超臨界CO2中的酶催化反應

曾雨薇 陳學君

(1.成都七中高新校區，四川成都，610041;2.中國科學院成都有機化學研究所，四川成都，610041)

科研與開發

超臨界CO2中的酶催化反應

曾雨薇1陳學君2

(1.成都七中高新校區，四川成都，610041;2.中國科學院成都有機化學研究所，四川成都，610041)

總結了超臨界CO2中脂肪酶催化反應的最新研究進展，主要介紹了超臨界CO2酶催化反應新的研究方向SC-CO2IL體系，包括從分子水平上分析SC-CO2IL體系中溶解度變化及IL熔融溫度降低的原因，并列舉了近來SC-CO2IL體系在酶催化反應中的應用情況。

SC-CO2酶催化 SC-CO2IL體系

超臨界CO2(SC-CO2)是指溫度和壓力均在其臨界點(31.0℃，7.38MPa)之上的CO2流體，超臨界CO2是最常用的超臨界流體之一。在SC-CO2中反應物具有較高的擴散度、較低的表面張力和相對較低的粘度，因此比較適用于酶催化反應的進行。自1985年，Hammond等[1]首先提出SC- CO2可以作為酶催化反應介質，隨后Nakamura[2]報道了用脂肪酶催化甘油三酯進行酯交換反應的研究成果。近年來，越來越多的研究成果表明：不少酶在SC-CO2內都存在活性，而且在SC-CO2中底物更易溶解，有更快的反應速率，此外還能簡化分離過程，并有利于加強酶的專一性。因此SC-CO2條件下的酶催化反應一直是廣大科研工作者的研究重點，目前研究主要是對酶的穩定性、壓力、溫度、超臨界流體流速、酶含水量、共溶劑等因素的考察。

本文總結了在SC-CO2中脂肪酶催化反應的最新研究進展，并重點介紹了酶催化反應中的最新研究方向：SC-CO2離子液體體系。

1 超臨界CO2中脂肪酶催化反應

超臨界狀態下的高壓對酶的活性和穩定性既有抑制又有促進作用，至今文獻報道共有25多種酶在高壓下其活性和穩定性可得到增強，但各種酶的影響程度會因酶來源、壓力、溫度、溶劑、底物等的不同而有所不同。脂肪酶在自然界中作為催化酯水解的酶而廣泛存在，在有機溶劑中脂肪酶仍保留活性,在酯水解的逆反應酯合成中活性降低，故其應用逐漸成為人們的研究重點，現已廣泛應用于生物高聚物和生物柴油合成、外消旋混合物的拆分、酯交換及選擇性?；?。因此本文選擇在高壓CO2條件下有關脂肪酶反應加以介紹。表1總結了近年來脂肪酶分別在酯化，酯交換，酯水解，?；?，酰胺化反應中的應用情況。

雖然SC-CO2在酶催化反應中呈現了許多優勢，然而，底物在SC-CO2中最大溶度卻受到其溶解度的限制，而大部分反應中的底物溶度都很小，故需要在較長時間內才能得到一定量的產物[8]。

2 超臨界CO2離子液體體系中的酶催化反應

離子液體(Ionic liquid，IL)，是指由有機陽離子和陰離子構成的在室溫下呈液態的鹽類化合物，隨著對離子液體研究的不斷深入，科學家已將離子液體的范圍擴展為熔點低于100℃的離子化合物[9]?，F有研究表明生物酶在離子液體中可呈現出高穩定性和高活性，與傳統有機溶劑相比，離子液體具有不揮發、熱穩定性好、溶解能力強和結構可調等優點，因此運用IL作為酶催化反應的介質也是現今學界研究的熱點。但此方法存在一個問題，即產物和離子液體的分離及離子液體的回收，當分離IL中的反應產物時，卻又需要用到有毒、易揮發、易燃的有機溶劑；而用蒸餾法不適合熱敏感性體系，這樣也會使循環使用的離子液體/酶體系活性下降。

因為SC-CO2和離子液體本身都具有各自的特殊性，極性和揮發性相差很大，于是有學者認為將兩者結合使用的思路將增加一些其自身都不具備的性質。而目前的研究結果已經顯示出該體系的突出優點，超臨界CO2和離子液體的結合，充分發揮了兩者在溶解性和催化反應等方面的優點，尤其是兩者間不對稱的相溶性，使反應物系可以在相間實現所需的轉移，從而促進反應進行，減少了副反應的發生。

2.1 SC-CO2IL體系溶解度研究

1999年，Brennecke等[10]首次報道了SC-CO2/IL體系的相行為及在分離中的應用研究。發現超臨界二氧化碳在離子液體中溶解度很大，而離子液體在超臨界二氧化碳中的溶解度卻極低，可以忽略不計。近來文獻報道的SC-CO2IL體系溶解度研究結論如表2所示。

