CN103044260A

CN103044260A - 一种制备碳酸甲基烷基酯的方法

Info

Publication number: CN103044260A
Application number: CN2013100199580A
Authority: CN
Inventors: 张海波; 周耀靓; 刘骏
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明属于生物化工领域，提供一种制备碳酸甲基烷基酯的方法。以离子液体作为反应介质或者不加溶剂，加入碳酸二甲酯，加入醇酯摩尔比为1：1至1:20的烷基醇，在上述反应物中加入反应物质量分数1%~25%的南极假丝酵母脂肪酶，经过搅拌进行转酯反应，反应后经过处理获得产物碳酸甲基烷基酯。具有高转化率，高选择性，高普适性，工艺简单，环境友好等优点。

Description

一种制备碳酸甲基烷基酯的方法

技术领域

本发明属于生物化工领域，涉及一种制备碳酸甲基烷基酯的方法，

背景技术

二氧化碳是自然界中最为丰富的C1来源。碳酸二甲酯是目前利用二氧化碳为原料合成的主要产物之一，广泛应用于合成纤维、合成树脂、医药、农药等行业。然而目前由于碳酸二甲酯产量过剩，以碳酸二甲酯为原料合成其他类型的碳酸二烷基酯是目前研究和应用的一个热点。

碳酸二烷基酯有许多种合成方法，主要包括光气法、羰基氧化法、酯交换法等。光气法(如JP 6410l9(1994))是先由光气与沸腾的醇反应生成氯甲酸甲酯，再继续与相应的醇反应得到碳酸二烷基酯，由于光气和中间体氯甲酸甲酯都是剧毒的，副产物盐酸的强腐蚀性，对环境污染严重，该法将被淘汰。

羰基氧化法也有较多研究报道，如日本专利JP 53121720(1978)使用一氧化碳催化氧化制备碳酸二乙酯和碳酸二丁酯，催化剂为硒和双环脒；Punnoose,A.等(Punnoose，A.;Seehra,M.S.;Dunn,B.C.;et al.Characterization of CuC1₂/PdC1₂/activated carbon catalysts for thesynthesis of diethyl carbonate.Energy and Fuels,2002(16),182-188)在非均相催化剂CuCl₂/PdCl₂/AC催化下，从乙醇和一氧化碳制备碳酸二乙酯。但氧化羰化法尚不完善，存在各种各样的缺点，如转化率低，选择性差，催化剂价格昂贵，操作控制难等问题急需解决。

在化学酯交换法的研究中，日本专利JP 09221436(1997)在碱催化下，采用环状碳酸酯与脂肪族单醇进行酶交换反应制备碳酸二烷基酯，但该反应的平衡转化率很低，且反应速度也较低，因此该法亦不理想。

美国专利US 5534649(1996)公开了一种采用尿素、氨基甲酸甲酯或氨基甲酸乙酯与乙醇在催化剂作用下进行反应制造碳酸二乙酯的方法。但是该方法产物中有氨释放出，同时反应时间长、碳酸二乙酯的收率低。此外，还有日本专利JP 2001247520(2001)利用液态二氧化碳、碳酸二甲酯和乙醇在溴化锂催化下反应制备碳酸二乙酯和EP 503618(1992)利用一氧化碳和亚硝酸酯在催化剂存在下制备碳酸酯等方法，但是都存在原料的毒性大等缺点。

不对称碳酸酯碳酸甲基烷基酯广泛应用于锂离子电池电解液、药物合成、特种香料及中间体的合成、塑料发泡剂、合成润滑油等行业。目前，国内还没有工业化生产的碳酸甲基烷基酯，国内企业所使用的碳酸甲基烷基酯都依赖进口。

目前，日本有关碳酸甲基烷基酯的制备方法专利报道，使用载体上担载包含铂族金属或其他化合物的催化剂，使亚硝酸甲酯、一氧化碳、以及醇在气相中反应。P.Tundo等人（GreenChem.6(12)(2004)609.）采用碳酸钾等合成碳酸甲基烷基酯，但是200℃的反应温度和较低的转化率使得其几乎无工业化价值。另外也有相关研究使用路易斯酸、路易斯碱、树脂或分子筛为催化剂，但均存在催化剂毒性大，且产物链长受限等缺点。综上所述。相关用化学法催化合成碳酸甲基烷基酯，都存在以下缺陷：反应温度高（普遍高于170℃）、高压、催化剂毒性大、转化率低、选择性差、催化剂不容易回收等。

