氯过氧化物酶催化有机合成反应的应用及其机理探讨

氯过氧化物酶催化有机合成反应的应用及其机理探讨 上海师范大学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 氯过氧化物酶催化有机合成反应的应用及其机理探讨 摘要 生物催化剂是可生物降解的,并能显示出高效地化学,区域选择性和立体选 择性,能减少副产物的形成,因此生物催化技术将是绿色化学与绿色化工发展的 重要趋势之一。 氯过氧化物酶,是一种从海洋真菌 中提取的具有特殊氨基酸残基的过氧化物酶。由于其结构上的特殊性, 对烯烃的卤化、环氧化、羟基化和有机硫化合物的磺化氧化具有的手性催化活性 等引起了广泛的关注。为了解决目前的均相催化反应中酶用量大及需要向反应体 系中加入引起的成本增加、操作复杂等问题,本文采用将固定在玻碳 电极表面,利用电化学 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 在电极上产生的来驱动催化有机反应,减 少了酶的用量同时避免了浓度过大导致的酶失活的问题。 本论文将与羧基化处理的单壁碳纳米管混合均匀后滴涂 在己处理干净的玻碳电极表面,室温晾干后再滴涂~层壳聚糖,, 制得/./修饰电极。循环伏安测量结果表明,固定在 修饰的玻碳电极上的能进行快速、直接的电子传递,峰电流与扫描速度成 正比,表明是一个受表面吸附控制的反应,同时对氧气的电化学还原具有显著 的催化效率。不同的缓冲溶液中循环伏安测量结果表明,式量电位’随溶 液值的增大而负移呈现一线性关系,表明直接电子传递反应的同时伴随着 有质子参与反应。 本文以/./修饰电极为工作电极、在..下恒电位电解 肉桂醇,气相色谱表征结果表明,利用电化学原位产生的过氧化氢可以使 成功地将肉桂醇催化氧化为肉桂醛。同时和本研究小组用其他方法制备的 修饰电极作比较,均发现催化氧化肉桂醇有较高的转化率。 基于本研究小组之前考察了修饰电极的催化氧化和氯化反应,发现实 验条件的不同,产物会有变化。因此,本论文的研究重点是选择另外两种不同 类型的催化反应,即 催化氧化氯化反应和脱氯反应。本论文以 上海师范大学硕士学位论文 /./修饰电极作工作电极,分别应用于催化‘,.环戊二酮的氯 : 化和,,.三氯苯酚的脱氯反应,结果表明,既可以催化’,.环戊二酮氯化 生成.氯.,.环戊二酮,也可以使,.三氯苯酚发生脱氯反应,生成,.二氯 .,.苯醌,同时初步探讨了催化氯化及脱氯的反应机理。此外,研究结果 还表明,外层添加壳聚糖的修饰可以提高的稳定性及催化活性。 关键词:氯过氧化物酶;修饰电极;生物催化;氯化;脱氯;,.环戊二酮;,, 三氯苯酚 上海师范大学硕士学位论文.,..,,, .,, ,.? . ,//.. , , . 上海师范大学硕士学位论文 ,. // 一.。 . , ., ., , ././,,一 一,一 , ,, ,. .:; ;;; ;一;,一 上海师范大学硕士学位论文 目录 第一章绪论.绿色工艺的生物催化技术??. ..生物酶催化卤化?. ..生物酶催化脱卤?.. .氯过氧化物酶及其应用研究. ..氯过氧化物酶的结构特征? ..氯过氧化物酶修饰电极及其应用研究?.. .本论文的主要研究内容及创新性?. ..主要研究内容??. ..本文的研究意义?. ..本文的创新性??.. 第二章修饰电极的制备及其电化学行为研究.实验部分. ..实验试剂..实验仪器?.. .. 修饰电极的制备.. .结果与讨论.. 修饰电极的循环伏安行为? ..溶液对修饰电极循环伏安的影响.. 修饰电极对氧还原的催化特性.小结。 第三章修饰电极催化氧化肉桂醇的研究 .实验部分 ..实验试剂? ..实验仪器及方法? .. 修饰电极催化氧化肉桂醇及其表征方法? .