CN101225073B - 一种离子液体及制备方法及在生物转酯合成中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有1-异丁基-3-甲基咪唑结构的离子液体及制备方法及在生物转酯反应中的应用，属有机化合物制备及应用技术领域。采用等摩尔甲基咪唑和溴代异丁烷直接混合，在60℃下反应18小时，随后缓慢升温至85℃继续反应，直至反应体系变成粘稠状透明液体为止，制得1-异丁基-3-甲基咪唑溴化盐。将1-异丁基-3-甲基咪唑溴化盐与等摩尔含不同阴离子的无机盐发生复分解反应而制得各种离子液体粗品(阴离子包括PF6 -和N(CF3)2 -)。离子液体粗品用超纯水洗涤至溴离子检不出时，用5倍体积的丙酮稀释(粘度接近水)，再分别采用活性炭和硅胶脱色，最后减压蒸馏除去丙酮、未反应物制得无色产品。其制备工艺简单、环保、成本低，且所得离子液体纯度高，可应用于光谱研究和生物催化反应。
Description
技术领域
本发明属有机化合物制备及应用技术领域，特别涉及能作为生物转酯反应的良好溶剂。
背景技术
绿色化学的主要特点是原子经济性，即设计合成程序使反应过程中所用的物料能最大限度地进到终极产物中。绿色化学要求所采用的合成方法有高的转化率和优异的选择性。离子液体作为绿色溶剂常用于酶催化、有机合成、化学分离、电化学等一些化学反应过程中。离子液体是指由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的在室温或近于室温下呈液态的盐类，与传统的有机溶剂相比，离子液体具有不可见蒸汽压，不易会发，液体状态温度范围宽，物理化学稳定性好等优点。
近年来，离子液体不仅引起学术界极大兴趣，在国内外重要学术期刊上发表有关离子液体合成及应用的论文数量急剧上升(Ann E.Visser，Richard P.Swatloski and Robin D.Rogers，Green Chemistry，2000，1：1；Timothy I.Morrow andEdward J.Maginn，J. Phys.Chem.B2002，106，12807-12813)，而且受到工业界的广泛重视，五年间共申请中国发明专利236项，美国专利192项。然而，离子液体在非水生物催化中的应用仍处在起步阶段。一方面，人们发现离子液体对酶行为的影响是复杂的，酶在离子液体中表现为活性、稳定性和选择性的显著改善、保持或丧失(Zhen Yang，Wubin Pan，Enzyme and Microbial Technology，2005，37：19-28；Olga Ulbert，Tamas Frater，Katalin Belafi-Bako，Laszlo Gubicza，JournalofMolecular CatalysisB：Enzymatic，2004，31：39-45)。在国内外有关离子液体中脂肪酶催化的转酯反应报道中，最常使用的离子液体是1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。由于该种离子液体具有较高极性和在水中的溶解度相对较大的特性，对酶催化反应中是及其不利的，往往导致酶活性的显著下降，极大地制约着它在生物催化中的实际应用。因此，合成生物友好的离子液体具有十分重要的现实意义。本发明基于对分子结构与离子液体溶剂性质关系的全面分析，设计并合成了一种离子液体具有1-异丁基-3-甲基咪唑结构的离子液体，并应用于生物转酯合成。与传统离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐相比，脂肪酶在离子液体1-异丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中表现出更高的活性、反应性和稳定性，在非水生物催化中具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是合成一种离子液体，其阳离子具有1-异丁基-3-甲基咪唑结构，阴离子包括PF6 -和N(CF3)2 -。该材料具有亲生物性，能为脂肪酶转酯反应提供良好的微环境。
本发明的另一目的在于提供一种离子液体制备及纯化方法。该方法简单实用，可操作性强，所得产品具有较高纯度，能满足光谱研究或生物催化对离子液体纯度的要求。
