酶在有机合成中的应用进展汇总

酶在有机合成中的应用进展汇总（精选2篇）

酶在有机合成中的应用进展汇总 篇1

酶在有机合成中的应用进展

许广帅

（化工学院 化工一班）

摘要：由于有机溶剂易使酶蛋白变性、失活或抑制其反应，因此，长期以来，形成 了一个概念：酶反应需在水溶液中进行。尽量避免使用有机溶剂。随着酶学研究的进展。经 过近十年的大量研究，人们发现。只要条件合适，酶在有机溶剂中是完全能够起催化反应的。1985年欧洲生物技术联合会召开了“生物催化剂在有机合成中的应用，随后又组织了“有机相中的酶催化讨论会，引起了与会科学工作者扳太的兴趣。近年来。有机合成化学领域的一个重大进展就是应用微生物或酶进行催化反应。由于酶催化反应具有高度的专一性，使得 这种合成与转化在合成化学领域中具有很大的理论价值和应用潜力。

关键词：酶、有机溶剂、生物催化剂、催化反应

Abstract: Because the organic solvent is easy to make enzyme protein denaturation and inactivation or inhibit the reaction, therefore, for a long time, form a concept: enzyme reaction should be carried out in aqueous solution.Try to avoid using organic solvent.With the progress of the enzymology.After nearly 10 years of research, people found.As long as conditions are right, enzymes in organic solvents is fully capable of catalytic reaction.In 1985 European biotechnology federation held a “the application of biological catalyst in organic synthesis, and then organized” seminar on enzyme catalysis in the organic phase, aroused the interest of the scientific workers pull too.In recent years.A significant progress in the field of organic synthesis chemistry is the application of microorganism or enzyme catalytic reaction.Because the enzyme catalytic reaction are highly specific, makes the synthesis and transformation in the field of synthetic chemistry has great theory value and application potential.Key words:Enzyme, organic solvents, catalysts, catalytic reaction 1 前言

酶除作用于天然底物外，还可作用于与其底物结构相似的物质发生非自然催化，从而构戚了一个特殊的化学合成新锈域。通过酶催化可以完成各种各样的化学反应，如：氧化、脱氢、还原、脱氨、羟基化、甲基化、环氧化、脂化、酰胺化、磷酸化、开环反应、异构化、侧链 切除、缩合以及卤代等反应。由于酶催化较化学法催化具有区域选择性、立体选择性、条件 温和、反应速度快等优点，因此形成了生物学与化学边缘领域中十分引人注意的，研究非常活跃的重要课题，并已出现许多科研成果。实际上，酶催化已经应用于制药、精细化工、食品添加剂以及日用化合物等的合成。酶在有机合成中的应用

多肽合成、脂类合成、抗生素的修饰、有机酸、光学活性氨基酸的制备、日用化合物生产。

2.1卤过氧化物酶

2.1.1卤化反应

氯是目前地球上含量最多的卤素，其次是溴和碘。卤素被有机体用来产生卤素代谢产物，从哺乳动物体内的甲状腺激素到某些植物产生的有毒的氟化脂肪酸。藻类，特别是海藻是目前最丰富的卤素代谢产物的来源1221。海藻在卤过氧化物酶的帮助下合成了卤化合物。这些化合物包括吲哚、萜、酚类、挥发性的卤代烃等。卤化酶所产代谢物大都具有生物学的抗真菌、抗细菌、抗病毒和抗炎的活性，例如卤代的吲哚，具有抗炎和抗癌的活性。卤化反应可以被亚铁血红素卤过氧化物酶以及钒卤过氧化物酶和细菌卤过氧化物酶所催化。早在1961 年，Hager等∞l就报道了CPO能和B一酮酸发生卤化反应。卤化作用的代表是氯过氧化物酶催化的卡尔里霉素的生物合成1241。近年来，由于具有可以卤化一系列有机化合物的力，卤过氧化物酶引起了商业和药学界的浓厚兴趣。由卤过氧化物酶催化的卤化反应缺乏立体特异性，这与无酶卤化反应是一致的，具体的细节仍有争论闭，但某些糖烯的区域选择性溴化反应例外倒。糖烯在氯过氧化物酶、HX(卤化氢)和H：O：存在下反应生成相应的2一脱氧一2一溴糖，且具有高的区域和立体选择性。该化合物是非常有用的生物活性糖类和合成纤维，此方法对于卤代糖类的合成是一种新的方法。2.1.2氧化反应

