生物催化在农药合成中的应用

徐亚峰

摘要：随着时代的发展和科技的进步，越来越多的高新技术被应用到农药合成中，提高了农药合成的质量和效率。其中，生物催化技术因其能够简化农药合成过程，提高农药合成纯度而受到越来越多的关注。基于作者几年生物催化技术研发的实践经验，论文编辑进一步分析和探索了生物催化技术在农药制剂中的应用，并给出了生物催化技术的实际应用形式，希望能给相关行业一些启示。

关键词：生物催化技术;农药合成;应用

农药是最重要的农产品之一，但由于农药本身分子复杂，农药合成过程复杂，会消耗巨大的资源，带来不可避免的环境污染[1]。然而，生物催化技术可以完全简化农药的生产过程，降低农药合成的资源消耗，实现农药的绿色合成，因此研究生物催化技术在农药合成中的应用非常必要。

一、农药分子结构的修饰

在生物催化技术的催化链中，酶的特征处于一个特异点，它只能催化特征底物，从而为化学制药开辟了更多的选择，在一定程度上，保证化学制药产品中手性化合物等精细药物的生产特性[2]。生物催化技术的应用可以提高手性药物活性成分的合成效率，而且反应速度也很快。传统的化学原料制备方法往往使反应物分子长时间处于带电和激发态。然而，生物催化技术的应用可以有效降低反应物分子的活化能力，进而使分子带电激发迅速，反应迅速。与无机催化剂相比，采用生物催化技术的酶能显著降低反应的活化能力。在横向对比试验中，采用生物催化技术的酶与无机催化剂的催化效率比为1000：1。

在新农药的合成中，由于新农药的研发难度越来越大，对以往农药进行大分子结构的修饰成为开发新农药最有效的手段。目前，最常用的方法仍然是化学改性。然而，随着科学技术的发展，研究人员对代谢途径、酶分子结构和催化反应的研究逐渐深入，研究人员开始应用生物催化技术对一些低产农药的分子结构进行修饰。因此，对甲氨基阿维菌素苯甲酸盐的母体结构修复是一种杀虫效果高、疗效稳定、应用前景广阔的农药。主要机制是阿维菌素的母体结构修复完成。目前，甲氨基阿维菌素苯甲酸盐通常采用化学合成法生产。在合成过程中，阿维菌素的氧化是合成甲氨基阿维菌素苯甲酸盐的关键步骤。在阿维菌素中，5-OH的氧化反应比4″-OH更为活跃，因此需要先对5-OH进行保护，再将4″-OH氧化成4″-OH后再去保护，整个生产过程非常复杂，对保护反应条件的要求极其严格，这无疑会大大增加合成成本。然而，通过生物催化技术对菌株分子结构的修饰，可以实现功能基因的转化和重组。没有5-OH的保护，4″-OH可以转化为4″-OH，从而减少了农药合成中复杂的反应步骤，降低了农药合成的成本，提高了农药合成的经济效益。

二、手性农药的生物催化

所谓手性分子，即三维分子的基本性质，如果一个原子与其镜像不完全重叠，则称为手性分子。寿星农药出现的范围很广。世界上2000多种农药中，四分之一以上是手性分子，但寿星农药一般以外消旋体形式出现，只有7%是单一异构体形式的手性农药[3]。事实上，一般来说，在这些情况下，农药中使用的对应体会受到很大的污染。比如农药中一般使用异丙甲草胺作为除草剂，其中（S）-异构体除草性能更好，而（R）-异构体不仅没有除草能力，还会导致一定的突变效果。因此，农药合成未来的研发方向在于手性农药异构物质的提纯，从而提高农药的药效，减少对生态环境的污染。而生物催化技术可以有效地进行手性化合物的动力学拆分，通过这一特性可以得到手性农药的中间体。在技术应用过程中，手性农药可以通过外消旋体拆分和不对称合成来合成。外消旋拆分技术是在生物酶的催化下，通过不同对映体分子反应速率的差异来分离对映体的过程。与外消旋拆分技术不同，不对称合成可以将手性农药的所有底物转化为所需的结构产物，其效率极高。这两种技术和方法已经在当前的农药制造业得到了一定程度的应用。但单从经济效益来看，显然不对称合成的研究领域更具吸引力。

三、生物催化技术在农药合成之中的应用

在利用微生物催化合成药物的过程中，相应的主要工作内容如下：（1）关键药物中间体的制备。在这一过程中，微生物催化的转化方法对于制备对映体纯的化合物很有吸引力，但需要注意的是，使用微生物催化不能完成所有复杂的有机合成，但获得关键中间体是可行的。（2）传统的化学催化方法可以在实验室获得药物合成所需的手性药物，但由于成本高、技术难度大，无法实现工业化。然而，微生物催化在制备路线上具有独特性，被称为“绿色合成工艺”。此外，微生物催化还可以生物拆分或转化外消旋化合物，从而获得结构类型相对单一的药物分子。

生物催化技術以其经济效益高、反应速度快等优点，在农药合成中得到了广泛应用。在目前的研究中，生物催化技术可以应用于芳氧基丙酸和草铵膦除草剂的合成，可以有效地进行分子修饰，显著提高催化反应的效率。同时，生物催化技术也被应用于拟除虫菊酯和烟碱类杀虫剂的制造，可全面提高药效和药用范围，对周围环境的影响和干扰小。同时，生物催化技术还可以应用于杀菌剂的农药合成，杀灭植物病原菌，不妨碍植物的正常生长。虽然我国生物催化剂技术的研发起步较晚，但作为技术和农业强国，生物催化剂技术在农药合成中的应用也引起了更多人的关注，我国在获得生物催化剂和重组DNA领域也取得了革命性的突破。目前，随着基因工程和合成生物技术研究的深入，也促进了生物催化工程技术的进一步发展。相信未来我国生物催化技术与先进国家的技术差距将逐步缩短，有效生物反应的调控将不断完善，使生物催化技术在农药合成和制造中发挥更重要的作用。

结束语

生物催化技术作为一种新技术，可以全面提高农药合成的效率和农药的纯度和质量。因此，生物催化技术的研究对农药合成工业的发展具有重要意义。从农药的分子修饰和手性农药中的生物催化剂入手，深入细致地探讨了生物催化剂技术在农药制备中的应用方法，并对目前已应用的生物催化剂关键技术问题进行了探讨，以阐明生物催化剂技术在农药合成中的优势，为生物催化剂技术在农药合成中的广泛应用提供更坚实的理论基础。

参考文献

[1]李博，汪娟，周建林.生物催化在农药合成中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（17）：111-112.

[2]吴坚平，杨立荣.生物催化技术在农药合成中的应用[J].生物产业技术，2016（05）：26-31.

[3]刘卫德，蒋细良，范亮波，冀颖，牛静，李梅.生物催化在农药合成中的应用[J].农药，2019，50（06）：391-394+403.