以固定化脂肪酶为催化剂制备碳酸二甲酯的方法
【专利摘要】本发明公开了一种以固定化脂肪酶为催化剂制备碳酸二甲酯的方法，所述方法包括以下步骤：以聚乙烯醇、羟甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种作为负载脂肪酶的基质将脂肪酶固定化；然后在反应装置中依次加入反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯；再在所述反应物中加入固定化脂肪酶；最后搅拌进行转酯反应，反应后获得产物碳酸二甲酯。本发明以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯进行转酯反应制备碳酸二甲酯，不仅具有高转化率、高选择性、高普适性，而且工艺简单、反应条件温和、降低成本、环境友好、固定化脂肪酶可循环利用、应用前景广阔。
【专利说明】以固定化脂肪酶为催化剂制备碳酸二甲酯的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物化工领域，特别是涉及ー种以固定化脂肪酶为催化剂催化制备碳
酸二甲酯的方法。
【背景技术】
[0002]碳酸二甲酯(methy 1-carbonate, DMC)在常温下为无色液体，沸点90.1°C,熔点4°C，密度1.069g/cm3，闪点(开杯)21.7°C，水部分混溶。但可以与醇、醚、酮等几乎所有的有机溶剂混溶。碳酸二甲酯作为一种有机合成原料和化工产品，1992年在欧洲通过了非毒性化学品的注册登记，因其分子中含有羰基、甲基和甲氧基等多种官能团，能与酚、醇、胺、肼、酯类化合物反应，在诸多有机合成领域可以全面替代光气、硫酸二甲酯(dimethylsulfate, DMS)、氯甲烷及氯甲酸甲酯等剧毒或致癌物进行羰基化、甲基化、甲酯化及酯交换等反应，是ー种重要的有机合成中间体，并被誉为21世纪有机合成的“新基石”。DMC毒性很低，是ー种符合现代清洁エ艺要求的环保型化工原料，因此DMC的合成技术受到了国内外化工界的广泛重视(J.H.Clements, Ind.Eng.Chem.Res., 42 (2003):663 ;S.Fukuoka etal., Green Chem.5(2003):497 ；J.Bayarydon et al., Angew.Chem.1nt.Ed.,46(2007):5971)。
[0003]DMC最初的生产方法为光气法，于1918年开发成功，但是光气的毒性和腐蚀性限制了这一方法的应用，特别是随着环保受全世界重视程度的日益提高，光气法已被淘汰。自20世纪80年代开始，对于DMC生产エ艺的研究开始受到普遍的关注，据Michael A.Pacheco和ChristopherL.Marshall的统计，有关DMC生产エ艺的专利自1980~1996年就超过了200项。20世纪80年代初，意大利的EniChem公司实现了以CuCl为催化剂的由甲醇氧化羰基化合成DMCエ艺的商业化，这是第一个实现エ业化的非光气合成DMC的エ艺，也是应用最广的エ艺，此エ艺的缺陷在于高转化率时催化剂的失活现象严重，因此其单程转化率仅为20%。在20世纪90年代，DMC合成エ艺的研究得到了迅速的发展，日本的Ube对EniChem公司甲醇氧化羰基化合成DMC的エ艺进行了改进，选择NO为催化剂，这样避免了催化剂的失活，使转化率几乎达到了 100%，此エ艺已实现了エ业化，但该エ艺以CO为原料，CO是ー种有毒的气体，因此CO引起的安全问题限制该エ艺的应用；美国Texaco公司开发了先由环氧乙烷与二氧化碳反应生成碳酸乙烯酷，再与甲醇经过酯交换生产DMC的エ艺，此エ艺联产乙二醇，于1992年实现了エ业化，此エ艺被认为产率较低、生产成本较高，只有当DMC年产量高于55kt时其投资和成本才可以与其他方法竞争；此外还有一种新兴的エ艺，即尿素醇解反应，若与尿素生产联合进行可降低成本，此エ艺有望实现エ业化。
[0004]近年来，合成DMC的研究受到国内外研究者的广泛关注， 合成路线正朝着简单化、无毒化和无污染化的方向发展。目前合成DMC的緑色方法主要有CO2和甲醇直接合成法、酯交换法和尿素醇解法。其中，以碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯为原料，通过和甲醇酯交換来制备碳酸二甲酯和二醇的经济效应和エ业需求日益増大，引起各国科学家广泛的关注。美国专利US430703公开了ー种碳酸二烷基酯的制备方法，该专利中公开了使用铊化合物作为酯交换反应的催化剂，在相对低温、低催化剂浓度下，可获得高的反应速率，并强有力地抑制了副反应的发生。例如在150°C，1.92X 10_4mol碳酸铊存在下，反应30分钟后，碳酸乙烯酷(甲醇:碳酸乙烯酷=5: I)的转化率达70%，生成DMC的选择性达90%。