CN107475309A - 一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机化学反应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机化学反应的方法，其特点是在该乳状液体系中，酶负载到乳状液的界面上，极大增强了反应底物与脂肪酶的接触机会，促进反应高效地进行；反应过程中无需搅拌，静置反应，反应结束后将乳状液通电氧化或向其中加入微量的氧化剂，乳状液能实现可控分离，并能实现表面活性剂、纳米颗粒和酶的回收再用。

Description

一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机化 学反应的方法

技术领域

本发明涉及一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机反应，属于物理化学领域。

背景技术

酶是一类具有生物活性的重要催化剂，目前酶催化有机合成反应的研究较为普遍。但常规的酶催化反应是在纯有机溶剂或者有机/水两相体系中进行，有机溶剂直接与酶接触，导致酶活力下降，且酶回收难、循环利用率低，同时酶与反应底物的接触有限，导致反应的转化率较低，因此极大限制了酶在催化有机合成反应中的工业化应用。

Pickering乳状液是两种互不相溶的液体(如油和水)在表面活性固体颗粒界面膜作用下形成的分散体系。目前已在乳制品制备、日用化工、有机合成及纳米材料制备等领域有广泛的应用研究。在Pickering乳状液中进行酶催化有机/水两相反应，水相微环境不仅使得酶活力得以保持，也为反应提供了巨大的相界面。但由于乳状液的稳定性强，使得乳状液的破乳及固体颗粒回收成为难题。

为了满足应用需求，目前已开发出一系列具有开关性或响应性的胶体颗粒，其触发机制包括氧化-还原，CO₂/N₂，磁，pH，温度，光等。然而这类胶体颗粒大多为功能高分子颗粒，一般通过化学合成法得到且合成制备相当复杂，不具有普适性及较广的工业化应用前景。因此利用开关型Pickering乳状液作为酶催化有机/水两相反应的反应介质，不仅可以实现反应的高效转化，也可实现乳状液的简易破乳及固体颗粒、酶的回收利用。

发明内容

本发明的目的是为了解决常规酶催化反应效率低、酶回收难及循环利用率低等问题，利用一种具有氧化还原响应性能的Pickering乳状液作为脂肪酶催化有机/水两相反应的反应介质。一方面，该Pickering乳状液体系可以提供巨大的相界面来促进反应的高效进行；另一方面，当反应结束后，仅需在室温下向乳状液中通电氧化或加入微量的氧化剂，致使表面活性剂被氧化，从而实现乳状液的破乳分离，水相仍保留有酶和被氧化的表面活性剂，体系加入油相、通电还原或加入还原剂，均质后重新得到稳定的Pickering乳状液，并应用到新的反应循环中。

本发明的技术方案

本发明的技术方案：先利用二茂铁基季铵盐对无机纳米颗粒表面改性，使得纳米颗粒表面从强亲水性变成双亲性，以此改性颗粒制备Pickering乳状液，并将其应用于酶催化有机反应中，其中所用的无机纳米颗粒为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、碳酸钙、水滑石中的一种或几种颗粒，原生粒径为2-200nm，以水相为基准的使用浓度(质量分数)为0.05％～10％；氧化还原刺激响应型表面活性剂的结构如下：

R＝C₆～C₂₀直链或支链、饱和或不饱和、含有或不含有羰基的烷基；X为卤素中的氯、溴、碘、氟中的一种元素；该表面活性剂以水相为基准的使用浓度为0mol·L^-1～3×10^{- 3}mol·L^-1。

首先配制一定浓度的二茂铁基季铵盐表面活性剂水溶液，然后将无机纳米颗粒，如纳米二氧化硅、氧化铝、碳酸钙等，超声分散在该刺激响应型表面活性剂的水溶液中，固体颗粒使用浓度(质量分数)为0.05～10％，加入一定浓度的酶溶液，然后加入一定量的油相和反应物，用均质机在5000-11000rpm转速下乳化2min，即可得到负载有酶的Pickering乳状液。将该乳状液放置在一定反应温度下静置反应，反应结束后将乳状液通电氧化或向其中加入微量的氧化剂，如图1所示，二茂铁基季铵盐被氧化后，二茂铁基团带一个正电荷，一头疏水一头亲水的结构被破坏，该分子整体变成类Bola型表面活性剂，表面活性大大降低，Pickering 乳状液破乳，油水两相分层，收集油相得到产品；回收的纳米SiO₂颗粒和水相，通电还原或者加入微量的还原剂，将氧化的二茂铁基季铵盐还原，再加入一定量的油相和反应物，均质后可重新获得稳定Pickering乳状液，并在其中进行酶催化反应。

