第6章-酶的非水相催化课件.ppt
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- 非水相 催化 课件
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1、Chapter 6 Enzymatic catalysis in Non-aqueous system酶的非水相催化酶的非水相催化非水相酶学的诞生非水相酶学的诞生水是酶促反应最常用的反应介质。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许多有机化合物(底物底物)在水介质中难溶或不溶。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。应的发生。是否存在非水介质能保证酶催化?是否存在非水介质能保
2、证酶催化?1984年,克利巴诺夫(年,克利巴诺夫(Klibanov)等人在有机介质中进行了酶催化反)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体系中进行催化反应。非水相酶催化的优点o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;o 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
3、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;o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;o由于酶不溶于有机溶剂中,酶的重复利用更加方便;o可以省略产物的萃取分离过程,提高了产物得率;o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。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o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
4、性构象改变;o 酶在有机溶剂中的构象过于刚硬(rigid)导致活性降低;o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;o底物在不同溶剂中去溶剂化能(desolvation energy)的差异;opH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。Contents of chapter 61、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 GoGoGoGo5、酶非水相催化的应用 Go第一节第一节 酶非水相催化的反应介质酶非水相催化的反应介质 有机介质有机介质气相介质气相介
5、质超临界介质超临界介质离子液体离子液体氟溶剂氟溶剂一一 酶非水相催化的反应介质酶非水相催化的反应介质有机溶剂有机溶剂o是目前研究最多的一种非水反应介质o应用较多的一种反应介质二二 酶非水相催化的反应介质酶非水相催化的反应介质-气相气相优点:o避免了有机溶剂的使用;o酶的回收较为方便;o气相中底物和产物的传质效果较好。缺点:o反应器中的反应物浓度受到底物蒸汽压的影响 o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 三三 酶非水相催化的反应介质酶非水相催化的反应介质超临界流体超临界流体优点:o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
6、临界流体的压力和温度来改变。o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:o设备复杂,难于连续生产和进行工业放大。o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o反应结束后取出产物的减压过程也容易造成酶的失活。四四 酶非水相催化的反应介质酶非水相催化的反应介质-氟溶剂氟溶剂 o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。o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
7、反应的速率10倍之多。五五 酶非水相催化的反应介质酶非水相催化的反应介质离子液体离子液体(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。o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
8、结构:o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。(二)离子液体的优点 o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
9、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。o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。o同时还有很多研究者认为离子液体是
10、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。(三)离子液体缺点离子液体也有一些缺点妨碍着它的应用。n已合成的离子液体大多黏度很高,这势必给底物和产物的传质带来困难。Kragl等人发现尽管-糖苷酶在80C高温下在离子液体1-甲基-3-甲基咪唑甲基璜酸盐(1-methyl-3-methylimidazolium methanesulfonate,MMIMCH3SO3)中仍具有很高的稳定性,但80C的高温仍然没有解决离子液体粘度较大带来的传质困难。n尽管有些离子液体成本可达到70欧元/kg,但价格仍然是限制其应用的重要因素。因此离子液体能否能
11、完全回收利用是其能否工业化应用的重要条件。一一 无溶剂反应体系无溶剂反应体系优点:o无溶剂反应具有很高的底物浓度,在不存在底物抑制的情况下,有利于提高反应速度并推动反应向产物方向进行,从而得到高浓度的产物。o因为在反应中没有使用有机溶剂,也就避免了有机溶剂对酶活性的影响。同时有机溶剂用量减少也在一定程度上提高了产品的安全性,这对于食品和医药工业是非常重要的,这也符合环境保护的要求。o不使用溶剂就相应减小了反应器的体积,这对工业生产来说就是大大降低了生产成本,有利于工艺的工业化。o 反应结束后无需考虑从反应体系中分离出反应溶剂,简化了产物分离纯化工艺。缺点:o但酶在无溶剂条件下进行催化也存在着许
12、多困难和问题:高浓度的底物和反应中形成的产物可能对酶起抑制作用,这会对酶的催化活性产生不利影响;o另外反应底物本身的黏度可能很大,可能会使底物与酶难以充分混合,从而导致反应速率过慢。第二节第二节 反应体系反应体系二二 拟低共熔反应体系拟低共熔反应体系o所谓低共熔混合物,是指两种或两种以上的组分,在一定组分比率下会表现出比纯组分熔点低的低共熔点,并且多相共存。底物固、液相同时存在是低共熔混合物能被酶催化的原因。o拟低共熔反应体系中进行酶催化反应,具有产物浓度高、对环境友好等许多优点,但也有研究者认为在该体系中调节酶的催化特性比较困难。三三 两相体系两相体系o有机溶剂水两相体系 在有机溶剂水两相体
13、系中,多数酶分子处在水相中不与有机溶剂直接接触从而能保持较高活性;而大部分底物则溶解在有机相中,在水相中底物或产物的浓度较低这样可以避免底物或产物对酶产生的抑制作用。同时产物从酶分子表面脱落进入有机相中有利于反应向生成产物方向进行。o存在着相界面,这样会给反应带来传质和传热阻力。同时相界面的存在还导致了酶的界面失活。而且在有些情况下溶解于水相的少量有机溶剂还能对酶的活性产生影响。*还有离子液体超临界反应体系,离子液体水反应体系等体系 构建双水相体系实现在线产物分离Top phaseBottom phase Substrates Product Product Side product Bioc
14、atalyst四四 反相胶束体系反相胶束体系 o在水有机溶剂两相体系和微水有机溶剂体系中,仅有少数酶能够保持催化活性,而能在反相胶束体系中催化的酶的种类更多(酶在胶束中水池中活力更大)。从一定意义上说,反相胶束体系也是一种两相体系,但它用于传质的相面积更大。酶的重复利用和产物同步分离上仍存在许多问题 微团效应使某些酶活性增加o超活性:凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性(Super-activity)。o认为:超活性是由围绕在酶分子外面的表面活性剂这通过与酶相关基团作用改变酶构象而影响酶活。五五 氟溶剂的两相体系氟溶剂的两相体系 催化中均相反应有利于底物传质催化中均相反应有利于底物传质
15、,而两相体系有利而两相体系有利于分离于分离,氟溶剂这种可变为单相体系的两相体系同氟溶剂这种可变为单相体系的两相体系同时拥有两种优点时拥有两种优点第三节 影响酶在非水反应介质中催化的因素o水对非水相酶催化的影响 o冻干保护剂对酶构象的影响o反应介质对非水相酶催化的影响 o载体对非水相酶催化的影响 干燥的酶水合过程:o(1)与酶分子表面带电基团结合达到0-0.07g/g(水/酶)o(2)与表面的极性基团结合(0.07-0.25g/g)o(3)凝聚到表面相互作用较弱的部位(0.250.38g/g)o(4)酶分子表面完全水化,被一层水分子覆盖。一 水对非水相酶催化的影响o水参与了所有维持酶活性构象的非
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