通过蒸馏除去DMC和甲醇的共沸物(约70%甲醇)后，残留物在同一条件下继续和甲醇反应，可获得80%的转化率，其副产物仍很少，这一反应也可在装有铊催化剂的固定床反应器中进行。美国专利US4661609公开ー种联产乙烯乙二醇和碳酸二甲酯的方法，该专利中公开了使用钛和锆的可溶性盐或其络合物作为酯交换反应的均相催化剂，反应温度在20°C~200°C，甲醇和碳酸乙烯酯的配比较小。例如130°C高氯酸锆作催化剂、甲醇和碳酸乙烯酯摩尔比为4.7吋，碳酸乙烯酯的转化率为89%。DMC的选择性以碳酸乙烯酯计为80%，以甲醇计为76%，乙二醇的选择性均在95%以上。碱土金属硅酸盐如Na2SiO3, KHSiO3, Li2SiO3等负载在硅胶上作为反应的催化剂，在80°C~125°C，0.7Mpa，LHSV = 1.0，CH30H/EC(mol) = 4时，其活性顺序为=Na2SiO3 > KHSiO3 > Li2SiO3，其中水玻璃负载在硅胶上作为催化剂时，碳酸乙烯酯的转化率约为30%。不过此类物质的催化寿命不长，随反应时间的延长，催化活性逐渐下降(刘宗键，蔡晔，酯交换法合成DMC的催化剂研究，化工生产与技术，1998，5 (4)，13-15)。
[0005]甲醇直接合成法、酯交换法和尿素醇解法合成DMC都存在催化剂活性或选择性不高、产率低等缺点，因此寻找更加合适的催化剂及载体、提高催化剂的活性和选择性是生产DMC的技术关键和研究热点。
[0006]酶作为ー种生物催化剂，近年来已被人们广泛应用于食品生产与检测、环保技木、生物技术、生物医药等领域。目前研究和应用最广泛的脂肪酶(Lipase，EC 3.1.1.3)是ー类能催化油脂和短链醇进行转酯化反应生成脂肪酸甲酯的生物催化剂，脂肪酶所介导的反应具有反应条件温和、醇用量小、产品易收集纯化、无污染物排放等优点，目前国内外用于转酯化研究的脂肪酶主要`为诺维信公司生产的NOVOZym435，此酶为树脂固定化酶，载体为大孔丙烯酸树脂，价格高昂，不利于酶法制备化工原料的エ业化生产。由于酶是由蛋白质组成，必须在温和条件下使用，其高级结构对热、强酸、强碱、有机溶剂均不稳定，在反应中容易失活，而且酶中常常带有杂蛋白及有色杂质，造成产品分离提纯困难，因此存在产品污染，而且酶也难以回收重复使用，造成产品成本较高。这一切都限制了酶催化反应的应用和发展。为了克服自由酶的不足，固定化酶技术产生了。酶的固定化是通过物理或化学的处理方法，用固体材料将酶束缚或限制在一定的区域内，仍能进行其特有的催化反应，并可回收及重复使用的ー类技木。与自由酶相比，固定化酶不仅保持了自由酶的催化反应特性，而且对热、PH等的稳定性提高，对抑制剂的敏感性降低且贮存稳定性高，分离回收容易，可以多次重复使用，且酶的活力降低较少，操作连续性高，エ艺简便，且产品中不会带进酶蛋白或细胞，改善了后处理过程，降低了生产成本。由于脂肪酶可以催化酯交换、酯转移、水解等反应，所以固定化脂肪酶在油脂エ业中有广泛应用。比如，1，3_特异性脂肪酶可酶促酯交换反应，将棕搁油改性为代可可酷。代可可酯是生产巧克力的原料，价格甚高，而棕搁油价廉，因此这一エ艺受到较多重视，已开展了较多工作(Blooner S, et al, J Am.0il Chem Soc,1990，67，519)。但是将固定化的脂肪酶应用于催化制备碳酸二甲酯还未见报道。
【发明内容】
[0007]本发明主要解决的技术问题是提供一种以固定化脂肪酶为催化剂制备碳酸二甲酯的方法，不仅具有高转化率、高选择性、高普适性，而且工艺简单、反应条件温和、降低成本、环境友好、固定化脂肪酶可循环利用、应用前景广阔。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:提供一种以固定化脂肪酶为催化剂制备碳酸二甲酯的方法，所述方法包括以下步骤:
[0009]I)以基质将脂肪酶固定化；[0010]2)在反应装置中依次加入反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯；
[0011]3)在所述反应物中加入所述固定化脂肪酶；
[0012]4)搅拌进行转酯反应，反应后获得产物碳酸二甲酯。
[0013]优选地，所述以基质将脂肪酶固定化的步骤包括:
[0014]A、在50升的容器中依次加入400克基质、25升去离子水,形成一基质溶液,加热至基质溶液沸腾，加热过程中不断搅拌，沸腾50分钟左右后基质基本溶解；冷却至室温后搅拌60分钟至基质溶液基本无色透明；
[0015]B、将100克脂肪酶与300克去离子水的混合物加入到所述基质溶液中得到一混合溶液，搅拌所述混合溶液120分钟后将所述混合溶液均匀地导入含聚四氟乙烯的培养皿中，在真空条件下冷冻干燥24小时后，形成一层薄膜，得到所述固定化脂肪酶。
[0016]优选地，所述基质为聚乙烯醇(PVA，1750±50)、羟甲基纤维素钠(CMC，800~1200mPa.s)、轻丙基甲基纤维素(HPMC,6mPa.s)中的一种或两种,其中，基质为聚乙烯醇、羟甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素中的两种时，两种基质的质量比为1:1~1: 10。
