蔣成君，徐國明，袁慎峰

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Pd/Al2O3-Novozyme 435動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分1,1,1-三氟異丙胺

蔣成君1，2，徐國明3，袁慎峰1

（1浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江杭州 310027；2浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州 310023；3捷馬化工股份有限公司，浙江龍游 324400）

應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化的方法研究Pd/Al2O3和 Novozyme 435動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分1,1,1-三氟異丙胺（TFPA）的協(xié)同作用。根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，以轉(zhuǎn)化率和ee值為響應(yīng)量建立回歸模型，分析各因素的顯著性與交互作用。結(jié)果表明：反應(yīng)條件對(duì)值的影響較小，以轉(zhuǎn)化率為響應(yīng)量時(shí)，Pd/Al2O3和Novozyme 435交互作用顯著，兩種催化劑有相互抑制作用。最佳工藝條件為：Pd/Al2O3催化劑用量5g/L、反應(yīng)溫度50℃、Novozyme 435的用量10g/L、TFPA的濃度0.5mol/L，預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到98.56%，與實(shí)驗(yàn)相符。產(chǎn)物-[(1)-2,2,2-三氟-1-甲基乙基]-乙酰胺的值可達(dá)到96.69%。

酶；催化；化學(xué)反應(yīng)；選擇性

金屬催化劑和酶催化劑在很長(zhǎng)時(shí)間被認(rèn)為是兩個(gè)不同的領(lǐng)域，有機(jī)化學(xué)家難以發(fā)現(xiàn)有效的酶催化劑，生物化學(xué)家難以了解金屬催化體系。動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)（DKR）是金屬-酶協(xié)同的催化反應(yīng)的一個(gè)重要應(yīng)用[1-3]。光學(xué)純的胺，是一類重要的醫(yī)藥、農(nóng)藥中間體，可以通過DKR獲得[4-7]。1996年，REETZ等[8]首次報(bào)道了胺的DKR，CALB酶催化拆分與Pd/C催化消旋化協(xié)同完成1-苯乙胺的DKR。DKR反應(yīng)在三乙胺存在下進(jìn)行，溫度50～55℃，使用乙酸乙酯作為?；w，發(fā)現(xiàn)過程緩慢，8天只得到了60%的轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)效率低的原因是消旋催化劑和拆分催化劑之間缺乏良好的協(xié)同[9]。JACOBS等[10-11]研究了作為載體的堿性氧化物如何影響固定化鈀粒子的外消旋化活動(dòng)，研究表明Al2O3作為載體時(shí)具有很高的活性和選擇性。DKR在70℃和0.01MPa氫氣壓力下進(jìn)行，反應(yīng)可以用乙酸乙酯或者乙酸異丙酯作為?；w。ANDRADE 等[12]證實(shí)了這些催化劑對(duì)含硒的芐基伯胺DKR也適用。催化動(dòng)力學(xué)拆分的酶通常為脂肪酶，Novozyme 435是一種常用的脂肪酶，用于動(dòng)力學(xué)拆分[13]。本文將在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面的方法研究Pd/Al2O3與Novozyme435動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分1,1,1-三氟異丙胺（TFPA），探討反應(yīng)溫度、底物濃度、催化劑之間的交互作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

1,1,1-三氟異丙胺，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司；5% Pd/Al2O3，Evonik Specialty Chemicals(Shanghai)Co.，Ltd，批號(hào)PMPC156029；乙酸異丙酯，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；環(huán)己烷，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；Novozyme 435，諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司；島津GC2014氣相色譜儀，日本島津公司。

1.2 動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分三氟異丙胺

動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)在10mL的反應(yīng)瓶中進(jìn)行。典型的反應(yīng)條件為：5mL環(huán)己烷，0.5mmol TFPA（0.1mol/L），2mmol乙酸異丙酯（0.4mol/L），30mg Novozyme 435(6g/L)，15mg Pd/Al2O3催化劑（3g/L），40℃，200r/min，反應(yīng)24h。反應(yīng)式見式(1)。

