浅析生物催化剂在化学合成中的应用

＊付 涌

（南昌医学院 江西 330004）

近年来，随着全球环境问题的日益严重和可持续发展理念的提出，绿色化学合成成为了化学领域的重要研究方向之一。传统的化学合成往往使用高温、高压和有毒的化学物质，对环境造成了严重的污染，并且严重依赖有限的化石能源资源。为了解决这些问题，寻找一种环保高效、可持续的合成方法势在必行。生物催化能将传统的有机合成策略与现代生物技术完美地融为一体，具有条件温和、高效专一、环境友好等特征。

1.概述

生物催化剂是一种天然的催化剂，因此对于复杂分子的合成和转化具有特殊的适应性。并且能够在相对温和的条件下高效率催化化学反应，同时对底物具有选择性，降低了副反应的发生。其次，生物催化剂具有可逆性，在适当的条件下能够逆转催化反应，提高反应的平衡度。工业用生物催化剂是指应用于工业生产过程中的游离或固定化的酶或活细胞。这些催化剂通常是从生物体中提取出来的微生物细胞。经过提取和纯化后的酶可以作为游离酶直接应用于反应体系中，也可以通过固定化技术进行加工，将酶或活细胞固定在载体上，形成固定化酶催化剂。通过固定化技术，酶或活细胞可以在反应体系中稳定存在，不易失活。此外，工业用生物催化剂具有较好的可重复使用性，可以多次应用于反应过程，减少废物产生，降低生产成本。工业用生物催化剂在生物燃料生产、食品加工、制药、化妆品、纺织品等许多领域也有广泛应用。在生物燃料生产中，通过利用酶或活细胞催化剂，可以实现生物质原料转化为生物酒精或生物柴油等燃料。

2.生物催化剂的分类和特点

（1）酶。酶（enzyme）是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。酶是一类特殊的蛋白质，具有催化化学反应的能力。并通过特定的立体结构和活性位点与底物分子相互作用，在催化过程中加速反应的进行。由于酶具有专一的催化活性位点，能够选择性地催化特定底物的转化。与大多数非生物催化剂相比，酶通常在常温和常压下活化反应。这不仅减少了能量消耗和生产成本，还能保持底物和产物的化学稳定性，以及降低副反应的发生。通过固定化技术，酶可以被固定在一种载体上，形成固定化酶。固定化酶能够稳定存在于反应体系中，并能反复使用。与非生物催化剂相比，酶可以对底物的结构变化较为容忍，并能催化多种不同类型的底物，同时酶与底物严格互补（图1）。

图1 酶与底物严格互补

（2）酵母菌。酵母菌（saccharomyces）一般泛指能发酵糖类的各种单细胞真菌，可用于酿造生产，在有氧和无氧条件下都能够存活，是一种天然发酵剂。酵母菌属于真菌的一种，其酶系统能够催化多种生物转化反应，并利用糖类、脂类、蛋白质和酒精等多种有机物作为底物，通过其固有的酶系统，能够催化底物的转化，并在特定条件下选择性地生成目标产物。此外，酵母菌以葡萄糖等有机物为碳源进行能量和生物物质合成，能够在相对简单的培养条件下生存和繁殖。酵母菌在应对环境压力和逆境时表现出较强的适应性和存活能力，能够在较宽的温度、酸碱度和氧浓度范围内生长和催化反应。此外，酵母菌的酶系统在细胞内稳定存在，通过重复循环使用进行催化。

（3）微生物催化。微生物是一种生物催化剂，能促使生物物质转化的进行，由微生物体内酶系的催化作用，把反应物转化为产物最终被释放出来。微生物能够利用糖类、脂类、氨基酸等多种有机和无机底物进行代谢和转化，通过在相对简单的培养条件下生长和繁殖，在工业生产中可用于生产化学品、药物、食品等。微生物催化还可以应用于环境保护、废水处理、生物能源生产等方面。利用微生物和酶催化原料的转化，生产生物乙醇和生物柴油。用微生物酶和微生物细胞作为传感器的组件，用于检测环境中的化学物质、生物分子和气体。微生物催化效率高、底物选择性好、减少副产物生成、环境友好。在生物工程、化学工业、农业、环境科学和医药等领域都有广泛的应用前景。此外，微生物催化也在合成有机化合物、合成酶、生物传感器等生物技术领域有着重要的应用和研究价值。

