漆酶-介体体系催化芳基伯醇直接氧化为羧酸的研究

作     者：程爱迪 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李宁

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：漆酶-介体体系 芳基伯醇 催化氧化 羧酸 2,5-呋喃二甲酸 

摘      要：羧酸是一类重要的化学品,被广泛应用于精细化学品、医药及高分子等领域。伯醇氧化为羧酸是有机化学中的一种基础化学反应。基于化学计量强氧化剂或金属催化剂的传统化学法仍然是当前伯醇氧化为羧酸的主流方式,但是其环境友好性差。O依赖型的生物催化氧化具有反应条件温和、环境友好、选择性高等特点,符合绿色发展的理念而备受关注。多酶催化氧化体系效率较高,但相对较复杂,需要考虑各酶最适反应条件间的兼容性,而单酶催化体系更简单,但很难同时高效催化羟基和甲酰基的氧化。由此可见,构建高效的单酶催化伯醇氧化为羧酸的体系颇具挑战。2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)是一种催化羟基氧化的催化剂,与漆酶偶联可构建高效的醇氧化体系,该体系以分子氧为最终电子受体,无需辅因子参与。本课题组前期研究发现缓冲液体系对漆酶-TEMPO催化醛氧化的杂合活性影响显著。在本论文中,以5-羟甲基糠醛(HMF)氧化为2,5-呋喃二甲酸(FDCA)为模型反应,我们研究了各关键因素对漆酶-TEMPO体系催化FDCA合成的影响,并基于限速步骤的研究,初步阐明了缓冲液对FDCA合成的影响机制。随后,探究了有机溶剂/缓冲液双相体系中漆酶-介体催化疏水性苯甲醇氧化的反应特性。主要结果如下:1.缓冲盐及p H对漆酶-TEMPO体系催化FDCA合成影响最显著。在最优缓冲液体系(柠檬酸盐缓冲液,300 m M,p H 6.0)中,反应24 h后,漆酶-TEMPO催化HMF氧化为FDCA,产率80%,远高于传统的醋酸盐缓冲液(50-300 m M,p H 4.5-5.0)中的相应值。基于限速步骤(5-甲酰基-2-呋喃甲酸(FFCA)氧化为FDCA)的研究,我们发现在柠檬酸盐缓冲液(100 m M,p H 6.0)中漆酶-TEMPO催化醛氧化的杂合活性更高,因此能快速将FFCA转化为FDCA,从而显著促进FDCA的合成。在控制反应体系p H为6.0的条件下,漆酶-TEMPO能在26 h内催化200 m M HMF完全氧化为FDCA,产率达94%。该体系被成功放大到50 m L规模,30 h内积累189 m M FDCA,时空产率达1.0 g/L h;经分离纯化后,FDCA收率为90%,纯度为95%。底物谱研究表明,亲水性芳基伯醇易被氧化合成相应的羧酸,最高产率99%。最后,我们进行了一种重要的药物中间体5-甲基吡嗪-2-羧酸(MPCA)的放大合成和分离纯化,MPCA产率达92%。2.助溶剂二甲基亚砜(DMSO)能显著提高疏水性苯甲醇在水中的溶解度,但其转化率也随之降低。与TEMPO相比,其他高活性氮氧化物介体对苯甲酸合成无显著促进作用。对漆酶友好、且底物和产物分配比合适的有机溶剂有乙酸丁酯、甲基叔丁基醚、环戊基甲醚。在乙酸丁酯/柠檬酸盐缓冲液双相体系下,漆酶-TEMPO催化苯甲醇氧化的转化率最高,仅为18%。在双相体系中,苯甲酸合成受到显著抑制,苯甲醛选择性99%。相转移催化剂的添加对苯甲醇氧化无促进作用。本研究拓展了漆酶-TEMPO在合成化学中的应用范畴,成功构建了可高效催化亲水性芳基伯醇直接氧化为羧酸的漆酶-TEMPO催化体系,并初步阐明了缓冲液对FDCA合成的影响机制。本研究不仅丰富了该催化氧化体系的相关理论知识,而且还为芳基羧酸的大规模制备奠定技术基础。