Биокатализ относится к использованию живых (биологических) систем или их частей для ускорения (катализа ) химических веществ. реакции. В биокаталитических процессах природные катализаторы, такие как ферменты, осуществляют химические превращения органических соединений. Для этой задачи используются как ферменты, которые были более или менее изолированы, так и ферменты, все еще находящиеся внутри живых клеток. Современная биотехнология, в частности направленная эволюция, сделала возможным производство модифицированных или неприродных ферментов. Это позволило разработать ферменты, которые могут катализировать новые превращения малых молекул, которые могут быть трудными или невозможными при использовании классической синтетической органической химии. Использование природных или модифицированных ферментов для выполнения органического синтеза называется хемоферментным синтезом ; реакции, выполняемые ферментом, классифицируются как хемоферментные реакции .
Биокатализ лежит в основе некоторых из древнейших химических превращений, известных человеку, поскольку пивоварение предшествовало зарегистрированной истории. Самые старые записи о пивоварении насчитывают около 6000 лет и относятся к шумерам.
Использование ферментов и целых клеток было важным для многих отраслей на протяжении веков. Наиболее очевидное применение было в производстве продуктов питания и напитков, где производство вина, пива, сыра и т. Д. Зависит от воздействия микроорганизмов.
Более ста лет назад биокатализ применялся для проведения химических трансформации искусственных органических соединений неприродного происхождения, причем за последние 30 лет наблюдается значительный рост применения биокатализа для производства тонких химикатов, особенно для фармацевтической промышленности.
Поскольку биокатализ имеет дело с ферментами и микроорганизмами, он исторически классифицируется отдельно от «гомогенного катализа» и «гетерогенного катализа». Однако, говоря механически, биокатализ - это просто частный случай гетерогенного катализа.
-Ферменты экологически безвредны, поскольку полностью разлагаются в окружающей среде.
-Большинство ферментов обычно функционируют в мягких или биологических условиях, что сводит к минимуму проблемы нежелательных побочных реакций, таких как разложение, изомеризация, рацемизация и перегруппировка, которые часто мешают традиционной методологии.
-Ферменты, выбранные для химико-ферментативного синтеза, могут быть иммобилизованы на твердой подложке. Эти иммобилизованные ферменты демонстрируют очень высокую стабильность и возможность повторного использования, и их можно использовать для проведения реакций в непрерывном режиме в микрореакторах.
- Благодаря развитию белковой инженерии, в частности сайта- направленный мутагенез и направленная эволюция, ферменты можно модифицировать для обеспечения неприродной реактивности. Модификации также могут позволить расширить диапазон субстратов, повысить скорость реакции или оборачиваемость катализатора.
-Ферменты проявляют чрезвычайную селективность по отношению к своим субстратам. Обычно ферменты проявляют три основных типа селективности:
Эти причины, и особенно последний, являются основными причинами, по которым химики-синтетики заинтересоваться биокатализом. Этот интерес, в свою очередь, в основном обусловлен необходимостью синтеза энантиочистых соединений в качестве хиральных строительных блоков для фармацевтических препаратов и агрохимикатов.
использование биокатализа для получения энантиочистых соединений можно разделить на два различных метода:
в кинетическом разрешении рацемической смеси, Присутствие хирального объекта (фермента) превращает один из стереоизомеров реагента в его продукт с большей скоростью реакции, чем для другого стереоизомера реагента. Стереохимическая смесь теперь преобразована в смесь двух различных соединений, что делает их разделяемыми по обычной методике.
Биокатализируемое кинетическое разрешение широко используется при очистке рацемических смесей синтетических аминокислот. Многие популярные способы синтеза аминокислот, такие как Strecker Synthesis, приводят к смеси энантиомеров R и S. Эта смесь может быть очищена (I) ацилированием амина с использованием ангидрида и затем (II) селективным деацилированием только L-энантиомера с использованием ацилазы почки свиньи. Эти ферменты обычно чрезвычайно селективны в отношении одного энантиомера, что приводит к очень большим различиям в скорости, что позволяет проводить селективное деацилирование. Наконец, два продукта теперь можно разделить классическими методами, такими как хроматография.
