光催化、電催化和生物催化在扁桃酸合成中的應(yīng)用進(jìn)展

曹尚,趙寶海,張曉虎,侯學(xué)振

(江蘇原創(chuàng)藥物研發(fā)有限公司,江蘇 連云港 222000)

扁桃酸(Mandelic Acid)作為一種有機(jī)酸,是一種重要的天然產(chǎn)物,其化學(xué)式為C6H5CH(OH)COOH,屬于脂肪酸家族中的芳香羧酸。其分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)、羥基及羧基等基團(tuán),賦予了扁桃酸獨(dú)特的化學(xué)和生物活性。扁桃酸在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化妝品和食品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2],它表現(xiàn)出抗氧化、抗炎癥、抗菌等多種藥理活性,并被用作藥物開發(fā)、抗癌治療、食品保鮮和化妝品等領(lǐng)域的重要原料。

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的興起和對(duì)環(huán)境友好合成方法的需求增加,綠色化學(xué)合成成為合成化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的扁桃酸合成方法通常采用高溫、高壓、有毒溶劑和催化劑,這些條件下對(duì)環(huán)境和健康產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。因此,發(fā)展可持續(xù)化學(xué)合成方法具有重要的科學(xué)和實(shí)際意義。

光催化、電催化和生物催化是可持續(xù)化學(xué)合成領(lǐng)域的重要研究方向。這些催化方式不僅具有高效性和選擇性,還能降低對(duì)環(huán)境的不利影響。光催化利用光能激發(fā)催化劑參與反應(yīng)[4],電催化通過外加電勢(shì)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行[5],生物催化則是利用生物催化劑(酶)提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率[6]。這些催化方式在扁桃酸合成中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

1 扁桃酸的傳統(tǒng)合成方法

1.1 苯甲醛氰化水解法

該方法中,苯甲醛與氰基反應(yīng)生成β-羥基苯基乙腈,然后在酸性條件下水解得到目標(biāo)產(chǎn)物[7]。反應(yīng)式如下:

通過這兩個(gè)步驟,苯甲醛氰化水解法可以合成扁桃酸。但需注意這種方法通常需要使用氰化鈉和氧化劑,這些試劑對(duì)環(huán)境和人體健康有一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在可持續(xù)化學(xué)合成的理念下,需要考慮使用更環(huán)保和綠色的替代反應(yīng)條件和催化劑,以提高合成過程的效率和環(huán)境友好性。

1.2 苯乙酮鹵代水解法

1)以苯乙酮為反應(yīng)底物,對(duì)末端甲基進(jìn)行二氯化或二溴化,然后進(jìn)行堿解、分子內(nèi)脫水、Cannizzaro反應(yīng),最后調(diào)節(jié)酸得到目標(biāo)產(chǎn)物扁桃酸[8]。反應(yīng)式如下:

2)以苯或取代苯為原料,經(jīng)傅克酰基化、堿解、分子內(nèi)脫水、Cannizzaro反應(yīng),最后酸調(diào)節(jié)得到相應(yīng)的扁桃酸[9]。反應(yīng)式如下:

通過這幾個(gè)步驟,苯乙酮鹵代水解法可以合成扁桃酸。這種方法避免了使用氰化劑,但過程產(chǎn)物二氯卡賓有明顯的刺激性,因此在實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中需要注意安全操作。

1.3 相轉(zhuǎn)移催化法

相轉(zhuǎn)移催化法(Phase Transfer Catalysis,簡(jiǎn)稱PTC),廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的有機(jī)合成。由于其溫和的反應(yīng)條件,較高的反應(yīng)收率,人們開始嘗試將其應(yīng)用于合成扁桃酸。共需經(jīng)歷四個(gè)步驟,先在水相中產(chǎn)生三氯化碳陽離子,然后三氯化碳陽離子再在相轉(zhuǎn)移催化劑的作用下,轉(zhuǎn)化至有機(jī)相并形成二氯卡賓(:CCl),然后二氯卡賓對(duì)苯甲醛進(jìn)行親核加成反應(yīng),最后反應(yīng)物經(jīng)重排和水解最終生成目標(biāo)產(chǎn)物扁桃酸[10]。反應(yīng)式如下:

通過這幾個(gè)步驟,相轉(zhuǎn)移催化法可以合成扁桃酸。相轉(zhuǎn)移催化法具有催化活性高、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì),能夠在較溫和的條件下進(jìn)行合成,避免了強(qiáng)氧化劑或還原劑的使用。但是整個(gè)反應(yīng)存在可控性較差、催化劑回收不便、反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

2 光催化在扁桃酸合成中的應(yīng)用

2.1 光催化反應(yīng)的基本原理和機(jī)制

光催化是利用光能激發(fā)催化劑參與化學(xué)反應(yīng)的過程。在光催化反應(yīng)中,催化劑通過吸收光能,使電子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài),并與底物發(fā)生相互作用,從而導(dǎo)致反應(yīng)的進(jìn)行。光催化反應(yīng)的基本原理和機(jī)制包括能帶結(jié)構(gòu)、電子轉(zhuǎn)移、活性中間體的形成和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面[11]。

