CN111269949B - 一种利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法 - Google Patents
一种利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种利用固定化漆酶催化制备4‑氧代异佛尔酮的方法,该方法以非水相体系为反应溶剂,通过固定化漆酶催化β‑异佛尔酮氧化合成4‑氧代异佛尔酮。所述固定化漆酶由以下重量比的组分制成:漆酶2‑10份、明胶30‑40份、变性淀粉2‑10份、糖10‑20份。本发明采用固定化漆酶为催化剂,可在温和的反应条件下高转化率、高选择性的制备得到4‑氧代异佛尔酮,具有工艺路线简单、环保、不产生含重金属废液的优点;此外,本发明中催化剂可实现非水相体系的催化,催化效率高、选择性专一,多次使用后,仍能保持较高的催化活性,循环性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法,尤其涉及一种利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,属于催化合成技术领域。
背景技术
4-氧代异佛尔酮(简称KIP)是一种重要的化工中间体产品,不仅能用于化妆品香料中,还可用于类胡萝卜素、维生素的合成。由于4-氧代异佛尔酮在化工产品中的重要性,合成4-氧代异佛尔酮长期以来一直是研究热点。
目前常用的合成KIP的方法主要有两种,分别是将β-异佛尔酮(简称β-IP)或α-异佛尔酮(简称α-IP)氧化合成KIP。
德国公开专利DE2526851提出了一种添加钼催化剂催化氧化α-IP制备KIP的方法,为了提高反应转化率,在150℃条件下反应72h,最终反应收率约为50%,反应条件极为苛刻。
中国公开专利CN101417936描述了一种新的非金属催化剂催化氧化α-IP制备KIP的方法,但α-IP分子结构内存在较大的共轭体系,其烯丙位的氢难以被氧化,导致反应转化率最高只有60%。
研究发现,β-IP相比α-IP更容易氧化制备KIP。在美国公开专利US4898985中,使用过渡金属的卟啉或酞菁配合物作为催化剂,同时用三乙胺或乙二醇二甲醚做溶剂,催化氧化β-IP制备KIP。US4046813描述了一种使用钒、铁、钴、锰乙酰丙酮配合物为催化剂,以吡啶作为溶剂,催化氧化β-IP制备KIP的方法。上述方法虽然有较高的收率,但是过渡金属催化剂相当昂贵,反应中被破坏后难以回收利用,不仅会产生大量金属废液,而且反应原料价格昂贵,不具备规模化生产的可行性。
发明内容
本发明提供了一种利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,可以在非水相溶剂及温和的反应条件下,催化β-异佛尔酮高选择性且高收率的制备得到4-氧代异佛尔酮。
漆酶属于铜蓝氧化酶,其分子中心含有4个铜离子,本发明利用该络合结构活化空气中的氧分子,产生活性氧,进而催化β-异佛尔酮氧化制备4-氧代异佛尔酮。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,以非水相体系为反应溶剂,通过固定化漆酶催化β-异佛尔酮氧化合成4-氧代异佛尔酮;优选地,所述固定化漆酶与β-异佛尔酮的质量比为1:1-5,优选1:2-4。该反应体系为气液固三相反应,可在鼓泡床反应器中进行,控制进气流量为20-40L/h,优选25-30L/h。
进一步地,所述固定化漆酶由以下重量份的组分制成:
漆酶2-10份、明胶30-40份、变性淀粉2-10份、糖10-20份;
优选地,所述固定化漆酶由以下重量比的组分制成:
漆酶3-3.6份、明胶32-36份、变性淀粉4-8份、糖12-16份。
明胶和变性淀粉可以使固定化漆酶微球形成多孔结构,并通过变性淀粉调整微球内部的微观通道,利于氧分子、底物和产物在微球中的交换,提高反应转化率。糖和变性淀粉还具有丰富的亲水基团,可稳定微球中的结合水,维持微球在非水相体系中的催化活性。
所述变性淀粉为双醛变性淀粉、辛烯基琥珀酸淀粉钠和辛烯基琥珀酸淀粉酯中的一种或多种,优选辛烯基琥珀酸淀粉酯;
所述糖为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖中的一种或多种,优选葡萄糖。
进一步地,所述固定化漆酶的制备方法为:
a、将漆酶、明胶、变性淀粉、糖添加到水中,配成溶液;优选地,所述水的添加量为原料总质量的1.5-5倍;
b、将步骤a中溶液逐滴加入至戊二醛稀溶液中,过滤收集析出的固体,制得固定化漆酶;优选地,所述戊二醛稀溶液的质量浓度为2-10%,进一步优选4-6%;
