酶催化酯交换动力学拆分卤代扁桃酸对映体的研究

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在医药生产、精细有机合成、农药化学等领域,卤代扁桃酸作为一种非常重要的手性中间体被广泛应用,而对光学纯卤代扁桃酸的需求更是不断增大。因此,高效且经济环保的拆分方法具有重要的研究及经济价值。本论文使用生物催化剂实现了在有机相中对2-氟扁桃酸、3-氟扁桃酸、4-氟扁桃酸、4-氯扁桃酸、4-溴扁桃酸共五种卤代扁桃酸对映体的高效拆分。研究了有机相中脂肪酶立体选择性催化2-氟扁桃酸、3-氟扁桃酸、4-氟扁桃酸对映体与酰基供体的酯交换反应,通过对酶种类、酰基供体、溶剂、温度、酶用量和时间等实验参数进行考察,分别构建荧光假单胞菌脂肪酶催化拆分2-氟扁桃酸、3-氟扁桃酸、4-氟扁桃酸对映体的最优反应体系。其中,2-氟扁桃酸最佳的拆分反应条件为:10 mmol/L 2-氟扁桃酸与60 mmol/L丙酸乙烯酯在2 m L甲基叔丁基醚中进行酯交换反应,温度为55℃,酶用量为50 mg,反应9 h;3-氟扁桃酸最佳的反应条件为:底物浓度为10 mmol/L 3-氟扁桃酸与60mmol/L丙酸乙烯酯在2 m L 1,2-二氯乙烷中进行酯交换反应,温度为65℃,酶用量为45mg,反应3.5 h;4-氟扁桃酸最佳的反应条件为:底物浓度为10 mmol/L 4-氟扁桃酸与60mmol/L乙酸乙烯酯在2 m L甲基叔丁基醚中进行酯交换反应,温度为55℃,酶用量为45mg,反应3.5 h。最佳条件下,2-氟扁桃酸、3-氟扁桃酸、4-氟扁桃酸与酰基供体的酯交换反应分别可获得50.05%、49.81%和49.84%的转化率(c)以及97.23%、97%和98%的产物对映体过剩量(eep)。并且基于三个拆分体系,对酶催化拆分不同取代位置的三种扁桃酸反应过程进行对比研究,由于位阻效应和电子效应等影响,对位取代的扁桃酸在酶催化反应过程中速率最快。洋葱假单胞菌脂肪酶(PCL)作为生物催化剂,以Ui O-67(Zr)为固定化载体,通过共价键法制备了固定化酶PCL@Ui O-67(Zr),经过表征分析,PCL固定在MOFs表面。PCL@Ui O-67(Zr)用于在有机相中催化拆分4-氯扁桃酸对映体,对温度、酶用量和反应时间等条件进行优化。得到PCL@Ui O-67(Zr)在催化4-氯扁桃酸拆分应用中最佳的反应条件为:在2 m L甲基叔丁基醚中,底物浓度为20 mmol/L 4-氯扁桃酸与120 mmol/L乙酸乙烯酯进行酯交换反应,温度为55℃,酶用量为30 mg,反应18 h后,获得47.67%的总转化率和97.1%的产物对映体过剩量。5次重复使用后,活性降低为初始活性的一半。合成了锆基金属有机框架材料NH2-Ui O-66(Zr),并将其作为固定化载体,将荧光假单胞菌脂肪酶(PFL)共价固定在NH2-Ui O-66(Zr)上。制备了固定化酶PFL@NH2-Ui O-66(Zr),分析表征表明脂肪酶固定在载体表面。PFL@NH2-Ui O-66(Zr)用于在有机相中催化拆分4-溴扁桃酸对映体。优化了溶剂、温度、酶用量和反应时间等反应条件。比较了游离的PFL和固定化酶PFL@NH2-Ui O-66(Zr)的催化性能,发现固定化酶PFL@NH2-Ui O-66(Zr)比游离PFL具有更好溶剂和温度耐受性,而且有着更好的催化活性。通过条件优化得到PFL@NH2-Ui O-66(Zr)催化拆分4-溴扁桃酸对映体最佳的反应条件为:底物浓度为4-溴扁桃酸20mmol/L、乙酸乙烯酯浓度为120 mmol/L时,在2 m L甲基叔丁基醚中,温度为55℃,酶用量为15 mg,反应7 h后,在该反应条件下获得总转化率和产物对映体过剩量分别为48.9%和98.1%,而同等酶含量的游离PFL催化反应总转化率为15%。并且固定化酶具有良好的循环使用性能,重复连续使用三次,活性无明显下降。
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