DE102015218955B4 - Process for the preparation of epoxides with the aid of enzymes having perhydrolase activity - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
- C07D303/00—Compounds containing three-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
- C07D303/02—Compounds containing oxirane rings
- C07D303/04—Compounds containing oxirane rings containing only hydrogen and carbon atoms in addition to the ring oxygen atoms
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P17/00—Preparation of heterocyclic carbon compounds with only O, N, S, Se or Te as ring hetero atoms
- C12P17/02—Oxygen as only ring hetero atoms
Abstract
Verfahren zur Herstellung von Epoxiden aus gasförmigen Alkenen mittels enzymatischer Katalyse, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellen mindestens eines gasförmigen Alkens, mindestens eines Sauerstoff-Donors, mindestens eines Sauerstoff-Akzeptors und mindestens eines Enzyms mit Perhydrolaseaktivität,
b) Umsetzen des mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Sauerstoff-Akzeptors mit dem mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Sauerstoff-Donor in Anwesenheit des mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Enzyms mit Perhydrolaseaktivität, sodass mindestens eine Peroxosäure erhalten wird,
c) Umsetzen des mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten gasförmigen Alkens mit der mindestens einen in Schritt b) hergestellten Peroxosäure, sodass mindestens ein Epoxid erhalten wird, und
d) Gewinnen des mindestens einen Epoxids.
a) providing at least one gaseous alkene, at least one oxygen donor, at least one oxygen acceptor and at least one enzyme having perhydrolase activity,
b) reacting the at least one oxygen acceptor provided in step a) with the at least one oxygen donor provided in step a) in the presence of the at least one enzyme having perhydrolase activity provided in step a), so that at least one peroxy acid is obtained,
c) reacting the at least one gaseous alkene provided in step a) with the at least one peroxy acid prepared in step b), so that at least one epoxide is obtained, and
d) recovering the at least one epoxide.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Epoxidierung von gasförmigen, ungesättigten Verbindungen.The present invention relates to processes for the epoxidation of gaseous, unsaturated compounds.
Alkylenoxide sind hochreaktive Verbindungen, die sich zu den verschiedensten Folgeprodukten weiterverarbeiten lassen und in zahlreichen Industrien eingesetzt werden. Alkylenoxide werden unter anderem zur Produktion von Glykolen verwendet und finden Einsatz zur Herstellung von Kunststoffflaschen, Funktionskleidung, Reinigungsmitteln und Möbeln.Alkylene oxides are highly reactive compounds that can be further processed into a variety of derived products and used in numerous industries. Alkylene oxides are used, inter alia, for the production of glycols and are used for the production of plastic bottles, functional clothing, cleaning products and furniture.
Ethylenoxid dient vorwiegend als Zwischenprodukt bei der Herstellung anderer Chemikalien, ein Großteil des Ethylenoxids wird für die Produktion von Ethylenglykol eingesetzt. Ethylenoxid wird für die Herstellung von Polyethylenglykol benötigt und ist ebenfalls bei der Herstellung von Tensiden von Bedeutung, zum Beispiel Polyalkylenglykolether. Ethylenoxid tötet Bakterien, Viren und Pilze ab und kann daher zur Desinfektion von hitzeempfindlichen Substanzen verwendet werden, so wird Ethylenoxid zur Sterilisierung von Verbandsstoffen, Spritzen, chirurgischen Instrumenten und empfindlichen Medizinprodukten verwendet.Ethylene oxide is primarily used as an intermediate in the manufacture of other chemicals, and much of the ethylene oxide is used to produce ethylene glycol. Ethylene oxide is needed for the production of polyethylene glycol and is also important in the production of surfactants, for example polyalkylene glycol ethers. Ethylene oxide kills bacteria, viruses and fungi and can therefore be used to disinfect heat-sensitive substances, so ethylene oxide is used to sterilize dressings, syringes, surgical instruments and sensitive medical devices.
Propylenoxid findet Verwendung für die Herstellung von Emulgatoren, Bremsflüssigkeiten, Hydraulikölen und Polyethern zur Erzeugung von Polyurethan. Propylenoxid wird auch in Kühlflüssigkeiten und als Desinfektionsmittel eingesetzt.Propylene oxide is used for the production of emulsifiers, brake fluids, hydraulic oils and polyethers for the production of polyurethane. Propylene oxide is also used in coolants and as a disinfectant.
Butylenoxid wird unter anderem zur Herstellung von Tensiden und Kraftstoffadditiven verwendet und findet Einsatz in der Trinkwasseraufbereitung. Butylenoxid wird bei der Öl- und Gasgewinnung eingesetzt, bei der Produktion von Lösungsmitteln, Farben und bei der industriellen Beschichtung von Oberflächen.Butylene oxide is used, inter alia, for the production of surfactants and fuel additives and is used in drinking water treatment. Butylene oxide is used in oil and gas production, in the production of solvents, paints and in the industrial coating of surfaces.
Die Mehrzahl der industriell hergestellten Alkylenoxide wird über die sogenannte Prileschajew-Epoxidierung hergestellt. Bei dieser Reaktion wird eine Peroxosäure für die Sauerstoffübertragung auf die Doppelbindung von Alkenen genutzt. Die Peroxosäure wird üblicherweise in-situ aus Wasserstoffperoxid und Essig- oder Ameisensäure unter harschen Reaktionsbedingungen durch Nutzung einer starken Mineralsäure oder eines Ionenaustauscherharzes als Katalysator gebildet. Durch die Präsenz einer starken Säure in dem Reaktionsgemisch und durch die Reaktionstemperatur kann es zu ungewollten Nebenreaktionen kommen, wie zur Bildung von Diolen, Hydroestern, Estoliden und anderer Dimere durch die Oxiranringöffnung.The majority of the industrially produced alkylene oxides is produced via the so-called Prileschajew epoxidation. In this reaction, a peroxy acid is used for the oxygen transfer to the double bond of alkenes. The peroxy acid is usually formed in situ from hydrogen peroxide and acetic or formic acid under harsh reaction conditions by using a strong mineral acid or an ion exchange resin as a catalyst. The presence of a strong acid in the reaction mixture and the reaction temperature can lead to unwanted side reactions, such as the formation of diols, hydroesters, estolides and other dimers through the oxirane ring opening.
Der chemische Epoxidierungsprozess kann in zwei Grundvarianten unterteilt werden. Die erste Variante umfasst die ex-situ Bildung einer Peroxosäure innerhalb eines separaten Reaktionskessels, gefolgt von einer Reaktion der Peroxosäure mit einem ungesättigten Substrat, welches epoxidiert werden soll. Diese Variante ist jedoch, vorwiegend wegen der zu beachtenden Sicherheitsvorkehrungen bei der Lagerung der hergestellten gefährlichen Peroxosäure, schwierig zu handhaben. Die zweite Variante ist durch in-situ-Bildung der Peroxosäure in einem primären Reaktionskessel gekennzeichnet. Hier erfolgt die Reaktion unter stark sauren Reaktionsbedingungen und der simultanen Epoxidierung in demselben Gefäß. Mit dieser Methode wird die gefährliche Lagerung und Handhabung der ex-situ gebildeten Peroxosäuren verhindert, jedoch ist nach der vollständigen Reaktion eine Neutralisation mit hohem Salzaufkommen als Abfallstrom erforderlich. Darüber hinaus kommt es durch die stark sauren und korrosiven Reaktionsbedingungen zu Nebenreaktionen und Korrosion der Anlage.The chemical epoxidation process can be divided into two basic variants. The first variant involves ex situ formation of a peroxy acid within a separate reaction vessel, followed by reaction of the peroxy acid with an unsaturated substrate to be epoxidized. However, this variant is difficult to handle, mainly because of the safety precautions to be observed when storing the hazardous peroxo acid produced. The second variant is characterized by in situ formation of peroxyacid in a primary reaction vessel. Here, the reaction takes place under strongly acidic reaction conditions and the simultaneous epoxidation in the same vessel. With this method, the dangerous storage and handling of ex-situ formed peroxo acids is prevented, however, after the complete reaction neutralization with a high salt content is required as a waste stream. In addition, the highly acidic and corrosive reaction conditions lead to side reactions and corrosion of the plant.
