Green Carbon | 荷兰代尔夫特理工大学Frank Hollmann教授综述：化学和生物催化的氧官能化反应，谁更绿色？
Green Carbon
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Green Carbon is an interdisciplinary journal promoting cutting-edge science and technology developments of green resources, green conversions, green processes and green products leading to low, zero or negative carbon emissions.
英文原题：Mirror, mirror on the wall, which is the greenest of them all? A critical comparison of chemo- and biocatalytic oxyfunctionalisation reactions
作者：Yinqi Wu, Caroline E. Paul, Frank Hollmann*
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背景介绍
Background
将氧原子添加到C-H或C-C以及C=C键中的催化氧官能化反应，由于其具有产生高度官能化和复杂分子的潜力，在有机合成中变得越来越重要。然而，这些反应面临着如何实现高产率和高选择性的重大挑战。因此，大多数催化学科都在积极开发氧官能化催化剂、反应和工艺。均相催化，如有机金属催化和生物催化在这一领域特别活跃，然而，这些领域之间并没有尽可能多地互动。反对生物催化的论点通常包括酶的高特异性、较差的稳定性、对昂贵的辅因子的依赖性以及较差的可扩展性。相对应的，生物催化往往会强调化学催化中有毒试剂和溶剂的利用、以及苛刻反应条件对环境的不利影响。为了提供一个平衡、客观的概述，荷兰代尔夫特理工大学Frank Hollmann教授于Green Carbon上发表了标题为“Mirror, mirror on the wall, which is the greenest of them all? A critical comparison of chemo- and biocatalytic oxyfunctionalisation reactions”的综述文章，对化学催化剂和生物催化剂的效率和环境影响进行了定量、深入的讨论和比较。
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文章简介
Introduction
可用的催化剂
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在大多数化学氧官能化反应中，需要催化来降低活化焓和提高选择性。一种常见的催化策略是激活分子氧或过氧化氢，形成高价金属氧化物种或（过）氧化物种。
在使用的化学催化剂中，各种金属，如铂族元素等，普遍用于分子氧的活化。对于已经还原的氧物种（过氧化氢），通常使用V、Mn、Fe、Ni、Co、Cu或Pt的盐作为催化剂，此外，基于TiO2或SiO2的光催化系统正在兴起。与化学催化剂相比，生物催化可利用的金属（如Fe、Cu、V和Mo）以及有机辅因子（如黄素和蝶呤）的选择范围较窄。最广为人知的是铁依赖性加氧酶，如细胞色素P450单加氧酶、非特异性过加氧酶UPO和非血红素铁加氧酶。
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催化剂的生产率、性能和负载
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本文将化学生产率定义为“一定量的产物形成的速率”。生物催化和化学催化氧官能化反应在化学生产率方面存在显著差异。超过三分之二的生物催化反应的生产率水平低于10 mM h-1，而只有三分之一的化学催化反应属于这一类。此外，相当大一部分（20%）的化学催化反应实现了100 mM h-1或更高的化学生产率。这是由于与化学催化剂相比，酶通常以低得多的摩尔浓度使用。当根据周转数（TON）对催化生产率进行比较时，生物催化剂的性能优于化学催化剂。另一个参数是由周转频率（TOF，每单位时间的TON）描述的催化剂活性，化学催化剂的典型TOF范围低于100 h-1，而超过70%的酶催化剂表现出高于1000 h-1的TOF。
总体而言，就化学生产率而言，化学催化工艺目前优于生物催化工艺，但后者的催化生产率更高，显示出更高的TON和TOF。
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试剂负载量和溶剂
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高底物负载量对化学工艺的经济可行性至关重要，我们比较了生物催化和化学催化氧官能化过程中底物负载量。对于生物催化，大多数发生在稀释的反应介质中，超过80%的反应在含有少于100 mM起始原料的溶液中进行。相反，超过80%的化学催化过程是在100 mM或更高的起始原料浓度下进行的。这是因为化学家倾向于选择最适合反应的溶剂，如有机溶剂，允许高底物负载量。而生物催化主要依赖于水性反应介质，由于其高极性和疏水性，一定程度上导致低底物浓度。
