超临界CO2中的酶催化反应

曾雨薇 陈学君

(1.成都七中高新校区，四川成都，610041;2.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都，610041)

科研与开发

超临界CO2中的酶催化反应

曾雨薇1陈学君2

(1.成都七中高新校区，四川成都，610041;2.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都，610041)

总结了超临界CO2中脂肪酶催化反应的最新研究进展，主要介绍了超临界CO2酶催化反应新的研究方向SC-CO2IL体系，包括从分子水平上分析SC-CO2IL体系中溶解度变化及IL熔融温度降低的原因，并列举了近来SC-CO2IL体系在酶催化反应中的应用情况。

SC-CO2酶催化 SC-CO2IL体系

超临界CO2(SC-CO2)是指温度和压力均在其临界点(31.0℃，7.38MPa)之上的CO2流体，超临界CO2是最常用的超临界流体之一。在SC-CO2中反应物具有较高的扩散度、较低的表面张力和相对较低的粘度，因此比较适用于酶催化反应的进行。自1985年，Hammond等[1]首先提出SC- CO2可以作为酶催化反应介质，随后Nakamura[2]报道了用脂肪酶催化甘油三酯进行酯交换反应的研究成果。近年来，越来越多的研究成果表明：不少酶在SC-CO2内都存在活性，而且在SC-CO2中底物更易溶解，有更快的反应速率，此外还能简化分离过程，并有利于加强酶的专一性。因此SC-CO2条件下的酶催化反应一直是广大科研工作者的研究重点，目前研究主要是对酶的稳定性、压力、温度、超临界流体流速、酶含水量、共溶剂等因素的考察。

本文总结了在SC-CO2中脂肪酶催化反应的最新研究进展，并重点介绍了酶催化反应中的最新研究方向：SC-CO2离子液体体系。

1 超临界CO2中脂肪酶催化反应

超临界状态下的高压对酶的活性和稳定性既有抑制又有促进作用，至今文献报道共有25多种酶在高压下其活性和稳定性可得到增强，但各种酶的影响程度会因酶来源、压力、温度、溶剂、底物等的不同而有所不同。脂肪酶在自然界中作为催化酯水解的酶而广泛存在，在有机溶剂中脂肪酶仍保留活性,在酯水解的逆反应酯合成中活性降低，故其应用逐渐成为人们的研究重点，现已广泛应用于生物高聚物和生物柴油合成、外消旋混合物的拆分、酯交换及选择性酰化等。因此本文选择在高压CO2条件下有关脂肪酶反应加以介绍。表1总结了近年来脂肪酶分别在酯化，酯交换，酯水解，酰化，酰胺化反应中的应用情况。

虽然SC-CO2在酶催化反应中呈现了许多优势，然而，底物在SC-CO2中最大溶度却受到其溶解度的限制，而大部分反应中的底物溶度都很小，故需要在较长时间内才能得到一定量的产物[8]。

2 超临界CO2离子液体体系中的酶催化反应

离子液体(Ionic liquid，IL)，是指由有机阳离子和阴离子构成的在室温下呈液态的盐类化合物，随着对离子液体研究的不断深入，科学家已将离子液体的范围扩展为熔点低于100℃的离子化合物[9]。现有研究表明生物酶在离子液体中可呈现出高稳定性和高活性，与传统有机溶剂相比，离子液体具有不挥发、热稳定性好、溶解能力强和结构可调等优点，因此运用IL作为酶催化反应的介质也是现今学界研究的热点。但此方法存在一个问题，即产物和离子液体的分离及离子液体的回收，当分离IL中的反应产物时，却又需要用到有毒、易挥发、易燃的有机溶剂；而用蒸馏法不适合热敏感性体系，这样也会使循环使用的离子液体/酶体系活性下降。

因为SC-CO2和离子液体本身都具有各自的特殊性，极性和挥发性相差很大，于是有学者认为将两者结合使用的思路将增加一些其自身都不具备的性质。而目前的研究结果已经显示出该体系的突出优点，超临界CO2和离子液体的结合，充分发挥了两者在溶解性和催化反应等方面的优点，尤其是两者间不对称的相溶性，使反应物系可以在相间实现所需的转移，从而促进反应进行，减少了副反应的发生。

2.1 SC-CO2IL体系溶解度研究

1999年，Brennecke等[10]首次报道了SC-CO2/IL体系的相行为及在分离中的应用研究。发现超临界二氧化碳在离子液体中溶解度很大，而离子液体在超临界二氧化碳中的溶解度却极低，可以忽略不计。近来文献报道的SC-CO2IL体系溶解度研究结论如表2所示。

