全 文 ：有机介质中脂肪酶催化转酯化反应拆分
苯乙氰醇的研究
熊 健，季 峥，吴坚平，徐 刚，杨立荣!
（浙江大学 材料与化工学院生物工程研究所，杭州 !"##$%）
摘 要：研究了有机相中脂肪酶催化苯乙氰醇的转酯化反应，拆分苯乙氰醇。考察了酶、溶剂、溶剂水含量、外加苯
甲醛和苯甲酸以及底物浓度等因素对反应的影响，结果表明 &’(##) 号脂肪酶催化活性最高，经实验确定的最佳反
应条件为：乙酸乙烯酯为反应物兼溶剂，利用分子筛去除溶剂中微量水分，*# +，$## , - ./0，酶量为 "# .1 - .2 时的
最佳底物浓度为 $## ..34 - 2，在上述条件下反应 $# 5底物转化率为 6#7，! 8 ! 8 值大于 997，能将苯乙氰醇有效拆
分。外加苯甲醛和苯甲酸不利于反应的进行。
关键词：苯乙氰醇；脂肪酶；转酯化；有机介质
中图分类号：:;#!! 文献标识码：< 文章编号："=%$ > !=%)（$##6）#! > ##!! > #6
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光学活性氰醇以及由其转化而成的!G羟基酸
（酯）、!G羟基醛（酮）、!G氨基酸、"G胺基醇和邻二醇衍
生物等是具有重大应用价值的手性中间体，在手性
药物、手性农药等领域有着广阔的开发和应用前
景［"］。其中苯乙氰醇是一种极为重要的精细化工中
间体，可以生成胺类化合物、羟基化合物、羧基化合
物等数十种重要的精细化学品，被称为万能手性中
间体。据报道，全世界苯乙氰醇系列衍生产品有
! ### _ * ###种的潜在市场，而且多为高附加值、高
技术含量、颇具发展潜力的产品，备受关注。
获得光学活性苯乙氰醇的途径主要是非对称合
成和消旋体拆分，早期的研究主要集中在化学合成
! 收稿日期：$##6G#)G#$
基金项目：国家 9%! 计划（BA8$##!QN%"=##)）、国家十五攻关计划（B38$##*N学基金重点项目（B38$#!!=#"#）
作者简介：熊 健（"9%)G），男，河北唐山人，博士研究生，研究方向：生物催化转化。
联系人：杨立荣，教授，研究方向：生物催化与生物转化，酶工程。PG.D/4：4,WD01‘ YUL 8 ETL 8 O0
第 ! 卷第 ! 期
$##6 年 ) 月
生 物 加 工 过 程
Q5/0EJE ’3L,0D4 3M N/3H,3OEJJ P01/0EE,/01
万方数据
和拆分，近年来生物制备法逐渐受到重视，并显示出
了极大的优越性，特别是有机相酶催化的应用使苯
乙氰醇酶法合成与拆分更具有实用性。目前国内在
酶法制备苯乙氰醇的研究中主要是采用醇腈酶
（!"#$%&’%()*+）进行氰化氢同苯甲醛的不对称合
成［,，-］，张健等人［.］利用脂肪酶对苯乙氰醇乙酸酯
在有机相中进行了醇解拆分制备（ !）/苯乙氰醇，而
利用脂肪酶对苯乙氰醇进行转酯化拆分的研究迄今
未见报道。利用脂肪酶对外消旋苯乙氰醇进行转酯
化拆分的原理见图 0。本文通过筛选酶和溶剂确立
的了反应体系，并考察水含量、底物浓度等反应条件
对脂肪酶催化转酯化反应拆分苯乙氰醇的影响，确
立了最佳的反应条件。
图 0 脂肪酶催化转酯化反应拆分苯乙氰醇示意图
1%2 30 45+ *6+&75 8)9 :; ’+*:(<&%:$ :; &’)$*+*&+’%;%7)%:$ :; 8)$=+/
(:$%&’%(+ 7)&)(#>+= ?# (%9)*+
! 材料与方法
0 30 试剂
