CN103184255A - 一种脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，所述方法为：以摩尔比为1∶18～23的半乳糖与乙酸乙烯酯为原料，以0.5～1.0g脂肪酶Lipozyme TLIM为催化剂，以叔戊醇和DMSO的混合溶剂为反应溶剂，将脂肪酶Lipozyme TLIM均匀填充在微流控通道反应器的反应通道中，所述微流控通道反应器的反应通道内径为0.8～2.4mm，反应通道长为0.5～1.0m；使原料和反应溶剂连续通入反应通道中进行酰化反应，控制酰化反应温度为40～55℃，酰化反应时间为15～35min，在线收集反应液，反应液经常规后处理得到半乳糖-6-乙酸酯。本发明具有反应时间短、选择性高及产率高的优点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种脂肪酶催化在线可控选择性合成半乳糖-6-乙酸酯的方法。
(二)背景技术
糖酯是一种优良的非离子表面活性剂，采用自然界广泛存在的天然可再生资源糖为原料，具有广阔的发展前景。当今表面活性剂工业正向绿色化学的方向发展，逐渐要求产品无毒害化、反应原料可再生化、反应过程绿色化。糖酯作为一种优良的天然表面活性剂，符合绿色化学的产品无毒害化和反应原料可再生化两大要求，但其反应过程仍需要进一步绿色化。
目前国内外商业化生产的糖酯全部是由化学法合成的，化学法存在许多不足，主要包括：反应过程中条件激烈，容易发生糖的碳化和内酯化等副反应，而且由于化学合成反应对酯键位置的选择性差，酯键数量难于控制，生成产物为多种酯的异构体和副产品的混合物，产品难于分离纯化，产品色泽较深等缺点。酶法生产具有反应条件温和及良好的区域和位置选择性，以及明显的立体专一性，产品纯度高、色泽浅，产品容易分离纯化等优点。酶法生产不仅符合绿色反应过程的要求，并且解决了化学法生产的诸多缺点，已越来越受到人们的重视。
目前国内外研究较多并实现工业化生产的仍是以蔗糖酯为主的二糖酯，而对葡萄糖酯、果糖酯、甘露糖酯和半乳糖酯等单糖酯的研究相对较少。采用半乳糖生产糖酯与蔗糖相比有许多优点，如半乳糖含有较少的羟基，酶法生产半乳糖酯反应过程更简单，副产物更少，单酯转化率更高、产品的分离纯化更简单等，此外，对半乳糖酯的研究将有利于解决我国国内糖酯产品单一的问题，有利于实现糖酯HLB值的系列化。因此开发高效的半乳糖酯的合成方法具有十分重要的实际意义。
微流控学(Microfluidics)是在微米级结构中操控纳升至皮升体积流体的技术与科学，是近十年来迅速崛起的新交叉学科。当前，微流控学的发展已大大超越了原来的主要为分析化学服务的目的，而正在成为整个化学学科、生命科学、仪器科学乃至信息科学新一轮创新研究的重要技术平台。
自1997年Harrison课题组发表了首篇在微流控芯片微反应器中合成化合物的文献后，微流控芯片反应器已成功地用于多种有机合成反应，并展示了广泛的应用前景。随着微流控芯片中微混合、微反应技术的发展，在芯片中进行合成反应已经成为微流控芯片领域的研究热点之一。
同常规化学反应器相比，微通道反应器不仅具有使反应物间的扩散距离大大缩短，而且传质速度快；反应物配比、温度、反应时间和流速等反应条件容易控制，副反应较少；需要反应物用量甚微，不但能减少昂贵、有毒、有害反应物的用量，反应过程中产生的环境污染物也极少，是一种环境友好、合成研究新物质的技术。
