CN102439066A - 用于纤维素水解的印迹仿生催化剂 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了将葡萄糖聚合物如纤维素和寡聚物如纤维二糖水解为葡萄糖用于随后生产乙醇的方法和仿生催化剂。

Description

用于纤维素水解的印迹仿生催化剂
发明背景
数十年来，精炼石油产品一直是主要能源。不幸的是，由于过量的需求和逐渐减小的供给，最近几年基于精炼石油和基于原油的产品价格都在飙升。此外，石油产品在燃烧时大大地促进了正在持续的全球变暖危机。由于许多与石油产品相关的问题，对探索替代能源存在浓厚兴趣。基于石油的燃料的一种替代品是乙醇。
乙醇通常由蔗糖或葡萄糖的酵母发酵进行生产，蔗糖和葡萄糖的结构如图1所示(Wang，M.，et al.Effect of Fuel Ethanol Use on Fuel-Cycle Energy andGreenhouse Gas Emission；Argonne National Laboratory：Argonne，1999.)。用乙醇代替基于石油的燃料的可行性已经被成功证明。例如，在巴西，源自甘蔗的乙醇在很大程度上代替了基于石油的燃料(Sperling，D.；Gordon，D.，Two billion cars：driving toward sustainability.Oxford University Press：New York，2009.)。
尽管乙醇显示了作为替代燃料源的希望，但是有许多障碍妨碍了乙醇生产在美国的增长。具体地，生产乙醇所需的原材料例如蔗糖和葡萄糖是常见食物。例如，蔗糖是非还原性二糖，由葡萄糖和果糖组成，主要由甘蔗或糖用甜菜生产。葡萄糖由植物淀粉(α连接的葡糖苷的重复聚合物)水解生产，主要源自玉米。对生产乙醇所需要的原材料的需求与对食品的需求竞争，导致食品和燃料价格都上涨。源自玉米的乙醇的潜在益处进一步被这样的研究所减弱，所述研究显示基于玉米的乙醇可能有净气候变暖效应(Crutzen，P.J.，et al.，Atmospheric Chemistry andPhysics 2008，8，(2)，389-395.)。
在减轻一些与基于玉米的乙醇生产相关的问题的尝试中，乙醇工业界将注意转移到由纤维素开发葡萄糖的方法。纤维素是由β-1，4连接的葡糖苷组成的聚合物，可以在几乎所有植物材料中找到。因此，将纤维素水解成葡萄糖的有效方法可以允许乙醇生产能力接近预测的地球上植物每年正常产生的1011吨纤维素。
大量的纤维素甚至可以从作物残留物例如玉米秸秆、甘蔗渣以及甚至基于纤维素的垃圾中获得。这些材料将是可持续的，易于收集并且非常便宜(Saha，B.C.，et al.In Fuel ethanol production from corn fiber-Current status and technical prospects，1998；Humana Press Inc：1998；pp 115-125；Tucker，M.P.，et al.In Conversion ofdistiller′s grain into fuel alcohol and a higher-value animal feed by dilute-acidpretreatment，2004；HumanaPress Inc：2004；pp 1139-1159.)。纤维素相对蔗糖的另一个优势是纤维素水解只产生葡萄糖，酵母喜欢葡萄糖超过蔗糖。
即使纤维素无疑是世界上最丰富的生物材料，但将纤维素直接水解为葡萄糖并非易事。考虑到与水解相关的困难，大部分大规模水解纤维素的尝试已经致力于使用纤维素酶，纤维素酶是一类催化纤维素水解的酶。研究也致力于修饰酶的制备，所述修饰酶被改造成在水解纤维素所需的极高温和pH条件下更稳定。(Sun，Y.et al.Bioresource Technology 2002，83，(1)，1-11；Wright，J.D.Chemical EngineeringProgress 1988，84，(8)，62-74.)。
尽管制备能将纤维素水解成葡萄糖的纤维素酶有一些成功，但即使最热稳定的纤维素酶也是昂贵的而且寿命相对短。此外，基于酶的水解通常需要数天来完成所需的反应。分离和重复使用纤维素酶也很困难，导致使用这些试剂的任何工艺更昂贵。这些多种问题的组合严重阻碍了从木质纤维材料经济地生产乙醇。因此，开发和使用一种或多种能模拟外切糖苷酶(从纤维素寡糖或多糖切割末端葡萄糖残基的酶)和/或内切糖苷酶(切割内部键合的葡萄糖聚合物的酶)的无机催化剂将是有用的。
无机催化剂与生物催化剂不同，能成功地耐受苛刻的条件并可以反复使用而不丧失活性。此外，即使无机催化剂比目前已知的酶活性低，这种无机催化剂也可以具有显著的商业重要性。例如，比相应的酶活性低100倍，但生产费用低1000倍，在纤维素水解所需的条件下稳定100倍的基于二氧化硅的沸石将是基于酶的技术的商业上有吸引力的替代物。
最近制备用于多种目的的无机催化剂的努力已经致力于使用分子印迹的策略。(Gupta，R.，et al.Biotechnology Advances 2008，26，(6)，533-547；Katz，A.，et al.Nature 2000，403，(6767)，286-289.)。在分子印迹中，印迹模板起模型(form)的作用，可交联单体在所述印迹模板周围共聚合以形成浇铸样(cast-like)壳体。不希望受任何具体理论限制，据信给定的印迹反应中的单体通过共价和/或非共价相互作用与所述模板形成复合物。所述单体随后在所述模板存在的情况下聚合。
在聚合后，所述印迹模板被去除，暴露在尺寸和形状上与所述模板互补的空腔。这些空腔基本上是印迹模板的负像，随后能选择性地再次结合所述模板或与所述模板类似的分子。所述没有模板的聚合物或共聚物可以称为“分子印迹聚合物”(“MIP”)。MIP具有生物受体最重要的特征——识别。
如上所述，MIP可以包含交联的聚合物。它们也可以包含无定形金属氧化物或沸石。金属氧化物和沸石可以使用多种已知技术进行印迹。在一些情况下，产生的空腔或孔是印迹分子聚合物的诱导契合。这些聚合物可以随后使用所述印迹结构能承受的可估计的热能由所述MIP水解。
多种模板适于制备MIP，包括但不限于药物、杀虫剂、氨基酸、肽、核苷酸碱基、类固醇和糖。目标分子的衍生物可以用作模板。这些衍生物通常模拟原目标分子的三维结构和功能，但产生具有改善性质的MIP。改善性质的实例包括但不限于增加的催化率、更长的催化剂寿命、增加的高温稳定性或增加的各种pH稳定性。
现在有至少四种分子印迹的方法。这些技术使用各种分子进行印迹，包括底物类似物、过渡态类似物、产物类似物和辅因子。
