木质素模型化合物在球磨机中的选择性酶促酯化

结合酶催化和机械化学的优点，开发了球磨机中脂肪酶催化的木质素模型化合物的酯化反应。在所述条件下，存在于底物中的伯脂族羟基被生物催化剂选择性地改性，得到单酯化产物。在测试的脂肪酶中，CALB被证明是这些转化最有效的生物催化剂。值得注意的是，在机械化学条件下耐受不同链长的各种酰基供体。

关键词： 球磨; 酶; 酯化; 木质素衍生化; 机械力

机械化学反应，特别是那些通过球磨进行的反应，最近引起了更广泛的科学界的关注，因为球磨机内部的优异混合可以提供许多优点[1]。除了避免或最小化有机溶剂作为反应介质的使用之外，球磨的化学转化通常比其基于溶液的对应物更快地发生。此外，已知机械化学反应以更高的产率提供产物，同时副产物的形成最少。除此之外，机械化学活化已导致发现其他难以接近的产品或材料[2,3]。

在有机化学中，氨基酸和短肽不仅在制备过程中在自动球磨条件下稳定[4]，而且在用作催化剂进行立体选择性转化时[5-7]。受这些事实的鼓舞，我们最近研究了球磨条件下酶的弹性。这些研究的结果表明，生物催化剂如半胱氨酸和丝氨酸蛋白酶可以耐受研磨条件，并在短的研磨时间后催化机械酶肽和酰胺键形成（方案1a）[8]。

类似地，固定化脂肪酶（三甘油酰基水解酶EC 3.1.1.3），例如来自固定在硅藻土上的洋葱伯克霍尔德氏菌的Amano脂肪酶PS-IM 和来自南极假丝酵母的脂肪酶B （在黑曲霉中表达）吸附在聚甲基丙烯酸酯珠粒上（约400μm-600μm）直径）[9]，证明在混合器和行星式球磨机中无溶剂条件下有效介导仲醇的酶促动力学拆分（方案1b）[10]。有趣的是，后一种脂肪酶（称为Novozyme 345的商业制剂，以下称为CALB）显示出最高的选择性，并且还可以通过离心再循环使用，并且在连续四个循环后几乎没有立体选择性损失[10]。

除了上述之外，机械化学的另一个优点包括克服涉及溶解性差的反应物的化学反应中的溶解度限制的可能性。机械化学的这一特征已被证明是基础，同时处理化学诱导的生物材料裂解，如木质素[11,12]，纤维素[13-15]或几丁质[16]。关于木质素化学，基于溶液的木质素解聚方法或木质纤维素材料的新应用[17]经常遇到溶解性障碍，迫使交替使用高极性有机溶剂，从而在强路易斯碱或供体溶剂存在下的金属催化转化过程中产生问题。除此之外，木质素与聚合物材料混合期间木质素样品在非极性基质中的混溶性和溶解性始终是一个挑战。

为了减轻这种溶解度问题并促进木质素用于各种应用，已经致力于改善其亲脂性，例如通过木质素中发现的脂族羟基和酚基的硫酸化[18]，甲硅烷基化或酯化[19]。先前已经报道了在有机溶剂如DCM或吡啶中使用乙酸酐的木质素[19-21]或其模型化合物[22]的化学酯化在产生具有更高疏水性的新分子和材料方面是有效的。然而，控制乙酰化程度并不是一件容易的事，酯化过程常常导致酯或完全酯化的样品的混合物。

在这方面，酶促酯化因此可以是特异性地解决复合木质素结构中的一种类型羟基的有吸引力的替代方案。这不仅可以选择性地控制木质素样品中的亲水性程度，还可以帮助定制它们的潜在应用。该研究领域的一个有趣的方法是通过选择性酯化生物聚合物中存在的伯醇来改性木质素（图1a），保留酚类和仲醇的功能，因为这些官能团与生物聚合物的抗氧化剂有关，抗菌和防晒性能[17,23,24]。受上述情况的影响，并且与我们研究生物催化剂和机械化学研磨的相容性的研究兴趣一致，我们决定研究木球蛋白模型化合物在球磨机中的酶促酯化（方案1c）。这里介绍了这种概念验证研究的结果。