生物催化助力綠色化學(xué)課件.ppt

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1、生物催化助力綠色化學(xué)有機(jī)化學(xué)李一明12015001027目錄生物催化和綠色化學(xué)簡(jiǎn)介綠色化學(xué)呼喚生物催化現(xiàn)階段生物催化的研究熱點(diǎn)生物催化在綠色化學(xué)中的應(yīng)用總結(jié)與展望生物催化的概念生物催化(biocatalysis)又稱生物轉(zhuǎn)化(biotransformation)，是利用酶或生物有機(jī)體對(duì)外源有機(jī)物的某一特定功能基團(tuán)或部位進(jìn)行特異性的結(jié)構(gòu)修飾以獲得有價(jià)值的不同化學(xué)產(chǎn)物，其本質(zhì)是酶催化反應(yīng)。生物催化利用生物體對(duì)底物的不確定性，充實(shí)了新化合物的資源；利用其多樣性，可以獲得一些化學(xué)合成難以得到的活性化合物。綠色化學(xué)的概念

2、綠色化學(xué)又稱環(huán)境無(wú)害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)。它是指在生產(chǎn)過(guò)程中不用或少用對(duì)人類健康、社會(huì)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑，同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生有毒有害的副產(chǎn)物，廢物和產(chǎn)品．綠色化學(xué)的核心內(nèi)容之一是“原子經(jīng)濟(jì)性”，即充分利用反應(yīng)物中的各個(gè)原子，因而既能充分利用資源，又能防止污染．綠色化學(xué)的核心內(nèi)容之二主要體現(xiàn)在5個(gè)R上:減量，即減少“三廢”排放；重復(fù)使用，諸如化學(xué)工業(yè)過(guò)程中的催化劑、載體等，這是降低成本和減廢的需要；回收，可以有效實(shí)現(xiàn)省資源、減污染、降成本的要求；再生，即變廢為寶，是節(jié)省資源、

3、能源，減少污染的有效途徑；拒用，指在化學(xué)過(guò)程中拒用一些無(wú)法回收、再生和重復(fù)使用的或有毒副作用及污染作用明顯的原料，這是杜絕污染的最根本方法綠色化學(xué)呼喚生物催化生物催化技術(shù)具有優(yōu)異的立體選擇性，化學(xué)和區(qū)域選擇性。反應(yīng)條件溫和，可以避免傳統(tǒng)合成中的異構(gòu)化、消旋化和重排等副反應(yīng)，減少有害重金屬和過(guò)度金屬催化劑和作為反應(yīng)介質(zhì)和分離純化產(chǎn)物時(shí)有機(jī)溶劑的使用，從而顯著提高原子經(jīng)濟(jì)性，減低過(guò)程的環(huán)境因子。生物催化技術(shù)的發(fā)展將加快傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變，逐步實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)的夢(mèng)想。生物催化已成為大國(guó)的重要

4、科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略美國(guó)政府的一份21世紀(jì)發(fā)展規(guī)劃提出，到2020年，通過(guò)生物催化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)的原料、水資源及能量的消耗降低30%，污染物排放和污染擴(kuò)散減少30%日本政府從2001年開(kāi)始實(shí)施“基于利用生物機(jī)能的循環(huán)產(chǎn)業(yè)體系的創(chuàng)造”的計(jì)劃。重點(diǎn)開(kāi)發(fā)用于生產(chǎn)各種化學(xué)物質(zhì)的細(xì)胞及相關(guān)應(yīng)用體系，將生物催化過(guò)程視為能夠形成與環(huán)境協(xié)調(diào)的產(chǎn)業(yè)體系的現(xiàn)實(shí)技術(shù)。中國(guó)非常重視生物催化與生物轉(zhuǎn)化的研究。早在2003年國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（“973”計(jì)劃）“生物催化與生物轉(zhuǎn)化中關(guān)鍵問(wèn)題的基礎(chǔ)研究”被科技部正式立項(xiàng)?，F(xiàn)階段生物催化的

