離子液體\\(Ionic liquids,ILs\\)具有幾乎為零的蒸汽壓、高的熱穩定性、化學穩定性、寬的液態溫度范圍、較強的溶解性與催化活性等優異理化特性,因而被稱為21世紀的“綠色溶劑”,現已被廣泛應用于分離與萃取[1,2]、電化學[3,4]、納米技術[5,6]、生物技術[7]以及工程技術[8,9]等各個領域中。
酶是活細胞產生的一類具有催化功能的生物大分子,酶催化的反應稱為酶促反應。大量的研究表明:酶促反應具有高效、高選擇性和反應條件溫和等特性[10],作為一種綠色合成方法是現代合成方法學的重要發展方向之一。酶促反應的介質最初采用的是水,但在水中酶分子的空間結構容易改變而失去催化活力[11],另外許多有機反應難以在水相中進行;直至非水介質中酶促反應研究的出現,極大推動了酶在合成化學中的應用[12,13]。結合酶和ILs的優點,所以ILs中的酶促反應引起了研究者的關注?，F在ILs中的酶催化反應主要包括有機合成反應[14]和聚合反應[15]兩大類,由于酶和ILs兩者都具備對環境友好的優點,所以在ILs中的酶促反應是極具研究意義的課題之一。本文對近年來在ILs中的酶促反應進行了綜述。
1 離子液體中酶促有機合成反應
脂肪酶\\(Lipases\\)是由活細胞產生的具有催化功能的蛋白質分子,它通常具有催化活性,因此酶通常被作為催化劑。
近年來酶催化反應的研究越來越受到關注,其中酶應用于小分子催化反應主要包括:酯交換反應、水解反應和氧化還原反應等[16]。
Lazano P等[17]以脂肪酶催化丁酸乙烯酯與正丁醇的酯交換反應合成丁酸丁酯,反應介質采用4種ILs\\([C2MIm]-BF4、[C2MIm]NTf2、[C4MIm]PF6和[C4MIm]NTf2\\)以及2種有機溶劑\\(正丁烷、己烷\\),研究結果表明脂肪酶在ILs中的催化活性遠高于其在有機溶劑中的活性,并且酶的活性隨著ILs極性的增強而增大,在連續操作過程中脂肪酶也仍然保持著較高的活性。
Nara S J等[18]研究了2-羥甲基-1,4-苯丙二氧烷與乙酸乙烯酯在疏水性和親水性ILs中進行的酯交換反應,親水性ILs中酶的活性與其在有機溶劑中的活性相當,而疏水性ILs中酶的催化活性明顯高于其在親水性ILs中的活性。
酶具有高度的選擇性,酶在不對稱合成領域也有著廣泛的應用。
Liu Y Y等[19]采用酶催化水解的方法合成手性β-氨基酸\\(圖1\\),結果表明,在ILs中的反應可以很好提高R構型產物的比例。
2 離子液體中酶促聚合反應
ILs中酶促聚合反應包括縮聚反應、自由基聚合反應和開環聚合反應等[10],酶催化聚合反應可以在溫和的條件下高效專一地合成普通方法難以合成的功能高分子,且對環境友好,具有其它合成方法無可比擬的優越性。
Gorke J T等[20]研究了5種不同的內酯\\(β-丙內酯、β-丁內酯、γ-丁內酯、δ-戊內酯和ε-己內酯\\)在[bmim]NTf2中,CALB\\(Candida antarctica lipase B\\)酶催化開環聚合反應\\(圖2\\)。當單體\\(β-丙內酯、δ-戊內酯和ε-己內酯\\)與酶的比例為1∶100\\(質量比\\)時,聚合度分別為170、25和85;當單體為β-丁內酯、γ-丁內酯時,聚合度僅為5;β-丙內酯與β-丁內酯共聚所得聚合物的聚合度高達180;另外,實驗還考察了水的含量對酶催化聚合反應的影響,當ILs中水的含量從1.95%減小到0.60%時,聚合物的分子量從8000g/mol增加到20000g/mol;實驗還發現,聚合反應在強親水性的ILs\\([bmim]-NO3、[bmim]N\\(CN\\)2、[bmim]EtSO4\\)中無法進行。
Yo-shizawa-Fujita M等[21]利用L-丙交酯在3種ILs\\([bmim]-BF4、[bmim]PF6、[bmim]NTf2、[bmim]N\\(CN\\)2\\)中進行開環聚合,實驗發現聚丙交酯在 [bmim]BF4、[bmim]PF6、[bmim]NTf2中均能聚合,其中在[bmim]BF4中聚合的分子量最高為55000g/mol,其中在[bmim]PF6中聚合的分子量為4000g/mol,均比在甲苯中聚合的分子量要高,但是產率都較本體聚合的低,主要是因為ILs對聚合物有良好的溶解性,聚合物不能及時從ILs中分離出來。
