[发明专利]丙烯甲烷共氧化制备环氧丙烷的生物催化方法

说明书

本发明涉及一种利用甲烷氧化细菌催化丙烯甲烷共氧化反应制备环氧丙烷的生物催化方法。

环氧化物是有机合成中的重要原料，作为许多化合物的前体大规模地应用于化学工业，运用生物技术合成环氧化物尤其是光学活性环氧化物是有机合成中一个极富挑战性的课题(D.J.Leak，P.J.Aikens，M.Seyed-Mahmoudian.Themicrobial production of epoxides Trends Biotechnology，1992，10(7)：256-261)。目前，环氧化物主要采用氯醇法和过氧化物法合成。这些方法均为多步反应过程，存在副产物多，废水处理昂贵等缺点。生物酶是一种独特的有机合成催化剂。生物催化具有反应条件温和，选择性强等特点。广泛存在于自然界中的甲烷氧化细菌(Methanotrophic bacteria)是一类以甲烷为唯一碳源和能源生长的细菌，能利用依赖辅酶NADH的甲烷单加氧酶(Methane Monoxygenase，MMO)活化分子氧，催化烷烃羟基化和烯烃环氧化反应。

作为环氧化物合成的一条崭新途径，该催化过程可以利用空气中的分子氧实现烯烃的直接环氧化；但由于在丙烯环氧化制备环氧丙烷的生物催化反应过程中，随着产物环氧丙烷的积累和辅酶NADH的消耗，细胞会很快失去活性，这成为进行连续催化反应所要解决的首要问题。通过将环氧化产物不断抽提出来，可以解决环氧化产物对细胞的毒副作用。对仅由能量短缺导致失活的细胞，外源性电子给体的加入可使细胞获得再生；高灿柱(高灿柱，李树本，宁治中等，分子催化，1990，4，291；高灿柱，李树本，宁治中等，分子催化，1991，5，227)曾报道甲烷是Methylomonas sp.GYJ3细胞最好的再生剂。但高灿柱进行的是将细胞环氧化与甲烷再生反应交替进行的间歇式反应，环氧化连续反应仍无法进行。曾报道与丙烯等体积存在的甲烷可明显抑制甲烷氧化细菌的环氧化活性(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)。

本发明的目的在于解决上述问题而提出一种以甲烷利用菌为催化剂，催化丙烯甲烷共氧化反应连续制备环氧丙烷的生物催化方法。

本发明的目的可由如下措施实现：

首先对甲基单胞菌Methylomonas sp.GYJ3进行培养，然后将收获的细胞用含有磷酸盐的缓冲溶液悬浮，充入含有丙烯、甲烷和空气的混合气体启动反应，32-40摄氏度、150-200转/分钟反应一定时间后得到含有产物环氧丙烷的水溶液。

下式是由甲烷氧化细菌中甲烷单加氧酶催化完成的烯烃环氧化反应。随反应的进行，由于还原型辅酶NADH的不断消耗和体系中的毒性产物环氧丙烷的积累导致细胞很快失活。甲烷作为甲烷氧化细菌的天然底物，可以通过以下途径再生出还原型辅酶NADH，为反应体系提供还原能量。(注：NADH₂，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NAD⁺，氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；PQQ，氧化型吡咯并喹啉醌；PQQH₂，还原型吡咯并喹啉醌；)

本发明将甲烷与丙烯按一定比例混合，实现了在环氧化反应的同时辅酶NADH的原位再生，解决了甲烷氧化细菌催化丙烯环氧化制备环氧丙烷的关键性问题。

丙烯甲烷共氧化制备环氧丙烷的生物催化方法，其特征在于采用甲烷作为辅助底物，与一定比例的丙烯混合，在甲烷氧化细菌细胞存在下，32-40摄氏度、150-220转/分钟反应得到环氧丙烷。

本发明采用的甲烷氧化细菌Methylomonas sp.GYJ3的浓度为2-30毫克/毫升。

本发明采用的丙烯和甲烷的体积比为1∶0.5-1∶1.5。

本发明采用的反应介质为含有50-100毫摩尔/升的磷酸氢二钠，50-100毫摩尔/升的磷酸二氢钠，5毫摩尔/升的氯化镁的磷酸盐缓冲溶液，ph＝6.5-6.9。

本发明采用的反应温度为32-40摄氏度，转数为150-220转/分钟。

本发明有如下特点：

a 采用生物催化的方法在温和的条件下以丙烯、甲烷为底物反应得到环氧丙烷；