酶作为一种生物催化剂，近年来己被人们广泛应用于食品生产与检测、环保技术、生物技术、生物医药等领域。脂肪酶所介导的反应具有反应条件温和、醇用量小、产品易收集纯化、无污染物排放等优点。目前研究和应用最广泛的脂肪酶(Lipase,EC 3.1.1.3)是一类能催化油脂和短链醇进行转酯化反应生成脂肪酸甲酯的生物催化剂，目前国内外用于转酯化研究的脂肪酶主要为诺维信公司生产的Novozym435，此酶为固定化酶，载体为大孔丙烯酸树脂，价格高昂（1克约20元人民币），不利于酶法制备化工原料的工业化生产。采用生物酶法制备碳酸甲基烷基酯还未见报道。

另外，酶作为催化剂催化油脂和短链醇进行转酯化反应时，短链醇会降低酶的活性，因此，寻找一种能稳定酶的活性的助催剂以提高转酯化反应的产率成为人们的研究热点。近年来，一种新型的绿色化学溶剂—离子液体（ionic liquid）引起了人们的广泛关注。离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的，在100℃以下呈液体状态的盐类，与普通有机溶剂相比，离子液体具有以下优点：离子液体不会挥发，对环境友好，用于工业生产相对比较安全，通过阴阳离子的设计可调节其对物质的溶解性；离子液体与一些有机溶剂互不相溶，可以形成有机溶剂－离子液体两相系统或者有机溶剂－水－离子液体三相系统。一般而言，离子液体以3种形式应用于生物催化过程：（1）作为纯溶剂；（2）在水相系统中作为共溶剂；（3）在两相系统中作为共溶剂。脂肪酶是目前在离子液体中进行生物催化反应研究报道最多的一类酶，它可在多种离子液体中存在并催化多种类型的反应，如酯交换反应、氨解反应、水解反应和环氧化反应等。R.M.Lau等首次利用南极假丝酵母脂肪酶（Candidaantarcticalipase B，CALB）证明了其在离子液体中进行生物催化反应的潜力，如脂肪酶催化丁酸乙酯和丁醇的酯交换反应。P.Lazano等用脂肪酶在离子液体中催化丁酸乙烯酯与正丁醇通过转酯反应合成丁酸丁酯，结果表明脂肪酶在离子液体中的催化活性高于其在有机溶剂中的活性，酶的催化活性随着离子液体极性的增强而升高，而且在连续操作过程中脂肪酶具有很高的稳定性。S.J.Nara等也证实离子液体有使酶催化活性提高的作用。但采用离子液体为脂肪酶的助催剂催化制备碳酸甲基烷基酯的方法还未见报道。

本发明人发现南极假丝酵母脂肪酶(Candida antarctica lipase)可以用于制备碳酸甲基烷基酯，对该反应具有催化活性。具有高转化率，高选择性，高普适性，工艺简单，环境友好等优点，具有广阔的应用前景。

本发明所使用的南极假丝酵母脂肪酶(Candida antarctica lipase)的菌株首先是在南极洲分离得到的，其目的是寻找一些具有极端性质的脂肪酶。这种菌株可以产生两种性质完全不同的脂肪酶A和脂肪酶B。南极假丝酵母脂肪酶B是一种自由酶，其三维立体结构和氨基酸顺序己被Uppenberg等在1994年研究出（J.Uppenberg,M.T.Hansen,S.Patkar,T.A.Jones.TheSequence,Crystal Structure Determination and Refinement of Two Crystal Forms of Lipase B fromCandida Antarctica.Structure,1994,2:293-308）。CALB是一个球状蛋白，由317个氨基酸组成，主要为α/β折叠，CALB的大小约为分子量为33KD，等电点pH为6.0。与其它脂肪酶相同的是CALB的催化活性主要由Ser105-Aspl87-His202三联体负责。使用最多的商品化的CALB是诺维信公司的Novozym435固定于大孔丙烯酸树脂，价格昂贵。