Chanfreau S等[22]在[hmim]PF6中利用Novozyme-435分別催化丙交酯、丙交酯與乙交酯發生均聚和共聚反應,在90℃時聚丙交酯的產率為63%,分子量為37800g/mol;首次實現了在[hmim]PF6中Novozyme-435催化丙交酯與乙交酯共聚反應,同時對共聚物進行了表征。Marcilla R等[23]報道了己/辛二酸甲酯與丁二酸在[bmim]NTf2、[bmim]PF和[bmim]BF4中Novozyme-435酶催化縮聚反應\\(圖3\\),比較了在ILs中敞開條件和本體真空條件下的聚合效果,實驗表明在ILs中敞開條件下聚合,不僅簡化了聚合操作,而且提高了聚合物的分子量\\(Mn\\)。
Dordick J S課題組[24]研究利用大豆過氧化酶\\(Soybean peroxidase,SBP\\)在ILs中催化酚類物質的聚合反應,聚合物的分子量在1200~4100Da之間,在90%\\(體積分數\\)[bmPy][BF4]的水溶液中,大豆過氧化酶表現出良好的活性。
3 ILs膜修飾的酶用于聚合反應
酶活性的維持需要在少量水分子的微環境中,疏水性ILs能夠很好保護這種微環境,從而保持酶分子的二級結構不發生改變,酶的催化活性才能夠得以維持。
Lozano P等[25]利用ILs修飾的Novozyme-435\\(ILs-coating Novozyme-435\\)在無溶劑的條件下催化合成烷基香茅酯,研究表明烷基香茅酯的轉化率和純度竟達到100%,其酯化的機理如圖4所示。
同樣,Fischer F等利用ILs-coating Novozyme-435催化合成甲基葡萄糖脂肪酸酯,研究表明ILs-coating Novozyme-435的催化效率明顯高于在ILs中Novozyme-435的,實驗發現ILs的極性越大其催化產率越高。
Dang D T等[27]研究了ILs\\(親水和疏水性兩類\\)修飾后的酶催化水解反應,結果表明經ILs修飾后的酶的催化活性明顯高于自由酶,并且具有良好的可循環利用性,可能原因是ILs的存在保持了酶的二級結構從而提高了酶的活性中心與底物的接觸機會。
Lee JK等[28]利用[PPMim]PF6\\(PPMim=1-\\(3-苯丙基\\)-3-甲基咪唑\\)修飾的酶催化酯化反應,研究表明經ILs修飾的酶具有良好的立體選擇性和催化活性。Dong F X等[29]利用[bmim]-PF6修飾的Novozyme-435催化1,4-二氧六環-2-酮\\(PDO\\)開環聚合,結果表明,聚1,4-二氧六環-2-酮\\(PPDO\\)的最大分子量可達182100g/mol,其分子明顯高于以[bmim]PF6為溶劑時的分子量。
武漢大學賀楓教授課題組[30]系統地研究了ILs-coatingNovozyme-435催化ε-己內酯的開環聚合反應,實驗發現經ILs修飾的Novozyme-435催化得到的聚合物的分子量\\(Mw\\)明顯高于未經修飾的,酶的催化活性與ILs的物化性質\\(黏度、極性\\)有著一定關系,黏度越大,極性越小越有利于酶活性的保持。
4 ILs對酶催化活性和穩定性的影響
酶的活性和穩定性與其所處的溶劑微環境有著直接的關系[31]。由于ILs具有結構高度可設計性的特點,這就使得ILs的種類繁多,探究ILs的物化性質\\(陰陽離子的結構、黏度、親疏水性、極性、陰離子的親核性\\)與酶的活性和穩定性之間的關系,可以提高研究ILs中酶促反應的針對性,這樣可指導設計合成出對酶的活性和穩定性有利的ILs可以說意義重大。
4.1陰陽離子的結構
ILs是由陰陽離子組成的,可以通過改變陰陽離子的結構來改變ILs的種類,不同種類的ILs對酶有著不同的作用。
Kl\ue562hn M等[32,33]將CALB酶溶解在8種不同的ILs中,利用分子動力學模擬陰陽離子與酶分子的相互作用,認為陰離子與酶之間的作用是庫侖作用,是主導作用。酶在不同陰離子的ILs的穩定性順序是:PF6->BF4-\ue04cNO3-;陽離子與酶之間的作用是范德華作用,是次要作用,酶與離子之間的作用力大小由離子的尺寸大小、離子表面電荷密度的分布來決定,陽離子尺寸越小、表面電荷密度越大越容易使酶失活,另外,含有長烷基鏈或強極性的甲氧基鏈的胍鹽型ILs更容易使酶失活。實驗還發現離子會向酶分子極性一端聚集,帶有長烷基鏈的離子會向酶分子非極性一端聚集。
