酶催化与有机合成

酶是一类特殊、高效的催化剂,或称生物催化剂。与普通催化剂不同之处,在于它不是简单的无机或有机化合物,或过渡金属络合物,而是由活细胞所产生的生物大分子。酶催化反应也属均相催化反应,所不同的是它的反应介质通常是水,而不是其他均相催化反应所赖以进行的有机溶剂。新近发展的固定化酶,又使酶催化由均相发展为非均     

水/有机两相体系中催化氧化反应的研究进展

论述了水／有机两相体系中催化氧化反应的一些最新进展。由于采用水溶性催化剂，使得水／有机两相体系中的催化反应具有催化剂与产物容易分离的优点。阐述了水溶性催化剂在催化氧化反应中的应用，列举了一些典型的水溶性配体、水溶性催化剂以及催化氧化反应实例。参考文献21篇。     

Baeyer-Villiger氧化反应的不同催化体系

Baeyer-Villiger氧化反应能控制产物的立体化学结构,在有机合成中对功能基转化和环扩张有重要的意义,因此氧化所得的产物可以广泛应用于合成许多天然产物和药物中间体以及一些高分子材料的单体等,是目前有机化学研究的热点之一。随着对该反应研究的深入,其催化剂的类型也在不断地增多,包括均相催化剂、非均相催化剂、生物催化剂。均相催化剂选择性和转化率虽高,但不及非均相催化剂重复利用率高。生物催化剂绿色环保,是未来研究的重点之一。本文从均相催化、非均相催化和生物催化三个方面对Baeyer-Villiger氧化反应相关的研究新进展进行了阐述,重点介绍了不同催化体系下催化剂与反应底物之间的作用,总结了有关催化反应的机理,并对Baeyer-Villiger氧化反应的发展进行了展望。     

Keggin杂多酸负载型催化剂研究及在有机合成中的应用

评述了负载型杂多酸Keggin结构催化剂的制备、表征及其表面作用机理, 阐述了在非均相催化酯化反应、Friedel-Crafts烷基化和酰基化反应、选择氧化、不对称催化反应、异构化反应、缩合反应、裂解反应、水合反应、脱水反应、水解反应、重排反应、Diels-Alder反应及醚化反应等作为探针反应的催化性能, 总结了重排反应、醇氧化等不同类型催化反应的反应机理和催化剂失活的主要原因以及影响负载型催化剂水热稳定性能的因素, 指出了负载型杂多酸Keggin结构催化剂研究中有待解决的问题及今后的发展方向..     

无溶剂体系中的脂肪酶催化反应研究进展

酶作为一种生物催化剂，具有专一性强、催化效率高、在常温常压等温和条件下能进行操作等优点，从而引起众多学者的兴趣．传统酶学研究的是酶在水溶液中的催化行为，这使得人们产生了误解，认为只有在水溶液中酶才能保持活性，有机溶剂会使酶变性失活．1984年，美国麻省理工工学院的科学家Klibanov首次发现有许多酶可用于有机溶剂，从而解决了有机化合物在水介质中的低溶解性限制酶催化剂应用的问题，酶不仅能够在有机溶剂中保持稳定，而且还显示出很高的催化转酯活力．这一发现为酶学研究和应用带来了又一次革命性飞跃，从而促进了非水酶学的兴起，使之成为目前重要的酶技术之一．其中研究较多的是脂肪酶，脂肪酶不仅能催化油脂水解，而且在非水介质中也能催化油脂的酯交换反应，用来提高油脂的品位．随着研究的深入和学科的交叉，各种新的酶促反应体系也相继被发现，大大拓宽了酶催化反应的应用范围，使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互补充的合成方法．近年来非水介质中的不同反应体系的酶催化反应，主要有：有机溶剂体系、反相胶束体系、超临界体系、气相体系等，其中无溶剂体系中的酶促反应是非水体系中酶促反应的特例．     

