CN112299995B - 使用微反应系统连续制备(r)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法 - Google Patents

使用微反应系统连续制备(r)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于化工技术领域，具体为一种使用微反应系统连续制备(R)‑4‑卤‑3‑羟基丁酸酯的方法。本发明将含卤代乙酰乙酸酯的底物液与生物催化液于微混合器、微通道反应器及pH调节器组成的微反应系统内连续进行酶催化不对称还原反应，得到(R)‑4‑卤‑3‑羟基丁酸酯。与现有技术相比，本发明方法的反应时间仅几分钟，产物(R)‑4‑卤‑3‑羟基丁酸酯的收率大于95%，过程连续，自动化程度高，效率高，且工艺过程操作简便，易于工业化生产。

Description

使用微反应系统连续制备(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种使用微反应系统连续制备 (R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法。
背景技术
(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯是合成L-肉碱的关键中间体。以卤代乙酰乙酸酯为原料经不对称催化还原法制取(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯是原子经济性最高的途径。Kitamura等（Tetrahedron Letters, 1988, 29, 1555-1556）报道了采用手性双膦配体BINAP与金属钌配位形成的手性配合物作催化剂不对称催化氢化卤代乙酰乙酸酯制备(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法，尽管此法可达到97%的ee值（即enantiomeric excess对映体过量百分数），但催化剂及配体制备工序复杂、S/C值（即substrate/catalyst底物与催化剂的比值）偏低，成本高，且需高温高压反应条件，操作繁复，安全隐患大。中国专利CN106947752、中国专利CN108018321、美国专利US4710468、Aragozzini等（Applied Microbiology and Biotechnology, 1986, 24, 175-177）、Bare等（Applied Biochemistry and Biotechnology, 1991, 28/29, 445-456）、Zhou等（Journal of American Chemical Society, 1983, 105, 5925-5926）和Wong等（Wong et al., Journal of American Chemical Society, 1985, 107, 4028-4031）等均描述了采用酶催化不对称还原氯乙酰乙酸乙酯制备(R)-4-氯-3-羟基-丁酸乙酯的方法。酶催化法具有高立体选择性、反应条件温和及环境友好的优势，但是存在反应时间长（长达十几至几十个小时），过程效率低和收率低等缺点。
上述酶催化法均在传统间歇式反应釜中进行。由于反应底物为有机相，酶催化剂和辅酶因子等在水相，因此该酶催化反应是典型的多相反应过程，表观反应速率很大程度上取决于相间传质过程，并受多相界面面积和界面动态行为影响极大。间歇式反应釜内多相传质与混合性能差以及液滴尺寸分布范围宽，不但影响反应过程的进行及反应的选择性，而且减慢反应速率，是导致酶催化法反应时间长、效率低和收率低的重要原因之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种反应时间短、产物收率高、操作简便、效率高的使用微反应系统连续制备(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法。
本发明提供的使用微反应系统连续制备(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法，所述微反应系统包括微混合器和若干（N个，N为正整数且
Figure 219998DEST_PATH_IMAGE001