1.3 分析條件

島津GC2014氣相色譜，氣相色譜條件：Astec? CHIRALDEX? B-DM 手性柱（30m×0.25mm×0.12μm），進(jìn)樣口溫度250℃，檢測(cè)器溫度260℃，柱溫50～120℃（5min），5℃/min，載氣為氮?dú)狻?/p>

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用Design-Expert（V8.0.6.1）軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，根據(jù)Box-Behnken原理對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。選取Pd/Al2O3催化劑用量、反應(yīng)溫度、Novozyme 435的用量，TFPA的濃度4 個(gè)因素，TFPA的轉(zhuǎn)化率和-(2,2,2-三氟-1-甲基乙基)乙酰胺的ee值為響應(yīng)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。Box-Behnken因素及實(shí)驗(yàn)編碼見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)表1使用Design-Expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行Box-Benhnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到各條件下得底物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物值見表2。

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素編碼

表2 實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)面設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2 回歸分析

使用Analysis 選項(xiàng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分別以TFPA的轉(zhuǎn)化率和-(2,2,2-三氟-1-甲基乙基)乙酰胺的值為響應(yīng)量。從表2數(shù)據(jù)可以看出，不同的條件對(duì)產(chǎn)物的值影響很小，均能大于96%。但對(duì)轉(zhuǎn)化率影響較大，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)化率進(jìn)行研究?；貧w模型用檢驗(yàn)判定變量對(duì)響應(yīng)量的影響是否顯著，且越小，相應(yīng)變量對(duì)響應(yīng)量的影響越顯著。方差分析見表3所示。如表3所示，根據(jù)轉(zhuǎn)化率建立的回歸模型為極顯著（＜0.0001），當(dāng)“Prob＞”值小于0.05時(shí)，表示該指標(biāo)顯著，表明回歸方程描述各因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系時(shí)，因變量與所有自變量之間的線性關(guān)系顯著，即這種實(shí)驗(yàn)方案是可靠 的[14]；失擬相不顯著（＞0.5），表明回歸模型正確。、、對(duì)轉(zhuǎn)化率有顯著的影響（＜0.05），因素之間存在顯著交互作用（＜0.05）。

通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)化率響應(yīng)值的回歸方程（代碼方程）如下：

轉(zhuǎn)化率=87.36–1.88+3.79+1.11+3.43+0.76–3.24–1.07+0.48–1.77–1.30

2=0.95說明該模型可靠性較好。

2.3 響應(yīng)面分析

4種影響因素通過相應(yīng)面分析共產(chǎn)生6種交互項(xiàng)。圖1(a)～(f)分別描述了反應(yīng)溫度與Pd/Al2O3催化劑用量，Novozyme 435的用量與Pd/Al2O3催化劑用量，TFPA的濃度與Pd/Al2O3催化劑用量，Novozyme 435的用量與反應(yīng)溫度，TFPA的濃度與反應(yīng)溫度，TFPA的濃度與Novozyme 435的用量對(duì)轉(zhuǎn)化率的交互影響。

從圖1(a)可以看出在Pd/Al2O3催化劑用量一定的情況下，溫度越高轉(zhuǎn)化率越高，Pd/Al2O3催化劑用量增加轉(zhuǎn)化率反而略有下降，這說明消旋催化劑的增加，不一定加快反應(yīng)速度，消旋必須與拆分協(xié)同作用。圖1(b)描述了Novozyme 435的用量與Pd/Al2O3催化劑用量對(duì)轉(zhuǎn)化率的交互影響，其交互影響顯著。從圖1(b)看出，在Pd/Al2O3催化劑用量較低時(shí)，增加Novozyme 435的用量，轉(zhuǎn)化率提高，在Novozyme 435的用量較低時(shí)，增加Pd/Al2O3催化劑用量，轉(zhuǎn)化率也提高，但是在兩者用量都較高時(shí)，轉(zhuǎn)化率反而下降，這說明這兩種催化劑具有相互的抑制作用。從圖1(c)可以看出，Pd/Al2O3催化劑用量一定的情況下，濃度高轉(zhuǎn)化率高。從圖1(d)中可以看出，酶的用量一定的情況下，溫度高，轉(zhuǎn)化率高。圖1(e)表示高溫和高濃度都有利于轉(zhuǎn)化率的提高。圖1(f)表示Novozyme 435用量一定的情況下，濃度高轉(zhuǎn)化率高。從響應(yīng)面的分析可以看出，Novozyme 435的用量與Pd/Al2O3催化劑用量之間的交互作用最為顯著，在固定一種催化劑的條件下，增加另一個(gè)催化劑有助于轉(zhuǎn)化率的提高，同時(shí)增加兩種催化劑，反而有抑制作用。

