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有机介质中脂肪酶催化反应及其手性醇的拆分

作　者: 杨立荣
导　师: 姚善泾
学　校: 浙江大学
专　业: 生物化工
关键词: 脂肪酶 有机溶剂 无溶剂体系 盐/盐水合物 手性醇 转酯化反应 醇解反应 α-氰基-3-苯氧基苄醇 α-苯乙醇 拆分
分类号: O643.3
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要


综述了有机介质中生物催化的研究现状和一些关键问题，开展此技术用于手性化合物的拆分制备过程的基础、工程和工艺研究具有实际意义。 以正己烷中脂肪酶催化正丁醇和乙烯基乙酸酯间的转酯化制备乙酸丁酯的反应为模型反应，用已知水活度的盐／盐水合物对控制反应体系的水活度。研究了水活度对酶催化反应的进程和初速度的影响；考察了盐对对酶反应过程的影响。从相律角度分析了用水活度的盐／盐水合物对控制反应体系的水活度的可行性。 研究了6个不同来源的脂肪酶在硅藻土和5个盐中的固定化。用EDTA-Na2固定的CRL、CSL和PSL三个脂肪酶和游离酶粉相比，转酯活力增加了463％、2700％和1215％。在用EDTA-Na2固定化脂肪酶CRL和PSL时，添加0.5％的蔗糖是有利的。添加1％的山梨醇仅仅对固定化PSL脂肪酶是有益的。加入冻干保护剂的CRL和PSL的EDTA-Na2固定化酶的转酯化活力比不加冻干保护剂时分别高100％和13％。 对无溶剂体系中脂肪酶催化的不可逆转酯化反应拆分α—苯乙醇的研究。首先，从实验室保存的35种酶中，根据反应的速率和产物的e.e值，筛选得到22号脂肪酶为最适合的研究用酶。其次，考察了不同的底物浓度、酶量、反应温度和摇床转速等因素对酶反应的影响，对该酶的反应条件进行优化。结果表明该酶的最适条件为：底物浓度600mmol／L，酶量为20mg，反应温度为40℃，摇床转速为150rpm。最后，还还考察了该酶的重复使用效率，使用三次，反应550min，R-α—苯乙醇的转化率分别为97.3％、72.5％、65.7％，产物的e.e都大于99％，数值没有下降，说明该酶的对映体选择性没有降低。 对α-氰基-3-苯氧基苄醇（CPBA）手性中间体进行高效液相色谱分离研究，针对不同样品选择了不同的手性柱，在此基础上选择了检测波长、不同的流动相体系及样品流速，研究了柱温对分离的影响，并得到了优化的色谱分离条件。CPBA的分离条件为：色谱柱为Sumichiral OA-4400（25cm×4.6mmφ，5μm），流动相为正己烷-二氯乙烷-乙醇（87：10：3，体积比），流速为1.0ml·min-1，检测波长254nm，柱温15℃，进样量5μl。在此条件下，分别对它们进行了线性关系和回收率的测定，证明分析方法可行可靠。 对溶剂系统中脂肪酶催化醇解反应拆分制备手性（S）-α-氰基-3-苯氧基苄醇（S-CPBA）研究体系。首先，对实验室现有的33种不同的脂肪酶进行筛选，从中得到催化转酯化反应活力较高的10个酶。并对这10个酶进行进一步的复筛，选出了具有较高活性和对映体选择性的22、24、33三个酶作为进一步的研究用酶。其次，先后进行了反应溶剂和酰基受体（醇）的研究，对15种溶剂和14种醇进行了比较研究，确定出较佳的反应体系分别为：22号酶、四氢呋喃、甲醇。再次，研究了酶反应的影响因素，对系统的含水量、反应时间、反应温度、底物的配比、酶的加入浙江大学博士学位论文摘要量、底物的浓度、摇床的转速等因素进行了系统的研究和考察，结果表明该酶反应的较适条件为:反应温度为35一45℃、脱水溶剂加水量为O一1%、反应时间应控制在4天以内、摇床转速应大于Zoorpm、CPBAc:醇应大于1:0.5、cPBA。为337班左右、及酶量为1 omg/inl溶剂。最后，还研究了产物抑制、酶的重复利用和4升规模的放大实验。研究结果还表明产物CPBA抑制作用确实存在;酶在二氯甲烷中更容易失活，仅反应3次酶活力就下降到不足初次反应的20%，而在T珊中经过9次反应酶活力还可达到初次反应的50%，17次反应后为初次反应的21石%;放大实验得到产物e.e值大于98%，产物得率为43 .85%的良好结果。 对有机介质中，脂肪酶催化反应的机理进行了分析和讨论，提出了其符合具有底物醇和产物醇双抑制的Ping一Pong反应机制，基于该机制推导得到其动力学方程的表达式为:KK{【，;::l一!里塑)戈人eq少::，，「·」·:K。，。·l·:、〔”（‘·）+竺兰哩「可1、旦、)K<sub>-一几KoJ，‘丫、，f/ 万.︻︸.IJ一月一﹃卜凡J一一.且L一，.f KKmP十— Keq[Q]+李[Pl叼 人eq+卫泣 K，凡[AI[P]十夕渔 乓BllQI+KK浏 踢[Bl[PI 当将其将动力学用于无溶剂系统脂肪酶催化的不可逆转酷化反应，拆分a石苯乙醇系统时，可简化得到如下动力学模型: dB，V:二二一—=气[尽]K。。、l+二，+、。:可，+粤)+、。。l+、【，l、， \几IB/根据实验数据拟合得到上式中的各参数为:珠二0.0145m人以加in、瓜二0.495功对、‘B一9*l0-s、鲡一1*l丫、肠一。‘41*10一2、与创一1.5*10一sm人fl、与二3姗加材‘用该模型预测不同浓度下酶反应过程时，模型计算值与实验值基本吻合，结果表叨该模型能较好的反映实际情况。 当将该动力学用于溶剂中脂肪酶催化可逆的醇解反应，拆分手性。氰基一苯氧基节醇（S一CPBA）系统，可得到如下的动力学方程:v=、一、一」叭咖一鲁 “、，l[B1·:编[As1·、嵘呼黔匹「汀，十国 K一‘IK，} 咐、“/浙江大学博士学位论文摘要 KK.二+=万二-[Q]+

