技术领域

本发明涉及生物化工领域， 特别是涉及一种以离子液体为脂肪酶的 助催剂催化制备碳酸二甲酯的方法。 背景技术

碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate, DMC ), DMC常温时是一种无色 透明、 略有气味、 微甜的液体， 难溶于水， 但可以与醇、 醚、 酮等几乎 所有的有机溶剂混溶。 DMC 毒性很低， 在 1992 年就被欧洲列为无毒 产品， 是一种符合现代清洁工艺要求的环保型化工原 料， 因此 DMC 的 合成技术受到 了 国 内 外化工界的广泛重视 （ J.H.Clements, Ind.Eng.Chem.Res.,42(2003);663 ； S.Fukuoka et al.， Green Chem.5(2003):497; J.Bayarydon et al.， Angew.Chem.Int.Ed., 46(2007):5971 )。

DMC 最初的生产方法为光气法， 于 1918 年开发成功， 但是光气 的毒性和腐蚀性限制了这一方法的应用， 特别是随着环保受全世界重视 程度的日益提高，光气法已被淘汰。 自 20 世纪 80 年代开始，对于 DMC 生产工艺的研究开始受到普遍的关注， 据 Michael A.Pacheco 和 ChristopherL.Marshall 的统计， 有关 DMC 生产工艺的专利自 1980 ~ 1996 年就超过了 200 项。 20 世纪 80年代初， 意大利的 EniChem公 司实现了以 CuCl 为催化剂的由曱醇氧化羰基化合成 DMC 工艺的商业 化， 这是第一个实现工业化的非光气合成 DMC 的工艺， 也是应用最广 的工艺， 此工艺的缺陷在于高转化率时催化剞的失活现 象严重， 因此其 单程转化率仅为 20%。在 20世纪 90 年代， DMC 合成工艺的研究得到 了迅速的发展，日本的 Ube对 EniChem公司甲醇翠 n妖恭 、风 UM 的工艺进行了改进， 选择 NO 为催化剂， 这样避免了催化剂的失活， 使 转化率几乎达到了 100%, 此工艺已实现了工业化， 但该工艺以 CO为 原料， CO是一种有毒的气体， 因此 CO引起的安全问题限制该工艺的 应用； 美国 Texaco公司开发了先由环氧乙烷与二氧化碳反应 生成碳酸 乙烯酯， 再与甲醇经过酯交换生产 DMC 的工艺， 此工艺联产乙二醇， 于 1992年实现了工业化， 此工艺被认为产率较低、 生产成本较高， 只 有当 DMC 年产量高于 55 kt 时其投资和成本才可以与其他方法竟争； 此外还有一种新兴的工艺， 即尿素醇解反应， 若与尿素生产联合进行可 降低成本， 此工艺有望实现工业化。

近年来， 合成 DMC 的研究受到国内外研究者的广泛关注， 合成路 线正朝着筒单化、 无毒化和无污染化的方向发展。 目前合成 DMC 的绿 色方法主要有 co ₂ 和甲醇直接合成法、 酯交换法和尿素醇解法。 其中， 以碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯为原料， 通过和曱醇酯交换来制备碳酸二曱 酯和二醇的经济效应和工业需求日益增大， 引起各国科学家广泛的关 注。 美国专利 US430703公开了一种碳酸二烷基酯的制备方法， 该专利 中公开了使用铊化合物作为酯交换反应的催化 剂， 在相对低温、 低催化 剂浓度下， 可获得高的反应速率， 并强有力地抑制了副反应的发生。 例 如在 150。C , 1.92 X l(T ⁴ mol碳酸铊存在下， 反应 30min后， 碳酸乙烯酯 (甲醇:碳酸乙烯酯 =5:1 )的转化率达 70%,生成 DMC的选择性达 90%。 通过蒸馏除去 DMC和曱醇的共沸物 （约 70%曱醇 )后， 残留物在同一 条件下继续和曱醇反应， 可获得 80%的转化率， 其副产物仍很少， 这一 反应也可在装有铊催化剂的固定床反应器中进 行。 美国专利 US4661609 公开一种联产乙烯乙二醇和碳酸二甲酯的方法 ， 该专利中公开了使用钛 和锆的可溶性盐或其络合物作为酯交换反应的 均相催化剂， 反应温度在 20°C~200°C , 甲醇和碳酸乙烯酯的配比较小。 例如 130°C高氯酸锆作催 化剂， 曱醇和碳酸乙烯酯摩尔比为 4.7时，碳酸乙烯醋的转化率为 89%。 DMC的选择性以碳酸乙烯酯计为 80%, 以甲醇计为 76%, 乙二醇的选 择性均在 95%以上。 碱土金属硅酸盐如 Na2Si03 , KHSi03 , Li2Si03等 负载在硅胶上作为反应的催化剂， 在 80°C〜125°C， 0.7Mpa, LHSV=1.0, CH30H/EC ( mol ) =4时, 其活性顺序为： Na2Si03> HSi03>Li2Si03 , 其中， 水玻璃负载在硅胶上作为催化剂时， 碳酸乙烯酯的转化率约为 30%。 不过此类物质的催化寿命不长， 随反应时间的延长， 催化活性逐 渐下降（刘宗键， 蔡哗， 酯交换法合成 DMC的催化剂研究， 化工生产 与技术， 1998, 5 ( 4 )， 13-15 )。

