【摘要】：脂肪酶具有催化活性高、立體選擇性好以及很好的底物多樣性等優(yōu)點(diǎn),在有機(jī)合成中應(yīng)用比較廣泛。但是酶制劑往往對(duì)外界環(huán)境很敏感,加之有機(jī)合成反應(yīng)類型多樣,底物多變,所以導(dǎo)致酶在實(shí)際應(yīng)用中常常不能表現(xiàn)出理想的催化活性和立體選擇性,大大限制了酶的工業(yè)化應(yīng)用。酶催化性能的調(diào)控方法主要包括蛋白質(zhì)工程、介質(zhì)工程和底物工程策略。本文選擇脂肪酶催化的水解反應(yīng)、胺解反應(yīng)、MBH反應(yīng)和Henry反應(yīng)為模型反應(yīng),通過介質(zhì)工程和底物工程策略對(duì)脂肪酶的催化性能進(jìn)行調(diào)控,具體工作如下:首次利用大環(huán)多胺化合物(Macrocyclic tetraamines MTs)作為酶催化有機(jī)合成反應(yīng)添加劑,應(yīng)用到脂肪酶PCL催化(R,S)-N-(2-乙基-6-甲基苯基)丙氨酸甲酯((R,S)-NEMPA-ME)水解制備高光學(xué)純度的(S)-NEMPA的反應(yīng)中,顯著提高了脂肪酶PCL的催化活性及對(duì)映體選擇性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,大環(huán)多胺化合物對(duì)反應(yīng)的調(diào)控結(jié)果與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。最終篩選出的大環(huán)多胺類添加劑為MT#20,其最適添加量為9.6 mmol/L,與未添加大環(huán)多胺化合物的酶催化反應(yīng)相比,反應(yīng)初速度由0.5μmol/h提高到5.6μmol/h,提高了11倍。Morita Baylis Hillman(MBH)反應(yīng)通常是由有機(jī)堿類催化劑進(jìn)行催化,關(guān)于生物催化劑催化MBH反應(yīng)的報(bào)道較少,并且反應(yīng)產(chǎn)率較低。我們嘗試?yán)脩?yīng)用廣泛的脂肪酶催化MBH反應(yīng),但實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明脂肪酶不能催化MBH反應(yīng)進(jìn)行。通過添加劑調(diào)控,發(fā)現(xiàn)酰胺化合物能夠有效地激活該反應(yīng),在酰胺分子的協(xié)同作用下,成功實(shí)現(xiàn)了脂肪酶Novozym 435催化的MBH反應(yīng)。在最佳反應(yīng)條件下反應(yīng)2天產(chǎn)率可達(dá)到43.4%,該結(jié)果高于目前文獻(xiàn)報(bào)道的酶催化MBH反應(yīng)。將脂肪酶/酰胺協(xié)同催化方法擴(kuò)展到Aza-MBH反應(yīng)中,成功實(shí)現(xiàn)了酶促Aza-MBH反應(yīng)。深共融溶劑(DESs)作為一種新型溶劑,具有與離子液體相似的性質(zhì),并且價(jià)格低廉、易于制備。我們首次利用DESs作為酶促Henry反應(yīng)的溶劑,成功實(shí)現(xiàn)了脂肪酶AS在DESs中催化的Henry反應(yīng)。改變DESs溶劑含水量,發(fā)現(xiàn)DESs-H_2O混合體系能夠顯著提高脂肪酶AS的催化活性。優(yōu)化反應(yīng)條件后,得到DESs溶劑最適含水量為30%,反應(yīng)4小時(shí),產(chǎn)率可達(dá)到92%以上,相較于純水相及純DESs溶劑系統(tǒng),反應(yīng)速度提高了近3倍。通過熒光光譜分析,發(fā)現(xiàn)脂肪酶AS在DESs-H_2O混合溶劑中會(huì)形成一種更加松弛的構(gòu)象,有利于酶與底物分子的接觸,從而提高酶的催化活性。將DESs-H_2O混合溶劑系統(tǒng)拓展到脂肪酶催化的Aza-Henry反應(yīng),成功實(shí)現(xiàn)了生物催化Aza-Henry反應(yīng),最終產(chǎn)率可達(dá)到38.7%。利用氯甲基甲醚(MOMCl)對(duì)咖啡酸進(jìn)行修飾,得到MOM保護(hù)咖啡酸MOM酯,通過脂肪酶催化MOM保護(hù)咖啡酸MOM酯與手性胺之間的胺解反應(yīng),成功制備了高光學(xué)純度的咖啡酸酰胺衍生物,產(chǎn)物對(duì)映體過量值達(dá)到85.1%。為了驗(yàn)證MOM酯的反應(yīng)優(yōu)勢(shì),分別合成了四類酚酸(肉桂酸、3,4-二甲氧基肉桂酸、MOM保護(hù)阿魏酸和MOM保護(hù)咖啡酸)的烷烴酯和MOM酯,在最優(yōu)反應(yīng)條件下與(R,S)-α-苯乙胺反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)經(jīng)MOM基團(tuán)修飾的酚酸化合物較經(jīng)烷基基團(tuán)修飾的酚酸化合物,具有更快的反應(yīng)速度,反應(yīng)速度提高1.3-3.3倍,并且酶可以保持其高立體選擇性,產(chǎn)物對(duì)映體過量值(e.e.p)高達(dá)99%以上�？傊�,針對(duì)脂肪酶在催化水解反應(yīng)、胺解反應(yīng)和加成反應(yīng)中存在的不足,我們通過底物工程和介質(zhì)工程策略,顯著提高了脂肪酶的催化活性,并且保持了酶的高立體選擇性。本論文所建立的研究方法具有通用性,可以為其它酶催化有機(jī)合成反應(yīng)的有效調(diào)控提供新的思路。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O621.251;Q814.9

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本文編號(hào)：2200708