底物类似物的使用包括使用模拟底物和基质之间反应复合物的化合物。通过用印迹物(print species)“引诱”将催化基团引入位点，催化基团随后在与真正的底物结合后发挥催化作用。由于所述诱饵分子(bait molecule)与任何一种反应物都几乎不相似，可以避免底物抑制。使用该策略的早期尝试是制备具有酯水解活性的印迹基质。在这些基质中，使用钴(II)离子在印迹过程中配位催化活性的乙烯基咪唑基团和模板。随后将底物(甲硫氨酸或亮氨酸的对硝基苯酯)引入到位点导致加速的和底物特异性的活化氨基酸类似物水解。
该策略也被评价来研究涉及α氟酮的脱卤化氢作用机制。在该反应中，印迹的基质促进的催化导致脱氟化氢作用的速度与溶液反应相比增加约600倍(由kcat/kuncat计算，其中kcat是催化反应的速度，kuncat是未催化反应的速度)。同样的反应也可以通过反向系统(reverse system)完成，其中使用羧酸印迹分子作为诱饵，定位聚合物中的氨基基团。
也研究了苯并异
Figure BPA00001464458100031
唑的异构化。在该研究中，使用吲哚作为底物类似物，定位基质中的吡啶基团。获得的基质被证明非常高效，比催化的溶液反应速度提高[(kcat/KM)/kuncat]40000倍。对于苯甲酸酐的二硝基酚解也使用了底物策略，其中使用相应的苯甲酰胺作为模板。
另一种用分子印迹材料催化的方法是使用过渡态类似物(TSA)作为模板。当使用过渡态类似物时，基质的识别位点被设计为稳定给定反应的过渡态，从而降低反应的跃迁能并导致增加的反应速度。例如，酯水解的过渡态可以用膦酸酯衍生物模拟，此特点被用于制备多种分子印迹材料。
在使用可聚合的脒衍生物印迹膦酸酯时使用了TSA方法。针对与所述膦酸酯类似的羧酸酯水解测试了该催化剂，导致催化效率提高。印迹基质的相对反应速度比未催化的溶液反应高100倍，比参考聚合物有效5倍。
在许多情况下也使用产物类似物作为模板。然而，使用这些模板制备的催化聚合物可能对抑制敏感。而选择适当的模板能克服这种抑制。例如，使用产物类似物作为模板，产生了四氯噻吩二氧化物和马来酐之间狄尔斯-阿尔德反应的催化剂。
所述狄尔斯-阿尔德反应具有内在的熵垒(entropic barrier)，为发生有效的催化，需要实现二烯和亲二烯体的充分稳定。在此研究中，使用产物类似物氯菌酸酐作为印迹方案中的模板。由于对模板的明智选择，抑制被最小化。获得的基质使狄尔斯-阿尔德反应的速度提高了约270倍。
另一种策略是使用印迹的辅因子。天然酶通常使用辅因子实现有效的催化，因为被作用的蛋白通常缺乏携带反应性亲电子基团的侧链。所述辅因子使基团转移反应能够进行。此外，辅因子能被容易地运送到需要它们的位置。这些辅因子可以包括金属离子，所述金属离子能在例如促进羰基基团极化和结合水分子中起路易斯酸的作用。此外，辅酶能促进许多反应，例如氧化还原作用过程、(去)羧化作用和转氨基作用。
例如，在印迹方案中采用了对许多酶而言常见的使用辅酶磷酸吡哆醛的酶促反应涉及的化学。使用N-吡哆基-L-苯丙氨酸苯胺作为模板。分析了获得的印迹聚合物催化游离吡哆醛和苯丙氨酸之间加合物形成的能力。记录了与参考聚合物相比速度提高了8倍。
在制备II类醛缩酶模拟物中报告了金属配位辅助催化的实例。将反应性中间产物(二苯甲酰甲烷)的类似物与钴(II)离子的复合物在基于聚苯乙烯的共聚物系统中与4-乙烯基吡啶结合进行印迹。所述聚合物能催化乙酰苯和苯甲醛的缩合以产生查耳酮，所得的活性比溶液反应高8倍。可以记录底物选择性和真周转(trueturnover)。
除了上述实施方式，研究还证明中孔的有机-无机二氧化硅催化剂可以用于水解纤维素的亚单元。参见，例如Bootsma，J.A.，et al.，Applied Catalysis a-General2007，327，(1)，44-51和Bootsma，J.A.，et al.，Bioresource Technology 2008，99，(12)，5226-5231。发现这些参考文献中描述的过程的活化能与使用同性质(homogeneous)有机酸的纤维素水解反应中报道的活化能相似。尽管这些研究显示了使用无机催化剂水解纤维素的可行性，但是这些参考文献中描述的二氧化硅催化剂缺乏天然酶的特异性并使纤维素亚单元大量降解为葡萄糖以外的化合物。
因此，为实现从纤维素大量生产乙醇，对将纤维素水解为葡萄糖用于随后发酵的可规模化的、化学上稳健的并且经济的工艺存在长期感受到但未满足的需求。本发明满足了这一需求。
发明概述
本发明涉及能结合至少一种葡萄糖底物并将其水解成葡萄糖的印迹中孔二氧化硅催化剂。本发明还包含制备所述催化剂的方法以及在水解反应中使用所述催化剂的方法。
在一些实施方式中，本发明可以包含仿生催化剂。所述催化剂可以包含聚合二氧化硅基质、印迹于所述基质中的至少一个活性位点和所述活性位点中的至少一种酸性官能度(functionality)。
在一些实施方式中，所述至少一种酸性官能度选自酚、羧酸和硫酸。
在一些实施方式中，所述活性位点能结合至少一种葡萄糖底物。
本发明还包含制备仿生催化剂的方法。所述方法包括在印迹分子存在的情况下使至少一种四原硅酸酯(tetraorthosilicate)与至少一种硅烷反应，以形成浸渍有所述印迹分子的聚合二氧化硅基质的步骤。至少1mol％的所述至少一种硅烷是酸官能化的硅烷。所述方法还包括分离所述浸渍的聚合二氧化硅基质；和通过洗涤或燃烧(burning)除去所述印迹分子，以形成用所述印迹分子的结构印迹的二氧化硅基质。
在一些实施方式中，所述至少一种四原硅酸酯选自式I、II、III和IV：
Figure BPA00001464458100051
式I         式II         式III          式IV
其中R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；G1是C1-C6烷基、
Figure BPA00001464458100061
Figure BPA00001464458100062
在一些实施方式中，R1每次出现时是CH2CH3。
在一些实施方式中，所述至少一种硅烷是根据式V、VI或VII其中之一的化合物：
Figure BPA00001464458100063
其中R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；R2每次出现时独立地是或用至少一个选自R4和
Figure BPA00001464458100065
的取代基任选取代的C1-C6烷基；R3是用选自R4和
Figure BPA00001464458100066