5、研究熱點(diǎn)新型生物催化劑的篩選和改造建立高通量的技術(shù)篩選平臺(tái)開(kāi)發(fā)新的生物催化反應(yīng)類型介質(zhì)工程研究新型生物催化劑的篩選和改造新生物催化劑的發(fā)現(xiàn)天然酶的改造建立高通量篩選平臺(tái)生物催化的研究過(guò)程在一定程度上也是生物催化劑的篩選過(guò)程，對(duì)于某特定底物篩選出最優(yōu)的菌種一直是人們追求的目標(biāo)。現(xiàn)有的篩選開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)量大、成本高，很容易進(jìn)入所謂的“篩選瓶頸”，建立高通量、自動(dòng)化、連續(xù)化的可共享篩選平臺(tái)，是突破瓶頸的關(guān)鍵所在。開(kāi)發(fā)新的生物催化反應(yīng)類型a.烏藥堿合成酶b.異胡豆苷合成酶介質(zhì)工程研究許多工業(yè)上重要的化合物，其底物或產(chǎn)

6、物大多水溶解度差或幾乎不溶于水，因此即便篩選到相應(yīng)的生物催化劑，在催化過(guò)程中也會(huì)受到底／產(chǎn)物溶解度低，底／產(chǎn)物抑制生物催化劑活性、產(chǎn)物進(jìn)一步降解等限制，從而嚴(yán)重阻礙了生物催化技術(shù)在一些重要工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用。這促使研究者將目光轉(zhuǎn)移到有機(jī)溶劑、水-有機(jī)溶劑兩相體系、超臨界流體、離子液體、寡溶劑甚至無(wú)溶劑等多種非水相催化體系的研究上，并取得了較好的效果。生物催化在綠色化學(xué)中的應(yīng)用第一代Pregabalin的化學(xué)合成法Pregabalin的綠色化學(xué)酶法合成路線亮點(diǎn)：酶拆分在第一步進(jìn)行，不需要的對(duì)映體可以很容易回收。相比

7、之下，利用化學(xué)方法對(duì)二酯進(jìn)行區(qū)域和立體選擇性水解仍有挑戰(zhàn)性。另外，3步反應(yīng)都在水中進(jìn)行。因此，該新工藝不僅免除了傳統(tǒng)的(S)一扁桃酸化學(xué)拆分過(guò)程和大部分有機(jī)溶劑，不需要對(duì)映體的回收，同時(shí)還可以使收率和通量加倍提高。半合成β-內(nèi)酰胺類抗生素的化學(xué)法合成β-內(nèi)酰胺類抗生素主要由6-氨基青霉烷酸(6-APA)或者氨基去乙酰氧基頭孢霉烷酸(7-ADCA)衍生合成。但直到最近，這兩種中間體一直由青霉素G通過(guò)化學(xué)脫?；ㄖ苽?。在該工藝中，青霉素G的羧基首先需硅烷化以進(jìn)行保護(hù)，隨后進(jìn)行選擇性脫羧，最后除去保護(hù)基團(tuán)該方法需要化

8、學(xué)計(jì)量的硅烷化試劑，氯化磷，N,N-二甲基苯胺和大量的二氯甲烷；而且，反應(yīng)在-40℃中進(jìn)行。半合成β-內(nèi)酰胺類抗生素的綠色化學(xué)酶法合成亮點(diǎn)：該反應(yīng)在室溫水溶液中進(jìn)行，無(wú)須引入保護(hù)和去保護(hù)步驟。而且，通過(guò)反應(yīng)工程的研究和酶固定化，青霉素G酰化酶催化6-APA與氨基酯或氨基酰胺進(jìn)行?；磻?yīng)可合成眾多的半合成β-內(nèi)酰胺類抗生素，如青霉素，阿莫西林，頭孢克洛，頭孢氨芐和頭孢羥氨等。類似的方法也