[發明專利]丙烯甲烷共氧化制備環氧丙烷的生物催化方法

無效

• 申請號: 01121386.8
• 申請日: 2001-06-11
• 公開（公告）號: CN1328161A
• 公開（公告）日: 2001-12-26
• 發明（設計）人: 崔俊儒;辛嘉英;陳建波;夏春谷;李樹本
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: C12P17/02
• 分類號: C12P17/02;//;C12R101)
• 代理公司: 中國科學院蘭州專利事務所
• 代理人: 方曉佳

本發明涉及一種利用甲烷氧化細菌催化丙烯甲烷共氧化反應制備環氧丙烷的生物催化方法。

環氧化物是有機合成中的重要原料，作為許多化合物的前體大規模地應用于化學工業，運用生物技術合成環氧化物尤其是光學活性環氧化物是有機合成中一個極富挑戰性的課題(D.J.Leak，P.J.Aikens，M.Seyed-Mahmoudian.Themicrobial?production?of?epoxides?Trends?Biotechnology，1992，10(7)：256-261)。目前，環氧化物主要采用氯醇法和過氧化物法合成。這些方法均為多步反應過程，存在副產物多，廢水處理昂貴等缺點。生物酶是一種獨特的有機合成催化劑。生物催化具有反應條件溫和，選擇性強等特點。廣泛存在于自然界中的甲烷氧化細菌(Methanotrophic?bacteria)是一類以甲烷為唯一碳源和能源生長的細菌，能利用依賴輔酶NADH的甲烷單加氧酶(Methane?Monoxygenase，MMO)活化分子氧，催化烷烴羥基化和烯烴環氧化反應。

作為環氧化物合成的一條嶄新途徑，該催化過程可以利用空氣中的分子氧實現烯烴的直接環氧化；但由于在丙烯環氧化制備環氧丙烷的生物催化反應過程中，隨著產物環氧丙烷的積累和輔酶NADH的消耗，細胞會很快失去活性，這成為進行連續催化反應所要解決的首要問題。通過將環氧化產物不斷抽提出來，可以解決環氧化產物對細胞的毒副作用。對僅由能量短缺導致失活的細胞，外源性電子給體的加入可使細胞獲得再生；高燦柱(高燦柱，李樹本，寧治中等，分子催化，1990，4，291；高燦柱，李樹本，寧治中等，分子催化，1991，5，227)曾報道甲烷是Methylomonas?sp.GYJ3細胞最好的再生劑。但高燦柱進行的是將細胞環氧化與甲烷再生反應交替進行的間歇式反應，環氧化連續反應仍無法進行。曾報道與丙烯等體積存在的甲烷可明顯抑制甲烷氧化細菌的環氧化活性(Ching?T.hou，Ramesh?Patel，Allen?I.Laskin?Microbial?Oxidation?ofGaseous?hydrocarbons：Epoxidation?of?C2?to?C4?n-Alkenes?by?MethylotrophicBacteria?Applied?and?Environmental?Microbiology，July?1976，127-134)。

本發明的目的在于解決上述問題而提出一種以甲烷利用菌為催化劑，催化丙烯甲烷共氧化反應連續制備環氧丙烷的生物催化方法。

本發明的目的可由如下措施實現：

首先對甲基單胞菌Methylomonas?sp.GYJ3進行培養，然后將收獲的細胞用含有磷酸鹽的緩沖溶液懸浮，充入含有丙烯、甲烷和空氣的混合氣體啟動反應，32-40攝氏度、150-200轉/分鐘反應一定時間后得到含有產物環氧丙烷的水溶液。

下式是由甲烷氧化細菌中甲烷單加氧酶催化完成的烯烴環氧化反應。隨反應的進行，由于還原型輔酶NADH的不斷消耗和體系中的毒性產物環氧丙烷的積累導致細胞很快失活。甲烷作為甲烷氧化細菌的天然底物，可以通過以下途徑再生出還原型輔酶NADH，為反應體系提供還原能量。(注：NADH₂，還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；NAD⁺，氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；PQQ，氧化型吡咯并喹啉醌；PQQH₂，還原型吡咯并喹啉醌；)

本發明將甲烷與丙烯按一定比例混合，實現了在環氧化反應的同時輔酶NADH的原位再生，解決了甲烷氧化細菌催化丙烯環氧化制備環氧丙烷的關鍵性問題。

丙烯甲烷共氧化制備環氧丙烷的生物催化方法，其特征在于采用甲烷作為輔助底物，與一定比例的丙烯混合，在甲烷氧化細菌細胞存在下，32-40攝氏度、150-220轉/分鐘反應得到環氧丙烷。

本發明采用的甲烷氧化細菌Methylomonas?sp.GYJ3的濃度為2-30毫克/毫升。

本發明采用的丙烯和甲烷的體積比為1∶0.5-1∶1.5。

本發明采用的反應介質為含有50-100毫摩爾/升的磷酸氫二鈉，50-100毫摩爾/升的磷酸二氫鈉，5毫摩爾/升的氯化鎂的磷酸鹽緩沖溶液，ph＝6.5-6.9。

本發明采用的反應溫度為32-40攝氏度，轉數為150-220轉/分鐘。

本發明有如下特點：

a?采用生物催化的方法在溫和的條件下以丙烯、甲烷為底物反應得到環氧丙烷；