炔在各种化合物的合成中是一个非常重要的中间体。已经研究了很多炔上三键的氧化反应。然而，对于氧化炔丙基的例子并不多。手性丙炔醇是对应选择性合成复杂分子(特别是生物学活性物质)的重要标准部件。Hager等[271报道了CPO在H20：或TBHP(叔丁基氢过氧化物)的存在下，催化氧化2一炔到醛的反应。从炔到醛的炔丙基氧化过程中，不对称的炔丙醇作为一个中间体。在H：0：和CPO的水溶液中，醇完全、快速地转化成了醛(92％～95％)。在己烷(或乙酸乙酯)和缓冲溶液(pH=5．0)的两相体系里，CPO可以催化一系列伯醇生成相应的醛阎。CPO也可以不对称地催化前手性的l，3一环己二烯，反应有高的对应选择性，且有很高的产率。2.1.3环氧化作用

环氧化合物是非常重要的有机合成中间体。通过官能团转化反应，可以从环氧化合物制备一系列不同结构的手性化合物。目前，工业应用的烯烃环氧化合成环氧化合物的方法主要有氯醇法和Halcon法。在氯醇法中，合成反应会产生大 量含CaCl：及各种有机氯化物的废水，造成严重的环境污染，而且设备腐蚀严重；Halcon法工艺流程太长，投资大，对原料质量要求较高，操作条件严格，且联产品多，故这两种生产方法均不能满足可持续发展的要求。随着人们对环保的日益重视及对环氧化产品需求的不断增加，发展工艺简单、污染小的绿色环氧化合物合成新工艺显得更为迫切1291。应用于烯烃环氧化的酶主要有氯过氧化物酶(chloroperoxidase)和单加氧酶(monooxygenase)。自从发现CPO能作为一种环氧化反应的催化剂以来，这个反应的选择性和产率一直是人们关注的问题。研究发现，CPO能催化各种烯烃的不对称环氧化，且有很高的产率和对映选择率。另外，CPO还可以催化茚，经过茚二醇中间体。直接衍生出手性环氧化物[30l]。

总结：卤过氧化物酶能催化多种反应，且催化的多数反应以立体特异性的方式实现。此外，催化反应条件温和，无环境污染，应用前景广阔。但是，当H20：氧化剂浓度高时，容易失活；且大多底物水溶性差。近年来，已经开发了一些方法来改善这些不利因素，例如：C矿、M矿等多种离子可以提高无辅基卤过氧化物酶的稳定性、耐热性和耐有机溶剂的能力例；利用抗氧化剂来提高氯过氧化物酶的操作稳定性I拥。因此，对卤过氧化物酶进行修饰、改进将是今后发展的重要方向。随着研究的不断深入，相信在不久的将来，卤过氧化物酶必将成为现代合成化学和医药工业中重要的手性催化剂。

2.2氰基水解酶

2.2.1氰基水解酶简介

早在三十年代，为了 解释一些化学合成的氰基衍生物对植物生长的 促进作用，就有人提出 某些植物器官能将氰化物转化成酸。哈佛 大学的 Thimann和 Mahadeven认为这是一个酶促反应，并于1964年从大麦叶子中正式分离到这个酶，定名为氰基水解酶。目前的研究表明，腈化物的酶水解通过两种途径： 一是通过氰基水解酶将氰基直接转化成羧酸，二是先通过氰基水合酶；将氰基转化成酰胺，再通过酰胺酶的作用转化成羧酸。通常所说的广义的氰基水解酶即包括这两种途径所涉及的三种酶。本文除特别指出外，均指广义的氰基水解酶。2.2.2氰基水解酶在有机合成中的应用