的取代基任选取代的C1-C6烷基；R4是SH、NH2、OH、CO2H或SO3H；R5是H、NH2、OH、SO2Cl、CO2H或SO3H。条件是R4是SH或R5是SO2Cl时，硫羟或氯磺酰(chlorosulfonyl)基团在所述印迹分子的除去后被氧化为SO3H。
本发明还提供了用于生产葡萄糖的方法，所述方法包括将葡萄糖底物溶解在溶剂中并使所述溶剂中的所述葡萄糖底物与至少一种仿生催化剂接触，以将所述葡萄糖底物水解成葡萄糖。在此实施方式中，所述仿生催化剂包含聚合二氧化硅基质、印迹于所述基质中的至少一个活性位点和所述活性位点中的至少一种酸性官能度；和
在一些实施方式中，所述溶剂是离子液体或熔盐。
本发明还包含制备仿生催化剂的方法，所述方法包括使至少一种四原硅酸酯与至少一种官能化的印迹分子，以及任选地，至少一种硅烷反应，以形成浸渍有所述官能化印迹分子的聚合二氧化硅基质；分离所述浸渍的聚合二氧化硅基质；和通过水解或燃烧从所述浸渍的聚合二氧化硅基质中除去所述印迹分子，以形成用所述印迹分子的结构印迹的二氧化硅基质。
在一些实施方式中，所述至少一种四原硅酸酯选自如上所示的式I、II、III和IV，其中R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；G1是C1-C6烷基、
Figure BPA00001464458100071
Figure BPA00001464458100072
在一些实施方式中，R1每次出现时是CH2CH3。
在其他实施方式中，所述至少一种硅烷是根据如上所示的式V、VI或VII其中之一的化合物，其中R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；R2每次出现时独立地是
Figure BPA00001464458100073
或用至少一个选自R4和
Figure BPA00001464458100074
的取代基任选取代的C1-C6烷基；R3是用选自R4和
Figure BPA00001464458100075
的取代基任选取代的C1-C6烷基；R4是NH2、OH、CO2H或SO3H；R5是H、NH2、OH、CO2H或SO3H。
在其他实施方式中，所述官能化印迹分子包含用至少一种选自式VIII、IX、X和XI的多官能接头官能化的印迹分子：
Figure BPA00001464458100081
其中R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；G2是C1-C6烷基，条件是G2是任选的，这样当G2不存在时，在连接到G2的所示碳和硅之间形成单键；G3是N或O。
在一些实施方式中，所述硅烷不是任选的，并且所述四原硅酸酯、硅烷和官能化的印迹分子以约100∶20∶80至约100∶95∶5的比例存在。
本发明还包含生产乙醇的方法，所述方法包括将葡萄糖底物溶解于溶剂；使所述溶剂中的所述葡萄糖底物与至少一种仿生催化剂接触，以完全或部分地将所述葡萄糖底物水解成葡萄糖；分离所述葡萄糖；和将所述葡萄糖转化为乙醇。所述仿生催化剂可以包含聚合二氧化硅基质；印迹于所述基质中的至少一个活性位点和所述活性位点中的至少一种酸性官能度。
本发明还包含制备官能化印迹分子的方法，所述方法包括使印迹分子与多官能接头前体反应；和分离所述官能化印迹分子。
附图简述
当结合附图阅读时将对上述概述和下面本发明优选实施方式的详细描述有更好的理解。为说明本发明，显示了目前优选的附图实施方式。然而，应当理解，本发明并不限于所示的精确排列和手段。
图1描绘了现有技术中已知的纤维素、葡萄糖、果糖和纤维二糖的结构。
图2是使用溶胶-凝胶化学的分子印迹的示意图。
图3是表示本发明MIP催化剂中酸性位点数目(mM[H+]/g催化剂)的图。
图4是描绘用7.5％MPTMS制备的在121℃水解纤维二糖的MIP活性的图。
图5是描述用多种本文所述的MIP在121℃水解纤维二糖所产生的葡萄糖的量(μg)的图(校正成排除污染的葡萄糖和纤维二糖自发水解产生的葡萄糖)。
图6是描绘将纤维二糖转化为葡萄糖的图，其中数据已经被标准化，以说明所用的多种MIP的酸性位点数目和表面积。
图7是在水性环境中生产葡萄糖的微反应器的图示。
发明详述
本发明包括新型MIP和制备这些结构以最终催化水解纤维素或纤维素衍生物的方法。在一些实施方式中，所述MIP包含用葡萄糖底物印迹的无定形金属氧化物和/或沸石。在一些实施方式中，所述MIP可以另外用内切糖苷酶、外切糖苷酶和/或糖苷酶的过渡态类似物印迹。
如本文所述制备的MIP可以制造成粉末形式，以便在使葡萄糖底物可溶或部分可溶的条件下与葡萄糖底物混合时，所述MIP可以水解所述葡萄糖底物。
在本文所述的制备方法的实施方式中，在一种或多种印迹分子存在的情况下聚合可交联单体。存在至少一种单体用于聚合，在一些情况下，可以存在一种或多种额外的共聚单体。在聚合过程中印迹分子的存在导致在获得的MIP中形成印迹或记忆位点。所述印迹的尺寸和形状与所述印迹分子的尺寸和形状互补。从得到的聚合物中除去所述印迹分子即得到本文所述的MIP。
本文所述的MIP能够起酶模拟物(enzyme mimic)的作用，其中所述MIP能以超过相同条件但没有催化剂的情况下β-1，4糖苷键自发水解速度的速度水解β-1，4糖苷键。在本发明的一个实施方式中，所述MIP起外切糖苷酶的作用。在本发明的另一方面，所述MIP能结合葡萄糖底物。在本发明的又一方面，所述MIP包含纳米结构的沸石。在本发明的另一方面，所述MIP包含无定形金属氧化物。
在本发明的另一个实施方式中，所述MIP起内切糖苷酶的作用。在本发明的一方面，所述MIP能结合结合葡萄糖底物。在本发明的又一方面，所述MIP包含纳米结构的沸石。在本发明的另一方面，所述MIP包含无定形金属氧化物。
本发明还包括包含起酶模拟物作用的MIP的组合物，其中所述MIP以超过相同条件但没有MIP催化剂存在的情况下β-1，4葡萄糖键自发水解速度的速度水解β-1，4糖苷键。在本发明的一个实施方式中，所述MIP结合葡萄糖底物。在本发明的另一个实施方式中，所述MIP结合与糖苷配基(agylcone)连接的葡糖苷的过渡态类似物。在本发明的一个方面，所述MIP包含纳米结构的沸石。在本发明的另一方面，所述MIP包含无定形金属氧化物。
本发明还包括包含将反应平衡移向产物形成方向的MIP的组合物。在一个实施方式中，所述MIP包含用反应产物分子印迹的吸收剂，其中所述吸收剂起以可逆和可回收的方式除去新生成的产物的作用。在一个方面，所述MIP包含用一种或多种选自印迹分子和/或过渡态己糖的底物印迹的聚合物。在另一方面，所述MIP包含分子印迹的聚合物水凝胶。在优选的方面，所述印迹的水凝胶结合葡萄糖。