4.2 ILs的黏度
ILs的黏度一般比普通有機溶劑的黏度要大[34],ILs的黏度對酶催化活性的影響,對于不同反應有著不同的結論。酶在ILs的溶解性較差,所以ILs中的酶催化反應大多數是異相反應,就必須考慮分子間和分子內的傳質阻力。
van Ra-ntwijk等[7]認為ILs的黏度越大越有利于酶的空間結構的保持。然而,Lozano等研究ILs的黏度對胰凝乳蛋白酶活性的影響,發現胰凝乳蛋白酶在[emim]
NTf2\\(黏度34mPa·s\\)中的活性要高于在[mtoa]NTf2\\(黏度574mPa·s,mtoa為甲基三辛基銨\\)中的。而Zhao H等[35]在研究乙基丁酸與正丁醇在20多種ILs中發生酯化反應時,發現ILs的黏度不是影響酶活性的主要因素。
4.3 ILs的親疏水性
ILs的親疏水性用lgP\\(P表示ILs在水和溶劑中的分配系數\\)表示,lgP值越大說明ILs的疏水性就越大,ILs的疏水性越強越有利于酶的穩定性和催化活性的提高。Lou W Y等[36]研究不同ILs中酶催化\\(R,S\\)-1-三甲基硅乙醇與醋酸乙烯酯進行的酯化反應,實驗發現Novozym-435的催化活性隨著ILs的疏水性減弱 \\([BMIm]BF4>[OMIm]BF4>[C7MIm]BF4>[HMIm]BF4>[C5MIm]BF4>[BMIm]BF4\\)而減弱。
Shen Z L等[37]報道利用酶催化醇類氰化反應,實驗發現PS酶在疏水性的[OMIM]PF6中,立體選擇性高達80%,而在親水性的 [HMIM]BF4和 [HMIM]Cl中 只有5%。
4.4 ILs的極性
一般的ILs中烷基鏈越長,烷基的結構越復雜,極性越小;在陽離子結構相同的情況下,陰離子使ILs的極性降低的順序是:NO3->BF4->NTf2->PF6-[38,39]。
Park S等[40]研究酶\\(Pseudomonas cepacia\\)催化1-苯基乙醇與醋酸乙烯酯的酯交換反應,實驗發現酶的催化活性隨著ILs的極性增強而減弱。而Lozano P等[41]
在研究Novozym-435催化甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷與脂肪酸的酯化反應,酶的催化活性隨ILs的極性增強而增強。
4.5陰離子的親核性
陰離子對酶的催化活性有著重要的影響作用,一般的陰離子的親核性越強對酶的活性影響越明顯。Kaar J L等[42]研究自由Candida rugosa酶催化甲基丙烯酸甲酯與2-乙基-1-己醇的酯交換反應,結果發現酶只有在疏水性的[bmim]-PF6中才有活性,而在親水性的 [bmim]X\\(X= NO3-,CH3COO-,CF3COO-\\)中失活,他認為后面三者對酶的親核性要高于PF6-的,從而導致酶蛋白質分子的立體構性發生改變。同樣Kato K等[43]報道了CALB催化1-苯乙基胺與4-戊烯酸的選擇性?；磻?實驗發現反應的速率隨著ILs中陰離子親核性\\(OTf-> BF4-> PF6-\\)的減弱而逐漸降低。
Lee S H等[44]研究了3種酶 \\(Novozyme-435,Rhizomucormiehei lipase,Candida rugosa lipase\\)在不同ILs中催化酯交換反應的速率。實驗結果表明反應的速率隨著ILs中陰離子親核性的增強\\(Tf2N-< PF6-< OTf-< SbF6- 5 結語
由于ILs中酶促反應具有環境友好性的特點,所以其研究領域不斷得到拓展,近幾年有關的報道也越來越多,但是ILs中酶促反應也面臨著問題和挑戰。首先,由于ILs的結構種類繁多為了尋找對酶穩定性良好的新型ILs面臨著不少困難;其次,ILs的物化性質\\(黏度、極性、親疏水性等\\)與酶的活性之間的定量關系還需要進一步研究,探明他們之間的定量影響關系將為合成ILs中酶促反應提供理論和現實上的指導。