发明内容

针对现有技术中化学法合成碳酸甲基烷基酯的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种采用生物酶法制备碳酸甲基烷基酯的方法。

本发明通过以下方案解决这一技术问题：

向反应容器中加入碳酸二甲酯和烷基醇，烷基醇和碳酸二甲酯摩尔比为1：1至1:20，再加入碳酸二甲酯和烷基醇总质量1%～25%的南极假丝酵母脂肪酶，反应温度为25～70°C，在空气气氛中搅拌，进行转酯反应。

反应后经过处理获得产物碳酸甲基烷基酯，具有高转化率，高选择性，高普适性，工艺简单，环境友好等优点。

碳酸二甲酯和烷基醇反应方程式如下：

所用烷基醇包括直链醇和支链醇。直链醇为乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、癸醇、月桂醇、苄醇或苯乙醇；支链醇为异丙醇、异丁醇、仲丁醇、异戊醇、新戊醇、异己醇、2-己醇、异庚醇、2-庚醇、异辛醇、2-辛醇、异癸醇或2-癸醇。

反应时间可以为1～160小时。

优选的反应条件为：

反应温度为55°C，反应时间为48小时。

加入碳酸二甲酯和烷基醇的摩尔比为1：12，南极假丝酵母脂肪酶的加入量为碳酸二甲酯和烷基醇总质量的12%。

向反应容器中加入离子液体作为反应介质，能进一步提高烷基醇20%～40%的转化率，到达反应平衡时间可以缩短40%左右。

所述离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Emim][BF₄])、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Emim][PF₆])、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF₄])、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Bmim][PF₆])中的一种。

上述几种离子液体在常温下为液体状态。离子液体作为一种新型绿色环境友好型溶剂，在有机合成和催化方面具有许多优于传统有机溶剂的显著特点:(1)液态温度范围宽，具有良好的理化稳定性；(2)蒸汽压低，不易挥发;(3)可设计性;4)更有利于酶促反应；(5)产物产量高等。

本发明方法环境友好，转化率和选择性高，工艺简单。使用的南极假丝酵母脂肪酶系国产且成本低廉。南极假丝酵母脂肪酶经洗涤干燥后，即可重复循环使用。

本发明制备碳酸甲基烷基酯的方法，具有如下优点：

1、反应条件温和，工艺过程简单；

2、生物酶催化剂价廉易得，催化活性高，大大降低生产成本；

3、生物催化反应不使用任何有机溶剂，环境友好。

附图说明

图1为本发明第一实施例的在离子液体[Emim][PF₆]中，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及丁醇反应制备碳酸甲丁酯和反应时间的关系示意图。

图2为本发明第二实施例的在离子液体[Bmim][PF₆]中，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及月桂醇反应制备碳酸甲基月桂基酯和反应时间的关系示意图。

图3为本发明第三实施例的在离子液体[Emim][BF₄]中，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及正丙醇反应制备碳酸甲丙酯和温度的关系示意图。

图4为本发明第四实施例的在离子液体[Bmim][BF₄]中，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及异辛醇反应制备碳酸甲基异辛基酯和物料比的关系示意图。

图5为本发明第五实施例的在离子液体[Emim][PF₆]中，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及正戊醇反应制备碳酸甲戊酯和酶用量的关系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但不以任何方式限制本发明。南极假丝酵母脂肪酶购自武汉楚诚正茂科技工程有限公司。

实施例1

在离子液体[Emim][PF₆]中南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及丁醇反应制备碳酸甲丁酯的反应条件为：醇酯摩尔比1：12，酶量为反应物质量分数12%，离子液体2mL/g(基于酯重，v/w)，水含量1%(基于酯重，w/w)，反应温度55℃，定时取反应液用于碳酸甲基烷基酯含量分析。取50μL反应液离心分层，取上层液样10μL，用290μL环己烷溶解，摇匀，再加入300μL正庚烷(2mg/mL)作为内标；取1μL样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸甲丁酯产率，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为：柱室采用程序升温，100°C维持6分钟升温速度40°C/分钟到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定,所用色谱柱为HP5MS型。