表3 轉(zhuǎn)化率的方差分析

2.4 最優(yōu)反應(yīng)條件下的DKR

按照Desin-expert軟件優(yōu)化得到的最優(yōu)條件為Pd/Al2O3催化劑用量5g/L、反應(yīng)溫度50℃、Novozyme435的用量10g/L，TFPA的濃度0.5mol/L，轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到98.56%。在最優(yōu)條件下重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)化率分別為98.56%、98.55%、98.57%，與軟件計(jì)算得到的模型計(jì)算理論值相符。因此，采用響應(yīng)面法得到的條件參數(shù)較為可靠，具有使用價(jià)值。

3 結(jié)論

對(duì)不同條件下的轉(zhuǎn)化率和值數(shù)據(jù)進(jìn)行了Design-Expert軟件優(yōu)化、分析，結(jié)果表明反應(yīng)條件對(duì)值的影響較小，均能大于96%。對(duì)于底物的轉(zhuǎn)化率，Pd/Al2O3和Novozyme435交互作用顯著，兩種催化劑有相互抑制作用。最佳工藝條件為：Pd/Al2O3催化劑用量5g/L、反應(yīng)溫度50℃、Novozyme 435的用量10g/L，TFPA的濃度0.5mol/L，響應(yīng)量預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化率值為98.56%，與實(shí)驗(yàn)相符。最優(yōu)條件下，產(chǎn)物-[(1R)-2,2,2-三氟-1-甲基乙基]-乙酰胺的ee值可達(dá)到96.69%。

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Research on the dynamic kinetic resolution of 1，1，1-tri?uoroisopropylamine by Pd/Al2O3and Novozyme 435

JIANG Chengjun1，2，XU Guoming3，YUAN Shenfeng1

（1College of Chemical and Biological Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China;2School of Biological and Chemical Engineering，Zhejiang University of Science & Technology，Hangzhou 310023，Zhejiang，China;3JingMa Chemicals Co.，Ltd.，Longyou 324400，Zhejiang，China）

Response Surface Methodology (RSM) was successfully applied to study the synergistic effect of Pd/Al2O3and Novozyme 435 on the dynamic kinetic resolution of 1,1,1-tri?uoroisopropylamine（TFPA）. The variables taken into consideration were reaction temperature，substrate concentration，the Pd/Al2O3amount，and the Novozyme 435 amount. Experiments were designed and analyzed based on Box-Behnken principle. A statistical model was used to evaluate the in?uence of the variables on the conversion and enantiomeric excess（）. It was found that the interaction between the Novozyme 435 and Pd/Al2O3was a signi?cant parameter that affected TFPA conversion. The optimum conditions for RSM were：reaction temperature of 50℃，TFPA concentration of 0.5mol/L，10g/L of Novozyme 435，and 5g/L of Pd/Al2O3. The actual experimental conversion rate under optimum conditions was similarly as the maximum predicted value of 98.56%.The product-[(1)-2,2,2- trifluoro-1- methylethyl]- acetamidewas obtained with enantiomeric excesses of 96.69%.

enzyme；catalysis；chemical reaction；selectivity

TQ463

A

1000–6613（2017）01–0324–05

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.041

2016-05-20；修改稿日期：2016-09-08。

中國博士后科學(xué)基金（2014M551745）及浙江省自然科學(xué)基金（LY15B060008）項(xiàng)目。

蔣成君（1981—），男，博士，高級(jí)工程師。E-mail：jcj312@163.com。