本发明还包括从纤维素获得葡萄糖的方法，所述方法包括使用分子印迹的聚合物(MIP)，其中所述MIP水解β-1，4糖苷键。在本发明的一个实施方式中，所述方法包括将模拟外切糖苷酶的MIP加入反应中。在本发明的另一个实施方式中，所述方法包括将模拟内切糖苷酶的MIP加入反应中。在本发明的一个方面，所述MIP结合葡萄糖底物和/或与糖苷配基连接的葡糖苷的过渡态类似物。
本发明还包括从纤维素获得葡萄糖的方法，其中在单个反应中组合多种MIP，其中每种MIP起反应的不同组分的作用。在本发明方法的一个实施方式中，向反应加入一种或多种MIP，其中纤维素被转化为葡萄糖，其中所述MIP起外切糖苷酶的作用。在另一方面，向同一反应加入额外的MIP，其中所述MIP起内切糖苷酶的作用。在本发明的另一个实施方式中，向同一反应加入吸收性MIP，其中反应平衡移向产物生成方向。在本发明的优选方面，所述吸收性MIP可逆地吸收所述产物，其中所述产物是葡萄糖。
在进一步的实施方式中，本发明涉及能结合至少一种葡萄糖底物并将其水解成葡萄糖的印迹中孔二氧化硅催化剂。本发明还包括制备所述催化剂的方法以及在水解反应中使用所述催化剂的方法。因此，本发明提供在模拟天然酶活性(以及潜在特异性)的过程中用非酶促水解将纤维素转化为葡萄糖的组合物和方法，所述天然酶催化所述过程。
定义
如本文所用，下述每个术语在该部分中具有与其相关的含义。
本文所用的冠词“一个(a和an)”指一个或一个以上(即，至少一个)该冠词的语法对象。例如，“一个元件”意为一个或一个以上元件。
本文所用的短语“印迹分子”指可以用于制备能将一些葡萄糖底物水解成葡萄糖的印迹催化剂的多聚化合物、寡聚化合物和单体化合物。印迹分子的实例包括但不限于纤维素、纤维二糖、比纤维二糖长但比纤维素短的线性寡聚β(1-4)连接的葡萄糖链、羧甲基纤维素、甲基纤维素和羟丙基纤维素；线性和支链的α连接的葡萄糖寡聚物和聚合物，例如但不限于淀粉、糖原、直链淀粉、葡聚糖及其衍生物；蔗糖、乳糖和海藻糖；果聚糖(又称为菊粉)；果胶；粘多糖；琼脂、阿拉伯胶和鹿角菜胶(karageenan)。印迹分子还可以包含单体化合物例如葡萄糖和其他已知的己糖和戊糖。同样包括葡萄糖衍生物，例如D-葡萄糖-6-磷酸和其他已知的葡萄糖衍生物。
短语“葡萄糖底物”及其变体指能用印迹催化剂水解为葡萄糖的多聚和寡聚化合物。葡萄糖底物的实例包括但不限于纤维素、纤维二糖、比纤维二糖长但比纤维素短的线性寡聚β(1-4)连接的葡萄糖链，以及线性和支链的α连接的葡萄糖寡聚物和聚合物，例如但不限于淀粉、糖原、直链淀粉、葡聚糖及其衍生物。
如本文所用，名称“Cx-Cy”烷基指给定的烷基基团中可能的碳数目。例如，短语C1-C6烷基指具有1至6个碳的烷基基团，包括但不限于，例如甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、正己基、异丙基、异丁基、异戊基、异己基、新戊基、新己基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基、1-甲基苯基、2-甲基苯基、3-甲基苯基、2-乙基丙基和2-乙基丁基。类似地，短语C1-C3烷基指具有1至3个碳的烷基基团，包括例如甲基、乙基、丙基、环丙基和异丙基。
本文所用的短语“活性官能度”指酸性官能度，例如但不限于硫酸基团、羧酸基团和酚基团。
如本文所用，词语“硅烷或多种硅烷”统指包括烷基三烷氧基硅烷和二烷基二烷氧基硅烷的一类分子。
如本文所用，“约”包含与指定值±20％或±10％，更优选±5％，甚至更优选±1％，又更优选±0.1％的偏差，因为这种偏差适于完成所公开的方法。
如本文所用，“MIP”或“分子印迹聚合物”指在印迹模板存在的情况下聚合或另外构建的材料，例如有机聚合物或共聚物、基于二氧化硅的聚合物、沸石或本文所述的其他材料。
基于甲基丙烯酸的分子印迹聚合物
基于甲基丙烯酸的MIP可以通过在印迹分子存在的情况下聚合甲基丙烯酸(其中该酸起适于切割葡萄糖底物的键的活性官能度的作用)和交联剂进行制备。在一些实施方式中，印记分子∶甲基丙烯酸∶交联剂的比率可以是1∶16∶80。然而，所述比率可以是从按摩尔计约1∶98∶1至约10∶40∶40。
示例性交联剂包括但不限于丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、乙烯醚、环氧化物、甲基丙烯酰胺、乙烯基苯、α-甲基乙烯基苯(α-甲基苯乙烯或AMS)、二乙烯基苯、马来酸和相关衍生物，以及富马酸和相关衍生物。
基于甲基丙烯酸的MIP的聚合可以通过L.H.Sperling，Introduction to PhysicalPolymer Science，Chapter 1，pp.1-21，John Wiley and Sons，New York，1986和R.B.Seymour and C.E.Carraher，Polymer Chemistry，Chapters 7-11，pp.193-356，Dekker，New York，1981教科书中描述的反应方法完成。自由基机制是一个实例。可以应用热和UV加速聚合。
所述聚合物材料可以在交联剂存在的情况下，通过例如加热或照射如UV光进行交联。除了光或热引发剂，也可以使用催化剂促进交联。这些引发剂和催化剂可以商业购得。可以使用本领域熟知的丙烯酸酯化学方法，例如，如美国专利号5,459,176；A.Sassi，Polymer Applications for Biotechnology，(D.Soane ed.PrenticeHall 1992)；和Encyclopedia of Polymer Science and Engineering(M.Bikales，Overberger，Menges eds.，Wiley 1988)中所述，其公开内容通过引用并入本文。可以使用UV光结合一种或多种引发剂例如IrgacureTM和/或DarocurTM(Ciba SpecialtyChemicals，Tarrytown，N.Y.)加速丙烯酸或丙烯酰胺交联剂的固化。
生产基于甲基丙烯酸的MIP的方法
在通常制备本文所述的基于甲基丙烯酸的MIP中，将印迹分子与致孔溶剂(porogenic solvent)混合。致孔溶剂是适于在聚合过程中形成孔和/或置换聚合物链的那些溶剂。美国专利号4,224,415中描述了这些溶剂的特征和在形成大网络或大孔树脂中的用途。
致孔溶剂是一种溶解要共聚合的单体混合物但不溶解共聚物的溶剂。此外，致孔溶剂对聚合条件是惰性的。实例包括甲苯、二甲苯、乙基苯、C6-C12饱和脂族烃，例如庚烷和异辛烷，以及C4-C10链烷醇，例如叔戊醇、仲丁醇和2-乙基己醇。也可以使用芳香烃和C6-C12饱和脂族烃及其混合物。
然后加入甲基丙烯酸并且如果必要用超声助溶。然后加入二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)。将混合物在冰/水浴中冷却并用N2喷射约5分钟。
