CN103446971A

CN103446971A - 三明治型微反应器及其在酶促合成咖啡酸苯乙酯中的应用

Info

Publication number: CN103446971A
Application number: CN2013103584490A
Authority: CN
Inventors: 王俊; 顾双双; 崔红生; 魏贤彬; 吴福安
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-08-15
Also published as: CN103446971B

Abstract

三明治型微反应器及其在酶促合成咖啡酸苯乙酯中的应用，该发明是将脂肪酶Novozym435填充到三明治型的微反应器中，用微量注射泵将含有底物咖啡酸甲酯和苯乙醇的离子液体注入到微反应器中，进行转酯化制备咖啡酸苯乙酯（在60℃下，流速为2μL/min，保留时间2.5h时，得率可高达到99.5%）。该方法操作简便，反应条件温和，产物得率大大提高，对环境友好，克服了传统间歇式反应器中反应时间长、合成效率低等缺点，有利于规模化制备咖啡酸苯乙酯。

Description

三明治型微反应器及其在酶促合成咖啡酸苯乙酯中的应用

技术领域

本发明涉及生化制药领域，具体涉及一种三明治型微反应器及其在酶促合成咖啡酸苯乙酯中的应用。

背景技术

咖啡酸苯乙酯，英文名称：Caffeic acid phenethyl ester（CAPE），化学名称：2-苯乙基-3-(3,4-二羟苯基)-2-丙烯酸酯，分子式：C₁₇H₁₆O₄，分子量：284.31。咖啡酸苯乙酯是蜂胶、红景天等天然产物中的主要功能成分，经药理实验证明其能够阻断中性粒细胞中活性氧化物质的产生、阻断黄嘌呤氧化酶系统、能够抑制机体内NO的增加，还能抑制肿瘤细胞增生(Biol.Pharm.Bull,2003,26(4):487-491)，是国际上各大医药公司竞相开发的辅助药物或药物有效成分。

咖啡酸苯乙酯的制备方法主要有提取法、化学法和酶法。

（1）提取法：咖啡酸苯乙酯在自然界中的含量相当少，在蜂胶中的含量一般在5～25mg/g，直接提取的难度较大，且制得的咖啡酸苯乙酯的纯度较低（Clin.Chim.Acta，2006，362(1/2)：57—64）。

（2）化学法：Son等以NaOH为催化剂，六甲基膦酰胺为溶剂，催化咖啡酸和β-对乙基溴苯合成咖啡酸苯乙酯，在室温下反应52h，得率为70%(Chem.Phanrm.Bull,2001，49，236-238)。CN102746152A公开了将3,4-二羟基苯甲醛和乙酸苯乙酯在有机碱催化下，通过微波辐射1-2h来合成咖啡酸苯乙酯的方法，产率达85%。除此之外，也有以对甲苯磺酸或浓硫酸为催化剂直接酯化咖啡酸和苯乙醇合成咖啡酸苯乙酯的专利报道（EP2000-310718P），产率较低（40%）。总体上，化学法具有反应副产物多、对设备的腐蚀性强、产品分离过程复杂以及易挥发溶剂气体对环境污染大等缺点。

（3）酶法：按化学反应类型分为酯化和转酯化两种。酯化反应通常以咖啡酸和苯乙醇为底物，而转酯化反应则以咖啡酸酯类和苯乙醇为底物。

酶促酯化反应：Chen和Widjaja等都报道了在以异辛烷为溶剂的反应介质中，用脂肪酶Novozym435催化咖啡酸和苯乙醇直接酯化合成咖啡酸苯乙酯，反应48-56h后转化率都达到90%以上（New.Biotechnol,2010,27,89-93；J Chin.Inst.Chem.Eng,2008,39,413-418）。但是，传统反应介质有机溶剂带来的诸如对底物溶解度不高、挥发性溶剂对环境污染大等问题并没有得到解决。Wang和Ha等利用新型的反应介质离子液体[Emin][Tf₂N]，Novozym435酶来催化咖啡酸和苯乙醇直接酯化合成咖啡酸苯乙醇，在84℃和74℃下反应60h后得率和转化率分别为64%和99.8%（Chinese J Chem.Eng,2013,doi:10.1016/S1004-9541(13)60563-7;Bioproc.Biosyst.Eng,2013,36,799-807）。

酶促转酯化反应：Kishimoto等利用绿原酸水解酶为催化剂，以5-绿原酸和2-苯乙醇为底物转酯化合成咖啡酸苯乙醇，得率达50%（Appl.Microbiol.Biot,2005,68,198-202）；CN103173502A公开了一种转酯化酶促合成咖啡酸苯乙酯的方法，以离子液体[Bmim][TF₂N]为反应介质，Novozym435酶为催化剂，由咖啡酸甲酯与苯乙醇反应72h得到产物，得率达到85.9%。然而，传统的酶促转酯化反应的时间仍然较长，效率较低。Chen等报道了利用超声波法利用超声波辅助酶促咖啡酸苯乙酯，超声波功率为2w/cm²，反应9.6h，转化率达93.08%；在固定床中联合超声波辅助酶法，在流速0.4mL/min时，功率1.64w/cm²，温度为72.66℃下，转化率为92.11%(Ultrason Sonochem,2011,18,455-459)。虽然超声波辅助能够提供高热而使反应迅速而高效的进行，但由于其装置的特殊性，超声波体系不易实现反应的简易扩大化。

