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阿魏酸甘油酯的酯交换合成(一)

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周世红 2022-01-06 21:49 评论( 0 ) 浏览( 1378 )

阿魏酸甘油酯的另一种合成方式是利用阿魏酸乙酯和甘油或植物油发生酯交换反应。此法相比较于酯化合成,产率会提高,例如,Sun等曾尝试通过用南极假丝酵母脂肪酶(Novozym435)催化阿魏酸和甘油来合成阿魏酸甘油酯。然而,在反应14h后阿魏酸甘油酯的产率仅为10%,如此低的反应速率在于阿魏酸在甘油中的有限溶解。接着,改用Novozym435催化阿魏酸乙酯与甘油(摩尔比1:10)的酯交换反应获得阿魏酸甘油酯,并比较了真空旋转蒸发、真空磁力搅拌和轨道培养箱摇动三种合成方法下阿魏酸乙酯转化率和阿魏酸甘油酯收率的大小。结果发现,在真空旋转蒸发合成方法下,阿魏酸乙酯实现全部转化,且阿魏酸甘油酯收率高达96%,这一结果归因于外部传质的消除和乙醇去除的效率;也说明相较于阿魏酸,Novozym435对阿魏酸乙酯具有更高的底物活性。产物经核磁共振氢谱和液质联用分析确定是1-阿魏酸单甘油酯。为了减少甘油的使用量,David等将阿魏酸乙酯和甘油按照1:1的比例在固定化酶的催化下合成阿魏酸单甘油酯,虽然降低了甘油的用量,但该反应时间长(7d),其中未知的因素会对最后的得率产生一定影响。

阿魏酸甘油酯的合成有一些是在无溶剂体系下且使用各种功能化的离子液体作为催化剂进行反应的。在无溶剂体系下,阿魏酸乙酯和甘油发生酯交换反应合成1-阿魏酸单甘油酯,并以反应物的转化率、产物的收率和产物的反应选择性(产物的收彰反应物的转化率)为参考指标,选出最优离子体系。结果显示,在1-丁基磺酸-3-甲基咪唑甲苯磺酸盐([BSO3HMIM]TS)离子液体体系中,获得了较高反应物的转化率(98.0±1.5)%、1-阿魏酸单甘油酯收率(88.7±1.1)%和1一阿魏酸单甘油酯的反应选择性(90.5±2.1)%,这与SO3H-功能化离子液体在温和条件下显示出比非功能化离子液体更高的催化活性理论一致,这是因为S03H-官能团的存在可以明显提高反应物的酸性和溶解性。

Sun等考察了工艺参数(反应温度、酶浓度和底物浓度比)和动力学常数对在1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM]PF6)离子体系中用固定化脂肪酶Novozym435催化阿魏酸乙酯与甘油的酯交换反应的影响。结果显示,在[BMIM]PF6离子体系中,在80℃、Novozym435浓度为60mg/mL、反应物摩尔比为1:1时,阿魏酸甘油酯(sn-1-阿魏酸单甘油酯和sn-1,3-二阿魏酸甘油酯)的产率最高,为(63.72±1.26)%。因此,酶促酯交换反应可以用Ping-PongBi-Bi动力学机制来模拟,动力学常数可通过上述模型的非线性回归分析获得,Vmax、KM分别为12.01mol/(L·min)、0.23mol/L,表明酶与阿魏酸乙酯的亲和力高于甘油;K1为1.20mol/L,这归因于酶微环境中形成的甘油位阻层以及阿魏酸乙酯的给电子位阻和空间位阻。

在随后的研究中,Sun等比较了离子液体和有机溶剂(异辛烷、叔丁醇、丁酮、环己烷、甲苯、正己烷和正丁醇)对阿魏酸乙酯与甘油、甘油单酯或甘油二酯通过固定化脂肪酶Novozym435催化反应结果的影响。对于离子液体,[Hmim]BF4、[Emim]BF4和[Bmim]BF4作为反应介质,48h后阿魏酸乙酯的转化率低于10%,这可能是因为亲水性强的BF4-离子液体与底物的相容性差以及酶在亲水性介质中结合水的损失;[Emim]PF6、[Bmim]PF6和[Omim]PR作为反应介质,48h后阿魏酸乙酯的转化率分别为(94.0±2.1)%、(86.3±2.0)%和(67.0±1.8)%,这一结果可以解释为:有PF6-阴离子的离子液体,其疏水性和黏度随着碳链的变长而发生改变,而后导致反应体系传质受限;[Mmim]TF2N、[Emim]TF2N、[Bmim]TF2N作为反应介质,48h后阿魏酸乙酯的转化率分别为(87.8±2.6)%、(83.8±2.4)%和(76.3±2.1)%;PF6-和TF2N-的反应选择性介于0.75-0.81之间,其中[Emim]TF2N为0.91,但都低于BF4-(约为1)。考虑阿魏酸乙酯的转化率、反应选择性、产物纯化和脂肪酶的稳定性,故选择[Emim]TF2N作为最佳离子液体。对于有机溶剂,结果显示,以异辛烷、环己烷和正己烷作为反应溶剂在反应48h后,阿魏酸乙酯的转化率为(74.4±1.5)%、(73.2%±0.8)%和(79.2±1.2)%,均高于对照组的其他溶剂,又因正己烷较低的极性使其反应选择性(0.83)高于其他溶剂,因此,正己烷对水溶性阿魏酰化衍生物表现出优异的选择性。

相关链接:阿魏酸环己烷脂肪酶

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