CN109988787B - 一种脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脂肪酶催化在线合成2‑苯氨基环己醇的方法：以甲醇为反应溶剂，以摩尔比为1:0.6～1.4的苯胺和氧化环己烯为原料，以脂肪酶Lipozyme RM IM为催化剂，将原料和反应溶剂置于注射器中，将脂肪酶Lipozyme RM IM均匀填充在微流控通道反应器的反应通道中，在注射泵的推动下使原料和反应溶剂连续通入反应通道器中进行开环反应，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；控制开环反应温度为30～50℃，开环反应时间为10～30min，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2‑苯氨基环己醇。本发明具有反应时间短、选择性高及产率高的优点。

Description

一种脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法
(一)技术领域
本发明涉及一种脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法。
(二)背景技术
β-氨基醇是一种用途广泛的有机合成中间体，被广泛应用于合成具有生物活性的天然物质、非天然的氨基酸、药物化学、手性助剂和配体等，在医药化学及生物学占有非常重要的地位，许多临床上广泛应用的药物，如抗高血压药、抗糖尿病药、抗哮喘药和抗疟疾药等临床药物中都含有β-氨基醇结构单元。有机物分子中有超过75％的药物或药物中间体都含有氨基官能团。同时具有氨基和羟基官能团的手性氨基醇在不对称催化领域显示出良好的手性诱导能力。手性氨基醇中具有良好配位能力的N原子和O原子，可与多种元素(如B、Li、Zn等)形成配合物而成为性能优良的手性催化剂，具有很高的立体选择性和催化活性。因此探索合成β-氨基醇类化合物的绿色合成新技术具有重要的意义。
合成β-氨基醇的常用方法是环氧化合物和芳香胺发生亲核开环反应，这些方法往往需要大量的胺和较高的反应温度，而高温对一些敏感性的官能团很不利，将伴随着大量副反应的发生。由于环氧化合物中存在着环张力和极化的碳氧键，所以很容易发生开环反应，但弱亲核性的胺和空间位阻大的胺，环氧化合物很难与其发生反应。在这一转化中，存在着区域选择性、非对映选择性和对映选择性等诸多选择性问题。传统的合成方法中，环氧化合物和过量的胺在高温下反应，而高温会导致副反应的发生，同时也限制了一些对高温敏感的底物的使用，所以需要寻找一些高效和具有良好选择性的催化剂来促进环氧化合物的亲核开环反应。目前国内对环氧化物开环胺解反应的研究还处于起步阶段，但国外研究已较多，其应用前景相当广泛。金属卤化物、金属三氟甲磺酸盐、过渡金属等作为催化剂，被用于催化合成β-氨基醇。但是这类催化剂的催化体系制备过程复杂，造价昂贵，易流失，且会产生对环境有害的物质。另有报道使用石墨、蒙脱石-K10粘土或金属有机骨架来进行反应，但是这些反应存在反应时间长，区域选择性差等缺点。由此，探索β-氨基醇的绿色合成方法在药物合成中成为一个热点研究的领域。
酶催化反应由于其高效、绿色及专一性强成为绿色化学研究的一个重点。酶促反应因废弃物少，条件温和，选择性高及产物稳定性好而在工业生物合成、医疗保健和食品工业等领域得到了广泛的应用。但是酶促反应存在着溶剂对底物溶解以及溶剂极性对酶活抑制等的制约，反应时间往往很长(24h～96h)，对特定底物转化率不是很高，因而在传统酶促反应基础上发展一种基于微流控技术的酶促β-氨基醇类化合物的合成新技术成为我们的研究目标。
同常规化学反应器相比，微流控反应器具有混合效率高、传质传热快、参数控制精确、反应选择性高以及安全性好等特点而被广泛应用于有机合成反应。在连续流动微反应器中，许多反应可以实现微量反应的条件快速筛选，即使在苛刻的实验条件下也可以进行安全反应，大幅度节约了反应原料、提高了筛选效率，使之更加贴合绿色化学的概念。
到目前为止，酶催化环氧化合物开环合成β-氨基醇类化合物的研究还相对较少。皱褶假丝酵母脂肪酶CRL(Candida rugosa lipase from Candida rugosa)能有效的催化反应的进行，但该方法需要较长的反应时间(8h～12h)，且对于特定底物反应的转化率不是特别理想。为了开发一种高效绿色、区域选择性好且经济环保的β-氨基醇类化合物合成的新技术，我们研究了微通道反应器中脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，旨在寻找一种高效环保的2-苯氨基环己醇的高区域选择性在线合成的新技术。
(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在线合成2-苯氨基环己醇的新工艺，具有反应时间短、产率高、选择性好的优点。