）微反应单元，每个微反应单元由连通的微通道反应器和pH调节器组成；其中，微混合器的出口与第一个微反应单元中的微通道反应器的入口连通，第一个微反应单元的微通道反应器的出口与pH调节器的一个进口连通，所述pH调节器的另一个进口用于泵入pH调节剂，所述pH调节器的出口与后面一个微反应单元中的微通道反应器的入口连通，由此N个微反应单元串联形成“微通道反应器-pH调节器-…-微通道反应器-pH调节器”的串联系统；所述微反应系统还包括由pH测量计、计算机、pH调节剂输送泵和pH调节剂储罐组成的pH调节系统，其中，所述pH测量计包括pH测量计本体和pH测量探头，所述pH测量探头位于所述pH调节器内部，用于测量pH调节器中反应液的pH，所述pH测量计本体分别与pH测量探头和计算机连接，所述计算机还与pH调节剂输送泵连接，所述pH调节剂输送泵分别与pH调节剂储罐和pH调节器连接；所述计算机通过软件实时在线监测流入pH调节器内反应混合液的pH值，同时所述计算机通过软件实时计算并在线精确控制pH调节剂泵入pH调节器内的流量，从而调节pH调节器内反应混合液的pH值；所述计算机安装有能实时读取pH测量计测出的pH值的软件，并能实时计算、精确调节控制pH调节剂输送泵的流量；所述方法的具体步骤为：
（1）由输送泵分别将含卤代乙酰乙酸酯的底物液与生物催化液同时泵入微混合器内进行混合，得到反应混合物料；
（2）步骤（1）中从微混合器流出的反应混合物料紧接着进入N个串联的微反应单元，连续进行生物催化不对称还原反应；反应混合液经过背压阀，流出微反应系统，进入收集储罐，经分离纯化处理即得目标物(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯；
其中，所述(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯为式（I）所示的化合物，所述卤代乙酰乙酸酯为式（II）所示的化合物；本发明合成式（I）所示的(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的反应式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
在式（I）和式（II）中，X为卤素，如F、Cl、Br或I；R为直链或支链C1-C8烷基或C3-C8环烷基、单取代或多取代的芳基或芳烷基。
优选地，步骤（1）中，含卤代乙酰乙酸酯的底物液是卤代乙酰乙酸酯溶于与水不互溶的有机溶剂配制而成的溶液；所述与水不互溶的有机溶剂是苯、甲苯、乙苯、氯苯、二甲苯、二氯苯、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、二氯乙烷、乙酸乙酯、戊烷、环戊烷、己烷、环己烷、辛烷和异辛烷等中的任意一种；更优选地，所述与水不互溶的有机溶剂为甲苯或乙苯。
优选地，所述底物液中卤代乙酰乙酸酯的浓度为0.01 ~ 0.80 g/ml。
优选地，步骤（1）中，所述生物催化液中包含生物催化剂、葡萄糖、磷酸盐和水。
优选地，所述生物催化剂为羰基还原酶YOL151W、羰基还原酶YOL151W突变体、含有羰基还原酶YOL151W或羰基还原酶YOL151W突变体的全细胞催化剂中的至少一种。
优选地，所述生物催化液中生物催化剂的浓度为0.1 ~ 1.3 g/ml。
优选地，所述生物催化液中葡萄糖的浓度为0.05 ~ 1.5 g/ml。
优选地，所述磷酸盐为磷酸二氢钠或磷酸二氢钾与磷酸氢二钠的混合物。
优选地，所述生物催化液所含磷酸盐中磷酸二氢钠或磷酸二氢钾与磷酸氢二钠的摩尔配比正好使得生物催化液的pH为6 ~ 10。更优选地，所述生物催化液所含磷酸盐中磷酸二氢钠或磷酸二氢钾与磷酸氢二钠的摩尔配比正好使得生物催化液的pH为6.5 ~ 7.5。
优选地，步骤（1）中，通过调节泵入微混合器的底物液和生物催化液的流量比，使得进入微混合器内的生物催化剂与底物卤代乙酰乙酸酯的质量比为0.2 ~ 2.0，更优选0.5~ 1.5。
优选地，步骤（1）中，微混合器内的温度控制在10 ~ 50 ℃之间，更优选25 ~ 45℃。
优选地，步骤（2）中，微反应单元由依次连通的微通道反应器和pH调节器构成；所述pH调节器是具有搅拌功能的液体物料混合槽；所述pH调节器内可放置搅拌磁子或可安装搅拌桨，其搅拌功能可由磁力搅拌或机械搅拌提供；所述微反应单元中pH调节器的容积是微通道反应器的反应体积的20 ~ 70%，更优选30 ~ 60%。
优选地，所述的pH调节系统能将所述的pH调节器内的反应混合液的pH值调节至6~ 10范围内；更优选地，所述的pH调节系统将所述的pH调节器内的反应混合液的pH值调节至6.5 ~ 7.5范围内能获得更好的反应效果。
优选地，所述pH调节剂为无机碱的水溶液。
优选地，所述无机碱为碱金属碳酸盐、碱金属氢氧化物中的至少一种。更优选地，所述无机碱为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢锂、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。