曱醇直接合成法、 酯交换法和尿素醇解法合成 DMC 都存在催化剂 活性或选择性不高、产率低等缺点， 因此寻找更加合适的催化剂及载体、 提高催化剂的活性和选择性是生产 DMC 的技术关键和研究热点。

醇作为一种生物催化剂， 近年来己被人们广泛应用于食品生产与检 测、 环保技术、 生物技术、 生物医药等领域。 目前研究和应用最广泛的 脂肪酶 (Lipase, EC 3. 1. 1. 3)是一类能催化油脂和短链醇进行转酯化反 应生成脂肪酸甲酯的生物催化剂， 脂肪酶所介导的反应具有反应条件温 和、 醇用量小、 产品易收集纯化、 无污染物排放等优点， 目前国内外用 于转酯化研究的脂肪酶主要为诺维信公司生产 的 Novozym435 ,此酶为 树脂固定化酶， 载体为大孔丙烯酸树脂， 价格高昂， 不利于酶法制备化 工原料的工业化生产。 另外， 酶作为催化剂催化油脂和短链醇进行转酯 化反应时， 短链醇会降低酶的活性， 因此， 寻找一种能稳定醉的酶活的 助催剂以提高转酯化反应的产率成为人们的研 究热点。 近年来， 一种新 型的绿色化学溶剂一离子液体（ionic liquid ) 引起了人们的广泛关注。 离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子 构成的， 在 100°C以下呈 液体状态的盐类， 与普通有机溶剂相比， 离子液体具有以下优点： 离子 液体不会挥发， 对环境友好， 用于工业生产相对比较安全， 通过阴阳离 子的设计可调节其对物质的溶解性； 离子液体与一些有机溶剂互不相 溶， 可以形成有机溶剂 -离子液体两相系统或者有机溶剂 -水 离子液 体三相系统。 一般而言， 离子液体以 3种形式应 -J 、 丄 , 作为纯溶剂； （2 )在水相系统中作为共溶剂； （3 )在两相系统中作为共 溶剂。 脂肪酶是目前在离子液体中进行生物催化反应 研究报道最多的一 类酶， 它可在多种离子液体中存在并催化多种类型的 反应， 如酯交换反 应、 氨解反应、 水解反应和环氧化反应等。 R. Lau等首次利用南极假 丝酵母脂肪酶（ Candida antarcticalipase B, CALB )证明了其在离子液体 中进行生物催化反应的潜力， 如脂肪酶催化丁酸乙酯和丁醇的酯交换反 应。 RLazano等用脂肪酶在离子液体中催化丁酸乙烯� �与正丁醇通过转 酯反应合成丁酸丁酯， 结果表明脂肪酶在离子液体中的催化活性高于 其 在有机溶剂中的活性， 酶的催化活性随着离子液体极性的增强而升高 ， 而且在连续操作过程中脂肪酶具有很高的稳定 性。 S丄 Nara等也证实离 子液体有使酶催化活性提高的作用。 但釆用离子液体为脂肪酶的助催剂 催化制备碳酸二曱酯的方法还未见报道。 发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种以离子 液体为脂肪晦的助 催剂催化制备碳酸二甲酯的方法， 不仅具有高转化率、 高选择性、 高普 适性， 而且工艺简单、 反应条件温和、 降低成本、 环境友好、 脂肪酶可 循环利用、 应用前景广阔。

为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是： 提供一种制备碳 酸二甲酯的方法， 所述方法包括以下步骤：

1 )在反应装置中加入离子液体；

2 )在所述反应装置中依次加入反应物曱醇与碳� �乙烯酯或曱醇与碳 酸丙烯酯；

3 )在所述反应物中加入脂肪酶；

4 )搅拌进行转酯反应， 反应后获得产物碳酸二曱酯。

优选地， 所述步骤 1 ) 中加入基于所述碳酸乙烯酯或所述碳酸丙烯 酯重量的离子液体 2ml/g, 所述离子液体选用 1- 丞- 3-甲丞。尽 四 ^硼 酸盐、 1-乙基 -3-曱基咪唑六氟磚酸盐、 1 -丁基- 3-甲基咪唑四氟硼酸盐、 1 -丁基 -3-曱基咪唑六氟磷酸盐中的一种。

