3-羟基丙酸甲酯加氢合成1,3-丙二醇反应中La对Cu/SiO_(2)催化剂的修饰作用

[目的] 3-羟基丙酸酯加氢制备1,3-丙二醇(1,3-PDO)过程中存在β-羟基脱除等副反应,导致1,3-PDO的选择性和收率不高,其中高效催化剂的开发是解决该问题的关键.[方法]采用蒸氨法制备了不同添加量La修饰的20Cu/SiO_(2)催化剂,对其进行催化性能评价,并通过H_(2)程序升温还原(H_(2)-TPR)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和N_(2)物理吸附-脱附对其进行表征.[结果] 20Cu-0.50La/SiO_(2)的催化性能最佳,它显著地提高了3-羟基丙酸甲酯(3-HMP)加氢制1,3-PDO的催化活性和稳定性,其中3-HMP转化率为91.8%,1,3-PDO的选择性和收率分别为85.2%和78.2%.这是在高液时空速(LHSV=0.10 h^(-1))的条件下取得的最佳结果.[结论] La的加入与Cu产生了强相互作用,增强了催化剂中Cu的分散性,同时提高了Cu^(+)物种表面浓度,使活性Cu的比表面积增加,从而提高了加氢反应的活性和稳定性.

葛根粉中1,2-丙二醇和1,3-丙二醇的测定

目的:建立气相色谱-氢火焰离子化检测法(Gas Chromatography-Flame Ionization Detector,GC-FID)和气相色谱-质谱法(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)同时检测葛根粉中1,2-丙二醇和1,3-丙二醇的分析方法。方法:试样经乙腈提取,提取液过滤后,上机测定。结果:采用GC-FID法和GC-MS法测定时,目标物质分别在0~50.00μg·mL^(-1)以及0~10.00μg·mL^(-1)线性范围内线性关系良好,相关系数r均大于0.9999;1,2-丙二醇的检出限分别为5 mg·kg^(-1)、1 mg·kg^(-1),1,3-丙二醇的检出限分别为8 mg·kg^(-1)、1 mg·kg^(-1);两种方法对应目标物质的平均加标回收率均≥89.2%,相对标准偏差均<5%。结论:GC-FID法与GC-MS法的灵敏度均较高、回收率高、重现性好,且操作简单快捷,适合于葛根粉中1,2-丙二醇和1,3-丙二醇的测定,可适应不同检测机构的需要。

1,3-丙二醇产业现状与应用研究进展

从1,3-丙二醇生产工艺出发,阐述了国内外产业现状和市场应用。最后对1,3-丙二醇行业发展提出建议。

基于理性设计提高1,3-丙二醇氧化还原酶的稳定性和活性

1,3-丙二醇氧化还原酶(1,3-propanediol oxidoreductase,PDOR)是甘油生物合成1,3-丙二醇(1,3-propanediol,1,3-PD)的关键限速酶之一。使用PoPMuSiC 2.1计算肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)来源PDOR(KpPDOR)突变的折叠自由能,结合HotSpot Wizard 3.0对催化中心附近氨基酸的功能热点分析和保守残基鉴定,理性选取突变位点,构建定点突变。经诱导表达、蛋白纯化和酶学性质研究,获得催化性能、热稳定性和pH耐受性提高的突变体。V155N突变体在37℃,pH 7.5下的还原活性为KpPDOR的1.7倍,pH 4.0时是KpPDOR的2.5倍。N262E突变体37℃下半衰期为KpPDOR的1.4倍。分析蛋白结构,发现Val155突变为Asn导致新形成两个氢键,稳定了Val155所在的β-折叠结构。而Asn262突变为Glu形所成的两个氢键,可增强催化中心刚性,提升酶稳定性。静息细胞转化甘油合成1,3-PD,发现突变体V155N工程菌株1,3-PD产能为1.16 mmol/L/OD_(600),高于野生型KpPDOR工程菌株的0.82 mmol/L/OD_(600)。此理性设计方法对改良其他工业酶的性能有一定参考价值。

3种生产1,3-丙二醇技术路线的研究进展

综述了甘油氢解法、微生物发酵法和丙烯醛水合加氢法生产1,3-丙二醇工艺路线的原料、催化体系、工艺过程及研发状况,分析了这些技术路线的特点,为1,3-丙二醇的开发提供思路。