Alternativ können Alkylenoxide durch Direktoxidation von Alkenen mit Sauerstoff bei Temperaturen über 200°C, 10 bar und Edelmetallkatalysatoren oder durch das Chlorhydrinverfahren gebildet werden, wobei das Alken mit Chlor zu einem Alkylenchlorhydrin und anschließend mit Calciumhydroxid zu Alkylenoxid umgesetzt wird.Alternatively, alkylene oxides can be formed by direct oxidation of alkenes with oxygen at temperatures above 200 ° C, 10 bar and noble metal catalysts or by the chlorohydrin process, the alkene being reacted with chlorine to form an alkylene chlorohydrin and then calcium hydroxide to alkylene oxide.
In einer chemischen Variante wird mit wässrigem Wasserstoffperoxid und einem Methyltrioxorhenium-Katalysator in einem Temperaturbereich von 20-40°C bei 50 bar mit Methanol als Lösungsmittel gearbeitet. Der Druck von 50 bar ist notwendig, um gasförmiges Ethen hauptsächlich in der Flüssigphase zu lösen.In a chemical variant, working with aqueous hydrogen peroxide and a methyltrioxorhenium catalyst in a temperature range of 20-40 ° C at 50 bar with methanol as a solvent. The pressure of 50 bar is necessary to dissolve gaseous ethene mainly in the liquid phase.
Verschiedene Methoden zur Epoxidierung von Alkenen und Fettsäuren wurden im Stand der Technik bereits beschrieben:Various methods for the epoxidation of alkenes and fatty acids have already been described in the prior art:
In
In
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren setzen flüssige oder gelöste Substrate um und haben den Nachteil, dass sie, insbesondere die bisherigen biotechnologischen Verfahren, nicht für gasförmige Substrate geeignet sind.The processes known from the prior art convert liquid or dissolved substrates and have the disadvantage that, in particular the previous biotechnological processes, they are not suitable for gaseous substrates.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem ungesättigte, gasförmige Verbindungen, insbesondere gasförmige Alkene, unter milden Reaktionsbedingungen in hoher Ausbeute zu möglichst reinen Produkten epoxidiert werden können, insbesondere in effizienter und für die großtechnische Anwendung geeigneter Weise.The technical problem underlying the present invention is therefore to provide a process in which unsaturated, gaseous compounds, in particular gaseous alkenes, can be epoxidized under mild reaction conditions in high yield to very pure products, especially in an efficient and suitable for industrial use ,
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem wird durch die technische Lehre der unabhängigen Ansprüche gelöst.The technical problem underlying the invention is solved by the technical teaching of the independent claims.
Insbesondere wird das vorliegende technische Problem durch ein Verfahren zur Herstellung von Epoxiden aus gasförmigen Alkenen mittels enzymatischer Katalyse gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst, insbesondere aus diesen Schritten besteht:
- a) Bereitstellen mindestens eines gasförmigen Alkens, mindestens eines Sauerstoff-Donors, mindestens eines Sauerstoff-Akzeptors und mindestens eines Enzyms mit Perhydrolaseaktivität,
- b) Umsetzen des mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Sauerstoff-Akzeptors mit dem mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Sauerstoff-Donor in Anwesenheit des mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Enzyms mit Perhydrolaseaktivität, sodass mindestens eine Peroxosäure erhalten wird,
- c) Umsetzen des mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten gasförmigen Alkens mit der mindestens einen in Schritt b) hergestellten Peroxosäure, sodass mindestens ein Epoxid, insbesondere ein epoxidiertes Alken, erhalten wird, und
- d) Gewinnen des mindestens einen Epoxids.
- a) providing at least one gaseous alkene, at least one oxygen donor, at least one oxygen acceptor and at least one enzyme having perhydrolase activity,
- b) reacting the at least one oxygen acceptor provided in step a) with the at least one oxygen donor provided in step a) in the presence of the at least one enzyme having perhydrolase activity provided in step a), so that at least one peroxy acid is obtained,
- c) reacting the at least one gaseous alkene provided in step a) with the at least one peroxy acid prepared in step b), so that at least one epoxide, in particular an epoxidized alkene, is obtained, and
- d) recovering the at least one epoxide.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, mittels eines Enzyms mit Perhydrolaseaktivität, das sich bevorzugt immobilisiert auf einem festen Träger in einem mindestens einen Sauerstoff-Akzeptor und mindestens einen Sauerstoff-Donor in einem Lösungsmittel enthaltenden Reaktor befindet, den Sauerstoff-Akzeptor, bevorzugt eine Carbonsäure, mittels des Sauerstoff-Donors zu oxidieren. Das Enzym wandelt dabei den Sauerstoff-Akzeptor in eine Peroxosäure um. In einem anschließend oder gleichzeitig durchgeführten weiteren Verfahrensschritt wird mindestens ein gasförmiges Alken in das Lösungsmittel-haltige Reaktionsgemisch in Schritt b) eingebracht, insbesondere eingeblasen, und Sauerstoff von der Peroxosäure autokatalytisch auf die Doppelbindung des Alkens übertragen, sodass ein Epoxyalkan, zum Beispiel ein 1,2-Epoxyalkan, erhalten wird. Das so hergestellte, vorzugsweise in dem Reaktionsmedium gelöste, Epoxyalkan kann dann in an sich üblicher Weise aus dem, vorzugsweise gelösten, Gemisch gewonnen, insbesondere isoliert werden.According to the invention, by means of an enzyme having perhydrolase activity, which is preferably immobilized on a solid support in a reactor containing at least one oxygen acceptor and at least one oxygen donor in a solvent, the oxygen acceptor, preferably a carboxylic acid, by means of oxygen To oxidize donors. The enzyme converts the oxygen acceptor into a peroxy acid. In a subsequently or simultaneously carried out further process step, at least one gaseous alkene is introduced into the solvent-containing reaction mixture in step b), in particular injected, and oxygen is autocatalytically transferred from the peroxo acid to the double bond of the alkene, so that an epoxyalkane, for example a 1, 2-epoxyalkane, is obtained. The epoxyalkane thus prepared, preferably dissolved in the reaction medium, can then be recovered in a conventional manner from the, preferably dissolved, mixture, in particular isolated.
Die vorliegende Erfindung stellt also ein enzymatisch-chemisches Verfahren bereit, welches bei vorteilhaft niedrigen Temperaturen und ohne Einsatz von Edelmetallkatalysatoren durchgeführt werden kann. Insbesondere wird ein Verfahren bereitgestellt, das für eine großtechnische Anwendung geeignet ist. Vorteilhafterweise ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, in einem industriellen Maßstab eine sehr effiziente und hochreine Epoxidierung von verschiedensten Ausgangsmaterialien, die mindestens eine, optional auch zwei oder mehr verschiedene gasförmige ungesättigte Verbindung beziehungsweise Verbindungen aufweisen, bereitzustellen. Bevorzugt ist ein Verfahren vorgesehen, das eine epoxidierte Verbindung oder ein Gemisch von epoxidierten Verbindungen bereitstellt. Die erhaltene epoxidierte Verbindung kann dabei je nach Art des eingesetzten gasförmigen Alkens, des erhaltenen Produkts und/oder der Reaktionsbedingungen, insbesondere Druck und Temperatur, gasförmig oder flüssig vorliegen.The present invention thus provides an enzymatic-chemical process which can be carried out at advantageously low temperatures and without the use of noble metal catalysts. In particular, a method is provided which is suitable for a large-scale application. Advantageously, it is possible with the method according to the invention, on an industrial scale, a very efficient and highly pure epoxidation of various starting materials which have at least one, optionally also two or more different gaseous unsaturated compound or compounds to provide. Preferably, a method is provided which provides an epoxidized compound or a mixture of epoxidized compounds. Depending on the nature of the gaseous alkene used, the epoxidized compound obtained may obtained product and / or the reaction conditions, in particular pressure and temperature, gaseous or liquid.
Unter dem Begriff „epoxidiertes Alken“ wird ein Alken verstanden, auf das ein Sauerstoff-Atom auf die mindestens eine C-C-Doppelbindung übertragen wurde, wobei ein Oxiranring gebildet wird und ein Epoxyalkan entsteht.By the term "epoxidized alkene" is meant an alkene to which an oxygen atom has been transferred to the at least one C-C double bond forming an oxirane ring to form an epoxyalkane.