优选地， 所述步骤 2 )中加入醇酯摩尔比为 4: 1-50: 1的曱醇与碳 酸乙烯酯或曱醇与碳酸丙烯酯。

最优选地， 所述步骤 2 ) 中加入醇酯摩尔比为 16: 1的曱醇与碳酸 乙烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯。

优选地， 所述步骤 3 )中加入所述反应物质量分数的 0.1%〜25%的脂 肪酶。

最优选地， 所述步骤 3 ) 中加入所述反应物质量分数的 0.3%的脂肪 峰。

优选地， 所述步骤 4 ) 中加入所述碳酸乙烯酯或所述碳酸丙烯酯质 量分数 1% 的水， 所述转酯反应的反应温度为 25 °C〜75°C , 反应时间为 1〜160小时， 反应压力为 0.1Mpa。 本发明中， 水的含量对酶的活性有重 要影响。

最优选地， 所述转酯反应的反应温度为 55°C , 反应时间为 72小时。 脂肪酶可以来源于动物、 植物或^:生物。

优选地， 所述脂肪酶为青霉脂肪酶。

最优选地， 所述脂肪酶为扩展青霉脂肪酶。

本发明的有益效果是： 区别于现有的碳酸二甲酯的制备中存在的转 化率低、 选择性低、 工艺复杂、 污染环境的情况， 本发明使用离子液体 为脂肪酶的助催剂催化甲醇与碳酸乙烯酯或甲 醇与碳酸丙烯酯进行转 酯反应制备碳酸二曱酯， 由于离子液体能降低曱醇对脂肪酶酶活的不利 影响， 稳定脂肪酶的酶活， 以及脂肪酶的专一催化活性和无毒性， 使得 本发明方法不仅具有高转化率、 高选择性、 高普适性， 而且工艺筒单、 反应条件温和、 降低成本、 环境友好、 脂肪酶可循环利用、 应用前景广 阔。 附图说明

图 1为本发明以离子液体为脂肪酶的助催剂催化� �醇与碳酸乙烯酯 或曱醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酸二曱酯的反 应式；

图 1为本发明以离子液体为脂肪酶的助催剂催化� �醇与碳酸乙烯酯 反应制备碳酸二甲酯和反应时间的关系示意图 ；

图 3为本发明以离子液体为脂肪酶的助催剂催化� �醇与碳酸丙烯酯 反应制备碳酸二甲酯和反应时间的关系示意图 ；

图 4为本发明以离子液体为脂肪酶的助催剂催化� �醇与碳酸乙烯酯 反应制备碳酸二曱酯和反应温度的关系示意图 ；

图 5为本发明以离子液体为脂肪酶的助催剂催化� �醇与碳酸乙烯酯 反应制备碳酸二甲酯和物料摩尔比的关系示意 图；

图 6为本发明以离子液体为脂肪酶的助催剂催化� �醇与碳酸丙烯酯 反应制备碳酸二曱酯和脂肪酶用量的关系示意 图。 具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明 。

请参见图 1 , 本发明以离子液体为脂肪酶助催剂催化曱醇和 碳酸乙 烯酯或甲醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酯二曱酯 的反应式。 碳酸二曱酯的 制备过程： 先在反应装置中加入离子液体； 然后在所述反应装置中依次 加入反应物甲醇与碳酸乙烯酯或甲醇与碳酸丙 烯酯； 再在所述反应物中 加入脂肪酶， 搅拌进行转酯反应， 反应后获得产物碳酸二曱酯。 离子液 体选用 1-乙基 -3-甲基咪唑四氟硼酸盐、 1-乙基 -3-曱基咪唑六氟磷酸盐、 1—丁基 _3-曱基咪唑四氟硼酸盐、 1—丁基 -3-曱基咪唑六氟磷酸盐中的一 种。 脂肪晦可以来源于动物、 植物或微生物， 尤其是青霉脂肪酶。

以离子液体为脂肪酶的助催剂催化甲醇与碳酸 乙烯酯或甲醇与碳 酸丙烯酯反应制备碳酯二甲酯的过程中， 反应选择性用 Finnigan Trace DSQ型气质联用色昝仪测定， 所用色谱柱为 HP 5MS型。