在有机合成中，常常需要水解氰基时不伤害其它可水解基团，如酰基、缩醛、醚键等。Faber小组在对固定化酶SP409的研究中发现，这种复合酶对乙酯，磷酸酯类底物显示出了化学选择性，而对甲酯及酰基取代的底物则不具有选择性（Figure4），酯键也水解了，这可能是由于SP409不纯，含有能使甲酯和乙酰基水解的酯酶。

氰基水解酶的工业应用氰基水解酶的温和高效特点使之在工业生产上有很重要的应用价值。当今最主要的工程应用是日本Nitto公司的丙烯酰胺工程(Figure20)，年产已达30000吨。在这项工程中，酶催化与传统的酸水解相比具有绝对优势,不仅能有效地将反应中止在第一步,不致生成丙烯酸，而且产率可达100% ,远远高于传统酸水解的65%，同时可以避免在中和强酸时生成的副产物硫酸铵。

2.3微生物环氧化合物水解酶

2.3.1催化机理

环氧化合物水解酶是一种a/B-折叠型水解酶，遵循两步催化机理：(1)酶的天冬氨酸残基亲核进攻环氧乙烷中的一个碳原子，形成一个共价结合的酯中间体；(2)在酶的作用下，一个水分子被激活，将酯中间体水解成产物。Rink等的研究发现，细菌A．radiobacter幻妇灯环氧化合物水解酶的Aspl07(亲核进攻作用)、Asp246(辅助组氨酸残基发挥作用)和His275(活化水分子)3个氨基酸残基组成了该酶三位一体的催化功能。2.3.2有机合成上的应用

随着被发现的微生物环氧化合物水解酶种类的增多，其应用方面的研究也不断深入。许多实验研究已经扩大到生物反应器中，光学活性环氧化合物的制备规模已经达到几十克的水平。在这些拆分反应中，不仅使用了生物反应器，而且采用了高底物浓度、两相体系，甚至用自来水代替缓冲液等多种新的方法，展现了良好的应用前景。WeUem等““报道了在水一有机溶剂两相体系中，利用酵母细胞硒。出n ck咖“出环氧化合物水解酶进行了大规模的拆分反应，获得了高浓度(0.9ml，L)、高光学纯度(98％ee)的(s)一1，2一环氧己烷(6.5g，30％收率)。在级联的中空纤维膜生物反应器中进行连续转化时，比产率为3.8g/L/H，运行12d，获得了38g高光学纯度(98％ee))的-1，2-环氧已烷。

在药物合成方面，利用环氧化合物水解酶制备光学活性的环氧化合物，解决了许多重要的生物活性物质合成途径上的限制性环节。Faber等“23利用冷冻干燥细胞对底物进行不对称水解开环，得到了一种合成松树甲虫信息素的重要中间体——(s)-Frontalin。Furstoss的研究小组利用黑曲霉选择性水解环氧苎烯底物，获得了光学纯的6，7-双羟基香叶醇和(4s，8s)-防风根醇，后者是护肤品、洗涤剂和多种软膏的重要成分。在拆分(±)一a一甲基-异丁基苯基环氧乙烷的反应中，他们还采用了化学．酶法。首先通过黑曲霉催化的不对称水解获得r s-构型环氧化合物，然后将生成的R-二醇采用化学的方法环化为消旋的环氧化合物继续进行拆分。(s)-a-甲基一异丁基苯基环氧乙烷在开环后可以转化成重要的生物活性药物——s-布洛酚。同时，他们利用该环氧化合物水解酶拆分330moL/L的对-硝基苯基环氧乙烷(54g/L)，经过6h的水解反应得到了光学纯度高达99％的S-构型环氧化合物，然后在酸性条件下对产物进行水解及重结晶获得了光学纯度为98％的R-二醇，最后加氨合成了肛阻断剂类手性药物尼芬尔醇。这种化学酶法在拆分外消旋环氧底物获得光学活性环氧中间体以制备药物(R)-3，5-二羟-3-甲基戊酸内酯的合成中得到了应用。此外，Furstoss等还报道了利用两种选择性互补的微生物A.niger和S.tuberosum环氧化合物水解酶，共同催化对-氯苯基环氧乙烷的不对称水解反应，得到了神经保护药物Eliprodil的关键性手性合成子——光学活性的R-二醇，其对映体过剩值高达96％，转化率达93％。利用真菌S．tuberosum环氧化台物水解酶水解茚环类环氧化台物，他们还获得了抗爱滋病药物齐夫尔定(Indina-vir)的重要前体物质：光学纯度为98％的(1R，2S)——环氧化合物(收率20％)和光学纯度为69％的(1R，2R)——二醇(收率48％)。