Unter dem Begriff „Enzym mit Perhydrolase-Aktivität“ wird ein Protein oder ein Fragment davon verstanden, welches die Umsetzung einer Carbonsäure oder eines Carbonsäurederivats, bevorzugt eines Carbonsäureesters, und eines Sauerstoff-Donors, zum Beispiel Wasserstoffperoxid, bevorzugt in-situ, zu einer Peroxosäure katalysiert. Das Enzym ist somit in der Lage, aus Carbonsäuren oder Carbonsäurederivaten in Anwesenheit eines Sauerstoff-Donors, zum Beispiel von Wasserstoffperoxid H2O2, bevorzugt in wässriger Lösung vorliegend oder an Harnstoff gebunden, eine Peroxosäure herzustellen. Die so hergestellte Peroxosäure kann zur Epoxidierung von Doppelbindungen, insbesondere eines gasförmigen Alkens und/oder eines Gemisches davon verwendet werden.The term "enzyme having perhydrolase activity" is understood to mean a protein or a fragment thereof, which comprises reacting a carboxylic acid or a carboxylic acid derivative, preferably a carboxylic acid ester, and an oxygen donor, for example hydrogen peroxide, preferably in situ, to form a peroxy acid catalyzed. The enzyme is thus capable of producing a peroxy acid from carboxylic acids or carboxylic acid derivatives in the presence of an oxygen donor, for example hydrogen peroxide H 2 O 2 , preferably present in aqueous solution or bound to urea. The peroxy acid thus prepared can be used for the epoxidation of double bonds, in particular a gaseous alkene and / or a mixture thereof.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Enzym mit Perhydrolaseaktivität eine Hydrolase, bevorzugt eine Esterase, Lipase oder Perhydrolase, besonders bevorzugt eine Lipase, wobei die Lipase ausgewählt ist aus Candida, Rhizomucor, Thermomyces, Rhizopus, Burkholderia, Pseudozyma und Pseudomonas. Besonders bevorzugt ist ein Verfahren vorgesehen, wobei das Enzym mit Perhydrolaseaktivität eine Lipase aus Candida oder Rhizomucor ist.In a preferred embodiment, the enzyme with perhydrolase activity is a hydrolase, preferably an esterase, lipase or perhydrolase, more preferably a lipase, wherein the lipase is selected from Candida, Rhizomucor, Thermomyces, Rhizopus, Burkholderia, Pseudozyma and Pseudomonas. Particularly preferred is a method is provided, wherein the enzyme with perhydrolase activity is a lipase from Candida or Rhizomucor.
Bevorzugt ist auch ein Enzym mit Perhydrolaseaktivität vorgesehen, aufweisend eine homologe Aminosäuresequenz zu einer Lipase ausgewählt aus Candida, Rhizomucor, Thermomyces, Rhizopus, Burkholderia, Pseudozyma und Pseudomonas, die in bevorzugter Ausführungsform über ihre gesamte Länge eine Homologie von mindestens 80%, bevorzugt mindestens 85%, bevorzugt mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95%, bevorzugt mindestens 96%, bevorzugt mindestens 97%, bevorzugt mindestens 98%, insbesondere bevorzugt mindestens 99% zu der Aminosäuresequenz zeigt.Preferably, an enzyme with perhydrolase activity is provided, comprising a homologous amino acid sequence to a lipase selected from Candida, Rhizomucor, Thermomyces, Rhizopus, Burkholderia, Pseudozyma and Pseudomonas, which in a preferred embodiment over its entire length a homology of at least 80%, preferably at least 85 %, preferably at least 90%, preferably at least 95%, preferably at least 96%, preferably at least 97%, preferably at least 98%, more preferably at least 99% to the amino acid sequence.
In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „Fragment eines Enzyms mit Perhydrolaseaktivität“ ein Teilbereich eines Enzyms verstanden, wobei dieser Teilbereich immer noch eine Perhydrolaseaktivität aufweist.In the context of the present invention, a "fragment of an enzyme having perhydrolase activity" is understood as meaning a partial region of an enzyme, this partial region still having a perhydrolase activity.
Ein Fragment eines Enzyms mit Perhydrolaseaktivität oder ein Fragment eines Enzyms mit homologer Aminosäuresequenz zu einer Perhydrolase kann bevorzugt ein Fragment sein, das mindestens 100 Aminosäuren, bevorzugt mindestens 150, bevorzugt mindestens 200, bevorzugt mindestens 250, bevorzugt mindestens 300 Aminosäuren umfasst.A fragment of an enzyme having perhydrolase activity or a fragment of an enzyme having a homologous amino acid sequence to a perhydrolase may preferably be a fragment comprising at least 100 amino acids, preferably at least 150, preferably at least 200, preferably at least 250, preferably at least 300 amino acids.
Bevorzugt sind die Enzyme mit Perhydrolaseaktivität natürlicherweise vorkommende Wildtyp-Enzyme mit Perhydrolaseaktivität, oder mutierte Wildtyp-Enzyme mit Perhydrolaseaktivität. Bevorzugt sind die Enzyme auch rekombinant herstellbar.Preferably, the enzymes with perhydrolase activity are naturally occurring wild-type enzymes with perhydrolase activity, or mutant wild-type enzymes with perhydrolase activity. Preferably, the enzymes can also be produced recombinantly.
In einer bevorzugten Ausfiihrungsform kann das Enzym in freier Form, gebunden, immobilisiert, als Fragment eines Enzyms, in einer Zelle oder als Zellextrakt vorliegen.In a preferred embodiment, the enzyme can be present in free form, bound, immobilized, as a fragment of an enzyme, in a cell or as a cell extract.
Unter dem Begriff „Lipasen“ werden Enzyme verstanden, die dazu in der Lage sind, Ester, insbesondere Carbonsäureester, insbesondere wasserlösliche Ester, reversibel zu hydrolysieren und/oder Carbonsäuren reversibel zu verestern oder umzuestern. Lipasen können Reaktionen sowohl in Wasser als auch in organischem Lösungsmittel oder Mischungen davon katalysieren. Die erfindungsgemäß eingesetzten Enzyme haben insbesondere die Fähigkeit, eine Peroxosäure aus einer Carbonsäure oder einem Carbonsäurederivat, insbesondere einem Carbonsäureester, zu bilden.The term "lipases" is understood to mean enzymes which are capable of reversibly hydrolyzing esters, in particular carboxylic acid esters, in particular water-soluble esters, and / or of reversibly esterifying or transesterifying carboxylic acids. Lipases can catalyze reactions in both water and organic solvent or mixtures thereof. The enzymes used according to the invention have in particular the ability to form a peroxy acid from a carboxylic acid or a carboxylic acid derivative, in particular a carboxylic acid ester.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter „Homologie“, auch als Sequenzhomologie bezeichnet, die Ähnlichkeit verschiedener Proteine in Bezug auf ihre Aminosäuresequenz und/oder Variationen an einzelnen Aminosäuren in der Sequenz verstanden, welche die Funktion des Enzyms, nämlich die Perhydrolaseaktivität, nicht verändern. Die Homologiebestimmung erfolgt durch Sequenzvergleiche über Alignments mit Hilfe von Computerprogrammen und speziellen Algorithmen wie BLAST. Die Methoden eines „Alignments“ sind dem Fachmann bekannt. Erfindungsgemäß wird das Alignment bevorzugt durch den BLAST-Algorithmus mit der BLOSUM62-Matrix durchgeführt.For the purposes of the present invention, "homology", also referred to as sequence homology, is understood to mean the similarity of different proteins with respect to their amino acid sequence and / or variations of individual amino acids in the sequence which do not alter the function of the enzyme, namely the perhydrolase activity. Homology determination is performed by sequence comparisons over alignments using computer programs and special algorithms such as BLAST. The methods of an "alignment" are known in the art. According to the invention, the alignment is preferably performed by the BLAST algorithm with the BLOSUM62 matrix.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Verfahren vorgesehen, wobei das Enzym in fester Form oder in gelöster Form eingesetzt wird. In bevorzugter Ausführungsform ist das Enzym mit Perhydrolaseaktivität ein auf einen Träger immobilisiertes Enzym. Bevorzugt wird das Enzym durch Adhäsion über kovalente Bindungen, Quervernetzung, Membranabtrennung oder durch Einschluss immobilisiert, wobei der Träger bevorzugt ein Polymer ist, insbesondere ein Acrylharz, Alginat, Immobead
Als „Reaktionsgemisch“ wird vorliegend das Gemisch aller in Schritt b) und/oder c) in einem Reaktor vorliegenden Komponenten verstanden, die in dem erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß bevorzugten Verfahren zur Epoxidierung der mindestens einen ungesättigten Verbindung eingesetzt werden. Bevorzugt weist das Reaktionsgemisch zu Beginn des Schritts b) daher den mindestens einen Sauerstoff-Donor, den mindestens einen Sauerstoff-Akzeptor, das mindestens eine Enzym mit Perhydrolase-Aktivität, Wasser und optional mindestens ein organisches Lösungsmittel auf, bevorzugt besteht es daraus. Bevorzugt weist das Reaktionsgemisch zu Beginn des Schritts c) die mindestens eine ungesättigte Verbindung, die mindestens eine Peroxosäure, und optional Wasser und/oder mindestens ein organisches Lösungsmittel auf, bevorzugt besteht es daraus. Falls die Peroxosäure in situ hergestellt wird, weist das Reaktionsgemisch zu Beginn der Schritte b) und c) bevorzugt die mindestens eine ungesättigte Verbindung, den mindestens einen Sauerstoff-Donor, den mindestens einen Sauerstoff-Akzeptor, das mindestens eine Enzym mit Perhydrolase-Aktivität, Wasser und optional mindestens ein organisches Lösungsmittel auf, bevorzugt besteht es daraus. In the present case, the term "reaction mixture" is understood to mean the mixture of all components present in step b) and / or c) in a reactor which are used in the process according to the invention or according to the invention for the epoxidation of the at least one unsaturated compound. Preferably, the reaction mixture at the beginning of step b) therefore comprises the at least one oxygen donor, the at least one oxygen acceptor, the at least one enzyme with perhydrolase activity, water and optionally at least one organic solvent, preferably consisting thereof. Preferably, the reaction mixture at the beginning of step c), the at least one unsaturated compound, the at least one peroxyacid, and optionally water and / or at least one organic solvent, it preferably consists thereof. If the peroxyacid is prepared in situ, the reaction mixture at the beginning of steps b) and c) preferably comprises the at least one unsaturated compound, the at least one oxygen donor, the at least one oxygen acceptor containing at least one enzyme with perhydrolase activity, Water and optionally at least one organic solvent, it preferably consists thereof.