2.2 光化劑在扁桃酸合成中的應(yīng)用案例

使用光催化技術(shù)來合成扁桃酸和其衍生物的過程中,一個(gè)常用的光化劑是釕(Ru)基復(fù)合物。該復(fù)合物在可見光條件下可吸收光能,并能夠催化反應(yīng)中的關(guān)鍵步驟。具體而言,研究人員使用扁桃酸的前體化合物和親核試劑進(jìn)行光催化反應(yīng),以形成扁桃酸。光化劑在此反應(yīng)中充當(dāng)催化劑,通過吸收光能激活底物,從而促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。這樣的光催化反應(yīng)通常在溶液中進(jìn)行,使用可見光源激發(fā)催化劑。

通過光催化反應(yīng)合成扁桃酸可以具有以下優(yōu)點(diǎn):高選擇性,較快的反應(yīng)速率,溫和的反應(yīng)條件以及綠色環(huán)保[12]。

2.3 光催化反應(yīng)評(píng)價(jià)

光催化在扁桃酸合成中具有一些優(yōu)勢(shì),如溫和反應(yīng)條件、高效性和環(huán)境友好性。使用可見光作為能源,可以降低能源消耗和排放。此外,光催化反應(yīng)還具有選擇性和反應(yīng)條件易于控制的優(yōu)點(diǎn)。然而,光催化反應(yīng)仍然面臨一些挑戰(zhàn),如光催化劑的設(shè)計(jì)和合成、光源穩(wěn)定性和光強(qiáng)要求,以及反應(yīng)機(jī)理的理解和調(diào)控等方面的挑戰(zhàn)[13]。

3 電催化在扁桃酸合成中的應(yīng)用

3.1 電催化反應(yīng)的基本原理和機(jī)制

電催化是利用外加電勢(shì)促進(jìn)和驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的過程。在電催化反應(yīng)中,外加電勢(shì)可以調(diào)控反應(yīng)的能壘,從而降低反應(yīng)活化能,提高反應(yīng)速率。電催化反應(yīng)的基本原理和機(jī)制涉及電子轉(zhuǎn)移、電化學(xué)界面和電勢(shì)調(diào)控等方面[14]。

3.2 電催化劑在扁桃酸合成中的應(yīng)用案例

電催化在扁桃酸合成中常用于催化底物的還原反應(yīng)。通過調(diào)控電勢(shì)和選擇合適的電催化劑,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底物中的特定官能團(tuán)的還原,從而實(shí)現(xiàn)扁桃酸的合成。電催化劑常常是金屬或合金材料,其物理和化學(xué)性質(zhì)將影響反應(yīng)的速率和選擇性。

因此,通過調(diào)控電催化劑的組成、結(jié)構(gòu)和形貌等因素,可以優(yōu)化催化性能,并提高扁桃酸合成的效率[15]。

3.3 電催化反應(yīng)評(píng)價(jià)

電催化在扁桃酸合成中具有一些優(yōu)勢(shì),如選擇性容易調(diào)控、反應(yīng)條件易于控制,并且可以利用可再生能源來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。此外,電催化反應(yīng)還可以實(shí)現(xiàn)多相催化,減少廢棄物的生成。然而,電催化反應(yīng)仍然面臨一些挑戰(zhàn),如電催化劑的設(shè)計(jì)和合成、電流效率的提高、催化劑的穩(wěn)定性和反應(yīng)機(jī)制的理解等方面的挑戰(zhàn)[16]。

4 生物催化在扁桃酸合成中的應(yīng)用

4.1 生物催化反應(yīng)的基本原理和機(jī)制

生物催化是利用生物催化劑(通常為酶)作為催化劑促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的過程。生物催化反應(yīng)涉及催化劑與底物之間的專一性相互作用、底物結(jié)合和催化活化等過程。生物催化反應(yīng)通常在溫和的條件下進(jìn)行,具有高效和高選擇性的優(yōu)勢(shì)[17]。

4.2 酶催化在扁桃酸合成中的應(yīng)用案例

一種常見的使用酶催化反應(yīng)合成扁桃酸的方法是催化底物的羧基化反應(yīng)。該反應(yīng)涉及將底物中的羧基轉(zhuǎn)化為扁桃酸的特定官能團(tuán)。例如,可以使用酶羧化酶(carboxylase)來催化底物,使其發(fā)生羧基化反應(yīng)。該酶能夠選擇性地將底物中的羧基轉(zhuǎn)化為扁桃酸官能團(tuán)。通過優(yōu)化反應(yīng)條件,確定適當(dāng)?shù)牡孜锖兔复呋瘎┑臐舛?、溫度和pH值等,可以實(shí)現(xiàn)高效的扁桃酸合成[18]。

這只是酶催化反應(yīng)在扁桃酸合成中的一種應(yīng)用方式。這種方法通常具有選擇性高和轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)勢(shì),使其在生物催化反應(yīng)中得到廣泛應(yīng)用。