生物酶在有机合成中的应用是20世纪80年代发展起来的生化技术。由于它有许多优点，如反应条件温和（常温、近中温），具有高度的区域选择性、立体选择性和对映体选择性，可避免敏感官能团发生变化，可产生许多光化学活性物质，尚可完成一些用传统的化学反应；另外还有产品纯、无三废、无环境污染等优点，因此越来越受到有机化学研究者的青睐，实验表明在有机溶剂中进行酶催化反应具有以下优点：增加非极性底物的浓度，很多不溶于水或在水中不稳定的产物能在有机溶剂中用酶来催化生成；有机溶剂能保护酶免受有毒反应物和反应条件的损坏，提高酶的耐温性等。酶催化反应的类型包括氧化还原、酶合成、酯交换、脱氧、酰胺化、甲基化、羟化、磷酸化、脱氨、异构化、环氧化、开环聚合、侧链切除、聚合及卤代等。

酶在有机合成中的应用以逐渐被人们所认识，并且近年来已取得了较大进展，利用酶催化的不对称可以合成许多手性分子，随着酶技术的发展，已经克服了酶催化反应中存在的一些问题（如：对有机介质的敏感性、对底物变化的适应性以及醇的不稳定性等）。近年来有关酶技术的进展主要体现在以下几个方面：

（1）固定化酶：将酶固定在固定支持物上，或通过酶分子之间的交联而得以固定，通过固定后可以更方便、更有效地利用酶，提高酶催化作用的效率；

（2）酶在低水有机介质中催化反应：多数酶是在水溶液中催化化学反应的，近年来酶低水介质中催化有机反应取得了明显的进展，从而拓宽了酶应用的领域，到了酶反应只能在水溶液中进行的传统观念；

（3）抗体酶：抗体酶是近年来才出现的新概念，是专一作用于抗原分子的有催化活性的、有特殊生物学功能的蛋白质。抗体酶兼备免疫反应的专一性和酶催化反应的活性，因此有可能通过人工制备来获取高选择性的催化剂以应用于化学、生物和医药学；

（4）模拟酶：通过人工合成制备模拟酶的识别和催化性能的分子，已经越来越引起化学家的注意。合成酶也能像天然酶一样加速某些化学反应，并显示出较强的立体选择性。虽然合成酶的研究刚刚起步，但已显示出了巨大的诱惑力；

（5）Ribozyme：Ribozyme的功能主要是切断RNA，有阻断基因表达和产生抗病毒作用的应用前景，其底物都是RNA分子。

参考文献：

王成华 孙纳新 马梦瑞 《山东化工》《酶在有机合成中的应用》，1994-12-05 31-35页 吴中柳 李祖义 《有机化学》 《氰基水解酶在有机合成中的应用》 2001年第21卷第一期，25-32 彭华松 宗敏华 娄文勇 《微生物环氧化合物水解酶在有机合成中的应用》 《微生物学通报》 2003年30（2）