Unter dem Begriff „Alken“ wird eine ungesättigte Verbindung verstanden, insbesondere eine Kohlenwasserstoffverbindung mit mindestens einer Kohlenstoff/Kohlenstoff-Doppelbindung, die durch eine Peroxosäure zu einem Epoxid oxidiert werden kann. Die ungesättigte Verbindung mit mindestens einer Doppelbindung ist erfindungsgemäß ein gasförmiges Alken, wobei das gasförmige Alken vorzugsweise ein lineares, verzweigtes oder zyklisches Alken ist. Zu den erfindungsgemäß bevorzugten gasförmigen Alkenen gehören bevorzugt Ethen, Propen, Buten, Penten oder Hexen und alle davon existierenden Isomere und Gemische davon, besonders bevorzugt Ethen, Propen oder Buten und Gemische davon. Bevorzugt ist die gasförmige ungesättigte Verbindung eine Verbindung mit mehreren Doppelbindungen, bevorzugt Butadien.The term "alkene" is understood as meaning an unsaturated compound, in particular a hydrocarbon compound having at least one carbon / carbon double bond which can be oxidized by a peroxy acid to form an epoxide. The unsaturated compound having at least one double bond is according to the invention a gaseous alkene, wherein the gaseous alkene is preferably a linear, branched or cyclic alkene. Preferred gaseous alkenes according to the invention preferably include ethene, propene, butene, pentene or hexene and all the isomers present therefrom and mixtures thereof, more preferably ethene, propene or butene and mixtures thereof. The gaseous unsaturated compound is preferably a compound having several double bonds, preferably butadiene.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt das in Verfahrensschritt a) bereitgestellte mindestens eine gasförmige Alken unter Atmosphärendruck und bei Raumtemperatur gasförmig vor. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt das in Verfahrensschritt a) bereitgestellte mindestens eine gasförmige Alken unter den im erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere Verfahrensschritt a), bereitgestellten Bedingungen, insbesondere Druck- und Temperaturverhältnissen, gasförmig vor, beispielsweise bei Raumtemperatur unter vermindertem Druck oder unter Vakuum oder bei oberhalb der Raumtemperatur liegenden Temperaturen, beispielsweise von 23 bis 80° C unter Atmosphärendruck oder unter reduziertem Druck.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the at least one gaseous alkene provided in process step a) is present under atmospheric pressure and at room temperature in gaseous form. In a further preferred embodiment, the at least one gaseous alkene provided in process step a) is present in gaseous form under the conditions provided in the process according to the invention, in particular process step a), for example at room temperature under reduced pressure or under reduced pressure or at temperatures above room temperature, for example from 23 to 80 ° C under atmospheric pressure or under reduced pressure.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Verfahren vorgesehen, wobei der mindestens eine Sauerstoff-Donor einmalig zu Beginn des Verfahrensschrittes b), oder absatzweise oder kontinuierlich während des Verfahrensschrittes b), zugeführt wird. Durch diese Verfahrensweise kann die Zyklenstabilität des mindestens einen eingesetzten Enzyms zusätzlich erhöht werden. Das mindestens eine Enzym kommt dadurch mit geringeren Mengen an Wasserstoffperoxid in Kontakt und seine Inaktivierung wird somit verringert. Insbesondere durch die absatzweise oder kontinuierliche Zugabe wird eine mögliche Inaktivierung des mindestens einen Enzyms verringert und damit die Zyklenstabilität des mindestens einen Enzyms gesteigert.In a preferred embodiment, a method is provided, wherein the at least one oxygen donor is supplied once at the beginning of process step b), or batchwise or continuously during process step b). By this procedure, the cycle stability of the at least one enzyme used can be additionally increased. The at least one enzyme thereby comes into contact with smaller amounts of hydrogen peroxide and its inactivation is thus reduced. In particular, by the batchwise or continuous addition of a possible inactivation of the at least one enzyme is reduced and thus increases the cycle stability of the at least one enzyme.
Unter dem Begriff „Sauerstoff-Donor“ wird eine Verbindung verstanden, die unter den erfindungsgemäß vorliegenden Reaktionsbedingungen ein Sauerstoffatom auf einen Sauerstoff-Akzeptor in Anwesenheit eines Enzyms mit Perhydrolaseaktivität übertragen kann. Der Sauerstoff-Donor weist bevorzugt eine Peroxidgruppe auf.The term "oxygen donor" is understood to mean a compound which, under the reaction conditions according to the invention, can transfer an oxygen atom to an oxygen acceptor in the presence of an enzyme having perhydrolase activity. The oxygen donor preferably has a peroxide group.
Bevorzugt ist ein Verfahren vorgesehen, wobei der mindestens eine Sauerstoff-Donor ausgewählt ist aus tert-Butylhydroperoxid, Cumolhydroperoxid, Wasserstoffperoxid in gebundener oder freier Form und Gemischen davon, insbesondere an Harnstoff gebundenes Wasserstoffperoxid.Preferably, a method is provided, wherein the at least one oxygen donor is selected from tert-butyl hydroperoxide, cumene hydroperoxide, hydrogen peroxide in bound or free form and mixtures thereof, in particular hydrogen peroxide bound to urea.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der Sauerstoff-Donor in Wasser als Lösungsmittel gelöst, das heißt in wässriger Lösung vorhanden, insbesondere ist der Sauerstoff-Donor eine wässrige Wasserstoffperoxidlösung.In a particularly preferred embodiment, the oxygen donor is dissolved in water as a solvent, that is to say present in aqueous solution, in particular the oxygen donor is an aqueous hydrogen peroxide solution.
Bevorzugt wird in Schritt a) der Sauerstoff-Donor, bevorzugt das Wasserstoffperoxid, in Form einer wässrigen, bevorzugt einer 10 bis 50 Gew.-%-igen, bevorzugt einer 20 bis 40 Gew.-%-igen, Lösung bereitgestellt.The oxygen donor, preferably the hydrogen peroxide, is preferably provided in step a) in the form of an aqueous solution, preferably a 10 to 50% by weight, preferably a 20 to 40% by weight, solution.