结果与讨论?.. .. 修饰电极催化氧化肉桂醇反应前后的比较.上海师范大学硕士学位论文 .. 修饰电极对肉桂醇的催化氧化及其表征? ..不同电解时间对肉桂醛转化率的影响?. .小结 第四章修饰电极对,一环戊二酮的催化氯化? .实验部分??。 ..实验试剂? ..实验仪器及方法? .. 修饰电极催化氯化,.环戊二酮?. .结果与讨论?.. ..反应底物存在与否对修饰电极的循环伏安的影响??.. .. 修饰电极对,.环戊二酮的催化氯化.. 催化氯化,.环戊二酮的原理探究 .小结 第五章修饰电极对,.一三氯苯酚的催化脱氯.实验部分??。? ..实验试剂?. ..实验仪器及方法? .. ,,.三氯苯酚的脱氯及表征.结果与讨论.. 修饰电极在,,.三氯苯酚中的循环伏安行为?一 .. 修饰电极对,,一三氯苯酚的催化脱氯.. 对,,.三氯苯酚催化脱氯的反应机理研究??.. ..催化脱氯产物的表征.小结参考文献??上海师范大学硕士学位论文 氯过氧化物酶催化有机合成反应的应用及其机理探讨 第一章绪论 绿色化学是世纪末逐步发展的一门新型学科,“绿色化学’’的概念是由美 国化学学会提出,意指在制造和应用化学产品时应有效利用最好可再生 原料,消除废物和避免使用对人体健康及环境有害的和危险的试剂和溶剂。 催化 是实现原子经济的重要途径,化学催化和生物催化的发展,在减少及降低化 学工 艺过程中对环境的影响起着重要作用。在化学催化领域中使用非生物来源的 催 化剂,催化的环境原则已确立且被接受了:在世纪一年代得到了蓬勃的 发展,并且在如何有效地减少来自燃料中污染物的量的方面做了大量的研究。 世纪?年代,研究者们更多的把催化和环境结合起来,此时就产生了“绿色 化学”的概念。 研究结果显示,长期的健康风险及气候问题包括全球变暖和大气污染都 与化学工艺过程中的燃料废弃污染物有关。然而,生物催化技术就解决了这一问 题,无论是微生物还是酶已被应用到人类活动的许多领域,主要是因为生物催化 对环境友好、对可再生能源和清洁能源的生产提供了有限的机会、代替了很多对 环境有害甚至有毒的化合物,这些特点也使得生物催化技术得到了极大地发展【?。 .绿色工艺的生物催化技术 资源,环境,经济及社会的可持续发展中面临的挑战,需要更多高效、良性 的科学技术。绿色化学所倡导的是能最大限度的生产出所需的产品,并且有最少 的副产物的新型的反应体系。 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 新的合成路线,在化学品生产中简化操作和寻 求更环保的溶剂,其本质是对环境和生态良性发展。总之,这样的化学科学的重 大创新,将带领我们到一个新的化学合成领域。 生物催化作为更环保的替代物来代替传统的有机合成,在温和的反应条件及 低能源需求下,生物催化为天然的或合成的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的工业转变提供了合适的工具,上海师范大学硕士学位论文 同时,最大限度地减少了异构化和重排问题。此外,生物催化剂是可生物降解的, 并能显示出高效的化学,区域选择性和立体选择性,能减少副产物的形成,避免 了对功能基团的活化、保护或脱保护的需要。 生物催化作为一种高效、温和的转化技术,特别适合于制药及其相关工业中 活性化合物的合成过程。已有一些成功的生物催化剂的工业应用。如嗜热菌蛋白 酶催化合成低热量甜味剂阿斯巴甜,丙烯酰胺和烟酰胺腈水合酶的协助下的 生产,以蔗糖歧化酶合成的非致龋性甜味剂异麦芽酮糖和聚乳酸等的生产【,。 此外,更环保的生物催化剂能取代传统的有机合成过程,如工业合成半合成青霉 素菌素和头孢菌素类,天然纤维和合成纤维的转化【,以及多步合成聚酮和糖 肽类抗生素等【。 