离子液体溶剂中磁性固定化酶催化合成半合成抗生素和介质作用机制研究

One of the main tendencies of sustainable development of the domestic -lactam antibiotics industry is to develop green enzymatic technology with the aim of eliminating pollution in the first place and the serious contaminated environment. Aiming at the limitation of the traditional enzymatic synthesis of semi-synthetic antibiotics in low yield, low selectivity, low utilization rate of substrates and environmental polluting due to large volume of organic solvent used, the ionic liquids-based solvent with adjustable properties and the immobilized penicillin G acylase(PGA) on porous magnetic micron-sized polimetic beans has been selected to synthesize amoxicillin, cefadroxil and cefaclor. The main problem in this project is regulating the imidazole [(R1R2im)+] ionic liquids-based solvents and carrying out the reaction in the solvent with different water activity (aw) and pH at different temperature to explore the relationship between the catalytic properties of the immobilized enzyme and the hydrophilicity, hydrophobicity and aw of the solvent. We will study the effects of the ionic liquids-based solvent on the structures and enzymatic properties of PGA, disclose the mechanism of the medium effects on the activity and selectivity of PGA and establish an efficient and green system for synthesizing semi-synthetic antibiotics.

随着环境污染问题的日益加剧，发展从源头消除污染的绿色酶催化技术是我国-内酰胺类抗生素产业可持续发展的必然要求。本项目针对传统酶法制备半合成抗生素使用有机物介质严重存在着催化效率低、选择性低、原料利用率低和污染环境等问题，选择离子液体溶剂作反应介质，以易分离可循环使用的磁性高分子微球固定化青霉素G酰化酶催化合成阿莫西林、头孢羟氨苄和头孢克洛；基于离子液体组成与性能的可调控性，设计咪唑阳离子[(R1R2im)+]离子液体溶剂，在不同的离子溶剂调控水活度(aw)和pH值进行反应，探索离子液体溶剂的亲水性、疏水性和水活度等性质与酶催化性能之间的内在联系，反馈优化介质体系、磁性固定化酶和酶催化合成工艺，力求提高酶催化活性和选择性；通过对酶分子在离子液体溶剂中结构和酶学特征与酶催化活性及选择性的研究，揭示离子液体溶剂的介质作用机制，建立离子液体溶剂磁性固定化酶催化制备半合成抗生素的新绿色合成体系。

随着环境污染问题的日益加剧，发展从源头消除污染的绿色酶催化技术是我国β-内酰胺类抗生素产业可持续发展的必然要求。项目设计制备出磁性微球载体，获得高活性、高稳定性和易回收的磁性球状固定化青霉素G酰化酶（PGA）。研究发现，在固定化溶剂中加入离子液体 [Bmim][TNf2]和[Bmim][PF6]，制备的磁性固定化PGA的催化活性明显高于不含离子液体的磷酸缓冲溶液中制备的固定化PGA，而在[Bmim][BF4]存在下制备的固定化PGA的催化活性却低于由磷酸缓冲溶液中得到的固定化PGA的活性。系统地研究了磁性固定化PGA催化合成头孢羟氨苄、头孢氨苄和头孢克洛等半合成抗生素的溶剂体系和工艺条件。研究了含咪唑阳离子离子液体共溶剂体系合成头孢羟氨苄的反应规律，发现Bmim][NTf2]-磷酸盐缓冲溶液（0.1mol/L, pH 7.8）能够完全溶解底物7-氨基-3-脱乙酰氧基头孢烷酸（7-ADCA）和D-对羟基苯甘氨酸甲酯（D-HPGM），磁性固定化PGA催化7-ADCA与D-HPGM反应合成头孢羟氨苄，能够抑制水解副反应，有效地提高了头孢羟氨苄的产率和合成/水解比。研究发现，PGA在Bmim][NTf2]-磷酸缓冲溶液共溶剂中荧光发射光谱与激发光谱的强度明显高于在磷酸盐缓冲溶液，意味着共溶剂体中PGA分子的空间结构变得相对伸展, 酶的活性高。PGA在62.5%（v/v） [Bmim][TNf2]-磷酸盐共溶剂中荧光发射与激发光谱强度最高，与磁性固定化PGA催化合成头孢羟氨苄的产率和合成/水解比最高相一致。同时研究了磁性固定化PGA催化合成头孢氨苄和头孢克洛反应的溶剂效应和合成工艺。研究结果为酶法催化制备半合成抗生素提供了新的合成体系。