在所有反应物混合于所述溶剂中后，可以使用几种方法中的一种引发聚合。在一些实施方式中，可以使用约366nm的UV照射引发聚合(CAMAG 23200，Bubendorf，CH)。处理通常在约0至约20℃进行约36至约48小时。尽管可以使用较高的温度，但已证明在较低温度下通过照射制备的聚合物展示出较高的识别能力。不希望受限于任何特定理论，也认为由于有利的熵，对于印迹形成和随后识别必要的弱非共价相互作用如氢键合在低温下更强。在其他实施方式中，可以使用ABDV(2，2’-偶氮二(2，4-二甲基)戊腈)作为自由基引发剂，乙腈作为溶剂，在45℃下引发聚合。
上述程序导致制备了本体聚合物单块(monolith)。然后该聚合物单块可以在机械研钵中研磨并湿筛。收集直径小于25μm的颗粒。通过在丙酮或乙醇中反复沉降，从收集的颗粒中除去精细颗粒，最后在真空干燥器中进行干燥。
然后，印迹分子可以用适当的溶剂萃取。在一些实施方式中，可以使用90∶10的甲醇∶乙酸溶液(v/v)。根据印迹分子是否有发色团，在适当波长(即254nm)的分光光度监测能够确保完全除去。可以使用相同的程序但在反应中不包括印迹分子，制备对照或参考聚合物。
源自聚(烯丙胺)的MIP
除了由甲基丙烯酸制备MIP外，还可以由聚(烯丙胺)制备MIP。在一些实施方式中，可以通过混合水性聚(烯丙胺盐酸盐)(PAA-HCl)与印迹分子诸如举例来说D-葡萄糖-6-磷酸(“GSP”)来制备源自聚(烯丙胺)的MIP。在一些实施方式中，所述D-葡萄糖-6-磷酸可以是盐，例如单钡盐(“GSP-Ba”)。所述水性聚(烯丙胺)可以是任何浓度，然而，优选所述溶液是25％w/v。
聚(烯丙胺)和印迹分子可以混合适当的时间，以确保所述印迹分子与所述聚(烯丙胺)的结合。然后用适当的碱，例如含水NaOH中和部分PAA-HCl。然后可以用交联剂例如表氯醇(EPI)处理所得游离胺，导致凝胶的形成。
在凝胶形成后，使所得MIP静置过夜以确保完全交联。然后可以将MIP切成方块或任何其他形状，最宽可以是例如约4mm。然后将所述方块用适当的碱例如含水NaOH洗涤适当的时间，以确保完全或几乎完全除去所述印迹分子和/或未反应的聚(烯丙胺)和交联剂。然后用去离子水洗涤碱洗涤的MIP以除去任何残留的NaOH，同时监测流出洗涤液的pH。
当在凝胶过夜平衡期后流出溶液不再是碱性(pH＜6.5)时，NaOH的除去可以被认为是充分的。所得MIP然后可以在烘箱中约50℃干燥。
印迹分子的除去可以定量评估。例如，当印迹分子是GSP时，可以用HachD2010分光光度计和Hach方法8190以分光光度法测定MIP中残留的总磷浓度(并因此测定D-葡萄糖-6-磷酸的摩尔量)，所述Hach方法8190是用于测定总磷的酸性过硫酸盐消化法。
可以使用以下程序定量GSP印迹是否存在：将新合成的含GSP印迹的水凝胶置于已知体积的去离子水中并搅拌24h。取过滤的整分试样并在容量瓶中适当稀释用于Hach总磷测试。检查稀释样品的pH以确保在6.5和7.5之间并测试总磷。如果合成中使用的全部GPS存在于去离子水洗涤溶液中，洗涤水中的磷浓度应当小于期望浓度的7％。然后，将同一聚合物置于4M NaOH溶液中并搅拌24h以除去结合的GSP。然后，取过滤的整分试样并用HCl将样品的pH调整到6.5和7.5之间。将所述聚合物置于新的4M NaOH溶液中并且再搅拌24小时。然后测试所述溶液的总磷。在从印迹凝胶中除去全部GSP-Ba模板后，碱洗涤液中总磷浓度通常是期望浓度的95％。
如Wizeman and Kofinas，2001，Biomaterials 22：1485-91中所述，通过间歇式反应器研究，测定了源自聚(烯丙胺)的MIP的葡萄糖底物结合能力。根据其中所述的程序，MIP可以加入纯葡萄糖或果糖的水溶液或缓冲溶液(约50mg/ml)中，或加入包含上述两种糖的1∶1混合物的溶液中。在一些实施方式中，可以使用BES(N，N-二[2-羟乙基]-2-氨基乙磺酸)、磷酸二氢钾(KH2PO4)和氯化钠(NaCl)制备用于分析的缓冲溶液。
在混合测试溶液和要测定结合能力的MIP后，可以在搅拌下使混合物平衡约4h。然后，除去所述测试溶液过滤的整分试样以测定所述测试溶液中残留的糖浓度。使用这些数据，如Wizeman and Kofinas，2001，Biomaterials 22：1485-91中所述，可以计算结合能力。可以使用Hach DR2010分光光度计和Stanbio的酶葡萄糖试剂通过比色分析方法测定葡萄糖浓度。可以使用由Van Creveld最初开发，由Oppel后来改进的程序(在Browne and Zerban，eds.Physical and Chemical methods ofsugar analysis.NY：Wiley；1941，pg 961中)，通过比色分析方法测定果糖浓度。
MIP催化剂制备
为制备样品，在冷冻干燥前将每种催化剂在含两亲物(对于印迹催化剂)或不含两亲物(对于对照催化剂)的缓冲液中在4℃温育约1-2分钟。所用缓冲液是10mM Tris-HCl(含0.2mM Ca2+)，pH为8.0或7.5。在冷冻干燥后，用无水溶剂(或溶剂混合物)洗涤活化和未活化的样品(搅拌所得悬浮液，然后离心)至少三次：所述无水溶剂通常是无水苯或苯/乙醇，95∶5(v/v)或90∶10(v/v)或乙酸乙酯。溶剂必须在两亲物溶解性的基础上仔细选择，以最小化对催化剂的任何有害影响。应当注意，与洗涤的对照品相比，未洗涤的催化剂制备物在非水性介质中产生类似的活性。在洗涤后，将样品真空干燥至少三小时。
MIP催化剂的非水性分析
在塞住的螺旋盖管形瓶中将给定量的经洗涤的(印迹或对照)催化剂粉末悬浮在给定体积的含底物的反应介质中，超声处理10秒，并且以250rpm在25℃摇动。定期取10ml反应混合物的整分试样监测反应进程。通过正相HPLC或反相HPLC处理和分析所述整分试样。可选地，可以使用标准衍生程序通过GC监测所述反应。在所有情况下，跟踪同时的底物消失和产物积累。
可选地，可以在室温下在1ml乙腈/醋酸95∶5(v/v)中温育氚化的底物(例如比活性10-100Ci/mmol)15hrs。然后离心聚合物颗粒(1000×g，5分钟)，并通过液体闪烁计数测量200μl上清液中的放射性。
水分析
在室温下，在1ml缓冲液(例如20mM柠檬酸钠，pH 3、4.5或6，20mM磷酸钠，pH 7.3，或20mM碳酸钠，pH 9.2，含有0、1、10或50％乙醇)中温育MIP(5mg)15小时。在离心后，通过液体闪烁计数测量400ml上清液中的放射性。其含有3ng氚化的底物(例如10-100Ci/mmol)和竞争配体(范围从50nM至2mM)。
