Ферментативные и металлокомплексные катализаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ферментативные и металлокомплексные катализаторы

Ферментативные катализаторы. Вклад в их стоимость процессов выделения и очистки (90%). Иммобилизация ферментов (ковалентная, адсорбционная, в геле). Гетерогенизация металлокомплексных катализаторов.

Ферменты и комплексы переходных металлов - молекулярные катализаторы. Они значительно более активны и селективны, чем обычные гетерогенные катализаторы

Ферментативные катализаторы

Ферменты являются катализаторами не только в живых системах, но в процессах, проводимых вне живого организма. Для этого ферменты выделяют (например «пероксидаза из хрена»), очищают. Затраты на выделение и очистку ферментов составляют 90% стоимости получаемых с их помощью продуктов. Можно использовать ферменты в свободном состоянии. Но тогда сохраняются недостатки гомогенного катализа, а именно - разделение продуктов и катализатора. Поэтому понятно стремление использовать такие катализаторы, но предварительно придав им технологические свойства гетерогенных катализаторов, позволяющие осуществлять процессы в непрерывном режиме, т.е. закрепить (иммобилизовать) их на поверхности инертного носителя.

Существуют два принципиально различных метода иммобилизации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы иммобилизации) и с образованием ковалентной связи между ними (химические методы иммобилизации). Каждый из этих методов осуществляется разными способами (рис. 1).

Рис.1. Методы иммобилизации ферментов

Физические методы иммобилизации ферментов реализуются посредством адсорбции фермента на инертном твердом носителе или путем включения его в поры пространственно сшитого геля, в полупроницаемые структуры и пр.

При адсорбционной иммобилизации белковая молекула удерживается на поверхности носителя за счет электростатических, гидрофобных, дисперсионных взаимодействий и водородных связей. В литературе описано получение адсорбционным способом более 70 иммобилизованных ферментов с использованием главным образом таких носителей, как кремнезем, активированный уголь, графитовая сажа, различные глины, пористое стекло, полисахариды, синтетические полимеры, оксиды алюминия, титана и других металлов. фермент гетерогенизация катализатор фталоцианин

Последние применяются наиболее часто. Эффективность адсорбции молекулы белка на носителе определяется удельной поверхностью (плотностью центров сорбции) и пористостью носителя. Процесс адсорбции ферментов на нерастворимых носителях отличается крайней простотой и достигается методом пропитки носителя раствором фермента. Активность фермента при таком варианте иммобилизации сохраняется практически на 100 %, а удельная концентрация белка может достигать 64 мг на 1 г носителя.

Иммобилизацию ферментов в геле осуществляют двумя способами. В первом случае фермент вводят в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате которой возникает пространственная структура полимерного геля с включенными в его ячейки молекулами фермента. Во втором случае фермент вносят в раствор уже готового полимера, который впоследствии переводят в гелеобразное состояние. Для первого варианта используют гели полиакриламида, поливинилового спирта, поливинил-пирролидона, силикагеля, для второго - гели крахмала, агар-агара, каррагинана, агарозы, фосфата кальция.

Иммобилизация ферментов в гелях обеспечивает равномерное распределение энзима в объеме носителя. Большинство гелевых матриц обладает высокой механической, химической, тепловой и биологической стойкостью и обеспечивает возможность многократного использования фермента, включенного в его структуру. Однако метод непригоден для иммобилизации ферментов, действующих на водонерастворимые субстраты.

Сущность этого способа иммобилизации заключается в отделении водного раствора фермента от водного раствора субстрата с помощью полупроницаемой мембраны, пропускающей низкомолекулярные молекулы субстратов и кофакторов, но задерживающей большие молекулы фермента.

