＊付 涌

（南昌醫(yī)學(xué)院 江西 330004）

近年來，隨著全球環(huán)境問題的日益嚴(yán)重和可持續(xù)發(fā)展理念的提出，綠色化學(xué)合成成為了化學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向之一。傳統(tǒng)的化學(xué)合成往往使用高溫、高壓和有毒的化學(xué)物質(zhì)，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，并且嚴(yán)重依賴有限的化石能源資源。為了解決這些問題，尋找一種環(huán)保高效、可持續(xù)的合成方法勢在必行。生物催化能將傳統(tǒng)的有機(jī)合成策略與現(xiàn)代生物技術(shù)完美地融為一體，具有條件溫和、高效專一、環(huán)境友好等特征。

1.概述

生物催化劑是一種天然的催化劑，因此對于復(fù)雜分子的合成和轉(zhuǎn)化具有特殊的適應(yīng)性。并且能夠在相對溫和的條件下高效率催化化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)對底物具有選擇性，降低了副反應(yīng)的發(fā)生。其次，生物催化劑具有可逆性，在適當(dāng)?shù)臈l件下能夠逆轉(zhuǎn)催化反應(yīng)，提高反應(yīng)的平衡度。工業(yè)用生物催化劑是指應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的游離或固定化的酶或活細(xì)胞。這些催化劑通常是從生物體中提取出來的微生物細(xì)胞。經(jīng)過提取和純化后的酶可以作為游離酶直接應(yīng)用于反應(yīng)體系中，也可以通過固定化技術(shù)進(jìn)行加工，將酶或活細(xì)胞固定在載體上，形成固定化酶催化劑。通過固定化技術(shù)，酶或活細(xì)胞可以在反應(yīng)體系中穩(wěn)定存在，不易失活。此外，工業(yè)用生物催化劑具有較好的可重復(fù)使用性，可以多次應(yīng)用于反應(yīng)過程，減少廢物產(chǎn)生，降低生產(chǎn)成本。工業(yè)用生物催化劑在生物燃料生產(chǎn)、食品加工、制藥、化妝品、紡織品等許多領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。在生物燃料生產(chǎn)中，通過利用酶或活細(xì)胞催化劑，可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為生物酒精或生物柴油等燃料。

2.生物催化劑的分類和特點(diǎn)

（1）酶。酶（enzyme）是由活細(xì)胞產(chǎn)生的、對其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)或RNA。酶是一類特殊的蛋白質(zhì)，具有催化化學(xué)反應(yīng)的能力。并通過特定的立體結(jié)構(gòu)和活性位點(diǎn)與底物分子相互作用，在催化過程中加速反應(yīng)的進(jìn)行。由于酶具有專一的催化活性位點(diǎn)，能夠選擇性地催化特定底物的轉(zhuǎn)化。與大多數(shù)非生物催化劑相比，酶通常在常溫和常壓下活化反應(yīng)。這不僅減少了能量消耗和生產(chǎn)成本，還能保持底物和產(chǎn)物的化學(xué)穩(wěn)定性，以及降低副反應(yīng)的發(fā)生。通過固定化技術(shù)，酶可以被固定在一種載體上，形成固定化酶。固定化酶能夠穩(wěn)定存在于反應(yīng)體系中，并能反復(fù)使用。與非生物催化劑相比，酶可以對底物的結(jié)構(gòu)變化較為容忍，并能催化多種不同類型的底物，同時(shí)酶與底物嚴(yán)格互補(bǔ)（圖1）。

圖1 酶與底物嚴(yán)格互補(bǔ)