鉴于以上，在常规反应器中制备咖啡酸苯乙酯的方法都存在反应时间长、合成效率低等技术缺陷。因此，急需寻找一种新型的高效反应器来提高咖啡酸苯乙酯制备方法的效率。

近年来，微反应器由于其优异的传质特性加速反应过程而受到国内外的关注，在生物催化方面的研究应用也日益广泛（Molecules,2011，16,6041—6059）。

与传统的反应器相比，微反应器具有传热、传质效率高的优势，大大的提高产率和缩短反应时间。Cvjetko等研究了在微反应器中用脂肪酶催化合成乙酸异戊酯，反应15min后产率就可达到92%，反应速率比传统的反应器相比提高了10倍(Process Biochem,2012，47,1344-1350)。微反应器更易放大，可以通过简单的增加微反应器的数量，而实现大规模的生产。连续式反应代替间歇式反应，反应条件易控制，同时有助于克服和解决传统合成中反应器体积大、催化选择性低及产物成分复杂等问题（Angew.Chem.Int.Edit,2012,51,1706—1709）。截至目前，利用微反应器进行咖啡酸苯乙酯的酶促合成反应还未见报道。

因此，本专利旨在提供一种利用三明治型微反应器酶促合成咖啡酸苯乙酯的方法。该方法操作简便，反应效率高，产物得率高，易于大量制备高纯度咖啡酸苯乙酯，为推动其在医药工业中的广泛应用具有十分重要的意义。

发明内容

解决的技术问题：

为解决上述问题，本发明的目的提供了一种三明治型微反应器及其在酶促合成咖啡酸苯乙酯中的应用，以有效提高产物收率、缩短反应时间及减少耗能。

技术方案：

三明治型微反应器，包括注射泵（1）和反应器本体，所述反应器本体材料为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane），并由反应板（2）和盖板（3）组成，反应板中心设有固载区域（4），固载区域宽1cm，深500μm，长50mm-200mm。

反应板和盖板之间设有固定夹。

一种利用三明治型微反应器酶促合成咖啡酸苯乙酯的应用，将脂肪酶Novozym435填充到固载区域，用注射泵将含有底物咖啡酸甲酯和苯乙醇的离子液体注入到固载区域中，咖啡酸甲酯浓度范围为0.1mg/mL～20mg/mL，咖啡酸甲酯与苯乙醇的摩尔比范围为1:1～1:200，流速范围为0.1～100μL/min，反应温度范围为30～80℃，进行酶促转酯化反应制备咖啡酸苯乙酯。

所述脂肪酶Novozym435采用平铺的方式填充于固载区域。

所述脂肪酶Novozym435的填充酶量为50mg-200mg。

所述离子液体的阳、阴离子类型组合包括阳离子类型为[Bmim]、[Hmim]、[Emim]、[TOMA]或[Omim]，阴离子类型为[CF₃SO₃]、[PF₆]、[Tf₂N]、[BF₄]或[Cl]。

有益效果：

本发明选择利用三明治型微反应器酶促合成咖啡酸苯乙酯的方法，与传统的方法相比，强化了反应设备的传质、传热效果，有效的提高了反应效率，缩短反应时间，减少能量消耗。此外，本发明具有生产装置简单、易拆装等特点，只需简单的将数目放大即可等比例的扩大生产能力，具有良好的工业化应用前景，可以满足迅速发展的医药工业的需要。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图，注射泵1，反应板2，盖板3，固载区域4。

图2为部分图标数据，不同流速对咖啡酸苯乙酯得率的影响。条件：咖啡酸甲酯浓度0.5mg/mL,咖啡酸甲酯与苯乙醇摩尔比为1：50,温度60℃。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

检测酶促合成咖啡酸苯乙酯体系的高效液相色谱条件为：色谱柱采用250mm×4.6mm的Alltima^TMC₁₈柱，流动相为乙腈：冰醋酸（0.5%）(V:V)=50:50，流速为1mL/min，柱温为30℃，检测波长为325nm，进样量为20μL。

其中，产物咖啡酸苯乙酯的得率计算方法为：

实施例1

三明治型微反应器，包括注射泵1和反应器本体，所述反应器本体材料为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane），并由反应板2和盖板3组成，反应板中心设有固载区域4。反应板和盖板之间设有固定夹。

固载区域的尺寸为宽1cm，深500μm，长50mm，Novozym435（60mg）被填充到该微管道中。取0.1mg咖啡酸甲酯溶于1mL的[Hmim][PF₆]离子液体中，按照咖啡酸甲酯与苯乙醇摩尔比1:1配成反应体系。将配制好的反应体系通过微量注射泵注入微反应器中，流速为100μL/min(保留时间为3min)，温度控制在30℃。收集出口物料，用HPLC检测酶促转酯化合成咖啡酸苯乙酯的得率为1.5%。