目前，有较多的国内外学者对有机介质中甘露糖酯的酶催化合成进行了研究，但是该方法往往需要较长的反应时间(24h)，且反应的转化率与选择性不高，因此我们研究了微通道反应器中脂肪酶催化选择性合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，旨在寻找一种高效环保的半乳糖-6-乙酸单酯的在线可控选择性合成方法。
(三)发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微流控通道反应器中脂肪酶催化选择性合成半乳糖-6-乙酸酯的新工艺，具有反应时间短、选择性高及产率高的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，所述方法采用微流控通道反应器，所述的微流控通道反应器包括注射泵、注射器、反应通道和产物收集器，所述注射器安装于注射泵中，通过一个接口与反应通道入口连接，所述产物收集器通过一个接口与反应通道出口连接，所述反应通道内径为0.8～2.4mm，反应通道长为0.5～1.0m；所述方法包括：以摩尔比为1∶18～23的半乳糖与乙酸乙烯酯为原料，以0.5～1.0g脂肪酶Lipozyme TLIM为催化剂，以叔戊醇和二甲亚砜(DMSO)的混合溶剂为反应溶剂，将原料和反应溶剂置于注射器中，将脂肪酶Lipozyme TLIM均匀填充在微流控通道反应器的反应通道中，在注射泵推动下使原料和反应溶剂连续通入反应通道中进行酰化反应，控制酰化反应温度为40～55℃，酰化反应时间为15～35min，通过产物收集器在线收集反应液，反应液经常规后处理得到半乳糖-6-乙酸酯。
本发明采用的微流控通道反应器中，所述注射器数目可以是一个或多个，视具体反应需求而定。比如，当使用两个注射器时，可采用T型或Y型接口使不同的反应物从两个入口引入，汇流进入公共的反应通道，通过微通道的中反应物分子接触与碰撞几率增大，使两股反应液流在公共的反应通道中混合并进行反应。
所述的微流控通道反应器还包括恒温箱，所述的反应通道置于恒温箱中，以此可以有效控制反应温度。所述的恒温箱可以根据反应温度要求自行选择，比如水浴恒温箱等。
本发明对于反应通道的材质不限，推荐使用绿色、环保的材质，例如硅胶管；对于反应通道的形状最好为曲线形，可以保证反应液匀速稳定的通过。
本发明在实施过程中，可先用叔戊醇和DMSO的混合溶剂(叔戊醇∶DMSO＝4∶1)溶解半乳糖，其用量只要保证半乳糖能充分溶解即可，并装于注射器中备用；仅用无毒的叔戊醇溶解乙酸乙烯酯，装于另一注射器中备用；然后在注射泵(例如PHD2000注射泵)推动下使原料和反应溶剂通入反应通道中进行反应。因此，本发明中，反应溶剂中叔戊醇和DMSO体积比大于4∶1，相比于常规的摇床反应，可以将有毒的DMSO的使用量降至最低。
本发明中，所述的脂肪酶Lipozyme TLIM使用诺维信(novozymes)公司生产的商品，其是一种由微生物制备的、1，3位置专用、食品级脂肪酶(EC3.1.1.3)在颗粒硅胶上的制剂。它是从Thermomyces lanuginosus得到的、用一种基因改性米曲霉(Aspergillus oryzae)微生物经过深层发酵生产的。
进一步，所述半乳糖与乙酸乙烯酯的摩尔比优选为1∶21～22，最优选为1∶22。
进一步，所述酰化反应温度优选为52～55℃，最优选为52℃。
进一步，所述酰化反应时间优选为30～35min，最优选为30min。
本发明的反应产物可以在线收集，所得反应液可以通过常规后处理方法即可获得半乳糖-6-乙酸酯。所述常规后处理方法可以是：所得反应液减压蒸馏除去溶剂，用200-300目硅胶湿法装柱，洗脱试剂为氯仿∶甲醇＝10∶1，样品用少量洗脱试剂溶解后湿法上柱，收集洗脱液，同时TLC跟踪洗脱进程，将得到的含有单一产物的洗脱液合并蒸干，可以得到白色的单酯晶体，即为半乳糖-6-乙酸酯。