（2）酵母菌。酵母菌（saccharomyces）一般泛指能發(fā)酵糖類的各種單細(xì)胞真菌，可用于釀造生產(chǎn)，在有氧和無氧條件下都能夠存活，是一種天然發(fā)酵劑。酵母菌屬于真菌的一種，其酶系統(tǒng)能夠催化多種生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，并利用糖類、脂類、蛋白質(zhì)和酒精等多種有機(jī)物作為底物，通過其固有的酶系統(tǒng)，能夠催化底物的轉(zhuǎn)化，并在特定條件下選擇性地生成目標(biāo)產(chǎn)物。此外，酵母菌以葡萄糖等有機(jī)物為碳源進(jìn)行能量和生物物質(zhì)合成，能夠在相對簡單的培養(yǎng)條件下生存和繁殖。酵母菌在應(yīng)對環(huán)境壓力和逆境時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性和存活能力，能夠在較寬的溫度、酸堿度和氧濃度范圍內(nèi)生長和催化反應(yīng)。此外，酵母菌的酶系統(tǒng)在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定存在，通過重復(fù)循環(huán)使用進(jìn)行催化。

（3）微生物催化。微生物是一種生物催化劑，能促使生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化的進(jìn)行，由微生物體內(nèi)酶系的催化作用，把反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物最終被釋放出來。微生物能夠利用糖類、脂類、氨基酸等多種有機(jī)和無機(jī)底物進(jìn)行代謝和轉(zhuǎn)化，通過在相對簡單的培養(yǎng)條件下生長和繁殖，在工業(yè)生產(chǎn)中可用于生產(chǎn)化學(xué)品、藥物、食品等。微生物催化還可以應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、廢水處理、生物能源生產(chǎn)等方面。利用微生物和酶催化原料的轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)生物乙醇和生物柴油。用微生物酶和微生物細(xì)胞作為傳感器的組件，用于檢測環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)、生物分子和氣體。微生物催化效率高、底物選擇性好、減少副產(chǎn)物生成、環(huán)境友好。在生物工程、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)和醫(yī)藥等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。此外，微生物催化也在合成有機(jī)化合物、合成酶、生物傳感器等生物技術(shù)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用和研究價(jià)值。

3.化學(xué)合成的現(xiàn)狀分析

化學(xué)合成是指通過化學(xué)反應(yīng)將原料轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的過程?；瘜W(xué)合成技術(shù)對于操作和環(huán)境要求比較高，一般都需要在高溫高壓的環(huán)境中，用易燃易爆物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)合成，合成的過程中有些對于溫度、濕度、甚至pH值都有苛刻的要求，且成功概率偏低，操作過程復(fù)雜。在當(dāng)今社會，化學(xué)合成在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。首先，化學(xué)合成在有機(jī)合成領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。有機(jī)合成化學(xué)是指對碳原子的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變和構(gòu)建，通過合成有機(jī)分子來制造藥物、農(nóng)藥、染料、聚合物等化合物。有機(jī)合成化學(xué)的重要性體現(xiàn)在它能夠合成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的分子來滿足不同領(lǐng)域的需求。在藥物工業(yè)中化學(xué)合成可以用于產(chǎn)生藥物的活性成分，并通過合成和改進(jìn)藥物分子的結(jié)構(gòu)，提高藥物的療效和減少副作用，大多數(shù)現(xiàn)代藥物都是通過化學(xué)合成來制備的。在材料科學(xué)和能源領(lǐng)域，通過化學(xué)合成可以制備聚合物、金屬有機(jī)框架、納米顆粒等各種功能材料，還可以用于制備太陽能電池、燃料電池等新型的能源材料，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。

4.生物催化與傳統(tǒng)化學(xué)合成的對比

（1）傳統(tǒng)化學(xué)合成的局限性。傳統(tǒng)化學(xué)合成方法在反應(yīng)條件限制、資源消耗、廢棄物處理、合成復(fù)雜性、時(shí)間成本、結(jié)構(gòu)多樣性等方面存在一些局限性。傳統(tǒng)化學(xué)合成通常需要高溫、高壓或強(qiáng)酸堿等較嚴(yán)苛的反應(yīng)條件，需要大量的試劑和溶劑，導(dǎo)致對資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。同時(shí)，合成過程中產(chǎn)生的廢棄物處理也是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)合成方法對于復(fù)雜有機(jī)分子的合成需要多步反應(yīng)、純化和結(jié)構(gòu)確認(rèn)等繁瑣步驟，并且有些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物可能無法通過傳統(tǒng)的合成方法來合成，此外，在納米材料、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等新興領(lǐng)域，傳統(tǒng)合成方法無法滿足新材料或新藥物的需求。

