氯过氧化物酶修饰电极在催化氯化有机合成中的应用

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生物酶催化反应具有高效、绿色、条件温和、专一选择性,以及区域选择性和立体选择性等诸多优点,也符合当今社会关于保护环境以及绿色化学的要求。氯过氧化物酶(Chloroperoxidase, CPO)是一种特殊的具有多种不同催化活性的过氧化物酶,可以催化底物氧化、氯化、环氧化或脱卤化等反应。目前已有一些CPO催化有机合成反应的研究报道,但一般都是在均相反应体系中,需要加入大量的CPO,同时外加过氧化氢来保证生物酶催化反应的进行。本课题组近年来一直致力于生物酶在电极表面的固定化,并利用修饰电极上原位电催化氧还原反应产生的过氧化氢进一步驱动CPO对底物的催化反应。本文在课题组前期工作的基础上,尝试进行对药物活性成分的催化氯化研究。首先,使用紫外可见分光光度法,分别检测了溶液相中CPO、以及利用类生物膜分子双十二烷基二甲基溴化铵(Didodecyldimethvlammonium bromide,DDAB)固定化的CPO的生物催化活性。结果表明固定在电极表面的CPO活性略微低于溶液相中的活性。循环伏安测量结果表明,CPO在修饰电极上的氧化还原峰电流之比近似为1,是一个准可逆过程,峰电流与扫速成线性关系,CPO与电极之间实现了直接的电子传递,且该过程受表面吸附控制,大约估算得到修饰电极上具有电活性的CPO覆盖率Γ*为3.82×10-10mol·cm-2。同时,CPO修饰电极可以催化氧还原得到过氧化氢,为后续的催化有机合成反应奠定了基础。利用CPO-DDAB/GC修饰电极做工作电极,在-0.6V电位下尝试对岩白菜素进行催化氯化,产物经高效液相色谱与质谱联用仪(HPLC-MS)表征分析,证明生成了岩白菜素的氯化产物,表明固定在电极上的CPO在有氯离子存在的情况下(实验中由氯化钾提供)可催化岩白菜素的氯化反应,得到定位的氯化产物。反应2h后有22.49%的岩白菜素被催化为氯化产物,催化反应总转化数(Totalturnover number,TNT)达到了13600,即1mol CPO催化13600mol岩白菜素,且反应设备及其操作更加简便。尝试对万古霉素的药物活性成分进行催化氯化,HPLC分析结果显示,有两种产物生成,即可能存在一氯产物与二氯化产物。探究了不同催化电位对反应产物的影响,发现在-0.6V的电位下催化结果最佳,且随着电位的负移,产物1逐渐增加,达到一定量后会开始出现第二种产物。-0.6V电位下电解催化不同时间的结果显示,得到同样的产物生成规律。此外,还利用DDAB和碳纳米管制备了两种不同的CPO修饰电极,并考察了对催化反应结果的影响。结果表明,同样电解反应2h,CPO-DDAB/GC修饰电极的催化效率更好,即产率达到40.7%,而CPO-SWNTs/GC修饰电极的产率为37.9%。然而,由于万古霉素是分子量较大的物质,加上目前所做实验产物量较少,定位氯化产物的鉴定存在一定的困难;此外,产物的分离也存在一定的难度,因此,详细的产物的鉴定还有待于进一步的探索与研究。
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