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2-苯氨基环己醇的方法，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依次连接的注射器、反应通道和产物收集器，所述注射器安装于注射泵中，所述的注射器通过第二连接管道与反应通道入口连接，所述产物收集器通过第一连接管道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：以甲醇为反应溶剂，以苯胺和氧化环己烯为原料，以脂肪酶Lipozyme RM IM为催化剂，将所述的原料和所述的反应溶剂置于注射器中，将脂肪酶Lipozyme RM IM均匀填充在反应通道中，在注射泵的推动下使所述的原料和所述的反应溶剂连续通入反应通道中进行开环反应，控制反应温度为30～50℃，反应时间(本发明中所述反应时间指反应物进入反应通道至离开反应通道所滞留的反应时间)为10～30min，通过产物收集器在线收集反应液，所述的反应液经后处理得到2-苯氨基环己醇；所述的苯胺与氧化环己烯的物质的量之比为1:0.6～1.4；在所述反应通道可容纳所填充催化剂的最大限度内，所述的催化剂的加入量以所述反应溶剂的体积计为0.025～0.05g/mL；反应体系中，所述氧化苯乙烯的浓度为0.12～0.28mmol/mL。
进一步，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。本发明反应原料为两种，优选使用两个注射器，具体的，所述的注射器分别是第一注射器与第二注射器，所述的第一连接管道为Y型或T型管道，所述的第一注射器与第二注注射器分别连接在所述的Y型或T型管道的两个接口并通过所述的Y型或T型管道与所述的反应通道串联，通过微通道的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。
再进一步，更为具体的，本发明所述的方法包括下列步骤：
以物质的量之比为1:0.6～1.4的苯胺与氧化环己烯为原料，以脂肪酶LipozymeRM IM为催化剂，以甲醇为反应溶剂，将所述的脂肪酶Lipozyme RM IM均匀填充在反应通道中，先用甲醇溶解苯胺装于第一注射器中，用甲醇溶解氧化环己烯装于第二注射器中；再将所述的第一注射器、第二注射器装于同一注射泵中，然后在注射泵的同步推动下使原料和反应溶剂通过所述的Y型或T型管道汇总后进入反应通道中进行反应，控制反应温度为30～50℃，反应时间为10～30min，通过产物收集器在线收集反应液，所述的反应液经后处理制得2-苯氨基环己醇；所述的催化剂的加入量为0.025～0.05 0.5～1g；反应体系中，所述氧化苯乙烯的浓度为0.12～0.28mmol/mL。
本发明中所述第一注射器与第二注射器的规格一致，所述的第一注射器中所述苯胺的浓度通常为0.2mmol/mL。
进一步，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。
本发明中，所述的脂肪酶Lipozyme RM IM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(EC 3.1.1.3)在颗粒硅胶上的制剂。它是从Rhizomucor miehei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。
本发明方法将脂肪酶Lipozyme RM IM均匀填充在反应通道，可通过物理法直接将颗粒状的催化剂均匀固定于反应通道内即可。
进一步，所述苯胺与氧化环己烯的物质的量之比优选为1:0.8～1.2，最优选为1:1。
进一步，所述开环反应温度优选为30～40℃，最优选为35℃。
进一步，所述开环反应时间优选为15～25min，最优选为20min。
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2-苯氨基环己醇。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，洗脱试剂为石油醚:乙酸乙酯＝9:1，得到的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，可以得到白色固体，即为2-苯氨基环己醇。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在微流控通道反应器中利用脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇，该法不仅大大地缩短了反应时间，而且具有高的转化率和选择性；同时首次利用经济的脂肪酶Lipozyme RM IM催化环氧化合物与胺的开环反应，降低了反应成本，具有经济高效的优势。
(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。
图中，1、2-注射器，3-反应通道，4-产物收集器，5-水浴恒温箱。
(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2.0mm，管长1.0m，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1：2-苯氨基环己醇的合成