（2）生物催化的優(yōu)勢。生物催化與傳統(tǒng)化學(xué)合成是兩種不同的合成方法，生物催化利用酶作為催化劑，能夠在溫和的條件下催化特定的化學(xué)轉(zhuǎn)化，降低合成過程中的能量和溫度要求。相比之下，傳統(tǒng)化學(xué)合成需要較高的溫度、壓力和強(qiáng)酸堿等條件。同時(shí)酶能夠催化一系列的底物反應(yīng)，且能夠選擇性地催化目標(biāo)底物的特定位點(diǎn)，減少或避免副產(chǎn)物的生成。而傳統(tǒng)化學(xué)合成往往需要更多的步驟和制備過程以達(dá)到類似的選擇性。生物催化利用可再生的底物，在反應(yīng)中形成的副產(chǎn)物對環(huán)境的影響相對較小。此外，生物催化常常是以水為溶劑進(jìn)行的，在廢液處理方面也更加便利。而傳統(tǒng)化學(xué)合成則需要使用大量的有機(jī)溶劑和生成大量的廢棄物，造成環(huán)境污染。

5.生物催化在有機(jī)合成中的應(yīng)用

（1）精細(xì)有機(jī)化工。高立體選擇性合成是指在有機(jī)合成中，酶可以以非常高的立體選擇性催化特定反應(yīng)，合成手性有機(jī)物，并通過合適的催化劑或反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)對手性化合物的選擇性合成。手性化合物是具有非對稱碳原子的化合物。在自然界和很多重要的有機(jī)分子中，手性性質(zhì)對于化學(xué)活性、生物活性和藥理活性等方面起著重要作用。高立體選擇性合成的關(guān)鍵在于選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┗蚍磻?yīng)條件。常用的催化劑有手性配體、酶和金屬催化劑等。手性配體可以配合金屬催化劑，形成具有空間立體異構(gòu)體的復(fù)合物，通過對底物進(jìn)行空間位阻和電子效應(yīng)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對手性中心的選擇性反應(yīng)。在高立體選擇性合成中，還需要考慮溫度、溶劑、反應(yīng)時(shí)間等反應(yīng)條件的選擇，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，可以控制不同基團(tuán)的空間位阻，實(shí)現(xiàn)對手性中心的選擇性反應(yīng)。高立體選擇性合成應(yīng)用于藥物合成、精細(xì)化學(xué)品合成和天然產(chǎn)物的合成等領(lǐng)域。通過合適的催化劑和反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的合成路線，從而提高合成效率。官能團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)有環(huán)氧化、親電取代、求核取代和脫酰反應(yīng)等多種機(jī)制和類型，環(huán)氧化是一種官能團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，通過環(huán)氧化劑將環(huán)氧化合物中的一個(gè)氧原子與另一個(gè)分子上的親電中心反應(yīng)，形成醇或氧雜環(huán)化合物。親電取代反應(yīng)中，一個(gè)親電試劑攻擊化合物中的一個(gè)官能團(tuán)，并與之形成一個(gè)新的化學(xué)鍵[1]。求核取代涉及親核試劑攻擊有機(jī)分子中的特定官能團(tuán)，形成新的化學(xué)鍵。脫酰反應(yīng)通過裂解?；优c鄰近原子相連接的化學(xué)鍵，生成一個(gè)含有新官能團(tuán)的新化合物。

