离子液体中的酶促反应综述,有机化学论文

离子液体中的酶促反应综述,有机化学论文离子液体(Ionicliquids,ILs)具有几乎为零的蒸汽压、高的热稳定性、化学稳定性、宽的液态温度范围、较强的溶解性与催化活性等优异理化特性,因此被称为21世纪的绿色溶剂,现已被广泛应用于分离与萃取[1,2]、电化学[3,4]、纳米技术[5,6]、生物技术[7]以及工程技术[8,9]等各个领域中。酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物大分子,酶催化的反响称为酶促反响。大量的研究表示清楚:酶促反响具有高效、高选择性和反响条件温和等特性[10],作为一种绿色合成方式方法是当代合成方式方法学的重要发展方向之一。酶促反响的介质最初采用的是水,但在水中酶分子的空间构造容易改变而失去催化活力[11],另外很多有机反响难以在水相中进行;直至非水介质中酶促反响研究的出现,极大推动了酶在合成化学中的应用[12,13]。结合酶和ILs的优点,所以ILs中的酶促反响引起了研究者的关注。如今ILs中的酶催化反响主要包括有机合成反响[14]和聚合反响[15]两大类,由于酶和ILs两者都具备对环境友好的优点,所以在ILs中的酶促反响是极具研究意义的课题之一。本文对近年来在ILs中的酶促反响进行了综述。1离子液体中酶促有机合成反响脂肪酶(Lipases)是由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质分子,它通常具有催化活性,因而酶通常被作为催化剂。近年来酶催化反响的研究越来越遭到关注,华而不实酶应用于小分子催化反响主要包括:酯交换反响、水解反响和氧化复原反响等[16]。LazanoP等[17]以脂肪酶催化丁酸乙烯酯与正丁醇的酯交换反响合成丁酸丁酯,反响介质采用4种ILs([C2MIm]-BF4、[C2MIm]NTf2、[C4MIm]PF6和[C4MIm]NTf2)以及2种有机溶剂(正丁烷、己烷),研究结果表示清楚脂肪酶在ILs中的催化活性远高于其在有机溶剂中的活性,并且酶的活性随着ILs极性的加强而增大,在连续操作经过中脂肪酶也仍然保持着较高的活性。NaraSJ等[18]研究了2-羟甲基-1,4-苯丙二氧烷与乙酸乙烯酯在疏水性和亲水性ILs中进行的酯交换反响,亲水性ILs中酶的活性与其在有机溶剂中的活性相当,而疏水性ILs中酶的催化活性明显高于其在亲水性ILs中的活性。酶具有高度的选择性,酶在不对称合成领域也有着广泛的应用。LiuYY等[19]采用酶催化水解的方式方法合成手性-氨基酸(图1),结果表示清楚,在ILs中的反响能够很好提高R构型产物的比例。2离子液体中酶促聚合反响ILs中酶促聚合反响包括缩聚反响、自由基聚合反响和开环聚合反响等[10],酶催化聚合反响能够在温和的条件下高效专一地合成普通方式方法难以合成的功能高分子,且对环境友好,具有其它合成方式方法无可比较的优越性。GorkeJT等[20]研究了5种不同的内酯(-丙内酯、-丁内酯、-丁内酯、-戊内酯和ε-己内酯)在[bmim]NTf2中,CALB(CandidaantarcticalipaseB)酶催化开环聚合反响(图2)。当单体(-丙内酯、-戊内酯和ε-己内酯)与酶的比例为1∶100(质量比)时,聚合度分别为170、25和85;当单体为-丁内酯、-丁内酯时,聚合度仅为5;-丙内酯与-丁内酯共聚所得聚合物的聚合度高达180;另外,实验还考察了水的含量对酶催化聚合反响的影响,当ILs中水的含量从1.95%减小到0.60%时,聚合物的分子量从8000g/mol增加到20000g/mol;实验还发现,聚合反响在强亲水性的ILs([bmim]-NO3、[bmim]N(CN)2、[bmim]EtSO4)中无法进行。