CN103896844B - 一类生物相容离子液体及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一类生物相容离子液体及其制备方法和用途。该类生物相容离子液体为具有如下通式的化合物。本发明还保护了该化合物的制备方法。该化合物可以用作生物催化反应的介质。该化合物用作生物相容离子液体的用途。脂肪酶溶于本发明生物离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]后表现出相当高的催化活性，说明本发明的离子液体具有较好的生物相容性，可应用于生物化工领域和西药制备技术领域。同时本发明的方法工艺简便，原料价廉易得，对生产设备及环境条件要求不高，且纯度高，产量大，非常适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及化学领域，尤其涉及一类生物相容离子液体及其制备方法和用途。
背景技术
生物催化剂在缓冲水溶液中表现出高活性和立体选择性。但是，大多数具有商业价值的有机化合物都是水不溶性的，有的在水溶液中还不稳定，会导致水解、消旋化和分解等副反应的发生。非水相生物催化就成为绿色制造新化合物的一个很好选择。离子液体(IL)被誉为绿色溶剂，由有机阳离子和无机或有机阴离子构成，在室温或室温附近温度下呈液态，蒸汽压低，挥发性极小。但是，酶在大多数离子液体中的溶解度都很低，酶以悬浮颗粒形式存在，反应中酶粉易聚集成不溶性大颗粒，结果只有暴露于颗粒表层的酶分子发挥催化作用，从而降低了酶的催化效率。常见的离子液体，若能溶解酶，则会导致酶失活，因此，都不具有生物相容性。迄今，生物相容离子液体尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一类新的化合物及合成路线短、合成工艺简单、原料成本低、环境污染小、易实现规模化生产的具有现实意义的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供一类化合物，其具有以下通式，
其中，m=2-4，n=1-3。
本发明还保护所述化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.[CmOHMIM]X的合成
N-甲基咪唑和卤代醇以1:1.1-1.5的物质的量之比在密封条件下反应后加入0.5-1.0倍卤代醇体积的乙酸乙酯，搅拌3-5min，静置20-30min后晶体析出完全，分出液体，晶体经相同体积的乙酸乙酯洗涤2-3次，50-80℃真空干燥得[CmOHMIM]X纯品；
B.[CmOHMIM][CnOHSO3]的合成
用A步骤所得的[CmOHMIM]X配制浓度为1-2mol L-1水溶液，过氢型阳离子交换柱，所述柱的柱高700-1000mm，控制流速为5-40BV h-1，所述1BV=1立方米溶液每立方米树脂，至流出液为中性，然后水洗至流出液不含卤离子，再过1-2mol L-1羟烷基磺酸盐（CnOHSO3Y）水溶液，控制流速为5-40BV h-1，流出液蒸去水分，得到羟烷基磺酸基离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]。
所述步骤A中，卤代醇中的卤为氯，溴，碘。
所述步骤A中，所述N-甲基咪唑和卤代醇要经过脱水、脱色处理。
所述步骤A中，反应条件为60-80℃，100-300rpm下搅拌6-20h。
所述步骤A中，所述纯化为加入0.5-1.0倍卤代醇体积的乙酸乙酯，搅拌3-5min。
所述步骤A中，所述洗涤为经乙酸乙酯洗涤2-3次。
所述步骤B中，羟烷基磺酸盐（CnOHSO3Y）中的Y为H+，Na+，K+，NH4 +。
所述化合物用作生物相容离子液体的用途。所述用途是指在生物催化反应中的用途。[CmOHMIM][CnOHSO3]的合成路线如下：
本发明所述的羟烷基磺酸基离子液体的合成方法包括以下步骤：
A.[CmOHMIM]X的合成
N-甲基咪唑和卤代醇以约1:1.1-1.5的物质的量之比在密封条件下加热搅拌反应。反应温度与反应时间视所用原料品种不同而有所变化，反应温度控制在60-80℃，反应时间在6-20h。反应后加入0.5-1.0倍卤代醇体积的乙酸乙酯，搅拌3-5min，静置20-30min后晶体析出完全，分出液体，晶体经相同体积的乙酸乙酯洗涤2-3次，50-80℃真空干燥得[CmOHMIM]X纯品。
B.[CmOHMIM][CnOHSO3]的合成
配制1-2mol L-1[CmOHMIM]X水溶液，过氢型阳离子交换柱（柱高700-1000mm），控制流速为5-40BV h-1，至流出液中性为止，水洗至流出液不含卤离子，再过1-2mol L-1羟烷基磺酸盐（CnOHSO3Y）水溶液，控制流速为5-40BV h-1，流出液蒸去水分，得到羟烷基磺酸基离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]。
在步骤A中，工业品N-甲基咪唑和卤代醇要经过脱水、脱色处理。[CmOHMIM]X有很强的吸湿性，在纯化过程中要用无水乙酸乙酯，用过的乙酸乙酯适当处理后可以循环使用。