表1 SC-CO2条件下脂肪酶的各类催化反应

表2 SC-CO2 IL体系相行为研究

2.2 SC-CO2IL体系分子水平研究

Kazarian et al等[14]通过ATR-IR(红外线原位衰减全反射比)研究了两种离子液体([bmim][PF6] 和[bmim][BF4] )中高压CO2的行为，证明了IL中阴离子在分子水平上对CO2的溶解度有影响。CO2与阴离子形成了弱路易斯酸碱复合物，而且其实验结果表明在[bmim][BF4]中的这种相互作用力比在[bmim][PF6]的强些，这是因为BF4-路易斯碱性比PF6-强。研究还表明随着阴离子体积的增大这种相互作用力会减小，IL中阴阳离子间的作用力影响着其自由体积的贡献度，而且作用力弱的阴离子将导致更大的自由体积贡献度。Kazarian et al[15]考察了压力对CO2和[bmim][PF6]间相行为的影响，结果表明在70bar下CO2可使IL的熔融温度从75℃降为50℃。Kazarian et al认为这是由于CO2与阴离子间弱的路易斯酸碱作用，和P-F键与O=C=O轴垂直从而减弱了P-F键与阳离子间的相互作用力使得CO2具有降低IL熔融温度的能力。Kazarian et al的早期研究也表明高压CO2可使其它类似的IL的熔融温度降低，这使得IL在比较温和的温度下应用成为可能。

2.3 两相体系中的酶反应举例

Lozanoetal[16]考察了乙烯丁酸与1-丁醇反应合成丁酸丁酯并研究了乙烯丙酸酯与rac-1-苯基乙醇的酯交换反应。合成丁酸丁酯反应中分别研究在两种IL([emim][Tf2N]与[bmim][Tf2N])中游离态与固载态生物催化剂CALB对反应结果的影响。实验结果表明随着温度的升高酶比活性与选择性都有所提高，选择性均高于95%，转化率均大于50%。用动力学拆分产物rac-1-苯基乙醇和乙烯丙酸酯连续反应合成(R)-1-苯乙烯丙酸酯实验中，以游离态CALB为催化剂分别在[emim][Tf2N]和[bmim][Tf2N]中的进行反应。结果显示该反应选择性、酶活性与半衰期均要比丁酸丁酯合成反应中的低，然而其对应选择性高达99.9%。随温度的升高选择性有所提高，但酶比活性却降低。另一篇Lozano et al[17]的报道指出，游离态酶在[emim][Tf2N]中初始反应活性要比[bmim][Tf2N]中的高些，半衰期也要长些。而酶在固载态下上述参数又要比游离态的高、长些。在120℃、10MPa、[emim][Tf2N]条件下连续循环操作中固载酶活性基本无损失，产物选择性达98%，而游离酶条件时随着操作周期的延长产物选择性从36%增长至98.5%。

Hernandez et al[18]研究了在负载酶的膜循环反应器中合成丁基丙酸酯的反应。实验是在SC-CO2IL体系介质，固载酶的膜上涂三种不同的IL例如[bmim][PF6]、[bdimim][PF6]、[omim][PF6]分别进行实验，结果显示当只使用SC-CO2时产物选择性为95%，当使用SC-CO2IL两相体系时选择性提高到99.5%以上。

Lozano et al[19]分别考察了在IL-正己烷和SC-CO2IL中载体对CALB的反应活性的影响。通过吸附作用，实验者用特定支链如烷基、氨基、羧基、腈等来修饰二氧化硅载体，然后将CALB固载在12种不同的二氧化硅载体上。在两种IL([btma][NTf2]和[toma][NTf2])条件下研究了IL-正己烷和SC-CO2IL体系中酶CALB的活性及稳定性。结果表明：反应中经丁基修饰的二氧化硅载体酶活性最高，然而除第四组铵-硅载体外其余各组的选择性均高于94%，并且对映体过量也都高于99.9%。相较只用正己烷，使用IL-正己烷体系酶活性降低了10倍，然而半衰期却增大了6倍多，而使用SC-CO2IL体系酶活性增大了6倍。

3 总结

现在以超临界CO2作为反应介质是生物化学反应研究的热点，本文归纳总结了些近来超临界CO2中酶催化反应的研究情况。另一方面，作为绿色溶剂的IL越来越受到人们的广泛关注，现已有研究显示超临界CO2和离子液体的结合具有突出优点，该体系充分发挥了两者在溶解性和催化反应等方面的优点，尤其是两者间不对称的相溶性，使反应物系可以在相间实现所需的转移，从而促进反应进行。许多研究者也正逐步将精力转移到探索SC-CO2IL体系对酶催化反应的影响。但至今还未有将该技术如何应用于工业方面的相关报道，说明该技术还存在许多可供研究改进的地方。总之，应用SC-CO2IL体系进行酶催化反应还是一个有待进一步探索的领域。

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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