基于硅烷的仿生催化剂
如本文其他部分所述，一种模拟天然酶活性的策略是所谓的“分子印迹”方法。在此方法中，在一种或多种分子存在的情况下合成交联的聚合物、无定形金属氧化物或沸石，所述一种或多种分子的结构在基质形成过程中被印迹到所得基质中。对印迹敏感的特别有用的交联聚合物是基于Si的聚合物。这些聚合物包括许多Si-O键和较少比例的Si-R键，其中R可以是各种取代的烷基、芳基或其他非氧官能度。
根据基于Si的聚合物的效用，本文所述的催化剂是用一种或多种印迹分子印迹的聚合二氧化硅基质，导致包含至少一个，在一些实施方式中，多个活性位点的催化剂。所述催化剂的活性位点能结合一种或多种葡萄糖底物。一旦活性位点结合葡萄糖底物，策略性地位于活性位点内的活性官能度与所述葡萄糖底物反应，以破坏或另外协助破坏糖苷键。
催化剂的二氧化硅基质可以使用溶胶/凝胶化学制备。分子印迹的基于Si的溶胶-凝胶网络相对于天然或改造的酶的一个主要优势是优异的热稳定性。基于硅的材料能容易地耐受以工业规模水解纤维素所需的高温和低pH。基于Si的催化剂相对于天然存在的酶的额外益处包括可回收性和成本效益。
可以通过聚合一种或多种四原硅酸酯与一种或多种硅烷来制备二氧化硅基质。用于制备本文所述催化剂的二氧化硅基质的四原硅酸酯可以具有根据式I、II、III或IV任一个的结构。用于本文所述聚合的硅烷可以具有根据式V、VI和VII的结构。
在上述式中，R1每次出现时可以独立地是C1-C6烷基或苯基。
R2每次出现时可以独立地是用至少一种选自R4和
Figure BPA00001464458100162
的取代基任选取代的C1-C6烷基。可选地，R2可以是
Figure BPA00001464458100171
R3可以是用选自R4和
Figure BPA00001464458100172
的取代基任选取代的C1-C6烷基。
R4可以是SH、NH2、OH、CO2H或SO3H。
R5是H、SO2Cl、NH2、OH、CO2H或SO3H。
G1可以是C1-C6烷基(以便形成C1-C5烷基任选取代的1，3，2-二
Figure BPA00001464458100173
硅代环丁烷(1，3，2-dioxasiletane)、C1-C4烷基任选取代的1，3，2-二
Figure BPA00001464458100174
硅代环戊烷(1，3，2-dioxasilolane)或C1-C3烷基任选取代的1，3，2-二
Figure BPA00001464458100175
硅代环己烷(1，3，2-dioxasilinane))、
Figure BPA00001464458100176
当R4是SH或R5是SO2Cl时，硫羟或氯磺酰基团可以被氧化为SO3H以提供适于水解给定底物的官能团。当R4是SH时，氧化剂可以是例如H2O2。当R5是SO2Cl时，氧化剂可以是例如水。
四原硅酸酯和硅烷的聚合可以是酸或碱催化的，并且可以发生在多种溶剂中，包括水、标准有机溶剂和离子液体。适当的离子液体的实例包括但不限于N-乙基氯化吡啶、BMIM+X-(BMIM+＝1-丁基-3-甲基咪唑盐)，其中X＝Cl、Br、SCN、BF4或PF6，以及AMIM+Cl-(AMIM＝1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑)。有用的有机溶剂包括但不限于N，N-DMF、甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、二氯甲烷、氯仿、NMP、四氢呋喃(THF)、乙腈及其混合物。
适当的酸性催化剂包括但不限于无水和含水HCl、对甲苯磺酸、硫酸、苯磺酸、樟脑磺酸和其他本领域普通技术人员熟知的酸。适当的碱性催化剂包括NaOH、CaOH2、MgOH2和NH4OH。
用印迹分子进行的分子印迹发生在聚合反应过程中。在印迹过程的一个实施方式中，印迹分子被直接加入聚合反应中。加入的印迹分子的量取决于多个因素，包括印迹分子的大小(分子量)和溶解性。可以加入从约1至约99mol％之间的印迹分子，包括其间任何全部或部分增量(基于硅烷和四原硅酸酯的总摩尔量)。
至少一些硅烷可以用酸性基团例如硫酸、羧酸或酚官能化，以便根据本方法产生的催化剂能切割糖苷键。酸官能化的硅烷的实例包括但不限于如前所述的式V、VI和VII的那些化合物，以及化合物，例如三乙氧基甲硅烷基丙基马来酸和N-(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺、三乙酸、三钠盐。
在一些实施方式中，官能化硅烷的量可以是用于制备聚合材料的硅烷总量的约1至约50mol％，包括其间任何和所有全部或部分增量，其余是未官能化硅烷。在特定实施方式中，官能化硅烷的量可以是硅烷总量的约1至约40％、约1至约30％、约1至约25％、约1至约20％、约1至约15％、约1至约10％或约1至约5mol％。
对于上述每个实施方式，聚合基质在聚合反应过程中存在的印迹分子周围形成。因此，印迹分子变得浸渍在二氧化硅基质之中或之上。
一旦聚合反应完成，反应瓶中的溶剂可以被除去。溶剂除去可以发生在第一次研磨步骤之前或之后，取决于催化剂基质的溶解性。当所得聚合基质可溶于反应溶剂时，溶剂可以在减压下用例如旋转蒸发仪除去。可选地，可以使用多种已知冷冻干燥技术中的一种除去溶剂。在另一个实施方式中，可以使用超临界CO2洗去溶剂。当所得二氧化硅基质不溶于反应溶剂，或与原材料相比基本上很少溶于反应溶剂时，二氧化硅基质材料可以从反应溶剂中过滤掉。
尽管可以使用标准蒸发技术从反应容器中除去溶剂，但它不是优选的方法。具体而言，在减压下除去溶剂在二氧化硅基质中新形成的活性位点或其附近产生表面张力。该表面张力在溶剂的液/气转变过程中能损坏、收缩或另外使基质变形。因此，减轻这些潜在隐患的过程是优选的。一个这样的方法是超临界干燥。
使用超临界CO2的超临界干燥是有用的，因为它减轻了任何与由通常蒸发过程引起的表面张力有关的问题。如果在足够高的温度下进行，超临界CO2洗涤也可以用于烧掉(burn off)任何存在于基质中的印迹分子。
然后可以研磨干燥固体以得到具有特定尺寸的二氧化硅颗粒。在完成研磨过程后，可以用溶剂洗涤颗粒以除去所述过程揭露的任何印迹分子。然后可以用超临界CO2干燥所述颗粒。可选地或另外地，研磨的固体可以加热到足够高的温度，以便任何存在于研磨的固体中的印迹分子被烧掉。在除去所有过量的印迹分子后，可以测试所得二氧化硅颗粒的功效。
在本文所述催化剂制备方法的另一个实施方式中，可以使用官能化的印迹分子。官能化的印迹分子是通过例如酯键、磺酸酯键、氨基甲酸酯(氨基甲酸乙酯)或碳酸键，非永久性地结合到多官能接头的印迹分子。
