含新型离子液体介质中微生物细胞催化烯烃不对称环氧化反应的研究

Novel biocompatible and biodegradatble ionic liquids (ILs) with low viscosity and the ability of increasing the membrane permeability moderately can be designed rationally and synthesized in the project. The biocatalytic asymmetric epoxidations of alkenes catalyzed by Rhodococcus rhodochrous B-276-LWY cells in various reaction media (aqueous system and various IL-containing systems) will be carried out to elucidate the law of ILs' effects on the initial reaction rate, enantioselectivity and yield of the reaction, and the stability of the cells, thus summarizing the correlation between the cation/anion components, physicochemical properties of ILs and the catalytic performance of the microbial cell. The mechanism of ILs' effect on the asymmetric epoxidation of alkene with Rhodococcus rhodochrous B-276-LWY cell can be revealed by combining the above-mentioned results with the following investigations on the physiological and biochemical characteristics of the cells in different IL-containing systems and the distribution of various substances in the reaction systems, as well as the effect of ILs on the catalytic performance of alkene monooxygenase responsible for this epoxidation reaction, the cofactor regeneration and the molecular structures of the related enzymes in the cells. The influences of several key factors on the biocatalytic process will be explored systematically. A highly efficient and selective biocatalytic approach for the synthesis of enantiopure chiral epoxides can be well established, from which self-owned intellectual property right will be obtained. Additionally, the established biocatalytic route will be used for the synthesis of several important chiral epoxides.

理性设计并合成低粘度、生物相容、生物可降解、能适度改善细胞膜通透性的新型离子液体，通过对比研究不同介质（水相、含不同新型离子液体介质）中Rhodococcus rhodochrous B-276-LWY细胞催化烯烃不对称环氧化合成手性环氧化合物的反应特性，阐明离子液体对该反应速度、对映体选择性、产率及细胞稳定性的影响规律，总结离子液体的组成及性质与细胞催化特性的关系；结合不同介质中细胞的生理生化特性、各物质在反应体系中的分配规律、不同离子液体对细胞内参与该反应的烯烃单加氧酶催化特性及其蛋白组分结构、辅酶再生的影响之研究，揭示离子液体对Rhodococcus rhodochrous B-276-LWY细胞催化该反应的影响机理；系统考察各主要因素对该反应的影响规律，建立可望取得自主知识产权、可广泛用于高效、高选择性合成对手性环氧化合物的生物催化反应体系，合成几种具有重要作用的手性环氧化合物。

本研究理性设计并合成了一系列粘度低，生物相容性好，能改善细胞膜通透性的新型离子液体。深入探讨了不同介质中醋酸杆菌等微生物及其他生物酶在不同介质中的不对称催化合成反应，通过对比研究不同介质中生物催化不对称合成反应的过程特性，阐明ILs对生物催化手性化合物不对称合成反应的初速度、对映体选择性、产率及细胞或酶的稳定性的影响规律，总结ILs组成、理化性质对微生物细胞的生理生化特性、各相关物质在反应体系中的分配规律，ILs对细胞内参与反应的羰基还原酶催化特性、辅酶再生以及相关酶分子结构影响的研究，并建立可用于高效、高选择性合成手性醇的生物催化反应体系。另外，本项目理性设计了MOFs材料，并通过不同方法对酶进行固定化，深入研究了酶-载体相互作用，丰富了酶的固定化技术，并在含DESs体系中将固定化酶应用于催化环氧化物的不对称水解制备手性醇及高效催化环辛烯环氧化反应的研究中。本项目在研究内容、研究成果等方面均超额完成了任务。以上研究工作已发表一系列高水平论文25篇，主要刊物为ACS Sustain. Chem. Eng.，J Agr. Food Chem. ChemCatChem等。申请中国发明专利20项，获授权中国专利5项。该研究为新型离子液体应用于微生物细胞催化奠定了一定的理论基础，且具有较好的应用潜力。