以离子液体为脂肪酶的助催剂催化甲醇与碳酸 乙烯酯或曱醇与碳 酸丙烯酯反应制备碳酯二甲酯的过程中， 碳酸二曱酯含量分析方法为： 取 50 L反应液离心分层，取上层液样 10 L,用 290 L环己烷溶解， 摇匀， 再加入 300 μ L十二烷（ 2 mg/ml )作为内标； 取 1 μ L样品进样， 由气相色谱测定反 物中的碳酸二甲酯量。 转化率用山东鲁南化工仪器 厂的 SP-6890型气相色语仪测定， 色谱柱为 SE-54型。 具体的测试条件 为：柱室采用程序升温： 100°C维持 6分钟，升温速度 40 /分钟，到 200

°C维持 15分钟， 气化室 320°C , 检测室 320°C。 由测定的碳酯二甲酯量 计算出碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯的转化率， 计算方法如下：

碳酯二甲酯的质量

转化率： X 100% 碳酯二甲酯的质量 +剩余碳酸乙烯酯的质量 碳酯二甲酯的质量

转化率 = X 100% 碳酯二甲酯的质量 +剩余碳酸丙烯酯的质量 碳酸二甲酯、 剩余碳酸乙烯酯或剩余碳酸丙烯酸的质量通过 气相色谱峰 面积计算得到 （内标法， 十二烷作为内标）。

实施例 1

在含离子液体 1 -乙基 -3-曱基咪唑六氟磷酸盐的反应装置中依次加 入反应物甲醇与碳酸乙烯酯， 曱醇与碳酸乙烯酯的摩尔比为 16: 1 , 离 子液体 2ml/g(基于酯重， v/w); 然后加入反应物质量分数 0.3%的扩展 青霉脂肪酶； 再加入水， 水含量 1% (基于酯重， w/w) , 搅拌进行转酯 反 ， 反应温度 55°C， 反应时间为 l~120 h, 反应压力为 0.1 Mpa。 定时 取反应液用于碳酸二甲酯含量分析。 请参见图 2, 本发明以离子液体为 脂肪酶的助催剂催化曱醇与碳酸乙烯酯反应制 备碳酸二曱酯和反应时 间的关系示意图， 由图 2可知， 随着反应时间的延长， 碳酸乙烯酯的转 化率逐渐提高， 当反应时间为 72 h时， 碳酸乙烯酯的转化率达到顶点， 为 91 %; 之后， 随着反应时间的延长， 碳酸乙烯

实施例

在含离子液体 1-丁基 -3-曱基咪唑六氟磷酸盐的反应装置中依次加 入反应物甲醇与碳酸丙烯酯， 甲醇与碳酸丙烯酯的摩尔比 16: 1 , 离子 液体 2ml/g (基于酯重， v/w) ); 然后加入反应物质量分数 0.3%的扩展青 霉脂肪酶； 再加入水， 水含量 1% (基于酯重， w/w) )， 搅拌进行转酯 反应， 反应温度 55 °C， 反应时间 l~160 h, 反应压力为 0.1 Mpa。 定时取 反应液用于碳酸二曱酯含量分析。 请参见图 3， 本发明以离子液体为脂 肪酶的助催剂催化甲醇与碳酸丙烯酯反应制备 碳酸二曱酯和反应时间 的关系示意图， 由图 3可知， 随着反应时间的延长， 碳酸丙烯酯的转化 率逐渐提高， 当反应时间为 72h时， 碳酸丙烯酯的转化率达到顶点， 为 81 %; 之后， 随着反应时间的延长， 碳酸丙烯酯的转化率趋于稳定。

实施例 3

在含离子液体 1-乙基 -3-曱基咪唑四氟硼酸盐的反应装置中依次加 入反应物曱醇与碳酸乙烯酯， 甲醇与碳酸乙烯酯的摩尔比 16: 1， 离子 液体 2ml/g (基于酯重， v/w ); 然后加入反应物质量分数 0.3%的扩展青 霉脂肪酶； 再加入水， 水含量 1% (基于酯重， w/w ), 搅拌进行转酯反 应， 反应温度 25 °C~75°C , 反应时间 72h, 反应压力为 0.1 Mpa。 在不同 溫度时取反应液用于碳酸二曱酯含量分析。 请参见图 4, 本发明含离子 液体为脂肪酶的助催剂催化曱醇与碳酸乙烯酯 反应制备碳酸二曱酯和 反应温度的关系示意图， 由图 4可知， 随着温度的提高， 碳酸乙烯酯的 转化率逐渐提高，当反应温度为 55 °C时，碳酸乙烯酯的转化率达到最高， 为 85%; 当反应温度为 60 °C， 碳酸乙烯酯的转化率仍达 84%; 之后， 随 着温度的提高， 碳酸乙烯酯的转化率逐渐降低。

