Pd∕Al2O3-Novozyme 435动态动力学拆分1，1，1-三氟异丙胺

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2017年第36卷第1期·324·化工进展Pd/Al2O3-Novozyme435动态动力学拆分1,1,1-三氟异丙胺蒋成君1，2，徐国明3，袁慎峰1（1浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江杭州310027；2浙江科技学院生物与化学工程学院，浙江杭州310023；3捷马化工股份有限公司，浙江龙游324400）摘要：应用响应面优化的方法研究Pd/Al2O3和Novozyme435动态动力学拆分1,1,1-三氟异丙胺（TFPA）的协同作用。根据Box-Behnken实验设计原理，对实验进行设计与分析，以转化率和ee值为响应量建立回归模型，分析各因素的显著性与交互作用。结果表明：反应条件对ee值的影响较小，以转化率为响应量时，Pd/Al2O3和Novozyme435交互作用显著，两种催化剂有相互抑制作用。最佳工艺条件为：Pd/Al2O3催化剂用量5g/L、反应温度50℃、Novozyme435的用量10g/L、TFPA的浓度0.5mol/L，预测转化率可以达到98.56%，与实验相符。产物N-[(1R)-2,2,2-三氟-1-甲基乙基]-乙酰胺的ee值可达到96.69%。关键词：酶；催化；化学反应；选择性中图分类号：TQ463文献标志码：A文章编号：1000–6613（2017）01–0324–05DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.041Researchonthedynamickineticresolutionof1，1，1-trifluoroisopropylaminebyPd/Al2O3andNovozyme435JIANGChengjun1，2，XUGuoming3，YUANShenfeng1（1CollegeofChemicalandBiologicalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，Zhejiang，China;2SchoolofBiologicalandChemicalEngineering，ZhejiangUniversityofScience&Technology，Hangzhou310023，Zhejiang，China;3JingMaChemicalsCo.，Ltd.，Longyou324400，Zhejiang，China）Abstract：ResponseSurfaceMethodology(RSM)wassuccessfullyappliedtostudythesynergisticeffectofPd/Al2O3andNovozyme435onthedynamickineticresolutionof1,1,1-trifluoroisopropylamine（TFPA）.Thevariablestakenintoconsiderationwerereactiontemperature，substrateconcentration，thePd/Al2O3amount，andtheNovozyme435amount.ExperimentsweredesignedandanalyzedbasedonBox-Behnkenprinciple.Astatisticalmodelwasusedtoevaluatetheinfluenceofthevariablesontheconversionandenantiomericexcess（ee）.ItwasfoundthattheinteractionbetweentheNovozyme435andPd/Al2O3wasasignificantparameterthataffectedTFPAconversion.TheoptimumconditionsforRSMwere：reactiontemperatureof50℃，TFPAconcentrationof0.5mol/L，10g/LofNovozyme435，and5g/LofPd/Al2O3.Theactualexperimentalconversionrateunderoptimumconditionswassimilarlyasthemaximumpredictedvalueof98.56%.TheproductN-[(1R)-2,2,2-trifluoro-1-methylethyl]-acetamidewasobtainedwithenantiomericexcessesof96.69%.Keywords：enzyme；catalysis；chemicalreaction；selectivity金属催化剂和酶催化剂在很长时间被认为是两个不同的领域，有机化学家难以发现有效的酶催化剂，生物化学家难以了解金属催化体系。动态动力学拆分反应（DKR）是金属-酶协同的催化反应的研究开发收稿日期：2016-05-20；修改稿日期：2016-09-08。基金项目：中国博士后科学基金（2014M551745）及浙江省自然科学基金（LY15B060008）项目。第一作者及联系人：蒋成君（1981—），男，博士，高级工程师。E-mail：[e-mail]。第1期蒋成君等：Pd/Al2O3-Novozyme435动态动力学拆分1,1,1-三氟异丙胺·325·一个重要应用[1-3]。光学纯的胺，是一类重要的医药、农药中间体，可以通过DKR获得[4-7]。1996年，REETZ等[8]首次报道了胺的DKR，CALB酶催化拆分与Pd/C催化消旋化协同完成1-苯乙胺的DKR。DKR反应在三乙胺存在下进行，温度50～55℃，使用乙酸乙酯作为酰基供体，发现过程缓慢，8天只得到了60%的转化率。反应效率低的原因是消旋催化剂和拆分催化剂之间缺乏良好的协同[9]。JACOBS等[10-11]研究了作为载体的碱性氧化物如何影响固定化钯粒子的外消旋化活动，研究表明Al2O3作为载体时具有很高的活性和选择性。