淺析生物催化劑在化學合成中的應用

＊付 涌

（南昌醫學院 江西 330004）

近年來，隨著全球環境問題的日益嚴重和可持續發展理念的提出，綠色化學合成成為了化學領域的重要研究方向之一。傳統的化學合成往往使用高溫、高壓和有毒的化學物質，對環境造成了嚴重的污染，并且嚴重依賴有限的化石能源資源。為了解決這些問題，尋找一種環保高效、可持續的合成方法勢在必行。生物催化能將傳統的有機合成策略與現代生物技術完美地融為一體，具有條件溫和、高效專一、環境友好等特征。

1.概述

生物催化劑是一種天然的催化劑，因此對于復雜分子的合成和轉化具有特殊的適應性。并且能夠在相對溫和的條件下高效率催化化學反應，同時對底物具有選擇性，降低了副反應的發生。其次，生物催化劑具有可逆性，在適當的條件下能夠逆轉催化反應，提高反應的平衡度。工業用生物催化劑是指應用于工業生產過程中的游離或固定化的酶或活細胞。這些催化劑通常是從生物體中提取出來的微生物細胞。經過提取和純化后的酶可以作為游離酶直接應用于反應體系中，也可以通過固定化技術進行加工，將酶或活細胞固定在載體上，形成固定化酶催化劑。通過固定化技術，酶或活細胞可以在反應體系中穩定存在，不易失活。此外，工業用生物催化劑具有較好的可重復使用性，可以多次應用于反應過程，減少廢物產生，降低生產成本。工業用生物催化劑在生物燃料生產、食品加工、制藥、化妝品、紡織品等許多領域也有廣泛應用。在生物燃料生產中，通過利用酶或活細胞催化劑，可以實現生物質原料轉化為生物酒精或生物柴油等燃料。

2.生物催化劑的分類和特點

（1）酶。酶（enzyme）是由活細胞產生的、對其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質或RNA。酶是一類特殊的蛋白質，具有催化化學反應的能力。并通過特定的立體結構和活性位點與底物分子相互作用，在催化過程中加速反應的進行。由于酶具有專一的催化活性位點，能夠選擇性地催化特定底物的轉化。與大多數非生物催化劑相比，酶通常在常溫和常壓下活化反應。這不僅減少了能量消耗和生產成本，還能保持底物和產物的化學穩定性，以及降低副反應的發生。通過固定化技術，酶可以被固定在一種載體上，形成固定化酶。固定化酶能夠穩定存在于反應體系中，并能反復使用。與非生物催化劑相比，酶可以對底物的結構變化較為容忍，并能催化多種不同類型的底物，同時酶與底物嚴格互補（圖1）。

圖1 酶與底物嚴格互補

（2）酵母菌。酵母菌（saccharomyces）一般泛指能發酵糖類的各種單細胞真菌，可用于釀造生產，在有氧和無氧條件下都能夠存活，是一種天然發酵劑。酵母菌屬于真菌的一種，其酶系統能夠催化多種生物轉化反應，并利用糖類、脂類、蛋白質和酒精等多種有機物作為底物，通過其固有的酶系統，能夠催化底物的轉化，并在特定條件下選擇性地生成目標產物。此外，酵母菌以葡萄糖等有機物為碳源進行能量和生物物質合成，能夠在相對簡單的培養條件下生存和繁殖。酵母菌在應對環境壓力和逆境時表現出較強的適應性和存活能力，能夠在較寬的溫度、酸堿度和氧濃度范圍內生長和催化反應。此外，酵母菌的酶系統在細胞內穩定存在，通過重復循環使用進行催化。

（3）微生物催化。微生物是一種生物催化劑，能促使生物物質轉化的進行，由微生物體內酶系的催化作用，把反應物轉化為產物最終被釋放出來。微生物能夠利用糖類、脂類、氨基酸等多種有機和無機底物進行代謝和轉化，通過在相對簡單的培養條件下生長和繁殖，在工業生產中可用于生產化學品、藥物、食品等。微生物催化還可以應用于環境保護、廢水處理、生物能源生產等方面。利用微生物和酶催化原料的轉化，生產生物乙醇和生物柴油。用微生物酶和微生物細胞作為傳感器的組件，用于檢測環境中的化學物質、生物分子和氣體。微生物催化效率高、底物選擇性好、減少副產物生成、環境友好。在生物工程、化學工業、農業、環境科學和醫藥等領域都有廣泛的應用前景。此外，微生物催化也在合成有機化合物、合成酶、生物傳感器等生物技術領域有著重要的應用和研究價值。

