Реферат: Химические реакции в микрогетерогенных системах

Активность ферментов в микроэмульсиях «вода в масле»

Роль воды, связанной с ферментами, в биокатализе до сих пор до конца не выяснена. Влияние воды на катализ определяется природой фермента. Например, некоторые липазы обладают высокой активностью и стабильностью в органических растворителях, содержащих следовые количества воды, в то время как другие липазы обнаруживают оптимальную активность лишь при достаточно большом соотношении вода/органический растворитель. Для большинства ферментов установлена колоколообразная зависимость активности от соотношения в реакционной смеси воды и поверхностно-активных веществ. Это молярное соотношение обычно обозначают какWo.Типичный пример такой зависимости приведен на рис. 10.

Рис. 10. Зависимость начальной скорости липолиза в микроэмульсиях «вода в масле» от соотношения воды и ПАВ

Как правило, максимальная активность наблюдается при значенииWo,при котором размер капельки оказывается немного больше включенного в нее фермента. В таких системах фермент обладает повышенной активностью по сравнению с активностью в водном растворе.

Аномальную активность фермента пытались объяснять конформационными изменениями солюбилизированного фермента, что не согласуется с результатами недавно проведенных спектроскопических исследований. Солюбилизация фермента в обращенных мицеллах обычно не приводит к существенным конформационным изменениям, что подтверждено методами флуоресцентной и фосфоресцентной спектроскопии. Проблема достаточно сложная, поскольку, например, по данным метода кругового дихроизма межфазная поверхность оказывает различное влияние на конформацию ферментов, даже относящихся к одному и тому же классу.

Выбор растворителя

Органический растворитель, используемый для микроэмульсионной композиции, должен быть неполярным. По-видимому, гидрофобность растворителя является ключевым фактором, определяющим активность фермента. Установлена хорошая корреляция между гидрофобностью органического растворителя, выраженной через IgP, и активностью фермента. Как правило, стабильность фермента и его активность оказываются плохими в относительно гидрофильных растворителях, для которых IgP < 2; умеренную активность и стабильность ферменты проявляют в растворителях, если значения IgP лежат в интервале от 2 до 4; ферменты остаются стабильными и проявляют высокую активность в гидрофобных растворителях при IgP > 4. Замена одного растворителя на другой, слабо отличающийся по свойствам, например циклогексана на нонан, может привести к резкому увеличению стабильности фермента. Рациональное объяснение этой классификации растворителей заключается в том, что в случае очень гидрофобного растворителя достигается эффективное разделение доменов воды и масла. Такие растворители не влияют на слой воды вокруг фермента, способствуя сохранению его активности. Это ограничивает круг пригодных органических растворителей алифатическими углеводородами с семью или более атомами углерода. В то же время для практических задач низшие углеводороды более предпочтительны, поскольку по завершении реакции они легко удаляются из системы испарением. Как компромисс в большинстве случаев в качестве масляной фазы для ферментативных реакций в микроэмульсиях используют гептан, октан и нонан.

Структура капель микроэмульсий, содержащих белки

Большинство ферментативных реакций в микроэмульсиях проведено в системах типа «вода в масле», в которых фермент заключен в доменах воды. Систему можно представить следующей картиной: капельки воды диспергированы в масле, причем некоторые капельки содержат молекулу фермента, а другие остаются пустыми. В одной капле может находиться только одна молекула фермента, которая полностью окружена водой. Некоторые результаты свидетельствуют о том, что капельки микроэмульсии с включенным ферментом крупнее пустых.

Эта модель «водной оболочки» предполагает, что молекула фермента находится внутри капельки воды, и поэтому она пригодна только для описания гидрофильных белков, не имеющих протяженных гидрофобных участков. Однако многие ферметы, прежде всего липазы, поверхностно-активны и взаимодействуют с межфазными границами масло-вода, выходя из объема капельки воды. Например, для липаз гидрофобная поверхность необходима для раскрытия активного центра. Таким образом, слой воды между активным центром фермента и протяженным углеводородным доменом, по-видимому, отсутствует.

Синтез сложных эфиров, катализируемый липазами

Синтез сложных эфиров монофункциональных спиртов, катализируемый липазами, с хорошими выходами протекает в микроэмульсиях. Липазы различной природы обладают разной специфичностью по отношению к длине алкильной цепи кислоты и к типу спирта. Такая селективность определяется локализацией молекулы фермента на межфазной поверхности масло-вода. Следовательно, за селективность ответственны не только специфичность белка в водном растворе, но и его гидрофильно-липофильный характер. Это объясняет различия в регио-селективности биоорганических и органических реакций, протекающих в гомогенных и микрогетерогенных средах. Этерификация жирных кислот простыми сахарами в микроэмульсиях «вода в масле» протекает с очень низкими выходами, по-видимому, из-за плохого контакта между фазами. Однако моноэфиры Сахаров с высокими выходами можно получать при этерификации под действием липаз в средах, не содержащих воды.