4.3 生物催化反應(yīng)評(píng)價(jià)

生物催化在扁桃酸合成中具有一些優(yōu)勢(shì),如高效性、高立體選擇性和溫和的反應(yīng)條件。生物催化反應(yīng)通常在水溶液中進(jìn)行,不需要高溫和有機(jī)溶劑,從而具有較低的能源消耗和環(huán)境影響。然而,生物催化反應(yīng)仍然面臨一些挑戰(zhàn),如酶的穩(wěn)定性、底物特異性和反應(yīng)廢物的處理等方面的挑戰(zhàn)[19]。

5 光催化、電催化和生物催化的對(duì)比與展望

在扁桃酸合成中,光催化可以利用可見光或紫外光激發(fā)光敏劑,產(chǎn)生活性物種參與催化反應(yīng);電催化可以利用電子傳遞過程完成催化反應(yīng);生物催化可以利用特定酵素催化劑催化反應(yīng)。

5.1 不同催化方式的優(yōu)勢(shì)與限制分析

光催化方式的優(yōu)勢(shì)與限制:1)光催化反應(yīng)無需高溫和高壓條件,具有較低的能耗和環(huán)境影響;2)光催化劑可再生、高效利用光能,具備催化劑選擇性和活性調(diào)控的優(yōu)勢(shì);3)光催化對(duì)于反應(yīng)物的能級(jí)匹配要求較高,需要合適的光敏劑來激發(fā)反應(yīng);4)光敏劑的穩(wěn)定性較差,一些光敏劑在反應(yīng)過程中可能會(huì)發(fā)生光解或降解,影響反應(yīng)效果。

電催化方式的優(yōu)勢(shì)與限制:1)電催化能夠利用電能驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng),具有高效率、可逆性和可控性等優(yōu)點(diǎn);2)反應(yīng)條件相對(duì)靈活,可以通過調(diào)節(jié)電源參數(shù)來控制反應(yīng)速率和選擇性;3)電催化反應(yīng)過程中常常采用無毒、無污染的電子傳遞步驟;4)電催化的有效性受到電催化劑的選擇和反應(yīng)條件的影響;5)選擇合適的電催化劑對(duì)于反應(yīng)的效率和選擇性非常重要。

生物催化方式的優(yōu)勢(shì)與限制:1)生物催化反應(yīng)具有高效率、高選擇性和可再生的優(yōu)勢(shì);2)通過酶的選擇、改造和調(diào)節(jié),可實(shí)現(xiàn)特定扁桃酸合成反應(yīng);3)生物催化的反應(yīng)溫和,催化劑壽命較長(zhǎng);4)生物催化需要考慮酶或微生物催化劑的活性和穩(wěn)定性,以及反應(yīng)條件的控制;5)一些催化酶對(duì)于特定底物的選擇性可能較差,需要進(jìn)行改造或優(yōu)化。

5.2 不同催化方式的選擇依據(jù)和因素考慮

在選擇合適的催化方式時(shí),需考慮以下因素有:1)反應(yīng)底物的特性:不同催化方式對(duì)于不同的反應(yīng)底物有不同的適用性。需要考慮反應(yīng)底物的結(jié)構(gòu)、能級(jí)以及催化劑與反應(yīng)底物之間的相互作用;2)反應(yīng)條件的要求:不同催化方式對(duì)于反應(yīng)條件的要求不同。需要考慮溫度、壓力、溶劑等因素,選擇適合的催化方式來滿足反應(yīng)條件的要求;3)反應(yīng)速率和選擇性要求:不同催化方式對(duì)于反應(yīng)速率和選擇性有不同的影響。需要根據(jù)反應(yīng)的需要選擇具有高效率和高選擇性的催化方式。

5.3 未來發(fā)展方向和研究挑戰(zhàn)

光催化、電催化和生物催化在扁桃酸合成中均有潛力。未來的研究可以致力于尋找更有效的光敏劑,優(yōu)化反應(yīng)條件,并通過光催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的選擇性和效率。對(duì)于電催化來說,可以繼續(xù)研究開發(fā)更多的電催化劑,探索新的反應(yīng)機(jī)制,并改進(jìn)電催化反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),以提高效率和選擇性。生物催化方面,可以進(jìn)一步挖掘和改造酶或微生物催化劑,提高其活性和穩(wěn)定性,并研究反應(yīng)條件對(duì)催化反應(yīng)的影響,以實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)率和選擇性。

6 結(jié)論

本文細(xì)化討論了光催化、電催化和生物催化在扁桃酸合成中的應(yīng)用,雖各自具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但仍然面臨一些挑戰(zhàn)。未來的發(fā)展方向包括開發(fā)更高效和穩(wěn)定的催化劑、優(yōu)化反應(yīng)條件以提高產(chǎn)率和選擇性,并深入理解反應(yīng)機(jī)制以促進(jìn)催化效果的優(yōu)化。此外,需要繼續(xù)研究不同催化方式的組合應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)協(xié)同催化和提高反應(yīng)效率。