Unter dem Begriff „Sauerstoff-Akzeptor“ wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Verbindung verstanden, die ein Sauerstoffatom des Sauerstoff-Donors in Anwesenheit eines Enzyms mit Perhydrolaseaktivität unter den erfindungsgemäß vorliegenden Reaktionsbedingungen aufnehmen kann. Bevorzugt weist der Sauerstoff-Akzeptor eine Carboxylgruppe auf.In the context of the present invention, the term "oxygen acceptor" is understood as meaning a compound which can take up an oxygen atom of the oxygen donor in the presence of an enzyme having perhydrolase activity under the reaction conditions according to the invention. Preferably, the oxygen acceptor has a carboxyl group.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Sauerstoff-Akzeptor eine Carbonsäure oder ein Carbonsäureester. Bevorzugt ist der Sauerstoff-Akzeptor ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mindestens einer gesättigten freien Fettsäure, mindestens einem gesättigten Fettsäureester, Ethylacetat, Dimethylcarbonat und Gemischen davon. Besonders bevorzugt ist der Sauerstoff-Akzeptor Ethylacetat oder Dimethylcarbonat, da diese Sauerstoff-Akzeptoren einfach aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen sind, insbesondere durch Destillation abgetrennt werden können, wobei eine sehr reine epoxidierte Verbindung, insbesondere ein epoxidiertes Alken erhalten wird.In a preferred embodiment, the at least one oxygen acceptor is a carboxylic acid or a carboxylic acid ester. Preferably, the oxygen acceptor is selected from the group consisting of at least one saturated free fatty acid, at least one saturated fatty acid ester, ethyl acetate, dimethyl carbonate, and mixtures thereof. Particularly preferred is the oxygen Acceptor ethyl acetate or dimethyl carbonate, since these oxygen acceptors are easy to remove from the reaction mixture, in particular by distillation can be separated, with a very pure epoxidized compound, in particular an epoxidized alkene is obtained.
Bevorzugt ist der mindestens eine Sauerstoff-Akzeptor verschieden von der mindestens einen ungesättigten Verbindung. Alternativ bevorzugt kann die mindestens eine ungesättigte Verbindung auch als Sauerstoff-Akzeptor verwendet werden.Preferably, the at least one oxygen acceptor is different from the at least one unsaturated compound. Alternatively preferably, the at least one unsaturated compound may also be used as an oxygen acceptor.
In besonders bevorzugter Ausführungsform liegt der mindestens eine Sauerstoff-Akzeptor in einem Lösungsmittel, insbesondere einem organischen Lösungsmittel, vor.In a particularly preferred embodiment, the at least one oxygen acceptor is present in a solvent, in particular an organic solvent.
Unter dem Begriff „Peroxosäure“ wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Peroxycarbonsäuren, also eine Persäure, verstanden, die als funktionelle Gruppe eine Peroxycarboxylgruppe, also eine CO3H-Gruppe, aufweist.In the context of the present invention, the term "peroxy acid" is understood to mean a peroxycarboxylic acid, ie a peracid, which has a peroxycarboxyl group, that is to say a CO 3 H group, as the functional group.
In Schritt a) wird bevorzugt genau ein Enzym mit Perhydrolaseaktivität bereitgestellt. In Schritt a) werden bevorzugt mindestens zwei verschiedene Enzyme mit Perhydrolaseaktivität bereitgestellt. In Schritt a) wird bevorzugt ein Gemisch mehrerer Enzyme mit Perhydrolaseaktivität bereitgestellt.In step a), exactly one enzyme with perhydrolase activity is preferably provided. In step a), preferably at least two different enzymes with perhydrolase activity are provided. In step a), a mixture of several enzymes with perhydrolase activity is preferably provided.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a) genau ein Sauerstoff-Donor bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden in Schritt a) mindestens zwei verschiedene Sauerstoff-Donoren bereitgestellt.In a preferred embodiment, exactly one oxygen donor is provided in step a). In a preferred embodiment, at least two different oxygen donors are provided in step a).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a) genau ein Sauerstoff-Akzeptor bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden in Schritt a) mindestens zwei verschiedene Sauerstoff-Akzeptoren bereitgestellt.In a preferred embodiment, exactly one oxygen acceptor is provided in step a). In a preferred embodiment, at least two different oxygen acceptors are provided in step a).
Der mindestens eine Sauerstoff-Donor, der mindestens eine Sauerstoff-Akzeptor und das mindestens eine Enzym mit Perhydrolaseaktivität können in einer besonders bevorzugten Ausführungsform als Gemisch, bevorzugt in einem Lösungsmittel, bereitgestellt werden.The at least one oxygen donor, the at least one oxygen acceptor and the at least one enzyme with perhydrolase activity can be provided in a particularly preferred embodiment as a mixture, preferably in a solvent.
In besonders bevorzugter Ausführungsform werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich mindestens ein Sauerstoff-Donor, mindestens ein Sauerstoff-Akzeptor, mindestens ein Enzym mit Perhydrolaseaktivität, mindestens ein gasförmiges Alken und mindestens ein Lösungsmittel eingesetzt, wobei keine weiteren Verbindungen, insbesondere Reaktionsteilnehmer, eingesetzt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausfiihrungsform können neben den explizit in Schritt a) genannten Verbindungen weitere Verbindungen eingesetzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das gasförmige Alken im Gemisch mit anderen gasförmigen Verbindungen oder Elementen bereitgestellt und eingesetzt werden, bevorzugt wird das gasförmige Alken im Gemisch mit mindestens einem anderen gasförmigen Alken eingesetzt.In a particularly preferred embodiment, only at least one oxygen donor, at least one oxygen acceptor, at least one enzyme with perhydrolase activity, at least one gaseous alkene and at least one solvent are used in the process according to the invention, with no further compounds, in particular reactants, being used. In a further preferred embodiment, further compounds can be used in addition to the compounds explicitly mentioned in step a). In a particularly preferred embodiment, the gaseous alkene may be provided and used in admixture with other gaseous compounds or elements, preferably the gaseous alkene is used in admixture with at least one other gaseous alkene.
Der in Schritt b) zur Herstellung der Peroxosäure eingesetzte Sauerstoff-Akzeptor wird bevorzugt in einer Menge von mindestens 1 Mol-%, bevorzugt mindestens 2 Mol-%, bevorzugt mindestens 5 Mol-%, bevorzugt mindestens 8 Mol-%, bevorzugt mindestens 10 Mol-%, bevorzugt maximal 20 Mol-%, bevorzugt maximal 15 Mol-%, bevorzugt maximal 10 Mol-%, bevorzugt maximal 8 Mol-%, bevorzugt maximal 5 Mol-%, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 10 Mol-%, bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 8 Mol-%, bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 6 Mol-%, bezogen auf die in der mindestens einen ungesättigten Verbindung vorhandenen Doppelbindung, in Schritt b) zugesetzt.The oxygen acceptor used in step b) for the preparation of the peroxy acid is preferably in an amount of at least 1 mol%, preferably at least 2 mol%, preferably at least 5 mol%, preferably at least 8 mol%, preferably at least 10 mol %, preferably at most 20 mol%, preferably at most 15 mol%, preferably at most 10 mol%, preferably at most 8 mol%, preferably at most 5 mol%, preferably in a range from 1 to 10 mol%, preferably in a range from 2 to 8 mol%, preferably in a range from 4 to 6 mol%, based on the double bond present in the at least one unsaturated compound, in step b).
Der in Schritt b) zur Herstellung der Peroxosäure eingesetzte Sauerstoff-Donor, bevorzugt wässriges oder an Harnstoff gebundenes Wasserstoffperoxid, wird in Schritt a) bevorzugt im molaren Überschuss bereitgestellt, bezogen auf die in der mindestens einen ungesättigten Verbindung vorhandenen Doppelbindungen. Der molare Überschuss ist bevorzugt ein 1,1-facher Überschuss, bevorzugt ein 1,5-facher Überschuss, bevorzugt mindestens ein 1,2-facher Überschuss, bevorzugt maximal ein 1,2-facher Überschuss, bevorzugt maximal ein 1,8-facher Überschuss, bezogen auf die in der mindestens einen ungesättigten Verbindung vorhandenen Doppelbindungen.The oxygen donor used in step b) for the preparation of the peroxy acid, preferably aqueous or urea-bound hydrogen peroxide, is preferably provided in molar excess in step a), based on the double bonds present in the at least one unsaturated compound. The molar excess is preferably a 1.1-fold excess, preferably a 1.5-fold excess, preferably at least a 1.2-fold excess, preferably a maximum of a 1.2-fold excess, preferably a maximum of a 1.8-fold Excess, based on the double bonds present in the at least one unsaturated compound.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt b) der Sauerstoff-Donor, bevorzugt das Wasserstoffperoxid, schrittweise oder kontinuierlich zu dem Enzym mit Perhydrolaseaktivität und dem Sauerstoff-Akzeptor gegeben, um eine gegebenenfalls mögliche Deaktivierung des Enzyms zu verhindern.In a preferred embodiment, in step b) the oxygen donor, preferably the hydrogen peroxide, is added stepwise or continuously to the enzyme having perhydrolase activity and the oxygen acceptor to prevent any possible deactivation of the enzyme.