在步骤B中，[CmOHMIM]X水溶液处理过的氢型阳离子交换柱需经水洗，至流出液经AgNO3检验须不含卤离子。
本发明生物溶剂设计原则是：
1.生物溶剂母体结构应具有强解离能力，即有高介电常数，以保证电解质电离后能形成自由离子，而不产生离子对。
2.电解质的电离决定于溶剂的电离能力，要求溶剂既有较大的AN值（Lewis酸），又有较大的DN值（Lewis碱），即为两性溶剂。
依据此生物溶剂设计原则，生物相容离子液体的阴、阳离子部分均应含有羟基且其母体结构应具有高介电常数。由此设计出本发明所示的羟烷基磺酸基离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]。
鉴于羟烷基磺酸基离子液体有着良好的应用前景，采用合成路线短、合成工艺简单、原料成本低、环境污染小的制备方法，易实现规模化生产，具有现实意义。
经实验检测，脂肪酶Candida antarctica lipase(CAL)和Pseudomonas cepacialipase(PCL)溶于羟烷基磺酸基离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]后表现出相当高的催化活性，说明离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]具有生物相容性，因此可将它们应用于生物化工领域和西药制备技术领域。
本发明的方法工艺简便，原料价廉易得，对生产设备及环境条件要求不高，且纯度高，产量大，非常适合大规模工业化生产，扩大了离子液体生产行业的发展需求。
鉴于生物相容离子液体具有诸多的优秀品质，便于开发更多新产品，并应用到其它领域中，使其得到充分的利用，对增加生物化工和西药制备行业的生产能力，提高生物化工和西药制备行业的竞争力具有重要意义。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1：离子液体[C2OHMIM][C1OHSO3]的合成
A.咪唑季铵[C2OHMIM]Cl的合成
取经过脱水、脱色处理后的N-甲基咪唑50.0mL和氯乙醇64.0mL依次加入250mL单口烧瓶中，反应体系在密封条件下80℃加热搅拌反应。反应20h后加入50mL乙酸乙酯，搅拌5min，静置30min后晶体析出完全，分出液体，晶体经相同体积的乙酸乙酯洗涤3次，60℃真空干燥得[C2OHMIM]Cl纯品。
B.[C2OHMIM][C1OHSO3]的合成
配制200.0mL1.0mol L-1[C2OHMIM]Cl水溶液，过氢型Amberlite IR120阳离子交换柱（柱高700mm），控制流速为5BV h-1，至流出液中性为止，水洗至流出液不含氯离子，再过50.0mL1.0mol L-1羟甲基磺酸钠水溶液，控制流速为5BV h-1，流出液蒸去水分，得到羟甲基磺酸基离子液体[C2OHMIM][C1OHSO3]。
产物的核磁共振谱于室温录谱，1H-NMR化学位移以三甲基硅烷（TMS）为内标。核磁共振表征结果如下：1H NMR(400MHz,D2O):3.895(s,3H),3.909(t,J=5.042Hz,2H),4.308(t,J=4.687,5.061Hz,2H),4.342(s,2H),7.453(s,1H),7.507(s,1H),8.745(s,1H);13C NMR(400MHz,D2O,25℃):35.851,51.608,59.888,74.251,122.510,123.663,136.435.
核磁共振数据表明，所得产物即为目标产物。
实施例2离子液体[C2OHMIM][C2OHSO3]的合成
A.咪唑季铵[C2OHMIM]Cl的合成
取经过脱水、脱色处理后的N-甲基咪唑50mL和氯乙醇64mL依次加入250mL单口烧瓶中，反应体系在密封条件下80℃加热搅拌反应。反应20h后加入50mL乙酸乙酯，搅拌5min，静置30min后晶体析出完全，分出液体，晶体经相同体积的乙酸乙酯洗涤3次，60℃真空干燥得[C2OHMIM]Cl纯品。
B.[C2OHMIM][C2OHSO3]的合成
配制200.0mL1.0mol L-1[C2OHMIM]Cl水溶液，过氢型Amberlite IR120阳离子交换柱（柱高700mm），控制流速为5BV h-1，至流出液中性为止，水洗至流出液不含氯离子，再过50.0mL1.0mol L-1羟乙基磺酸钠水溶液，控制流速为5BV h-1，流出液蒸去水分，得到羟乙基磺酸基离子液体[C2OHMIM][C2OHSO3]。
产物的核磁共振谱于室温录谱，1H-NMR化学位移以三甲基硅烷（TMS）为内标。核磁共振表征结果如下：
1H NMR(400MHz,D2O):3.087(t,J=6.659,6.639Hz,2H),3.878(s,3H),3.884-3.909(m,4H),4.290(t,J=4.951,5.118Hz,2H),7.434(s,1H),7.483(s,1H),8.726(s,1H);13C NMR(400MHz,D2O):35.801,51.578,52.964,57.033,59.848,122.479,123.637,136.522.