本发明的又一目的在于提供一种离子液体及制备方法以及在生物转酯合成中的应用。与传统离子液体相比，反应初始速率、平衡转化率和脂肪酶半衰期均有所提高。
本发明提供的制备上述材料的方法如下：
该离子液体的阳离子具有1-异丁基-3-甲基咪唑结构，而阴离子包括PF6 -和N(CF3)2 -。
所述具有1-异丁基-3-甲基咪唑结构的离子液体制备方法，以甲基咪唑和溴代异丁烷为原料，其特征在于：
(1)在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计的三颈烧瓶中，加入1-甲基咪唑与溴代异丁烷，开启电动搅拌器，采用1-甲基咪唑和溴代异丁烷直接混合，在50～65℃下反应18～25小时，随后缓慢升温至85～95℃继续反应，直至反应体系重新变成粘稠状透明液体为止，制得1-异丁基-3-甲基咪唑溴化盐；
(2)将1-异丁基-3-甲基咪唑溴化盐转移至烧杯中，加入去离子水，开启电动搅拌器，分批加入六氟磷酸钾或双(三氟甲基)酰亚胺锂，室温下搅拌4～6.5h以上，弃去上层水相，收集下层粘稠状液体，得包括PF6 -和N(CF3)2 -阴离子的离子液体粗品；
1-甲基咪唑、溴代异丁烷与六氟磷酸钾或双(三氟甲基)酰亚胺锂的摩尔比为1∶1∶1～1∶1.15∶1.125；此过程中不使用有机溶剂，避免了环境污染和安全问题；反应过程中采用分阶段控温工艺，克服了原料氧化，且提高了产率。
(3)用超纯水洗涤离子液体粗品至溴离子检不出后，加入丙酮稀释至粘度接近水为止，再分别采用活性炭和硅胶进行脱色处理，最后采用减压蒸馏方法除去丙酮与未反应物，制得无色产品。这一工艺的特点是以丙酮为离子液体稀释剂，活性炭和硅胶为脱色剂。此纯化方法简单，离子液体损失小，所得离子液体纯度高，能满足光谱研究和生物催化反应对离子液体纯度的要求。离子液体总产率为92％。
本发明所提供的离子液体1-异丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，作为生物转酯反应中绿色介质，脂肪酶表现出较传统离子液体1-异丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐更高的活性、反应性和稳定性。本发明提供的制备方法为：
(1)酶催化的转酯化反应：将2-苯乙醇、乙酸乙烯酯、离子液体或正己烷、脂肪酶粉和超纯水加入到三角烧瓶中，置于恒温水浴振荡器中反应72～80小时，振荡器的温度和转速分别控制在35～38℃和180～200rpm；两种底物2-苯乙醇、乙酸乙烯酯和离子液体的体积比为1∶1∶0.8～1∶1.1∶1；
(2)产物的分离纯化：反应72～80小时后，取出三角烧瓶后加入正己烷，产品乙酸苯乙酯和少量未反应的乙酸乙烯酯由于与正己烷互溶而进入正己烷相，形成上层有机溶液相，脂肪酶-离子液体相由于不溶于正己烷而沉于三角烧瓶底部，取上层有机溶液相；气相检测并计算乙酸苯乙酯得率；
有机溶液相旋转蒸发便分离得到高纯度的产品乙酸苯乙酯。
转酯化反应过程无需除去水，其下层的离子液体和脂肪酶经简单脱水后重复使用。此工艺的特点是使用正己烷为萃取剂，方便地实现产品与离子液体和酶的分离。
按以上方法中，2-苯乙醇的平衡转化率达67％，脂肪酶活性和半衰期分别为1.5×10-2U/mg和779h。
本发明与现有的技术相比具有的优点是：
1、离子液体合成工艺简单，可操作性强，且产率高达92％；没有使用甲苯等有机溶剂，是一个绿色环保的特点。
2、以丙酮为稀释剂的离子液体纯化工艺路线简单，所得产品接近无色，可满足光谱研究和生物催化对离子液体纯度的要求。
3、离子液体1-异丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐作为脂肪酶催化转酯反应提供良好的微环境。与传统离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐相比，反应初始速率、平衡转化率和脂肪酶半衰期提高1.5、1.2和2.7倍。
4、脂肪酶能被重复使用10次以上，酶活和稳定性基本保持不变，对降低成本和实现连续生产都是十分重要的。
5、与有机溶剂相比，离子液体在通常情况下没有可检测到的蒸汽压，从而避免了因有机溶剂挥发而导致的环境污染和安全问题。
具体实施方式
1.离子液体的制备
