專利名稱：電催化水解高空間位阻酯類和酰胺有機(jī)化合物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種催化化學(xué)反應(yīng)方法。具體涉及采用交變電場(chǎng)加速高位阻酯和酰胺水解反應(yīng)活性的工藝方法。
背景技術(shù)：
酯和酰胺的水解反應(yīng)一般用酸堿催化和親核催化的方法來加速。此類催化劑價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)便，但催化能力有限，且催化劑污染產(chǎn)物難以用簡(jiǎn)單的方法除去。因此，一般用于一級(jí)和二級(jí)酯和酰胺，以及較易于水解酯和酰胺的反應(yīng)。對(duì)于高空間位阻酯和酰胺，如乙酸芳樟酯、乙酸叔丁酯等，它們的水解反應(yīng)極慢， 一般催化劑難以明顯加快其反應(yīng)速率，只有使用具有超親核性的烷氨基吡啶催化劑才能使其水解反應(yīng)正常進(jìn)行(Ragnarsson U, Grehn L. Acc. Chem. Res. 1998，31，494-501 ；Murugan R, Scriven F.V. ChemInform 2004,35 ；SakakuraA, et al. J. Am. Chem. Soc. 2007,129, 14775-14779)。這是因?yàn)橥榘被拎し肿幽軌蛐纬筛叨入x域的正氮離子結(jié)構(gòu)，有效地穩(wěn)定了水解中間態(tài)的結(jié)構(gòu)，從而能夠高效地催化水解和酰化(包括酯化和酰胺化)反應(yīng)。但超親核催化劑價(jià)格昂貴，且污染產(chǎn)物。在生物體內(nèi)，在絲氨酸蛋白酶或各種內(nèi)切酶的高效和高特異性催化下，某些特定的氨基酸酯和酰胺才能發(fā)生水解反應(yīng)，并能對(duì)肽鏈的特定位置進(jìn)行切割。水解酶是蛋白質(zhì)， 蛋白質(zhì)難以提取并具有不穩(wěn)定性，在提取、精制、使用和存儲(chǔ)過程中容易變性失活。而且價(jià)格昂貴，不宜長(zhǎng)期貯藏。本發(fā)明采用電化學(xué)方法對(duì)水解反應(yīng)進(jìn)行催化，催化能力強(qiáng)，且不需要任何催化劑。 具有反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單、無污染的特點(diǎn)。電催化一般用于促進(jìn)氧化還原反應(yīng)。例如，燃料電池(Atanasoski R，et al. USPatent 7, 867,648 B2(2011))、化學(xué)傳感器(Douglas R. Analyst,2010,135, 2790-2797)、有機(jī)電化學(xué)反應(yīng)等(Li FH, et al.，J. Mater. Chem.，2009，19，4022-4025 ； Comminellis CH et al. J. Appl. Electrochem. 1993，23，108-112)。在這些體系中，反應(yīng)物、 催化劑和電極之間的電子傳遞均不是定域的。然而，水解過程與氧化還原反應(yīng)不同，從水解反應(yīng)機(jī)理上看并不存在電極與反應(yīng)物結(jié)構(gòu)之間的電子傳遞。因此，從理論上講，電流和電場(chǎng)都不會(huì)對(duì)水解反應(yīng)產(chǎn)生影響。但文獻(xiàn)表明，電流的沖擊會(huì)使殺死微生物，并常以此作為低溫滅菌的方法(嚴(yán)志明，方婷.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，15，51-53;周繼章，宮曉煒.動(dòng)物醫(yī)學(xué)進(jìn)展2010，31，95-98)，這說明電場(chǎng)會(huì)對(duì)生物體和極性有機(jī)分子產(chǎn)生顯著的作用。本發(fā)明利用電極與溶液之間的Helmholtz層對(duì)有機(jī)分子進(jìn)行極化，削弱和打斷有機(jī)分子結(jié)構(gòu)中的碳-氧或碳-氮弱鍵，并由此加速水解反應(yīng)進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是建立一種清潔高效水解酯和酰胺的方法。本發(fā)明的目的之二是將電催化方法用于高空間位阻酯和酰胺的水解反應(yīng)，為分解那些難以降解的化學(xué)品和污染物提供一條有效的途徑。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種適用于酯類和酰胺類有機(jī)分子進(jìn)行水解反應(yīng)，采用電催化來加快反應(yīng)速率的工藝方法。