苯酚直接羟基化制备苯二酚反应体系中催化剂的设计与性能

邻苯二酚和对苯二酚是重要的工业原料。苯酚一步羟基反应合成苯二酚的方法原子利用率高且节能高效,符合可持续发展的理念。以H_2O_2为氧化剂氧化苯酚合成苯二酚的工艺,流程简单、反应条件温和且绿色环保,成为催化合成领域的研究热点。在该反应中,苯酚的转化率和产物苯二酚的收率高低取决于催化剂的活性。本文综述了近几年在苯酚羟基化制备苯二酚反应中催化剂的研究进展。按照反应体系的不同,催化剂可被分为热催化反应体系中的催化剂和光催化反应体系中的催化剂。催化剂的催化性能主要以苯酚转化率、苯二酚的选择性和稳定性等方面作为评价指标。本文重点介绍了以H_2O_2为氧化剂的液相非均相催化体系中含金属催化剂的研究现状,并在最后对催化剂在苯酚一步羟基化制备苯二酚的反应体系中的制备与应用作了展望。     

PdCl_2－CuCl_2－PPh_3催化剂立体选择催化烯烃氢酯基化反应

研究了以ＰｄＣｌ２－ＣｕＣｌ２－ＰＰｈ３为催化剂体系，甲基乙基酮、乙二醇二甲醚为溶剂，苯乙烯与一氧化碳及甲醇立体选择生成２－苯基丙酸甲酯的反应．对不同的催化剂前体催化烯烃氢酯基化反应进行了研究，得知ＣｕＣｌ２在此催化反应中起着立体控制作用．同时考察了影响反应的各种因素如溶剂、反应温度、反应压力、不同的膦配体等．实验结果表明，该反应的最佳条件是：反应温度８０℃，反应压力４．０—６．０ＭＰａ，反应时间２４ｈ，最好的溶剂是乙二醇二甲醚及甲基乙基酮．利用该催化剂体系对不同结构的烯烃催化反应进行了研究，发现该体系仅仅对苯乙烯类有较高的立体选择催化活性     

改良断流脉冲微反技术研究氧化镁催化苯酚烷基化反应

采用了一种不同于一般方法的断流脉冲微反技术。它可以只让反应器中某一段时间内的反应产物进入色谱分离柱,因此适合于考察反应物与产物在催化剂床层上均有强吸附而造成色谱分析中严重拖尾的催化反应体系。应用此技术考察了氧化镁催化剂上,苯酚-甲醇体系的选择性烷基化反应。并以酸性和碱性吸附质对催化剂进行预处理后,再进行活性的比较。根据实验结果对表面反应可能的机理进行了讨论。     

