综述:桥接生物催化与化学催化:增强化学酶级联反应的创新方法

【字体: 时间:2025年06月22日 来源:Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry 9.3

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  这篇综述系统探讨了生物催化(Biocatalysis)与化学催化(如光催化Photocatalysis、有机催化Organocatalysis、过渡金属催化Transition Metal Catalysis及电催化Electrocatalysis)的协同策略,通过整合两者的优势(如酶的高选择性、化学催化的广谱反应性),突破传统反应限制,实现高效、绿色的化学酶级联(Chemoenzymatic Cascades)转化。文章重点解析了兼容性挑战的解决方案及新兴交叉领域应用前景。

  

引言
生物催化凭借其卓越的立体选择性和温和反应条件(如水溶剂),已成为绿色化学的重要支柱。然而,酶对非天然底物的局限性促使研究者探索其与化学催化的协同效应。化学酶催化通过减少中间体分离步骤,显著提升反应效率并降低废弃物生成,同时解锁了单一催化无法实现的独特反应路径。

生物催化与光催化
光催化通过可见光驱动自由基反应,拓展了酶催化的边界。例如,光生物催化(Photobiocatalysis)实现了三组分自由基的不对称转化,将酶的作用范围从传统反应延伸至非天然底物的活化。

生物催化与有机催化
有机催化(如手性胺催化剂)与酶的联用,弥补了野生型酶对非天然底物的低耐受性。通过动态动力学拆分等策略,该体系成功应用于药物中间体的高效合成。

生物催化与过渡金属催化
过渡金属(如Pd、Ni)与酶的天然协同性在生物系统中广泛存在。工程化金属酶(Artificial Metalloenzymes)通过定向进化优化,实现了药物分子中C-C键的高效构筑,尤其在不对称氢化反应中表现突出。

生物催化与电化学
电催化利用清洁电能原位产氢,其温和条件与生物催化高度兼容。尽管CO2电还原的选择性仍是挑战,但酶-电极杂化系统为碳链延长提供了新思路。

结论
化学酶催化的核心挑战在于催化剂兼容性与成本控制。未来需开发模块化反应器、智能载体材料等工程化解决方案,以推动该技术向工业化迈进。巴西研究机构(如FAPESP、CNPq)的资金支持加速了这一交叉领域的创新突破。

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