Figure GDA0002079916400000071
装置参考图1：将苯胺(2.0mmol)溶解在10mL MeOH中，氧化环己烯(2.0mmol)溶解在10mL MeOH中，然后分别装于10mL注射器中备用。0.87g脂肪酶Lipozyme RM IM均匀填充在反应通道中，在PHD 2000注射泵推动下，两路反应液分别以15.6μL·min-1的流速通过“Y”接头进入反应通道中进行反应，通过水浴恒温箱控制反应器温度在35℃，反应液在反应通道内连续流动反应20min，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，洗脱试剂为石油醚:乙酸乙酯＝9:1，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，得到白色固体，获得2-苯氨基环己醇，HPLC检测2-苯氨基环己醇转化率70％，选择性100％。
核磁表征结果如下：
1H NMR(500MHz,CDCl3):δ＝7.24-7.18(m,2H),6.79(t,J＝7.2Hz,3H),3.49(s,1H),3.45-3.36(m,1H),3.16(ddd,J＝11.1,9.3,4.0Hz,1H),2.22-2.04(m,2H),1.82-1.66(m,2H),1.66-1.14(m,3H),1.10(dt,J＝11.4,8.2Hz,1H).13C NMR(125MHz,CDCl3):δ＝143.6,137.6,129.2,128.9,128.2,127.4,120.9,116.7,66.1,63.0.ESI-MS:m/z＝192[M+H]+.
实施例2-5
改变微流控微通道反应器中的溶剂，控制温度35℃，其他同实施例1，结果如表1所示：
表1:溶剂对反应的影响
实施例 溶剂 转化率[％] 选择性[％]
2 乙醇 65 100
1 甲醇 70 100
3 正辛烷 61 100
4 正己烷 55 100
5 石油醚 51 100
表1的结果表明，当苯胺和氧化环己烯底物物质的量之比为1:1，流速为15.6μL·min-1，反应时间均为20min，反应温度均为35℃，反应器以MeOH为有机溶剂时反应的转化率最优，所以本发明中微流控微通道反应器中最佳溶剂为甲醇。
实施例6-9
以苯胺的用量为基准，改变微流控微通道反应器中苯胺和氧化环己烯的底物物质的量之比，控制温度35℃，其他同实施例1，结果如表2所示：
表2:苯胺和氧化环己烯底物物质的量之比对反应的影响
实施例 苯胺和氧化环己烯 转化率[％] 选择性[％]
6 1:0.6 50 100
7 1:0.8 66 100
1 1:1 70 100
8 1:1.2 64 100
9 1:1.4 61 100
表2的结果表明，当流速为15.6μL·min-1，反应时间均为20min，反应温度均为35℃，反应器以MeOH为有机溶剂，随着反应物氧化环己烯的增加，反应的转化率也随着增加，当底物比苯胺和氧化环己烯为1:1时，反应的转化率最优，所以本发明中微流控微通道反应器中最佳底物物质的量之比为1:1。
实施例10-13
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3所示：
表3：温度对反应的影响
实施例 温度[℃] 转化率[％] 选择性[％]
10 30 58 100
1 35 70 100
11 40 66 100
12 45 61 100
13 50 45 100
表3的结果表明，当流速为15.6μL·min-1，反应时间均为20min，反应器以MeOH为有机溶剂，反应物苯胺和氧化环己烯物质的量之比均为1:1，当反应温度处于35℃时，反应的转化率最佳，温度或太高或太低都将影响酶的活性。所以本发明中微流控微通道反应器中最佳温度为35℃。
实施例14-17
改变微流控通道反应器的反应时间，其他同实施例1，反应结果如表4所示：
表4：反应时间对反应的影响
实施例 时间[min] 转化率[％] 选择性[％]
14 10 25 100
15 15 48 100
1 20 70 100
16 25 66 100
17 30 61 100
表4的结果表明，当反应器以MeOH为有机溶剂，反应物苯胺和氧化环己烯物质的量之比均为1:1，反应温度均为35℃，当反应时间为20min的时候，反应转化率为70％，选择性为100％。所以本发明中微流控微通道反应器中最佳反应时间20min。
对比例1-4
改变微流控微通道反应器中的催化剂，分别改为猪胰脂肪酶PPL(对比例1)、脂肪酶Novozym 435(对比例2)、枯草杆菌碱性蛋白酶(对比例3)、脂肪酶TM IM(对比例4)，其他同实施例1，结果如表5所示。
表5：不同酶对反应转化率及选择性的影响
对比例 酶源 转化率[％] 选择性[％]
1 PPL 18 100
2 Novozym 435 9 100
3 枯草杆菌碱性蛋白酶 20 100
4 Lipozyme TM IM 39 100
