1、離子液體中的酶促反應(yīng)綜述-有機(jī)化學(xué)論文- 化學(xué)論文文章均為WORD文檔，下載后可直接編輯使用亦可打印離子液體(Ionic liquids,ILs)具有幾乎為零的蒸汽壓、高的熱穩(wěn) 定性、化學(xué)穩(wěn)定性、寬的液態(tài)溫度范圍、較強(qiáng)的溶解性與催化活性等 優(yōu)異理化特性，因而被稱為21世紀(jì)的綠色溶劑,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于分 離與萃取1,2、電化學(xué)3,4、納米技術(shù)5,6、生物技術(shù)7以及工程技 術(shù)8,9 等各個領(lǐng)域中。酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化功能的生物大分子，酶催化 的反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)。大量的研究表明:酶促反應(yīng)具有高效、高選擇 性和反應(yīng)條件溫和等特性10,作為一種綠色合成方法是現(xiàn)代合成方 法學(xué)的重要發(fā)展方向之一。酶

2、促反應(yīng)的介質(zhì)最初采用的是水，但在水 中酶分子的空間結(jié)構(gòu)容易改變而失去催化活力11,另外許多有機(jī)反 應(yīng)難以在水相中進(jìn)行;直至非水介質(zhì)中酶促反應(yīng)研究的出現(xiàn)，極大推動 了酶在合成化學(xué)中的應(yīng)用12,13。結(jié)合酶和ILs的優(yōu)點，所以ILs中的 酶促反應(yīng)引起了研究者的關(guān)注。現(xiàn)在ILs中的酶催化反應(yīng)主要包括有 機(jī)合成反應(yīng)14和聚合反應(yīng)15兩大類，由于酶和ILs兩者都具備對環(huán) 境友好的優(yōu)點，所以在ILs中的酶促反應(yīng)是極具研究意義的課題之一。 本文對近年來在ILs中的酶促反應(yīng)進(jìn)行了綜述。1離子液體中酶促有機(jī)合成反應(yīng)脂肪酶(Lipases )是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化功能的蛋白質(zhì)分 子，它通常具有催化活性,因此酶通

3、常被作為催化劑。近年來酶催化反應(yīng)的研究越來越受到關(guān)注，其中酶應(yīng)用于小 分子催化反應(yīng)主要包括:酯交換反應(yīng)、水解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)等16。Lazano P等17以脂肪酶催化丁酸乙烯酯與正丁醇的酯交換 反應(yīng)合成丁酸丁酯,反應(yīng)介質(zhì)采用4種ILs(C2MIm-BF4、C2MImNTf2、 C4MImPF6和C4MImNTf2)以及2種有機(jī)溶劑(正丁烷、己烷)，研究結(jié) 果表明脂肪酶在ILs中的催化活性遠(yuǎn)高于其在有機(jī)溶劑中的活性，并且酶的活性隨著ILs極性的增強(qiáng)而增大，在連續(xù)操作過程中脂肪酶也仍然 保持著較高的活性。Nara S J等18研究了 2-羥甲基-1,4-苯丙二氧烷與乙酸乙烯酯 在疏水性和親水性I

4、Ls中進(jìn)行的酯交換反應(yīng)，親水性ILs中酶的活性與 其在有機(jī)溶劑中的活性相當(dāng)，而疏水性ILs中酶的催化活性明顯高于其 在親水性ILs中的活性。酶具有高度的選擇性，酶在不對稱合成領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng) 用。Liu Y Y等19采用酶催化水解的方法合成手性-氨基酸（圖1）, 結(jié)果表明，在ILs中的反應(yīng)可以很好提高R構(gòu)型產(chǎn)物的比例。2離子液體中酶促聚合反應(yīng)ILs中酶促聚合反應(yīng)包括縮聚反應(yīng)、自由基聚合反應(yīng)和開環(huán)聚 合反應(yīng)等10,酶催化聚合反應(yīng)可以在溫和的條件下高效專一地合成 普通方法難以合成的功能高分子，且對環(huán)境友好,具有其它合成方法無 可比擬的優(yōu)越性。Gorke J T等20研究了 5種不同的內(nèi)酯（-丙內(nèi)

