全 文 ：酶促拆分丁酸环氧丙酯反应体系的筛选
于大海，王 智，郑良玉，张桂荣，曹淑桂!
（吉林大学 分子酶学工程教育部重点实验室，长春 !"##$"）
摘 要：利用脂肪酶对外消旋丁酸环氧丙酯进行了立体选择性的酯水解反应，考察了水解反应体系对拆分反应的
影响。实验结果表明：在该水解反应中添加适量正己烷有利于拆分反应的进行；反应体系中正己烷与缓冲液的最
适体积比为 !%!；磷酸盐缓冲液（&’ ()*）的最适离子强度为 #)#" ++,-./。在最适反应条件下，当该酶促拆分反应的
转化率为 *#)*0，（1）2丁酸环氧丙酯的光学纯度可以达到 3")"0。
关键词：丁酸环氧丙酯；拆分；脂肪酶；水解反应
中图分类号：455 文献标识码：6 文章编号：!*($ 7 "*(8（$##9）#! 7 ##9# 7 #9
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单一手性的环氧丙醇及其衍生物在有机合成中
具有很大的应用潜力［!］，而制备手性纯的环氧丙醇
主要通过酶法拆分，其中常用的酶制剂为脂肪酶。
脂肪酶（又名三酰基甘油水解酶）具有较高的立体选
择性，可以催化多种类型的反应，常被用来进行手性
醇、胺、酸、酯等化合物的光学拆分。在前期研究工
作中，我们采用脂肪酶在非水介质中催化酯合成反
应拆分环氧丙醇，但是效果并不十分理想［$］。本文
拟利用脂肪酶的立体选择性对外消旋丁酸环氧丙酯
进行不对称酯水解反应来拆分制备单一手性环氧丙
醇（酶促拆分反应原理如图 !所示），主要考察了酶
促拆分反应体系对拆分效果的影响，为今后的研究
奠定了一定基础。
图 ! 利用脂肪酶催化酯水解反应拆分丁酸环氧丙酯
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! 收稿日期：$##"2!#2!9
基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号 $#$($#!(）
作者简介：于大海（!38#2），男，硕士研究生，从事手性化合物的拆分。
联系人：曹淑桂，D2+=?-：J=,X>HFH?_ ‘-H) NUH) SE)
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·9#·
生 物 加 工 过 程
J>?ENXN V,HIE=- ,Q a?,&I,SNXX DEF?ENNI?EF
第 $卷第 !期
$##9年 $月
万方数据
! 材料与方法
!"! 主要试剂及仪器
猪胰脂肪酶（##$）购于 %&’()公司，酶的活力为
*+,!(-./(&0·’；外消旋丁酸环氧丙酯的合成方法参
见文献［*］。其它试剂均为国产分析纯试剂。
1#$2（3)4567 公司产品）配有 2189:$ #:;<:=
手性柱（日本 =:82>$公司产品）。
?2品）配有氢离子火焰检测器，2<9E:记录仪。
!"F 实验方法
!"F"! 双液相反应体系中脂肪酶催化拆分外消旋
缩水甘油酯［@］
,",,+ (-. 外消旋丁酸环氧丙酯加入到 !, ($
磷酸缓冲液（G1为 H"E［@］）与正己烷组成的双液相反
应体系（体积比 ! I!）中，再加入猪胰脂肪酶酶粉，置
于 FH J的振荡水浴中反应。
!"F"F 反应产物浓度的检测及反应转化率的计算
取一定量的反应物进行气相色谱分析。根据产
物酯峰面积的增加计算反应转化率。气相色谱的操
作条件如下：KF为载气，流速为 E, ($/(&0；检测器
温度为 FL, J；进样器温度为 F,, J；程序升温条件
为 !!, J（! (&0）!!+ J/(&0!F!, J（F (&0）。
!"F"* 反应产物光学纯度的检测
取一定量的反应物直接进行液相色谱检测，通
过两个异构体在 2189:$ #:;<:=手性柱上不同保
留时间的洗脱峰面积，可以确定反应产物的光学纯
度（55）。液相色谱的操作条件如下：流动相为正己
烷<乙醇溶液（体积比 ! IL）；紫外检测器（F+@ 0(）；柱
温 F! J；流速 !",, ($/(&0；进样量 ,"F!$。
" 结果与讨论
F"! 水解反应体系中添加正己烷对拆分反应的影响
通过向反应体系中添加适量正己烷，可以调节
反应产物和底物在反应体系中的分配，从而促进酶
促拆分反应的顺利进行。
通过比较，发现当反应体系中只含有丁酸环氧
丙酯和缓冲液时，酶的催化活性似乎受到一定程度
的抑制，而当反应体系中存在一定量正己烷时，脂肪
酶的催化活性得到一定提高，主要表现为在相同的
反应时间内反应转化率始终略高于没有加入正己烷
的反应体系（图 F）。另外由图 * 可以发现，向反应
体系中加入正己烷可以一定程度提高产物酯的光学
纯度，而且当反应时间超过 @ M后，光学纯度没有出
现明显的下降趋势。产物酯光学纯度下降的原因很
可能是由于酶促水解反应产物丁酸的大量积累导致
酶分子的微环境受到破坏，引起酶的催化活性构象
发生较大的改变，从而直接降低了酶催化拆分反应
的立体选择性。而加入正己烷的反应体系则能溶解
部分丁酸，因此可以一定程度上缓解反应产物对酶
分子的抑制作用。
—"—)NN5N 0图 F 体系中添加正己烷对水解反应转化率的影响
R&’SF >TT5U4 -T 0—"—)NN5N 0图 * 体系中添加正己烷对反应残余底物光学纯度的影响
R&’S* >TT5U4 -T 0F"F 双液相反应体系中有机溶剂类型的影响
不同有机溶剂的理化性质很可能会影响到反应
F,,@年 F月 于大海等：酶促拆分丁酸环氧丙酯反应体系的筛选 ·@!·
万方数据
产物和底物在反应体系中的分配情况，因此选择合
适的有机溶剂不但可能提高酶的催化活性，而且可
以改善酶促拆分效果，因此研究不同的有机溶剂对
拆分反应的影响十分必要。
表 ! 体系中添加不同有机溶剂对酶促拆分反应的影响
"#$%& ! ’((&)* +( ,-((&.&/* +.0#/-) 1+%2&/* +/ &/345#*-) .&1+%6*-+/
7.0#/-) 1+%2&/* 8+/2&.1-+/9: &&9:
/;<&=#/& >?@> AB@B
C&/3&/& >!@D EF@!