DKR在70℃和0.01MPa氢气压力下进行，反应可以用乙酸乙酯或者乙酸异丙酯作为酰基供体。ANDRADE等[12]证实了这些催化剂对含硒的苄基伯胺DKR也适用。催化动力学拆分的酶通常为脂肪酶，Novozyme435是一种常用的脂肪酶，用于动力学拆分[13]。本文将在此基础上，采用响应面的方法研究Pd/Al2O3与Novozyme435动态动力学拆分1,1,1-三氟异丙胺（TFPA），探讨反应温度、底物浓度、催化剂之间的交互作用。1实验部分1.1仪器与试剂1,1,1-三氟异丙胺，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司；5%Pd/Al2O3，EvonikSpecialtyChemicals(Shanghai)Co.，Ltd，批号PMPC156029；乙酸异丙酯，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；环己烷，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；Novozyme435，诺维信(中国)生物技术有限公司；岛津GC2014气相色谱仪，日本岛津公司。1.2动态动力学拆分三氟异丙胺动力学拆分反应在10mL的反应瓶中进行。典型的反应条件为：5mL环己烷，0.5mmolTFPA（0.1mol/L），2mmol乙酸异丙酯（0.4mol/L），30mgNovozyme435(6g/L)，15mgPd/Al2O3催化剂（3g/L），40℃，200r/min，反应24h。反应式见式(1)。(1)1.3分析条件岛津GC2014气相色谱，气相色谱条件：Astec®CHIRALDEX®B-DM手性柱（30m×0.25mm×0.12μm），进样口温度250℃，检测器温度260℃，柱温50～120℃（5min），5℃/min，载气为氮气。1.4实验设计使用Design-Expert（V8.0.6.1）软件对实验进行研究，根据Box-Behnken原理对实验进行设计与分析。选取Pd/Al2O3催化剂用量A、反应温度B、Novozyme435的用量C，TFPA的浓度D4个因素，TFPA的转化率和N-(2,2,2-三氟-1-甲基乙基)乙酰胺的ee值为响应量进行设计。Box-Behnken因素及实验编码见表1。2结果与讨论2.1实验设计与结果根据表1使用Design-Expert软件对实验进行Box-Benhnken响应面设计，在设计条件下进行实验，得到各条件下得底物转化率和产物ee值见表2。2.2回归分析使用Analysis选项对实验结果进行分析，分别以TFPA的转化率和N-(2,2,2-三氟-1-甲基乙基)乙酰胺的ee值为响应量。从表2数据可以看出，不同的条件对产物的ee值影响很小，均能大于96%。但对转化率影响较大，重点对转化率进行研究。回归模型用F检验判定变量对响应量的影响是否显著，且p越小，相应变量对响应量的影响越显著。方差分析见表3所示。如表3所示，根据转化率建立的回归模型为极显著（p＜0.0001），当“Prob＞F”值小于0.05时，表示该指标显著，表明回归方程描述各因子与响应值之间的关系时，因变量与所有自变量之间的线性关系显著，即这种实验方案是可靠的[14]；失拟相不显著（p＞0.5），表明回归模型正确。A、B、D对转化率有显著的影响（p＜0.05），AC因素之间存在显著交互作用（p＜0.05）。通过计算得到转化率响应值的回归方程（代码方程）如下：转化率=87.36–1.88A+3.79B+1.11C+3.43D+0.76AB–3.24AC–1.07AD+0.48BC–1.77BD–1.30CD表1响应面设计因素编码水平Pd/Al2O3催化剂用量A/g·L–1反应温度B/℃Novozyme435用量C/g·L–1TFPA浓度D/mol·L–122550100.51204080.40153060.3–1102040.2–251020.1化工进展2017年第36卷·326·表2实验的响应面设计与结果序号ABCD转化率/%ee/%1–111–195.8996.282–11–1184.1596.493–200093.1196.594000089.3096.4951–1–1–173.8596.696000087.2496.287–1–11–182.0996.398000296.3096.399020098.5796.5910000089.3096.4911000089.3096.49121–11–184.1596.4913200082.1996.391400–2088.6896.5915000087.2496.2816–1–11196.3096.3917000–280.8596.5918–11–1–183.2296.5919000087.2496.28201–11177.1496.5921–1–1–1–174.0596.6922111–184.2596.5923111189.7196.69240–20078.0796.5925002087.0396.392611–1–189.9196.7927–1–1–1190.5396.5928–111198.5796.692911–1192.3996.49301–1–1190.1296.69R2=0.95说明该模型可靠性较好。2.3响应面分析4种影响因素通过相应面分析共产生6种交互项。图1(a)～(f)分别描述了反应温度与Pd/Al2O3催化剂用量，Novozyme435的用量与Pd/Al2O3催化剂用量，TFPA的浓度与Pd/Al2O3催化剂用量，Novozyme435的用量与反应温度，TFPA的浓度与反应温度，TFPA的浓度与Novozyme435的用量对转化率的交互影响。从图1(a)可以看出在Pd/Al2O3催化剂用量一定的情况下，温度越高转化率越高，Pd/Al2O3催化剂用量增加转化率反而略有下降，这说明消旋催化剂的增加，不一定加快反应速度，消旋必须与拆分表3转化率的方差分析来源平方和自由度均方F值p值Prob＞F模型1018.2510101.827.