專利名稱：用于纖維素水解的印跡仿生催化劑的制作方法
用于纖維素水解的印跡仿生催化劑
背景技術(shù)：
數(shù)十年來，精煉石油產(chǎn)品一直是主要能源。不幸的是，由于過量的需求和逐漸減小的供給，最近幾年基于精煉石油和基于原油的產(chǎn)品價格都在飆升。此外，石油產(chǎn)品在燃燒時大大地促進了正在持續(xù)的全球變暖危機。由于許多與石油產(chǎn)品相關(guān)的問題，對探索替代能源存在濃厚興趣?；谑偷娜剂系囊环N替代品是乙醇。乙醇通常由蔗糖或葡萄糖的酵母發(fā)酵進行生產(chǎn)，蔗糖和葡萄糖的結(jié)構(gòu)如

圖1所示 (Wang, Μ.，et al. Effect of Fuel Ethanol Use on Fuel-Cycle Energy and Greenhouse Gas Emission ； Argonne National Laboratory Argonne, 1999.)。用乙酉享代替基于石油的燃料的可行性已經(jīng)被成功證明。例如，在巴西，源自甘蔗的乙醇在很大程度上代替了基于石油的燃料(Sperling，D. ；Gordon，D.，Two billion cars driving toward sustainability. Oxford University Press :New York，2009·)。盡管乙醇顯示了作為替代燃料源的希望，但是有許多障礙妨礙了乙醇生產(chǎn)在美國的增長。具體地，生產(chǎn)乙醇所需的原材料例如蔗糖和葡萄糖是常見食物。例如，蔗糖是非還原性二糖，由葡萄糖和果糖組成，主要由甘蔗或糖用甜菜生產(chǎn)。葡萄糖由植物淀粉(α連接的葡糖苷的重復(fù)聚合物)水解生產(chǎn)，主要源自玉米。對生產(chǎn)乙醇所需要的原材料的需求與對食品的需求競爭，導(dǎo)致食品和燃料價格都上漲。源自玉米的乙醇的潛在益處進一步被這樣的研究所減弱，所述研究顯示基于玉米的乙醇可能有凈氣候變暖效應(yīng)(CrutzemP. J. ,et al.，Atmospheric Chemistry and Physics 2008，8，(2)，389-395.)。在減輕一些與基于玉米的乙醇生產(chǎn)相關(guān)的問題的嘗試中，乙醇工業(yè)界將注意轉(zhuǎn)移到由纖維素開發(fā)葡萄糖的方法。纖維素是由β_1，4連接的葡糖苷組成的聚合物，可以在幾乎所有植物材料中找到。因此，將纖維素水解成葡萄糖的有效方法可以允許乙醇生產(chǎn)能力接近預(yù)測的地球上植物每年正常產(chǎn)生的IO11噸纖維素。大量的纖維素甚至可以從作物殘留物例如玉米秸稈、甘蔗渣以及甚至基于纖維素的垃圾中獲得。這些材料將是可持續(xù)的，易于收集并且非常便宜(Saha，B.C.，et al. In Fuel ethanol production from corn fiber-Current status and technical prospects, 1998 ；Humana Press Inc 1998 ；pp 115-125 ；Tucker, Μ.P. , et al. In Conversion of distiller ' s grain into fuel alcohol and a higher-value animal feed by dilute-acid pretreatment, 2004 ；HumanaPress Inc 2004 ；pp 1139—1159·)。
千會Hi才目)(寸蔗糖的另一個優(yōu)勢是纖維素水解只產(chǎn)生葡萄糖，酵母喜歡葡萄糖超過蔗糖。即使纖維素?zé)o疑是世界上最豐富的生物材料，但將纖維素直接水解為葡萄糖并非易事。考慮到與水解相關(guān)的困難，大部分大規(guī)模水解纖維素的嘗試已經(jīng)致力于使用纖維素酶，纖維素酶是一類催化纖維素水解的酶。研究也致力于修飾酶的制備，所述修飾酶被改造成在水解纖維素所需的極高溫和PH條件下更穩(wěn)定。(Sun，Y. et al. Bioresource Technology 2002,83, (1),1-11 ；Wright,J. D. Chemical Engineering Progress 1988,84,，62-74.)。 盡管制備能將纖維素水解成葡萄糖的纖維素酶有一些成功，但即使最熱穩(wěn)定的纖維素酶也是昂貴的而且壽命相對短。此外，基于酶的水解通常需要數(shù)天來完成所需的反應(yīng)。 分離和重復(fù)使用纖維素酶也很困難，導(dǎo)致使用這些試劑的任何工藝更昂貴。