CN103614425B - 利用脂肪酶催化合成聚乙二醇不饱和羧酸酯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用脂肪酶催化合成聚乙二醇不饱和羧酸酯的方法。该方法，包括如下步骤：以脂肪酶为催化剂，将式IIa所示聚乙二醇或式IIb所示聚乙二醇单甲醚在有机溶剂或熔融状态下加入式III所示不饱和羧酸混匀进行酯化反应，反应完毕得到所述不饱和羧酸酯。该方法利用脂肪酶催化替代了传统的强酸催化过程，克服了传统化学催化过程中所存在的酸醇比过大，反应温度高，大量添加阻聚剂，产品色值高，质量波动大的缺点，过程节能，环保，产品质量稳定，酯化率高，生物安全性好，有利于工业实施。

Description

利用脂肪酶催化合成聚乙二醇不饱和羧酸酯的方法

技术领域

本发明涉及一种利用脂肪酶催化合成聚乙二醇不饱和羧酸酯的方法。

背景技术

聚乙二醇的不饱和羧酸酯，如聚乙二醇甲基丙烯酸酯，聚乙二醇丙烯酸酯等，常作为合成混凝土聚羧酸型减水剂的大单体，其性能优异，使用范围广。低分子量的聚乙二醇不饱和脂肪酸酯还可作为交联剂，用于生物医用材料。传统的制备聚乙二醇不饱和羧酸酯的方法，均采用化学法合成。主要有酰氯酯化法，强酸/强碱/无机金属复合催化剂催化的直接酯化法，酯交换法，以及直接乙氧基化法。这些方法反应温度高，能耗大，设备腐蚀大，需要加入大量阻聚剂避免甲基丙烯酸、丙烯酸等不饱和羧酸的聚合反应，产品色值差，常呈现红色或棕褐色，酯化率不稳定。因此开发低温、高效的酶催化过程合成高品质的聚乙二醇不饱和羧酸酯，对于减水剂产业具有重要的现实意义。随着生物技术的发展，特别是生物酶工程的研究的进步，各种酶能够大量低价地获得，使得酶催化领域作为新兴的合成技术越来越受到重视。脂肪酶作为一种广泛使用的工业用酶之一，可用于催化水解、酯化、转酯化等多种类型的反应，在日用化学品，油脂转化，医药合成，食品加工等领域广泛使用。用脂肪酶催化合成聚乙二醇的不饱和羧酸酯，能够使酯化过程在相对温和的条件下高效地合成，避免了高温高压的强酸催化过程，同时还能在不使用或很少使用阻聚剂的情况下，实现高的双键保留。整个合成过程安全高效，产品质量稳定，色泽洁白。更为重要的是，酶法所生产的聚乙二醇不饱和羧酸酯类产品，不含有毒有害的强酸、重金属或酚类阻聚剂的成分，产生生物安全性好，可以用于化妆品、医药等高附加值的领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用脂肪酶催化合成聚乙二醇不饱和羧酸酯的方法。

本发明提供的制备式I所示不饱和羧酸酯的方法，包括如下步骤：

以脂肪酶为催化剂，将式IIa所示聚乙二醇或式IIb所示聚乙二醇单甲醚溶于有机溶剂中后加入式III所示不饱和羧酸混匀进行酯化反应，反应完毕得到所述式I所示化合物；

或者，

以脂肪酶为催化剂，将式IIa所示聚乙二醇或式IIb所示聚乙二醇单甲醚熔融后加入式III所示不饱和羧酸混匀进行酯化反应，反应完毕得到所述式I所示化合物；

所述式I中，R₁为H或甲基或

R₂、R₃和R₄均选自氢和C1-C6的烷基、C2-C6的烯基和苯基中的任意一种；

所述中，R₂、R₃和R₄均选自氢和C1-C6的烷基、C2-C6的烯基和苯基中的任意一种；

所述式I、式IIa和式IIb中，n均为2～1500。

上述方法中，当R₁=H时，式I为聚乙二醇单不饱和羧酸酯；

当R₁=CH₃时，式I为聚乙二醇单甲醚；

当R₁=式I为聚乙二醇双不饱和羧酸酯。

所述聚乙二醇和聚乙二醇单甲醚的数均分子量为200～50,000，具体为500～20,000，更具体为1200、1900、2000、1200-1900、1900-2000或1200-2000。

