化學(xué)-酶法合成（S）-α-氰基芐醇乙酸酯及其動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、光學(xué)活性氰醇是一類具有重要應(yīng)用價(jià)值的手性中間體，它很容易轉(zhuǎn)化為β-氨基醇、α-羥基酸、α-羥基酮等許多手性物質(zhì)，進(jìn)而合成其它多種光學(xué)活性化合物，因而在醫(yī)藥、農(nóng)藥等精細(xì)化工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光學(xué)活性(S)-α-氰基芐醇是其中的重要中間體。它的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在室溫下就不穩(wěn)定，將其制成相應(yīng)的酯類是一種明智的選擇。利用化學(xué)催化劑與生物催化劑的相容性通過(guò)一鍋化反應(yīng)合成(S)-α-氰基芐醇乙酸酯是本文的基本思路。 選擇一種合適的化

2、學(xué)催化劑很有必要。研究了樹脂D301和D201在甲苯體系中催化合成消旋α-氰基芐醇的過(guò)程。樹脂D301催化的最佳初始丙酮氰醇濃度為苯甲醛濃度的2倍，而樹脂D201催化時(shí)的最佳初始丙酮氰醇濃度為苯甲醛濃度的3倍，反應(yīng)溫度為40℃。該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，其內(nèi)、外擴(kuò)散可以排除。以甲苯體系樹脂D201催化合成消旋α-氰基芐醇為對(duì)象，研究了該反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)速度方程為：其中matlab對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了擬合求解，可得方程中各參數(shù)為：k<,1>=

3、1.210×10<'-5>L/mol/s，k<,1>=3.606×10<'-4> s<'-1>，k<,2>=1.803×10<'-4> s<'-1>，k<,-2>=8.652×10<'-3>L<'2>/mol<'2>/s，k<,3>=6.438×10<'-3>L<'2>/mol<'2>/s，k<,3>=6.820×10<'-7>s<'-1>，k=1.790×10<'-6> s<'-1>，k<,-4>=8.638×10<'-5>L/mol

4、/s。其誤差為7.87％，該動(dòng)力學(xué)模型能很好的描述該反應(yīng)過(guò)程。 研究了有機(jī)溶劑中脂肪酶催化轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)拆分α-氰基芐醇的過(guò)程?？疾炝酥久?、溶劑、溫度、外擴(kuò)散、酶量、底物濃度以及苯甲醛、苯甲酸等因素對(duì)反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ZJU008號(hào)酶(Alcaligrenes sp.)具有最高的催化活性和最好的對(duì)映體選擇性，無(wú)溶劑體系中實(shí)驗(yàn)確定的最佳反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度為40℃，為了消除傳質(zhì)的影響搖床轉(zhuǎn)速應(yīng)大于180r/min，酶量為10m

5、g/mL，底物初始濃度為100mmol/L，反應(yīng)300min，產(chǎn)物產(chǎn)率為49.32％，產(chǎn)物e．e．值為99％。苯甲醛和苯甲酸對(duì)反應(yīng)有很強(qiáng)的抑制作用，反應(yīng)不存在底物和產(chǎn)物抑制。該反應(yīng)在甲苯中進(jìn)行時(shí)，初始乙酸乙烯酯的濃度應(yīng)為α-氰基芐醇濃度的3倍。反應(yīng)的內(nèi)、外擴(kuò)散可以忽略。該反應(yīng)的機(jī)理為無(wú)底物和產(chǎn)物抑制的乒乓雙雙反應(yīng)，由此推導(dǎo)得到無(wú)溶劑體系中反應(yīng)速度方程為：v=對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到模型參數(shù)為V<,m>=0.0060 mol/L/min，

6、K<,A>=0.4390mol/L，K<,AB>=12.9552，K<,BA>=0.3431，K<,QA>=0.3059，K<,BQA>=12.7496 L/mol。模型誤差為8.61％，模型計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能較好地吻合。對(duì)一鍋化反應(yīng)的反應(yīng)特性進(jìn)行了考察。主要是研究了溶劑，溫度，內(nèi)、外擴(kuò)散及底物濃度對(duì)該反應(yīng)的影響。當(dāng)反應(yīng)在無(wú)溶劑體系中用樹脂D301作為化學(xué)催化劑時(shí)，苯甲醛濃度為100mmol/L，丙酮氰醇的初始濃度為1500mmol/L

7、，樹脂濃度5mg/mL，酶濃度10mg/mL，40℃，反應(yīng)120h，產(chǎn)物產(chǎn)率可以達(dá)到92.52％，e．e．值為46.9％。樹脂D301可以催化α-氰基芐醇和乙酸乙烯酯發(fā)生反應(yīng)，這是造成e．e．值低的主要原因。溫度升高和初始酶濃度的提高對(duì)產(chǎn)物的e．e．值有較大的影響。當(dāng)反應(yīng)在甲苯體系中用樹脂D201作為化學(xué)催化劑時(shí)，其最優(yōu)反應(yīng)條件為：初始苯甲醛濃度為100mmol/L，丙酮氰醇濃度為600mmol/L，乙酸乙烯酯濃度為600mmol/L，

8、樹脂濃度5mg/mL，酶濃度10mg/mL，40℃，220r/min，反應(yīng)120h，產(chǎn)物產(chǎn)率為47.05％，e．e．值為93.63％。對(duì)該反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，反應(yīng)速度方程為：利用matlab對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了擬合求解，可得各參數(shù)為：k<,5>=1.758×10<'-6> L/mol/s，k<,-5>=4.619×10<'-5>s<'-1>，k<,6>=5.358×10<'-5>s<'-1>，k<,7>=4.942×10<'-6>

9、L/mol/s，k<,-7>=3.315×10<'-5>s<'-1>，k<,8>=7.232×10<'-6> L/mol/s，k<,-8>=4.440×10<'-5>s<'-1>，k<,9>=4.332×10<'-5>L/mol/s，L<,-9>=1.438×10<'-5>s<'-1>，k<,10>=8.574×10<'-6> L/mol/s，k<,-10>=1.170×10<'-5>s<'-1>。模型誤差僅為3.89％，模型計(jì)算值和實(shí)

10、驗(yàn)值能很好的符合。通過(guò)在反應(yīng)過(guò)程中添加酶和乙酸乙烯酯，可以提高產(chǎn)物產(chǎn)率達(dá)72.83％，e．e．值為90.23％。該方法能顯著提高產(chǎn)物的產(chǎn)率，突破了傳統(tǒng)拆分過(guò)程產(chǎn)率不高于50％的限制。 解決了α-氰基芐醇和α-氰基芐醇乙酸酯的分離問(wèn)題。分離過(guò)程選用萃取分離的方法，正己烷-水為最佳的萃取劑。優(yōu)化了萃取操作條件：適宜的水相pH為1～2之間，操作溫度為40℃以下。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)α-氰基芐醇和α-氰基芐醇乙酸酯進(jìn)行實(shí)際的分離操作，