氯过氧化物酶催化有机合成反应的应用及其机理探讨

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生物催化剂是可生物降解的,并能显示出高效地化学,区域选择性和立体选择性,能减少副产物的形成,因此生物催化技术将是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一。氯过氧化物酶(Chloroperoxidase,CPO)是一种从海洋真菌Caldariomyces fumago中提取的具有特殊氨基酸残基的过氧化物酶。由于其结构上的特殊性,对烯烃的卤化、环氧化、羟基化和有机硫化合物的磺化氧化具有的手性催化活性等引起了广泛的关注。为了解决目前的均相催化反应中酶用量大及需要向反应体系中加入H2O2引起的成本增加、操作复杂等问题,本文采用将CPO固定在玻碳电极表面,利用电化学方法在电极上产生的H2O2来驱动CPO催化有机反应,减少了酶的用量同时避免了H2O2浓度过大导致的酶失活的问题。本论文将CPO与羧基化处理的单壁碳纳米管(SWCNTs)混合均匀后滴涂在已处理干净的玻碳电极表面,室温晾干后再滴涂一层壳聚糖(Chitosan,Chi),制得Chi/CPO-SWCNTs/GC修饰电极。循环伏安测量结果表明,固定在SWCNT修饰的玻碳电极上的CPO能进行快速、直接的电子传递,峰电流与扫描速度成正比,表明是一个受表面吸附控制的反应,同时对氧气的电化学还原具有显著的催化效率。不同pH的缓冲溶液中循环伏安测量结果表明,式量电位E0’随溶液pH值的增大而负移呈现一线性关系,表明直接电子传递反应的同时伴随着有质子参与反应。本文以Chi/CPO-SWCNTs/GC修饰电极为工作电极、在-0.6V下恒电位电解肉桂醇,气相色谱表征结果表明,利用电化学原位产生的过氧化氢可以使CPO成功地将肉桂醇催化氧化为肉桂醛。同时和本研究小组用其他方法制备的CPO修饰电极作比较,均发现催化氧化肉桂醇有较高的转化率。基于本研究小组之前考察了CPO修饰电极的催化氧化和氯化反应,发现实验条件的不同,产物会有变化。因此,本论文的研究重点是选择另外两种不同类型的催化反应,即催化氧化氯化反应和脱氯反应。本论文以Chi/CPO-SWCNTs/GC修饰电极作工作电极,分别应用于催化1,3-环戊二酮的氯化和2,4,6-三氯苯酚的脱氯反应,结果表明,CPO既可以催化1,3-环戊二酮氯化生成2-氯-1,3-环戊二酮,也可以使2,4,6-三氯苯酚发生脱氯反应,生成2,6-二氯-1,4-苯醌,同时初步探讨了CPO催化氯化及脱氯的反应机理。此外,研究结果还表明,外层添加壳聚糖的修饰可以提高CPO的稳定性及催化活性。
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