Pd/Al2O3-Novozyme 435動態(tài)動力學拆分1,1,1-三氟異丙胺

蔣成君，徐國明，袁慎峰

?

Pd/Al2O3-Novozyme 435動態(tài)動力學拆分1,1,1-三氟異丙胺

蔣成君1，2，徐國明3，袁慎峰1

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

應用響應面優(yōu)化的方法研究Pd/Al2O3和 Novozyme 435動態(tài)動力學拆分1,1,1-三氟異丙胺（TFPA）的協(xié)同作用。根據(jù)Box-Behnken實驗設計原理，對實驗進行設計與分析，以轉(zhuǎn)化率和ee值為響應量建立回歸模型，分析各因素的顯著性與交互作用。結(jié)果表明：反應條件對值的影響較小，以轉(zhuǎn)化率為響應量時，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、反應溫度50℃、Novozyme 435的用量10g/L、TFPA的濃度0.5mol/L，預測轉(zhuǎn)化率可以達到98.56%，與實驗相符。產(chǎn)物-[(1)-2,2,2-三氟-1-甲基乙基]-乙酰胺的值可達到96.69%。

酶；催化；化學反應；選擇性

金屬催化劑和酶催化劑在很長時間被認為是兩個不同的領域，有機化學家難以發(fā)現(xiàn)有效的酶催化劑，生物化學家難以了解金屬催化體系。動態(tài)動力學拆分反應（DKR）是金屬-酶協(xié)同的催化反應的一個重要應用[1-3]。光學純的胺，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反應在三乙胺存在下進行，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，研究表明Al2O3作為載體時具有很高的活性和選擇性。DKR在70℃和0.01MPa氫氣壓力下進行，反應可以用乙酸乙酯或者乙酸異丙酯作為酰基供體。ANDRADE 等[12]證實了這些催化劑對含硒的芐基伯胺DKR也適用。催化動力學拆分的酶通常為脂肪酶，Novozyme 435是一種常用的脂肪酶，用于動力學拆分[13]。本文將在此基礎上，采用響應面的方法研究Pd/Al2O3與Novozyme435動態(tài)動力學拆分1,1,1-三氟異丙胺（TFPA），探討反應溫度、底物濃度、催化劑之間的交互作用。

1 實驗部分

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PMPC156029；乙酸異丙酯，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；環(huán)己烷，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；Novozyme 435，諾維信(中國)生物技術有限公司；島津GC2014氣相色譜儀，日本島津公司。

1.2 動態(tài)動力學拆分三氟異丙胺

動力學拆分反應在10mL的反應瓶中進行。典型的反應條件為：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24h。反應式見式(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），進樣口溫度250℃，檢測器溫度260℃，柱溫50～120℃（5min），5℃/min，載氣為氮氣。

1.4 實驗設計

使用Design-Expert（V8.0.6.1）軟件對實驗進行研究，根據(jù)Box-Behnken原理對實驗進行設計與分析。選取Pd/Al2O3催化劑用量、反應溫度、Novozyme 435的用量，TFPA的濃度4 個因素，TFPA的轉(zhuǎn)化率和-(2,2,2-三氟-1-甲基乙基)乙酰胺的ee值為響應量進行設計。Box-Behnken因素及實驗編碼見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗設計與結(jié)果

根據(jù)表1使用Design-Expert軟件對實驗進行Box-Benhnken響應面設計，在設計條件下進行實驗，得到各條件下得底物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物值見表2。

表1 響應面設計因素編碼

表2 實驗的響應面設計與結(jié)果

2.2 回歸分析

使用Analysis 選項對實驗結(jié)果進行分析，分別以TFPA的轉(zhuǎn)化率和-(2,2,2-三氟-1-甲基乙基)乙酰胺的值為響應量。從表2數(shù)據(jù)可以看出，不同的條件對產(chǎn)物的值影響很小，均能大于96%。但對轉(zhuǎn)化率影響較大，重點對轉(zhuǎn)化率進行研究。回歸模型用檢驗判定變量對響應量的影響是否顯著，且越小，相應變量對響應量的影響越顯著。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“Prob＞”值小于0.05時，表示該指標顯著，表明回歸方程描述各因子與響應值之間的關系時，因變量與所有自變量之間的線性關系顯著，即這種實驗方案是可靠 的[14]；失擬相不顯著（＞0.5），表明回歸模型正確。、、對轉(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）。

通過計算得到轉(zhuǎn)化率響應值的回歸方程（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 響應面分析