5、酯、-丁內(nèi)酯、- 丁內(nèi)酯、-戊內(nèi)酯和-己內(nèi)酯）在bmimNTf2 中,CALB（Candida antarctica lipase B）酶催化開環(huán)聚合反應(yīng)（圖2）。當(dāng)單體（-丙內(nèi)酯、-戊內(nèi)酯和-己內(nèi) 酯）與酶的比例為1：100（質(zhì)量比）時,聚合度分別為170、25和85;當(dāng)單 體為-丁內(nèi)酯、-丁內(nèi)酯時，聚合度僅為5;-丙內(nèi)酯與-丁內(nèi)酯共聚所得聚 合物的聚合度高達(dá)180;另外，實驗還考察了水的含量對酶催化聚合反 應(yīng)的影響，當(dāng)ILs中水的含量從1.95%減小到0.60%時，聚合物的分子量 從8000g/mol增加到20000g/mol;實驗還發(fā)現(xiàn)，聚合反應(yīng)在強(qiáng)親水性的 ILs（bmim-NO3、b

6、mimN（CN）2、bmimEtSO4）中無法進(jìn)行。Yo-shizawa-Fujita M 等21 利用 L-丙交酯在 3 種 ILs（bmim-BF4、 bmimPF6、bmimNTf2、bmimN（CN）2）中進(jìn)行開環(huán)聚合，實驗發(fā)現(xiàn)聚 丙交酯在bmimBF4、bmimPF6、bmimNTf2中均能聚合,其中在 bmimBF4中聚合的分子量最高為55000g/mol,其中在bmimPF6中聚 合的分子量為4000g/mol,均比在甲苯中聚合的分子量要高,但是產(chǎn)率 都較本體聚合的低，主要是因為ILs對聚合物有良好的溶解性,聚合物 不能及時從ILs中分離出來。Chanfreau S 等22在hm

7、imPF6 中利用 Novozyme-435 分別催 化丙交酯、丙交酯與乙交酯發(fā)生均聚和共聚反應(yīng)，在90：時聚丙交酯的 產(chǎn)率為63%,分子量為37800g/mol;首次實現(xiàn)了在hmimPF6中 Novozyme-435催化丙交酯與乙交酯共聚反應(yīng)，同時對共聚物進(jìn)行了表 征。Marcilla R等23報道了己/辛二酸甲酯與丁二酸在bmimNTf2、 bmimPF和bmimBF4中Novozyme-435酶催化縮聚反應(yīng)(圖3),比較了 在ILs中敞開條件和本體真空條件下的聚合效果，實驗表明在ILs中敞 開條件下聚合，不僅簡化了聚合操作，而且提高了聚合物的分子量(Mn)。Dordick J S課題組2

8、4研究利用大豆過氧化酶(Soybeanperoxidase,SBP)在ILs中催化酚類物質(zhì)的聚合反應(yīng)，聚合物的分子量在12004100Da之間，在90%(體積分?jǐn)?shù))bmPyBF4的水溶液中,大豆過氧化酶表現(xiàn)出良好的活性。3 ILs膜修飾的酶用于聚合反應(yīng)酶活性的維持需要在少量水分子的微環(huán)境中,疏水性ILs能夠 很好保護(hù)這種微環(huán)境，從而保持酶分子的二級結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變,酶的催 化活性才能夠得以維持。Lozano P 等25利用 ILs 修飾的 Novozyme-435(ILs-coating Novozyme-435)在無溶劑的條件下催化合成烷基香茅酯，研究表明烷基 香茅酯的轉(zhuǎn)化率和純度竟達(dá)到100