Yo-shizawa-FujitaM等[21]利用L-丙交酯在3种ILs([bmim]-BF4、[bmim]PF6、[bmim]NTf2、[bmim]N(CN)2)中进行开环聚合,实验发现聚丙交酯在[bmim]BF4、[bmim]PF6、[bmim]NTf2中均能聚合,华而不实在[bmim]BF4中聚合的分子量最高为55000g/mol,华而不实在[bmim]PF6中聚合的分子量为4000g/mol,均比在甲苯中聚合的分子量要高,但是产率都较本体聚合的低,主要是由于ILs对聚合物有良好的溶解性,聚合物不能及时从ILs中分离出来。ChanfreauS等[22]在[hmim]PF6中利用Novozyme-435分别催化丙交酯、丙交酯与乙交酯发生均聚和共聚反响,在90℃时聚丙交酯的产率为63%,分子量为37800g/mol;初次实现了在[hmim]PF6中Novozyme-435催化丙交酯与乙交酯共聚反响,同时对共聚物进行了表征。MarcillaR等[23]报道了己/辛二酸甲酯与丁二酸在[bmim]NTf2、[bmim]PF和[bmim]BF4中Novozyme-435酶催化缩聚反响(图3),比拟了在ILs中敞开条件和本体真空条件下的聚合效果,实验表示清楚在ILs中敞开条件下聚合,不仅简化了聚合操作,而且提高了聚合物的分子量(Mn)。DordickJS课题组[24]研究利用大豆过氧化酶(Soybeanperoxidase,SBP)在ILs中催化酚类物质的聚合反响,聚合物的分子量在1200~4100Da之间,在90%(体积分数)[bmPy][BF4]的水溶液中,大豆过氧化酶表现出良好的活性。3ILs膜修饰的酶用于聚合反响酶活性的维持需要在少量水分子的微环境中,疏水性ILs能够很好保卫这种微环境,进而保持酶分子的二级构造不发生改变,酶的催化活性才能够得以维持。LozanoP等[25]利用ILs修饰的Novozyme-435(ILs-coatingNovozyme-435)在无溶剂的条件下催化合成烷基香茅酯,研究表示清楚烷基香茅酯的转化率和纯度竟到达100%,其酯化的机理如此图4所示。同样,FischerF等利用ILs-coatingNovozyme-435催化合成甲基葡萄糖脂肪酸酯,研究表示清楚ILs-coatingNovozyme-435的催化效率明显高于在ILs中Novozyme-435的,实验发现ILs的极性越大其催化产率越高。DangDT等[27]研究了ILs(亲水和疏水性两类)修饰后的酶催化水解反响,结果表示清楚经ILs修饰后的酶的催化活性明显高于自由酶,并且具有良好的可循环利用性,可能原因是ILs的存在保持了酶的二级构造进而提高了酶的活性中心与底物的接触时机。LeeJK等[28]利用[PPMim]PF6(PPMim=1-(3-苯丙基)-3-甲基咪唑)修饰的酶催化酯化反响,研究表示清楚经ILs修饰的酶具有良好的立体选择性和催化活性。DongFX等[29]利用[bmim]-PF6修饰的Novozyme-435催化1,4-二氧六环-2-酮(PDO)开环聚合,结果表示清楚,聚1,4-二氧六环-2-酮(PPDO)的最大分子量可达182100g/mol,其分子明显高于以[bmim]PF6为溶剂时的分子量。武汉大学贺枫教授课题组[30]系统地研究了ILs-coatingNovozyme-435催化ε-己内酯的开环聚合反响,实验发现经ILs修饰的Novozyme-435催化得到的聚合物的分子量(Mw)明显高于未经修饰的,酶的催化活性与ILs的物化性质(黏度、极性)有着一定关系,黏度越大,极性越小越有利于酶活性的保持。4ILs对酶催化活性和稳定性的影响酶的活性和稳定性与其所处的溶剂微环境有着直接的关系[31]。由于ILs具有构造高度可设计性的特点,这就使得ILs的种类繁多,探究ILs的物化性质(阴阳离子的构造、黏度、亲疏水性、极性、阴离子的亲核性)与酶的活性和稳定性之间的关系,能够提高研究ILs中酶促反响的针对性,这样可指导设计合成出对酶的活性和稳定性有利的ILs能够讲意义重大。4.1阴阳离子的构造ILs是由阴阳离子组成的,能够通过改变阴阳离子的构造来改变ILs的种类,不同种类的ILs对酶有着不同的作用。