本发明中，虽然在半乳糖中有5个性能相近的羟基，但在微流控微通道反应器中脂肪酶催化选择性合成半乳糖乙酸酯具有较高的转化率和选择性，二酯的转化率很低，几乎没有，通过柱层析分离得到的单酯的含量100％。产物的结构经1H NMR确证。这表明微流控通道反应器中半乳糖乙酸酯的酶促选择性合成具有很好的反应转化率及选择性，能实现高的单酯化率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明微流控通道反应器中选择性合成半乳糖-6-乙酸酯，该法不仅大大地缩短了反应时间，而且具有高的转化率和反应选择性；同时降低了DMSO的使用量，具有环保优势。
(四)附图说明
图1为本发明实施例采用的微流控通道反应器的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面以具体实施例对本发明的保护范围作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
本发明实施例使用的微流控通道反应器的结构参考图1，包括一个注射泵(未显示)、两个注射器1和2、反应通道3、水浴恒温箱(5，仅显示其平面示意图)和产物收集器4；两个注射器1和2安装于注射泵中，通过一个Y型接口与反应通道3入口连接，所述反应通道3置于水浴恒温箱5中，通过水浴恒温箱5控制反应温度，所述的反应通道3的内径2.4mm，管长1m，所述反应通道3出口通过一接口与产物收集器4连接。
实施例1：半乳糖-6-乙酸酯的合成
装置参考图1：将半乳糖(0.4mmol)溶解在10mL叔戊醇∶DMSO＝4∶1(v/v)的混合溶剂中，乙酸乙烯酯(8.8mmol)溶解在10mL叔戊醇中，然后分别装于10mL注射器中备用。0.87g脂肪酶Lipozyme TLIM均匀填充在微流控通道反应器的反应通道中，在PHD2000注射泵推动下，两路反应液分别以10.4μL·min-1的流速通过“Y”接头进入反应通道中进行反应，用水浴恒温箱控制反应器温度在52℃，反应液在反应通道内连续流动反应30min，反应结果通过薄层色谱TLC跟踪检测。
通过产物收集器在线收集反应液，减压蒸馏除去溶剂，用200-300目硅胶湿法装柱，洗脱试剂为氯仿∶甲醇＝10∶1，柱高35cm，柱直径4.5cm，样品用少量洗脱试剂溶解后湿法上柱，洗脱液收集流速2mL·min-1，同时TLC跟踪洗脱进程，将得到的含有单一产物的洗脱液合并蒸干，得到白色的单酯晶体，获得半乳糖-6-乙酸酯，HPLC检测半乳糖转化率为88％，半乳糖-6-乙酸酯的选择性(半乳糖-6-乙酸酯的含量/半乳糖酯总含量)为100％。
核磁表征结果如下：
1H-NMR(DMSO-d6，δ，ppm)：半乳糖-6-乙酸酯：1H-NMR(DMSO-d6，δ，ppm)：6.62(d，0.25H，J＝6.5Hz，β-D-半乳糖的1-OH)，6.27(d，0.75H，J＝4.5Hz，α-D-半乳糖的1-OH)，4.94(s，1H，α-D-半乳糖的H-1)，4.54(m，2H，α-D-半乳糖的3-OH和4-OH)，4.33(d，1H，J＝6.0Hz，α-D-半乳糖的2-OH)，4.08(m，2H，α-D-半乳糖的H-6和H-6′)，3.99(t，1H，α-D-半乳糖的H-5)，3.66(s，1H，α-D-半乳糖的H-4)，3.54(m，1H，α-D-半乳糖的H-3)，3.50(m，1H，α-D-半乳糖的H-2)，2.01(s，3H，CH3).