. Максимальный выход при таком кинетическом разрешении составляет 50%, поскольку выход более 50% означает, что некоторая часть неправильного изомера также прореагировала, давая меньший энантиомерный избыток. Следовательно, такие реакции должны быть прекращены до достижения равновесия. Если возможно выполнить такое разделение в условиях, когда два субстрата-энантиомера рацемизируются непрерывно, весь субстрат теоретически может быть превращен в энантиочистый продукт. Это называется динамическим разрешением .
. В биокатализируемом асимметричном синтезе нехиральное звено становится хиральным таким образом, что различные возможные стереоизомеры образуются в разных количествах. Хиральность вводится в субстрат под действием хирального фермента. Дрожжи представляют собой биокатализатор для энантиоселективного восстановления кетонов.
Окисление Байера-Виллигера - еще один пример биокаталитической реакции. В одном исследовании было обнаружено, что специально созданный мутант Candida antarctica является эффективным катализатором для добавления по Майклу акролеина с ацетилацетоном при 20 ° C в отсутствие дополнительного растворителя.
Другое исследование демонстрирует, как рацемический никотин (смесь S- и R-энантиомеров 1 на схеме 3) может быть дерацемизирован в однореакторная процедура с использованием моноаминоксидазы, выделенной из Aspergillus niger, которая способна окислять только амин S-энантиомер до имина 2и с участием пары аммиак –борана восстанавливающей, которая может восстанавливать имин 2 обратно до амина 1 . Таким образом, S-энантиомер будет непрерывно потребляться ферментом, в то время как R-энантиомер накапливается. Возможно даже стереоинвертировать чистую S в чистый R.
Недавно фоторедокс-катализ был применен к биокатализу, что сделало возможным уникальный, ранее применявшийся недоступные преобразования. Химия фотоокислительного восстановления основана на использовании света для образования свободных радикалов промежуточных продуктов. Эти промежуточные радикалы являются ахиральными, поэтому рацемические смеси продуктов получаются, когда не обеспечивается внешняя хиральная среда. Ферменты могут обеспечивать это хиральное окружение внутри активного сайта и стабилизировать конкретную конформацию и способствовать образованию одного энантиочистого продукта. Реакции биокатализа с помощью фоторедокса делятся на две категории:
Определенные общие переносчики атома водорода (HAT ) кофакторы ( НАДФН и Флавин ) могут работать как реагенты с переносом одного электрона (SET ). Хотя эти виды способны к HAT без облучения, их окислительно-восстановительный потенциал увеличивается почти на 2,0 В при облучении видимым светом. В сочетании с соответствующими ферментами (обычно енредуктазами ). Это явление было использовано химиками для разработки методик энантиоселективного восстановления. Например, лактамы среднего размера могут быть синтезированы в хиральном окружении енредуктазы посредством восстановительной предпочтительной по Болдуину, радикальной циклизации, завершаемой энациоселективной HAT из NADPH..
Вторая категория биокаталитических реакций, обеспечивающих фотоокисление, использует внешний фотокатализатор (ПК). Можно использовать многие типы ПК с большим диапазоном окислительно-восстановительных потенциалов, что обеспечивает большую настраиваемость реактивной мощности по сравнению с использованием кофактора. Бенгальская роза и внешний ПК использовались в тандеме с оксиоредуктазой для энантиоселективной деацилирования альфа-ацил- кетонов среднего размера.
Использование внешнего ПК имеет некоторые недостатки. Например, внешние ПК обычно усложняют дизайн реакции, поскольку ПК может реагировать как со связанным, так и с несвязанным субстратом. Если между несвязанным субстратом и ПК происходит реакция, энантиоселективность теряется, и могут возникнуть другие побочные реакции.