实施例 4

在含离子液体 1 -丁基 -3-曱基咪唑四氟硼酸盐的反应装置中依次加 入反应物甲醇与碳酸乙烯酯， 曱醇与碳酸乙烯酯的摩尔比 4: 1-50: 1 , 离子液体 2ml/g (基于酯重， v/w ); 然后加入反应物质重分数 0.3%的扩 展青霉脂肪酶； 再加入水， 水含量 1% (基于酯重， w/w )， 搅拌进行转 酯反应， 反应温度 55°C， 反应时间 72h， 反应压力为 0.1 Mpa。 取反应 液用于碳酸二甲酯含量分析。 请参见图 5， 本发明离子液体为脂肪酶的 助催剂催化曱醇与碳酸乙烯酯反应制备碳酸二 曱酯和物料摩尔比的关 系示意图， 由图 5可知， 随着醇酯摩尔比的提高， 碳酸乙烯酯的转化率 逐渐提高；当醇酯摩尔比为 16: 1时，碳酸乙烯酯的转化率最高，达 81%; 之后， 随着醇酯摩尔比的提高， 碳酸乙烯酯的转化率逐渐降低。

实施例 5

在含离子液体 1 -乙基 -3-曱基咪唑六氟磷酸盐的反应装置中依次加 入反应物曱醇与碳酸丙烯酯， 曱醇与碳酸丙烯酯的摩尔比 16: 1 , 离子 液体 2ml/g (基于酯重， v/w ); 然后加入反应物质量分数 0.1%~25%的扩 展青霉脂肪酶； 再加入水， 水含量 1% (基于酯重， w/w ), 搅拌进行转 酯反应， 反应温度 55° (：， 反应时间 72h, 反应压力为 0.1 Mpa。 取反应 液用于碳酸二甲酯含量分析。 请参见图 6, 本发明以离子液体为脂肪酶 的助催剂催化曱醇与碳酸丙烯酯反应制备碳酸 二曱酯与脂肪酶用量的 关系示意图， 由图 6可知， 当脂肪酶用量为反应物质量分数的 0.3%时， 碳酸丙烯酯的转化率最高， 高达 92%; 脂肪酶用量超过反应物质量分数 的 0.3%后， 随着脂肪酶用量的增加， 碳酸丙烯酯的转化率逐渐降低。

以上各实施例中，反应选择性在反应 72 h后碳酸二曱酯的选择性均 大于 90%。

以上各实施例中， 在反应完成后， 过滤除去脂肪酶， 通过分榴除去 过量的甲醇及得到产物碳酸二甲酯， 脂肪酶经丙酮洗涤， 40°C干燥， 可 重复使用， 催化活性不会降低。

比较例

在不含离子液体的反应装置中依入加入反应物 曱醇与碳酸乙烯酯 或曱醇与碳酸丙烯酯， 甲醇与碳酸乙烯酯或曱醇与碳酯丙烯酯的摩尔 比 16: 1 ; 然后加入反应物质量分数 0.3%的扩展青 ^ _w ^， ^Γ/ 八 ， 水含量 1 % (基于酯重， _w / _w ) , 搅拌进行转酯反应， 反应温度 55 °C， 反 应时间 72 h, 反应压力为 O.lMpa, 反应后获得产物碳酸二曱酯。

在反应 72 h后， 取反应液用于碳酸二曱酯含量分析， 并由测定出的 碳酯二甲酯量计算出碳酸乙烯酯的转化率为 65%， 碳酸丙烯酯的转化率 为 63%。

由以上各实施例和比较例可知， 不以离子液体为脂肪酶助催剂催化 曱醇与碳酸乙烯酯或曱醇与碳酸丙烯酯制备碳 酯二曱酯的反应中， 碳酸 乙烯酯的转化率为 65%， 碳酸丙烯酯的转化率约为 63%, 而在相同条件 下， 以离子液体为脂肪酶的助催剂催化曱醇与碳酸 乙烯酯或甲醇与碳酸 丙烯酯制备碳酯二甲酯的反应中， 碳酸乙烯酯的转化率高达 81%〜91%， 碳酸丙烯酯的转化率高达 81 %~92%， 碳酸乙烯酯的转化率提高了 16%〜26%， 碳酸丙烯酯的转化率提高了 18%~29%。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神， 可以有多种变形方案 实现本发明， 以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已， 并非因此局 限本发明的权利范围。 此外， 应当理解， 在阅读了本发明讲授的内容之 后， 本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修 改， 这些等价形式同 样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。