优选地，所述无机碱的水溶液中无机碱的质量分数为3 ~ 40%；更优选地，所述无机碱的水溶液中无机碱的质量分数为5 ~ 30%。
优选地，步骤（2）中，每个微反应单元中的微通道反应器内的温度控制在10 ~ 50℃之间，更优选25 ~ 45 ℃。
优选地，步骤（2）中，每个微反应单元中的pH调节器内的温度控制在10 ~ 50 ℃之间，更优选25 ~ 45 ℃。
优选地，步骤（2）中，反应混合物料在每个微反应单元中的微通道反应器内的停留时间为0.1~ 30分钟。
优选地，步骤（2）中，反应混合物料在每个微反应单元中的pH调节器内的停留时间为0.1 ~ 30分钟。
优选地，步骤（2）中，最后一个微反应单元与背压阀连接，背压阀的背压范围为0.1~ 3 Mpa。
优选地，所述微混合器包括相互平行的第一进液通道和第二进液通道；所述第一进液通道的一端设有进液口，另一端封闭；所述第二进液通道的一端设有进液口，另一端设有出液口；所述第一进液通道的进液口与所述第二进液通道的进液口位于同一端；所述第一进液通道与所述第二进液通道具有共同壁，所述共同壁中设有用于连通第一进液通道与第二进液通道的微孔；所述步骤（1）中含卤代乙酰乙酸酯(II)的底物液泵入第一进液通道，所述生物催化液泵入第二进液通道，进入第一进液通道的底物液流过微孔，进入第二进液通道，进而与第二进液通道中的生物催化液混合。
优选地，所述微孔的孔型为圆形。
优选地，所述微孔的水力直径为0.1 ~ 300 微米，相邻微孔之间的间距为0.1微米~ 1.5毫米。更优选地，所述微孔的水力直径为0.2 ~ 250微米，相邻微孔之间的间距为0.2微米 ~ 1.4毫米。
优选地，所述微孔在所述共同壁中的开孔面积百分率为1 ~ 70%；更优选地，所述微孔在所述共同壁中的开孔面积百分率为2 ~ 65%。
优选地，所述第一进液通道的横截面为圆形或矩形，所述第二进液通道的横截面为圆形或矩形。
优选地，所述第一进液通道的水力直径为0.01 ~ 20毫米，所述第二进液通道的水力直径为0.01 ~ 20毫米。更优选地，所述第一进液通道的水力直径为0.02 ~ 15毫米，所述第二进液通道的水力直径为0.02 ~ 15毫米。
优选地，所述用于连通第一进液通道与第二进液通道的微孔的水力直径与第二进液通道的水力直径之比为0.0001:1 ~ 0.1:1。更优选地，所述微孔的水力直径与第二进液通道的水力直径之比为0.0375:1 ~ 0.1:1。
优选地，所述第一进液通道的长度为2 ~ 30毫米，所述第二进液通道的长度为4 ~100 毫米。更优选地，所述第一进液通道的长度为3 ~ 28毫米，所述第二进液通道的长度为5 ~ 80毫米。
优选地，所述微通道反应器是管式微通道反应器或板式微通道反应器。
优选地，所述管式微通道反应器的内径为100微米 ~ 10毫米。更优选地，所述管式微通道反应器的内径为120微米 ~ 5.35毫米。
优选地，所述板式微通道反应器的反应流体通道的水力直径为100微米 ~ 10毫米。更优选地，所述板式微通道反应器的反应流体通道的水力直径为120微米 ~ 5.35毫米。
有益效果：
本发明提出的(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的微反应连续流合成方法相比采用传统间歇式反应釜的合成方法具有以下优势：
1. 利用微通道反应器优秀的传质和分子混合特性，使得酶催化不对称还原卤代乙酰乙酸酯制备(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的反应时间极大缩短，从传统间歇式反应釜的十几个小时缩短到几分钟的反应时间，同时副反应得到最大程度抑制，产物(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的收率显著提高。
2. 反应过程中反应混合液的pH值调节是在与微通道反应器串联的pH调节器内进行，通过计算机实时读取pH测量计测出的pH调节器内反应混合液的pH值，并实时在线自动调节pH调节剂输送的流量，从而精确控制pH调节器内反应混合液的pH值，不但自动化程度高，而且通过精确控制连续流反应过程中反应混合液的pH值，使得产物收率进一步提高。
3. 通过计算机实时在线监测连续流反应过程中pH调节器内反应混合液的pH值变化来精确调节控制pH调节剂的泵送流量，从而避免产生过量的废水，显著降低废水排放量。
4. 实现从原料到产物(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的连续合成制备，工艺过程连续不间断进行，中间无需外部干预，操作简便，自动化程度高，时空效率高，大幅减少操作工人数量和劳动强度，显著降低生产成本。
