Биокаталитический синтез представляет собой раздел органического синтеза, в котором используются ферменты и микроорганизмы для проведения химических реакций с высокой специфичностью и селективностью. Этот подход позволяет осуществлять сложные трансформации при мягких условиях, часто недоступных традиционным химическим методам.
Фермент как катализатор. Ферменты ускоряют реакции за счёт снижения энергии активации, обеспечивая высокую стереоселективность. Каждый фермент обладает специфичностью к субстрату, что позволяет избирательно проводить реакции даже в сложных молекулах с множеством функциональных групп.
Мягкие условия реакции. Большинство ферментативных процессов протекают при температуре 20–40 °C и нейтральном pH, что исключает необходимость использования экстремальных кислот, оснований или высоких температур. Это снижает риск побочных реакций и разложения чувствительных соединений.
Селективность и стереоспецифичность. Ферменты обеспечивают контролируемое образование конкретных изомеров, включая хиральные центры. Примером может служить использование оксидоредуктаз для получения однохиральных спиртов из прорахиральных кетонов или карбоновых кислот.
Окислительно-восстановительные реакции
Гидролиз и трансэтерификация
Карбонильные и альдегидные превращения
Циклизации и карбоциклизации
Инженерия ферментов. Мутагенез и Directed Evolution позволяют изменять активные центры ферментов, увеличивая их стабильность, активность и селективность для нестандартных субстратов.
Иммобилизация ферментов. Ферменты закрепляют на твердых носителях, что улучшает их термостабильность и возможность повторного использования. Иммобилизация также облегчает разделение продуктов и фермента после реакции.
Смешанные биокаталитические системы. Использование нескольких ферментов в одной реакционной среде позволяет проводить многоступенчатые превращения без выделения промежуточных продуктов. Примером служит синтез сложных сахаров или алкалоидов.
Фармацевтическая химия. Биокаталитические методы широко используются для получения стереоселективных активных фармацевтических ингредиентов, включая β-лактамные антибиотики, стероидные препараты и хиральные спирты.
Синтез природных продуктов. Ферментативные реакции позволяют эффективно строить сложные природные молекулы с высокой функциональной плотностью, такие как терпеновые, алкалоидные и поликетидные соединения.
Химия полимеров. Липазы и эстеразы применяются для синтеза биоразлагаемых полиэфиров и сложных полиэфирных структур с контролем молекулярной массы и стереохимии.
Зелёная химия. Биокатализ способствует уменьшению отходов, снижению энергозатрат и отказу от токсичных реагентов, соответствуя принципам устойчивого органического синтеза.
Биокаталитический синтез интегрирует глубокие знания о структуре ферментов, механизмах их действия и органической химии, создавая платформу для создания сложных молекул с высокой степенью контроля над стереохимией, функциональной группировкой и экологической безопасностью.