這些多種問題的組合嚴(yán)重阻礙了從木質(zhì)纖維材料經(jīng)濟地生產(chǎn)乙醇。因此，開發(fā)和使用一種或多種能模擬外切糖苷酶(從纖維素寡糖或多糖切割末端葡萄糖殘基的酶)和/或內(nèi)切糖苷酶(切割內(nèi)部鍵合的葡萄糖聚合物的酶)的無機催化劑將是有用的。無機催化劑與生物催化劑不同，能成功地耐受苛刻的條件并可以反復(fù)使用而不喪失活性。此外，即使無機催化劑比目前已知的酶活性低，這種無機催化劑也可以具有顯著的商業(yè)重要性。例如，比相應(yīng)的酶活性低100倍，但生產(chǎn)費用低1000倍，在纖維素水解所需的條件下穩(wěn)定100倍的基于二氧化硅的沸石將是基于酶的技術(shù)的商業(yè)上有吸引力的替代物。最近制備用于多種目的的無機催化劑的努力已經(jīng)致力于使用分子印跡的策略。(Gupta, R. , et al. Biotechnology Advances 2008,26, (6), 533-547 ；Katz, Α. , et al. Nature 2000,403, (6767)，286-289.)。在分子印跡中，印跡模板起模型(form)的作用， 可交聯(lián)單體在所述印跡模板周圍共聚合以形成澆鑄樣(cast-like)殼體。不希望受任何具體理論限制，據(jù)信給定的印跡反應(yīng)中的單體通過共價和/或非共價相互作用與所述模板形成復(fù)合物。所述單體隨后在所述模板存在的情況下聚合。在聚合后，所述印跡模板被去除，暴露在尺寸和形狀上與所述模板互補的空腔。這些空腔基本上是印跡模板的負(fù)像，隨后能選擇性地再次結(jié)合所述模板或與所述模板類似的分子。所述沒有模板的聚合物或共聚物可以稱為“分子印跡聚合物”(“MIP”)。MIP具有生物受體最重要的特征——識別。如上所述，MIP可以包含交聯(lián)的聚合物。它們也可以包含無定形金屬氧化物或沸石。金屬氧化物和沸石可以使用多種已知技術(shù)進行印跡。在一些情況下，產(chǎn)生的空腔或孔是印跡分子聚合物的誘導(dǎo)契合。這些聚合物可以隨后使用所述印跡結(jié)構(gòu)能承受的可估計的熱能由所述MIP水解。多種模板適于制備MIP，包括但不限于藥物、殺蟲劑、氨基酸、肽、核苷酸堿基、類固醇和糖。目標(biāo)分子的衍生物可以用作模板。這些衍生物通常模擬原目標(biāo)分子的三維結(jié)構(gòu)和功能，但產(chǎn)生具有改善性質(zhì)的MIP。改善性質(zhì)的實例包括但不限于增加的催化率、更長的催化劑壽命、增加的高溫穩(wěn)定性或增加的各種PH穩(wěn)定性?，F(xiàn)在有至少四種分子印跡的方法。這些技術(shù)使用各種分子進行印跡，包括底物類似物、過渡態(tài)類似物、產(chǎn)物類似物和輔因子。底物類似物的使用包括使用模擬底物和基質(zhì)之間反應(yīng)復(fù)合物的化合物。通過用印跡物(print species) “引誘”將催化基團引入位點，催化基團隨后在與真正的底物結(jié)合后發(fā)揮催化作用。由于所述誘餌分子(bait molecule)與任何一種反應(yīng)物都幾乎不相似， 可以避免底物抑制。使用該策略的早期嘗試是制備具有酯水解活性的印跡基質(zhì)。在這些基質(zhì)中，使用鈷(II)離子在印跡過程中配位催化活性的乙烯基咪唑基團和模板。隨后將底物 (甲硫氨酸或亮氨酸的對硝基苯酯)引入到位點導(dǎo)致加速的和底物特異性的活化氨基酸類似物水解。該策略也被評價來研究涉及α氟酮的脫鹵化氫作用機制。在該反應(yīng)中，印跡的基質(zhì)促進的催化導(dǎo)致脫氟化氫作用的速度與溶液反應(yīng)相比增加約600倍(由k。at/k_t計算， 其中k。at是催化反應(yīng)的速度，kmcat是未催化反應(yīng)的速度)。同樣的反應(yīng)也可以通過反向系
7統(tǒng)(reverse system)完成，其中使用羧酸印跡分子作為誘餌，定位聚合物中的氨基基團。也研究了苯并異噁唑的異構(gòu)化。在該研究中，使用吲哚作為底物類似物，定位基質(zhì)中的吡啶基團。獲得的基質(zhì)被證明非常高效，比催化的溶液反應(yīng)速度提高[(k。at/KM)/ kmcat]40000倍。對于苯甲酸酐的二硝基酚解也使用了底物策略，其中使用相應(yīng)的苯甲酰胺作為模板。另一種用分子印跡材料催化的方法是使用過渡態(tài)類似物(TSA)作為模板。當(dāng)使用過渡態(tài)類似物時，基質(zhì)的識別位點被設(shè)計為穩(wěn)定給定反應(yīng)的過渡態(tài)，從而降低反應(yīng)的躍遷能并導(dǎo)致增加的反應(yīng)速度。