4種影響因素通過相應面分析共產(chǎn)生6種交互項。圖1(a)～(f)分別描述了反應溫度與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的用量與反應溫度，TFPA的濃度與反應溫度，TFPA的濃度與Novozyme 435的用量對轉(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，增加Novozyme 435的用量，轉(zhuǎn)化率提高，在Novozyme 435的用量較低時，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，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，增加另一個催化劑有助于轉(zhuǎn)化率的提高，同時增加兩種催化劑，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、反應溫度50℃、Novozyme435的用量10g/L，TFPA的濃度0.5mol/L，轉(zhuǎn)化率可以達到98.56%。在最優(yōu)條件下重復3次實驗，轉(zhuǎn)化率分別為98.56%、98.55%、98.57%，與軟件計算得到的模型計算理論值相符。因此，采用響應面法得到的條件參數(shù)較為可靠，具有使用價值。

3 結(jié)論

對不同條件下的轉(zhuǎn)化率和值數(shù)據(jù)進行了Design-Expert軟件優(yōu)化、分析，結(jié)果表明反應條件對值的影響較小，均能大于96%。對于底物的轉(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、反應溫度50℃、Novozyme 435的用量10g/L，TFPA的濃度0.5mol/L，響應量預測轉(zhuǎn)化率值為98.56%，與實驗相符。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值可達到96.69%。

[1] wallace s，balskus e p. Opportunities for merging chemical and biological synthesis[J]. Current Opinion in Biotechnology，2014，30：1–8.

[2] Verho O，B?ckvall J E. Chemoenzymatic dynamic kinetic resolution：a powerful tool for the preparation of enantiomerically pure alcohols and amines[J]. Journal of The American Chemical Society，2015，137（12）：3996-4009.

[3] Gustafson K P J，Lihammar R，Verho O. Chemoenzymatic dynamic kinetic resolution of primary amines using a recyclable palladium nanoparticle catalyst together with lipases[J].Journal of Organic Chemistry，2014，79（9）：3747-3751.

[4] 郭躍平，應向賢，趙冉冉，等.酶法制備手性芳香胺化合物的研究進展[J]. 化工進展，2010，29（4）：728-732.

GUO Y P，YING X X，ZHAO R R，et al. Progress in enzymatic production of chiral arylamines[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2010，29 （4）：728-732.

[5] Kamal A，Azhar M A，Krishnaji T，et al. Approaches based on enzyme mediated kinetic to dynamic kinetic resolutions：a versatile route for chiral intermediates[J]. Coordination Chemistry Reviews，2008，252：569-592.

[6] Ghanem A，Aboul-Enein H Y. Lipase-mediated chiral resolution of racemates in organic solvents[J]. Tetrahedron Asymmetry，2004，15：3331-3351.

[7] Breuer M，Ditrich K，Habicher T，et al. Industrial methods for the production of optically active intermediates[J]. Angewandte Chemie International Edition，2004，43：788-824.

[8] Reetz M T，Schimossek K. Lipase-catalyzed dynamic kinetic resolution of chiral amines：use of palladium as the racemization catalyst[J]. Chimia，1996，50：668-669.

[9] 蔣成君，呂力瓊，黃俊. 金屬-酶協(xié)同催化動態(tài)動力學拆分反應研究進展[J]. 化工進展，2016，35（3）：807-814.

JIANG C J，Lü L Q，H J. Recent progress in dynamic kinetic resolution by metal catalysis cooperate with enzymes[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2016，35（3）：807-814.

[10] Parvulescu A，De Vos D，Jacobs P. Efficient dynamic kinetic resolution of secondary amines with Pd on alkaline earth salts and a lipase[J]. Chemical Communications，2005，42：5307-5309.

[11] Parvulescu A N，Jacobs P A，De Vos D E. Palladium catalysts on alkaline earth supports for racemization and dynamic kinetic resolution of benzylic amines [J]. Chemistry：A European Journal，2007，13：2034-2043.

[12] Andrade L H，Silva A V，Pedrozo E C. First dynamic kinetic resolution of selenium-containing chiral amines catalyzed by palladium（Pd/BaSO4）and Candida antartica lipase (CAL-B)[J]. Tetrahedron Letters，2009，50：4331-4334.

[13] 王亮，徐剛，楊立榮. 動力學拆分制備(R)-3，5-雙三氟甲基苯乙醇[J]. 化工進展，2013，32（11）：2691-2694.

WANG L，XU G，YANG L R. Preparation of （R）-3，5-bis(trifuoromethyl)phenyl ethanol by kinetic resolution[J]. Chemical Industry and Engineering progress，2013，32（11）：2691-2694.

[14] 陳玉，徐穎，馮岳陽. 利用響應面法優(yōu)化皂角苷浸提飛灰中重金屬的處理條件[J]. 化工學報，2014，65（2）：701-710.

CHEN Y，XU Y，F(xiàn)ENG Y Y. Optimizing extraction process of heavy metals in fly ash using saponins by response surface methodology[J]. CIESC Journal，2014，65（2）：701-710.

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。

中國博士后科學基金（2014M551745）及浙江省自然科學基金（LY15B060008）項目。

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