实施例2

装置结构如实施例1，其中固载区域的尺寸为宽1cm，深500μm，长200mm，Novozym435（240mg）被填充到该微管道中。取40mg咖啡酸甲酯溶于1mL的[Omim][Cl]离子液体中，按照咖啡酸甲酯与苯乙醇摩尔比1:100配成反应体系。将配制好的反应体系通过微量注射泵注入微反应器中，流速为2μL/min(保留时间为2.5h)，温度控制在80℃。收集出口物料，用HPLC检测酶促转酯化合成咖啡酸苯乙酯的得率为21.3%。

实施例3

装置结构如实施例1，其中固载区域的尺寸为宽1cm，深500μm，长100mm，Novozym435（120mg）被填充到该微管道中。取10mg咖啡酸甲酯溶于1mL的[TOMA][CF₃SO₃]离子液体中，按照咖啡酸甲酯与苯乙醇摩尔比1:50配成反应体系。将配制好的反应体系通过微量注射泵注入微反应器中，流速为20μL/min(保留时间为15min)，温度控制在60℃。收集出口物料，用HPLC检测酶促转酯化合成咖啡酸苯乙酯的得率为32.8%。

实施例4

装置结构如实施例1，其中固载区域的尺寸为宽1cm，深500μm，长75mm，Novozym435（90mg）被填充到该微管道中。取5mg咖啡酸甲酯溶于1mL的[Emim][Tf₂N]离子液体中，按照咖啡酸甲酯与丙醇摩尔比1:20配成反应体系。将配制好的反应体系通过微量注射泵注入微反应器中，流速为5μL/min(保留时间为30min)，温度控制在70℃。收集出口物料，用HPLC检测酶促转酯化合成咖啡酸苯乙酯的得率为76.3%。

实施例5

装置结构如实施例1，其中固载区域的尺寸为宽1cm，深500μm，长150mm，Novozym435（180mg）被填充到该微管道中。取1mg咖啡酸甲酯溶于1mL的[Bmim][Tf₂N]离子液体中，按照咖啡酸甲酯与苯乙醇摩尔比1:50配成反应体系。将配制好的反应体系通过微量注射泵注入微反应器中，流速为2μL/min(保留时间为2.5h)，温度控制在65℃。收集出口物料，用HPLC检测酶促转酯化合成咖啡酸苯乙酯的得率为98.4%。

实施例6

装置结构如实施例1，其中固载区域的尺寸为宽1cm，深500μm，长75mm，Novozym435（90mg）被填充到该微管道中。取0.5mg咖啡酸甲酯溶于1mL的[Bmim][[Tf₂N]离子液体中，按照咖啡酸甲酯与苯乙醇摩尔比1:50配成反应体系。将配制好的反应体系通过微量注射泵注入微反应器中，流速为2μL/min(保留时间为2.5h)，温度控制在60℃。收集出口物料，用HPLC检测酶促转酯化合成咖啡酸苯乙酯的得率为99.5%。

对照实验

在传统的间歇式反应器中，以咖啡酸甲酯为反应底物，按照咖啡酸甲酯:苯乙醇的摩尔比为1:14，咖啡酸甲酯:脂肪酶Novozym435的质量比为1:15，苯乙醇:离子液体[Bmim][Tf₂N]的体积比为1:10配成反应体系，在80℃下，转速120rpm下反应72h。反应结束后，样品经HPLC检测后，计算咖啡酸苯乙酯得率为85.9%。

Claims

1.三明治型微反应器，其特征在于包括注射泵（1）和反应器本体，所述反应器本体材料为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane），并由反应板（2）和盖板（3）组成，反应板中心设有固载区域（4），固载区域宽1cm，深500μm，长50mm-200mm。

2.根据权利要求1所述的三明治型微反应器，其特征在于反应板和盖板之间设有固定夹。

3.一种利用权利要求1所述三明治型微反应器酶促合成咖啡酸苯乙酯的应用，其特征在于：将脂肪酶Novozym435填充到固载区域，用注射泵将含有底物咖啡酸甲酯和苯乙醇的离子液体注入到固载区域中，咖啡酸甲酯浓度范围为0.1mg/mL～20mg/mL，咖啡酸甲酯与苯乙醇的摩尔比范围为1:1～1:200，流速范围为0.1～100μL/min，反应温度范围为30～80℃，进行酶促转酯化反应制备咖啡酸苯乙酯。

4.根据权利要求3所述三明治型微反应器酶促合成咖啡酸苯乙酯的应用，其特征在于所述脂肪酶Novozym435采用平铺的方式填充于固载区域。

5.根据权利要求3所述三明治型微反应器酶促合成咖啡酸苯乙酯的应用，其特征在于脂肪酶Novozym435的填充酶量为50mg-200mg。

6.根据权利要求3所述三明治型微反应器酶促合成咖啡酸苯乙酯的应用，其特征在于所述离子液体的阳、阴离子类型组合包括阳离子类型为[Bmim]、[Hmim]、[Emim]、[TOMA]或[Omim]，阴离子类型为[CF₃SO₃]、[PF₆]、[Tf₂N]、[BF₄]或[Cl]。