生物催化在有机合成中的应用

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1、生物催化是一个由化学、生物学和过程工程学等多学科交叉的领域。近年来的实验研究和产业实践表明，生物催化能将传统的有机合成策略与现代生物技术完美地融为一体，具有条件温和、高效专一、环境友好等特征，已经成为有机合成中备受关注的理念和越来越广泛应用的技术手段。同时，成功的生物催化合成路线也已产生显著的经济效益和社会效益，为现代化学工业，特别是精细化学品工业补充了强有力的合成工具。所以作为一名化学工作者，无论其研究方向是什么，都至少应当浏览并选读关于生物催化合成的一些文献，从而对学科发展前沿有所把握。本文就这一方面的背景知识和研究现状提供了一些信息。1．生物

2、催化合成反应的特点1.1生物催化剂的特点[1,2]酶催化的有机合成反应叫做生物转化。在实际的合成工作中，无论使用何种物理形态的生物催化剂，真正起到催化作用的都是酶。因此文献中生物催化剂和酶通常是两个等价的名词。与化学催化剂相比，生物催化剂具有以下优势：第一，酶是非常有效的催化剂。与相应的非酶促反应相比，酶催化过程的速率能提高108-1010倍，有时甚至超过1012倍。这大大超出了化学催化剂所能达到的催化能力。所以大多数酶催化反应能够在十万分之一的催化剂摩尔分数下以相当高的速率进行，而化学催化剂使用的摩尔分数至少在千分之一。第二，酶在温和条件下作用。

3、酶在pH=5-8的中性范围内发挥作用，酶促反应的最适温度一般在30℃左右，不需要极端的反应条件。这就大大减轻了传统方法中棘手的副反应难题，例如分解、重排、异构化和外消旋化等。而且与重金属催化剂不同，酶可以被完全降解，因此是环境友好的试剂。第三，酶是彼此相容的。因为酶一般在相同或相似的条件下作用，所以几个生物催化反应可以在一个烧瓶中进行。也就是说，几个连续反应能够使用多酶系统实施，从而省去不稳定中间体的分离操作。此外，通过连接两个连续酶催化步骤可以使不利的反应平衡向理想产物的方向移动。当然，生物催化剂的某些缺点也是很明显的，主要包括：第一，酶在水中才

4、能表现出最高的催化活性。对于许多有机反应而言水是最不理想的溶剂，而且多数有机化合物的水溶性很差。因此将酶催化反应从水介质移至有机介质是非常必要的，但这往往会丧失好几个数量级的酶活力。14第二，酶受制于其天然辅助因子。虽然酶可以接受非天然的底物，但几乎都受制于天然辅助因子。这些辅因子一般用作氧化还原等价物的载体，如NADPH和ATP。大多数天然辅因子都是相当不稳定的，价格昂贵，并且找不到更经济的人工制造的化合物替代，以至于不能够以化学计量使用。第三，酶催化反应有底物或产物抑制的倾向，即在较高的底物或产物浓度下发生酶失活。底物抑制一般通过连续加料将底物

5、浓度保持在较低的水平来解决。但产物抑制很难采用类似的处理方法，因为将产物连续移出是非常困难的。此外，高度选择性是酶催化反应最重要的特性之一。这一特性在合成设计中有利有弊。由于其复杂的催化机理和三维结构，酶催化反应具有较好的化学选择性和区域选择性，从副反应产生的杂质中纯化产品的繁重工作因此大大减轻。所有的酶都是由L-氨基酸组成的手性催化剂，因此通过选择生物催化剂的“其它对映体”反转给定酶促反应的手性诱导作用是不可能的；为了获得另外的对映体产物，人们不得不花费大量的时间去寻找具有相反立体化学选择性的酶。1.2生物催化剂的来源[3]微生物是酶的最好来源，

6、而来源于动物器官和植物材料的酶只有十分之一。微生物中存在着高度复杂的调控机制，因此几乎每一种目标产品都可以发现对应有一种微生物或来源于一种微生物的酶催化剂。微生物相对容易保存，生长速度快，在工业生产中具有显著的优越性。生物催化剂的筛选包括菌种培养和菌种改良两个步骤，从事有机合成的专业人员可以通过菌株搜集中心获得生物催化剂。菌种培养是制备生物催化剂的基本方法。在某一自然环境中仅含有一种微生物的情况是很少见的。在大多数情况下，很多微生物同时存在，这就需要人们设计分离和培养有用的微生物的操作步骤。最常用的方法是将微生物直接接种到高选择性的培养基中，以便其

7、充分利用培养基中提供的碳源和氮源，进而从一系列微生物中得到目标微生物。例如在培养基中提供一种唯一的氮源，可以分离出在生物催化反应中能裂解相同键的微生物。通过在培养基中添加乙内酰脲筛选出乙内酰脲酶hydantoinase就是一个成功的例子。近年来高通量筛选的发展，特别是这项技术与PCR的联用，大大节省了菌种培养的时间。将菌种接种到384孔板上生长，再在具有高底物浓度的生物环境中分离微生物，一周能筛选1000个菌株，只需数十周就能获得一个有价值的生物催化剂。14菌种改良是修饰生物催化剂的重要步骤。为了获得合成上有用的特性，初始分离的微生物菌株需要在实验

8、室进行改良。多数菌种的改良可以通过自发变异、自然杂交，以及化学诱变、强紫外光照射等手段实现。改变微生物的代谢平衡和代谢路径