在实际操作中，所述脂肪酶是以固定在载体上的固定化酶或含水量低于1%的酶粉的形式加入反应体系的；其中，含水量低于1%的酶粉可为将市售酶液用冷冻干燥的方式获得。所述载体为硅藻土、树脂或纺织品膜。

所述脂肪酶选自黑曲霉（Aspergillusniger）、南极假丝酵母脂肪酶（Candidaantarcticalipase)、皱褶假丝酵母(Candidarugosa)、毛霉菌(Mucormiehei)、洋葱假单胞菌(Pseudomonascepacia)、和猪胰腺脂肪酶(porcinepancreas)中的至少一种；

上述脂肪酶中，商品化的固定化酶可以为诺维信固定化脂肪酶435(Novozym435)，LipozymeRMIM或LipozymeTLIM。

所述不饱和羧酸选自甲基丙烯酸、丙烯酸、2-丁烯酸、3-丁烯酸、肉桂酸、异肉桂酸、丙炔酸和2-丁炔酸中的至少一种。

所述脂肪酶与聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚的质量比为1：0.01-100，具体为1：10-50，更具体为1：10、1：20或1：10-20；

所述不饱和羧酸和聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚的投料摩尔比为1：0.2-1.2，具体为1：0.9、1：0.96、1：0.99、1：0.3、1：0.5、1：0.3-0.99、1：0.3-0.96、1：0.5-0.99或1：0.3-0.5。

所述熔融酯化步骤，温度为20-80℃，具体为35-60℃，更具体为55℃；

时间为0.5-48小时，具体为4小时；

所述添加溶剂的酯化反应步骤中，温度为20-80℃，更具体为50℃，时间为0.5-48小时，具体为5小时、12小时或5-12小时。

所述有机溶剂选自甲苯、二苯醚、二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、石油醚、叔丁醇、丙酮和四氢呋喃中的至少一种。

具体的，所述式II所示不饱和羧酸酯为如下化合物中的任意一种：

所述化合物中，n均为2～1500，具体为10-500，更具体为26、41、44、26-44、26-41或41-44。

在实际制备过程中，根据反应温度和不饱和羧酸的稳定性的不同，所述方法还包括如下步骤：

在所述酯化反应之前，向反应体系中加入阻聚剂和/或吸水剂；

其中，所述阻聚剂选自对苯二酚、对苯醌、酚噻嗪、β-苯基萘胺、对叔丁基邻苯二酚、对羟基苯甲醚、乙酰丙酮、氯化亚铜和三氯化铁中的至少一种；

所述吸水剂选自分子筛、无水硫酸钙、无水氯化钙和无水硫酸钠中的至少一种；所述分子筛具体为分子筛。所述吸水剂的用量为所述和聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚质量的18-22%，具体为20%。

吸水剂的作用是以除去体系中微量的生成水以提高酯化反应效率。

在实际制备过程中，脂肪酶若采用固定化酶形式，可以通过过滤方式滤出，回收利用。

本发明公开了一种利用脂肪酶催化合成聚乙二醇不饱和羧酸酯的制备方法。该方法利用脂肪酶催化替代了传统的强酸催化过程，克服了传统化学催化过程中所存在的酸醇比过大，反应温度高，大量添加阻聚剂，产品色值高，质量波动大的缺点，过程节能，环保，产品质量稳定，酯化率高，生物安全性好，有利于工业实施。

附图说明

图1为甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的FTIR光谱；

图2为产物的核磁共振谱。

图3为产物mPEGMA-1200(甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯)的外观图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