3.化學合成的現狀分析

化學合成是指通過化學反應將原料轉化為目標產物的過程。化學合成技術對于操作和環境要求比較高，一般都需要在高溫高壓的環境中，用易燃易爆物質進行化學合成，合成的過程中有些對于溫度、濕度、甚至pH值都有苛刻的要求，且成功概率偏低，操作過程復雜。在當今社會，化學合成在各個領域廣泛應用。首先，化學合成在有機合成領域發揮著關鍵作用。有機合成化學是指對碳原子的化學結構進行改變和構建，通過合成有機分子來制造藥物、農藥、染料、聚合物等化合物。有機合成化學的重要性體現在它能夠合成具有特定結構和功能的分子來滿足不同領域的需求。在藥物工業中化學合成可以用于產生藥物的活性成分，并通過合成和改進藥物分子的結構，提高藥物的療效和減少副作用，大多數現代藥物都是通過化學合成來制備的。在材料科學和能源領域，通過化學合成可以制備聚合物、金屬有機框架、納米顆粒等各種功能材料，還可以用于制備太陽能電池、燃料電池等新型的能源材料，推動能源轉型和可持續發展。

4.生物催化與傳統化學合成的對比

（1）傳統化學合成的局限性。傳統化學合成方法在反應條件限制、資源消耗、廢棄物處理、合成復雜性、時間成本、結構多樣性等方面存在一些局限性。傳統化學合成通常需要高溫、高壓或強酸堿等較嚴苛的反應條件，需要大量的試劑和溶劑，導致對資源的浪費和環境的污染。同時，合成過程中產生的廢棄物處理也是一個挑戰。傳統合成方法對于復雜有機分子的合成需要多步反應、純化和結構確認等繁瑣步驟，并且有些復雜結構的化合物可能無法通過傳統的合成方法來合成，此外，在納米材料、生物醫學領域等新興領域，傳統合成方法無法滿足新材料或新藥物的需求。

（2）生物催化的優勢。生物催化與傳統化學合成是兩種不同的合成方法，生物催化利用酶作為催化劑，能夠在溫和的條件下催化特定的化學轉化，降低合成過程中的能量和溫度要求。相比之下，傳統化學合成需要較高的溫度、壓力和強酸堿等條件。同時酶能夠催化一系列的底物反應，且能夠選擇性地催化目標底物的特定位點，減少或避免副產物的生成。而傳統化學合成往往需要更多的步驟和制備過程以達到類似的選擇性。生物催化利用可再生的底物，在反應中形成的副產物對環境的影響相對較小。此外，生物催化常常是以水為溶劑進行的，在廢液處理方面也更加便利。而傳統化學合成則需要使用大量的有機溶劑和生成大量的廢棄物，造成環境污染。