3.化学合成的现状分析

化学合成是指通过化学反应将原料转化为目标产物的过程。化学合成技术对于操作和环境要求比较高，一般都需要在高温高压的环境中，用易燃易爆物质进行化学合成，合成的过程中有些对于温度、湿度、甚至pH值都有苛刻的要求，且成功概率偏低，操作过程复杂。在当今社会，化学合成在各个领域广泛应用。首先，化学合成在有机合成领域发挥着关键作用。有机合成化学是指对碳原子的化学结构进行改变和构建，通过合成有机分子来制造药物、农药、染料、聚合物等化合物。有机合成化学的重要性体现在它能够合成具有特定结构和功能的分子来满足不同领域的需求。在药物工业中化学合成可以用于产生药物的活性成分，并通过合成和改进药物分子的结构，提高药物的疗效和减少副作用，大多数现代药物都是通过化学合成来制备的。在材料科学和能源领域，通过化学合成可以制备聚合物、金属有机框架、纳米颗粒等各种功能材料，还可以用于制备太阳能电池、燃料电池等新型的能源材料，推动能源转型和可持续发展。

4.生物催化与传统化学合成的对比

（1）传统化学合成的局限性。传统化学合成方法在反应条件限制、资源消耗、废弃物处理、合成复杂性、时间成本、结构多样性等方面存在一些局限性。传统化学合成通常需要高温、高压或强酸碱等较严苛的反应条件，需要大量的试剂和溶剂，导致对资源的浪费和环境的污染。同时，合成过程中产生的废弃物处理也是一个挑战。传统合成方法对于复杂有机分子的合成需要多步反应、纯化和结构确认等繁琐步骤，并且有些复杂结构的化合物可能无法通过传统的合成方法来合成，此外，在纳米材料、生物医学领域等新兴领域，传统合成方法无法满足新材料或新药物的需求。

（2）生物催化的优势。生物催化与传统化学合成是两种不同的合成方法，生物催化利用酶作为催化剂，能够在温和的条件下催化特定的化学转化，降低合成过程中的能量和温度要求。相比之下，传统化学合成需要较高的温度、压力和强酸碱等条件。同时酶能够催化一系列的底物反应，且能够选择性地催化目标底物的特定位点，减少或避免副产物的生成。而传统化学合成往往需要更多的步骤和制备过程以达到类似的选择性。生物催化利用可再生的底物，在反应中形成的副产物对环境的影响相对较小。此外，生物催化常常是以水为溶剂进行的，在废液处理方面也更加便利。而传统化学合成则需要使用大量的有机溶剂和生成大量的废弃物，造成环境污染。