采用微通道反应器进行酶催化不对称还原卤代乙酰乙酸酯连续制备(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法迄今无任何文献报道。
附图说明
图1为本发明一实施例的微混合器的结构示意图。
图2为本发明一实施例的微反应系统的结构示意图。
图3为本发明一实施例的板式结构微通道反应器示意图。
图中：1、第一进液通道，2、第二进液通道，3、第一进液通道的进液口，4、第二进液通道的进液口，5、第二进液通道的出液口，6、共同壁，7、微孔，8、底物液输送泵，9、生物催化液输送泵，10、微混合器，11、微通道反应器，12、pH调节剂储罐，13、pH调节剂输送泵，14、pH调节器，15、pH测量探头，16、计算机，17、微通道反应器，18、pH调节剂输送泵，19、pH调节器，20、pH测量探头，21、pH测量计本体，22、微通道反应器，23、pH调节剂输送泵，24、pH调节器，25、pH测量探头，26、背压阀，27、产物液收集储罐，28、第一温控介质层，29、反应层，30、第二温控介质层。
具体实施方式
在本发明中，烷基可表示碳数1~10、优选碳数1~8、更优选碳数1~5的直链或支链烷基，例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、正己基等。
在本发明中，C3~C8环烷基可包括但不限于环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。
在本发明中，芳基是指碳数6~36、优选碳数6~14的单环、多环或稠环芳基，例如苯基、萘基、蒽基、菲基、联苯基、联萘基等。所述芳基可为单取代或多取代的，例如，所述芳基可被一个或多个取代基例如烷基取代。
在本发明中，芳烷基是指烷基中至少一个氢原子被芳基取代的基团，优选碳数7~15的芳烷基，例如苄基、1-苯乙基、2-苯乙基、1-苯丙基、3-萘丙基等。在所述芳烷基中的芳基可为单取代或多取代的，例如，所述芳烷基中的芳基可被一个或多个取代基例如烷基取代。
本发明采用的微混合器，如图1所示，包括相互平行的第一进液通道1和第二进液通道2；所述第一进液通道1的一端设有进液口3，另一端封闭；所述第二进液通道2的一端设有进液口4，另一端设有出液口5；所述第一进液通道1的进液口3与所述第二进液通道2的进液口4位于同一端；所述第一进液通道1与所述第二进液通道2具有共同壁6，所述共同壁6中设有连通第一进液通道与第二进液通道的微孔7；第一进液通道1中的流体可流过微孔7进入第二进液通道2，进而与第二进液通道2中的流体混合。
优选地，所述微孔7的孔型为圆形。
优选地，所述共同壁6中设有多个连通第一进液通道1与第二进液通道2的微孔7。
优选地，所述微孔7的水力直径为0.1 ~ 300微米，相邻微孔之间的间距为0.1微米~ 1.5毫米。更优选地，所述微孔7的水力直径为0.2 ~ 250微米，相邻微孔之间的间距为0.2微米 ~ 1.4毫米。进一步更优选地，所述微孔7的水力直径为15~ 40微米。
优选地，所述用于连通第一进液通道1与第二进液通道2的微孔7在第一进液通道1与第二进液通道2的共同壁6中的开孔面积百分率为1 ~ 70%；更优选地，所述用于连通第一进液通道1与第二进液通道2的微孔7在第一进液通道1与第二进液通道2的共同壁6中的开孔面积百分率为2 ~ 65%。这里的开孔面积百分率是共同壁6单侧面上开孔总面积与该共同壁6单侧面面积的比值。
优选地，所述第一进液通道1的横截面为圆形或矩形，所述第二进液通道2的横截面为圆形或矩形。
优选地，所述第一进液通道1的水力直径为0.01 ~ 20毫米，所述第二进液通道2的水力直径为0.01 ~ 20毫米。更优选地，所述第一进液通道1的水力直径为0.02 ~ 15毫米，所述第二进液通道2的水力直径为0.02 ~ 15毫米。
优选地，所述微孔7的水力直径与第二进液通道2的水力直径之比为0.0001:1 ~0.1:1。更优选地，所述微孔7的水力直径与第二进液通道2的水力直径之比为0.0375:1 ~0.1:1。
优选地，所述第一进液通道1的长度为2 ~ 30毫米，所述第二进液通道2的长度为4~ 100 毫米。更优选地，所述第一进液通道1的长度为3 ~ 28毫米，所述第二进液通道2的长度为5 ~ 80毫米。
上述微混合器可以使第一进液通道1中的流体以微米级液滴的形式分散到第二进液通道2中的流体中，形成微分散体系。与常见的普通微混合器相比，该第一微混合器利用微米级的高分散特性、高比表面积的液滴所体现出的传质距离短、传质面积大的特点高倍数强化液液传质过程。因此，该微混合器可以高效强化液液反应过程。