Pt-WO_(x)系催化剂上甘油氢解制1,3-丙二醇的研究进展

生物柴油的发展对实现碳减排、推进能源替补具有重要科学意义,将生物柴油副产粗甘油进行绿色处理及高值转化,有利于促进生物柴油产业链的延伸发展。甘油氢解制备1,3-丙二醇已成为目前粗甘油高值化利用的研究热点,设计开发高活性、高选择性的催化剂是该过程的关键。本文首先阐述了Pt-WO_(x)系催化剂上甘油氢解制备1,3-丙二醇的脱水加氢机理、直接氢解机理以及氧化还原机理,明确了Pt-WO_(x)系催化剂中Pt分散度、WO_(x)状态和Pt-WO_(x)界面接触等是影响催化性能的主要因素,并对其进行综述;进一步分析Pt分散度、WO_(x)状态和Pt-WO_(x)界面接触的影响机制。Pt分散度会影响H_(2)的活化及反应中间体的氢化;WO_(x)状态与催化剂Brönsted酸性位点密不可分,还可促进活性金属的分散;Pt-WO_(x)界面则影响催化剂氢溢流以及原位Brönsted酸的生成。最后,提出今后应从这三方面构筑新型Pt-WO_(x)系催化剂;探究各活性组分对甘油氢解反应的影响规律及组分间相互作用的本质特征,完善反应机理;考察加氢方式对甘油选择性氢解的影响机制,以促进甘油选择性氢解制1,3-丙二醇技术路线的规模化发展。

3-羟基丙酸甲酯加氢合成1,3-丙二醇反应的热力学计算

3-羟基丙酸甲酯催化加氢是合成1,3-丙二醇的一种重要反应,具有工业应用前景.本研究对该反应及其涉及的副反应进行了热力学计算.采用Benson、Joback和Constantinou-Gani 3种基团贡献法,计算了上述反应目前尚缺失的热力学数据.按照Gibbs-Helmholtz方程绘制了相关反应的热力学平衡常数的对数值(lg k)与温度的变化曲线,其中Benson法所得结果与实验结果较好吻合.依据Benson法计算的平衡常数,绘制了压力和温度、压力和氢酯比、底物浓度分别对3-羟基丙酸甲酯加氢合成1,3-丙二醇反应平衡转化率的关系曲面和曲线图,并讨论了上述参数变化对反应的影响.计算数据显示,高压、高氢酯比、低温和低液时空速有利于3-羟基丙酸甲酯向1,3-丙二醇的转化,该结果与实验数据吻合.

1,3-丙二醇合成研究进展

综述了近年来以不同原料及工艺合成1,3-丙二醇的研究结果,从适用性、经济性角度分析了每种技术规模化生产的可行性,并展望了化学法生产1,3-丙二醇的前景。

克雷伯杆菌生产1,3-丙二醇关键酶发酵条件研究

研究了克雷伯杆菌生产1,3-丙二醇关键酶(甘油脱氢酶、1,3-丙二醇氧化还原酶、甘油脱水酶)的发酵条件。研究各种碳源、无机氮源、有机氮源及无机盐对产酶的影响,应用均匀设计、神经网络和遗传算法优化发酵培养基组成,结果为(gL-1):甘油30、KCl 1.6、NH4Cl 6.7、CaCl2 0.28、酵母浸膏2.8。在温度37 C、初始pH 7.0、摇床转速200rmin-1和接种量5%条件下,发酵24h,无细胞抽提液中甘油脱氢酶、1,3-丙二醇氧化还原酶和甘油脱水酶活力(U·mg-1)分别为9.16、18.72、0.48,发酵34h,发酵液中1,3-丙二醇(1,3-PD)最大浓度为7.96gL-1。代谢过程中关键酶酶活与1,3-PD峰值出现时间不一致,且提早于1,3-PD峰值的出现。此外,结果表明优化后的培养基去除了多种微量元素,克雷伯杆菌生产1,3-丙二醇关键酶可以在微氧条件下进行。

