Enzimek ionos folyadékokban

Annak ellenére, hogy a biokatalízis hagyományos oldószere a víz, számos reakció (pl.

kondenzáció) csak szerves közegben játszódik le, vagy gyorsabb a lefutása, mint vízben.

2000-ben a kutatók kimutatták, hogy az ionos folyadékok helyettesíthetik a szerves oldószereket. A legtöbb ilyen jellegű tanulmány az imidazólium-típusú ionos folyadékokra koncentrál, mivel ezek nem reagálnak vízzel, és a legelterjedtebben használják biokatalízishez [Park, 2003]. Az első ionos folyadékkal végzett biokatalitikus reakcióhoz 1,3-dialkilimidazólium vagy n-alkilpiridínium kationt és egy gyengén koordináló aniont tartalmazó ionos folyadékot használtak. Mostanság a figyelem új struktúrák felé irányul [Carrea, 2008].

A szerves oldószerek — beleértve az ionos folyadékokat is — okozta enzim dezaktivációt általában az aktivitáshoz szükséges vízburok elvonásának tulajdonítják. Számos enzim valóban igényli az aktivitásához szükséges teljes hidrátburkot, de akadnak kivételek is szép számmal, mint a Candida antarctica lipáz B (CALB), mely fenntartja az aktivitását foszfor-pentoxid szárító hatása mellett is, valamint a szubtilizin proteáz, mely az aktivitásához enzimmolekulánként csupán kisszámú, szorosan kötött vízmolekulát igényel. Az alifás és aromás hidroxi-karbonsavak, éterek, alkoholok (metanol kivételével) csak gyenge interakciót

mutatnak az enzimmel. Azok az oldószerek, melyek erős kölcsönhatásba lépnek a proteinekkel, hajlamosak irreverzibilis aktivitásvesztést okozni [Carrea, 2008].

A szerves oldószerek több esetben inaktiválják az enzimeket [Park, 2001; Kaar, 2003], de az ionos folyadékok meglepő módon nem. Ennek a tulajdonságuknak köszönhetően az enzimkatalitikus reakciókat szélesebb oldószer polaritási tartományban lehet használni.

Nagyobb polaritású oldószereket alkalmazva megnő a poláris szubsztrátok felhasználásának lehetősége (maltóz, glükóz vagy aszkorbinsav), továbbá gyorsabban lejátszódik a reakció, és a szelektivitás is változik. Példaként az aszkorbinsav oleinsavval történő acilezése során Candida antarctica lipáz B katalizátort alkalmazva nagyobb konverziót értek el (83%), mint hagyományos szerves oldószerekben (50%) [Park, 2003]. Ez az eredmény annak köszönhető, hogy az aszkorbinsav jobban oldódik ionos folyadékban, miközben az aktív enzimek nem oldódtak, hanem szuszpenzió formában maradtak.

Mind a hidrolázok, mind az oxidoreduktázok megőrizték az aktivitásukat ionos folyadékokban. A korábbi tanulmányok inkább a hidrolázokra, mint a proteázokra és lipázokra fókuszálnak, lévén, hogy ezek a leggyakrabban alkalmazott enzimek a biokatalízisben, de a későbbi munkák beszámolnak már az oxidoreduktázokról (peroxidáz, dehidrogenáz) is. Mindegyik tanulmány megállapítja, hogy azok az enzimek, amelyek aktivitást mutatnak szerves oldószerekben, azok aktívak ionos folyadékban is [Park, 2003].

Nem minden ionos folyadék alkalmas biokatalízishez. Az enzimek általában aktívak olyan ionos folyadékokban, melyek BF₄, PF₆ és NTf₂ anionokat tartalmaznak, de nem aktívak Cl^-, NO₃^-, CF₃^-, SO₃^2-, trifluoro-acetát vagy acetát anionoknál [Kaar, 2003]. Egy lehetséges válasz erre a különbségre, hogy az enzimmel kompatibilis anionoknak gyengébb a hidrogénkötésre való hajlamuk. Ez a tulajdonság minimalizálja az enzim belső hidrogénkötéseivel való kölcsönhatást. Ezért inaktív sok enzim [BMIM]Cl-ban, mely erősen hajlamos a hidrogénkötésre [Anderson, 2002]. A legújabb kísérletek bizonyították, hogy bizonyos hígítás mellett nem inaktiválja az enzimet cellulóz hidrolízise során [Megyeri, 2013].