使用上述微混合器（图1）时，含卤代乙酰乙酸酯的底物液由进液口3进入第一进液通道1，生物催化液由进液口4进入第二进液通道2，含卤代乙酰乙酸酯的底物液在充满第一进液通道1后，继而在压力作用下通过微孔7进入第二进液通道2，再在生物催化液的剪切作用下于第二进液通道2内形成微液滴分散体系，其具有非常大的比表面积和传质系数，从而使得两种流体得以高效的混合与反应，进而显著缩短反应时间和提高产物(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的收率。
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供了一种使用微反应系统连续制备(R)-4-氯-3-羟基-丁酸乙酯的方法，所述微反应系统如图2所示，包括依次连通的微混合器10、微通道反应器11、pH调节器14、微通道反应器17、pH调节器19、微通道反应器22、pH调节器24、背压阀26、产物液收集储罐27，还包括计算机16、pH测量计本体21、pH测量探头15、pH测量探头20、pH测量探头25、pH调节剂输送泵13、pH调节剂输送泵18、pH调节剂输送泵23及pH调节剂储罐12。
所述pH测量计本体21、pH测量探头15、pH测量探头20和pH测量探头25组成pH测量计。
所述计算机16、pH测量计本体21、pH测量探头15、pH测量探头20、pH测量探头25、pH调节剂输送泵13、pH调节剂输送泵18、pH调节剂输送泵23和pH调节剂储罐12组成pH自动调节系统。
所述微混合器10为图1所示的微混合器，其结构参数如下：微混合器10内用于连通第一进液通道1与第二进液通道2的微孔7的水力直径为30微米，相邻微孔的间距为30微米；第一进液通道1的横截面为矩形，其横截面的长为600微米，横截面的宽为300微米，第一进液通道1的水力直径为400微米，第一进液通道1的长度为10毫米；第二进液通道2的横截面为矩形，其横截面的长为600微米，横截面的宽为300微米，第二进液通道2的水力直径为400微米，第二进液通道2的长度为30毫米；在第一进液通道1与第二进液通道2的共同壁6中的微孔7的开孔面积百分率为30%。
所述微通道反应器11、微通道反应器17和微通道反应器22均为316L不锈钢管式微通道反应器，其管外径为1.6毫米，管内径为0.6毫米，三个微通道反应器的反应体积均为7毫升；所述微通道反应器11、微通道反应器17和微通道反应器22均使用恒温油浴槽来调节和控制其内部的温度。
所述pH调节器14、pH调节器19、pH调节器24结构相同，均是具有搅拌功能的液体物料混合装置，内设有搅拌磁子，其容积均是微通道反应器11的反应体积的42%。
所述输送泵8用于将底物液泵入所述微混合器10的第一进液通道1，所述输送泵9用于将生物催化液泵入所述微混合器10的第二进液通道2。
所述pH测量探头15、pH测量探头20、pH测量探头25分别位于pH调节器14、pH调节器19、pH调节器24内部，所述pH测量计本体分别与pH测量探头15、pH测量探头20、pH测量探头25和计算机连接；所述计算机通过软件实时在线监测流入上述三个pH调节器内反应混合液的pH值，同时所述计算机通过软件实时计算并在线精确控制pH调节剂泵入上述三个pH调节器内的流量，所述输送泵13用于将pH调节剂泵入pH调节器14，所述输送泵18用于将pH调节剂泵入pH调节器19，所述输送泵23用于将pH调节剂泵入pH调节器24，所述储罐12用于储存pH调节剂，从而将上述三个pH调节器内的反应混合液的pH值调节为6 ~ 10。所述pH调节剂是质量分数为20%的K2CO3水溶液。
所述方法包括以下步骤：
（1）将氯乙酰乙酸乙酯溶于甲苯配制0.20 g/ml的氯乙酰乙酸乙酯的甲苯溶液，作为底物液；将磷酸二氢钠和磷酸氢二钠溶于水配制pH值为6.7的100 mmol/L的磷酸盐缓冲液，再将葡萄糖和含有羰基还原酶YOL151W突变体的全细胞催化剂加入上述磷酸盐缓冲液，作为生物催化液，其中所述生物催化液含0.44 g/ml的葡萄糖和0.4 g/ml的全细胞催化剂；配制质量分数为20%的K2CO3水溶液，储存于pH调节剂储罐12；
（2）将步骤（1）制备的底物液和生物催化液分别同时泵入微混合器10，将两股物料的体积流量均调节为1.86 ml/min，两股物料在微混合器10内混合，得到反应混合物料；
（3）步骤（2）中从微混合器10流出的反应混合物料依次进入微通道反应器11、pH调节器14、微通道反应器17、pH调节器19、微通道反应器22、pH调节器24进行生物催化不对称还原反应，反应混合液经背压阀26，流入产物液收集储罐27，经分离纯化即得目标物(R)-4-氯-3-羟基-丁酸乙酯；微通道反应器11、pH调节器14、微通道反应器17、pH调节器19、微通道反应器22、pH调节器24内的温度都为30 ℃，背压阀26的背压值设为0.3 Mpa；底物液和生物催化液从进入微混合器10形成反应混合物料到进入产物液收集储罐27的总停留时间为8分钟；pH调节器14、pH调节器19和pH调节器24内的反应混合液的pH值由pH自动调节系统稳定控制在6.7。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为96.8%。