多官能接头的实例包括但不限于式VIII-XI的化合物。在每个这些化合物中，R1如上所述。G2是任选的，以便当不存在G2时，在连接到G2的所示碳和硅之间形成单键。当存在时，G2是C1-C6烷基。G3可以是O或N。
Figure BPA00001464458100191
尽管根据式IX-XI的每个化合物中硅类型显示为对位取代的，但是式IX-XI的化合物可以在一个或两个间位用对位Si官能度的拷贝进行官能化。可选地，如所显示的，苯环可以是对位Si取代的，所述苯环在一个或两个邻位用存在于对位的Si基团进一步官能化，条件是空间条件允许。
多官能接头可用于根据以下程序合成仿生催化剂。首先，使多官能接头前体，例如活化的酯、酰基氯、磺酰氯(例如2-(4-氯磺酰基苯基)乙基三甲氧基硅烷)、异氰酸酯或其它适当的反应物质，与游离醇在印迹分子，例如纤维二糖上进行反应。所得产物是官能化的印迹分子。可以连接到给定印迹分子上的接头数目由接头前体的反应性、游离醇对印迹分子亲核性以及亲核醇中和周围的立体相互作用所决定。
然后将官能化的印迹分子与至少一种根据式I、II、III或IV中至少一种的四原硅酸酯以及任选地至少一种根据式V、VI或VII中至少一种的硅烷混合。然后用酸性催化剂聚合所述试剂。用于该聚合的溶剂和催化剂已在前文中被确定。各组分的摩尔比范围可以从约100∶20∶80至约100∶95∶5，包括其间所有全部或部分增量。比率表示为四原硅酸酯∶硅烷∶官能化印迹分子的摩尔量。
一旦聚合完成，可以根据本文其它部分所述的程序分离并研磨二氧化硅基质。然后，必须从所述基质切除印迹分子。这可以通过水解将印迹分子结合到二氧化硅基质上的各种碳酸酯、氨基甲酸酯(氨基甲酸乙酯)、羧酸和磺酸酯来实现。水解可以用强酸性或碱性条件完成。然后可以使用任何本文之前论述的干燥/燃烧技术将二氧化硅基质与印迹分子进行分离。随后的研磨是任选的。任选研磨的催化剂的活性可以用已知技术进行分析。
当利用氨基甲酸酯(氨基甲酸乙酯)接头时，所得聚合物(在水解后)将在活性位点中包含取代的苯胺。在一些实施方式中，所述苯胺可以允许保留。而在其他实施方式中，所述苯胺的胺可以用已知试剂例如四氟硼酸亚硝(nitrosoniumtetrafluoroborate)(NOBF4)或亚硝酸钠/H2SO4重氮化，并转化为酚、腈或卤化物。如果转化为腈，该腈可以随后水解为羧酸。如果转化为卤化物，该化合物可以转化为格里纳德试剂，然后用CO2猝灭以形成羧酸。可选地，可以使用已知的Pd或Pt介导的交叉偶联反应将卤化物与另一试剂交叉偶联。
与未连接的程序(本文其他部分所述)相比，使用多官能接头的益处是明显的。具体而言，当官能化的印迹分子与四原硅酸酯和硅烷聚合时，随后用于水解葡萄糖底物的酸性残基位于由印迹分子产生的空腔中，这样使得葡萄糖底物更有可能水解为葡萄糖。
葡萄糖底物的水解
制备了如上所述的催化剂后，可以根据任意以下程序使用该催化剂。在第一实施方式中，催化剂和葡萄糖底物可以溶解在溶剂中。适当的溶剂包括例如离子液体，其实例如本文之前所述。离子液体不同于许多有机溶剂，其能够溶剂化葡萄糖底物，如纤维素及其衍生物。尽管离子液体是有用的，但标准有机溶剂，如水、N，N-DMF、甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、NMP、四氢呋喃(THF)、乙腈及其混合物也可以使用。然而，上述任何溶剂的效用取决于葡萄糖底物在所述溶剂中的溶解性(或不溶性)以及进行反应的温度。
在一些实施方式中，水解反应可以使用离子液体与另一溶剂例如水、甲醇、乙醇、异丙醇或其它高级醇结合进行。在特定实施方式中，溶剂组合是离子液体和水。不希望受限于任何特定理论，据信当使用离子液体和水作为溶剂，且使用的离子液体的量少于水的量时，催化剂将使所述离子液体螯合在胶束样结构中，产生乳状液，其中所述胶束样结构是水解葡萄糖底物的微反应器。据信，催化剂膜将是半透性的，以便葡萄糖底物水解后，葡萄糖能离开所述微反应器。参见图7。这些微反应器能使单个纤维素聚合物(或其它葡萄糖底物)特异性结合到存在于催化剂上和/或内的催化结构域，并且同时，基于葡萄糖在水相中的高溶解性，允许随后释放葡萄糖。所述催化剂可以通过乳状液去稳定作用和再乳化过程容易地再循环，以实现高速的纤维素转化。
在可选实施方式中，可以以超过所用水量的量(体积)使用离子液体。不希望受限于任何特定理论，据信在该设置中，水会被催化剂螯合，形成胶束样结构。催化将发生在离子液体/催化剂的界面，因此产生的葡萄糖将迁移到水层中。
水解反应可以在范围从约40℃到约400℃的温度——包括其间所有全部或部分增量下进行。在一个实施方式中，水解反应在约100至约150℃下进行。进行反应的温度决定了可以使用何种溶剂。给定反应中催化剂装载量可以是基于反应中存在的葡萄糖底物的重量从0.01重量％到50重量％。在优选的实施方式中，催化剂装载量小于约10重量％，甚至更优选小于约5重量％，最优选小于约1重量％。
实施例
现在参考以下实施例对本发明进行说明。这些实施例只为说明目的而提供，决不应解释为受限于这些实施例，而应解释为包含任何和所有变化，这些变化由于本文提供的教导而变得明显。
MIP表面积
MIP表面积可以用BET测量进行计算。BET测量通过将已知量的催化剂放入充满液态N2的试管中进行。然后根据在液态N2温度下氪气的物理吸收来测定表面积。
实施例1-纤维二糖印迹的丙磺酸官能化的二氧化硅的合成
将纤维二糖(1.6g)溶解在水(52mL)和HCl(8ml，1M)中。然后，将所述反应混合物加热到50℃约30分钟。然后，加入原硅酸四乙酯(TEOS)(2.98mL)，在50℃下搅拌该混合物约3小时。然后，加入0.075当量(“7.5％酸”)的MPTMS((3-巯基丙基)三甲氧基硅烷)(基于TEOS摩尔量的摩尔当量)和4当量的30％含水H2O2(基于MPTMS的摩尔量)。然后在烘箱中将所述混合物在100℃加热约24小时，以形成MIP。
接下来，除去MIP聚合基质中的纤维二糖。除去通过在回流乙醇中处理所述MIP约7小时来完成。在冷却后，离心所得混合物。从离心收集的固体块中除去含纤维二糖的乙醇。然后将所得固体重悬浮在干净的乙醇中，超声处理，并再次离心。所述超声/离心程序重复进行两次以上。
计算出的BET表面积是390.2m2/g。
也使用0.02和0.15当量(分别是“2％酸”和“15％酸”)的MPTMS进行上述程序。这些催化剂的表面积未计算。
实施例2-乳糖印迹的丙磺酸官能化的二氧化硅的合成
除了用乳糖(1.68g)代替纤维二糖外，根据实施例1中所述的程序，使用2％、7.5％和15％MPTMS，制备乳糖印迹的MIP。计算出的7.5％MPTMS催化剂的BET表面积是409.2m2/g。
实施例3-未印迹的丙磺酸官能化的二氧化硅的合成