（2）合成藥物領(lǐng)域。與傳統(tǒng)化學(xué)制藥方法不同的是，生物催化法主要合成不對稱手性化合物，應(yīng)用于制藥、藥物中間體的生產(chǎn)過程。在化學(xué)中，手性分子具有非對稱性，存在兩種可能的立體異構(gòu)體，即左旋與右旋。非對映選擇性催化的目標(biāo)是控制催化反應(yīng)，使得只有特定手性產(chǎn)物生成，而不是兩種手性產(chǎn)物均等生成[2]。手性催化劑能夠在催化反應(yīng)中傳遞其手性信息給底物，使手性配體可以與金屬離子形成手性配位化合物，催化不對映選擇性反應(yīng)。手性配體的立體構(gòu)型可以通過其自身手性中心改變分子的對稱性，同時(shí)手性誘導(dǎo)劑（如手性配體）與底物形成穩(wěn)定的配位體，然后發(fā)生配體交換反應(yīng)，將手性信息傳遞給底物，選擇性地生成具有特定手性的產(chǎn)物。生物催化可以實(shí)現(xiàn)對立體異構(gòu)體的選擇性合成，酶催化合成可以根據(jù)底物的立體構(gòu)型來得到單一立體異構(gòu)體的產(chǎn)物，從而避免復(fù)雜的分離和純化步驟。生物催化技術(shù)可以用于制備合成藥物中的高價(jià)值中間體。將特定酶催化的反應(yīng)引入到合成中間體的合成步驟中，可以提高合成的效率，減少副產(chǎn)物的生成。分子內(nèi)N-H卡賓插入化學(xué)的應(yīng)用為β-內(nèi)酰胺類抗生素的合成讓創(chuàng)新分子設(shè)計(jì)成為可能，打開了合成原先無法獲得的具有高度治療價(jià)值的分子的通道（圖2）。

圖2 β-內(nèi)酰胺類抗生素的合成

6.生物催化的發(fā)展前景

(1)交聯(lián)酶聚集體技術(shù)[3]

以交聯(lián)酶聚集體法為代表的無載體固定化技術(shù)是指先采用物理方法將酶蛋白聚集，之后采用交聯(lián)劑對酶進(jìn)行交聯(lián)。交聯(lián)酶聚集體技術(shù)的基本原理是通過交聯(lián)劑將酶分子固定在載體上，形成酶聚集體。交聯(lián)劑可以是化學(xué)交聯(lián)劑或物理交聯(lián)劑，用于將酶分子之間或酶與載體之間的化學(xué)鍵或物理相互作用加強(qiáng)，從而形成聚集體結(jié)構(gòu)。在交聯(lián)過程中，酶的活性可能部分喪失，需要找到合適的交聯(lián)劑和條件。

(2)柔性長鏈技術(shù)[4]

酶的柔性固定化是指將一些有足夠碳鏈長度且具有一定親水性的分子鏈，通過化學(xué)法接枝在固定化載體上的技術(shù)。柔性長鏈分子可以通過物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)與材料相互作用，形成柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在材料中起到增強(qiáng)、調(diào)控或穩(wěn)定化的作用。柔性長鏈分子可以作為增強(qiáng)相引入到材料中，通過與基質(zhì)相互作用，增強(qiáng)材料的力學(xué)強(qiáng)度、韌性和耐磨性。并且可以影響材料的組織結(jié)構(gòu)和形貌，調(diào)控材料的孔隙結(jié)構(gòu)、表面特性和界面性能。柔性長鏈分子的引入可以阻礙裂紋傳播、防止材料蠕變和降低材料的老化速率，抑制界面的結(jié)垢、增強(qiáng)膠粘劑的黏附性能或減小材料的摩擦系數(shù)。

7.結(jié)語

近年來，科研人員在固定化新型生物酶的研發(fā)過程中，積極尋求創(chuàng)新的方法和突破口，努力推動(dòng)大量研究成果的涌現(xiàn)，并促使越來越多的科研理論成果得以應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)化生產(chǎn)中。科研人員跨越了領(lǐng)域的邊界，共同引領(lǐng)生物酶技術(shù)的發(fā)展，生物催化技術(shù)將在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，為構(gòu)建清潔、可持續(xù)的社會作出貢獻(xiàn)。