实施例中所使用的固定化脂肪酶为购自诺维信公司的Novozym435，Novozym435所对应的酶为南极假丝酵母脂肪酶B（CandidaantarcticalipaseB）；酯化活力可用每1g酶合成月桂酸丙酯的单位来表示（PLU/g）；Novozym435固定化脂肪酶的酶活均为10,000PLU/g。

实施例1

100g（0.083mol）式IIb所示聚乙二醇单甲醚-1200（mPEG-1200，n为26）溶于100mL甲苯中，滴加7.2g（0.084mol）式III所示不饱和羧酸甲基丙烯酸，搅拌混合均匀，投入5g固定化脂肪酶Novozym435，在50℃下进行酯化反应5h.反应完成后抽滤，除去Novozym435颗粒，得到滤液，旋转蒸发除去多余溶剂，真空干燥过夜得到白色蜡状固体，即为产品，实物图如图3所示，收率为76%。

产品通过图1所示红外和图2所示核磁谱图进一步确认为目标产物。

甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的¹HNMR结果如下：

δ=6.1ppm，5.6ppm，=CH₂;δ=3.5～3.7ppm，-OCH₂-CH₂-O-，(Area：66.55)

δ=3.38ppm，CH₃-O-，(Area：1.03)；δ=1.95ppm，CH₃-C=C，(Area：1.0)。

通过滴定测定产品的皂化值和酸值，并与理论值比较，可以计算产品酯化率。

具体做法如下：

皂化值测定

称取一定量的试样（如1g）于250mL锥形瓶中，用移液管移入5mL0.5mol/L的KOH乙醇溶液，微沸状态下冷凝回流1h，稍冷后再用适量中性乙醇冲洗冷凝管壁，以酚酞做指示剂，用0.5mol/L盐酸滴定至红色消失。空白对照实验为不加试样，重复上述步骤。

皂化值SV

$\mathrm{SV}=\frac{(V_2-V_1)}{m}\×c\left(\mathrm{HCl}\right)\×56.11$

SV——每克样品消耗的KOH的毫克数，mgKOH/g

V₂——空白实验消耗盐酸溶液的体积，mL

V₁——样品消耗盐酸溶液的体积，mL

c——盐酸标准溶液的浓度，mol/L

m——试样质量

酸值测定

称取一定量的试样（mg），置于250mL锥形瓶中，加水溶解（必要时可适当加热），加2～3滴酚酞试剂，用0.1N的氢氧化钠（钾）溶液滴定至溶液显红色，15s内不褪色。同时不加试样，做空白对照实验。

酸值计算如下：

$x=\frac{(V_2-V_1)}{m}\×c\left(\mathrm{NaOH}\right)\×56.11$

x——每克样品消耗的KOH的毫克数，mgKOH/g

V₁——空白实验消耗碱溶液的体积，mL

V₂——样品消耗碱溶液的体积，mL

c——氢氧化钠（钾）溶液的浓度，mol/L

m——试样质量

酯化率的计算：酯化率=（皂化值SV—酸值x）/理论皂化值。

理论皂化值为每克纯的产品理论上皂化时所消耗的KOH毫克数。以聚乙二醇单甲醚-1200的甲基丙烯酸酯为例，其理论皂化值应为44.25mgKOH/g。

测定所得酯化率为45%，产品为纯白色。

实施例2

5g（0.0025mol）聚乙二醇单甲醚-2000（n为44）溶于5mL甲苯中，滴加甲基丙烯酸230mg（0.0027mol），搅拌混合均匀，投入500mg固定化脂肪酶Novozym435，于50℃下进行酯化反应5h，过滤除去酶催化剂，旋转蒸发除去多余溶剂，真空干燥，得到式I所示化合物，收率为87%。