G-)H%+.+5&*H#/& >B@F F>@B
!，D;G-)H%+.+&*H#/& IA@J IB@J
8H%+.+(+.5 >!@I >F@>
"+%6&/& >?@A EA@A
8#.$+/ *&*.#)H%+.+.-,& IE@J BJ@D
由表 !可以发现，当反应转化率基本一致的情
况下，酶促拆分反应产物酯的光学纯度出现了较大
的差异。实验结果表明正己烷作为向酶促反应体系
中添加的有机溶剂，对拆分反应有利。
D@B 缓冲液类型的影响
实验中发现酶促水解反应体系中缓冲液的类型
对酶的催化活性和立体选择性也造成了一定程度的
影响（表 D）。
表 D 不同种类的缓冲液对酶促拆分反应的影响
"#$%& D ’((&)* +( ,-((&.&/* $6((&. +/ &/345#*-) .&1+%6*-+/
"4K& +( $6((&. L&#)*-+/ *-5&9H 8+/2&.1-+/9: &&9:
M#*&. F IA@J IB@J
NH+1KH#*& $6((&. F >?@> AB@B
".-1;<8O $6((&. E >!@F JF@F
C+.#*& $6((&. B >!@I >E@A
实验结果（表 D）表明，".-1;盐酸缓冲液对酶的催
化活性似乎具有一定的抑制作用（反应转化率达到
>?:左右所需的反应时间为磷酸盐缓冲液的 D倍），
而硼酸盐缓冲液对猪胰脂肪酶则具有激活作用（表
现为在较短的反应时间内其转化率可以达到 >?:
左右）。另外由表 D还可以发现，不同类型的缓冲液
对酶分子的立体选择性也表现出较大的影响。
D@F 缓冲液离子强度的影响
由于酶分子溶解于缓冲液中，因此缓冲液的离
子强度和 K<将直接影响酶分子的活性构象，并且
最终将对酶催化反应的催化活性和立体选择性造成
明显影响。由于在文献［F］中已经讨论过缓冲液 K<
对该酶促拆分反应的影响，因此本文只探讨缓冲液
的离子强度对反应的影响。
—!—8+/2&.1-+/（:）；—"—&&（:）
图 F 体系中缓冲液离子强度对水解反应的影响
P-0QF ’((&)* +( -+/-) 1*.&/0*H +( $6((&. +/ *H& .&#)*-+/
实验结果表明，缓冲液的不同离子强度对酶分
子的催化活性和立体选择性都有一定的影响。实验
中发现随着离子强度的增加，在相同反应时间内反
应转化率不断增加，但是当缓冲液离子强度超过
?@?F 55+%9O后，反应转化率开始出现下降的趋势；
另外可以发现产物酯的光学纯度在缓冲液离子强度
为 ?@?B 55+%9O时达到最大，当超过该离子强度后，
急剧下降。
D@I 有机相与缓冲液比例的影响
由于双液相反应体系中缓冲液和有机溶剂的比
例将直接涉及到反应底物和产物在两液相反应体系
中的分配结果，因此双液相反应体系中二者的比例
不但影响反应产物对酶分子的产物抑制作用，而且
会直接影响反应体系中底物的分配。
表 B 体系中缓冲液的量对拆分反应的影响
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L#*-+
（C6((&.9/;<&=#/&）
L&#)*-+/ *-5&
9H
8+/2&.1-+/
9:
&&
9:
!RB F FI@A JA@I
!RD F IB@F EJ@>
!R! F >?@> AB@B
DR! F >I@A JE@A
BR! F IJ@A >B@J
从表 B可以发现，在相同的反应时间内，随着磷
酸盐缓冲液在反应体系中所占比例的相对增加，酶
·FD· 生物加工过程 第 D卷第 !期
万方数据
促酯水解反应的转化率有不断上升的趋势，但是当
二者比例超过 ! " #时，反应转化率则出现下降的趋
势；另外，实验结果表明产物酯的光学纯度在缓冲液
与正己烷在反应体系中的比例为 # "#时达到最大。
! 结 论
本文研究了反应体系的选择对酶促拆分反应的
影响。筛选得到最适酶促拆分反应体系为：在双液
相反应中添加适量正己烷有利于酶促拆分反应的进
行；反应体系中正己烷与缓冲液的体积比为 # " #；磷
酸缓冲液（$% &’(）的最适离子强度为 )’)* ++,-./。
在上述最适反应条件下，当该酶促拆分反应的转化
率为 ()’(0，（1）2丁酸环氧丙酯的光学纯度可以达
到 3*’*0。
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