在本实施例中，含有羰基还原酶YOL151W突变体的全细胞催化剂的制备方法参见中国专利申请CN111172124A。
实施例2
本实施例所用微反应系统，实验操作步骤、方法和条件均与实施例1相同，唯一不同的地方是pH调节器14、pH调节器19和pH调节器24内的反应混合液的pH值由pH自动调节系统稳定控制在7.0。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为98.7%。
实施例3
本实施例所用微反应系统，实验操作步骤、方法和条件均与实施例1相同，唯一不同的地方是pH调节器14、pH调节器19和pH调节器24内的反应混合液的pH值由pH自动调节系统稳定控制在6.2。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为95.4%。
实施例4
本实施例所用微反应系统，实验操作步骤、方法和条件均与实施例1相同，唯一不同的地方是pH调节器14、pH调节器19和pH调节器24内的反应混合液的pH值由pH自动调节系统稳定控制在7.3。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为98.5%。
实施例5
本实施例所用微反应系统，实验操作步骤、方法和条件均与实施例1相同，唯一不同的地方是pH调节器14、pH调节器19和pH调节器24内的反应混合液的pH值由pH自动调节系统稳定控制在8.0。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为95.1%。
实施例6
本实施例所用微反应系统如图2所示，微通道反应器11、微通道反应器17和微通道反应器22均为聚四氟乙烯（PTFE）管式微通道反应器，其管外径为1.6毫米，管内径为0.6毫米，三个微通道反应器的反应体积均为7毫升。其它所有实验操作步骤、方法和条件均与实施例1相同。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为96.5%。
实施例7
本实施例所用微反应系统如图2所示，微通道反应器11、微通道反应器17和微通道反应器22均为聚醚醚酮（PEEK）管式微通道反应器，其管外径为1.6毫米，管内径为0.6毫米，三个微通道反应器的反应体积均为7毫升。其它所有实验操作步骤、方法和条件均与实施例1相同。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为96.4%。
实施例8
本实施例所用微反应系统如图2所示，微通道反应器11、微通道反应器17和微通道反应器22均为316L不锈钢材质的板式微通道反应器，如图3所示，所述三个板式微通道反应器的几何尺寸和结构参数相同，均是长为12厘米、宽为10厘米、高为3厘米的长方体，包括从上至下依次设置的第一温控介质层28、反应层29和第二温控介质层30；第一温控介质层28和第二温控介质层30用于调节和控制反应层29的温度，所述反应层29设有反应流体通道，反应流体通道横截面的尺寸为400微米（宽）×600微米（长），反应流体通道的水力直径为480微米，反应流体通道的总反应体积为7毫升。其它所有实验操作步骤、方法和条件均与实施例1相同。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为96.3%。
实施例9
本实施例提供了一种使用微反应系统制备(R)-4-氯-3-羟基-丁酸乙酯的方法，所述微反应系统同实施例1的微反应系统，所用实验操作步骤、方法和条件同实施例1的方法，唯一不同的是，微混合器10内用于连通第一进液通道1与第二进液通道2的微孔7的水力直径为15微米。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为98.2%。
实施例10
本实施例提供了一种使用微反应系统制备(R)-4-氯-3-羟基-丁酸乙酯的方法，所述微反应系统同实施例1的微反应系统，所用实验操作步骤、方法和条件同实施例1的方法，唯一不同的是，微混合器10内用于连通第一进液通道1与第二进液通道2的微孔7的水力直径为40微米。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为96.3%。
实施例11
