光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的反应体系及方法

技术领域

本发明属于光-生物耦合技术领域，涉及一种光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的反应体系及方法。

背景技术

氧化富含醇、醛等官能基团的生物基平台化合物制备富含羧基的可再生产物具有很高的化学利用价值。然而，传统的化学方法反应条件苛刻，且存在一定的环境污染。酶反应因具有反应条件温和、选择性高等优点越来越多的被人们研究和应用。

脂肪酶是一种可以催化醛基产酸的酶，其催化实质是形成过氧酸的氧化过程。因此，通过含酯键化合物提供酰基，过氧化氢或活性氧作为亲核试剂，在酶的催化作用下生成过氧酸以实现高选择性醛基氧化。然而，过氧化氢的强氧化性使得其存储和运输存在一定安全问题。同时，在酶催化反应过程中若添加过量会使酶失活而失去催化活性。

发明内容

本发明的目的在于针对目前存在的问题，提供一种光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的反应体系，该反应体系为光-酶耦合体系，其能够通过光催化产生低浓度过氧化氢，与酶催化体系串联耦合，使过氧化氢实现原位生成和及时利用，可以实现“一锅法”生物基平台化合物醇醛基高选择性氧化，有效解决其储运安全的问题。

本发明还提供了一种利用本发明上述反应体系进行光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的方法。该方法能够实现光反应与酶反应的有效结合，具有低消耗、低污染及反应专一性高的优点。

为此，本发明第一方面提供了一种光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的反应体系，其包括光催化剂、生物催化剂、反应底物、含酯键化合物和反应溶剂。

本发明中，所述光催化剂包括金属硫化物、共价有机框架(COFs)、氧化物、色素、碳材料、能产生超氧阴离子或单线态氧的具有氧化性基团的材料和半导体异质结中的一种或多种，优选为2-乙基蒽醌、硫铟锌、硫铟镉、异质结ZCIS-2、g-C

在本发明的一些实施例中，以反应体系总体积计，所述光催化剂的用量为0.5～50mg/mL，优选为1～3mg/mL。

本发明中，所述生物催化剂包括脂肪酶、角质酶、单加氧酶、酯化酶、α,β-丝氨酸水解酶和含有脂肪酶、角质酶、单加氧酶、酯化酶、α,β-丝氨酸水解酶中至少一种的全细胞催化剂中的一种或几种，优选为南极柱状假丝酵母脂肪酶B、Novozym435、解脂耶氏酵母脂肪酶、脂肪酶(假丝酵母)、腐酯霉角质酶中的一种或几种。

在本发明的一些实施例中，以反应体系总体积计，所述生物催化剂的用量为0.1～100mg/mL，优选为1.5～4mg/mL。

本发明中所述含酯键化合物包括甲酸甲酯、乙酸乙酯、油酸甲酯、植物油和动物油中的一种或几种。

在本发明的一些实施例中，以反应体系总体积计，所述含酯键化合物的添加量为1～500mg/mL，优选为80～500mg/mL。

本发明中，所述反应底物包括葡萄糖、糠醛、5-羟甲基糠醛、带有醇醛基的化合物、香草醛化合物、2,5-呋喃二甲醛、5-甲酰基呋喃-2-羧酸、丙二醇和丁二醇中的一种或几种；优选地，所述带有醇醛基的化合物优选为富含醇醛基的化合物。

在本发明的一些实施例中，以反应体系总体积计，所述反应底物的浓度为0.01～50mM，优选为0.1～1mM。

本发明中，所述反应溶剂包括缓冲溶液、水、有机溶剂和水-有机溶剂混合液中的一种或几种；优选为磷酸缓冲溶液或有机溶剂或水-有机溶剂混合液。

在本发明的一些实施例中，所述磷酸缓冲溶液的pH为3.0～12.0，优选为6.0-7.0。

在本发明的另一些实施例中，水-有机溶剂混合液中水与有机溶剂的体积比为(0.5-2):1。

本发明中，所述有机溶剂包括乙酸乙酯和/或醇类化合物。

在本发明的一些实施例中，所述醇类化合物包括乙醇、叔丁醇和正丁醇中的一种或多种。

根据本发明，所述反应体系处于吸附平衡；优选地，反应体系中光催化剂、生物催化剂和反应底物处于吸附平衡。

根据本发明，光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的反应体系的反应产物为具有羧基的化合物；优选地，所述具有羧基的化合物包括5-羟甲基-2-呋喃甲酸、5-甲酰基呋喃-2-羧酸、2,5-呋喃二甲酸、香草酸和糠酸中的一种或多种。

本发明第二方面提供了一种利用本发明第一方面所述的反应体系进行光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的方法，其可以理解为本发明第一方面所述的反应体系在光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物中的应用，其包括：

步骤A，将光催化剂、生物催化剂与含有反应底物的反应溶剂混合后，加入含酯键化合物，混合均匀后在黑暗条件下进行光催化剂、生物催化剂和反应底物的吸附平衡，获得光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的反应体系；

步骤B，对光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的反应体系进行光照，并对反应体系进行鼓泡反应，获得具有羧基的化合物；