产1,3-丙二醇新型重组大肠杆菌的构建

利用PCR技术从大肠杆菌(Escherichiacoli)中扩增出1.16kb的编码1,3_丙二醇氧化还原酶同工酶的基因yqhD,将其连接到表达载体pEtac,得到重组载体pEtac_yqhD,重组载体在大肠杆菌JM109中得到高效表达。SDS_PAGE分析显示融合表达产物的分子量均为43kD,同核酸序列测定所推导的值相符。对含有yqhD的基因工程菌进行表达研究表明:37℃,以1.0mmolLIPTG诱导4h,1,3_丙二醇氧化还原酶同工酶的酶活力达到120umg蛋白,而对照菌株的酶活力为0.5umg蛋白。再将含甘油脱水酶基因dhaB和含1,3_丙二醇氧化还原酶同工酶基因yqhD的重组质粒共转化大肠杆菌JM109得到重组大肠杆菌JM109(pUCtac_dhaB,pEtac_yqhD),该菌株在好氧条件下,以1.0mmolLIPTG诱导可将50gL甘油转化为38.0gL1,3_丙二醇。首次发现1,3_丙二醇氧化还原酶同工酶在好氧条件下表现出较高的活性。

分段通气对Klebsiella pneumoniae生产1,3-丙二醇关键酶和辅酶的影响

通过考察1,3-丙二醇合成中关键酶、辅酶的变化,研究了分段通入空气对Klebsiellapneumoniae厌氧发酵生产1,3-丙二醇的影响.与对照组相比,在发酵前期(12h)通入空气4h后,甘油脱氢酶酶活提高1.5倍,1,3-丙二醇氧化还原酶酶活提高18%,1,3-丙二醇浓度提高16%;发酵后期(28和48h)通入空气后,甘油脱氢酶酶活不变,1,3-丙二醇氧化还原酶酶活下降,1,3-丙二醇浓度降低.发酵前期,通气对辅酶NADH和NAD的浓度无影响;发酵后期,菌体生长停滞,辅酶的浓度也随之下降.

利用PDOR同工酶基因yqhD对产1,3-丙二醇克雷伯氏杆菌进行基因工程改造

由于Klebsiella pneumoniae1,3-丙二醇合成途径中,加强甘油脱水酶基因表达,导致因NADH供应不足使3-羟基丙醛累积,并对菌体生长及1,3-丙二醇合成造成负面影响。为改善Klebsiella pneumoniae1,3-丙二醇合成途径,利用PCR技术从大肠杆菌(Escherichia coli)中扩增出以NADPH为辅酶的1,3-丙二醇氧化还原酶同工酶编码基因yqhD,从克雷伯氏杆菌中扩增出2.66kb的甘油脱水酶基因(dhaB),构建了产1,3-丙二醇关键酶基因的串联载体pEtac-dhaB-tac-yqhD,并将其转入到野生克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)中,重组载体得到了表达。通过初步发酵,重组后的克雷伯氏杆菌产量比原始菌高20%左右,副产物中乙酸和丁二醇分别下降30%左右。

Z-N催化剂内给电子体——2,2-二苯基-1,3-丙二醇二甲醚的合成研究

以二苯甲酮、氯乙酸乙酯、甲醛水溶液和碘甲烷为主要原料,经达森缩合、酯水解、脱羧、重排、缩合歧化和醚化反应合成了标题化合物,并对合成反应中的关键影响因素进行了研究。在适宜的反应条件下,目标产物的总收率61.3%(以二苯甲酮计),产品气相色谱纯度为97.4%。1HNMR分析确定了目标化合物的结构。

1,3-丙二醇氧化还原酶同功酶基因yqhD在肺炎克雷伯氏菌中的表达研究

以大肠杆菌(Escherichia coli)基因组为模板,PCR扩增出1,3-丙二醇氧化还原酶同功酶基因yqhD,经测序确认,将yqhD基因与四环素抗性基因TetR同时插入表达载体pUC18构建重组质粒pUC18-yqhD-TetR,重组质粒转化Klebsiella pneumoniae ME308;37℃,经1.0mmol/LIPTG诱导8h,重组肺炎克雷伯氏菌中1,3-丙二醇氧化还原酶同功酶的酶活力达到4.16U/mg,而对照菌株的酶活仅为0.62U/mg;将重组菌在摇瓶中进行微氧发酵培养,经IPTG诱导,可将60g/L甘油转化为33.8g/L1,3-丙二醇。