本实施例提供了一种使用微反应系统制备(R)-4-氯-3-羟基-丁酸乙酯的方法，所述微反应系统同实施例1的微反应系统，所用实验操作步骤、方法和条件同实施例1的方法，唯一不同的是，微混合器10内用于连通第一进液通道1与第二进液通道2的微孔7的水力直径为150微米。
取样分析，用Agilent液相色谱仪作定量检测，以峰面积定量反应底物和产物浓度。经分析，反应底物氯乙酰乙酸乙酯完全转化，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为88.2%。
对比例
本对比例采用间歇釜式反应器制备(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯，具体制备方法如下：
（1）将氯乙酰乙酸乙酯溶于甲苯配制0.2 g/ml的氯乙酰乙酸乙酯的甲苯溶液，作为底物液；配制pH为6.7的100 mmol/L的磷酸盐缓冲液，将葡萄糖和含羰基还原酶YOL151W突变体的全细胞催化剂加入上述磷酸盐缓冲液，作为生物催化液，其中所述生物催化液含0.44 g/ml的葡萄糖和0.4 g/ml的全细胞催化剂；配制质量分数为20%的K2CO3水溶液；
（2）把上述配制好的底物液150 ml和生物催化液150 ml加入到间歇式反应釜中，反应釜内的温度控制在30 ℃，反应开始后，不断监控间歇式反应釜内反应混合液的pH值，每隔3 ~ 5分钟向该反应釜内滴加质量分数为20%的K2CO3水溶液以使得反应混合液的pH值稳定保持在6.7。
定时取样分析，反应1小时，反应底物氯乙酰乙酸乙酯的转化率约35%；反应2小时，反应底物氯乙酰乙酸乙酯的转化率约52%；反应3小时，反应底物氯乙酰乙酸乙酯的转化率约64%；反应8小时，反应底物氯乙酰乙酸乙酯的转化率约97%，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率为86%。
对比例1和实施例1的投料比相同。通过比较发现，与间歇釜式合成方式相比，本发明采用微反应系统连续制备(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的方法极大缩短了反应时间，副反应得到最大程度抑制，产物(R)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的收率显著提高。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种使用微反应系统连续制备(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的方法，其特征在于，所述微反应系统包括微混合器和N个微反应单元，N为正整数且3≤N≤20；每个微反应单元由依次连通的微通道反应器和pH调节器组成；所述pH调节器是具有搅拌功能的液体物料混合槽；其中，所述微混合器包括相互平行的第一进液通道和第二进液通道；所述第一进液通道的一端设有进液口，另一端封闭；所述第二进液通道的一端设有进液口，另一端设有出液口；所述第一进液通道的进液口与所述第二进液通道的进液口位于同一端；所述第一进液通道与所述第二进液通道具有共同壁，所述共同壁中设有用于连通第一进液通道与第二进液通道的微孔；所述微混合器的出口与第一个微反应单元中的微通道反应器的入口连通，第一个微反应单元的微通道反应器的出口与pH调节器的一个进口连通，所述pH调节器的另一个进口用于泵入pH调节剂，所述pH调节器的出口与后面一个微反应单元中的微通道反应器的入口连通，由此N个微反应单元串联形成“微通道反应器-pH调节器-…-微通道反应器-pH调节器”的串联系统；所述微反应系统还包括由pH测量计、计算机、pH调节剂输送泵和pH调节剂储罐组成的pH调节系统，其中，所述pH测量计包括pH测量计本体和pH测量探头，所述pH测量探头位于所述pH调节器内部，用于测量pH调节器中反应液的pH，所述pH测量计本体分别与pH测量探头和计算机连接，所述计算机还与pH调节剂输送泵连接，所述pH调节剂输送泵分别与pH调节剂储罐和pH调节器连接；所述计算机通过软件实时在线监测流入pH调节器内反应混合液的pH值，同时所述计算机通过软件实时计算并在线精确控制pH调节剂泵入pH调节器内的流量，从而调节pH调节器内反应混合液的pH值；所述计算机安装有能实时读取pH测量计测出的pH值的软件，并能实时计算、精确调节控制pH调节剂输送泵的流量；所述方法的具体步骤为：
(1)由输送泵分别将含卤代乙酰乙酸酯的底物液与生物催化液同时泵入微混合器内进行混合，得到反应混合物料；其中，含卤代乙酰乙酸酯(II)的底物液泵入第一进液通道，所述生物催化液泵入第二进液通道，进入第一进液通道的底物液流过微孔，进入第二进液通道，进而与第二进液通道中的生物催化液混合；