При широкомасштабном использовании биокатализа для производства гидрофобных сложных эфиров возникает ряд практических проблем. Удаление ПАВ из продукта реакции представляет значительные трудности, поскольку обычные методы очистки становятся ненадежными из-за эмульгирования и пенообразования, вызываемых поверхностно-активными веществами.

Интересным развитием применения микроэмульсий для синтеза оказалось использование в качестве реакционной среды гелей, основанных на микроэмульсиях. Их получают смешиванием обычных микроэмульсий типа «вода в масле» с водными растворами желатина при температурах выше температуры гелеобразования последнего. Затем смесь охлаждают в колонке и получают жесткий гель.

Спектроскопическими методами было установлено, что микроэмульсионная структура сохраняется в геле и его можно рассматривать как иммобилизованную микроэмульсию, содержащую фермент. Такой гель устойчив по отношению к углеводородным растворителям. При введении в верхнюю часть колонки с таким гелем углеводородного раствора кислоты и спирта, образующийся соответствующий сложный эфир можно выделить элюированием. Этот элегантный способ устраняет проблемы, связанные с выделением продукта и ПАВ из реакционной смеси.

Рис. 11. Получение содержащего фермент геля на основе микроэмульсии

Рис. 12. Гель, содержащий фермент, получают из микроэмульсии. Его можно использовать в колонках или просто в химической посуде

Такие гели, содержащие липазу, препаративно использовались для регио- и стереоселективного синтеза разных сложных эфиров в мягких условиях.

Реакции переэтерификации, катализируемые липазами

Процесс переэтерификации, катализируемый липазами, состоит в замещении одной ацильной группы в триглицериде на другую ацильную группу. Эту реакцию можно провести в микроэмульсиях с низким содержанием воды. Основное внимание исследователи уделяли производству необходимых органических веществ при переработке дешевого сырья, например пальмового масла, в смесь тригицери-дов, соответствующих по составу природному маслу какао. Реакция требует частичного замещения пальмитоильных групп на стеароильные в положении 1 при сохранении ацильных групп в положении 2. При проведении реакции в микроэмульсиях, содержащих липазу, достигалась высокая степень конверсии.

При исследовании возможности внедрения г-линоленовой кислоты в насышенные триглицериды тристеарин был переэтерифицирован ГЛК с использованием в качестве катализатора липазы. Реакции проводили при перемешивании при четырех различных составах, все они отвечают углеводородному углу тройной фазовой диаграммы, т. е. микроэмульсиям типа «вода в масле». Как видно из рис. 13, три образца соответствуют изотропной микроэмульси онной фазе L2, а четвертый образец — двухфазной системе. Реакция проводилась при перемешивании. Реакция в эмульсионной системе протекала не до конца в отличие от реакций в микроэмульсионных системах. Эта серия опытов наглядно показывает, насколько эффективнее проявляют себя системы с очень большой площадью раздела масло-вода по сравнению с эмульсиями.

Рис. 13. Переэтерификация тристеарина г-линоленовой кислотой в реакционных средах, слегка различающихся по составу. Приведены данные, показывающие, сколько процентов линоленовой кислоты внедряется в триглицерид после проведения реакции в течение 24 ч

Применение микроэмульсий для получения наноразмерных латексов

Полимеризация в обычных эмульсиях позволяет получать латексы с размером частиц от 0.1 до 0.5 мкм. По сравнению со свободнорадикальной полимеризацией, протекающей в гомогенной среде, при эмульсионной полимеризации с большими скоростями образуется полимер с высокой молекулярной массой, так как рост свободных радикалов происходит относительно изолированно. Низкая вязкость дисперсионной среды обеспечивает возможность надежно контролировать перенос тепла. Такие латексы находят широкое применение во многих областях промышленности: при производстве красок, клеев, адгезивов, в бумажной промышленности для покрытия бумаги, при производстве основы для ковров и т. д.

При проведении полимеризации в микроэмульсиях можно получить термодинамически устойчивые нанолатексы. Нанолатексы представляют особый интерес в тех случаях, когда важны малый размер частиц и высокая устойчивость дисперсий.