Bevorzugt ist ein Verfahren vorgesehen, wobei die Umsetzungen in Schritt b) und c) in einem Lösungsmittel, bevorzugt in einem unpolaren oder in einem polaren Lösungsmittel oder in einem unpolaren und einem polaren Lösungsmittel, bevorzugt in einem ionischen Lösungsmittel, erfolgen. Bevorzugt ist das Lösungsmittel an der Umsetzung gemäß Schritt b) und c) nicht beteiligt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens ein organisches Lösungsmittel, bevorzugt ein unpolares organisches Lösungsmittel, eingesetzt. Das unpolare Lösungsmittel ist bevorzugt Chloroform, Dimethylcarbonat, Ethylacetat, Methylenchlorid, Cyclohexan, Hexan, Toluol, Xylol oder ein Gemisch davon. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lösungsmittel ein Alkohol oder ein Gemisch von Alkoholen.Preferably, a method is provided, wherein the reactions in step b) and c) in a solvent, preferably in a non-polar or in a polar solvent or in a non-polar and a polar solvent, preferably in an ionic solvent, take place. The solvent is preferably not involved in the reaction according to step b) and c). In a preferred embodiment, at least one organic solvent, preferably a nonpolar organic solvent, is used. The non-polar solvent is preferably chloroform, dimethyl carbonate, ethyl acetate, methylene chloride, cyclohexane, hexane, toluene, xylene or a mixture thereof. In a preferred Embodiment, the solvent is an alcohol or a mixture of alcohols.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Lösungsmittel gemäß den Schritten b) und c) eine Wasseraktivität von bevorzugt mindestens 0,01%, bevorzugt mindestens 0,05%, bevorzugt mindestens 0,1%, bevorzugt mindestens 1%, bevorzugt maximal 5%, bevorzugt maximal 3%, bevorzugt maximal 1%, bevorzugt maximal 0,05%, liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,01 bis 0,05%, bevorzugt in einem Bereich von 0,05 bis 1%, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 3%.In a preferred embodiment, the solvent according to steps b) and c) has a water activity of preferably at least 0.01%, preferably at least 0.05%, preferably at least 0.1%, preferably at least 1%, preferably at most 5% at most 3%, preferably at most 1%, preferably at most 0.05%, is preferably in a range from 0.01 to 0.05%, preferably in a range from 0.05 to 1%, preferably in a range from 1 to 3%.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt c) das gasförmige Alken in das System, bevorzugt in das Lösungsmittel enthaltend das Reaktionsgemisch, insbesondere die Peroxosäure, eingeblasen. Bevorzugt findet die Umsetzung in Schritt c) bei einem Druck von mindestens 1 bar, bevorzugt mindestens 2 bar, bevorzugt mindestens 5 bar, bevorzugt mindestens 50 bar, bevorzugt maximal 3 bar, bevorzugt maximal 5 bar, bevorzugt maximal 10 bar, bevorzugt maximal 50 bar, bevorzugt maximal 100 bar, bevorzugt maximal 200 bar, bevorzugt in einem Druckbereich von 1 bis 3 bar, bevorzugt in einem Druckbereich von 2 bis 5 bar, bevorzugt in einem Druckbereich von 5 bis 50 bar, bevorzugt in einem Druckbereich von 50 bis 200 bar, statt.In a preferred embodiment, in step c) the gaseous alkene is injected into the system, preferably into the solvent containing the reaction mixture, in particular the peroxy acid. The reaction in step c) preferably takes place at a pressure of at least 1 bar, preferably at least 2 bar, preferably at least 5 bar, preferably at least 50 bar, preferably at most 3 bar, preferably at most 5 bar, preferably at most 10 bar, preferably at most 50 bar , preferably at most 100 bar, preferably at most 200 bar, preferably in a pressure range of 1 to 3 bar, preferably in a pressure range of 2 to 5 bar, preferably in a pressure range of 5 to 50 bar, preferably in a pressure range of 50 to 200 bar , instead of.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Umsetzung in Schritt b) und c) in einem Zweiphasensystem statt, bevorzugt in einer polaren, insbesondere wässrigen, und einer unpolaren, insbesondere organischen, Phase. In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Umsetzung gemäß den Schritten b) und c) in einer Emulsion statt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der mindestens eine Sauerstoff-Donor und der mindestens eine Sauerstoff-Akzeptor in der Umsetzung gemäß den Schritten b) und c) im Lösungsmittel dispergiert. In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Umsetzung in Schritt b) und c) in einem Lösungsmittel-freien System statt.In a preferred embodiment, the reaction in step b) and c) takes place in a two-phase system, preferably in a polar, in particular aqueous, and a non-polar, in particular organic, phase. In a preferred embodiment, the reaction according to steps b) and c) takes place in an emulsion. In a preferred embodiment, the at least one oxygen donor and the at least one oxygen acceptor in the reaction according to steps b) and c) are dispersed in the solvent. In a preferred embodiment, the reaction in step b) and c) takes place in a solvent-free system.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform findet das Umsetzen des mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Sauerstoff-Akzeptors mit dem mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Sauerstoff-Donor in Anwesenheit des mindestens einen in Schritt a) bereitgestellten Enzyms mit Perhydrolaseaktivität zur Bereitstellung einer Peroxosäure gemäß Schritt b) in einem inhomogen durchmischten, eine organische Phase und eine wässrige Phase aufweisenden Reaktionsgemisch statt.In a particularly preferred embodiment, reacting the at least one oxygen acceptor provided in step a) with the at least one oxygen donor provided in step a) in the presence of the at least one enzyme having perhydrolase activity provided in step a) provides a peroxy acid according to step b) in an inhomogeneously mixed, an organic phase and an aqueous phase having reaction mixture instead.
Vorzugsweise ist in der organischen Phase ein organisches Lösungsmittel enthalten und mindestens ein Sauerstoff-Akzeptor vorhanden. Vorzugsweise ist in der wässrigen Phase ein Sauerstoff-Donor vorhanden.Preferably, an organic solvent is present in the organic phase and at least one oxygen acceptor is present. Preferably, an oxygen donor is present in the aqueous phase.
Unter dem Begriff „inhomogene Durchmischung“ wird verstanden, dass während der Umsetzung in Schritt b) und/oder c) die mit der organischen Phase nicht oder nur in sehr geringen Mengen mischbare wässrige Phase nur teilweise dispergiert oder emulgiert in der organischen Phase vorliegt. Die wässrige Phase und die organische Phase können im nicht teilweise durchgemischten Zustand, also im Ruhezustand, bevorzugt eine Phasengrenze ausbilden. Bevorzugt weist das Reaktionsgemisch gemäß den Schritten b) und/oder c) mindestens drei unterschiedliche Abschnitte auf, wobei der erste Abschnitt überwiegend die wässrige Phase, der zweite Abschnitt überwiegend die organische Phase und der dritte Abschnitt ein Gemisch aus organischer Phase und wässriger Phase aufweist, wobei in dem dritten Abschnitt die organische Phase bevorzugt emulgiert oder dispergiert in der wässrigen Phase oder die wässrige Phase bevorzugt emulgiert oder dispergiert in der organischen Phase vorliegt. Besonders bevorzugt liegt in dem dritten Abschnitt die wässrige Phase emulgiert oder dispergiert in der organischen Phase vor. Der erste, wässrige Abschnitt weist bevorzugt kaum oder gar keine organische Phase, bevorzugt in Tröpfchenform, auf. Der zweite Abschnitt weist bevorzugt kaum oder gar keine wässrige Phase auf. Bevorzugt liegt der dritte Abschnitt zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt vor. Bevorzugt weisen die emulgierten oder dispergierten Tröpfchen der organischen Phase oder der wässrigen Phase des dritten Abschnitts eine Größenverteilung auf, wobei mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 90 % aller emulgierten Tröpfchen eine Partikelgröße von größer als 10 µm, bevorzugt größer als 20 µm aufweisen und/oder mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 90 % aller Tröpfchen einen Durchmesser von weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 500 µm aufweisen. Bevorzugt ist die Masse der organischen Phase in dem dritten Abschnitt um einen Faktor von mindestens 10, bevorzugt mindestens 100 größer als in der ersten wässrigen Phase. Bevorzugt beträgt der Anteil des dritten Abschnitts (bezogen auf das gesamte Volumen des Reaktionsgemisches und einer Temperatur von 20°C) mindestens 10 Vol.-%, bevorzugt mindestens 20 Vol.-%, bevorzugt mindestens 30 Vol.-%, und/oder bevorzugt maximal 90 Vol.-%, bevorzugt maximal 70 Vol.-%, bevorzugt maximal 50 Vol.-%, bevorzugt maximal 40 Vol.-%.The term "inhomogeneous mixing" means that during the reaction in step b) and / or c) the aqueous phase that is immiscible or only in very small amounts with the organic phase is only partially dispersed or emulsified in the organic phase. The aqueous phase and the organic phase can preferably form a phase boundary in the non-partially mixed state, ie in the quiescent state. The reaction mixture preferably has at least three different sections according to steps b) and / or c), the first section comprising predominantly the aqueous phase, the second section predominantly the organic phase and the third section a mixture of organic phase and aqueous phase, wherein in the third section the organic phase is preferably emulsified or dispersed in the aqueous phase or the aqueous phase is preferably emulsified or dispersed in the organic phase. Particularly preferably, in the third section, the aqueous phase is emulsified or dispersed in the organic phase. The first aqueous section preferably has little or no organic phase, preferably in droplet form. The second section preferably has little or no aqueous phase. Preferably, the third section is between the first and second sections. Preferably, the emulsified or dispersed droplets of the organic phase or the aqueous phase of the third section have a size distribution, wherein at least 50%, preferably at least 90% of all emulsified droplets have a particle size of greater than 10 microns, preferably greater than 20 microns and / or at least 50%, preferably at least 90% of all droplets have a diameter of less than 1 mm, preferably less than 500 microns. The mass of the organic phase in the third section is preferably greater by a factor of at least 10, preferably at least 100, than in the first aqueous phase. The proportion of the third portion (based on the total volume of the reaction mixture and a temperature of 20 ° C.) is preferably at least 10% by volume, preferably at least 20% by volume, preferably at least 30% by volume, and / or preferably not more than 90% by volume, preferably not more than 70% by volume, preferably not more than 50% by volume, preferably not more than 40% by volume.