外消旋苯乙氰醇为实验室自制；实验用到的各
种脂肪酶的来源见表 0。正己烷、乙醇、0，,/二氯乙
烷均为色谱纯，购自于 4+=%) @:89)$#，A$7 3 BCD；其他
试剂均为市售化学纯或分析纯。.E 型分子筛，0FG
H烘干备用；乙酸乙烯酯加 .E 型分子筛除水、备
用。
表 0 实验用到的各种脂肪酶的来源
4)?(+ 0 45+ *:<’7+ :; =%;;+’+$& (%9)*+* %$ +"9+’%8+$&
编号 脂肪酶来源
IJBG,0 "#$%&’() *++#$%()
IJBG,, ,*-.$.* /$’&/01$2*
IJBG,- 3$’&’+$45 KG4
IJBG,. 6(2&+ 7*8*-$2()
IJBG,K "#$%&’() 4$5#5$
IJBG,F 实验室自制
IJBGGF 9/2*/$:5-5) *93
0 3, 反应条件
反应在 0G 8L 具塞三角瓶中进行，苯乙氰醇浓
度为 0GG 88:( M L，乙酸乙烯酯为反应物兼溶剂，脂肪
酶 0G 82 M 8L，添加 , 粒分子筛，摇床温度 .G H，转速
,GG ’ M 8%$，每隔一定时间取样检测。如无特殊说明，
反应条件均如上所述。
0 3- 检测方法
苯乙氰醇、苯甲醛、苯甲酸及苯乙氰醇乙酸酯含
量均采用 NOL@ 法进行检测，仪器：NO CPQAPC 00GG
NOL@；手性柱：CBRA@NAQDL !D/..GG；检测波长：
,K. $8；流动相：;（正己烷）S ;（0，, <二氯乙烷）S ;
（乙醇）T FU S 0G S -；流速：0 8L M 8%$；进样量：K!L。
" 结果与讨论
, 30 酶的筛选
虽然各种脂肪酶几乎都能催化水解、酯化、胺化
和转酯化等反应，但是各种酶的活性和选择性都是
不一样的：来源不同的酶催化性能都是不一样的；即
使是来源相同的脂肪酶，固定化与非固定化的酶，经
过处理的和没有经过处理的，其各项性能也是不一
样的；同时，各种不同的脂肪酶在各种不同的环境
下，其催化活性和光学选择性在各种不同的溶剂中
性质也大不相同。因此，选择催化活力高、对映体选
择性好的酶对反应的进行是非常重要的。在实验过
程中，分别对实验室现有 U 种脂肪酶进行筛选，反应
时间为底物转化率 KGV左右时的时间，结果如图 ,
所示。
图 , 不同来源脂肪酶催化苯乙氰醇的转酯化反应
1%2 3, 4’)$*+*&+’%;%7)&%:$ :; 8)$=+(:$%&’%(+ 7)&)(#>+= ?# (%9)*+* :;
=%;;+’+$& *:<’7+
从图 , 中可以看出，IJBG,. 号酶反应时间较
长；IJBG,0 反应时间短，但是对映体选择性较差；在
相同条件下，IJBGGF 号酶反应时间适中，并且具有
良好的对映体选择性，因此选择 IJBGGF 号酶为实验
·-.· 生物加工过程 第 - 卷第 - 期
万方数据
用酶。
! "! 溶剂的选择
有机溶剂一方面对酶的催化活性和稳定性的影
响很大，溶剂可能会夺取酶的维持活性构象的水使
酶失活，或者通过影响底物与产物的分配而控制酶
的活性，或者可能还会与酶相互作用从而导致酶催
化活性的丧失［#］；另一方面在有机溶剂中酶的底物
选择性、对映体选择性、前手性选择性、区域选择性、
基团选择性等在很大程度上取决于有机溶剂的性
质［$］，在不同的溶剂中酶的选择性可能差别很大。
基于上述认识，考察了不同溶剂对转酯化反应的影
响，苯乙氰醇浓度为 %&& ’’() * +，!（苯乙氰醇）, !