9、%,其酯化的機(jī)理如圖4所示。同樣,Fischer F等利用ILs-coating Novozyme-435催化合成甲基 葡萄糖脂肪酸酯,研究表明ILs-coating Novozyme-435的催化效率明顯 高于在ILs中Novozyme-435的，實驗發(fā)現(xiàn)ILs的極性越大其催化產(chǎn)率越 高。Dang D T等27研究了 ILs(親水和疏水性兩類)修飾后的酶催 化水解反應(yīng)，結(jié)果表明經(jīng)ILs修飾后的酶的催化活性明顯高于自由酶, 并且具有良好的可循環(huán)利用性，可能原因是ILs的存在保持了酶的二級 結(jié)構(gòu)從而提高了酶的活性中心與底物的接觸機(jī)會。Lee JK 等28利用PPMimPF6(PPMim=1-(3

10、-苯丙基)-3-甲基咪 唑)修飾的酶催化酯化反應(yīng),研究表明經(jīng)ILs修飾的酶具有良好的立體 選擇性和催化活性。Dong F X等29利用bmim-PF6修飾的 Novozyme-435催化1,4-二氧六環(huán)-2-酮(PDO)開環(huán)聚合，結(jié)果表明，聚1,4- 二氧六環(huán)-2-酮(PPDO)的最大分子量可達(dá)182100g/mol,其分子明顯高 于以bmimPF6為溶劑時的分子量。武漢大學(xué)賀楓教授課題組30系統(tǒng)地研究了 ILs-coatingNovozyme-435催化-己內(nèi)酯的開環(huán)聚合反應(yīng)，實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)ILs 修飾的Novozyme-435催化得到的聚合物的分子量(Mw)明顯高于未經(jīng) 修飾的，酶的催化活性與

11、ILs的物化性質(zhì)(黏度、極性)有著一定關(guān)系，黏度越大，極性越小越有利于酶活性的保持。4 ILs對酶催化活性和穩(wěn)定性的影響酶的活性和穩(wěn)定性與其所處的溶劑微環(huán)境有著直接的關(guān)系31。由于ILs具有結(jié)構(gòu)高度可設(shè)計性的特點，這就使得ILs的種類繁多, 探究ILs的物化性質(zhì)（陰陽離子的結(jié)構(gòu)、黏度、親疏水性、極性、陰離 子的親核性）與酶的活性和穩(wěn)定性之間的關(guān)系，可以提高研究ILs中酶 促反應(yīng)的針對性，這樣可指導(dǎo)設(shè)計合成出對酶的活性和穩(wěn)定性有利的 ILs可以說意義重大。4.1陰陽離子的結(jié)構(gòu)ILs是由陰陽離子組成的，可以通過改變陰陽離子的結(jié)構(gòu)來改變ILs的種類，不同種類的ILs對酶有著不同的作用。Kl hn M

12、等32,33將CALB酶溶解在8種不同的ILs中,利用分 子動力學(xué)模擬陰陽離子與酶分子的相互作用，認(rèn)為陰離子與酶之間的 作用是庫侖作用，是主導(dǎo)作用。酶在不同陰離子的ILs的穩(wěn)定性順序 是:PF6-BF4- NO3-;陽離子與酶之間的作用是范德華作用，是次要作用, 酶與離子之間的作用力大小由離子的尺寸大小、離子表面電荷密度的 分布來決定，陽離子尺寸越小、表面電荷密度越大越容易使酶失活，另 外，含有長烷基鏈或強(qiáng)極性的甲氧基鏈的胍鹽型ILs更容易使酶失活。 實驗還發(fā)現(xiàn)離子會向酶分子極性一端聚集，帶有長烷基鏈的離子會向 酶分子非極性一端聚集。4.2 ILs的黏度ILs的黏度一般比普通有機(jī)溶劑的黏度要大