5.生物催化在有机合成中的应用

（1）精细有机化工。高立体选择性合成是指在有机合成中，酶可以以非常高的立体选择性催化特定反应，合成手性有机物，并通过合适的催化剂或反应条件，实现对手性化合物的选择性合成。手性化合物是具有非对称碳原子的化合物。在自然界和很多重要的有机分子中，手性性质对于化学活性、生物活性和药理活性等方面起着重要作用。高立体选择性合成的关键在于选择适当的催化剂或反应条件。常用的催化剂有手性配体、酶和金属催化剂等。手性配体可以配合金属催化剂，形成具有空间立体异构体的复合物，通过对底物进行空间位阻和电子效应的调控，实现对手性中心的选择性反应。在高立体选择性合成中，还需要考虑温度、溶剂、反应时间等反应条件的选择，通过调节反应条件，可以控制不同基团的空间位阻，实现对手性中心的选择性反应。高立体选择性合成应用于药物合成、精细化学品合成和天然产物的合成等领域。通过合适的催化剂和反应条件，可以实现高效、经济和可持续的合成路线，从而提高合成效率。官能团转移反应有环氧化、亲电取代、求核取代和脱酰反应等多种机制和类型，环氧化是一种官能团转移反应，通过环氧化剂将环氧化合物中的一个氧原子与另一个分子上的亲电中心反应，形成醇或氧杂环化合物。亲电取代反应中，一个亲电试剂攻击化合物中的一个官能团，并与之形成一个新的化学键[1]。求核取代涉及亲核试剂攻击有机分子中的特定官能团，形成新的化学键。脱酰反应通过裂解酰基原子与邻近原子相连接的化学键，生成一个含有新官能团的新化合物。

（2）合成药物领域。与传统化学制药方法不同的是，生物催化法主要合成不对称手性化合物，应用于制药、药物中间体的生产过程。在化学中，手性分子具有非对称性，存在两种可能的立体异构体，即左旋与右旋。非对映选择性催化的目标是控制催化反应，使得只有特定手性产物生成，而不是两种手性产物均等生成[2]。手性催化剂能够在催化反应中传递其手性信息给底物，使手性配体可以与金属离子形成手性配位化合物，催化不对映选择性反应。手性配体的立体构型可以通过其自身手性中心改变分子的对称性，同时手性诱导剂（如手性配体）与底物形成稳定的配位体，然后发生配体交换反应，将手性信息传递给底物，选择性地生成具有特定手性的产物。生物催化可以实现对立体异构体的选择性合成，酶催化合成可以根据底物的立体构型来得到单一立体异构体的产物，从而避免复杂的分离和纯化步骤。生物催化技术可以用于制备合成药物中的高价值中间体。将特定酶催化的反应引入到合成中间体的合成步骤中，可以提高合成的效率，减少副产物的生成。分子内N-H卡宾插入化学的应用为β-内酰胺类抗生素的合成让创新分子设计成为可能，打开了合成原先无法获得的具有高度治疗价值的分子的通道（图2）。

图2 β-内酰胺类抗生素的合成

6.生物催化的发展前景

(1)交联酶聚集体技术[3]

以交联酶聚集体法为代表的无载体固定化技术是指先采用物理方法将酶蛋白聚集，之后采用交联剂对酶进行交联。交联酶聚集体技术的基本原理是通过交联剂将酶分子固定在载体上，形成酶聚集体。交联剂可以是化学交联剂或物理交联剂，用于将酶分子之间或酶与载体之间的化学键或物理相互作用加强，从而形成聚集体结构。在交联过程中，酶的活性可能部分丧失，需要找到合适的交联剂和条件。

(2)柔性长链技术[4]

酶的柔性固定化是指将一些有足够碳链长度且具有一定亲水性的分子链，通过化学法接枝在固定化载体上的技术。柔性长链分子可以通过物理交联或化学交联与材料相互作用，形成柔性网络结构，并在材料中起到增强、调控或稳定化的作用。柔性长链分子可以作为增强相引入到材料中，通过与基质相互作用，增强材料的力学强度、韧性和耐磨性。并且可以影响材料的组织结构和形貌，调控材料的孔隙结构、表面特性和界面性能。柔性长链分子的引入可以阻碍裂纹传播、防止材料蠕变和降低材料的老化速率，抑制界面的结垢、增强胶粘剂的黏附性能或减小材料的摩擦系数。

7.结语

近年来，科研人员在固定化新型生物酶的研发过程中，积极寻求创新的方法和突破口，努力推动大量研究成果的涌现，并促使越来越多的科研理论成果得以应用到实际的工业化生产中。科研人员跨越了领域的边界，共同引领生物酶技术的发展，生物催化技术将在更广泛的领域得到应用，为构建清洁、可持续的社会作出贡献。