Большинство ферментативных реакций в микроэмульсиях проведено в системах типа «вода в масле», в которых фермент заключен в доменах воды. Систему можно представить следующей картиной: капельки воды диспергированы в масле, причем некоторые капельки содержат молекулу фермента, а другие остаются пустыми. В одной капле может находиться только одна молекула фермента, которая полностью окружена водой. Некоторые результаты свидетельствуют о том, что капельки микроэмульсии с включенным ферментом крупнее пустых.
Эта модель «водной оболочки» предполагает, что молекула фермента находится внутри капельки воды, и поэтому она пригодна только для описания гидрофильных белков, не имеющих протяженных гидрофобных участков. Однако многие ферметы, прежде всего липазы, поверхностно-активны и взаимодействуют с межфазными границами масло-вода, выходя из объема капельки воды. Например, для липаз гидрофобная поверхность необходима для раскрытия активного центра. Таким образом, слой воды между активным центром фермента и протяженным углеводородным доменом, по-видимому, отсутствует.
Синтез сложных эфиров, катализируемый липазами
Синтез сложных эфиров монофункциональных спиртов, катализируемый липазами, с хорошими выходами протекает в микроэмульсиях. Липазы различной природы обладают разной специфичностью по отношению к длине алкильной цепи кислоты и к типу спирта. Такая селективность определяется локализацией молекулы фермента на межфазной поверхности масло-вода. Следовательно, за селективность ответственны не только специфичность белка в водном растворе, но и его гидрофильно-липофильный характер. Это объясняет различия в регио-селективности биоорганических и органических реакций, протекающих в гомогенных и микрогетерогенных средах. Этерификация жирных кислот простыми сахарами в микроэмульсиях «вода в масле» протекает с очень низкими выходами, по-видимому, из-за плохого контакта между фазами. Однако моноэфиры Сахаров с высокими выходами можно получать при этерификации под действием липаз в средах, не содержащих воды.
При широкомасштабном использовании биокатализа для производства гидрофобных сложных эфиров возникает ряд практических проблем. Удаление ПАВ из продукта реакции представляет значительные трудности, поскольку обычные методы очистки становятся ненадежными из-за эмульгирования и пенообразования, вызываемых поверхностно-активными веществами.
Интересным развитием применения микроэмульсий для синтеза оказалось использование в качестве реакционной среды гелей, основанных на микроэмульсиях. Их получают смешиванием обычных микроэмульсий типа «вода в масле» с водными растворами желатина при температурах выше температуры гелеобразования последнего. Затем смесь охлаждают в колонке и получают жесткий гель.
Спектроскопическими методами было установлено, что микроэмульсионная структура сохраняется в геле и его можно рассматривать как иммобилизованную микроэмульсию, содержащую фермент. Такой гель устойчив по отношению к углеводородным растворителям. При введении в верхнюю часть колонки с таким гелем углеводородного раствора кислоты и спирта, образующийся соответствующий сложный эфир можно выделить элюированием. Этот элегантный способ устраняет проблемы, связанные с выделением продукта и ПАВ из реакционной смеси.
Рис. 11. Получение содержащего фермент геля на основе микроэмульсии
Рис. 12. Гель, содержащий фермент, получают из микроэмульсии. Его можно использовать в колонках или просто в химической посуде
Такие гели, содержащие липазу, препаративно использовались для регио- и стереоселективного синтеза разных сложных эфиров в мягких условиях.
Реакции переэтерификации, катализируемые липазами
Процесс переэтерификации, катализируемый липазами, состоит в замещении одной ацильной группы в триглицериде на другую ацильную группу. Эту реакцию можно провести в микроэмульсиях с низким содержанием воды. Основное внимание исследователи уделяли производству необходимых органических веществ при переработке дешевого сырья, например пальмового масла, в смесь тригицери-дов, соответствующих по составу природному маслу какао. Реакция требует частичного замещения пальмитоильных групп на стеароильные в положении 1 при сохранении ацильных групп в положении 2. При проведении реакции в микроэмульсиях, содержащих липазу, достигалась высокая степень конверсии.
При исследовании возможности внедрения г-линоленовой кислоты в насышенные триглицериды тристеарин был переэтерифицирован ГЛК с использованием в качестве катализатора липазы. Реакции проводили при перемешивании при четырех различных составах, все они отвечают углеводородному углу тройной фазовой диаграммы, т. е. микроэмульсиям типа «вода в масле». Как видно из рис. 13, три образца соответствуют изотропной микроэмульси онной фазе L2, а четвертый образец — двухфазной системе. Реакция проводилась при перемешивании. Реакция в эмульсионной системе протекала не до конца в отличие от реакций в микроэмульсионных системах. Эта серия опытов наглядно показывает, насколько эффективнее проявляют себя системы с очень большой площадью раздела масло-вода по сравнению с эмульсиями.
Рис. 13. Переэтерификация тристеарина г-линоленовой кислотой в реакционных средах, слегка различающихся по составу. Приведены данные, показывающие, сколько процентов линоленовой кислоты внедряется в триглицерид после проведения реакции в течение 24 ч
Применение микроэмульсий для получения наноразмерных латексов
Полимеризация в обычных эмульсиях позволяет получать латексы с размером частиц от 0.1 до 0.5 мкм. По сравнению со свободнорадикальной полимеризацией, протекающей в гомогенной среде, при эмульсионной полимеризации с большими скоростями образуется полимер с высокой молекулярной массой, так как рост свободных радикалов происходит относительно изолированно. Низкая вязкость дисперсионной среды обеспечивает возможность надежно контролировать перенос тепла. Такие латексы находят широкое применение во многих областях промышленности: при производстве красок, клеев, адгезивов, в бумажной промышленности для покрытия бумаги, при производстве основы для ковров и т. д.
При проведении полимеризации в микроэмульсиях можно получить термодинамически устойчивые нанолатексы. Нанолатексы представляют особый интерес в тех случаях, когда важны малый размер частиц и высокая устойчивость дисперсий.
Принципиально осуществить полимеризацию можно в микроэмульсиях всех типов: «вода в масле», «масло в воде», биконтинуальных, а также в системах
Винзора I, II или III. С практической точки зрения наибольший интерес представляет полимеризация в микроэмульсиях типа «вода в масле» и с биконтинуальной структурой. Некоторые примеры обсуждаются ниже.
Скачать реферат