13、34,ILs的黏度對 酶催化活性的影響，對于不同反應(yīng)有著不同的結(jié)論。酶在ILs的溶解性 較差，所以ILs中的酶催化反應(yīng)大多數(shù)是異相反應(yīng)，就必須考慮分子間 和分子內(nèi)的傳質(zhì)阻力。van Ra-ntwijk等7認(rèn)為ILs的黏度越大越有利于酶的空間結(jié)構(gòu)的保持。然而,Lozano等研究ILs的黏度對胰凝乳蛋白酶活性的影響, 發(fā)現(xiàn)胰凝乳蛋白酶在emimNTf2（黏度34mPas）中的活性要高于在mtoaNTf2（黏度 574mPas,mtoa為甲基三辛基銨）中的。而Zhao H等35在研究乙基丁 酸與正丁醇在20多種ILs中發(fā)生酯化反應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)ILs的黏度不是影響 酶活性的主要因素。4.3 ILs的親疏水

14、性ILs的親疏水性用lgP（P表示ILs在水和溶劑中的分配系數(shù)）表 示,lgP值越大說明ILs的疏水性就越大,ILs的疏水性越強(qiáng)越有利于酶的 穩(wěn)定性和催化活性的提高。Lou W Y等36研究不同ILs中酶催化 （R,S）-1-三甲基硅乙醇與醋酸乙烯酯進(jìn)行的酯化反應(yīng),實驗發(fā)現(xiàn) Novozym-435的催化活性隨著ILs的疏水性減弱 （BMImBF4OMImBF4C7MImBF4HMImBF4C5MImBF4BMImBF4） 而減弱。Shen Z L等37報道利用酶催化醇類氤化反應(yīng)，實驗發(fā)現(xiàn)PS酶 在疏水性的OMIMPF6中,立體選擇性高達(dá)80%,而在親水性的 HMIMBF4 和HMIMCl 中

15、只有 5%。4.4 ILs的極性一般的ILs中烷基鏈越長，烷基的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，極性越小;在陽離 子結(jié)構(gòu)相同的情況下，陰離子使ILs的極性降低的順序是:NO3-BF4-NTf2-PF6-38,39。Park S等40研究酶(Pseudomonas cepacia)催化1-苯基乙醇與 醋酸乙烯酯的酯交換反應(yīng),實驗發(fā)現(xiàn)酶的催化活性隨著ILs的極性增強(qiáng) 而減弱。而Lozano P等41在研究Novozym-435催化甲基-D-毗喃葡萄糖苷與脂肪酸的酯化 反應(yīng)，酶的催化活性隨ILs的極性增強(qiáng)而增強(qiáng)。4.5陰離子的親核性陰離子對酶的催化活性有著重要的影響作用，一般的陰離子 的親核性越強(qiáng)對酶的活性影響越明顯。

16、Kaar J L等42研究自由Candida rugosa酶催化甲基丙烯酸甲酯與2-乙基-1-己醇的酯交換反應(yīng), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)酶只有在疏水性的bmim -PF6中才有活性,而在親水性的 bmimX(X= NO3-,CH3COO-,CF3COO-)中失活，他認(rèn)為后面三者對酶的 親核性要高于PF6-的，從而導(dǎo)致酶蛋白質(zhì)分子的立體構(gòu)性發(fā)生改變。 同樣Kato K等43報道了 CALB催化1-苯乙基胺與4-戊烯酸的選擇性 ?；磻?yīng)，實驗發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的速率隨著ILs中陰離子親核性(OTf- BF4- PF6-) 的減弱而逐漸降低。Lee S H 等44研究 了 3 種酶 (Novozyme-435,Rhizomucormiehei lipase,Candida rugosa lipase)在不同 ILs中催化酯交換反應(yīng)的速率。實驗結(jié)果表明反應(yīng)的速率隨著ILs中陰 離子親核性的增強(qiáng)(Tf2N- PF6- OTf- SbF6-BF4-)而降低。為了減小ILs的 陰離子對酶活性的影響，通常采取的措施是:(1)將游離的酶固定化，可 以有效提高酶的活性;(2)增大ILs中陽離子結(jié)構(gòu)，減小陰離子在ILs