一種製備碳酸甲基烷基酯的方法

2023-09-19 22:12:45

專利名稱：一種製備碳酸甲基烷基酯的方法
技術領域：
本發明屬於生物化工領域，涉及一種製備碳酸甲基烷基酯的方法，
背景技術：
二氧化碳是自然界中最為豐富的Cl來源。碳酸二甲酯是目前利用二氧化碳為原料合成的主要產物之一，廣泛應用於合成纖維、合成樹脂、醫藥、農藥等行業。然而目前由於碳酸二甲酯產量過剩，以碳酸二甲酯為原料合成其他類型的碳酸二烷基酯是目前研究和應用的一個熱點。碳酸二烷基酯有許多種合成方法，主要包括光氣法、羰基氧化法、酯交換法等。光氣法(如JP 641019(1994))是先 由光氣與沸騰的醇反應生成氯甲酸甲酯，再繼續與相應的醇反應得到碳酸二烷基酯，由於光氣和中間體氯甲酸甲酯都是劇毒的，副產物鹽酸的強腐蝕性，對環境汙染嚴重，該法將被淘汰。羰基氧化法也有較多研究報導，如日本專利JP 53121720(1978)使用一氧化碳催化氧化製備碳酸二乙酯和碳酸二丁酯，催化劑為硒和雙環脒；Punn00Se，A.等(Punnoose, A. ; Seehra, M. S. ; Dunn, B.C. ; et al. Characterization of CuCl2/PdCl2/activated carbon catalysts for the synthesis of diethyl carbonate. Energy andFuels, 2002 (16)，182-188)在非均相催化劑CuCl2/PdCl2/AC催化下，從乙醇和一氧化碳製備碳酸二乙酯。但氧化羰化法尚不完善，存在各種各樣的缺點，如轉化率低，選擇性差，催化劑價格昂貴，操作控制難等問題急需解決。在化學酯交換法的研究中，日本專利JP 09221436(1997)在鹼催化下，採用環狀
碳酸酯與脂肪族單醇進行酶交換反應製備碳酸二烷基酯，但該反應的平衡轉化率很低，且反應速度也較低，因此該法亦不理想。美國專利US 5534649(1996)公開了一種採用尿素、氨基甲酸甲酯或氨基甲酸乙酯與乙醇在催化劑作用下進行反應製造碳酸二乙酯的方法。但是該方法產物中有氨釋放出，同時反應時間長、碳酸二乙酯的收率低。此外，還有日本專利JP 2001247520(2001)利用液態二氧化碳、碳酸二甲酯和乙醇在溴化鋰催化下反應製備碳酸二乙酯和EP503618 (1992)利用一氧化碳和亞硝酸酯在催化劑存在下製備碳酸酯等方法，但是都存在原料的毒性大等缺點。不對稱碳酸酯碳酸甲基烷基酯廣泛應用於鋰離子電池電解液、藥物合成、特種香料及中間體的合成、塑料發泡劑、合成潤滑油等行業。目前，國內還沒有工業化生產的碳酸甲基烷基酯，國內企業所使用的碳酸甲基烷基酯都依賴進口。目前，日本有關碳酸甲基烷基酯的製備方法專利報導，使用載體上擔載包含鉬族金屬或其他化合物的催化劑，使亞硝酸甲酯、一氧化碳、以及醇在氣相中反應。P. Tundo等人(Green Chem. 6 (12) (2004)609.)採用碳酸鉀等合成碳酸甲基烷基酯，但是200°C的反應溫度和較低的轉化率使得其幾乎無工業化價值。另外也有相關研究使用路易斯酸、路易斯鹼、樹脂或分子篩為催化劑，但均存在催化劑毒性大，且產物鏈長受限等缺點。綜上所述。相關用化學法催化合成碳酸甲基烷基酯，都存在以下缺陷反應溫度高(普遍高於170°C)、高壓、催化劑毒性大、轉化率低、選擇性差、催化劑不容易回收等。酶作為一種生物催化劑，近年來己被人們廣泛應用於食品生產與檢測、環保技術、生物技術、生物醫藥等領域。脂肪酶所介導的反應具有反應條件溫和、醇用量小、產品易收集純化、無汙染物排放等優點。目前研究和應用最廣泛的脂肪酶(Lipase，EC 3.1.1. 3)是一類能催化油脂和短鏈醇進行轉酯化反應生成脂肪酸甲酯的生物催化劑，目前國內外用於轉酯化研究的脂肪酶主要為諾維信公司生產的NOVOZym435，此酶為固定化酶，載體為大孔丙烯酸樹脂，價格高昂(I克約20元人民幣)，不利於酶法製備化工原料的工業化生產。採用生物酶法製備碳酸甲基烷基酯還未見報導。另外，酶作為催化劑催化油脂和短鏈醇進行轉酯化反應時，短鏈醇會降低酶的活性，因此，尋找一種能穩定酶的活性的助催劑以提高轉酯化反應的產率成為人們的研究熱點。近年來，一種新型的綠色化學溶劑一離子液體(ionic liquid)引起了人們的廣泛關注。離子液體是由有機陽離子和無機或有機陰離子構成的，在100°C以下呈液體狀態的鹽類，與普通有機溶劑相比，離子液體具有以下優點離子液體不會揮發，對環境友好，用於工業生產相對比較安全，通過陰陽離子的設計可調節其對物質的溶解性；離子液體與一些有機溶劑互不相溶，可以形成有機溶劑一尚子液體兩相系統或者有機溶劑一水一尚子液體三相系統。一般而言，離子液體以3種形式應用於生物催化過程(I)作為純溶劑；(2)在水相系統中作為共溶劑；(3)在兩相系統中作為共溶劑。脂肪酶是目前在離子液體中進行生物催化反應研究報導最多的一類酶，它可在多種離子液體中存在並催化多種類型的反應，如酯交換反應、氨解反應、水解反應和環氧化反應等。R. M. Lau等首次利用南極假絲酵母脂肪酶(Candida antarcticalipase B, CALB)證明了其在離子液體中進行生物催化反應的潛力，如脂肪酶催化丁酸乙酯和丁醇的酯交換反應。P. Lazano等用脂肪酶在離子液體中催化丁酸乙烯酯與正丁醇通過轉酯反應合成丁酸丁酯，結果表明脂肪酶在離子液體中的催化活性高於其在有機溶劑中的活性，酶的催化活性隨著離子液體極性的增強而升高，而且在連續操作過程中脂肪酶具有很高的穩定性。S. J. Nara等也證實離子液體有使酶催化活性提高的作用。但採用離子液體為脂肪酶的助催劑催化製備碳酸甲基烷基酯的方法還未見報導。本發明人發現南極假絲酵母脂肪酶(Candida antarctica lipase)可以用於製備碳酸甲基烷基酯，對該反應具有催化活性。具有高轉化率，高選擇性，高普適性，工藝簡單，環境友好等優點，具有廣闊的應用前景。本發明所使用的南極假絲酵母脂肪酶(Candida antarctica lipase)的菌株首先是在南極洲分離得到的，其目的是尋找一些具有極端性質的脂肪酶。這種菌株可以產生兩種性質完全不同 的脂肪酶A和脂肪酶B。南極假絲酵母脂肪酶B是一種自由酶，其三維立體結構和胺基酸順序己被Uppenberg等在1994年研究出(J. Uppenberg, M.T. Hansen, S. Patkar,T. A. Jones.The Sequence,Crystal Structure Determinationand Refinement of Two Crystal Forms of Lipase B from Candida Antarctica.Structure, 1994, 2:293-308)o CALB是一個球狀蛋白，由317個胺基酸組成，主要為a/毋摺疊，CALB的大小約為30x:40x50A。分子量為33KD，等電點pH為6. O。與其它脂肪酶相同的是CALB的催化活性主要由Serl05-Aspl87-His202三聯體負責。使用最多的商品化的CALB是諾維信公司的NOVOZym435固定於大孔丙烯酸樹脂，價格昂貴。

