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1、生物催化助力绿色化学,有机化学 李一明 12015001027,目录,生物催化和绿色化学简介 绿色化学呼唤生物催化 现阶段生物催化的研究热点 生物催化在绿色化学中的应用 总结与展望,生物催化的概念,生物催化(biocatalysis)又称生物转化(biotransformation)，是利用酶或生物有机体对外源有机物的某一特定功能基团或部位进行特异性的结构修饰以获得有价值的不同化学产物，其本质是酶催化反应。生物催化利用生物体对底物的不确定性，充实了新化合物的资源；利用其多样性，可以获得一些化学合成难以得到的活性化合物。,绿色化学的概念,绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。它是指在
2、生产过程中不用或少用对人类健康、社会安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂，同时在生产过程中不产生有毒有害的副产物，废物和产品绿色化学的核心内容之一是 “原子经济性”，即充分利用反应物 中的各个原子 ，因而既能充分利用 资源 ，又能防止污染 绿色化学的核心内容之二主要体现在 5个 R上 : 减量 ，即减少“三废”排放 ； 重复使用 ，诸 如化学工业过程中的催化剂、载体等，这是降低成本和减废的需要 ； 回收 ，可 以有效实现省资源 、减污染 、降成本的要求 ； 再生 ，即变废为宝 ，是节省资源、能源 ，减少污染的有效途径 ； 拒用 ，指在化学过程 中拒用一些无法回收、再生和重复使用 的或有
3、毒副作用及污染作用明显的原料 ，这是杜绝污染的最根本方法,绿色化学呼唤生物催化,生物催化技术具有优异的立体选择性，化学和区域选择性。反应条件温和，可以避免传统合成中的异构化、消旋化和重排等副反应，减少有害重金属和过度金属催化剂和作为反应介质和分离纯化产物时有机溶剂的使用，从而显著提高原子经济性，减低过程的环境因子。生物催化技术的发展将加快传统工业过程中的转型升级，促进工业经济增长的转变，逐步实现绿色化学的梦想。,生物催化已成为大国的重要科技和产业发展战略,美国政府的一份 21 世纪发展规划提出，到2020 年，通过生物催化技术，实现化学工业的原料、水资源及能量的消耗降低30 % ，污染物排放和
4、污染扩散减少30 %,日本政府从2001 年开始实施“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”的计划 。重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系，将生物催化过程视为能够形成与环境协调的产业体系的现实技术。,中国非常重视生物催化与生物转化的研究。早在 2003 年国家重大基础研究项目（“973 ”计划）“生物催化与生物转化中关键问题的基础研究”被科技部正式立项。,现阶段生物催化的研究热点,新型生物催化剂的筛选和改造 建立高通量的技术筛选平台 开发新的生物催化反应类型 介质工程研究,新型生物催化剂的筛选和改造,新生物催化剂的发现,天然酶的改造,建立高通量筛选平台,生物催化的研究过程在一定程度
5、上也是生物催化剂的筛选过程，对于某特定底物筛选出最优的菌 种一直是人们追求的目标。现有的筛选开发周期长、劳动量大、成本高，很容易进入所谓的“筛选瓶颈”，建立高通量、自动化、连续化的可共享筛选平台，是突破瓶颈的关键所在。,开发新的生物催化反应类型,a.乌药碱合成酶,b.异胡豆苷合成酶,介质工程研究,许多工业上重要的化合物，其底物或产物大多水溶解度差或几乎不溶于水，因此即便筛选到相应的生物催化剂，在催化过程中也会受到底产物溶解 度低，底产物抑制生物催化剂活性、产物进一步降解等限制，从而严重阻碍了生物催化技术在一些重要工业过程中的应用。这促使研究者将目光转移到有机溶剂、水-有机溶剂两相体系、超临界流
6、体、离子液体、寡溶剂甚至无溶剂等多种非水相催化体系的研究上，并取得了较好的效果。,生物催化在绿色化学中的应用,第一代Pregabalin的化学合成法,Pregabalin的绿色化学酶法合成路线,亮点：酶拆分在第一步进行，不需要的对映体可以很容易回收。相比之下，利用化学方法对二酯进行 区域和立体选择性水解仍有挑战性。另外，3步反应都在水中进行。因此，该新工艺不仅免除了传统的(S)一扁桃酸化学拆分过程和大部分有机溶剂，不需要对映体的回收，同时还可以使收率和通量加倍提高。,半合成-内酰胺类抗生素的化学法合成,-内酰胺类抗生素主要由6-氨基青霉烷酸(6-APA)或者氨基去乙酰氧基头孢霉烷酸(7- AD
7、CA)衍生合成。但直到最近，这两种中间体一直由青霉素G通过化学脱酰基法制备。 在该工艺中，青霉素G的羧基首先需硅烷化以进行 保护，随后进行选择性脱羧，最后除去保护基团该方法 需要化学计量的硅烷化试剂，氯化磷，N,N-二甲基苯胺和大量的二氯甲烷；而且，反应在-40中 进行。,半合成-内酰胺类抗生素的绿色化学酶法合成,亮点：该反应在室温水溶液中进行，无须引入保护和去保护步骤。 而且，通过反应工程的研究和酶固定化，青霉素G 酰化酶催化6-APA与氨基酯或氨基酰胺进行酰化反应可合成众多的半合成-内酰胺类抗生素，如青霉素，阿莫西林，头孢克洛，头孢氨苄和头孢羟氨等。类似的方法也可应用于7-ADCA及其衍生
8、抗生素的合成。,总结和展望,生物催化的优点 作用条件温和,基本上在常温、中性和水相等环境中完成。 独特、高效的底物选择性（区域选择性和对映体选择性）。 环境污染小 生物催化的缺点 生物催化剂在反应介质中往往不稳定。 目前可用于工业化应用的生物催化剂还太少。 生物催化剂开发的周期较长。,生物催化是21世纪最有希望的快速发展的研究领域，打造适应性、通用性、多样性转化平台，获取高活性生物 催化剂，构建温和适用的催化介质系统，设计新型生 物转化反应器结构和操作方式，并结合产物的原位 分离技术，实现生物催化的转化生产与分离技术的 偶联，将有助于生物催化技术走向应用的前台。 随着新的生物技术如定向进化的出现，利用生物技术对生物催化剂进行改造优化已成为现实。基于这些领域近年来的研究进展，酶在化学合成工业，绿色 化学和药物合成中的应用前景都十分看好。我国全面建设小康社会之时，对物质的需求更加迫切，能源、环境的矛盾十分突出，重视生物催化和转化的研究也符合当前国家的发展目标。,谢谢,