优选地,所述步骤a中溶液与戊二醛稀溶液的质量比为1:5-20。
进一步地,控制步骤a中水溶液温度为40-55℃,优选45-50℃。
进一步地,控制步骤b中戊二醛稀溶液的温度为0-20℃,优选5-10℃。
进一步地,所述反应溶剂为水和醇的互溶体系,优选地,所述醇为甲醇、乙醇、丙醇和异丙醇中的一种或多种,更优选乙醇。
进一步地,所述反应溶剂中,醇和水的质量比为1:1-3,优选1:1.5-2.5。
进一步地,所述反应溶剂的添加量为β-异佛尔酮质量的5-10倍,优选6-8倍。
进一步地,所述氧化反应的反应温度在30-50℃,优选40-45℃。
进一步地,所述氧化反应的反应时间为12-24h,优选15-18h。
本发明采用固定化漆酶为催化剂,可在温和的反应条件下高转化率、高选择性的制备得到4-氧代异佛尔酮,具有工艺路线简单、环保、不产生含重金属废液的优点;此外,本发明中催化剂可实现非水相体系的催化,催化效率高、选择性专一,多次使用后,仍能保持较高的催化活性,循环性能较好。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明,本发明所述实施例只是作为对本发明的说明,不限制本发明的范围。
气相色谱分析条件:
色谱型号:Agilent WAX:1701.42249
载气:高纯氮气
进样模式:自动进样器
氮气流量:64.5ml/min
汽化室温度:280℃
分流进样,分流比:1:40
进样量:0.2μl
柱流速1.5ml/min
柱温:一阶程序升温,初始温度100℃,保持2分钟,然后以15℃/min的速率升至230℃,保持15分钟;运行总时间为25.67min
检测器温度300℃
选用外标法定量分析4-氧代异佛尔酮的含量。
设备型号及厂家:
试剂名称 | 型号 | 生产厂家 |
搅拌器 | K25 | IKA |
鼓泡床反应器 | BLM-5 | 北京波露明 |
质量流量计 | 5850E | Brooks Instrument |
试剂规格及来源:
其它试剂若无特殊说明,均可通过一般商业途径购买获得。
【实施例1】
制备固定化漆酶:
将工业戊二醛溶液(50%)稀释至2.5%,降温至16℃备用;称取148g水,升温至40℃,加入36g明胶、12g葡萄糖、2g辛烯基琥珀酸淀粉酯、2g漆酶,混合均匀后,用蠕动泵软管将漆酶溶液缓慢滴加至2000g戊二醛稀溶液中,边加边搅拌,控制搅拌速度500rpm,滴加速率6g/min;滴加完毕后,过滤收集固体,用冷水冲洗3次,得到固定化漆酶。
制备4-氧代异佛尔酮:
称取20g固定化漆酶、360g水、240g无水乙醇,加入到鼓泡床反应器中,开启搅拌并升温至30℃,称量100gβ-IP加入至反应器中,用质量流量计通入空气,控制进气流量25L/h,开始反应;反应18h后,用气相色谱分析产物含量,计算原料转化率及产物选择性如表1所示。
【实施例2】
制备固定化漆酶:
将工业戊二醛溶液(50%)稀释至2%,降温至18℃备用;称取152g水,升温至45℃,加入30g明胶、10g葡萄糖、4g辛烯基琥珀酸淀粉钠、4g漆酶,混合均匀后,用蠕动泵软管将漆酶溶液缓慢滴加至2000g戊二醛稀溶液中,边加边搅拌,控制搅拌速度500rpm,滴加速率6g/min;滴加完毕后,过滤收集固体,用冷水冲洗3次,得到固定化漆酶。
制备4-氧代异佛尔酮:
称取25g固定化漆酶、420g水、180g异丙醇,加入到鼓泡床反应器中,开启搅拌并升温至35℃,称量100gβ-IP加入至反应器中,用质量流量计通入空气,控制进气流量25L/h,开始反应;反应15h后,用气相色谱分析产物含量,计算原料转化率及产物选择性如表1所示。
【实施例3】
制备固定化漆酶:
将工业戊二醛溶液(50%)稀释至2.5%,降温至20℃备用;称取128g水,升温至48℃,加入40g明胶、20g果糖、6g辛烯基琥珀酸淀粉钠、6g漆酶,混合均匀后,用蠕动泵软管将漆酶溶液缓慢滴加至3000g戊二醛稀溶液中,边加边搅拌,控制搅拌速度500rpm,滴加速率6g/min;滴加完毕后,过滤收集固体,用冷水冲洗3次,得到固定化漆酶。
制备4-氧代异佛尔酮:
称取33g固定化漆酶、300g水、300g异丙醇,加入到鼓泡床反应器中,开启搅拌并升温至40℃,称量100gβ-IP加入至反应器中,用质量流量计通入空气,控制进气流量25L/h,开始反应;反应15h后,用气相色谱分析产物含量,计算原料转化率及产物选择性如表1所示。
【实施例4】
制备固定化漆酶:
将工业戊二醛溶液(50%)稀释至10%,降温至15℃备用;称取136g水,升温至50℃,加入34g明胶、14g蔗糖、8g辛烯基琥珀酸淀粉钠、8g漆酶,混合均匀后,用蠕动泵软管将漆酶溶液缓慢滴加至1000g戊二醛稀溶液中,边加边搅拌,控制搅拌速度500rpm,滴加速率6g/min;滴加完毕后,过滤收集固体,用冷水冲洗3次,得到固定化漆酶。
制备4-氧代异佛尔酮:
称取50g固定化漆酶、450g水、150g无水甲醇,加入到鼓泡床反应器中,开启搅拌并升温至45℃,称量100gβ-IP加入至反应器中,用质量流量计通入空气,控制进气流量25L/h,开始反应;反应16h后,用气相色谱分析产物含量,计算原料转化率及产物选择性如表1所示。
【实施例5】
制备固定化漆酶:
将工业戊二醛溶液(50%)稀释至4%,降温至10℃备用;称取132g水,升温至55℃,加入32g明胶、16g麦芽糖、10g辛烯基琥珀酸淀粉钠、10g漆酶,混合均匀后,用蠕动泵软管将漆酶溶液缓慢滴加至2000g戊二醛稀溶液中,边加边搅拌,控制搅拌速度500rpm,滴加速率6g/min;滴加完毕后,过滤收集固体,用冷水冲洗3次,得到固定化漆酶。
制备4-氧代异佛尔酮:
称取100g固定化漆酶、300g水、300g无水乙醇,加入到鼓泡床反应器中,开启搅拌并升温至50℃,称量100gβ-IP加入至反应器中,用质量流量计通入空气,控制进气流量25L/h,开始反应;反应12h后,用气相色谱分析产物含量,计算原料转化率及产物选择性如表1所示。
【实施例6】
制备固定化漆酶:
将工业戊二醛溶液(50%)稀释至5%,降温至8℃备用;称取131g水,升温至40℃,加入40g明胶、18g葡萄糖、8g辛烯基琥珀酸淀粉酯、3g漆酶,混合均匀后,用蠕动泵软管将漆酶溶液缓慢滴加至2500g戊二醛稀溶液中,边加边搅拌,控制搅拌速度500rpm,滴加速率6g/min;滴加完毕后,过滤收集固体,用冷水冲洗3次,得到固定化漆酶。
制备4-氧代异佛尔酮:
称取30g固定化漆酶、400g水、200g无水甲醇,加入到鼓泡床反应器中,开启搅拌并升温至48℃,称量100gβ-IP加入至反应器中,用质量流量计通入空气,控制进气流量25L/h,开始反应;反应24h后,用气相色谱分析产物含量,计算原料转化率及产物选择性如表1所示。
【实施例7】
制备固定化漆酶:
将工业戊二醛溶液(50%)稀释至6%,降温至5℃备用;称取138g水,升温至50℃,加入36g明胶、16g果糖、6g双醛变性淀粉、3.6g漆酶,混合均匀后,用蠕动泵软管将漆酶溶液缓慢滴加至2000g戊二醛稀溶液中,边加边搅拌,控制搅拌速度500rpm,滴加速率6g/min;滴加完毕后,过滤收集固体,用冷水冲洗3次,得到固定化漆酶。
制备4-氧代异佛尔酮:
称取25g固定化漆酶、360g水、240g无水丙醇,加入到鼓泡床反应器中,开启搅拌并升温至42℃,称量100gβ-IP加入至反应器中,用质量流量计通入空气,控制进气流量25L/h,开始反应;反应15h后,用气相色谱分析产物含量,计算原料转化率及产物选择性如表1所示。
【实施例8】
制备固定化漆酶:
将工业戊二醛溶液(50%)稀释至2.5%,降温至0℃备用;称取144g水,升温至55℃,加入30g明胶、20g葡萄糖、2g辛烯基琥珀酸淀粉钠、3.2g漆酶,混合均匀后,用蠕动泵软管将漆酶溶液缓慢滴加至2500g戊二醛稀溶液中,边加边搅拌,控制搅拌速度500rpm,滴加速率6g/min;滴加完毕后,过滤收集固体,用冷水冲洗3次,得到固定化漆酶。
制备4-氧代异佛尔酮:
称取20g固定化漆酶、420g水、180g异丙醇,加入到鼓泡床反应器中,开启搅拌并升温至35℃,称量100gβ-IP加入至反应器中,用质量流量计通入空气,控制进气流量25L/h,开始反应;反应20h后,用气相色谱分析产物含量,计算原料转化率及产物选择性如表1所示。
表1、各实施例转化率及选择性
实施例 | 转化率/% | 选择性/% |
实施例1 | 94.36 | 98.63 |
实施例2 | 94.58 | 98.97 |
实施例3 | 94.36 | 98.56 |
实施例4 | 94.06 | 98.32 |
实施例5 | 94.25 | 98.58 |
实施例6 | 94.59 | 98.90 |
实施例7 | 94.87 | 98.23 |
实施例8 | 94.03 | 98.32 |
为验证本发明制备的催化剂的循环使用效果,对实施例8制备的催化剂进行回收后循环套用,采用实施例8中方法制备4-氧代异佛尔酮,测试结果如表2所示:
表2、催化剂循环套用测试结果
催化剂套用次数 | 转化率/% | 选择性/% |
1 | 94.35 | 98.32 |
2 | 94.53 | 98.08 |