边侠玲 《安徽化工》 《卤过氧化物酶在有机合成中的应用研究进展》第36卷，第4期

沈鸿雁，田佳珍，叶蕴华《非水介质中酶催化研究新进展》，2003，23（3）； 王乃兴，刘薇，王林《酶催化反应研究进展》，2004,2（2）

高守海，胡文祥《酶催化选择有机合成新进展》，功能分子学报，2002（3）。

酶在有机合成中的应用进展汇总 篇2

1. 饲用酶的分类

饲用酶可大致分为两大类:内源性酶, 与消化道分泌的消化酶相似的酶, 如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等;外源性酶, 消化道不能分泌的酶, 如纤维素酶, β-葡聚糖酶等。外源性酶不直接消化水解大分子的营养物质, 而是分解或水解饲料中的抗营养因子, 间接促进了营养物质的消化利用, 提高营养消化率。科研表明, 在正常的畜禽日粮中, 使用外源性酶才有实际意义。目前常用的饲用酶主要是木聚糖酶, β-葡聚糖酶, 纤维素酶等。

2. 木聚糖酶在饲料工业上的应用

(1) 木聚糖酶的种类及作用

木聚糖酶包括内切β-木聚糖酶、外切β-木聚糖酶和β-木二糖苷酶。木聚糖酶可以分解饲料工业中的原料细胞壁以及β-葡聚糖, 降低饲料用粮中的非淀粉多糖, 促进营养物质的吸收利用。

(2) 木聚糖的抗营养作用

小麦、黑麦和各种农副产品 (如米糠等) 中戊聚糖 (一种抗营养因子) 含量较高, 如小麦中戊聚糖含量达61 g/kg, 黑麦则高达89 g/kg, 因而使它们在饲料方面的开发和利用受到限制, 在单胃动物的肠道内一般没有分解这种戊聚糖的酶, 这使得水溶性的戊聚糖易在肠道内形成较高的黏度, 阻止肠道消化液与食物的充分混合, 从而阻止蛋白质、脂肪的消化吸收, 降低饲料的转化率。同时高黏度的食物将通过改变肠细胞转换速率、内源性酶合成速率、微生物区系及球虫数量来影响生产性能, 且动物的粪黏稠, 易生肠道瘤病, 还会对环境产生不利的影响。

(3) 木聚糖酶的应用进展

肉鸡小麦饲料粮中, 木聚糖含量与表观代谢能、氮沉积、饲料转化率和增质量下降相关, 含4%木聚糖的小麦日粮使淀粉、蛋白质和脂肪的消化率分别下降14.6%、18.7%和25.8%, 而在这些高比例的小麦日粮中添加木聚糖酶, 表观代谢能、增质量、饲料转化率、蛋白质消化率及粪便都得到了改善。试验表明, 与玉米相比, 小麦添加木聚糖, 其饲喂肉鸡生长或饲料转化率与玉米相同, 有时甚至超过玉米日粮。

3. β-葡聚糖酶在饲料工业上的应用

(1) β-葡聚糖酶的种类及作用

β-葡聚糖酶包括β-1, 3葡聚糖酶和β-1, 4葡聚糖酶, 可作用于β-葡聚糖结构中的β-1, 3键和β-1, 4键, 使β-葡聚糖降解为低分子糖。在饲料中可用于降低非淀粉多糖及其抗营养因子的含量, 改善畜禽对营养物质的吸收, 提高畜禽的生长速度和饲料转化效率。

(2) β-葡聚糖的抗营养作用

β-葡聚糖的黏稠性是其成为抗营养因子的主要原因。由于β-葡聚糖的黏稠性, 使得动物肠道内容物的黏度增加, 显著增加食糜在肠道的停留时间, 降低单位时间养分的同化作用。同时在消化过程中, 阻碍内源酶与肠道内容物的接触, 降低了对养分的消化作用, 导致家畜生产性能下降、色素沉积不良, 腿疾、下痢发病率和死亡率增高, 胴体等级降低等。