[0017]最优选地，所述基质为聚乙烯醇、羟甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素中的两种时，两种基质的质量比为1: 2。
[0018]优选地，所述步骤2)中加入醇酯摩尔比为4:1~50:1的甲醇与碳酸乙烯酯
或甲醇与碳酸丙烯酯。
[0019]最优选地，所述步骤2)中加入醇酯摩尔比为16: I的甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯。
[0020]优选地，所述步骤3)中加入所述反应物质量分数的0.1%~25%的固定化脂肪酶。
[0021]最优选地，所述步骤3)中加入所述反应物质量分数的3%的固定化脂肪酶。
[0022]优选地，所述步骤4)中加入所述碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯质量分数I %的水，所述转酯反应的反应温度为25°C~75°C，反应时间为I~160小时，反应压力为0.1Mpa0
[0023]最优选地，所述转酯反应的反应温度为55°C，反应时间为72小时。
[0024]脂肪酶可以来源于动物、植物或微生物。
[0025]优选地，所述脂肪酶为青霉脂肪酶。
[0026]最优选地，所述脂肪酶为扩展青霉脂肪酶。
[0027]本发明的有益效果是:区别于现有的碳酸二甲酯的制备中存在的转化率低、选择性低、工艺复杂、污染环境的情况，本发明使用固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯进行转酯反应制备碳酸二甲酯，由于固定脂肪酶的基质能降低甲醇对脂肪酶酶活的不利影响，稳定脂肪酶的酶活，以及脂肪酶的专一催化活性和无毒性，使得本发明方法不仅具有高转化率、高选择性、高普适性，而且工艺简单、反应条件温和、降低成本、环境友好、固定化脂肪酶可循环利用、应用前景广阔。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酸二甲酯的反应式；
[0029]图2为本发明以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯反应制备碳酸二甲酯和反应时间的关系不意图；
[0030]图3为本发明以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酸二甲酯和反应时间的关系不意图；
[0031]图4为本发明以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯反应制备碳酸二甲酯和反应温度的关系示意图；
[0032]图5为本发明以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酸二甲酯和物料摩尔比的关系示意图；
[0033]图6为本发明以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯反应制备碳酸二甲酯和固定化脂肪酶用量的关系示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0035]请参见图1，本发 明以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酯二甲酯的反应式。碳酸二甲酯的制备过程:首先以基质将脂肪酶固定化，然后在反应装置中依次加入反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯；再在反应物中加入固定化脂肪酶，搅拌进行转酯反应，反应后获得产物碳酸二甲酯。固定脂肪酶的过程中所用基质为聚乙烯醇(PVA，1750±50)、羟甲基纤维素钠(CMC，800~1200mPa.s)、羟丙基甲基纤维素(HPMC，6mPa*s)中的一种或两种。脂肪酶可以来源于动物、植物或微生物，尤其是青霉脂肪酶。
[0036]以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酯二甲酯的过程中，反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定，所用色谱柱为HP 5MS型。