表1 SC-CO2條件下脂肪酶的各類催化反應

表2 SC-CO2 IL體系相行為研究

2.2 SC-CO2IL體系分子水平研究

Kazarian et al等[14]通過ATR-IR(紅外線原位衰減全反射比)研究了兩種離子液體([bmim][PF6] 和[bmim][BF4] )中高壓CO2的行為，證明了IL中陰離子在分子水平上對CO2的溶解度有影響。CO2與陰離子形成了弱路易斯酸堿復合物，而且其實驗結果表明在[bmim][BF4]中的這種相互作用力比在[bmim][PF6]的強些，這是因為BF4-路易斯堿性比PF6-強。研究還表明隨著陰離子體積的增大這種相互作用力會減小，IL中陰陽離子間的作用力影響著其自由體積的貢獻度，而且作用力弱的陰離子將導致更大的自由體積貢獻度。Kazarian et al[15]考察了壓力對CO2和[bmim][PF6]間相行為的影響，結果表明在70bar下CO2可使IL的熔融溫度從75℃降為50℃。Kazarian et al認為這是由于CO2與陰離子間弱的路易斯酸堿作用，和P-F鍵與O=C=O軸垂直從而減弱了P-F鍵與陽離子間的相互作用力使得CO2具有降低IL熔融溫度的能力。Kazarian et al的早期研究也表明高壓CO2可使其它類似的IL的熔融溫度降低，這使得IL在比較溫和的溫度下應用成為可能。

2.3 兩相體系中的酶反應舉例

Lozanoetal[16]考察了乙烯丁酸與1-丁醇反應合成丁酸丁酯并研究了乙烯丙酸酯與rac-1-苯基乙醇的酯交換反應。合成丁酸丁酯反應中分別研究在兩種IL([emim][Tf2N]與[bmim][Tf2N])中游離態與固載態生物催化劑CALB對反應結果的影響。實驗結果表明隨著溫度的升高酶比活性與選擇性都有所提高，選擇性均高于95%，轉化率均大于50%。用動力學拆分產物rac-1-苯基乙醇和乙烯丙酸酯連續反應合成(R)-1-苯乙烯丙酸酯實驗中，以游離態CALB為催化劑分別在[emim][Tf2N]和[bmim][Tf2N]中的進行反應。結果顯示該反應選擇性、酶活性與半衰期均要比丁酸丁酯合成反應中的低，然而其對應選擇性高達99.9%。隨溫度的升高選擇性有所提高，但酶比活性卻降低。另一篇Lozano et al[17]的報道指出，游離態酶在[emim][Tf2N]中初始反應活性要比[bmim][Tf2N]中的高些，半衰期也要長些。而酶在固載態下上述參數又要比游離態的高、長些。在120℃、10MPa、[emim][Tf2N]條件下連續循環操作中固載酶活性基本無損失，產物選擇性達98%，而游離酶條件時隨著操作周期的延長產物選擇性從36%增長至98.5%。

Hernandez et al[18]研究了在負載酶的膜循環反應器中合成丁基丙酸酯的反應。實驗是在SC-CO2IL體系介質，固載酶的膜上涂三種不同的IL例如[bmim][PF6]、[bdimim][PF6]、[omim][PF6]分別進行實驗，結果顯示當只使用SC-CO2時產物選擇性為95%，當使用SC-CO2IL兩相體系時選擇性提高到99.5%以上。

Lozano et al[19]分別考察了在IL-正己烷和SC-CO2IL中載體對CALB的反應活性的影響。通過吸附作用，實驗者用特定支鏈如烷基、氨基、羧基、腈等來修飾二氧化硅載體，然后將CALB固載在12種不同的二氧化硅載體上。在兩種IL([btma][NTf2]和[toma][NTf2])條件下研究了IL-正己烷和SC-CO2IL體系中酶CALB的活性及穩定性。結果表明：反應中經丁基修飾的二氧化硅載體酶活性最高，然而除第四組銨-硅載體外其余各組的選擇性均高于94%，并且對映體過量也都高于99.9%。相較只用正己烷，使用IL-正己烷體系酶活性降低了10倍，然而半衰期卻增大了6倍多，而使用SC-CO2IL體系酶活性增大了6倍。

3 總結

現在以超臨界CO2作為反應介質是生物化學反應研究的熱點，本文歸納總結了些近來超臨界CO2中酶催化反應的研究情況。另一方面，作為綠色溶劑的IL越來越受到人們的廣泛關注，現已有研究顯示超臨界CO2和離子液體的結合具有突出優點，該體系充分發揮了兩者在溶解性和催化反應等方面的優點，尤其是兩者間不對稱的相溶性，使反應物系可以在相間實現所需的轉移，從而促進反應進行。許多研究者也正逐步將精力轉移到探索SC-CO2IL體系對酶催化反應的影響。但至今還未有將該技術如何應用于工業方面的相關報道，說明該技術還存在許多可供研究改進的地方?？傊?，應用SC-CO2IL體系進行酶催化反應還是一個有待進一步探索的領域。

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Chengdu,Chengdu610041,Sichuan,China)

Enzymatic Catalysisin Supercritical CO2

ZengYuwei1,ChenXuejun2

(1.HighSchoolNo.7ChengduTheNewCampus,Chengdu610041,Sichuan,China;2.ChengduInstituteofOrangicchemistryChineseAcademyofSciences

This article summarized the current research development of lipase-catalyzed reaction in supercritical CO2, and mainly described the the newest research direction SC-CO2 IL system of the enzyme-catalyzed reaction in supercritical CO2, including analyze at the molecular level the reason of the change of the solubility in SC-CO2 IL system and the decreasing of the IL’s melting points, and then has enumerated the recent application situation of SC-CO2 IL system in the enzyme-catalyzed reaction.

SC-CO2; enzyme catalysis; SC-CO2 IL system