率，抑制界面的結(jié)垢、增強(qiáng)膠粘劑的黏附性能或減小材料的摩擦系數(shù)。

7.結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，科研人員在固定化新型生物酶的研發(fā)過(guò)程中，積極尋求創(chuàng)新的方法和突破口，努力推動(dòng)大量研究成果的涌現(xiàn)，并促使越來(lái)越多的科研理論成果得以應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)化生產(chǎn)中?？蒲腥藛T跨越了領(lǐng)域的邊界，共同引領(lǐng)生物酶技術(shù)的發(fā)展，生物催化技術(shù)將在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，為構(gòu)建清潔、可持續(xù)的社會(huì)作出貢獻(xiàn)。