酶法制备亚甲基碳酸酯的方法
【专利摘要】本发明属于生物化工领域，公开一种生物酶法制备亚甲基碳酸酯的方法。本发明方法制备亚甲基碳酸酯的过程如下：以离子液体作为反应介质或者不加溶剂，向反应容器中加入摩尔比为1：1~20的二醇和碳酸二甲酯，再加入二醇和碳酸二甲酯总质量1%~25%的南极假丝酵母脂肪酶B，空气中搅拌反应，反应温度为25~75oC，反应时间为1~160小时，进行转酯反应，反应后经过处理获得产物亚甲基碳酸酯。具有高转化率，高选择性，高普适性，工艺简单，环境友好等优点。
【专利说明】酶法制备亚甲基碳酸酯的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物化工领域，也可归属于有机催化与化学转化、绿色可再生【技术领域】，特别涉及一种酶法制备亚甲基碳酸酯的方法，该方法加入离子液体作为反应介质提高
转化率。
【背景技术】
[0002]生物可降解的生物医用高分子材料由于使用后不需要二次手术取出植入物，因此在手术缝合线、药物控制释放系统和组织修复等领域得到越来越广泛的应用。其中，生物可降解聚碳酸酯由于具有良好的生物相容性、结构和机械性能可调性，其均聚物和共聚物已广泛用于可降解缚扎器件、药物控制释放系统、组织植入和组织再生材料等领域，有些产品已经商业化。这一类生物可降解聚碳酸酯都是由亚甲基碳酸酯单体经过开环聚合或与其他环状单体进行开环共聚反应制得。
[0003]同时，亚甲基碳酸酯单体还是一种重要的有机合成中间体和性能优良的溶剂，广泛应用于合成纤维、合成树脂、医药、农药等行业，因而具有很高的工业应用价值和良好的市场前景。以碳酸丙烯酯为例，碳酸丙烯酯是性能优良的高沸点和高极性的有机溶剂，也是重要的有机化学品，在有机合成、气体分离、电池电介质以及金属萃取等领域得到了广泛的应用。它可用作增塑剂、纺丝溶剂、水溶性染料和涂料的分散剂、油性溶剂、烯烃和芳香烃的萃取剂，氮肥生产中用作脱碳溶剂，用在第二代锂离子电池中作电解液以保护石墨阳极。它是高效脱硫脱碳(二氧化碳)溶剂，用于天然气净化，合成氨原料气净化和制氢等工业部门。它的另外一个新用 途是用于木材粘合，例如它与异氰酸酯按一定比例混合用作木材黏合剂。
[0004]亚甲基碳酸酯的合成技术，和其它许多化学品的合成方法进展过程一样，经历了由落后逐步变先进，原材料利用逐渐合理，原子利用率逐步由低变高，污染物排放逐渐变小这种符合主客观认识规律的过程。其合成方法经历了氯丙醇法、光气法、酯交换法和CO2与环氧化合物直接合成法。目前研究最多的方法是CO2与环氧直接合成法。此方法在不断地完善，主要从改变反应的催化剂入手，来提高环氧的转化率和产品的收率。但是以往此反应以均相催化为主，如:过渡金属的卤化物、金属酞菁类、叶啉类化合物和有机碱组成的双组分催化剂。均相催化剂有的活性较好，但是由于产物与催化剂的分离和催化剂的回收与利用较困难，同时该类催化剂还存在成本高，制备困难等缺点，这给工业化带来了较大麻烦。已有固载化催化剂有的性能不稳定，有的活性不高。因此开发一种高性能的催化剂具有重要的现实意义。
[0005]光气法是在氮气的保护下由光气与沸腾的醇反应得到亚甲基碳酸酯，由于光气和中间体氯甲酸甲酯都是剧毒的，副产物盐酸的强腐蚀性，对环境污染严重，该法将被淘汰。
[0006]在化学酯交换法的研究中，专利CN201110169203.X在辛酸亚锡和乳酸锌等金属催化下，采用碳酸二乙酯与二醇进行酯交换反应制备亚甲基碳酸酯，但该反应的催化剂辛酸亚锡具有强烈的神经毒性，空气中最高容许度为0.lmg/m3，用于大规模生产不理想。Searles S,Hummel DG等,用钠催化二醇与碳酸二乙酯反应,钠作为活泼金属用于大规模生产同样不安全。ArigaT, Takata T等使用二醇与氯甲酸乙酯和四氢呋喃冰盐浴反应,反应温度苛刻且氯甲酸乙酯高度易燃且吸入有极高毒性。
[0007]酶作为一种生物催化剂，近年来己被人们广泛应用于食品生产与检测、环保技术、生物技术、生物医药等领域。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，研究和应用最广泛的脂肪酶(Lipase，EC3.1.1.3)是一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，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，此酶为固定化酶，载体为大孔丙烯酸树脂，价格高昂(I克约20元人民币)，不利于酶法制备化工原料的工业化生产。采用生物酶法制备亚甲基碳酸酯还未见报道。