无溶剂体系脂肪酶催化合成1,3-丙二醇单酯

在无溶剂体系中,用脂肪酶Novozyme 435催化1,3-丙二醇和油酸合成1,3-丙二醇单酯,同时确立酯化产物及油酸含量的HPLC-RID检测方法。以1,3-丙二醇单酯最大生成量为目的,初步确定反应最优条件为:1,3-丙二醇和油酸摩尔比6∶1,反应温度60℃,摇床转速180 r/min,加酶量1%(以1,3-丙二醇和油酸的总质量为基准),反应时间8 h。该条件下产物中的1,3-丙二醇单酯含量达到48.21%。

工程菌发酵产酶及其在1,3-丙二醇耦合酶催化制备中的应用

培养定向进化后的质粒保藏菌E.coli BL21(DE3)pLysS/PET-15b-dhaT’-24并进行质粒抽提,将抽提的质粒转化入感受态宿主细胞E.coli BL21(DE3)pLysS中得产1,3-丙二醇氧化还原酶的工程菌。工程菌经乳糖诱导后进行发酵培养获得酶活为182 U/mL的1,3-丙二醇氧化还原酶,最适反应pH值为10,pH值稳定范围为7.0～9.0,最适反应温度为55℃,温度稳定范围为30～45℃。利用工程菌产的1,3-丙二醇氧化还原酶进行转化3-羟基丙醛为1,3-丙二醇的反应,同时偶联甘油脱氢酶(由另一工程菌制备)转化甘油的反应进行辅酶NADH的再生,实现了1,3-丙二醇的双酶耦合的连续反应。由于来源于工程菌的双酶酶学性质相适应,反应连续进行34 h后,底物3-羟基丙醛的转化率达63.4%,产物1,3-丙二醇的产率达64.6%。

1,3-丙二醇单烯丙基醚的合成工艺优化

以1,3-丙二醇、氢氧化钾和烯丙基氯为原料,1,3-丙二醇自身作反应介质,在相转移催化剂四丁基溴化铵作用下合成了1,3-丙二醇单烯丙基醚。讨论了反应物料摩尔比、碱加入量、催化剂用量、反应温度和反应时间等因素对产品收率的影响。采用三因素五水平的响应面分析法对工艺条件进行了优化,得到了合成的最佳工艺条件。结果表明,四丁基溴化铵为烯丙基氯质量的5%,n(1,3-丙二醇)∶n(KOH)∶n(烯丙基氯)=6.3∶1.2∶1,反应温度72℃,反应时间3 h时,收率可达82.48%。通过对1,3-丙二醇的回收套用大大降低了成本。该工艺具有毒性小、副产少、反应时间短、收率高的优点。

2,2-二取代-1,3-丙二醇的简便合成及抗菌活性研究

为探究2,2-二取代-1,3-丙二醇类化合物的简便合成方法与抗菌活性,本文研究了硼氢化钠、氢化铝锂、二异丁基氢化铝对2,2-二取代丙二酸二乙酯的还原反应,并研究了产物2,2-二取代-1,3-丙二醇类化合物的体外抗菌活性。结果发现二异丁基氢化铝在室温下能够还原二取代丙二酸二乙酯衍生物,并以较高的产率生成相应的1,3-丙二醇,但低温发生脱羧副反应导致产率降低。体外抗菌活性实验表明,所合成的2,2-二取代-1,3-丙二醇对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和蕈状芽孢杆菌具有一定的抑菌活性,MIC 16~32μg·mL^(-1)。本研究为合成2,2-二取代-1,3-丙二醇提供了简便的合成方法,也为开发多元醇类化合物的抗菌剂提供了参考。

甘油氢解制备1,3-丙二醇催化剂的研究进展

甘油作为生物柴油生产的副产品,已成为一种潜在的绿色可再生原材料,广泛应用于塑料、树脂、防冻剂、医药、化妆品等领域。将甘油转化为1,3-丙二醇具有实际意义。概述了甘油氢解制备1,3-丙二醇的反应路线,简述了催化甘油氢解的Cu、Co、Ni以及钯钨催化剂,最后对甘油氢解制备1,3-丙二醇进行了总结和展望。

1,3-丙二醇氧化还原酶基因的克隆与序列分析

以肺炎克雷伯氏菌的基因组DNA为模板,通过PCR扩增得到了目的基因dhaT,并将该基因克隆到pMD19-TSimple载体。基因序列分析表明,dhaT基因全长为1158bp,与GenBank上已发表基因序列的同源性达99%,氨基酸同源性为100%。