除了不加入印迹剂外，根据实施例1中所述的程序，使用2％、7.5％和15％MPTMS，制备未印迹的MIP。计算出的7.5％MPTMS的BET表面积是394.1m2/g。
实施例4-酸性位点总数的计算
将已知质量的MIP溶解在已知体积的0.1M NaCl中，在加入所述MIP前记录其pH。使溶液的pH平衡数分钟，直到稳定。然后，向溶液逐滴加入0.01M NaOH，直到溶液的pH等于加入MIP之前的pH。记录加入的0.01M NaOH的体积并计算酸的摩尔数。图3是显示实施例1、2和3所述的源自2％、7.5％和15％MPTMS的催化剂中的酸性位点相对数目(mM/g)的图。
实施例5-纤维二糖水解
在实施例1、2和3制备的多种催化剂存在的情况下水解纤维二糖。对于每个实验，将纤维二糖(0.25g)和催化剂(0.05g)加入水(25mL)中。然后将所述混合物超声处理3分钟，在高压釜中在70℃或121℃处理2小时。使用葡萄糖检测试剂盒，通过340nm的UV检测葡萄糖。图4显示了使用用7.5％MPTMS制备的催化剂的结果。为了比较，图4还包括了对应于纤维二糖自身水解特征(室温)、纤维二糖自身在121℃水解特征和MIP自身在反应温度下的UV光谱的数据。
本文引用的各个和每个专利、专利申请和出版物的公开内容通过引用全部并入本文。
尽管参考具体实施方式公开了本发明，但是显然本领域技术人员可以在不背离本发明真实精神和范围的情况下想到本发明的其它实施方式和变化。所附权利要求书意图解释为包含所有这样的实施方式和等价变化。

Claims (17)

1.仿生催化剂，所述催化剂包含：
聚合二氧化硅基质，
印迹于所述基质中的至少一个活性位点，和
在所述活性位点中的至少一种酸性官能度。
2.权利要求1所述的仿生催化剂，其中所述至少一种酸性官能度选自酚、羧酸和硫酸。
3.权利要求1所述的仿生催化剂，其中所述活性位点能结合至少一种葡萄糖底物。
4.仿生催化剂的制备方法，所述方法包括：
在印迹分子存在的情况下使至少一种四原硅酸酯和至少一种硅烷反应，以形成浸渍有所述印迹分子的聚合二氧化硅基质，其中至少1mol％的所述至少一种硅烷是酸官能化的硅烷；
分离所述浸渍的聚合二氧化硅基质；和
通过洗涤或燃烧除去所述印迹分子，以形成用所述印迹分子结构印迹的二氧化硅基质。
5.权利要求4所述的方法，其中所述至少一种四原硅酸酯选自式I、II、III和IV：
其中
R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；
G1是C1-C6烷基、
Figure FPA00001464458000012
6.权利要求5所述的方法，其中R1每次出现时是CH2CH3。
7.权利要求4所述的方法，其中所述至少一种硅烷是根据式V、VI或VII中之一的化合物：
Figure FPA00001464458000021
其中
R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；
R2每次出现时独立地是
Figure FPA00001464458000022
或用至少一种选自R4和
Figure FPA00001464458000023
的取代基任选取代的C1-C6烷基；
R3是用选自R4和
Figure FPA00001464458000024
的取代基任选取代的C1-C6烷基；
R4是SH、NH2、OH、CO2H或SO3H；和
R5是H、NH2、OH、SO2Cl、CO2H或SO3H；
条件是当R4是SH或R5是SO2Cl时，硫羟或氯磺酰基团在所述印迹分子除去后被氧化为SO3H。
8.葡萄糖的生产方法，所述方法包括：
将葡萄糖底物溶解在溶剂中；
使所述溶剂中的所述葡萄糖底物与至少一种仿生催化剂接触，以将所述葡萄糖底物水解成葡萄糖，
所述仿生催化剂包含：
聚合二氧化硅基质，
印迹于所述基质中的至少一个活性位点，和
所述活性位点中的至少一种酸性官能度。
9.权利要求8所述的方法，其中所述溶剂是离子液体或熔盐。
10.仿生催化剂的制备方法，所述方法包括：
使至少一种四原硅酸酯与至少一种官能化的印迹分子，以及任选地，至少一种硅烷反应，以形成浸渍有所述官能化的印迹分子的聚合二氧化硅基质；
分离所述浸渍的聚合二氧化硅基质；和
通过水解或燃烧从所述浸渍的聚合二氧化硅基质中除去所述印迹分子，以形成用所述印迹分子结构印迹的二氧化硅基质。
11.权利要求10所述的方法，其中所述至少一种四原硅酸酯选自式I、II、III和IV：
Figure FPA00001464458000031
其中
R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；
G1是C1-C6烷基、
Figure FPA00001464458000032
12.权利要求11所述的方法，其中R1每次出现时是CH2CH3。
13.根据权利要求10的方法，其中所述至少一种硅烷是根据式V、VI或VII中之一的化合物：
Figure FPA00001464458000033
其中
R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；
R2每次出现时独立地是
Figure FPA00001464458000034
或用至少一种选自R4和
Figure FPA00001464458000035
的取代基任选取代的C1-C6烷基；
R3是用选自R4和
Figure FPA00001464458000041
的取代基任选取代的C1-C6烷基；
R4是NH2、OH、CO2H或SO3H；和
R5是H、NH2、OH、CO2H或SO3H。
14.权利要求10所述的方法，其中所述官能化的印迹分子包含用至少一种选自式VIII、IX、X和XI的多官能接头官能化的印迹分子：
其中，
R1每次出现时独立地是C1-C6烷基或苯基；
G2是C1-C6烷基，条件是G2是任选的，以便当不存在G2时，在连接到G2的所示碳和硅之间形成单键；和
G3是N或O。
15.权利要求10所述的方法，其中所述硅烷不是任选的，并且所述四原硅酸酯、硅烷和官能化的印迹分子以约100∶20∶80至约100∶95∶5的比例存在。
16.乙醇的制备方法，所述方法包括：
将葡萄糖底物溶解在溶剂中；
使所述溶剂中的所述葡萄糖底物与至少一种仿生催化剂接触，以将所述葡萄糖底物全部或部分水解成葡萄糖，
所述仿生催化剂包含：
聚合二氧化硅基质
印迹于所述基质中的至少一个活性位点，和
所述活性位点中的至少一种酸性官能度；
分离所述葡萄糖；和
将所述葡萄糖转化为乙醇。
17.官能化的印迹分子的制备方法，所述方法包括：
使印迹分子与多官能接头前体反应；和
分离所述官能化的印迹分子。
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