适用的油相为：(1)与水不互溶的极性有机物，(2)烃类矿物油，(3)甘油三酯类动物油，乳状液中油相的体积分数为5％～80％。

氧化剂可以为臭氧、双氧水、过氧化苯甲酰、高锰酸钾中的一种或几种混合物，还原剂可以为硼氢化钠、硼氢化钾、维生素C、氢化锂铝中的一种或几种混合物。

酶为氧化还原酶、水解酶、转移酶、异构酶、裂和酶、连接酶等。

本方案中酶催化反应可以适用于大多数有机化学反应，如氧化还原反应、水解反应、异构反应、环氧化反应、Mannich反应、加成反应等。

本发明的有益效果：本发明将具有氧化还原响应性的Pickering乳状液应用到酶催化两相反应中，在该Pickering乳状液体系中，酶负载到乳状液的界面上，极大增强了反应底物与脂肪酶的接触机会，促进反应高效地进行；反应过程中无需搅拌，静置反应，反应结束后将乳状液通电氧化或向其中加入微量的氧化剂，Pickering乳状液能实现可控分离，并能实现表面活性剂、纳米颗粒和酶的回收再用。

附图说明

附图1为二茂铁基季铵盐氧化态结构式；

附图2为无机纳米颗粒、二茂铁基季铵盐(简写：FTMA)及酶共同制备的Pickering乳状液外观图，制备后立即拍摄；其中FTMA的浓度依次为0mmol·L^-1、0.01mmol·L^-1、0.03mmol·L^-1、 0.06mmol·L^-1、0.1mmol·L^-1、0.3mmol·L^-1、0.6mmol·L^-1、1mmol·L^-1、3mmol·L^-1；

附图3为无机纳米颗粒、二茂铁基季铵盐(简写：FTMA)及酶共同制备的Pickering乳状液外观图，制备后72小时拍摄；其中FTMA的浓度依次为0mmol·L^-1、0.01mmol·L^-1、0.03 mmol·L^-1、0.06mmol·L^-1、0.1mmol·L^-1、0.3mmol·L^-1、0.6mmol·L^-1、1mmol·L^-1、3mmol·L^-1；

附图4为无机纳米颗粒、FTMA及脂肪酶共同制备的Pickering乳状液显微镜照片，其中FTMA 的浓度依次为0mmol·L^-1、0.01mmol·L^-1、0.03mmol·L^-1、0.06mmol·L^-1、0.1mmol·L^-1、0.3 mmol·L^-1、0.6mmol·L^-1、1mmol·L^-1、3mmol·L^-1；

附图5为氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机反应破乳、重新利用过程示意图，其中a)为破乳前，b)为破乳后，c)为均质重新乳化；

附图6为Pickering乳状液的氧化还原循环的溶液显微照片，其中(a)为破乳前；(b为破乳后，c)为均质重新乳化。

具体实施方式

实施例1：纳米SiO₂颗粒、FTMA及脂肪酶共同制备的Pickering乳状液。于一系列体积为25mL的柱状瓶中，准确称取质量分数为0.5％(相对于水相)的纳米SiO₂，加入7mL 不同浓度的FTMA溶液。用超声波分散器将颗粒分散(90W，15s)，待纳米颗粒分散均匀，加入一定量脂肪酶溶液(水相中脂肪酶最终浓度为1mg·mL^-1)及7mL异辛烷，用均质机 (IKA ULTRA-TURRAX T18basic)在11000rpm的均质速率下乳化2min，得到O/W型 Pickering乳状液，该乳状液放置后拍摄其外观照片，如图2和图3所示。

实施例2：纳米碳酸钙颗粒、FTMA及还原酶共同制备的Pickering乳状液。分别取7mL 一系列浓度的表面活性剂水溶液放入25mL柱状小瓶中，加入0.03g商品纳米碳酸钙颗粒(原生粒径约10nm，BET比表面积250m²/g)，用超声分散器将颗粒分散(50W,1min)，加入7mL 正庚烷和一定量还原酶溶液(水相中还原酶最终浓度为1mg·mL^-1)，用高剪切乳化机乳化2 min，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。

实施例3：纳米二氧化钛颗粒、FTMA及转移酶共同制备的Pickering乳状液。分别取7 mL一系列浓度的表面活性剂水溶液放入25mL柱状小瓶中，加入0.03g商品纳米二氧化钛颗粒(原生粒径约20nm，BET比表面积300m²/g)，用超声分散器将颗粒分散(50W,1min)，加入7mL异辛烷和一定量转移酶溶液(水相中还原酶最终浓度为1.5mg·mL^-1)，用高剪切乳化机乳化2min，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。

实施例4：纳米氧化铝颗粒、FTMA及异构酶共同制备的Pickering乳状液。分别取7mL 一系列浓度的表面活性剂水溶液放入25mL柱状小瓶中，加入0.04g纳米氧化铝颗粒(原生粒径约30nm，BET比表面积200m²/g)，用超声分散器将颗粒分散(50W,1min)，加入7mL异辛烷和一定量异构酶溶液(水相中还原酶最终浓度为1.5mg·mL^-1)，用高剪切乳化机乳化2min，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。