核磁共振数据表明，所得产物即为目标产物。
实施例3牛血清蛋白在离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]中的溶解度测定
在5mL单颈圆底烧瓶中加入离子液体(500μL)和牛血清蛋白(BSA)(10mg)，在室温(22±1℃)下搅拌(300rpm)过夜，离心(1300rpm，5min)分离，测定BSA饱和溶液在280nm处的吸光度。用标准曲线法计算BSA饱和溶液的浓度，溶解度以mg mL-1表示。
结果表明，离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]对蛋白质具有较强的溶解能力(见表1)。
表1牛血清蛋白在离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]中的溶解度(22℃)
实施4离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]的生物相容性
采用离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]中脂肪酶催化酯交换反应的活性检测离子液体的生物相容性。
在5mL单颈圆底烧瓶中加入500μL离子液体和1.2mg脂肪酶Candida antarcticalipase(CAL,1.5U mg-1)或Pseudomonas cepacia lipase(PCL，30Umg-1)，搅拌(300rpm)直至脂肪酶完全溶解，然后加入丁酸乙酯(110μL，0.83mmol)、正丁醇(110μL，1.21mmol)和内标环辛烷(50μL)，在50℃油浴上搅拌(300rpm)反应。反应一定时间后，采样100μL，经正庚烷萃取后，用毛细色谱分析油相组成，FID检测器。色谱柱为HP-5毛细管柱(30m×0.32mm×0.25μm)。转化率用内标法计算，脂肪酶催化酯交换反应的活性以反应初速率(μmol h-1mg-1)表示。
结果表明，离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]具有生物相容性(见表2)。
表2离子液体中脂肪酶催化酯交换反应的活性
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一类化合物，其具有以下通式，
其中，m＝2-4，n＝1-3。
2.权利要求1所述化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.[CmOHMIM]X的合成
N-甲基咪唑和卤代醇以1:1.1-1.5的物质的量之比在密封条件下反应后，加入0.5-1.0倍卤代醇体积的乙酸乙酯，搅拌3-5min，静置20-30min后晶体析出完全，分出液体，晶体经相同体积的乙酸乙酯洗涤2-3次，50-80℃真空干燥得[CmOHMIM]X纯品；所述X代表卤代醇中的卤元素；
B.[CmOHMIM][CnOHSO3]的合成
用A步骤所得的[CmOHMIM]X配制浓度为1-2mol L-1水溶液，过氢型阳离子交换柱，所述柱的柱高700-1000mm，控制流速为5-40BV h-1，所述1BV＝1立方米溶液每立方米树脂，至流出液为中性，然后水洗至流出液不含卤离子，再过1-2mol L-1羟烷基磺酸盐(CnOHSO3Y)水溶液，控制流速为5-40BV h-1，流出液蒸去水分，得到羟烷基磺酸基离子液体[CmOHMIM][CnOHSO3]；所述Y为H+，Na+，K+，NH4 +。
3.如权利要求2所述化合物的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，卤代醇中的卤为氯，溴，碘。
4.如权利要求2所述化合物的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述N-甲基咪唑和卤代醇要经过脱水、脱色处理。
5.如权利要求2所述化合物的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，反应条件为60-80℃，100-300rpm下搅拌6-20h。
6.如权利要求2所述化合物的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述纯化为加入0.5-1.0倍卤代醇体积的乙酸乙酯，搅拌3-5min。
7.如权利要求2所述化合物的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述洗涤为经乙酸乙酯洗涤2-3次。
8.权利要求1所述化合物或权利要求2-7任一方法所制备得到的化合物用作生物相容离子液体的用途。
9.权利要求8所述用途是指在生物催化反应中的用途。
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