(2)步骤(1)中从微混合器流出的反应混合物料紧接着进入N个串联的微反应单元，连续进行生物催化不对称还原反应；反应混合液经过背压阀，流出微反应系统，进入产物液收集储罐；经分离纯化处理，即得目标物(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯；
其中，所述(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯为式(I)所示的化合物，所述卤代乙酰乙酸酯为式(II)所示的化合物；合成式(I)所示的(R)-4-卤-3-羟基-丁酸酯的反应式如下：
Figure FDA0003390416370000021
在式(I)和式(II)中，X为卤素，如F、Cl、Br或I；R为直链或支链C1-C8烷基或C3-C8环烷基、单取代或多取代的芳基或芳烷基。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
所述pH调节器内放置搅拌磁子或安装搅拌桨，其搅拌功能由磁力搅拌或机械搅拌提供；所述pH调节器的容积是同一微反应单元中微通道反应器的反应体积的20～70％。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)中所述含卤代乙酰乙酸酯的底物液是卤代乙酰乙酸酯溶于与水不互溶的有机溶剂配制而成的溶液；所述与水不互溶的有机溶剂是苯、甲苯、乙苯、氯苯、二甲苯、二氯苯、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、二氯乙烷、乙酸乙酯、戊烷、环戊烷、己烷、环己烷、辛烷和异辛烷中的任意一种；所述底物液中卤代乙酰乙酸酯的浓度为0.01～0.80g/ml。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤(1)中所述生物催化液中包含生物催化剂、葡萄糖、磷酸盐和水；其中，所述生物催化剂为羰基还原酶YOL151W、羰基还原酶YOL151W突变体、含有羰基还原酶YOL151W或羰基还原酶YOL151W突变体的全细胞催化剂中的至少一种；所述生物催化液中，生物催化剂的浓度为0.1～1.3g/ml，葡萄糖的浓度为0.05～1.5g/ml；所述磷酸盐为磷酸二氢钠或磷酸二氢钾与磷酸氢二钠的混合物；所述生物催化液中所含磷酸盐中磷酸二氢钠或磷酸二氢钾与磷酸氢二钠的摩尔配比正好使得生物催化液的pH为6～10。
5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，步骤(1)中，通过调节泵入微混合器的底物液和生物催化液的流量比，使得进入微混合器内的生物催化剂与底物的质量比为0.2～2.0；控制微混合器内的温度为10℃～50℃。
6.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述pH调节系统调节pH调节器内的反应混合液的pH值为6～10；所述pH调节剂为无机碱的水溶液。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述无机碱为碱金属碳酸盐、碱金属氢氧化物中的至少一种；所述无机碱的水溶液中无机碱的质量分数为3～40％。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，步骤(2)中，控制每个微反应单元的微通道反应器内的温度为10～50℃；控制每个微反应单元的pH调节器内的温度为10～50℃；控制反应混合物料在每个微反应单元的微通道反应器内的停留时间为0.1～30分钟；控制反应混合物料在每个微反应单元的pH调节器内的停留时间为0.1～30分钟。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
所述微孔的孔型为圆形；
所述微孔的水力直径为0.1～300微米，相邻微孔之间的间距为0.1微米～1.5毫米；
所述第一进液通道的横截面为圆形或矩形，所述第二进液通道的横截面为圆形或矩形；
所述第一进液通道的水力直径为0.01～20毫米，所述第二进液通道的水力直径为0.01～20毫米；
所述用于连通第一进液通道与第二进液通道的微孔的水力直径与第二进液通道的水力直径之比为0.0001:1～0.1:1；
所述第一进液通道的长度为2～30毫米，所述第二进液通道的长度为4～100毫米。
10.根据权利要求8所述方法，其特征在于：
所述微通道反应器是管式微通道反应器或板式微通道反应器；
所述管式微通道反应器的内径为100微米～10毫米；
所述板式微通道反应器的反应流体通道的水力直径为100微米～10毫米。
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