Számos funkciós csoport nemcsak az enzim aktivitását növeli, hanem a stabilitását is. Például az -kimotripszin 17-szer [Lozano, 2001 a], a Candida antartctica 3-szor [Lozano, 2001 b] és a Bacillus stearothermophilus észteráz 30-szor [Persson, 2003] olyan stabil ionos folyadékban, mint szerves oldószerben. Néhány esetben a lipázok és proteázok nagyobb enantioszelektivitást mutattak ionos folyadékban, mint szerves oldószerben [Schöfer, 2001].

Noha a biokatalízissel foglalkozó publikációk leginkább az imidazólium-típusú ionos folyadékokat említik, az ezredforduló környékén kifejlesztett újfajta, foszfónium kationt tartalmazó ionos folyadékokat is egyre szélesebb körben alkalmazzák. Az első különbség

köztük és az ammónium-típusú ionos folyadékok között a stabilitásuk, különös tekintettel a különböző körülmények közötti lebomlásra. Magas hőmérsékleten mindegyikük belső átrendeződéssel bomlik le, de a foszfónium-sók hőtűrése nagyobb [Bradaric, 2003].

Ipari alkalmazás szempontjából az oldószerek fontos paramétere a viszkozitás.

Szobahőmérséklet körül a foszfónium-sók nagyobb viszkozitással rendelkeznek, mint az ammónium-só párjaik [Bradaric, 2003].

Az imidazólium-típusú ionos folyadékokkal összevetve különbséget találunk a sűrűségben. A legtöbb imidazólium-sónak általában 1 g/cm³ feletti a sűrűsége, a tetraalkilfoszfónium-sóké 0,8 és 1,2 g/cm³ között mozog, de általában 1 g/cm³ alattiak. A trihexil-tetradecil-foszfónium ionos folyadékok sűrűsége a molekulát felépítő anionok szerint a következőképpen változik:

Cl⁻ < [BF4]⁻ < Br⁻ < [PF6]⁻ [Bradaric, 2003].

További fontos különbség az imidazólium- és foszfónium-sók között a savas protonok jelenléte az imidazólium kationban. Ezért ezek a kationok nem inertek, és kölcsönhatásba léphetnek az oldott anyaggal hidrogénkötés kialakítása során, vagy a gyűrűrendszer aromás természete révén. A tetraalkil-foszfónium sóknak nincsenek savas protonjaik és aromás gyűrűik, ezért kis mértékben képesek az oldott anyaggal való kölcsönhatásra [Bradaric, 2003].

Ennek ellenére Fan és társai [Fan, 2012] kimutatták, hogy a trihexil(tetradecil)foszfónium-tetrafluoro-borát hatásos katalizátor a fluorral végzett nukleofil aromás szubsztitúció során.

Abe és társai vizsgáltak különféle foszfónium ionos folyadékokban lipáz katalizált, enantioszelektív észterezéses reakciókat [Abe, 2008]. Megállapították, hogy nagyobb konverzió és enantioszelektivitás mutatkozott 2-metoxietil(tri-n-butil)foszfónium bis(trifluoro-metánszulfonil)imid ([MEBu3P][NTf2]) ionos folyadékban, mint más (pl.

diizopropil-éter) konvencionális oldószerben.

A tejsav és a foszfónium-típusú ionos folyadékok kapcsolatáról is születtek publikációk.

Marták és Schlosser [Marták, 2007] a tejsav fermentléből történő extrakciójához használtak 2,4,4,-trimetil-pentilfoszfin anionnal rendelkező ionos folyadékot (Cyphos 104), mely hatásos tejsav extrahálószernek bizonyult. Megoszlási hányadosa más folyadék extrahálószerekkel összehasonlítva nagyobb volt. Főként az anion szinergikus hatása felelős a tejsav megnövekedett megoszlási hányadosáért. Háromféle foszfónium-típusú ionos folyadékkal (Cyphos 101, 103, 104) tesztelték az (L)-tejsav extrakcióját Oliveira [Oliveira, 2012] másik két savval összehasonlítva ((L)-maleinsav, borostyánkősav). A három ionos folyadék közül a Cyphos 104-essel volt a leghatásosabb az (L)-tejsav extrakciója, mely a borostyánkősavat is hatásosan extrahálja.

A fermentlében lévő tejsav koncentrációja 22-120 g/l [Hetényi, 2010]. Az ebből extrahált tejsav betöményedik, ezáltal polimerizáció játszódik le a víz koncentrációjának csökkenésével. Ám a foszfónium-típusú ionos folyadékok csoportja megoldást jelent az eddigi problémára, mivel nem volt hatékony extrahálószere, vagyis oldószere a tejsavnak. A tejsav enzimes észterezési reakcióiról szóló publikációk száma valószínűleg emiatt is csekély.