Bevorzugt wird unter dem Begriff „inhomogene Durchmischung“ verstanden, dass in dem Reaktionsgemisch die organische Phase nicht gleichmäßig verteilt, also nicht gleichmäßig emulgiert oder dispergiert vorliegt. Bevorzugt ist die Konzentration der organischen Phase in der wässrigen Phase nicht überall gleich groß. Das Vorliegen der drei unterschiedlichen Abschnitte, nämlich des ersten, zweiten und dritten Abschnittes, kann bevorzugt durch eine unterschiedliche optische Dichte erkannt werden. Die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Abschnitten sind fließend.The term "inhomogeneous mixing" is preferably understood to mean that the organic phase is not uniformly distributed in the reaction mixture, ie it is not uniformly emulsified or dispersed. Preferably, the concentration of the organic phase in the aqueous phase is not the same everywhere. The presence of the three different sections, namely the first, second and third sections, may preferably be recognized by a different optical density. The transitions between the different sections are fluid.
Bevorzugt ist zusätzlich zu der organischen Phase und der wässrigen Phase auch das Enzym, bevorzugt das immobilisierte Enzym, inhomogen in dem Reaktionsgemisch verteilt. Bevorzugt ist die Konzentration des Enzyms, bevorzugt des immobilisierten Enzyms, in dem Reaktionsgemisch inhomogen. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das in Verfahrensschritt a) bereitgestellte mindestens eine gasförmige Alken in Verfahrensschritt c) homogen oder inhomogen in dem das Reaktionsgemisch enthaltenden Lösungsmittel vor.Preferably, in addition to the organic phase and the aqueous phase, the enzyme, preferably the immobilized enzyme, is inhomogeneously distributed in the reaction mixture. Preferably, the concentration of the enzyme, preferably of the immobilized enzyme, is inhomogeneous in the reaction mixture. In a preferred embodiment, the at least one gaseous alkene provided in process step a) is present in process step c) homogeneously or inhomogeneously in the solvent containing the reaction mixture.
Aufgrund der inhomogenen Verteilung wurde überraschenderweise gefunden, dass eine nahezu gleichbleibende Umsatzrate und/oder Ausbeute - im Vergleich zu einer homogenen Durchmischung des Reaktionsgemisches - erreicht wird. Die inhomogene Durchmischung erhöht zudem die Zyklenstabilität, also auch die Recyclingrate, des eingesetzten, insbesondere immobilisierten, Enzyms, wodurch mit ein und demselben Enzym eine erhöhte Anzahl an Umsetzungen der mindestens einen ungesättigten Verbindung durchgeführt werden kann. Dies führt zu deutlich verringerten Kosten bei einer nahezu gleichbleibenden Umsatzrate und/oder Ausbeute.Due to the inhomogeneous distribution, it has surprisingly been found that a virtually constant conversion rate and / or yield-in comparison to a homogeneous mixing of the reaction mixture-is achieved. The inhomogeneous mixing also increases the cycle stability, including the recycling rate, of the enzyme used, in particular immobilized, whereby an increased number of reactions of the at least one unsaturated compound can be carried out with one and the same enzyme. This leads to significantly reduced costs with a virtually constant conversion rate and / or yield.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Umsetzung in Schritt c) in einem Dreiphasensystem statt, wobei ein bereitgestelltes Enzym mit Perhydrolaseaktivität mit einem Lösungsmittel, enthaltend mindestens eine in Schritt b) hergestellte Peroxosäure, benetzt und mit dem in Schritt a) bereitgestellten mindestens einem gasförmigen Alken begast wird.In a preferred embodiment, the reaction in step c) takes place in a three-phase system in which a provided enzyme having perhydrolase activity is wetted with a solvent containing at least one peroxy acid prepared in step b) and gassed with the at least one gaseous alkene provided in step a) becomes.
Bevorzugt findet die Umsetzung in Schritt b) bei einer Temperatur von mindestens 0°C, bevorzugt 25°C, bevorzugt 30°C, bevorzugt 40°C und bei einer Temperatur von maximal 80°C, bevorzugt maximal 50°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 25 bis 50°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 30 bis 40°C statt. Bevorzugt findet die Umsetzung in Schritt c) bei einer Temperatur von mindestens 0°C, bevorzugt 25°C, bevorzugt 30°C, bevorzugt 40°C und bei einer Temperatur von maximal 80°C, bevorzugt maximal 50°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 25 bis 50°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 30 bis 40°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 40 bis 50°C statt.The reaction in step b) preferably takes place at a temperature of at least 0 ° C., preferably 25 ° C., preferably 30 ° C., preferably 40 ° C. and at a temperature of not more than 80 ° C., preferably not more than 50 ° C., preferably in one Temperature range of 25 to 50 ° C, preferably in a temperature range of 30 to 40 ° C instead. The reaction in step c) preferably takes place at a temperature of at least 0 ° C., preferably 25 ° C., preferably 30 ° C., preferably 40 ° C. and at a temperature of not more than 80 ° C., preferably not more than 50 ° C., preferably in one Temperature range of 25 to 50 ° C, preferably in a temperature range of 30 to 40 ° C, preferably in a temperature range of 40 to 50 ° C instead.