具體工藝如下本發(fā)明所述的工藝方法是在水解反應(yīng)器現(xiàn)有的反應(yīng)過程中施加交變電場(chǎng)，所述的交變電場(chǎng)由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，并通過恒電位儀由鉬電極加入到反應(yīng)液中。本發(fā)明所述的交變電場(chǎng)，適宜的電場(chǎng)強(qiáng)度為20V · cm—1，對(duì)于不同的底物在交變頻率1 IOOHz之間選擇最優(yōu)的頻率值。本發(fā)明所述的底物是乙酸柏木酯、乙酸芳樟酯和N- α -苯甲酰-DL-精氨酸_4_硝基苯胺。其中，乙酸柏木酯和乙酸芳樟酯是高空間位阻的酯類；Ν-α-苯甲酰-DL-精氨酸-4-硝基苯胺為胰蛋白酶能夠催化水解的底物。利用上述底物進(jìn)行水解實(shí)驗(yàn)可以顯示電催化的高效性，并能與酶活性進(jìn)行比較。本發(fā)明所述的催化活性是由檢測(cè)產(chǎn)物(乙酸和對(duì)硝基苯胺)濃度的升高來度量的。乙酸的濃度是由酸度計(jì)測(cè)量體系ρΗ值來推算；對(duì)硝基苯胺的濃度是由紫外-可見光分光光度計(jì)在410nm處檢測(cè)吸光度的上升來確定的。測(cè)定結(jié)果表明，在乙酸柏木酯的水解過程中，在電場(chǎng)強(qiáng)度20V · cnT1，頻率20Hz的正弦交變電場(chǎng)作用下，其速率常數(shù)從5. 4X KT7iT1上升到l.gxio、—1，增長(zhǎng)了 353倍。在乙酸芳樟酯的水解過程中，在電場(chǎng)強(qiáng)度20V · cnT1，頻率5Hz的正弦交變電場(chǎng)作用下，其速率常數(shù)從1. 6 X ΙΟ-、-1上升到6. 9 X ΙΟΛΓ1，增長(zhǎng)了 431倍。在N- α -苯甲酰-DL-精氨酸-4-硝基苯胺的水解過程中，在電場(chǎng)強(qiáng)度20V κπΓ1，頻率80Hz的正弦交變電場(chǎng)作用下，速率常數(shù)從 8. 6X IO-V1上升到5. 8X ΙΟ、—1，增長(zhǎng)了 672倍。而用胰蛋白酶催化N- α -苯甲酰-DL-精氨酸-4-硝基苯胺水解反應(yīng)的速率常數(shù)為6. ZXIO-、—1。因此可見，電催化的活性接近于酶的水平。電催化水解反應(yīng)的原理是，從電極表面到溶液的擴(kuò)散層之間存在著Helmholtz 層。由于該層厚度極小，因此即使在外加峰電壓只有幾伏，甚至更低的情況下，也可使薄層中產(chǎn)生極大的電位差， IO7V · cnT1。這樣，在Helmholtz雙電層中的電荷分離的能力 SOkJ · πιοΓ1，這樣的能量與許多有機(jī)分子結(jié)構(gòu)中的弱鍵處于同一數(shù)量級(jí)。一個(gè)有機(jī)分子一旦遷移到雙電層中，分子將被極化，具有偶極距的化學(xué)鍵將順著電場(chǎng)被拉伸。鍵被拉伸會(huì)促使弱鍵的斷裂，從而促進(jìn)了分子化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.電催化對(duì)于酯和酰胺的水解具有很高的活性，其反應(yīng)速率常數(shù)接近酶催化的水平。2.本發(fā)明所述的方法適用于催化水解那些用普通方法難以水解的有機(jī)化合物?？捎糜谟袡C(jī)污染物的降解。 3.電催化并不存在催化劑對(duì)反應(yīng)體系的污染，且成本較低。4.該方法可為研究生物降解和酶催化反應(yīng)機(jī)制的研究提供基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)裝置。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
水解反應(yīng)在一個(gè)25ml閉容器中進(jìn)行，體系溫度恒定在在37 °C，溫度波動(dòng)在 0. Ol0Co在并氬氣保護(hù)下，將0. 2ml乙酸柏木酯溶于IOml乙醇和IOml Na2SO4(0. 5M，pH6) 的混合溶液中，形成底物溶液。將兩根鉬絲電極插入底物溶液中，電極間距l(xiāng)cm，并且與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器相連。開啟函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，將峰電壓調(diào)整到20V，波形為正弦波，頻率為20Hz。用酸度計(jì)每隔5min測(cè)量一次溶液的pH值。50min后，將溶液加熱到70°C，維持半小時(shí)，再次測(cè)定 PH值以確定完全水解后的終值。在不施加電場(chǎng)或不加入乙酸柏木酯的條件下進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，并與之相互比較。相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)來自于用線性最小二乘法回歸方法對(duì)曲線初始斜率的計(jì)算。