Kurthia gibsonii SC0312细胞催化1-苯基-1,2-乙二醇动力学拆分的研究

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对映体纯的手性醇及其衍生物是精细化学、制药、功能材料等行业重要的前体、手性中间体物质。光学纯的1-苯基-1,2-乙二醇(PED)是一种重要的手性结构单元,(R)-PED可用来合成治疗精神病性障碍、代谢问题和甲状旁腺功能亢进等疾病的手性药物,(S)-PED则是液晶材料中必不可少的原料和手性添加剂。随着清洁绿色制备理念的兴起,生物催化法逐渐成为获取对映体纯的手性醇的重要手段,目前主要分为酶法和全细胞法。与酶催化相比,全细胞催化的优点更为显著,比如稳定性高,催化剂成本低,无需添加辅因子等。本研究以实验室筛选得到的吉氏库特菌Kurthia gibsonii SC0312为生物催化剂,不对称拆分外消旋PED以制备对映体纯的(S)-PED,首先考察了不同介质中该催化反应的特性,揭示了不同反应介质对细胞活力、细胞膜完整性及通透性的影响,然后在含深度共熔溶剂(Deep eutectic solvents,DESs)的反应体系中引入固定化技术,有效提高生物催化剂的稳定性和重复利用率,从而建立高效、高选择性制备对映体纯的(S)-PED的生物催化体系。本研究采用相转移的策略,探讨了9种有机溶剂(叔戊醇、正己醇、2-甲基四氢呋喃、邻苯二甲酸二丁酯、碳酸二甲酯、乙酸丁酯、异辛烷、正癸烷、双戊烯)对Kurthia gibsonii SC0312细胞催化PED不对称氧化反应的影响。研究表明,在邻苯二甲酸二丁酯/缓冲液双相体系中,微生物细胞能保持最高的催化活性,初速度、产率和(S)-PED e.e.值分别达到2.35 mmol/L/h,48.2%,>99.9%。同时,对细胞有毒害作用的物质-HAP(氧化产物)在邻苯二甲酸二丁酯/缓冲液体系中的分配系数较高(6.37),通过有机溶剂的萃取作用能有效缓解产物抑制,提高反应的底物浓度和细胞活性。进一步考察有机溶剂对微生物细胞的影响机理发现,邻苯二甲酸二丁酯不仅具有良好的生物相容性,而且还会影响细胞膜的完整性和通透性。在两相体积比(Vor/Vaq)为5:5,缓冲液pH为6.5,反应温度为35oС,转速为180 r/min,细胞浓度为25 mg/mL,底物浓度为90 mmol/L的条件下,该反应的初速度、产率、(S)-PED e.e.值分别达到了3.90 mmol/L/h,48.4%,99.0%,底物对映体选择率E值在40以上。游离细胞催化时生物催化剂的重复利用率低,稳定性不高,限制了其进一步发展。因此,对比研究了海藻酸钙包埋、海藻酸钙-明胶包埋、海藻酸钙包埋-聚多巴胺覆膜、海藻酸钙包埋-壳聚糖覆膜这4种固定化细胞的方法。研究发现,海藻酸钙包埋-聚多巴胺覆膜的方法可以保持细胞较好的稳定性和催化活性。重复使用8批次之后,反应的产率和(S)-PED e.e.值仍可达到48.9%、88.1%,且固定化结构保持完好。在海藻酸钠含量为2%,钙化时间为2 h,盐酸多巴胺浓度为2 mg/mL,覆膜时间为4 h的固定化条件下,细胞的pH稳定性、温度稳定性、操作稳定性均得到了显著提高。为进一步提高反应的催化效率,本研究考察了ILs(C4MIM·BF4、C4MIM·NO3、C4MIM·Br、C4MIM·H2PO4)和DESs-[ChCl][U]对固定化Kurthia gibsonii SC0312细胞催化外消旋PED不对称氧化反应的影响。研究表明,该反应在含[ChCl][U]的体系中具有最高的初速度(4.90 mmol/L/h)、产率(49.3%)和(S)-PED e.e.值(>99.9%),且含[ChCl][U]体系较缓冲液体系能有效改善细胞膜的完整性和通透性,对Kurthia gibsonii SC0312细胞表现出良好的生物相容性。在[ChCl][U]含量为4%(v/v),缓冲液pH为7.5,反应温度为35oС,转速为180 r/min,底物浓度为100 mmol/L的条件下,初速度最佳可达到8.25mmol/L/h,产率(49.6%)和(S)-PED e.e.值(>99.9%)也保持良好。并且,当细胞浓度提高到60 mg/mL时,反应时间由24 h缩至7 h,表明在高浓度底物条件下,细胞浓度的提高能显著加快反应速率,缩短反应进程。本研究巩固和丰富了生物催化手性芳香醇高效转化的理论基础,为高效、高选择性拆分手性芳香醇提供了一种有效的新途径。
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