(3) β-葡聚糖酶的应用进展

β-葡聚糖对家畜生产性能的影响很显著, 这使得含有3.9%～4.5%β-葡聚糖的大麦在养猪生产中的利用受到很大的限制, 而在大麦型猪饲粮中添加β-葡聚糖酶, 会使日增质量提高5%～45%, 饲料的报酬提高3%～15%。在猪大麦日粮中添加β-葡聚糖酶, 对猪体内生理生化指标也会产生影响, 如总蛋白酶和脂肪酶活性提高;碱性磷酸酶ALP提高, 成骨作用加强;血清T3、胰岛素样生长因子和骨泌素提高, 消化吸收和合成代谢加强;肾上腺和腺垂体CAMP升高, 意味着促生长作用加强等。正是由于应用β-葡聚糖酶可提高大麦饲粮的营养价值, 大麦已成为能量饲料中新的重要资源, 改变了长期以来在猪的能量饲料中都以玉米作为主要能源, 造成玉米供应日趋紧张的不利局面, 为解决能量饲料资源开辟了一条重要途径。

4. 纤维素酶在饲料工业上的应用

(1) 纤维素酶的种类及作用

真菌纤维素酶包括C1-酶, Cx-酶和β-葡萄糖苷酶。C1-酶作用不溶性纤维素表面, 使结晶纤维素链开裂, 长链纤维素分子末端部分游离, 从而使纤维素链易于水化。CX-酶则主要包括内切-1, 4-β葡聚糖酶和外切-1, 4-β葡聚糖酶。前者从高分子聚合物内部任意位置切开β-l, 4键, 主要生成纤维二糖、纤维三糖等。后者作用于低分子多糖, 从非还原性末端游离出葡萄糖。β-葡萄糖苷酶能将纤维二糖、纤维三糖及其它低分子纤维糊精分解为葡萄糖。

(2) 纤维素的抗营养作用

在常用的畜禽饲料如豆类、麦类、谷类及其加工副产品等中, 都含有大量的纤维素, 除了反刍动物借助瘤胃微生物可以利用一部分外, 其他单胃动物 (如鸡、猪等) 则不能利用纤维素。而纤维素是自然界中十分丰富的资源, 是由800～1200个葡萄糖分子聚合而成。应用纤维素酶对纤维素进行分解作用则可以改善粗饲料的营养价值, 降低饲料成本, 提高饲料利用率和畜禽生产性能, 可在一定程度上弥补饲料资源的不足, 缓解人畜争粮的矛盾。

(3) 纤维素酶的应用进展

在猪基础日粮中添加0.6%和1.2%纤维素复合酶, 生长育肥猪增质量比对照组分别提高16.84%和21.68%。添加纤维素酶, 使中性洗涤纤维消化率由30.3%提高到34.1%, 酸性洗涤纤维消化率由68.8%提高到73.9%, 能量消化率则由69.3%提高到71.8%。在蛋鸡日粮中添加0.1%, 0.15%, 0.5%的纤维素酶, 产蛋率分别提高0.53%、1.25%、2.88%;加酶量为0.15%和0.5%组的破蛋率降低34.49%和16.19%, 蛋壳强度分别提高14.71%和8.4l%。在肉鸡日粮中提高富含纤维的麦麸的比例, 同时添加纤维素酶可以降低料耗, 提高日增质量。在牛日粮中, 按每头每日添加纤维素酶40 g, 饲喂60 d, 加酶组日增质量提高19.6% (p<0.01) 。用荷斯坦奶牛进行试验, 试验组按每日每头添加50 g纤维素酶, 总产奶量提高8.5% (p<0.01) 。此外, 在瘤胃功能正常状态下, 成年奶牛及育成牛饲喂纤维素酶5 d后, 其粪便干物质减少30%, 封闭式牛舍中氨含量下降70%左右, 粗饲料采集提高8%～10%, 尿中尿素下降58.9%。

5. 结束语