其中，所述光照的波长范围包括紫外区(＜400nm)、可见光区(400nm～760nm)或红外区(＞760nm)。

本领域技术人员应该了解的是，所述光催化剂不相同，所需要的光照的光源可能也不相同，这主要与光催化剂的带隙相关。例如：TiO

本发明提供光-酶耦合催化氧化生物基醇醛化合物的方法，其目的在于将光催化与酶催化耦合，实现“一锅法”生物基平台化合物醇醛基高选择性氧化。其反应原理为：光催化剂在光照射条件下生成过氧化氢和/或活性氧基团，反应体系中含酯键化合物提供酰基，在原位酶催化下生成过氧根离子，从而定向氧化生物基化合物的醇醛基团到羧基。本发明方法实现了光反应与酶反应的有效结合，具有低消耗、低污染及反应专一性高的优点。

在本发明的一些具体的实施例中，在黑暗条件下，每隔固定时间取样测定溶液吸光度，当吸光度随时间不再发生明显变化时，即认定达到吸附平衡。

在本发明的一些实施例中，在步骤A中，所述吸附平衡的时间为0h～5h，优选为0.5～1.5h。

在本发明的另一些实施例中，在步骤B中，所述反应的温度为10～100℃，优选为25-50℃。

在本发明的又一些实施例中，在步骤B中，所述反应的时间为0h～60h，优选为3-48h。

在本发明的一些优先的实施例中，在步骤B中，反应过程中通入空气鼓泡；优选地，所述鼓泡的时间为0h～12h，优选为3-12h。

本领域技术人员应该了解的是，本发明中所述鼓泡时间并不必然等于反应时间，所述鼓泡时间是指从鼓空气开始到鼓空气结束的时间，所述反应时间则是指从达到吸附平衡后开始到反应产物浓度基本保持不变时的时间；当然，本发明中也并不排除所述鼓泡时间等于反应时间的情况。

例如，研究结果表明，鼓泡有利于氧化反应进行，在鼓泡条件下，反应时间能够大大缩短；在一些优选的例子中，鼓泡条件下的反应时间为0h～12h。

本发明以光-酶耦合体系为基础，通过光催化产生低浓度过氧化氢，与酶催化体系串联耦合，使过氧化氢实现原位生成和及时利用，可以有效解决其储运安全的问题。同时，光催化产生的过氧化氢浓度低不至于使酶失活，最终通过该光-酶体系的构建对生物基平台化合物进行催化氧化。此外，在耦合系统中，光催化剂在含氧官能团下往往可实现高效醇羟基的活化产醛。因此该类光酶耦合系统可以实现醇-醛-酸的“一锅法”氧化。因此具有一举三得的效果，使得生物催化加工过程更加绿色安全。

附图说明

下面将结合附图来说明本发明。

图1示出光催化剂2-乙基蒽醌在不同条件下产过氧化氢能力比较结果；

图2示出光催化剂硫铟锌、硫铟镉、异质结ZCIS-2分别与南极柱状假丝酵母脂肪酶B耦合催化氧化0.1mM糠醛的结果；

图3示出异质结光催化剂ZCIS-2与Novozym435耦合在不同波长下催化氧化0.5mM香草醛的结果；

图4示出光催化剂2-乙基蒽醌与脂肪酶(假丝酵母)在水：叔丁醇(乙酸乙酯比例一致)不同比例下氧化0.2mM 5-羟甲基糠醛的结果；

图5示出光-酶耦合体系与单独光催化剂氧化1mM 2,5-呋喃二甲醛的比较结果；

图6示出光-酶耦合体系在不同有机相溶液中催化氧化1mM 2,5-呋喃二甲醛的结果；

具体实施方式

为使本发明容易理解，下面将结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。但在详细描述本发明前，应当理解本发明不限于描述的具体实施方式。还应当理解，本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式，而并不表示限制性的。

在提供了数值范围的情况下，应当理解所述范围的上限和下限和所述规定范围中的任何其他规定或居间数值之间的每个居间数值均涵盖在本发明内。这些较小范围的上限和下限可以独立包括在较小的范围中，并且也涵盖在本发明内，服从规定范围中任何明确排除的限度。在规定的范围包含一个或两个限度的情况下，排除那些包括的限度之任一或两者的范围也包含在本发明中。

除非另有定义，本文中使用的所有术语与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解具有相同的意义。虽然与本文中描述的方法和材料类似或等同的任何方法和材料也可以在本发明的实施或测试中使用，但是现在描述了优选的方法和材料。