为了解决疏水试剂与水性催化剂（如酶或全细胞）的不相容性，目前已开发了双液相系统（2LPS）方法。在此基础上，又扩展了对无辅因子酶适用的微水反应系统（MARS），显示出巨大的应用潜力。然而，对于需要离子辅因子的酶来说，含水量极低的MARS系统的应用仍存在重大挑战。此外，高极性试剂如葡萄糖也不容易应用于MARS。最近的研究中，过加氧酶UPO在2LPS和MARS系统中都显示出了良好的结果，显示出它们作为绿色和可持续化学转化的多功能催化剂的潜力。
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氧化剂
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化学催化氧官能化反应利用了多种氧化剂，如氧（如O2或O3）、过氧化物（如H2O2或有机氢过氧化物）、过酸（如m-CPBA或过氧乙酸）或卤代氧化剂（如单质、次卤化物或高价碘）等。相反，用于生物催化氧官能化反应的氧化剂通常是分子氧。近来，过氧化氢和有机氢过氧化物，如叔丁基氢过氧化物越来越受到人们关注。
在实现“最终绿色氧化剂”的过程中，应考虑废物生成、安全等方面。O2或H2O2看起来是最佳选择，因为只有水作为最终副产物形成。在水性反应介质的情况下，安全因素（爆炸危险、腐蚀问题）的风险性较小，但O2的低溶解度（约0.25 mM，取决于温度、压力和缓冲液组成）对生物催化提出了挑战。可用的氧气量可能低于酶的KM值，从而导致次优的酶活性。此外，通气反应条件下酶的稳定性也是一个极具挑战的问题。
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选择性
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选择性是催化反应的关键性能指标。给定起始原料转化为期望产物的转化率越高，不期望的副产物生成越低，资源的利用就越高效。从经济和环境的角度来看，应尽量选择高度选择性的催化转化。
催化氧官能化反应的选择性取决于两个因素：（1）待转化的C-H键的反应性（主要影响给定反应的区域选择性）和（2）起始原料相对于催化活性物质的位置（影响区域选择性和立体选择性）。催化剂的选择性由导致竞争产物的过渡态的相对稳定度决定。根据阿伦尼乌斯方程，相对反应速率（以及由此产生的产物分布）与不同过渡态的活化能直接相关。作为低分子量化合物，手性配体与催化剂结合的起始原料之间的相互作用有限，从而无法控制底物的结合。而酶的活性位点提供了与起始原料的各种吸引和排斥相互作用，为酶提供了更多的控制底物结合的机会。酶在立体选择性方面也优于化学催化剂。酶对底物相对于催化位点的取向有更多的控制，这对于实现高立体选择性至关重要。但无论化学还是酶催化剂在羟基化反应中的都面临过氧化的挑战。
总之，选择性是生物催化的一个明显优势，酶能够为广泛的反应提供高选择性。尽管近几十年来已经开发出了一些高选择性的化学催化剂，但生物催化剂在选择性方面仍然是无与伦比的。
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环境影响
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生物催化的文献经常强调使用酶催化反应的环境效益，例如催化剂的可再生性、温和的反应条件、高选择性以及使用水作为良性溶剂。然而，这些说法往往过于简单化，需要进行更多的定量比较来准确评估潜在的环境优势。本文使用Sheldon的E因子（产生的废物质量与产生的产品质量之比）来估计反应对环境影响，它主要关注更有效的溶剂使用（例如，通过提高产品浓度和/或溶剂的回收），以减少废物量。
E因子分析简便可行，但它还不能代表给定转变对环境的影响。传统的E因子并没有考虑废物的危险性、能源需求、试剂的“历史”等因素的影响。下面将分别结合这些因素进行讨论。
（1）试剂的有害性。除了废物的数量，其“质量”也决定了对环境的影响。例如，高挥发性和有毒废物对环境的影响远远大于同样作为副产品的H2O或N2。为此，Sheldon通过引入衡量给定废物成分的“环境不友好性”的指标Q，得到一个修正版的E因子，即所谓的EI因子。虽然EI因子为化学过程提供了一个更现实的表示，由于个人加权系数的透明度问题也会显著影响最终结果，因此有必要为大量试剂提供易于获取和透明确定的Q值。
（2）能源需求。目前，化学工业中使用的大部分能源仍然来自化石燃料，这是造成大量二氧化碳排放的原因。由于E因子没有考虑到这一点，Frank Hollmann教授团队提出了E+因子，通过转化（搅拌、加热、冷却、泵送等）所消耗的能量间接导致的CO2排放来对E因子进行修正。这是通过测量所消耗的能源（如电力）并将其乘以所用能源的局部碳强度（CI）来实现的。