例如，酯水解的過渡態(tài)可以用膦酸酯衍生物模擬，此特點被用于制備多種分子印跡材料。在使用可聚合的脒衍生物印跡膦酸酯時使用了 TSA方法。針對與所述膦酸酯類似的羧酸酯水解測試了該催化劑，導(dǎo)致催化效率提高。印跡基質(zhì)的相對反應(yīng)速度比未催化的溶液反應(yīng)高100倍，比參考聚合物有效5倍。在許多情況下也使用產(chǎn)物類似物作為模板。然而，使用這些模板制備的催化聚合物可能對抑制敏感。而選擇適當(dāng)?shù)哪０迥芸朔@種抑制。例如，使用產(chǎn)物類似物作為模板， 產(chǎn)生了四氯噻吩二氧化物和馬來酐之間狄爾斯_阿爾德反應(yīng)的催化劑。所述狄爾斯-阿爾德反應(yīng)具有內(nèi)在的熵壘(entropic barrier)，為發(fā)生有效的催化，需要實現(xiàn)二烯和親二烯體的充分穩(wěn)定。在此研究中，使用產(chǎn)物類似物氯菌酸酐作為印跡方案中的模板。由于對模板的明智選擇，抑制被最小化。獲得的基質(zhì)使狄爾斯-阿爾德反應(yīng)的速度提高了約270倍。另一種策略是使用印跡的輔因子。天然酶通常使用輔因子實現(xiàn)有效的催化，因為被作用的蛋白通常缺乏攜帶反應(yīng)性親電子基團的側(cè)鏈。所述輔因子使基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)能夠進行。此外，輔因子能被容易地運送到需要它們的位置。這些輔因子可以包括金屬離子，所述金屬離子能在例如促進羰基基團極化和結(jié)合水分子中起路易斯酸的作用。此外，輔酶能促進許多反應(yīng)，例如氧化還原作用過程、(去)羧化作用和轉(zhuǎn)氨基作用。例如，在印跡方案中采用了對許多酶而言常見的使用輔酶磷酸吡哆醛的酶促反應(yīng)涉及的化學(xué)。使用N-吡哆基-L-苯丙氨酸苯胺作為模板。分析了獲得的印跡聚合物催化游離吡哆醛和苯丙氨酸之間加合物形成的能力。記錄了與參考聚合物相比速度提高了 8倍。在制備II類醛縮酶模擬物中報告了金屬配位輔助催化的實例。將反應(yīng)性中間產(chǎn)物(二苯甲酰甲烷)的類似物與鈷(II)離子的復(fù)合物在基于聚苯乙烯的共聚物系統(tǒng)中與 4-乙烯基吡啶結(jié)合進行印跡。所述聚合物能催化乙酰苯和苯甲醛的縮合以產(chǎn)生查耳酮，所得的活性比溶液反應(yīng)高8倍?？梢杂涗浀孜镞x擇性和真周轉(zhuǎn)(true turnover) 0除了上述實施方式，研究還證明中孔的有機-無機二氧化硅催化劑可以用于水解纖維素的亞單元。參見，例如 Bootsma，J. A. ，et al. , Applied Catalysis a—General 2007，327，(1)，44-51 和 Bootsma，J.A.，et al. ,Bioresource Technology 2008，99，(12)， 5226-5231。發(fā)現(xiàn)這些參考文獻(xiàn)中描述的過程的活化能與使用同性質(zhì)(homogeneous)有機酸的纖維素水解反應(yīng)中報道的活化能相似。盡管這些研究顯示了使用無機催化劑水解纖維素的可行性，但是這些參考文獻(xiàn)中描述的二氧化硅催化劑缺乏天然酶的特異性并使纖維素亞單元大量降解為葡萄糖以外的化合物。因此，為實現(xiàn)從纖維素大量生產(chǎn)乙醇，對將纖維素水解為葡萄糖用于隨后發(fā)酵的
8可規(guī)?；?、化學(xué)上穩(wěn)健的并且經(jīng)濟的工藝存在長期感受到但未滿足的需求。本發(fā)明滿足了這一需求。發(fā)明概述本發(fā)明涉及能結(jié)合至少一種葡萄糖底物并將其水解成葡萄糖的印跡中孔二氧化硅催化劑。本發(fā)明還包含制備所述催化劑的方法以及在水解反應(yīng)中使用所述催化劑的方法。在一些實施方式中，本發(fā)明可以包含仿生催化劑。所述催化劑可以包含聚合二氧化硅基質(zhì)、印跡于所述基質(zhì)中的至少一個活性位點和所述活性位點中的至少一種酸性官能度(functionality)。在一些實施方式中，所述至少一種酸性官能度選自酚、羧酸和硫酸。在一些實施方式中，所述活性位點能結(jié)合至少一種葡萄糖底物。本發(fā)明還包含制備仿生催化劑的方法。所述方法包括在印跡分子存在的情況下使至少一種四原硅酸酯(tetraorthosilicate)與至少一種硅烷反應(yīng)，以形成浸漬有所述印跡分子的聚合二氧化硅基質(zhì)的步驟。至少Imol%的所述至少一種硅烷是酸官能化的硅烷。 所述方法還包括分離所述浸漬的聚合二氧化硅基質(zhì)；和通過洗滌或燃燒(burning)除去所述印跡分子，以形成用所述印跡分子的結(jié)構(gòu)印跡的二氧化硅基質(zhì)。在一些實施方式中，所述至少一種四原硅酸酯選自式I、II、III和IV