喹啉及其衍生物的多相不对称氢转移反应

喹啉及其衍生物的多相不对称氢转移是制备杂环手性化合物的理想策略.多相手性催化体系具有催化剂可循环利用及产物分离提纯容易等优势.然而,喹啉及其衍生物的多相手性高效催化体系鲜有报道.这主要是由于多相手性氢转移为水-油-固三相反应,在反应的过程中,传质问题极大影响固体催化剂的催化性能.因此,发展具有相转移功能的手性催化材料,是提高多相氢转移体系催化效率的有效途径.本文采用一锅法合成策略,通过离子液体(ILs)为连接基团实现了TsDPEN手性配体在SBA-15介孔孔道中的嫁接.与Rh盐配位后,获得手性固体催化剂SBA-ILBF4-TsDPEN-Rh.FI-IR光谱和13C NMR结果表明,手性催化活性中心成功负载在SBA-15中,随着手性活性中心负载量的增加,SBA-ILBF4-TsDPEN-Rh的比表面积、孔径和孔容逐渐降低.在喹啉衍生物不对称氢转移反应中,SBA-ILBF4-TsDPEN-Rh系列催化剂催化得到产物的ee值为91％,表明多相手性催化剂具有较高的手性选择性.多相手性催化剂的催化活性随着活性中心负载量的上升而呈现下降的趋势,这主要是由于活性中心负载量较低的多相催化剂具有更高的比表面积和孔容,更有利于催化过程中的传质.与均相手性催化剂相比,优化后的多相手性催化剂表现出更高的催化活性(TOF值分别为75和92 h-1).作为对比,本文还合成了采用烷基链为连接基团的SBA-TsDPEN25-Rh,并以其为基础进一步嫁接了ILs基团,得到SBA-TsDPEN20-ILBF4-Rh.在相同的反应条件下,SBA-ILBF4-TsDPEN50-Rh表现出更高的催化活性.上述结果证实了ILs基团在反应过程中起到相转移以及富集氢源甲酸盐的作用,极大促进了喹哪啶不对称氢转移多相催化体系的活性,并且ILs基团和手性活性中心在空间距离上的接近更有利于催化活性的提高.此外,本文还研究了反应体系pH值对固体催化剂上反应速率的影响,随着反应的进行,反应溶液的pH会呈现明显上升的趋势,导致反应速率减缓以及底物转化受限.通过在反应过程中加入适量甲酸或者选用浓度更高的缓冲溶液可以有效防止催化过程中反应速率的减慢.综上可见,负载手性催化剂中的连接基团对多相手性催化剂的催化性能有重要影响.通过改变手性配体的连接基团提高手性固体催化剂的催化活性和手性选择性的策略可以拓展到其他多相手性催化体系.     

CoSAPO-5分子筛的快速合成及高效催化α-蒎烯与空气环氧化反应

构建了用于催化空气环氧化α-蒎烯合成α-环氧蒎烷的高效、节能、绿色催化反应体系.首先,采用转动水热晶化模式合成了SAPO-5分子筛前驱体.相比于静态水热晶化模式,转动水热晶化模式可以显著缩短分子筛成核时间和晶化时间,同时可有效减小晶粒尺寸并显著提高晶粒尺寸的均一性.进一步对SAPO-5分子筛前驱体进行改性制得Co SAPO-5分子筛催化剂,并对反应溶剂、催化剂用量、反应温度和反应时间进行了优化.在获得的最优催化反应条件下,α-蒎烯转化率可达96.5%,α-环氧蒎烷产率可达89.0%.催化剂循环实验结果表明,该催化剂是稳定的、可多次循环使用的多相催化剂.     

Biocatalysis and Biomass Conversion in Alternative Reaction Media

In this Minireview, the state of the art in the use of ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DESs) as alternative reaction media for biocatalytic processes and biomass conversion is presented. Initial, proof‐of‐concept studies, more than a decade ago, involved first‐generation ILs based on dialkylimidazolium cations and non‐coordinating anions, such as tetrafluoroborate and hexafluorophosphate. More recently, emphasis has switched to more environmentally acceptable second‐generation ILs comprising cations, which are designed to be compatible with enzymes and, in many cases are derived from readily available, renewable resources, such as cholinium salts. Protic ionic liquids (PILs), prepared simply by mixing inexpensive amines and acids, are particularly attractive from both an environmental and economic viewpoint. DESs, prepared by mixing inexpensive salts with, preferably renewable, hydrogen‐bond donors such as glycerol and amino acids, have also proved suitable reaction media for biocatalytic conversions. A broad range of enzymes can be used in ILs, PILs and DESs, for example lipases in biodiesel production. These neoteric solvents are of particular interest, however, as reaction media for biocatalytic conversions of substrates that have limited solubility in common organic solvents, such as carbohydrates, nucleosides, steroids and polysaccharides. This has culminated in the recent focus of attention on their use as (co)solvents in the pretreatment and saccharification of lignocellulose as the initial steps in the conversion of second‐generation renewable biomass into biofuels and chemicals. They can similarly be used as reaction media in subsequent conversions of hexoses and pentoses into platform chemicals.     