[0037]以固定化脂肪酶为催化剂催化甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酯二甲酯的过程中，碳酸二甲酯含量分析方法为:取50 μ L反应液离心分层，取上层液样10 μ L，用290 μ L环己烷溶解，摇匀，再加入300 μ L十二烷(2mg/ml)作为内标样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸二甲酯量。转化率用山东鲁南化工仪器厂的SP-6890型气相色谱仪测定，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为:柱室采用程序升温:100°C维持6分钟，升温速度40°C /分钟，到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。由测定
的碳酯二甲酯量计算出碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯的转化率，计算方法如下:
[0038]
【权利要求】
1.一种以固定化脂肪酶为催化剂制备碳酸二甲酯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 1)以基质将脂肪酶固定化； 2)在反应装置中依次加入反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯； 3)在所述反应物中加入所述固定化脂肪酶； 4)搅拌进行转酯反应，反应后获得产物碳酸二甲酯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以基质将脂肪酶固定化的步骤包括: A、在50升的容器中依次加入400克基质、25升去离子水，形成一基质溶液，加热至基质溶液沸腾，加热过程中不断搅拌，沸腾50分钟左右后基质基本溶解；冷却至室温后搅拌60分钟至基质溶液基本无色透明； B、将100克脂肪酶与300克去离子水的混合物加入到所述基质溶液中得到一混合溶液，搅拌所述混合溶液120分钟后将所述混合溶液均匀地导入含聚四氟乙烯的培养皿中，在真空条件下冷冻干燥24小时后，形成一层薄膜，得到所述固定化脂肪酶。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基质为聚乙烯醇、羟甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种，其中，基质为聚乙烯醇、羟甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素中的两种时，两种基质的质量比为1:1~1: 10。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基质为聚乙烯醇、羟甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素中的两种时，两种 基质的质量比为1: 2。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中加入醇酯摩尔比为4: I~50: I的甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中加入醇酯摩尔比为16: I的甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中加入所述反应物质量分数的0.1 %~25%的固定化脂肪酶。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中加入所述反应物质量分数的3%的固定化脂肪酶。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中加入所述碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯质量分数I %的水，所述转酯反应的反应温度为25°C~75°C，反应时间为I~160小时，反应压力为0.1Mpa0
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述转酯反应的反应温度为55°C，反应时间为72小时。
11.如权利要求1~10任一项所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶来源于动物、植物或微生物。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶为青霉脂肪酶。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述脂肪酶为扩展青霉脂肪酶。
【文档编号】C12N11/12GK103525873SQ201210226274
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月3日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】张海波, 王剑英, 刘骏, 郭宏涛, 兰瑛, 周晓海 申请人:深圳市绿微康生物工程有限公司, 武汉大学