实施例1 Lipozyme RM IM 70 100
表5的结果表明，对于微流控通道反应器中酶促环氧化合物的开环反应而言，不同的酶对反应有着十分明显的影响。利用脂肪酶TM IM催化该反应，2-苯氨基环己醇的转化率为39％。而利用Novozym435催化反应，2-苯氨基环己醇的转化率仅为9％。从表5的结果看，对于微流控通道反应器中酶促环氧化合物的开环反应而言，最有效的催化剂为脂肪酶Lipozyme RM IM，苯胺的转化率为70％，选择性为100％。

Claims (9)

1.一种脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，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依次连接的注射器、反应通道和产物收集器，所述注射器安装于注射泵中，所述的注射器通过第一连接管道与反应通道入口连接，所述产物收集器通过第二连接管道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：以甲醇为反应溶剂，以苯胺与氧化环己烯为原料，以脂肪酶Lipozyme RM IM为催化剂，将所述的原料和所述的反应溶剂置于注射器中，将所述的脂肪酶Lipozyme RM IM均匀填充在反应通道中，在注射泵的推动下使用所述的原料和所述的反应溶剂连续通入反应通道中进行开环反应，控制反应温度为30～50℃，反应时间为10～30min，通过产物收集器在线收集反应液，所述的反应液经后处理得到2-苯氨基环己醇；所述的苯胺与氧化环己烯的物质的量之比为1:0.6～1.4；在所述反应通道可容纳所填充催化剂的最大限度内，所述的催化剂的加入量以所述反应溶剂的体积计为0.025～0.05g/mL；反应体系中，所述氧化苯乙烯的浓度为0.12～0.28mmol/mL。
2.如权利要求1所述的脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，其特征在于：所述的注射器有两个，分别是第一注射器与第二注射器，所述的第一连接管道为Y型或T型管道，所述的第一注射器与第二注射器分别连接在所述的Y型或T型管道的两个接口并通过所述的Y型或T型管道并联再与所述的反应通道串联。
3.如权利要求2所述的脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，其特征在于：所述的方法包括下列步骤：以物质的量之比为1:0.6～1.4的苯胺与氧化环己烯为原料，以脂肪酶Lipozyme RM IM为催化剂，以甲醇为反应溶剂，将所述的脂肪酶Lipozyme RM IM均匀填充在反应通道中，先用甲醇溶解苯胺装于第一注射器中，用甲醇溶解氧化环己烯装于第二注射器中；再将所述的第一注射器、第二注射器装于同一注射泵中，然后在注射泵的同步推动下使原料和反应溶剂通过所述的Y型或T型管道汇总后进入反应通道中进行反应，控制反应温度为30～50℃，反应时间为10～30min，通过产物收集器在线收集反应液，所述的反应液经后处理制得2-苯氨基环己醇；所述的催化剂的加入量为0.5～1g；反应体系中，所述氧化苯乙烯的浓度为0.12～0.28mmol/mL。
4.如权利要求1所述的脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，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3所述的脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，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。
6.如权利要求1～5之一所述的脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，其特征在于：所述苯胺与氧化环己烯的物质的量之比为1:0.8～1.2。
7.如权利要求1～5之一所述的脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，其特征在于：所述开环反应温度为30～40℃，所述开环反应时间为15～25min。
8.如权利要求1～5之一所述的脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，其特征在于：所述苯胺与氧化环己烯的物质的量之比为1:1。
9.如权利要求1～5之一所述的脂肪酶催化在线合成2-苯氨基环己醇的方法，其特征在于：所述反应液的后处理方法为：所得反应液减压蒸馏除去溶剂，所得粗产物经硅胶柱层析分离，用200-300目硅胶湿法装柱，洗脱试剂为石油醚:乙酸乙酯体积比9:1的混合溶剂，得到的粗产物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，得到白色固体，即为2-苯氨基环己醇。
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