光催化、電催化和生物催化在扁桃酸合成中的應用進展

曹尚,趙寶海,張曉虎,侯學振

(江蘇原創藥物研發有限公司,江蘇 連云港 222000)

扁桃酸(Mandelic Acid)作為一種有機酸,是一種重要的天然產物,其化學式為C6H5CH(OH)COOH,屬于脂肪酸家族中的芳香羧酸。其分子結構中含有苯環、羥基及羧基等基團,賦予了扁桃酸獨特的化學和生物活性。扁桃酸在醫藥、農業、化妝品和食品等領域具有廣泛的應用前景[1-2],它表現出抗氧化、抗炎癥、抗菌等多種藥理活性,并被用作藥物開發、抗癌治療、食品保鮮和化妝品等領域的重要原料。

隨著可持續發展理念的興起和對環境友好合成方法的需求增加,綠色化學合成成為合成化學領域的研究熱點。傳統的扁桃酸合成方法通常采用高溫、高壓、有毒溶劑和催化劑,這些條件下對環境和健康產生負面影響[3]。因此,發展可持續化學合成方法具有重要的科學和實際意義。

光催化、電催化和生物催化是可持續化學合成領域的重要研究方向。這些催化方式不僅具有高效性和選擇性,還能降低對環境的不利影響。光催化利用光能激發催化劑參與反應[4],電催化通過外加電勢驅動反應進行[5],生物催化則是利用生物催化劑(酶)提高反應轉化率[6]。這些催化方式在扁桃酸合成中的應用已經取得了一定的進展。

1 扁桃酸的傳統合成方法

1.1 苯甲醛氰化水解法

該方法中,苯甲醛與氰基反應生成β-羥基苯基乙腈,然后在酸性條件下水解得到目標產物[7]。反應式如下:

通過這兩個步驟,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,這些試劑對環境和人體健康有一定的風險。因此,在可持續化學合成的理念下,需要考慮使用更環保和綠色的替代反應條件和催化劑,以提高合成過程的效率和環境友好性。

1.2 苯乙酮鹵代水解法

1)以苯乙酮為反應底物,對末端甲基進行二氯化或二溴化,然后進行堿解、分子內脫水、Cannizzaro反應,最后調節酸得到目標產物扁桃酸[8]。反應式如下:

2)以苯或取代苯為原料,經傅克酰基化、堿解、分子內脫水、Cannizzaro反應,最后酸調節得到相應的扁桃酸[9]。反應式如下:

通過這幾個步驟,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,但過程產物二氯卡賓有明顯的刺激性,因此在實驗和工業生產中需要注意安全操作。

1.3 相轉移催化法

相轉移催化法(Phase Transfer Catalysis,簡稱PTC),廣泛應用于各個領域的有機合成。由于其溫和的反應條件,較高的反應收率,人們開始嘗試將其應用于合成扁桃酸。共需經歷四個步驟,先在水相中產生三氯化碳陽離子,然后三氯化碳陽離子再在相轉移催化劑的作用下,轉化至有機相并形成二氯卡賓(:CCl),然后二氯卡賓對苯甲醛進行親核加成反應,最后反應物經重排和水解最終生成目標產物扁桃酸[10]。反應式如下:

通過這幾個步驟,相轉移催化法可以合成扁桃酸。相轉移催化法具有催化活性高、綠色環保等優勢,能夠在較溫和的條件下進行合成,避免了強氧化劑或還原劑的使用。但是整個反應存在可控性較差、催化劑回收不便、反應時間過長等缺點。

2 光催化在扁桃酸合成中的應用

2.1 光催化反應的基本原理和機制

光催化是利用光能激發催化劑參與化學反應的過程。在光催化反應中,催化劑通過吸收光能,使電子從基態激發到激發態,并與底物發生相互作用,從而導致反應的進行。光催化反應的基本原理和機制包括能帶結構、電子轉移、活性中間體的形成和反應動力學等方面[11]。

2.2 光化劑在扁桃酸合成中的應用案例

使用光催化技術來合成扁桃酸和其衍生物的過程中,一個常用的光化劑是釕(Ru)基復合物。該復合物在可見光條件下可吸收光能,并能夠催化反應中的關鍵步驟。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行光催化反應,以形成扁桃酸。光化劑在此反應中充當催化劑,通過吸收光能激活底物,從而促使化學反應發生。這樣的光催化反應通常在溶液中進行,使用可見光源激發催化劑。

通過光催化反應合成扁桃酸可以具有以下優點:高選擇性,較快的反應速率,溫和的反應條件以及綠色環保[12]。

2.3 光催化反應評價

光催化在扁桃酸合成中具有一些優勢,如溫和反應條件、高效性和環境友好性。使用可見光作為能源,可以降低能源消耗和排放。此外,光催化反應還具有選擇性和反應條件易于控制的優點。然而,光催化反應仍然面臨一些挑戰,如光催化劑的設計和合成、光源穩定性和光強要求,以及反應機理的理解和調控等方面的挑戰[13]。

