服务热线:0510-82812900

交变磁场增强磁性交联脂肪酶聚集体催化拆分(R,S)-2-辛醇的研究

Chem Eng J.(IF=10.652)交变磁场增强磁性交联脂肪酶聚集体催化拆分(R,S)-2-辛醇的研究

光学纯的手性醇是香精香料、医药、农药、光电材料和精细化工产品的重要中间体,其中(R,S)-2-辛醇是合成类固醇、昆虫性外激素等光学活性药物和农药的手性中间体,也是制备高性能液晶必不可少的原料。传统生产工艺通常采用化学法制备光学化合物,反应过程需要高温及有毒性催化剂,反应时间长、产率低且拆分难度大。随着生物催化剂的研究与发展,酶法成为合成光学化合物的首选方法,具有反应条件温和、立体选择性高、副产物少等优点。


脂肪酶具有产生光学活性单羧酸、胺和醇的能力,利用脂肪酶可立体选择性拆分(R,S)-2-辛醇,但天然的脂肪酶操作稳定性差、不易重复使用、反应后酶与产物分离困难。理想的酶制剂是稳定且易回收可重复利用的。磁性交联酶聚集体(MCLEAs)将具有化学稳定性、生物相容性、超顺磁性、高饱和磁化强度的磁铁矿纳米粒子(Fe3O4及其衍生物)加入酶溶液,形成交联酶聚集体,对催化过程的控制具有高度稳定性,且通过磁场即可从反应混合物中回收。


中科院过程工程研究所刘春朝团队在工程技术领域Top期刊Chemical Engineering Journal在线发表了题为“Enhancing the resolution of (R,S)-2-octanol catalyzed by magnetic crosslinked lipase aggregates using an alternating magnetic field”的文章,以磁性交联脂肪酶聚集体为生物催化剂,在交变磁场下催化拆分(R,S)-2-辛醇。

(点击左下角阅读原文,直达文献页面)。

成果介绍

1、磁性交联脂肪酶聚集体的制备


2、交变磁场下(R,S)-2-辛醇的催化拆分


研究发现

与静置处理相比,施加1 mT,600 Hz的交变磁场,磁性交联脂肪酶聚集体的酶活性提高2.2倍,与使用机械搅拌相比,磁场处理后,酶活性提高20%,磁场处理增强了磁性交联脂肪酶聚集体的流动性,酶分子迁徙率增加。相同条件下,对于交联脂肪酶聚集体,磁场处理无显著影响,酶活性低于机械搅拌处理。相同磁场处理后,磁性交联脂肪酶聚集体与交联脂肪酶聚集体的对映选择性未发生变化,磁性粒子在交变电磁场中增强了底物与产物的微观迁移率且不改变酶的结构。


磁场强度和频率的增加均会提高磁性交联脂肪酶聚集体在(R,S)-2-辛醇拆分过程中的表观酶活性。在低频磁场(50 Hz和100 Hz)下,当磁场强度从0.9 mT增加至3.6 mT时,表观酶性略有增加。在600 Hz磁场频率下,当磁场强度从0.1 mT增加至1 mT时,表观酶活性从25 μmol/g·min急剧增加至48 μmol/g·min。外加磁场下,磁性粒子的磁矩不断与磁场方向对齐,当交变磁场不断改变方向时,磁性粒子发生快速微观运动。在较低频率下,磁性粒子的磁矩与磁场对齐所需的时间足以抑制粒子间的碰撞。在较高频率下,磁场方向的快速变化阻止磁性粒子与磁场方向对齐,增强粒子的迁移率。

磁性交联脂肪酶聚集体催化拆分(R,S)-2-辛醇过程中会产生(S)-2-乙酸辛酯。与对照相比,在交变磁场下反应16 h后,磁性交联脂肪酶聚集体催化产生的(S)-2-乙酸辛酯浓度提高3.19倍。交变磁场使磁性交联脂肪酶聚集体大大缩短了催化拆分反应时间,增加了酶与底物接触的机率,酶的催化效率提高。

磁性交联脂肪酶聚集体的可重复使用性是工业应用中的一个重要特征。在使用5次后,磁性交联脂肪酶聚集体仍保留95%的原始酶活及98%的原始对映选择性。磁性交联脂肪酶聚集体在交变磁场下催化拆分(R,S)-2-辛醇时保持了良好的操作稳定性。


创新性/应用前景

以磁性交联脂肪酶聚集体(MCLEAs)为生物催化剂,能有效实现交变磁场下催化拆分(R,S)-2-辛醇。交变磁场下,磁性交联脂肪酶聚集体的流动性和迁徙率增加,表观酶活性增加且对映选择性未发生改变。磁场频率对磁性交联脂肪酶聚集体的催化活性影响较大。多次重复使用后,磁性交联脂肪酶聚集体仍保持良好的操作稳定性,可作为生物催化剂广泛应用。磁场技术的研究与利用为精细化工及材料工程中生物催化剂的开发提供了新的路线。


参考文献

http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2015.05.089