實(shí)施例2 水解反應(yīng)在一個(gè)25ml閉容器中進(jìn)行，體系溫度恒定在在37 °C，溫度波動(dòng)在 0. Ol0Co在并氬氣保護(hù)下，將0. 2ml乙酸芳樟酯溶于IOml乙醇和IOml Na2SO4(0. 5M，pH6) 的混合溶液中，形成底物溶液。將兩根鉬絲電極插入底物溶液中，電極間距l(xiāng)cm，并且與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器相連。開啟函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，將峰電壓調(diào)整到20V，波形為正弦波，頻率為5Hz。用酸度計(jì)每隔5min測(cè)量一次溶液的pH值。50min后，將溶液加熱到70°C，維持半小時(shí)，再次測(cè)定pH 值以確定完全水解后的終值。在不施加電場(chǎng)或不加入乙酸芳樟酯的條件下進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，并與之相互比較。相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)來自于用線性最小二乘法回歸方法對(duì)曲線初始斜率的計(jì)算。實(shí)施例3:水解反應(yīng)在一個(gè)細(xì)1色皿中進(jìn)行，體系溫度恒定在在37°C，溫度波動(dòng)在0. 01°C。在并氬氣保護(hù)下，將3. 2ml濃度為0. 4mg/ml的N-α -苯甲酰-DL-精氨酸-4-硝基苯胺的Tris 緩沖液(0. 05Μ，ρΗ7. 6)置于比色皿中。將兩根鉬絲電極插入底物溶液中，電極間距1cm，并且與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器相連。比色皿置于紫外-可見光分光光度計(jì)中，在410nm波長(zhǎng)下測(cè)量體系吸光度的變化。開啟函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，將峰電壓調(diào)整到20V，波形為正弦波，頻率為80Hz。用分光光度計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄410nm處吸光度的上升。50min后停止反應(yīng)。在不施加電場(chǎng)或不加入N- α -苯甲酰-DL-精氨酸_4_硝基苯胺的條件下進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，并與之相互比較。相應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)來自于用線性最小二乘法回歸方法對(duì)曲線初始斜率的計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種采用交變電場(chǎng)催化水解反應(yīng)的工藝方法，其特征在于所述的工藝方法是在反應(yīng)器的水解反應(yīng)中施加一種交變電場(chǎng)，通過有機(jī)分子在Helmholtz層中的極化和弱鍵斷裂來提高水解反應(yīng)速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用交變電場(chǎng)催化水解反應(yīng)的工藝方法，其特征在于 交變電場(chǎng)的外加峰電壓為20V，頻率為1 100Hz，波形為正弦波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用交變電場(chǎng)催化水解反應(yīng)的工藝方法，其特征在于 有機(jī)分子為乙酸柏木酯、乙酸芳樟酯和N- α -苯甲酰-DL-精氨酸-4-硝基苯胺。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種催化化學(xué)反應(yīng)方法，即采用交變電場(chǎng)直接催化高空間位阻酯和酰胺水解反應(yīng)的工藝方法。所述的工藝方法是在電解池中進(jìn)行水解反應(yīng)，以20V的峰電壓和1～100Hz的頻率作用于乙酸柏木酯、乙酸芳樟酯、N-α-苯甲酰-DL-精氨酸-4-硝基苯胺的水解體系。底物分子在Helmholtz層中被極化，易化了弱鍵的斷裂，從而催化了水解反應(yīng)的進(jìn)行，無需任何催化劑。實(shí)施此方法操作簡(jiǎn)單、成本低、無催化劑污染，可用于高位阻有機(jī)物和污染物的降解。
文檔編號(hào)A62D101/28GK102319500SQ20111026435
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者邢達(dá)杰, 黃積濤, 黃薇 申請(qǐng)人:南開大學(xué)