产品通过红外，核磁等进一步确认为目标产物。

通过滴定测定产品的皂化值和酸值，并与理论值比较，可以计算产品酯化率。测定得到的酯化率为48.1%，产品为纯白色。

实施例3-6

实施例3的操作步骤同实施例2.不同之处在于固定化脂肪酶Novozym435的投加量为250mg。

实施例4的操作步骤同实施例2.不同之处在于甲基丙烯酸的投加量为460mg（0.0053mol）。

实施例5的操作步骤同实施例2.不同之处在于甲基丙烯酸的投加量为690mg（0.008mol），反应时间12h。

实施例6的操作步骤同实施例2.不同之处在于体系中加入了1克分子筛，反应时间12h。

实施例7、无溶剂酯化方法。

5g（0.0026mol）聚乙二醇单甲醚-1900（mPEG-1900，n为41）溶于加热至55℃熔融，滴加230mg（0.0025mol）甲基丙烯酸，搅拌混合均匀，投入500mg固定化脂肪酶Novozym435，维持温度，进行酯化反应4h，反应完成后趁热抽滤，除去固定化酶颗粒，滤液自然冷却得到白色产品。

所得到的产品为纯白色，酸值6.9mgKOH/g；皂化值31.6mgKOH/g；折合酯化率=86.7%；核磁共振积分折算酯化率为84.1%。

实施例8-9

实施例8操作步骤同实施例7.不同之处在于甲基丙烯酸的投料量是460mg（0.005mol）。

实施例9操作步骤同实施例8.不同之处在于使用的原料为聚乙二醇-2000，反应时间6h。

上述实施例1-9所得产物的收率及酯化率均列于表1中。

表1.各实施例的典型结果

Claims (12)

1.一种制备式I所示化合物的方法，包括如下步骤：

以脂肪酶为催化剂，将式IIa所示聚乙二醇或式IIb所示聚乙二醇单甲醚溶于有机溶剂中后加入式III所示不饱和羧酸混匀进行酯化反应，反应完毕得到所述式I所示化合物；

或者，

以脂肪酶为催化剂，将式IIa所示聚乙二醇或式IIb所示聚乙二醇单甲醚熔融后加入式III所示不饱和羧酸混匀进行酯化反应，反应完毕得到所述式I所示化合物；

所述式I中，R₁为H或甲基或

R₂、R₃和R₄均选自氢和C1-C6的烷基中的任意一种；

所述中，R₂、R₃和R₄均选自氢和C1-C6的烷基中的任意一种；

所述式I、式IIa和式IIb中，n均为2～1500；

所述脂肪酶选自黑曲霉、南极假丝酵母脂肪酶、皱褶假丝酵母、毛霉菌、洋葱假单胞菌、荧光假单胞菌和猪胰腺脂肪酶中的至少一种；

所述熔融步骤，温度为20-80℃；

所述酯化反应步骤中，温度为20-80℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述聚乙二醇和聚乙二醇单甲醚的数均分子量为200～50,000。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述聚乙二醇和聚乙二醇单甲醚的数均分子量为500～20,000。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述不饱和羧酸选自甲基丙烯酸、丙烯酸、2-丁烯酸、肉桂酸和异肉桂酸中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述脂肪酶与聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚的质量比为1：0.01-100；

所述不饱和羧酸和聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚的投料摩尔比为1：0.2-1.2。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述脂肪酶与聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚的质量比为1：10-50。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述酯化反应步骤中，时间为0.5-48小时。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述熔融步骤，温度为35-60℃。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述有机溶剂选自甲苯、二苯醚、二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、石油醚、叔丁醇、丙酮和四氢呋喃中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括如下步骤：

在所述酯化反应之前，向反应体系中加入阻聚剂和/或吸水剂；

其中，所述阻聚剂选自对苯二酚、对苯醌、酚噻嗪、β-苯基萘胺、对叔丁基邻苯二酚、对羟基苯甲醚、乙酰丙酮、氯化亚铜和三氯化铁中的至少一种；

所述吸水剂选自分子筛、无水硫酸钙、无水氯化钙和无水硫酸钠中的至少一种；所述吸水剂的用量为所述聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚质量的18-22％。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述分子筛为分子筛；所述吸水剂的用量为所述聚乙二醇或聚乙二醇单甲醚质量的20％。

12.根据权利要求1-11任一所述的方法，其特征在于：所述式I所示化合物为如下化合物中的任意一种：

所述化合物中，n均为10-500。