（乙酸乙烯酯）- % , %&（乙酸乙烯酯做溶剂除外），结
果如表 ! 所示。
表 ! 不同溶剂对苯乙氰醇转酯化反应的影响
./0)1 ! 233145 (3 6()71856 (8 591 ):;/61<4/5/)=>1? 5@/861651@:3:4/5:(8
(3 ’/8?1)(8:5@:)1
编号 溶剂 英文名 )A" 转化率 * B
% 乙酸乙烯酯 C:8=) /415/51 D ## "#%
! 二氯乙烷 E:49)(@(159/81 F "$ % "GG
F 甲苯 .()H181 ! "# $ "F$
G 异丙醚 I6(
$ 乙醇 259/8() <& "F! %K "G#
从表 ! 中可以看出，以乙酸乙烯酯为溶剂的反
应速度很快，明显高于其它溶剂，反应 $ 9 转化率为
## "#%B，而其它几种溶剂与之相比相差很大，最高
也仅为 %K "G#B。此外，结果也显示随着 )A" 值的降
低，转化率逐渐升高，这与 +//81 等人的研究结果相
反，说明溶剂极性仅是影响酶反应的一个因素而不
是全部，具体的原因需要进一步考察。通过上述实
验可以确认乙酸乙烯酯既为反应物又为反应溶剂。
! "F 溶剂含水量对反应的影响
在有机相酶反应中水含量、水摩尔浓度、水活度
都被用来作为描述水对酶催化行为的影响参数，用
水活度来描述被认为更为合适，并可通过盐 *盐水合
物来控制水活度，但在实际应用中水活度的测定和
控制还是比较困难，直接向溶剂中加水来考察水对
反应的影响则比较简单方便［O］。我们通过直接向脱
水溶剂中加入不同量的水来考察水对反应的影响，
实验结果如图 F 所示。
由图 F 可看出，各种情况下的产物 # $ # $值均保
持在 KKB左右，说明溶剂的含水量对反应的对映体
选择性影响不大。加入分子筛时，反应的底物转化
率及产物得率最大，且随着溶剂中含水量的增加，底
物的转化率及产物得率均逐渐减小。这表明溶剂中
的含水量过大时，水分子直接或间接地通过氢键、疏
水键、范德华力等影响酶分子具有催化活性的构象，
参与酶失活的大部分反应，从而加剧酶的失活，影响
该反应中的酶催化活性，但基本不影响其选择性。
由此确定该反应中需加入分子筛以吸收溶剂中微量
的水。
—!—4(871@6:(8（B）；—"— # $ # $ %（B）；—#— # $ # $ &（B）
图 F #&& ’+溶剂加水量对苯乙氰醇转酯化反应的影响
N:A "F 2331456 (3 /??:5:(8 (3 P/51@ 5( 591 6(57185 (8 591 ):;/61<4/5<
/)=>1? 5@/861651@:3:4/5:(8 (3 ’/8?1)(8:5@:)1
! "G 外加苯甲醛对反应的影响
在苯乙氰醇转酯化反应过程中，一个重要的副
反应就是苯乙氰醇的分解反应，苯乙氰醇在碱性条
件下、水存在条件下或高温条件下极易分解为苯甲
醛和氰化氢。在实验过程中，在反应体系中分别添
加 &、 O$ "LK、 %OF "%%、 GL$ "OK、 KKL "%% 和
! G%O "G# ’’() * +的苯甲醛，反应 # 9，考察苯甲醛对
转酯化反应的影响，图 G 给出了不同浓度外加苯甲
醛对转酯化反应初速度的影响。
图 G 不同浓度苯甲醛对苯乙氰醇转酯化反应的影响
N:A "G 2331456 (3 591 4(84185@/5:(8 (3 018>/)?19=?1 (8 591 ):;/61<
4/5/)=>1? 5@/861651@:3:4/5:(8 (3 ’/8?1)(8:5@:)1
从图 G 中可以看出，当外加苯甲醛的量较少（ Q
!&&# 年 L 月 熊 健等：有机介质中脂肪酶催化转酯化反应拆分苯乙氰醇的研究 ·F#·
万方数据
!! ""#$ % &）时，添加苯甲醛有助于转酯化反应的进