实施例5：纳米水滑石颗粒、、FTMA及裂和酶共同制备的Pickering乳状液。分别取7mL 一系列浓度的表面活性剂水溶液放入25mL柱状小瓶中，加入0.01g纳米水滑石颗粒(原生粒径约20nm，BET比表面积400m²/g)，用超声分散器将颗粒分散(50W,1min)，加入7mL十二烷和一定量裂和酶溶液(水相中还原酶最终浓度为1.6mg·mL^-1)，用高剪切乳化机乳化2min，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。

实施例6：Pickering乳状液中脂肪酶催化橄榄油水解反应。在一系列体积为10mL的柱状瓶中，准确称取质量分数为0.5％(相对于水相)的纳米SiO₂，加入4mL浓度为0.2mmol·L^-1的FTMA溶液，用超声波分散器分散15s，待溶液冷却至室温后，加入一定浓度的脂肪酶溶液(浓度从0.2mg·mL^-1～8mg·mL^-1)，并加入4mL体积浓度为5vol％的橄榄油-异辛烷溶液作为油相。用均质机在11000rpm的均质速率下乳化2min。将反应体系静置于30℃的恒温水浴槽中反应30min后，向乳状液体系中加入微量H₂O₂或者通电一段时间，如图5b所示乳状液破乳，油水分层，取适量的上层油相，分析脂肪酸含量，并计算橄榄油的水解率，回收纳米SiO₂和水相，如图5c所示，重新加入4mL体积浓度为5vol％的橄榄油-异辛烷溶液，进行循环反应。

实施例7：Pickering乳状液中脱氢酶催化乳酸脱氢反应。在一系列体积为10mL的柱状瓶中，准确称取质量分数为0.5％(相对于水相)的纳米SiO₂，加入4mL浓度为0.2mmol·L^-1的FTMA溶液，用超声波分散器分散15s，待溶液冷却至室温后，加入一定浓度的脱氢酶溶液(浓度从0.2mg·mL^-1～8mg·mL^-1)，并加入4mL体积浓度为5vol％的乳酸-异辛烷溶液作为油相。用均质机在11000rpm的均质速率下乳化2min。将反应体系静置于30℃的恒温水浴槽中反应30min后，向乳状液体系中加入微量H₂O₂或者通电一段时间，乳状液破乳，油水分层，取适量的上层油相，分离产物并计算收率率，回收纳米SiO₂和水相，重新加入4mL 体积浓度为5vol％的乳酸-异辛烷溶液，进行循环反应。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。

Claims (5)

1.一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机化学反应的方法，其特征是配制一定浓度的二茂铁基季铵盐表面活性剂水溶液，将无机纳米颗粒分散在该刺激响应型表面活性剂的水溶液中，其中所用的无机纳米颗粒为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、碳酸钙、水滑石中的一种或几种颗粒，原生粒径为2-200nm，固体颗粒使用浓度(质量分数)为0.05～10％，加入一定浓度的酶溶液、一定量的油相和反应物，均质乳化得到稳定的乳状液，将该乳状液放置在一定反应温度下静置反应，反应结束后将乳状液通电氧化或向其中加入氧化剂，乳状液破乳，油水两相分层，收集油相并分离得到产物；回收的纳米SiO₂颗粒和水相，通电还原或者加入还原剂，再加入一定量的油相和反应物，均质后可重新获得稳定Pickering乳状液，并进行下一次循环反应，所用二茂铁季铵盐结构如下：

R＝C₆～C₂₀直链或支链、饱和或不饱和、含有或不含有羰基的烷基；X为卤素中的氯、溴、碘、氟中的一种元素；该刺激响应型表面活性剂被氧化后，二茂铁基团带一个正电荷，一头疏水一头亲水的结构被破坏，该分子整体变成类Bola型表面活性剂，表面活性大大降低；二茂铁基季铵盐所用浓度远低于其临界胶束浓度，以水相为基准的使用浓度为0mol·L^-1～3×10^-3mol·L^-1。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征是所用酶为氧化还原酶、水解酶、转移酶、异构酶、裂和酶、连接酶等中的一种或几种酶。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征是适用的油相为：(1)与水不互溶的极性有机物，(2)烃类矿物油，(3)甘油三酯类动物油，乳状液中油相的体积分数为5％～80％。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征是所用氧化剂可以为臭氧、双氧水、过氧化苯甲酰、高锰酸钾中的一种或几种混合物；还原剂可以为硼氢化钠、硼氢化钾、维生素C、氢化锂铝中的一种或几种混合物。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征是所进行的有机反应为氧化还原反应、水解反应、异构反应、环氧化反应、Mannich反应、加成反应。