3 電催化在扁桃酸合成中的應用

3.1 電催化反應的基本原理和機制

電催化是利用外加電勢促進和驅動化學反應進行的過程。在電催化反應中,外加電勢可以調控反應的能壘,從而降低反應活化能,提高反應速率。電催化反應的基本原理和機制涉及電子轉移、電化學界面和電勢調控等方面[14]。

3.2 電催化劑在扁桃酸合成中的應用案例

電催化在扁桃酸合成中常用于催化底物的還原反應。通過調控電勢和選擇合適的電催化劑,可以實現對底物中的特定官能團的還原,從而實現扁桃酸的合成。電催化劑常常是金屬或合金材料,其物理和化學性質將影響反應的速率和選擇性。

因此,通過調控電催化劑的組成、結構和形貌等因素,可以優化催化性能,并提高扁桃酸合成的效率[15]。

3.3 電催化反應評價

電催化在扁桃酸合成中具有一些優勢,如選擇性容易調控、反應條件易于控制,并且可以利用可再生能源來驅動反應。此外,電催化反應還可以實現多相催化,減少廢棄物的生成。然而,電催化反應仍然面臨一些挑戰,如電催化劑的設計和合成、電流效率的提高、催化劑的穩定性和反應機制的理解等方面的挑戰[16]。

4 生物催化在扁桃酸合成中的應用

4.1 生物催化反應的基本原理和機制

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

4.2 酶催化在扁桃酸合成中的應用案例

一種常見的使用酶催化反應合成扁桃酸的方法是催化底物的羧基化反應。該反應涉及將底物中的羧基轉化為扁桃酸的特定官能團。例如,可以使用酶羧化酶(carboxylase)來催化底物,使其發生羧基化反應。該酶能夠選擇性地將底物中的羧基轉化為扁桃酸官能團。通過優化反應條件,確定適當的底物和酶催化劑的濃度、溫度和pH值等,可以實現高效的扁桃酸合成[18]。

這只是酶催化反應在扁桃酸合成中的一種應用方式。這種方法通常具有選擇性高和轉化率高等優勢,使其在生物催化反應中得到廣泛應用。

4.3 生物催化反應評價

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

5 光催化、電催化和生物催化的對比與展望

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

5.1 不同催化方式的優勢與限制分析

光催化方式的優勢與限制:1)光催化反應無需高溫和高壓條件,具有較低的能耗和環境影響;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控的優勢;3)光催化對于反應物的能級匹配要求較高,需要合適的光敏劑來激發反應;4)光敏劑的穩定性較差,一些光敏劑在反應過程中可能會發生光解或降解,影響反應效果。

電催化方式的優勢與限制:1)電催化能夠利用電能驅動催化反應,具有高效率、可逆性和可控性等優點;2)反應條件相對靈活,可以通過調節電源參數來控制反應速率和選擇性;3)電催化反應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條件的影響;5)選擇合適的電催化劑對于反應的效率和選擇性非常重要。

生物催化方式的優勢與限制:1)生物催化反應具有高效率、高選擇性和可再生的優勢;2)通過酶的選擇、改造和調節,可實現特定扁桃酸合成反應;3)生物催化的反應溫和,催化劑壽命較長;4)生物催化需要考慮酶或微生物催化劑的活性和穩定性,以及反應條件的控制;5)一些催化酶對于特定底物的選擇性可能較差,需要進行改造或優化。

5.2 不同催化方式的選擇依據和因素考慮

在選擇合適的催化方式時,需考慮以下因素有:1)反應底物的特性:不同催化方式對于不同的反應底物有不同的適用性。需要考慮反應底物的結構、能級以及催化劑與反應底物之間的相互作用;2)反應條件的要求:不同催化方式對于反應條件的要求不同。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條件的要求;3)反應速率和選擇性要求:不同催化方式對于反應速率和選擇性有不同的影響。需要根據反應的需要選擇具有高效率和高選擇性的催化方式。

5.3 未來發展方向和研究挑戰

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,優化反應條件,并通過光催化技術實現更高的選擇性和效率。對于電催化來說,可以繼續研究開發更多的電催化劑,探索新的反應機制,并改進電催化反應系統的設計,以提高效率和選擇性。生物催化方面,可以進一步挖掘和改造酶或微生物催化劑,提高其活性和穩定性,并研究反應條件對催化反應的影響,以實現更高的產率和選擇性。

6 結論

本文細化討論了光催化、電催化和生物催化在扁桃酸合成中的應用,雖各自具有一些獨特的優勢,但仍然面臨一些挑戰。未來的發展方向包括開發更高效和穩定的催化劑、優化反應條件以提高產率和選擇性,并深入理解反應機制以促進催化效果的優化。此外,需要繼續研究不同催化方式的組合應用,以實現協同催化和提高反應效率。