全文目录


摘要  9-12
ABSTRACT  12-15
第一篇 前言  15-39
  第一章 文献综述  16-39
    1.1 有机溶剂中的酶催化  16-23
      1.1.1 酶催化的优点与限制  16-18
      1.1.2 有机溶剂(介质)对酶催化的影响  18-20
      1.1.3 催化剂工程  20-23
    1.2 手性药物和手性化合物及其合成  23-26
      1.2.1 手性药物  24-25
      1.2.2 手征性农药  25
      1.2.3 手性化合物的制备方法  25-26
    1.3 S-CPBA的应用与合成研究  26-34
      1.3.1 S-CPBA的应用  27-28
      1.3.2 S-CPBA的合成研究  28-34
        1.3.2.1 不对称合成  28-30
        1.3.2.2 消旋体拆分合成  30-34
      1.3.3 S-CPBA合成方法述评  34
    1.4 本文的研究思路  34-36
    参考文献  36-39
第二篇 含盐有机溶剂系统中脂肪酶催化的转酯化反应  39-61
  第二章 有机相酶催化反应中盐／盐水合物对的作用  40-50
    2.1 引言  40
    2.2 实验原理  40-43
      2.2.1 用水活度描述水对酶催化行为的影响  40-41
      2.2.2 盐／盐水合物控制有机溶剂中的水活度  41-43
    2.3 实验材料与方法  43-44
      2.3.1 实验材料  43
      2.3.2 主要设备  43
      2.3.3 实验方法  43-44
    2.4 实验结果与讨论  44-49
      2.4.1 预平衡法和直接加盐法的比较  44-47
      2.4.2 酶反应初速度的比较  47-48
      2.4.3 酶反应过程的比较  48-49
    2.5 小结  49
    参考文献  49-50
  第三章 盐系中统脂肪酶的固定化及其催化活力  50-61
    3.1 引言  50-51
    3.2 实验材料与方法  51-55
      3.2.1 实验用酶  51
      3.2.2 实验试剂  51-52
      3.2.3 实验仪器  52
      3.2.4 酶固定化方法  52
      3.2.5 分析方法  52-55
    3.3 结果与讨论  55-59
      3.3.1 固定化脂肪酶水解活力和蛋白质含量  55-56
      3.3.2 固定化酶的转酯化活力  56-57
      3.3.3 冻干保护剂对脂肪酶催化活力的影响  57-58
      3.3.4 固定化酶反应过程曲线  58-59
    3.4 小结  59-60
    参考文献  60-61
第三篇 有机溶剂中脂肪酶催化手性醇的拆分  61-141
  第四章 无溶剂体系脂肪酶催化转酯化拆分α-苯乙醇  62-79
    4.1 引言  62-65
      4.1.1 苯乙醇的性质和应用  62
      4.1.2 α-苯乙醇的生物法拆分进展  62-65
      4.1.3 本章的研究目的  65
    4.2 材料与方法  65-68
      4.2.1 化学试剂  65
      4.2.2 实验用脂肪酶  65-66
      4.2.3 酯标准品的制备  66
      4.2.4 脂肪酶催化转酯化反应方法  66-67
      4.2.5 气相色谱法定性与定量分析  67-68
      4.2.6 酶粉中蛋白含量的测定  68
    4.3 酶的选择  68-71
      4.3.1 酶的来源  68-69
      4.3.2 酶的初筛  69-70
      4.3.3 酶的复筛  70-71
    4.4 酶催化转酯化条件的优化  71-77
      4.4.1 温度的影响  72-73
      4.4.2 底物浓度的影响  73-74
      4.4.3 酶量的影响  74-75
      4.4.4 高底物浓度下温度的影响  75
      4.4.5 摇床转速的影响  75-77
      4.4.6 酶的重复使用效率  77
    4.5 小结  77-78
    参考文献  78-79
  第五章 手性α-氰基-3-苯氧基苄醇的液相色谱分离  79-95
    5.1 引言  79
    5.2 手性氰醇的分析测试进展  79-81
      5.2.1 手性化合物的分离机理  79-80