Bevorzugt findet die Umsetzung in Schritt b) bei einem pH-Wert von mindestens 4, bevorzugt mindestens 6, und bei einem pH-Wert von maximal 10, bevorzugt maximal 8, bevorzugt in einem pH-Bereich von 4 bis 10, bevorzugt in einem pH-Bereich von 6 bis 8 statt. Bevorzugt findet die Umsetzung in Schritt c) bei einem pH-Wert von mindestens 4, bevorzugt mindestens 6, und bei einem pH-Wert von maximal 10, bevorzugt maximal 8, bevorzugt in einem pH-Bereich von 4 bis 10, bevorzugt in einem pH-Bereich von 6 bis 8 statt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der pH-Wert während der Umsetzung in Schritt b) und c) reguliert werden, bevorzugt konstant gehalten werden.Preferably, the reaction in step b) takes place at a pH of at least 4, preferably at least 6, and at a pH of at most 10, preferably at most 8, preferably in a pH range of 4 to 10, preferably in a pH Range from 6 to 8 instead. Preferably, the reaction in step c) takes place at a pH of at least 4, preferably at least 6, and at a pH of at most 10, preferably at most 8, preferably in a pH range of 4 to 10, preferably in a pH Range from 6 to 8 instead. In a preferred embodiment, the pH during the reaction in step b) and c) can be regulated, preferably kept constant.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Umsetzung gemäß den Schritten b) und c) in einem einzigen Reaktor statt. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird die Peroxosäure in situ gebildet und unmittelbar anschließend findet die Epoxidierung der mindestens einen ungesättigten Verbindung statt.In a preferred embodiment, the reaction according to steps b) and c) takes place in a single reactor. According to this preferred embodiment, the peroxyacid is formed in situ and immediately thereafter epoxidation of the at least one unsaturated compound takes place.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Umsetzung gemäß Schritt b) in einem ersten Reaktor und die Umsetzung gemäß Schritt c) in einem zweiten Reaktor statt. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform findet die Bildung der Peroxosäure ex situ statt. Die so gebildete Peroxosäure wird in dieser bevorzugten Ausführungsform dem zweiten Reaktor zugegeben, sodass die dort vorgelegte mindestens eine ungesättigte Verbindung gemäß Schritt c) mit der Peroxosäure umgesetzt werden kann.In a preferred embodiment, the reaction according to step b) takes place in a first reactor and the reaction according to step c) takes place in a second reactor. According to this preferred embodiment, the formation of the peroxyacid takes place ex situ. The peroxo acid thus formed is added to the second reactor in this preferred embodiment so that the at least one unsaturated compound presented there can be reacted with the peroxy acid in step c).
Bevorzugt findet der Verfahrensschritt c) in einem Reaktor statt, der ein Fassungsvolumen von mindestens 1 l, bevorzugt mindestens 10 l, bevorzugt mindestens 20 l, bevorzugt mindestens 50 l, bevorzugt mindestens 100 l, bevorzugt mindestens 200 l, bevorzugt mindestens 300 l, bevorzugt mindestens 400 l, bevorzugt mindestens 500 1, bevorzugt mindestens 1.000 l, bevorzugt mindestens 2.000 l, bevorzugt mindestens 3.000 l, bevorzugt mindestens 4.000 l, bevorzugt mindestens 5.000 l, bevorzugt mindestens 20.000 l hat.Preferably, process step c) takes place in a reactor having a capacity of at least 1 l, preferably at least 10 l, preferably at least 20 l, preferably at least 50 l, preferably at least 100 l, preferably at least 200 l, preferably at least 300 l, preferably at least 400 l, preferably at least 500 l, preferably at least 1,000 l, preferably at least 2,000 l, preferably at least 3,000 l, preferably at least 4,000 l, preferably at least 5,000 l, preferably at least 20,000 l has.
Bevorzugt ist ein Verfahren vorgesehen, wobei das Verfahren zur Epoxidierung von ungesättigten Verbindungen in einem Rührreaktor oder in einem Festbettreaktor durchgeführt wird. Besonders bevorzugt ist ein Verfahren vorgesehen, wobei die Verfahrensschritte b) und c) in einem Rührreaktor oder in einem kontinuierlich laufenden Festbettreaktor durchgeführt werden.Preferably, a method is provided, wherein the process for the epoxidation of unsaturated compounds is carried out in a stirred reactor or in a fixed bed reactor. Particularly preferred is a method is provided, wherein the process steps b) and c) are carried out in a stirred reactor or in a continuously moving fixed bed reactor.
In besonders bevorzugter Ausführungsform kann das Verfahren als absatzweises Verfahren, das heißt Batch-Verfahren, Semi-Batchverfahren oder kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden.In a particularly preferred embodiment, the process can be carried out as a batchwise process, that is batch process, semi-batch process or continuous process.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet das Verfahren in einem Festbettreaktor statt. In bevorzugter Ausführungsform ist der Festbettreaktor ein Wirbelschichtreaktor, wobei das Festbett bevorzugt ein immobilisiertes Enzym mit Perhydrolaseaktivität ist. Das immobilisierte Enzym mit Perhydrolaseaktivität kann auch in einem Käfig eingeschlossen sein und in die organische Phase tauchen und die Reaktion zwischen Sauerstoff-Donor und -Akzeptor katalysieren. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird die organische Phase, die den Sauerstoff-Akzeptor sowie optional mindestens ein, zum Beispiel unpolares, Lösungsmittel aufweist und der Sauerstoff-Donor, bevorzugt Wasserstoffperoxid, in den Festbettreaktor, bevorzugt in den Wirbelschichtreaktor, bevorzugt mittels Pumpen, und anschließend oder gleichzeitig das gasförmige Alken eingebracht. Es können sich auch Sauerstoff-Akzeptor und -Donor in der organischen Phase befinden und das gasförmige Alken wird eingeblasen, das entstandene gasförmige Epoxid kann dann, zum Beispiel über ein Ablassventil, entlassen werden. Bevorzugt wird die organische Phase und die wässrige Phase vor der Zugabe auf das Festbett, bevorzugt auf die Wirbelschicht, gemischt. Bevorzugt sind zwei oder mehrere Festbettreaktoren, bevorzugt Wirbelschichtreaktoren, in Reihe hintereinander angeordnet.In a preferred embodiment, the process takes place in a fixed bed reactor. In a preferred embodiment, the fixed bed reactor is a fluidized bed reactor, wherein the fixed bed is preferably an immobilized enzyme with perhydrolase activity. The immobilized enzyme with Perhydrolase activity may also be entrapped in a cage and submerged in the organic phase and catalyze the reaction between oxygen donor and acceptor. In this preferred embodiment, the organic phase containing the oxygen acceptor and optionally at least one, for example non-polar, solvent and the oxygen donor, preferably hydrogen peroxide, in the fixed bed reactor, preferably in the fluidized bed reactor, preferably by means of pumps, and then or introduced simultaneously the gaseous alkene. It may also oxygen acceptor and donor are in the organic phase and the gaseous alkene is blown, the resulting gaseous epoxide can then be discharged, for example via a drain valve. The organic phase and the aqueous phase are preferably mixed before addition to the fixed bed, preferably to the fluidized bed. Preferably, two or more fixed bed reactors, preferably fluidized bed reactors, are arranged in series one behind the other.
Das in Schritt c) erhaltene Reaktionsgemisch stellt bevorzugt das Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Das in Schritt c) erhaltene Reaktionsgemisch wird in einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform genau einmal oder mehrmals als Ausgangsmaterial in dem erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß bevorzugten Verfahren eingesetzt.The reaction mixture obtained in step c) is preferably the product of the process according to the invention. The reaction mixture obtained in step c) is used in an alternative, preferred embodiment exactly once or several times as the starting material in the inventive or inventively preferred process.
Bevorzugt wird nach Schritt c) das Enzym aus dem Reaktionsgemisch entfernt. Bevorzugt findet nach Schritt c) ein Reinigungsschritt der mindestens einen epoxidierten Verbindung statt, bevorzugt durch Waschen der organischen Phase, bevorzugt mit Wasser oder einer Natriumcarbonatlösung.Preferably, after step c), the enzyme is removed from the reaction mixture. Preferably, after step c), a purification step of the at least one epoxidized compound takes place, preferably by washing the organic phase, preferably with water or a sodium carbonate solution.
Die bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The preferred embodiments of the present invention will become apparent from the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren und den Beispielen näher erläutert.The present invention will be explained in more detail with reference to the following figures and the examples.
Es zeigt
-
1 eine schematische Vorrichtung zur absatzweisen Epoxidierung, auch als portionsweise Epoxidierung bezeichnet, von mindestens einer ungesättigten Verbindung, und -
2 eine schematische Vorrichtung zur kontinuierlichen Epoxidierung von mindestens einer ungesättigten Verbindung in einem Wirbelschichtreaktor.
-
1 a schematic apparatus for epoxidation, also referred to as epoxidation epoxidation, of at least one unsaturated compound, and -
2 a schematic apparatus for the continuous epoxidation of at least one unsaturated compound in a fluidized bed reactor.
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- 2015-09-30 DE DE102015218955.4A patent/DE102015218955B4/en active Active
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| Peter et al. (Epoxidation of linear, branched and cyclic alkenes catalized by unspecific peroxygenase, Enzyme and Microbial Technology, 2013, 52, Nr. 6, Seite 370 - 376) |
| PETER, Sebastian, et al. Epoxidation of linear, branched and cyclic alkenes catalyzed by unspecific peroxygenase. Enzyme and microbial technology, 2013, 52. Jg., Nr. 6, S. 370-376. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102015218955A1 (en) | 2017-03-30 |
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