行，可能的原因是少量的苯甲醛可以抑制苯乙氰醇
的分解反应，有利于反应向转酯化方向进行。当继
续添加苯甲醛，发现随着苯甲醛的加入，反应的初始
反应速率大幅下降，这是因为大量的醛可以使脂肪
酶中毒，不利于反应的进行，这与张健等人［’］的研究
结果一致。
( )* 外加苯甲酸对反应的影响
在反应过程中苯乙氰醇很容易分解成为苯甲
醛，而苯甲醛又极易被氧化为苯甲酸，因此，在反应
体系中我们又分别添加了 +、,!- ),,、’./ )!0、00. ),,
和 ( ’,! )’* ""#$ % &的苯甲酸，反应 * 1，进一步考察
外加苯甲酸对反应的影响，结果见图 *。从图 * 中
可以看出，苯甲酸的加入对反应的初速度影响加大，
随着苯甲酸加入量的增加，反应初速度降低很快，这
是因为脂肪酶的最适 23 为中性，而酸的加入改变
了酶的最适 23，使得其催化活力降低，影响了反应
的进行。
图 * 不同浓度苯甲酸对苯乙氰醇转酯化反应的影响
456 )* 7889:;< #8 ;19 :#=:9=;>?;5#= #8 @9=A#5: ?:5B #= ;19 $52?<9C
:?;?$DA9B ;>?=<9<;9>585:?;5#= #8 "?=B9$#=5;>5$9
( )/ 底物浓度对反应的影响
底物浓度高可以减少溶剂用量、减小反应器尺
寸、节约成本、提高单位时间的产率，但也可能会对
酶反应产生抑制作用。固定其他反应条件，考察了
底物浓度变化对反应的影响，结果见图 /，可以看出
在低浓度时随着苯乙氰醇浓度的增加，反应初速度
增加；在实验考察的浓度中，反应初速度在底物浓度
为 (++ ""#$ % &时最高，继续增加底物浓度，反应初
速度逐渐下降，这说明底物对反应产生了抑制作用，
因此，在上述条件下进行反应，底物浓度应控制在
(++ ""#$ % &较为适宜。
图 / 底物浓度对苯乙氰醇转酯化反应的影响
456 )/ 7889:;< #8 :#=:9=;>?;5#= #8
;>?=<9<;9>585:?;5#= #8 "?=B9$#=5;>5$9
( )! 反应过程曲线
在上述研究的最优条件下，测得的 (++ ""#$ % &
的苯乙氰醇转酯化反应过程曲线如图 ! 所示。
—!—:#=F9><5#=（G）；—"— ! " ! " #（G）；—#— ! " ! " $（G）
图 ! 转酯化反应过程曲线
456 )! H5"9 :#E><9 #8 ;>?=<9<;9>585:?;5#= :?;?$DA9B @D $52?<9
从图 ! 中可以看出，在前 / 1 内，转化率基本保
持线性，随着时间的增加，转化率的变化减小，当反
应 (+ 1 时，转化率为 *+G，此时底物和产物的 ! ) ! )
值均为 00G，实现了苯乙氰醇的良好拆分。
! 结论
在实验考察范围内，IJK++. 号酶比其他的脂肪
酶具有较高的活力，并确定乙酸乙烯酯为反应产物
及溶剂的无溶剂体系为最终反应体系；当酶用量为
,+ "6 % "&时，摇床温度 ’+ L，转速 (++ > % "5= 时，底
物浓度选择 (++ ""#$ % &较为适宜；溶剂的含水量对
反应影响较大，用分子筛除去溶剂中微量的水有利
于反应的进行；外加大量的苯甲醛和苯甲酸不利于
苯乙氰醇的转酯化反应。在优化反应条件下，反应
(+ 1 其转化率为 *+G，! " ! "值为 00G，结果表明利
·-/· 生物加工过程 第 - 卷第 - 期
万方数据
用 !"#$$% 号酶进行苯乙氰醇的转酯化拆分是一种
理想的方法。
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（上接第 F% 页）
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