      5.2.2 刷型手性固定相简介  80-81
    5.3 实验部分  81-82
      5.3.1 仪器设备  81-82
      5.3.2 试剂  82
      5.3.3 实验方法  82
    5.4 实验结果与讨论  82-93
      5.4.1 氰醇的分离  82-92
      5.4.2 氰醇的分离机理探讨  92-93
    5.5 小结  93-94
    参考文献  94-95
  第六章 溶剂中脂肪酶催化醇解反应拆分α-氰基-3-苯氧基苄醇乙酯  95-123
    6.1 引言  95-96
    6.2 材料与方法  96-99
      6.2.1 化学试剂  96
      6.2.2 脂肪酶来源  96
      6.2.3 实验原理  96-97
      6.2.4 实验操作步骤  97
      6.2.5 分析及测定方法  97-99
    6.3 酶的选择  99-102
      6.3.1 脂肪酶的初步筛选  99-101
      6.3.2 脂肪酶的复筛  101-102
    6.4 溶剂的选择  102-106
      6.4.1 22号酶反应结果:  103-104
      6.4.2 24号酶反应结果:  104-105
      6.4.3 33号酶反应结果:  105-106
    6.5 醇的选择  106-110
      6.5.1 22号酶反应结果  107-109
      6.5.2 24号酶反应结果  109-110
    6.6 酶反应体系的确定  110-111
    6.7 酶催化反应条件的优化  111-122
      6.7.1 溶剂水含量的影响  111-112
      6.7.2 反应时间的影响  112-113
      6.7.3 温度的影响  113-114
      6.7.4 醇与CPBAc的摩尔比例的影响  114
      6.7.5 摇床转速的影响  114-115
      6.7.6 酶量对反应的影响  115-116
      6.7.7 底物浓度对反应的影响  116-117
      6.7.8 产物抑制的影响  117
      6.7.9 酶重复利用的考察  117-119
      6.7.10 酶催化反应的时间过程曲线  119-121
      6.7.11 酶反应的放大  121-122
    6.8 小结  122
    参考文献  122-123
  第七章 有机相脂肪酶催化反应动力学及其在手性醇拆分中的应用  123-141
    7.1 酶促转酯化反应机理分析  123-128
      7.1.1 多底物酶促反应历程的Cleland表示法介绍  123
      7.1.2 双-双反应(Bi-Bi Reactions)  123-125
      7.1.3 脂肪酶催化拆分手性化合物的反应机制  125-126
      7.1.4 脂肪酶催化反应机理和动力学探讨  126-128
    7.2 反应动力学模型的推导  128-132
      7.2.1 没有抑制时脂肪酶催化反应动力学的推导  129-131
      7.2.2 有抑制时脂肪酶催化反应动力学  131-132
    7.3 α-苯乙醇的酶催化转酯化反应动力学  132-135
      7.3.1 模型的简化  132-133
      7.3.2 模型参数和拟合结果  133-135
    7.4 酶催化CPBAc醇解反应动力学  135-138
      7.4.1 醇解反应动力学模型的推导  135-136
      7.4.2 模型参数和拟合结果  136-138
    7.5 小结  138-139
    符号说明  139-140
    参考文献  140-141
第四篇 结束语  141-147
  第八章 结论与建议  142-147
    8.1 结论  142-146
      8.1.1 含盐有机溶剂系统中脂肪酶的转酯反应  142
      8.1.2 手性CPBAc和CPBA的分析方法  142-143
      8.1.3 有机溶剂中脂肪催化手性醇的拆分  143-144
      8.1.4 有机溶剂中脂肪酶催化反应动力学  144-146
    8.2 建议  146-147
已发表的论文  147-148
致谢  148

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 化学动力学、催化作用 > 催化
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