● 摘要
环氧化物是重要的化工原料和有机合成中间体，高级烯烃的环氧化物可以作为精细化工中间体，如环氧环己烷、环氧辛烷、降冰片烯以及萜烯的环氧化物等，被广泛应用于石油化工、精细化工、高分子材料、制药以及电子工业等众多领域。氯过氧化物酶（CPO）是从海洋真菌 Caldariomyces fumago 中分离出来的一种血红素糖蛋白酶（42kDa）。与 Heme-imidazole 血红素过氧化物酶不同，CPO 属于 Heme-thiolate 类型的过氧化物酶， 它兼具细胞色素 P450 的单加氧酶活性和过氧化物酶活性，并且具有广泛的底物适应性，目前被认为是过氧化物酶家族中应用最广泛的酶，可催化烯烃环氧化、羟基化、磺化氧化、过氧化以及去卤化等多种类型的反应。在 CPO 众多的催化活性中，以 H2O2 为氧源催化烯烃环氧化是其最强大的催化功能，尤其引人瞩目的是其具有手性识别功能，可立体定向化地催化合成环氧化合物。因此，本文选择这种具有立体专一选择性的酶 CPO 为催化剂，考察了三种高级烯烃的环氧化反应，研究了底物结构、缓冲溶液 pH、H2O2浓度以及溶剂效应等因素对 CPO 酶促烯烃环氧化反应的影响。主要研究结果如下： (1) 降冰片烯、降冰片二烯以及莰烯三种环烯烃的环氧化反应中，降冰片烯最容易发生环氧化反应，反应时间为 3h 时，降冰片烯的转化率可达 100%，目标产物 2,3-环氧蒎烷产率可达到 86.46%； 降冰片二烯反应 6h 以后底物的转化率为 97%，只有一种目标环氧化物（选择性 100%），但莰烯无环氧化物生成。 (2) 水溶液中 CPO 催化 H2O2氧化降冰片烯、 降冰片二烯反应的产率并不理想，以降冰片烯为例，反应条件优化以后产物的产率仍然只达到 45.07%，这主要是由于底物是疏水性的，而 CPO 是亲水性的，底物和 CPO 不能有效地接触，导致产物的产率不高。本文通过引入少量有机溶剂、咪唑类离子液体与季铵盐来提高底物的转化率与目标产物的产率。结果显示，引入[EMIM][Br]浓度为 1.33% (VILs/VBuffer) 时，2,3-环氧蒎烷的产率提高到 86.46%，效果最好。 (3) 烯烃结构对 CPO 酶促环氧化有显著影响。降冰片烯与降冰片二烯的环氧化物是对称性的，降冰片烯比降冰片二烯更容易发生环氧化反应。莰烯在 CPO 催化体系中不发生氧化反应。 CPO 晶体结构表明， 催化环氧化反应中底物在进入 CPO 活性中心的时候需要经过一个疏水性通道，该通道对于底物的尺寸有限制，莰烯的分子中有十个碳原子，分子结构太大无法进入 CPO 的底物通道，因此未发生环 II 氧化反应。 (4) 本文还进一步将 CPO 酶促烯烃环氧化应用于手性药物的合成。磷霉素 [(-)-(1R, 2S)-1,2-epoxypropylphosphonic acid, fosfomycin]是迄今为止发现的结构最简单的抗生素。它有自己非常独特的结构，一个环氧键和一个 P-C 键。目前工业上生产磷霉素的方法主要是化学合成法，直接前体物质是顺丙烯磷酸。本文中使用顺丙烯基磷酸为环氧化反应的底物，设计了两种方案对其进行环氧化反应，一步法合成磷霉素，反应 3.5h 时，底物转化率达到 80.6%，产率达到 52.11%，本文建立了一条合成磷霉素的简单高效、环境友好的绿色途径。