KlhnM等[32,33]将CALB酶溶解在8种不同的ILs中,利用分子动力学模拟阴阳离子与酶分子的互相作用,以为阴离子与酶之间的作用是库仑作用,是主导作用。酶在不同阴离子的ILs的稳定性顺序是:PF6-BF4-NO3-;阳离子与酶之间的作用是范德华作用,是次要作用,酶与离子之间的作用力大小由离子的尺寸大小、离子外表电荷密度的分布来决定,阳离子尺寸越小、外表电荷密度越大越容易使酶失活,另外,含有长烷基链或强极性的甲氧基链的胍盐型ILs更容易使酶失活。实验还发现离子会向酶分子极性一端聚集,带有长烷基链的离子会向酶分子非极性一端聚集。4.2ILs的黏度ILs的黏度一般比普通有机溶剂的黏度要大[34],ILs的黏度对酶催化活性的影响,对于不同反响有着不同的结论。酶在ILs的溶解性较差,所以ILs中的酶催化反响大多数是异相反响,就必须考虑分子间和分子内的传质阻力。vanRa-ntwijk等[7]以为ILs的黏度越大越有利于酶的空间构造的保持。然而,Lozano等研究ILs的黏度对胰凝乳蛋白酶活性的影响,发现胰凝乳蛋白酶在[emim]NTf2(黏度34mPas)中的活性要高于在[mtoa]NTf2(黏度574mPas,mtoa为甲基三辛基铵)中的。而ZhaoH等[35]在研究乙基丁酸与正丁醇在20多种ILs中发生酯化反响时,发现ILs的黏度不是影响酶活性的主要因素。4.3ILs的亲疏水性ILs的亲疏水性用lgP(P表示ILs在水和溶剂中的分配系数)表示,lgP值越大讲明ILs的疏水性就越大,ILs的疏水性越强越有利于酶的稳定性和催化活性的提高。LouWY等[36]研究不同ILs中酶催化(R,S)-1-三甲基硅乙醇与醋酸乙烯酯进行的酯化反响,实验发现Novozym-435的催化活性随着ILs的疏水性减弱([BMIm]BF4[OMIm]BF4[C7MIm]BF4[HMIm]BF4[C5MIm]BF4[BMIm]BF4)而减弱。ShenZL等[37]报道利用酶催化醇类氰化反响,实验发现PS酶在疏水性的[OMIM]PF6中,立体选择性高达80%,而在亲水性的[HMIM]BF4和[HMIM]Cl中只要5%。4.4ILs的极性一般的ILs中烷基链越长,烷基的构造越复杂,极性越小;在阳离子构造一样的情况下,阴离子使ILs的极性降低的顺序是:NO3-BF4-NTf2-PF6-[38,39]。ParkS等[40]研究酶(Pseudomonascepacia)催化1-苯基乙醇与醋酸乙烯酯的酯交换反响,实验发现酶的催化活性随着ILs的极性加强而减弱。而LozanoP等[41]在研究Novozym-435催化甲基--D-吡喃葡萄糖苷与脂肪酸的酯化反响,酶的催化活性随ILs的极性加强而加强。4.5阴离子的亲核性阴离子对酶的催化活性有着重要的影响作用,一般的阴离子的亲核性越强对酶的活性影响越明显。KaarJL等[42]研究自由Candidarugosa酶催化甲基丙烯酸甲酯与2-乙基-1-己醇的酯交换反响,结果发现酶只要在疏水性的[bmim]-PF6中才有活性,而在亲水性的[bmim]X(X=NO3-,CH3COO-,CF3COO-)中失活,他以为后面三者对酶的亲核性要高于PF6-的,进而导致酶蛋白质分子的立体构性发生改变。同样KatoK等[43]报道了CALB催化1-苯乙基胺与4-戊烯酸的选择性酰化反响,实验发现反响的速率随着ILs中阴离子亲核性(OTf-BF4-PF6-)的减弱而逐步降低。LeeSH等[44]研究了3种酶(Novozyme-435,Rhizomucormieheilipase,Candidarugosalipase)在不同ILs中催化酯交换反响的速率。实验结果表示清楚反响的速率随着ILs中阴离子亲核性的加强(Tf2N-PF6-OTf-SbF6-BF4-)而降低。为了减小ILs的阴离子对酶活性的影响,通常采取的措施是:(1)将游离的酶固定化,能够有效提高酶的活性;(2)增大ILs中阳离子构造,减小阴