[0008]另外，酶作为催化剂催化油脂和短链醇进行转酯化反应时，短链醇会降低酶的活性，因此，寻找一种能稳定酶的酶活的助催剂以提高转酯化反应的产率成为人们的研究热点。近年来，一种新型的绿色化学溶剂一离子液体(ionic liquid)引起了人们的广泛关注。离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的，在100°C以下呈液体状态的盐类，与普通有机溶剂相比，离子液体具有以下优点:离子液体不会挥发，对环境友好，用于工业生产相对比较安全，通过阴阳离子的设计可调节其对物质的溶解性；离子液体与一些有机溶剂互不相溶，可以形成有机溶剂一尚子液体两相系统或者有机溶剂一水一尚子液体三相系统。一般而言，离子液体以3种形式应用于生物催化过程:(I)作为纯溶剂；(2)在水相系统中作为共溶剂；(3)在两相系统中作为共溶剂。脂肪酶是目前在离子液体中进行生物催化反应研究报道最多的一类酶，它可在多种离子液体中存在并催化多种类型的反应，如酯交换反应、氨解反应、水解反应和环氧化反应等。R.M.Lau等首次利用南极假丝酵母脂肪酶B (Candida antarctica lipase B,南极假丝酵母脂肪酶B)证明了其在离子液体中进行生物催化反应的潜力， 如脂肪酶催化丁酸乙酯和丁醇的酯交换反应。P.Lazano等用脂肪酶在离子液体中催化丁酸乙烯酯与正丁醇通过转酯反应合成丁酸丁酯，结果表明脂肪酶在离子液体中的催化活性高于其在有机溶剂中的活性，酶的催化活性随着离子液体极性的增强而升高，而且在连续操作过程中脂肪酶具有很高的稳定性。S.J.Nara等也证实离子液体有使酶催化活性提高的作用。但采用离子液体为脂肪酶的助催剂催化制备亚甲基碳酸酯的方法还未见报道。
[0009]本发明人发现南极假丝酵母脂肪酶(Candida antarctica lipase)可以用于制备亚甲基碳酸酯，对该反应具有专一催化活性，具有高转化率、高选择性、高普适性、工艺简单、环境友好等优点，因此具有广阔的应用前景。
[0010]本发明所使用的南极假丝酵母脂肪酶(Candida antarctica lipase)的菌株首先是在南极洲分离得到的，其目的是寻找一些具有极端性质的脂肪酶。这种菌株可以产生两种性质完全不同的脂肪酶A和脂肪酶B。南极假丝酵母脂肪酶B是一种自由酶，其三维立体结构和氨基酸顺序己被Uppenberg等在1994年研究出来(J.Uppenberg, M.T.Hansen, S.Patkar, T.A.Jones.The Sequence,Crystal Structure Determinationand Refinement of Two Crystal Forms of Lipase B from Candida Antarctica.Structure, 1994,2:293-308)。南极假丝酵母脂肪酶B是一种球状蛋白，由317个氨基酸组成，主要为α/β折叠，南极假丝酵母脂肪酶B的大小约为3()、.4().、50,4。分子量为33KD，等电点pH为6.0。与其它脂肪酶相同的是南极假丝酵母脂肪酶B的催化活性主要由Serl05-Aspl87-His202三联体负责。使用最多的商品化的南极假丝酵母脂肪酶B是诺维信公司的Novozym435固定于大孔丙烯酸树脂,价格昂贵。
【发明内容】
[0011]本发明针对现有技术中化学法合成亚甲基碳酸酯的缺陷，提供一种采用南极假丝酵母脂肪酶B制备亚甲基碳酸酯的方法。
[0012]一种酶法制备亚甲基碳酸酯的方法，包括以下步骤:向反应容器中加入摩尔比为1:1~20的二醇和碳酸二甲酯，再加入二醇和碳酸二甲酯总质量1%~25%的南极假丝酵母脂肪酶B，空气中搅拌反应，反应温度为25~75°C，反应时间为I~160小时，进行转酯反应。
[0013]本发明中1，2-丙二醇和碳酸二甲酯的反应方程式:
[0014]
【权利要求】
1.一种酶法制备亚甲基碳酸酯的方法，其特征在于，包括以下步骤:向反应容器中加入摩尔比为1:1~20的二醇和碳酸二甲酯，再加入二醇和碳酸二甲酯总质量1%~25%的南极假丝酵母脂肪酶B，空气中搅拌反应，反应温度为25~75°C，反应时间为f 160小时，进行转酯反应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的二醇为直链脂肪二醇或支链脂肪二醇。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的直链脂肪二醇为乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇或己二醇。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的支链脂肪二醇为异丙二醇、异丁二醇、仲丁二醇、异戊二醇或新戊二醇。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的反应温度为55°C ;所述的反应时间为48小时。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的二醇和碳酸二甲酯的摩尔比为I:10 ;所述的南极假丝酵母脂肪酶的加入量为二醇和碳酸二甲酯总质量的5%。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的南极假丝酵母脂肪酶B经洗涤干燥后可重复循环使用。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，可向反应容器中加入离子液体作为反应介质。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-`甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
【文档编号】C12P17/04GK103865961SQ201410128803
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】张海波, 周耀靓, 周晓海 申请人:武汉大学