發明內容
針對現有技術中化學法合成碳酸甲基烷基酯的缺陷，本發明所要解決的技術問題在於提供一種採用生物酶法製備碳酸甲基烷基酯的方法。本發明通過以下方案解決這一技術問題向反應容器中加入碳酸二甲酯和烷基醇，烷基醇和碳酸二甲酯摩爾比為1:1至1:20，再加入碳酸二甲酯和烷基醇總質量1% 25%的南極假絲酵母脂肪酶，反應溫度為25 70° C，在空氣氣氛中攪拌，進行轉酯反應。反應後經過處理獲得產物碳酸甲基烷基酯，具有高轉化率，高選擇性，高普適性，工藝簡單，環境友好等優點。碳酸二甲酯和烷基醇反應方程式如下
權利要求
1.一種製備碳酸甲基烷基酯的方法，其特徵在於向反應容器中加入碳酸二甲酯和烷基醇，烷基醇和碳酸二甲酯摩爾比為1:1至 1:20，再加入碳酸二甲酯和烷基醇總質量1°/Γ25%的南極假絲酵母脂肪酶，反應溫度為 25^70° C，在空氣氣氛中攪拌，進行轉酯反應。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所用烷基醇包括直鏈醇和支鏈醇。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述直鏈醇為乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、癸醇、月桂醇、苄醇或苯乙醇。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述支鏈醇為異丙醇、異丁醇、仲丁醇、異戊醇、新戊醇、異己醇、2-己醇、異庚醇、2-庚醇、異辛醇、2-辛醇、異癸醇或2-癸醇。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，反應時間為f160小時。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，反應溫度為55°C，反應時間為48小時。
7.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，加入碳酸二甲酯和烷基醇的摩爾比為1: 12，南極假絲酵母脂肪酶的加入量為碳酸二甲酯和烷基醇總質量的12%。
8.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，向反應容器中加入離子液體作為反應介質。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述離子液體選用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽中的一種。
全文摘要
本發明屬於生物化工領域，提供一種製備碳酸甲基烷基酯的方法。以離子液體作為反應介質或者不加溶劑，加入碳酸二甲酯，加入醇酯摩爾比為11至1:20的烷基醇，在上述反應物中加入反應物質量分數1%~25%的南極假絲酵母脂肪酶，經過攪拌進行轉酯反應，反應後經過處理獲得產物碳酸甲基烷基酯。具有高轉化率，高選擇性，高普適性，工藝簡單，環境友好等優點。
文檔編號C07C68/06GK103044260SQ201310019958
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月18日 優先權日2013年1月18日
發明者張海波, 周耀靚, 劉駿 申請人:武漢大學