3 | 94.37 | 98.54 |
4 | 94.79 | 98.47 |
5 | 94.82 | 98.04 |
从表2中测试结果可以看出,实施例8中固定化漆酶催化剂在连续套用过程中酶活性稳定,连续套用5次后,原料转化率仍大于94%,选择性大于98%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域技术的普通技术人员,在不脱离本发明方法的前提下,还可以做出若干改进和补充,这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,以非水相体系为反应溶剂,通过固定化漆酶催化β-异佛尔酮氧化合成4-氧代异佛尔酮;所述固定化漆酶与β-异佛尔酮的质量比为1:1-5;所述氧化反应的反应温度在30-50℃,反应时间为12-24h;
所述反应溶剂为水和醇的互溶体系;
所述固定化漆酶由以下重量份的组分制成:
漆酶2-10份、明胶30-40份、变性淀粉2-10份、糖10-20份;
所述固定化漆酶的制备方法为:
a、将漆酶、明胶、变性淀粉、糖添加到水中,配成溶液;控制步骤a中水溶液温度为40-55℃;
b、将步骤a中溶液逐滴加入至戊二醛稀溶液中,过滤收集析出的固体,制得固定化漆酶;控制步骤b中戊二醛稀溶液的温度为0-20℃。
2.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述固定化漆酶与β-异佛尔酮的质量比为1:2-4。
3.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述固定化漆酶由以下重量比的组分制成:
漆酶3-3.6份、明胶32-36份、变性淀粉4-8份、糖12-16份。
4.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,步骤a中水的添加量为原料总质量的1.5-5倍。
5.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,步骤b中所述戊二醛稀溶液的质量浓度为2-10%。
6.根据权利要求5所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,步骤b中所述戊二醛稀溶液的质量浓度为4-6%。
7.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,步骤a中溶液与戊二醛稀溶液的质量比为1:5-20。
8.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,控制步骤a中水溶液温度为45-50℃。
9.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,控制步骤b中戊二醛稀溶液的温度为5-10℃。
10.根据权利要求1-9任一项所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述醇为甲醇、乙醇、丙醇和异丙醇中的一种或多种。
11.根据权利要求10所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述醇为乙醇。
12.根据权利要求1-9任一项所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述反应溶剂中,醇和水的质量比为1:1-3。
13.根据权利要求12所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述反应溶剂中,醇和水的质量比为1:1.5-2.5。
14.根据权利要求12所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述反应溶剂的添加量为β-异佛尔酮质量的5-10倍。
15.根据权利要求14所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述反应溶剂的添加量为β-异佛尔酮质量的6-8倍。
16.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述氧化反应的反应温度在40-45℃。
17.根据权利要求1所述的利用固定化漆酶催化制备4-氧代异佛尔酮的方法,其特征在于,所述氧化反应的反应时间为15-18h。
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