權(quán)利要求
1.仿生催化劑，所述催化劑包含聚合二氧化硅基質(zhì)，印跡于所述基質(zhì)中的至少一個活性位點，和在所述活性位點中的至少一種酸性官能度。
2.權(quán)利要求1所述的仿生催化劑，其中所述至少一種酸性官能度選自酚、羧酸和硫酸。
3.權(quán)利要求1所述的仿生催化劑，其中所述活性位點能結(jié)合至少一種葡萄糖底物。
4.仿生催化劑的制備方法，所述方法包括在印跡分子存在的情況下使至少一種四原硅酸酯和至少一種硅烷反應(yīng)，以形成浸漬有所述印跡分子的聚合二氧化硅基質(zhì)，其中至少Imol%的所述至少一種硅烷是酸官能化的硅烷；分離所述浸漬的聚合二氧化硅基質(zhì)；和通過洗滌或燃燒除去所述印跡分子，以形成用所述印跡分子結(jié)構(gòu)印跡的二氧化硅基質(zhì)。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中所述至少一種四原硅酸酯選自式I、II、III和IV
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中R1每次出現(xiàn)時是CH2CH3。
7.權(quán)利要求4所述的方法，其中所述至少一種硅烷是根據(jù)式V、VI或VII中之一的化合物
8.葡萄糖的生產(chǎn)方法，所述方法包括 將葡萄糖底物溶解在溶劑中；使所述溶劑中的所述葡萄糖底物與至少一種仿生催化劑接觸，以將所述葡萄糖底物水解成葡萄糖，所述仿生催化劑包含聚合二氧化硅基質(zhì)，印跡于所述基質(zhì)中的至少一個活性位點，和所述活性位點中的至少一種酸性官能度。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述溶劑是離子液體或熔鹽。
10.仿生催化劑的制備方法，所述方法包括使至少一種四原硅酸酯與至少一種官能化的印跡分子，以及任選地，至少一種硅烷反應(yīng)，以形成浸漬有所述官能化的印跡分子的聚合二氧化硅基質(zhì)； 分離所述浸漬的聚合二氧化硅基質(zhì)；和通過水解或燃燒從所述浸漬的聚合二氧化硅基質(zhì)中除去所述印跡分子，以形成用所述印跡分子結(jié)構(gòu)印跡的二氧化硅基質(zhì)。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述至少一種四原硅酸酯選自式I、II、III和IV
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中R1每次出現(xiàn)時是CH2CH3。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述至少一種硅烷是根據(jù)式V、VI或VII中之一的化合物
14.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述官能化的印跡分子包含用至少ー種選自式 VIII、IX、X和XI的多官能接頭官能化的印跡分子
15.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述硅烷不是任選的，并且所述四原硅酸酯、硅烷和 官能化的印跡分子以約100 20 80至約100 95 5的比例存在。
16.乙醇的制備方法，所述方法包括 將葡萄糖底物溶解在溶劑中；使所述溶劑中的所述葡萄糖底物與至少一種仿生催化劑接觸，以將所述葡萄糖底物全部或部分水解成葡萄糖， 所述仿生催化劑包含聚合二氧化硅基質(zhì)印跡于所述基質(zhì)中的至少一個活性位點，和所述活性位點中的至少一種酸性官能度；分離所述葡萄糖；和將所述葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇。
17.官能化的印跡分子的制備方法，所述方法包括使印跡分子與多官能接頭前體反應(yīng)；和分離所述官能化的印跡分子。
全文摘要
本公開描述了將葡萄糖聚合物如纖維素和寡聚物如纖維二糖水解為葡萄糖用于隨后生產(chǎn)乙醇的方法和仿生催化劑。
文檔編號C08G77/00GK102439066SQ201080022559
公開日2012年5月2日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者D·李, S·羅斯 申請人:S·羅斯, 賓夕法尼亞大學(xué)董事會