隨著生物制藥和綠色食品產業的發展，酶催化合成已經成為一股強勁的技術潮流，吸引了很多的技術人員和資金的投入。能否將高效的微反應技術和酶催化技術集成，應用于高效綠色合成過程呢？

 

2015年，康寧歐洲技術中心（法國）Daniela Lavric博士和斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學（University of Ljubljana）的合作項目成果回答了這個問題。

 

該聯合課題組不僅示范了酶催化和微通道反應技術可以高效地集成，而且可以和膜分離技術在線集成，實現“微反應+酶催化+膜分離”三元系統集成。

 

 

該技術路線已經成功應用于乙酸異戊酯（香蕉油）的連續合成：采用異戊醇，醋酸酐，正庚烷相/緩沖相和Lipase B酶。

 

合成效率是傳統攪拌釜的20倍，酶活性在回用5次后仍然保持78%以上。成果在2015年5月的第三屆國際微反應器生物技術應用大會上發表。

 

 

 

 

在原料藥合成過程中，高通量-微通道連續流反應技術已經顯示出（比傳統攪拌釜反應工藝）“ge命性的優越性”：快速，高效，清潔-無放大效應；更安全，更環保，更經濟-更快應對市場等。

 

原文請參閱：Uroš Novaka,Martin Lubeja, Daniela Lavricb and Polona Žnidaršič-Plazla aUniversity of Ljubljana, Slovenia; Corning S.A.S. France：Continuouslipase B catalysed isoamyl acetate synthesis in a two-liquid phase system usinga Corning® AFRTM module coupled with a membrane separatorenabling biocatalyst recycling.

 

 

 

1.  研究背景

目前，在工業過程安全和廢物處理的環境法規日漸嚴格的情況下，連續流反應設計與研究都加速發展。連續流反應器是讓有機合成更綠色的現代工具之一，與傳統的間歇式工藝相比，使用連續流反應器的流程系統有幾個優點：

 

l 廢物產生量較低，實驗條件更安全；

l 更高效傳質與傳熱，精確的溫度控制，可以避免有害的副反應；

l 快速的早期反應條件優化和后期工業化無縫放大等。

 

 

2019年6月20日，波蘭西里西亞理工大學（Silesian University of Technology）的Anna Szelwickaa等研究人員在OPRD期刊上發表了zui新連續流生物酶催化反應的研究成果。

 

作者研究了在多壁碳納米管上，通過簡單的物理吸附固定化的南極假絲酵母脂肪酶B，連續酶催化Baeyer-Villiger氧化反應。

 

納米生物催化劑用于從乙酸乙酯和30%（重量）水溶液中生成過酸，過氧化氫作為主要氧化劑。高穩定性和活性納米生物催化劑發生Baeyer-Villiger反應，將2-甲基環己酮氧化成6-甲基-ε-己內酯，得到收率（87％）和選擇性（> 99％） 。

 

反應中使用了環境友好的乙酸乙酯作為溶劑和過酸前體。為了確定zui有利的反應條件，作者進行了各種參數的一系列實驗，同時比較了間歇釜與連續流中固定化酶的回收率。

 

這項工作的主要貢獻在于它首次應用納米生物催化劑在流動系統中 - 酶促Baeyer-Villiger氧化反應。

 

該工藝zui終產物為內脂的一種。內酯屬于精細化學領域的關鍵物質，適用于制藥，食品，化妝品，香水和聚合物工業。精細化學品市場預計將以5.76％的復合年增長率增長，到2023年將達到201.57億美元。

 

在這里，通過開發流動化學 - 酶促連續工藝，證明了使用連續流動反應器是該類化合物綠色化生產的方便可擴展的有效方法。

 

 

圖1. 研究中使用的流動系統圖

 

2. 實驗部分：

由于篇幅限制，這里著重介紹連續流工藝。作者進行了大量的間歇釜反應，測定標準為不同反應體系（包含間歇式與連續流）下回收的固定化酶活性。

 

圖2.  化學酶促Baeyer-Villiger氧化2-甲基環己酮

有機相：辛酸與底物和溶劑的混合物

 

流動Baeyer-Villiger工藝：如圖2， 8bar壓力下，泵A泵送有機相（酮濃度：4.50mmol（0.504g）/ 10mL乙酸乙酯），泵B泵送30%重量的過氧化氫水溶液（20-80摩爾過量），總流量設定為0.040-0.133mL / min。

 

使用各種停留時間（12-38分鐘）和恒定量的（納米）生物催化劑（0.5g），在25-55℃下進行該過程2-24小時。在此過程中，取樣進行GC-FID分析（在0.5mL二氯甲烷中稀釋100μL樣品）。

 

為了合成6-甲基-ε-己內酯，作者開發了專用的分離方法。

 

l 在2-甲基環己酮氧化后，收集反應混合物（25mL），向其中加入水（25mL），先使用飽和的水溶液洗滌有機相，然后碳酸氫鈉溶液（3×25mL）洗滌。

l 接下來，使用二氯甲烷（3×25mL）萃取收集的水相，將有機相經無水MgSO4干燥并在減壓下（8mbar，25℃，1h）濃縮。

l 通過柱色譜法純化殘余物，使用二氧化硅作為固定相，用己烷：乙酸乙酯8：2v / v作為洗脫液，得到90％的內酯。

 

內酯類化合物進一步擴展得到了如下表：

 

表3.  在流動反應器中進行的化學酶Baeyer-Villiger氧化中底物類型對酮轉化的影響

 

 

通過GC測定酮的轉化率如上表，對內酯的選擇性為100％。

 

3. 實驗總結：

 

l 通過與間歇過程的比較，證明了高效流動系統在固定化酶催化的Baeyer-Villiger氧化中的應用。

l 這種方法保證了產物收率高，并且消除了處理不穩定和極其危險的過酸的需要。

l 通過物理吸附固定在商業上可獲得的未改性MWCNT（Nanocyl NC7000）上的由南極假絲酵母脂肪酶B組成的高活性和穩定的納米生物催化劑已首次使用流動化學進行了證明。

 

實驗證明：30％過氧化氫可成功用作2-甲基環己酮氧化成6-甲基-ε-己內酯的綠色主要氧化劑。使用溫和的反應條件（40℃）在短的反應時間（5分鐘）內獲得高轉化率的底物（87％），而納米生物催化劑甚至在乙酸乙酯中進行該過程8小時后也是穩定的。

 

 

總之，這項工作無可否認地代表了對內酯的化學酶促氧化的極其有效的方法。在流動系統中使用穩定的納米生物催化劑已被證明是用于從精細化學品領域合成化合物的通用且可擴展的方法。

 

參考文獻：Org. Process Res. Dev., • DOI: 10.1021/acs.oprd .9b00132 •  Publication Date (Web): 20 Jun 2019