反应完毕后，采用减压蒸馏的方式对产物酯和原料进行分离，分离条件为真空度2mmHg，原料碳酸二甲酯、丁醇和副产物甲醇在50～70°C流出，产物碳酸甲丁酯在85～90°C流出，产物经气相和核磁表征，与标准物一致。¹H-NMR（溶剂氘代氯仿）：0.90（3H,甲基上的氢）,1.45～1.62(4H，亚甲基上的氢),3.78(3H，甲基上的氢)，4.22（2H，与氧相连的亚甲基上的氢）。下面实施例中产物提纯方法类似。

在上述条件下反应48h丁醇转化率可高达92%以上，选择性大于99%。

实施例2

在离子液体[Bmim][PF₆]中南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及月桂醇反应制备甲基月桂碳酸酯的反应条件为：醇酯摩尔比1：20，酶量为反应物质量分数1%，离子液体2mL/g(基于酯重，v/w)，水含量1%(基于酯重，w/w)，反应温度45℃，定时取反应液用于不对称酯含量分析。取50μL反应液离心分层，取上层液样10μL，用290μL环己烷溶解，摇匀，再加入300μL正庚烷(2mg/mL)作为内标；取1μL样品进样，由气相色谱测定反应物中的不对称酯产率，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为：柱室采用程序升温：100°C维持6分钟升温速度40°C/分钟到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定,所用色谱柱为HP5MS型。

在上述条件下反应160h月桂醇转化率可达62%以上，选择性大于99%。。

实施例3

在离子液体[Emim][BF₄]中南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及正丙醇反应制备碳酸甲丙酯的反应条件为：醇酯摩尔比1：12，酶量为反应物质量分数8%，离子液体2mL/g(基于酯重，v/w)，水含量1%(基于酯重，w/w)，反应温度25～75℃，反应时间48小时，取反应液用于碳酸甲丙酯含量分析。取50μL反应液离心分层，取上层液样10μL，用290μL环己烷溶解，摇匀，再加入300μL正庚烷(2mg/mL)作为内标；取1μL样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸甲丙酯产率，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为：柱室采用程序升温：100°C维持6分钟升温速度40°C/分钟到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定,所用色谱柱为HP5MS型。

在上述条件下，丙醇最高的转化率可高达85%以上，选择性大于99%。

实施例4

在离子液体[Bmim][BF₄]中南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及异辛醇反应制备碳酸甲基异辛酯的反应条件为：醇酯摩尔比1：1～1：20，酶量为反应物质量分数12%，离子液体2mL/g(基于酯重，v/w)，水含量1%(基于酯重，w/w)，反应温度55℃，反应时间72小时，取反应液用于碳酸甲基异辛酯含量分析。取50μL反应液离心分层，取上层液样10μL，用290μL环己烷溶解，摇匀，再加入300μL正庚烷(2mg/mL)作为内标；取1μL样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸甲基异辛酯产率，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为：柱室采用程序升温：100°C维持6分钟升温速度40°C/分钟到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定,所用色谱柱为HP5MS型。

在上述条件下，异辛醇最高的转化率可高达68%以上，选择性大于99%。

实施例5

在离子液体[Emim][PF₆]中，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及正戊醇反应制备碳酸甲基戊酯的反应条件为：醇酯摩尔比1：10，酶量为反应物质量分数1%～25%，离子液体2mL/g(基于酯重，v/w)，水含量1%(基于酯重，w/w)，反应温度55℃，反应时间72小时，取反应液用于碳酸甲基戊酯含量分析。取50μL反应液离心分层，取上层液样10μL，用290μL环己烷溶解，摇匀，再加入300μL正庚烷(2mg/mL)作为内标；取1μL样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸甲戊酯产率，所用色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为：柱室采用程序升温：100°C维持6分钟升温速度40°C/分钟到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定,所用色谱柱为HP5MS型。