(1)在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计的三颈烧瓶中，加入1摩尔1-甲基咪唑与1摩尔溴代异丁烷，开启电动搅拌器，缓慢升温至60℃并保温反应18h，随后缓慢升高温度到85℃继续反应，直至反应体系重新变成粘稠状透明液体为止，收集下层粘稠状液体，得到淡黄色1-异丁基-3-甲基咪唑溴化盐。
(2)将(1)所得中间产物1-异丁基-3-甲基咪唑溴化盐转移至烧杯中，加入去离子水1000ml，开启电动搅拌器，分批加入1摩尔KPF6或Li N(CF3)2，室温下搅拌4h以上，弃去上层水相，用水洗涤离子液体直到溴离子检不出为止(用硝酸银检查溴离子)。
2.离子液体的纯化
在离子液体中，加入5倍体积的丙酮作稀释剂，使其粘度接近水，再分别加入150克活性炭和250克硅胶进行脱色处理，最后用减压蒸馏方法除去丙酮与未反应物，制得无色产品。
3.1-异丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐应用于生物转酯合成反应
(1)酶催化的转酯化反应
将1.5ml 2-苯乙醇(12.5mmol)，1.5ml乙酸乙烯酯(16.2mmol)，1.2ml离子液体或正己烷，30mg脂肪酶粉和240μl超纯水加入到25ml的三角烧瓶中，置于恒温水浴振荡器中反应72小时，振荡器的温度和转速分别控制在35℃和180rpm。
(2)产物的分离纯化
反应72小时后，取出三角烧瓶后加入15ml正己烷，有机溶液相(主要为产品乙酸苯乙酯和少量未反应的乙酸乙烯酯)由于与正己烷互溶而进入正己烷相，脂肪酶-离子液体相由于不溶于正己烷而沉于三角烧瓶底部，取上层有机溶液相。气相检测并计算乙酸苯乙酯得率。有机溶液相旋转蒸发便分离得到了高纯度的产品乙酸苯乙酯转，转酯化反应过程无需除水，其下层的离子液体和脂肪酶经简单脱水后可重复使用。
(3)酶活测定
反应过程如上述步骤(1)所述，纯化步骤如(2)所述。气相色谱检测产物乙酸苯乙酯含量并用于计算酶的活力。1个酶活单位U的定义为单位时间内每生成1μmol乙酸苯乙酯所需要的脂肪酶的量。
(4)脂肪酶半衰期的测定
将离子液体或正己烷，脂肪酶粉和超纯水加入到25ml的三角烧瓶中，置于35℃的水浴中保温，不同的时间取样，加入反应底物，将三角烧瓶置于恒温水浴振荡器中反应72小时，振荡器的温度和转速分别控制在35℃和180rpm。纯化步骤如(2)所述。半衰期计算公式A＝A0e-kt，其中k是一级失活速率常数，A0为初始酶活，A为剩余酶活。
(5)气相检测
内标法检测乙酸苯乙酯的含量。取300μl如(2)所述的有机相并加入100μl乙酸苄酯(内标)用于气相检测。
本发明的制备工艺简单、环保、成本低，且所得离子液体纯度高，可应用于光谱研究和生物催化反应。
采用离子液体1-异丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐替代有机溶剂作为生物转酯反应介质，避免了因有机溶剂挥发而产生的环境污染和安全问题。与传统离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐相比，脂肪酶在离子液体1-异丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中表现出更高的活性、反应性和稳定性，在非水生物催化中具有很好的应用前景。
Claims (2)
1.一种离子液体在脂肪酶催化转酯制备乙酸苯乙酯中的应用，其特征在于：
(1)酶催化的转酯化反应：将2-苯乙醇、乙酸乙烯酯、离子液体、脂肪酶粉和超纯水加入到三角烧瓶中，置于恒温水浴振荡器中反应72～80小时，振荡器的温度和转速分别控制在35～38℃和180～200rpm；两种底物2-苯乙醇、乙酸乙烯酯和离子液体的体积比为1∶1∶0.8～1∶1.1∶1；
(2)产物的分离纯化：反应72～80小时后，取出三角烧瓶后加入正己烷，产品乙酸苯乙酯和少量未反应的乙酸乙烯酯由于与正己烷互溶而进入正己烷相，形成上层有机溶液相，脂肪酶-离子液体相由于不溶于正己烷而沉于三角烧瓶底部，取上层有机溶液相；气相检测并计算乙酸苯乙酯得率；
有机溶液相旋转蒸发便分离得到产品乙酸苯乙酯；
所述离子液体的阳离子具有1-异丁基-3-甲基咪唑结构，而阴离子为PF6 -。
2.如权利要求1所述离子液体在脂肪酶催化转酯制备乙酸苯乙酯中的应用，其特征是：转酯化反应过程无需除去水，其下层的离子液体和脂肪酶经脱水后重复使用。
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