Химические методы иммобилизации ферментов за счет образования новых ковалентных связей между ферментом и носителем ? наиболее массовый способ получения промышленных биокатализаторов. В отличие от физических методов этот способ иммобилизации обеспечивает прочную и необратимую связь фермента с носителем и часто сопровождается стабилизацией молекулы энзима. Пример ковалентной иммобилизации - прививка к силикагелю через аминогруппу фермента:

Однако расположение фермента относительно носителя на расстоянии одной ковалентной связи создает стерические трудности в осуществлении каталитического процесса. Фермент отделяют от носителя с помощью вставки (сшивка, спейсер), в роли которой чаще всего выступают бифункциональные и полифункциональные агенты (бромциан, гидразин, сульфурилхлорид, глутаровый диальдегид и др.).

В этом случае структура иммобилизованного фермента включает носитель, спейсер и фермент, соединенные между собой ковалентными связями (рис. 2).

Рис. 2. Схема ковалентной иммобилизации фермента.

Принципиально важно, чтобы в иммобилизации фермента участвовали функциональные группы, несущественные для его каталитической функции.

Металлокомплексные катализаторы

Гетерогенизация металлокомплексных катализаторов (МКК) основана на тех же принципах, что и ферментов, и осуществляется такими же физико-химическими способами. Однако гетерогенные МКК менее изучены, чем ферменты, и использование их не вышло за рамки научных лабораторий.

Обычно МКК закрепляют на органических (например, полистирол) или неорганических полимерах. В качестве неорганических носителей берут силикагель или молекулярные сита.

Сначала на поверхности носителя создают функциональные группировки, которые могут быть использованы для прививки линкеров, с которым в дальнейшем связывается лиганд переходного металла в МКК. Для этого используют силилирование поверхности, например, г-амино-пропилтриэтоксисиланом, который, взаимодействуя с ОН группой силикагеля образует прочную Si?O?Si связь. Кроме того, у него есть С3-«ножка», которая уменьшает влияние носителя на активный центр МКК. Затем к к функциональной группе ножки (?NH2) прививают металлокомплекс (рис.3).

Рис. 3. Гетерогенизация трифенилфосфинового комплекса рутения на силикагеле

При гетерогенизации МКК на цеолитах используют их особенности как молекулярных сит. Цеолиты Y имеют в своей структуре сферические полости (1,2 нм), которые соединены «окнами» диаметром 0,82 нм. Через эти окна в полости могут попасть только небольшие молекулы. Это и было использовано в 70-х годах ХХ в. при закреплении в цеолитах молекул фталоцианина никеля (рис.4)

Рис. 4. Молекула фталоцианина никеля

Молекулы фталоцианина никеля были синтезированы цеолите из малых молекул прекурсоров, специально введенных в полости материала (система “ship-in-bottle”). Схема синтеза представлена на рис.5.

Рис 5. Схема синтеза фталоцианина никеля в полостях цеолитов.

Крупные молекулы фталоцианина не могли покинуть эти полости. Благодаря молекулярной дисперсности включенные в цеолитные матрицы фталоцианиновые комплексы показали высокую каталитическую активность в окислении органических веществ, в частности, серосодержащих соединений (меркаптаны, тиофен).

Литература

1. О.В. Крылов. Гетерогенный катализ. М.: 2004. Академкнига, 2004.680 с.

2. И. Чоркендорф, Х. Наймантсведрайт. Современный катализ и химическая кинетика. Долгопрудный: ИД «Интеллект», 20 599 с.

3. В.М. Байрамов. Основы химической кинетики и катализа. М.: ACADEMA, 2003. Часть 2.

4. Г.Б. Бремер, К.-П. Вендландт. Введение в гетерогенный катализ. М.: Мир, 1981, 160 с.

5. К. Танабе. Катализаторы и каталитические процессы. М.: Мир, 1993, 172 с.

6. К. Танабе. Твердые кислоты и основания. М.: Мир, 1973 (гл. 1, 2, 4, 5).

7. Б.В. Романовский. Развитие теоретических представлений в гетерогенном катализе (1950-е годы). Вклад российских ученых // 1 сентября. 2005. № 7.

Размещено на Allbest.ru