5.生物催化在有機合成中的應用

（1）精細有機化工。高立體選擇性合成是指在有機合成中，酶可以以非常高的立體選擇性催化特定反應，合成手性有機物，并通過合適的催化劑或反應條件，實現對手性化合物的選擇性合成。手性化合物是具有非對稱碳原子的化合物。在自然界和很多重要的有機分子中，手性性質對于化學活性、生物活性和藥理活性等方面起著重要作用。高立體選擇性合成的關鍵在于選擇適當的催化劑或反應條件。常用的催化劑有手性配體、酶和金屬催化劑等。手性配體可以配合金屬催化劑，形成具有空間立體異構體的復合物，通過對底物進行空間位阻和電子效應的調控，實現對手性中心的選擇性反應。在高立體選擇性合成中，還需要考慮溫度、溶劑、反應時間等反應條件的選擇，通過調節反應條件，可以控制不同基團的空間位阻，實現對手性中心的選擇性反應。高立體選擇性合成應用于藥物合成、精細化學品合成和天然產物的合成等領域。通過合適的催化劑和反應條件，可以實現高效、經濟和可持續的合成路線，從而提高合成效率。官能團轉移反應有環氧化、親電取代、求核取代和脫酰反應等多種機制和類型，環氧化是一種官能團轉移反應，通過環氧化劑將環氧化合物中的一個氧原子與另一個分子上的親電中心反應，形成醇或氧雜環化合物。親電取代反應中，一個親電試劑攻擊化合物中的一個官能團，并與之形成一個新的化學鍵[1]。求核取代涉及親核試劑攻擊有機分子中的特定官能團，形成新的化學鍵。脫酰反應通過裂解酰基原子與鄰近原子相連接的化學鍵，生成一個含有新官能團的新化合物。

（2）合成藥物領域。與傳統化學制藥方法不同的是，生物催化法主要合成不對稱手性化合物，應用于制藥、藥物中間體的生產過程。在化學中，手性分子具有非對稱性，存在兩種可能的立體異構體，即左旋與右旋。非對映選擇性催化的目標是控制催化反應，使得只有特定手性產物生成，而不是兩種手性產物均等生成[2]。手性催化劑能夠在催化反應中傳遞其手性信息給底物，使手性配體可以與金屬離子形成手性配位化合物，催化不對映選擇性反應。手性配體的立體構型可以通過其自身手性中心改變分子的對稱性，同時手性誘導劑（如手性配體）與底物形成穩定的配位體，然后發生配體交換反應，將手性信息傳遞給底物，選擇性地生成具有特定手性的產物。生物催化可以實現對立體異構體的選擇性合成，酶催化合成可以根據底物的立體構型來得到單一立體異構體的產物，從而避免復雜的分離和純化步驟。生物催化技術可以用于制備合成藥物中的高價值中間體。將特定酶催化的反應引入到合成中間體的合成步驟中，可以提高合成的效率，減少副產物的生成。分子內N-H卡賓插入化學的應用為β-內酰胺類抗生素的合成讓創新分子設計成為可能，打開了合成原先無法獲得的具有高度治療價值的分子的通道（圖2）。

圖2 β-內酰胺類抗生素的合成

6.生物催化的發展前景

(1)交聯酶聚集體技術[3]

以交聯酶聚集體法為代表的無載體固定化技術是指先采用物理方法將酶蛋白聚集，之后采用交聯劑對酶進行交聯。交聯酶聚集體技術的基本原理是通過交聯劑將酶分子固定在載體上，形成酶聚集體。交聯劑可以是化學交聯劑或物理交聯劑，用于將酶分子之間或酶與載體之間的化學鍵或物理相互作用加強，從而形成聚集體結構。在交聯過程中，酶的活性可能部分喪失，需要找到合適的交聯劑和條件。

(2)柔性長鏈技術[4]

酶的柔性固定化是指將一些有足夠碳鏈長度且具有一定親水性的分子鏈，通過化學法接枝在固定化載體上的技術。柔性長鏈分子可以通過物理交聯或化學交聯與材料相互作用，形成柔性網絡結構，并在材料中起到增強、調控或穩定化的作用。柔性長鏈分子可以作為增強相引入到材料中，通過與基質相互作用，增強材料的力學強度、韌性和耐磨性。并且可以影響材料的組織結構和形貌，調控材料的孔隙結構、表面特性和界面性能。柔性長鏈分子的引入可以阻礙裂紋傳播、防止材料蠕變和降低材料的老化速率，抑制界面的結垢、增強膠粘劑的黏附性能或減小材料的摩擦系數。

7.結語

近年來，科研人員在固定化新型生物酶的研發過程中，積極尋求創新的方法和突破口，努力推動大量研究成果的涌現，并促使越來越多的科研理論成果得以應用到實際的工業化生產中。科研人員跨越了領域的邊界，共同引領生物酶技術的發展，生物催化技術將在更廣泛的領域得到應用，為構建清潔、可持續的社會作出貢獻。