CO2/离子液体体系热力学性质的分子动力学模拟

超临界CO2和离子液体(ILs)是两种绿色溶剂. 离子液体可以溶解超临界CO2, 而超临界CO2不能溶解离子液体. 由此设计构成的CO2/IL二元系统, 同时具备了超临界CO2和离子液体的许多优点: 既可以降低离子液体的粘度, 还便于相分离, 是新型的耦合绿色溶剂. 其物理化学性质对于设计反应、分离等过程非常重要. 因此, 本文以CO2/IL二元系统为研究对象, 通过选择合适的分子力场和系综, 运用分子动力学(MD)模拟方法研究了CO2/[bmim][PF6]、CO2/[bmim][NO3]等体系的热力学性质. 结果表明, CO2对ILs膨胀度的影响非常小, 当CO2摩尔分数为0.5时, ILs膨胀仅为15%. CO2/ILs的扩散系数远小于CO2膨胀甲醇、乙醇溶液的扩散系数. 随着CO2含量的增加, ILs的扩散系数提高, 粘度显著下降, 表明CO2能有效地改善ILs扩散性, 减小其粘度. 因此CO2可用以改善离子液体溶剂体系的传递特性, 增强反应分离过程在其中的进行.     

含CO2/离子液体系统相行为及其在反应与分离中的应用进展

目前已知的绿色溶剂主要包括超临界流体（Supercritical fluids,SCFs）、离子液体（Ionic liquids,ILs）、二氧化碳膨胀液体（CO₂ expanded liquids, CXLs）、水以及上述溶剂的混合物等。其中,由超临界CO₂（Supercritical CO₂,SCCO₂）与ILs混合而构成的新兴溶剂,因为化学热力学方面的特性,成为近年来研究的热点,未来很有发展前景。本文回顾了目前为止在该领域所开展的工作,总结了影响SCCO₂与IL相行为的主要因素。包括温度、压力、ILs的含水量、ILs的阴离子、ILs的阳离子、ILs的摩尔体积以及助溶剂等。同时分析了ILs/SCCO₂与溶质形成的多元混合物相行为的成因。介绍了ILs/CO₂在萃取、反萃取、膜分离、反胶束、萃取与反应耦合等分离方面的应用。由于传统的单元操作很难满足无污染和对过程集成的要求,因而含有ILs/ SCCO₂的分离反应耦合过程将是未来是实现清洁生产的发展方向。     

Development of the electrochemical biosensor for organophosphate chemicals using CNT/ionic liquid bucky gel electrode

Organophosphorus hydrolase (OPH) immobilized on CNT/ionic liquid (IL) electrodes were prepared by using three different intrinsic kinds of ILs, as binders. CNTs/ILs lead to dramatic electrochemical enhancements with respect to response time, stability, and sensitivity of composite electrodes. In addition, the electrochemical and biocatalytic properties of three-composite electrodes were strongly influenced by different types of ILs used, as verified by cyclic voltammetry and chronoamperometry. These results were attributed to the conformational changes of the microenvironment between the OPH and the composite electrodes within three different types of ILs. In particular, the biocatalytic signals of three OPH/CNT/ILs-modified electrodes increased linearly to the concentration of paraoxon in a wide range of 2–20 μM. These findings provide a deep understanding of the role of each IL on the modified electrodes, enabling to enhance electrochemical properties for biosensors.     

离子液体表/界面性质与结构

离子液体与气体、溶剂等物质组成的多相体系为吸收、萃取、两相催化等技术的发展提供了新的平台。离子液体的表/界面性质与结构是含离子液体多相体系的重要科学问题,可在介观尺度下显著影响多相体系反应和分离过程的效率。近年来,离子液体表/界面性质和结构的研究得到了广泛的关注。本文综述了离子液体及其与水、有机溶剂组成的混合物的表/界面张力及结构研究进展,介绍了现有的研究方法、研究对象与研究成果,归纳了离子液体及其混合物表/界面张力及结构的变化规律,分析了表/界面结构与表/界面张力之间的关系,探讨了离子液体表/界面研究存在的问题和未来的发展方向。     