（3）试剂的“历史”。简单的E因子不考虑所用组分的合成历史，即消耗能源和资源的合成以及原料生产过程中产生的废物。Jessop建议为化学物质建造合成树，将其合成追溯到原始化合物（从地面、空气或海洋中提取）。通过对化学催化剂和生物催化剂的合成树的比较表明前者的E因子前期更高。因此，需要进行更详细和全面的分析，以评估反应对环境的真实影响。合成树还揭示了酶的生产并不是完全可再生的。尽管酶是生物催化剂，具有微生物等可再生资源，但用于其生长介质的矿物成分通常是从有限的资源中开采的。因此，生物催化的可持续性还应考虑发酵成分和生长介质合成中使用的可再生和不可再生资源。
（4）扩大规模。“规模经济”一词主要是指随着生产或规模的增加，公司或工艺可以实现的成本优势。随着产量的增加，它通常会降低单位成本，提高效率。通常规模较大的化学工艺比规模较小的工艺更节能，这是因为热传递和其他与能源相关的过程可以在更大范围内进行优化，从而降低总体能源消耗。在较大的生产现场，也可以进行工艺集成，例如利用一个工艺的废热为另一个工艺提供燃料，热消耗工艺可以显著降低总体能源需求。扩大规模可能导致废物产生模式的变化，更大规模的过程更有利于废物管理和回收，从而可以减轻废物生产对环境的影响。另一方面，大型工艺可能会对环境造成局部挑战，例如过度用水。因此，扩大规模的影响可能是积极的，也可能是消极的，这取决于各种因素以及管理方式。
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总结与展望
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催化反应对环境的影响是一个复杂的问题，不能用单一的指标（如E因子）来充分反映。虽然E因子为评估反应的环境影响提供了参考，但它也有局限性，例如没有考虑试剂的可回收性、废物的毒性以及反应的资源和能源需求。因此，应结合使用指标和方法，来全面评估和审视化学催化剂或生物催化剂中哪一种对氧官能化反应最环保。
基于上述论点，很难对哪种类型的催化更环保做出明确的结论。化学催化和生物催化在环境影响方面都有优点和缺点。生物催化提供了更多的选择性，并在环境温度下运行，但仍存在当前水介质的限制。另一方面，化学催化更通用，反应时间更短，但可能需要更苛刻的反应条件，导致更高的能耗和废物产生。此外，还应考虑起始原料、催化剂合成、溶剂性能和下游加工的环境影响。因此，需要进行个案分析，以确定哪种催化类型对特定反应更环保。
总的来说，评估和最大限度地减少催化剂对环境的影响是实现可持续化学和减轻化学过程对环境影响的重要目标。通过使用多方面的方法来评估催化剂，并关注可持续设计原则，我们可以朝着化学工业更可持续的未来迈进。
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作者
Author
Frank Hollmann 教授
Frank Hollmann，荷兰代尔夫特理工大学生物技术系教授, Green Carbon期刊编委会委员。博士毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院，2005-2008年担任德国Evonik德固赛股份有限公司（Evonik Degussa GmbH）生物技术负责人；2008年起受聘荷兰代尔夫特理工大学生物技术系。主要从事氧化还原酶在有机合成中的应用研究，主要包括酶催化氧化及还原反应、酶催化反应的辅因子再生系统、电子供体的有效利用、光生物催化反应等。其团队在酶工程及生物催化领域具有重要影响力，多项成果被国际知名学术期刊封面报道，在Nat. Chem., Nat. Catal.，Nat. Commun.，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文200余篇，他引超过15000次，h指数68，主编或参编酶工程及生物催化类著作13本。目前担任Molecular Catalysis、Frontiers in Catalysis等学术期刊主编、副主编。获得德国催化协会Jochen Block奖、德国化学工程和生物技术协会Max-Buchner、Biotrans-Award奖等多项荣誉，担任DECHEMA、德国“可持续药学”永久授权评估委员会会员。
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论文信息
Wu Y, Paul C E, Hollmann F. Mirror, mirror on the wall, which is the greenest of them all? A critical comparison of chemo-and biocatalytic oxyfunctionalisation reactions[J]. Green Carbon, 2023.
论文网址
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2023.10.004
供稿：丛志奇 研究员
（中国科学院青岛生物能源与过程研究所）
编辑：Green Carbon 期刊中心
审核：Green Carbon 期刊中心
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Green Carbon
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