实施例

为使本发明更加容易理解，下面将结合附图和实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法获得。

以下实施例中所使用的酶包括：

(1)Novozym435：诺维信(中国)投资有限公司；

(2)南极柱状假丝酵母脂肪酶B：ACI06118.1；

(3)解脂耶氏酵母脂肪酶：AFH77825.1；

(4)腐酯霉角质酶：SCG34314.1；

(5)脂肪酶(假丝酵母)(Lipase，9001-62-1)：江西江蓝纯生物试剂有限公司。

以下实施例中底物转化率、产物产率及选择性由以下几个公式计算得到：

转化率(％)＝[(C

产率(％)＝C

选择性(％)＝[C

其中，C

C

实施例1：光催化产H

(1)将2mg/mL光催化剂2-乙基蒽醌混合在10mL的乙醇溶液中，在黑暗条件下进行吸附平衡1h；

(2)在25℃条件下利用可见光(λ＞420nm)进行光催化产H

实施例2：

(1)将1mg/mL光催化剂硫铟锌、硫铟镉、异质结ZCIS-2分别与2mg/mL南极柱状假丝酵母脂肪酶B混合在含0.1mM糠醛的pH 6.0磷酸盐缓冲溶液中，加入125mg/mL甲酸甲酯后在黑暗条件下进行吸附平衡0.5h；

(2)在35℃条件下利用波长λ＞420nm的可见光对该光-酶耦合体系进行光照24h，结果如图2所示，相比于单独的一种光催化剂(硫铟锌、硫铟镉)，将两种光催化剂掺杂后制备的异质结ZCIS-2催化得到的糠酸产率最高，可达59.8％。

实施例3：

(1)将1mg/mL光催化剂ZCIS-2与2mg/mL Novozym435混合在含0.5mM香草醛的pH6.0磷酸盐缓冲溶液中，加入500mg/mL乙酸乙酯后在黑暗条件下进行吸附平衡1h；

(2)在40℃条件下利用不同特定波长以及连续波长的可见光分别对该光-酶耦合体系进行光照24h，结果如图3所示，从图3可以看出，在连续波长的可见光照射下催化得到的香草酸产率最高可达42.3％。

实施例4：

(1)将2mg/mL光催化剂g-C

(2)在40℃条件下利用波长λ＞400nm的光对该光-酶耦合体系进行光照20h，产物香草酸产率为29.6％。

实施例5：

(1)将2mg/mL光催化剂2-乙基蒽醌与2mg/mL脂肪酶(假丝酵母)混合在含有0.2mM5-羟甲基糠醛的不同水:叔丁醇比例的混合溶液中，加入150mg/mL乙酸乙酯后在黑暗条件下吸附平衡1h；

(2)在40℃条件下利用波长λ＞420nm的光对该光-酶耦合体系进行光照7h并鼓泡，结果如图4所示，从图4可以看出，在水:丁醇为2:2时产物5-甲酰基呋喃-2-羧酸选择性最高可达80％。

实施例6：

(1)将3mg/mL光催化剂硫铟镉、4mg/mL腐酯霉角质酶混合在含0.5mM 5-羟甲基糠醛的叔丁醇溶液中，加入200mg/mL乙酸乙酯溶液后在黑暗条件下进行吸附平衡1.5h；

(2)在50℃条件下利用波长λ＞420nm的可见光对该光-酶耦合体系进行光照36h，产物5-羟甲基-2-呋喃甲酸产率为18％。

实施例7：

(1)将2mg/mL光催化剂硫铟锌、1.5mg/mL Novozym435混合在含1mM 2,5-呋喃二甲醛的叔丁醇溶液中，作为光-酶耦合反应体系加入200mg/mL乙酸乙酯溶液后在黑暗条件下进行吸附平衡1.5h；作为对照，只添加光催化剂而不加酶最为单独光催化体系，其他条件均一致；

(2)在40℃条件下利用波长λ＞420nm的可见光分别对该光-酶耦合体系和光催化体系进行光照12h，结果如图5所示，光-酶耦合体系相较于单独光催化体系优势明显，产物5-甲酰基呋喃-2-羧酸产率达37.2％。

实施例8：

(1)将2mg/mL光催化剂2-乙基蒽醌、2mg/mL Novozym435混合在含1mM 2,5-呋喃二甲醛的叔丁醇溶液中，加入250mg/mL乙酸乙酯后在黑暗条件下进行吸附平衡1.5h。作为对照组，将所述的叔丁醇溶液替换为乙醇溶液，其他条件均一致；

(2)在40℃条件下利用波长λ＞420nm的可见光对该光-酶耦合体系进行光照48h，其中鼓泡12h，最终结果如图6所示，在叔丁醇反应体系中，产物5-甲酰基呋喃-2-羧酸产率最高为80.1％，2,5-呋喃二甲酸产率为9.5％。

实施例9：

(1)将2mg/mL光催化剂2-乙基蒽醌、4mg/mL脂肪酶(假丝酵母)混合在含0.5mM 2,5-呋喃二甲醛的叔丁醇溶液中，加入250mg/mL乙酸乙酯后在黑暗条件下进行吸附平衡1.5h；

(2)在40℃条件下利用波长λ＞420nm的可见光对该光-酶耦合体系进行光照12h，中间产物5-甲酰基呋喃-2-羧酸产率为60％，终产物2,5-呋喃二甲酸产率为20％。

实施例10：

(1)含1.0mM 2,5-呋喃二甲醛的叔丁醇溶液中加入2mg/mL Novozym435、50mM过氧化氢溶液(30％)、100mg/mL油酸甲酯；

(2)在40℃条件下进行反应12h，产物2,5-呋喃二甲酸产率为90％。

应当注意的是，以上所述的实施例仅为本发明较佳实施例，用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明做出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。