实施例2-5
改变微流控通道反应器的温度，其他同实施例1，反应结果如表1所示：
表1：温度对反应的影响
表1的结果表明，当流速为10.4μL·min-1，反应时间均为30min时，反应随温度的升高，转化率也明显升高，当反应温度达到52℃时，反应的转化率及选择性都最佳，此时如果继续升温，将会引起酶活性的降低，从而导致了反应的转化率及选择性有所降低，所以本发明中微流控微通道反应器中半乳糖乙酸酯的最佳反应温度为52℃。
实施例6-10
改变微流控微通道反应器中乙酸乙烯酯与半乳糖的底物比为18∶1(实施例6)、19∶1(实施例7)、20∶1(实施例8)、21∶1(实施例9)、23∶1(实施例10)，其他同实施例1，结果如表2所示。
表2：半乳糖与乙酸乙烯酯底物比对反应的影响
| 实施例 | 乙酸乙烯酯∶蔗糖 | 转化率[％] | 选择性[％] |
| 6 | 18∶1 | 58 | 100 |
| 7 | 19∶1 | 68 | 100 |
| 8 | 20∶1 | 78 | 100 |
| 9 | 21∶1 | 82 | 100 |
| 1 | 22∶1 | 88 | 100 |
| 10 | 23∶1 | 84 | 96 |
表2的结果表明，随着反应物乙酸乙烯酯的增加，反应的转化率也随着增加，当底物比为22∶1时，反应的转化率及选择性最优，半乳糖基本已经定量完全转化为半乳糖-6-乙酸酯。此时如果继续增加反应物乙酸乙烯酯的用量，将会导致反应的转化率和选择性降低，因而，该反应的最佳底物比为22∶1，在该反应条件下，半乳糖基本定量完全转化为半乳糖-6-乙酸酯。
实施例11-14
改变微流控微通道反应器中反应时间为15min(实施例11)、20min(实施例12)、25min(实施例13)、35min(实施例14)，其他同实施例1，结果如表3所示。
表3：反应时间对反应转化率及选择性的影响
| 实施例 | 反应时间[min] | 转化率[％] | 选择性[％] |
| 11 | 15 | 65 | 100 |
| 12 | 20 | 70 | 100 |
| 13 | 25 | 78 | 100 |
| 1 | 30 | 88 | 100 |
| 15 | 35 | 85 | 98 |
表3的结果表明，反应进行15min即可得到65％的半乳糖-6-乙酸单酯，此时的选择性为100％，半乳糖基本是完全转化为半乳糖-6-乙酸单酯。随着反应时间的增加，反应的转化率逐渐增加，当反应进行30min时，半乳糖-6-乙酸单酯的转化率可以达到88％，反应选择性也可以达到100％。此时如果继续延长反应时间，反而会导致反应转化率和选择性的降低，因而，微流控通道反应器中半乳糖-6-乙酸酯合成的最佳时间为30min。
Claims (6)
1.一种脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于所述方法采用微流控通道反应器，所述的微流控通道反应器包括注射泵、注射器、反应通道和产物收集器，所述注射器安装于注射泵中，通过一个接口与反应通道入口连接，所述产物收集器通过一个接口与反应通道出口连接，所述反应通道内径为0.8～2.4mm，反应通道长为0.5～1.0m；所述方法包括：以摩尔比为1∶18～23的半乳糖与乙酸乙烯酯为原料，以0.5～1.0g脂肪酶Lipozyme TLIM为催化剂，以叔戊醇和二甲亚砜的混合溶剂为反应溶剂，将原料和反应溶剂置于注射器中，将脂肪酶Lipozyme TLIM均匀填充在微流控通道反应器的反应通道中，在注射泵推动下使原料和反应溶剂连续通入反应通道中进行酰化反应，控制酰化反应温度为40～55℃，酰化反应时间为15～35min，通过产物收集器在线收集反应液，反应液经常规后处理得到半乳糖-6-乙酸酯。
2.如权利要求1所述的脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述的方法包括下列步骤：先用体积比为4∶1的叔戊醇和DMSO的混合溶剂溶解半乳糖，装于注射器中备用；用叔戊醇溶解乙酸乙烯酯，装于另一注射器中备用；然后在注射泵推动下使原料和反应溶剂通入反应通道中进行酰化反应。
3.如权利要求1所述的脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述微流控通道反应器包括恒温箱，所述反应通道置于恒温箱中。
4.如权利要求2所述的脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述微流控通道反应器包括恒温箱，所述反应通道置于恒温箱中。
5.如权利要求1～4之一所述的脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述半乳糖与乙酸乙烯酯的摩尔比为1∶21～22，所述酰化反应温度为52～55℃，所述酰化反应时间为30～35min。
6.如权利要求1～4之一所述的脂肪酶催化在线合成半乳糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述半乳糖与乙酸乙烯酯的摩尔比为1∶22，所述酰化反应温度为52℃，所述酰化反应时间为30min。
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