在上述条件下，正戊醇最高的转化率可高达93%以上，选择性大于99%。

实施例6

不加离子液体，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及丁醇反应制备碳酸甲丁酯反应条件为：醇酯摩尔比1：10，酶量为反应物质量分数2%，水含量1%(基于酯重，w/w)，反应温度50℃，在上述条件下反应160h，取反应液用于碳酸甲丁酯含量分析。取50μL反应液离心分层，取上层液样10μL，用290μL环己烷溶解，摇匀，再加入300μL正庚烷(2mg/mL)作为内标；取1μL样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸甲丁酯产率，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为：柱室采用程序升温，100°C维持6分钟升温速度40°C/分钟到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定,所用色谱柱为HP5MS型。丁醇转化率可高达85%以上，选择性大于99%。

实施例7

不加离子液体，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及苄醇反应制备碳酸甲苄酯反应条件为：醇酯摩尔比1：4，酶量为反应物质量分数5%，水含量1%(基于酯重，w/w)，反应温度75℃，在上述条件下反应160h，取反应液用于碳酸甲苄酯含量分析。取50μL反应液离心分层，取上层液样10μL，用290μL环己烷溶解，摇匀，再加入300μL正庚烷(2mg/mL)作为内标；取1μL样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸甲苄酯产率，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为：柱室采用程序升温，100°C维持6分钟升温速度40°C/分钟到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定,所用色谱柱为HP5MS型。苄醇转化率可高达75%以上，选择性大于99%。

实施例8

在离子液体[Bmim][PF₆]中南极假丝酵母脂肪酶CAL催化碳酸二甲酯及异戊醇反应制备碳酸甲基异戊酯反应条件为：醇酯摩尔比1：12，酶量为反应物质量分数12%，离子液体2mL/g(基于酯重，v/w)，水含量1%(基于酯重，w/w)，反应温度55℃，反应时间48小时，取反应液用于碳酸甲基异戊酯含量分析。取50μL反应液离心分层，取上层液样10μL，用290μL环己烷溶解，摇匀，再加入300μL正庚烷(2mg/mL)作为内标；取1μL样品进样，由气相色谱测定反应物中的碳酸甲基异戊酯产率，色谱柱为SE-54型。具体的测试条件为：柱室采用程序升温：100°C维持6分钟升温速度40°C/分钟到200°C维持15分钟，气化室320°C，检测室320°C。反应选择性用Finnigan Trace DSQ型气质联用色谱仪测定,所用色谱柱为HP5MS型。

异戊醇转化率可高达95%以上，选择性大于99%。

由以上各实施例可知，不加离子液体做为溶剂，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化烷基醇与碳酸二甲酯酯的反应中，烷基醇的转化率降低，反应时间延长；而以离子液体做为溶剂，南极假丝酵母脂肪酶CAL催化烷基醇与碳酸二甲酯的反应中，烷基醇的转化率提高，反应时间缩短。

Claims

1.一种制备碳酸甲基烷基酯的方法，其特征在于：

向反应容器中加入碳酸二甲酯和烷基醇，烷基醇和碳酸二甲酯摩尔比为1：1 至1:20 ，再加入碳酸二甲酯和烷基醇总质量1%~25%的南极假丝酵母脂肪酶，反应温度为25~70oC，在空气气氛中搅拌，进行转酯反应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所用烷基醇包括直链醇和支链醇。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述直链醇为乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、癸醇、月桂醇、苄醇或苯乙醇。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述支链醇为异丙醇、异丁醇、仲丁醇、异戊醇、新戊醇、异己醇、2-己醇、异庚醇、2-庚醇、异辛醇、2-辛醇、异癸醇或2-癸醇。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，反应时间为1~160小时。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，反应温度为55oC，反应时间为48小时。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，加入碳酸二甲酯和烷基醇的摩尔比为1：12，南极假丝酵母脂肪酶的加入量为碳酸二甲酯和烷基醇总质量的12%。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向反应容器中加入离子液体作为反应介质。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述离子液体选用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种。