Isothiouronium salts as useful and odorless intermediates for the synthesis of thiaalkylimidazolium ionic liquids

A simple and odorless route for the synthesis of monocationic and dicationic thiaalkylimidazolium ionic liquids (ILs) is reported. Our approach starts with the selective monoalkylation of dihalogenated substrates by methylimidazole derivatives, followed by the synthesis of odorless isothiouronium salts via reaction with thiourea. The target ILs are obtained after sequential hydrolysis-alkylation of the isothiouronium salts followed by anion metathesis in water. After extraction, the novel thiaalkylimidazolium ILs are obtained with high purity, without the requirement of additional purification steps. In order to demonstrate their applicability, two of these task-specific ILs were employed as ligands in Ullmann and Suzuki couplings and also as charged probes to detect copper intermediates via ESI(+)-MS.     

Calorimetric Studies and Structural Aspects of Ionic Liquids in Designing Sorption Materials for Thermal Energy Storage

The thermal properties of a series of twenty‐four ionic liquids (ILs) have been determined by isothermal titration calorimetry (ITC) with the aim of simulating processes involving water sorption. For eleven water‐free ILs, the molecular structures have been determined by X‐ray crystallography in the solid state, which have been used to derive the molecular volumes of the ionic components of the ILs. Moreover, the structures reveal a high prevalence of hydrogen bonding in these compounds. A relationship between the molecular volumes and the experimentally determined energies of dilution could be established. The highest energies of dilution observed in this series were obtained for the acetate‐based ILs, which underlines their potential as working fluids in sorption‐based thermal energy storage systems.     

Liquid phase behavior of ionic liquids with alcohols: experimental studies and modeling

Ionic liquids (ILs) have been suggested as potential "green" solvents to replace volatile organic solvents in reaction and separation processes due to their negligible vapor pressure. To develop ILs for these applications, it is important to gain a fundamental understanding of the factors that control the phase behavior of ionic liquids with other liquids. In this work, we continue our study of the effect of chemical and structural factors on the phase behavior of ionic liquids with alcohols, focusing on pyridinium ILs for comparison to imidazolium ILs from our previous studies. The impact of different alcohol and IL characteristics, including alcohol chain length, cation alkyl chain length, anion, different substituent groups on the pyridinium cation, and type of cation (pyridinium vs imidazolium) will be discussed. In general, the same type of behavior is observed for pyridinium and imidazolium ILs, with all systems studied exhibiting upper critical solution temperature behavior. The impacts of alcohol chain length, cation chain length, and anion, are the same for pyridinium ILs as those observed previously for imidazolium ILs. However, the effect of cation type on the phase behavior is dependent on the strength of the cation-anion interaction. Additionally, all systems from this study and our previous work for imidazolium ILs were modeled using the nonrandom two-liquid (NRTL) equation using two different approaches for determining the adjustable parameters. For all systems, the NRTL equation with binary interaction parameters with a linear temperature dependence provided a good fit of the experimental data.     

离子液体催化CO2与环氧化物合成环状碳酸酯

综述了离子液体催化CO2与环氧化物的环加成反应制备环状碳酸酯的研究进展。目前报道的离子液体主要包括咪唑盐、季铵盐、季鏻盐等。对比了传统离子液体与功能化离子液体对CO2环加成反应的催化活性、选择性以及催化作用机制。与传统的离子液体相比,功能化离子液体的羟基或羧基等官能团与卤素离子等Lewis碱之间存在协同效应,使得其对CO2与环氧化物的环加成反应具有更好的催化活性;将功能化离子液体固载于无机材料(SiO2,SBA-15,MCM-41等)或聚合物所得的多相催化剂不仅保持了官能团与阴离子之间的协同效应,而且载体与离子液体活性组分之间也显示出协同效应,使得该类催化剂具有很好的催化活性,稳定性好,可以多次重复使用,具有较好的工业化前景,是值得深入研发的一类催化材料。此外,离子液体对于手性环状碳酸酯的合成也具有较好的催化活性和立体选择性。