为了克服化学反应的竞争问题,当前最常用的生物催化剂主要是蛋白质类, 它具有良好的活性,稳定性及反应的特异性。例如,通过使用蛋白质工程和高通 量筛选,能够产生具有广泛的基底特异性的立体选择性酶,这在有机合成中是非 常有用的。此外,还有合成稳定的羟基乙腈水合物,如取代.扁桃酸和具有对 映选择性的碳.碳键的水解能力或者选择性氧化过程。然而,在合成反应中,无 论是氧化还原酶,还是根据需要所用的整个细胞里,生物技术的发展都是从上游 菌株,细胞和生物的发育和中游发酵和其它单元操作到下游的过程,这 样可以获得高效的转化率。另外,组合固定化技术,除了协助回收和再利用生物 催化剂外,又对优化操作性能提供了有效的方法【。虽然,在工业上已经确定了 一些酶或微生物生产过程,但是生物催化技术仍处于起步发展阶段。我们坚信, 它的未来将依赖于寻求新型的及多功能化的酶,这种酶能够催化那些难以通过化 学方法发生的反应。将生物酶催化应用于大规模的工业生产,不仅会减少原材料 的消耗和污染物的排放,缓解了环境问题,而且成本也会降低,产生显著的经济 效益。因此,生物催化技术将是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一。 ..生物酶催化卤化 生物酶大多是从微生物,动物和植物中分离提纯后得到的,其中微生物因其 生物化学的多样性,大量培养的可行性和遗传操作的简单性,成为最常用的生物 酶源。地球上海洋的覆盖率达到%以上,无数的海洋微生物具有有多种生物化 学性,这为我们理解酶的性质提供了新的见解。由于微生物酶比从植物,动物中 上海师范大学硕士学位论文 提取的相应的酶具有更好的稳定性和生物活性,因此,海洋生物酶成为新型酶类 的来源网。海水中大约有.的氯化物,的溴化物和/.的碘化物,鉴 于如此高的卤素含量,为海洋生物中的卤化物的发展提供了可靠的保障【。 自然产生的卤代化合物的化学结构表现出高度的变异性,这种化合物含有单 个或多个卤素原子。有机化合物中的卤素原子对其生物活性非常的重要, 等人表明一些卤化物的生物活性则取决于卤素原子数量,类型和卤离子 在有机化合物中的位置【】。而且,这些卤化物的生物活性通常需要卤素元素存在 于合适位置上才能表现出来。现在的研究结果还没有发现卤素原子的数量、种类 以及在结构中的位置与化合物的生物活性之间存在特定的规律【】。另一种抗癌抗 菌素雷别卡霉素,如果不含有氯的话,是不会表现出任何的抗菌 活性的【。尽管有大量的卤化有机化合物已被分离提取出来,但是对于有机 化合 物中的氟,氯,溴及碘原子的反应机理却不甚理解。一些生物合成的途径,如 .氯四环素【】或者硝毗咯的生物合成【均表明,必须通过具有基底特异性和区域 选择性的酶来催化这些途径中的卤代反应。 卤素过氧化物酶是最早发现的卤化酶。为了催化卤化反应,这种酶需要过氧 化氢和卤离子只有氯化物,溴化物和碘化物参与反应,并因此而得名卤素过 氧化物酶【】。卤素过氧化物酶催化的卤化反应没有特定的选择性。这是因为,真 正起到卤化作用的不是酶本身,而是酶催化卤化反应溶液中的。,等得到 ,。由于、可以扩散到酶分子外,所以不具有选择性用。 卤化酶作为未来生物催化剂的来源,其高度的特异性和选择性有利于酶的催化卤 化反应,从而避免了化学卤化的相关危害。 ..生物酶催化脱卤 年提纯出了第一个细菌脱卤素酶,这种酶能催化脱氯氯乙酸和 .氯丙酸,随后.卤代酸脱卤酶也从不同类的细菌中分离出来。.卤代酸脱卤酶 能催化一个取代反应,其中卤素和水作为亲核试剂,结果生成了乙醇,这个过程 不需要其他的辅助元素【】。生物酶催化脱卤有多种类型,如水解脱卤,分子内取 代脱卤,脱氢卤化,氧化脱卤和还原脱卤等。最常见的是生物酶的氧化脱卤, 氧 化脱卤反应通常发生在降解卤化脂肪族和卤化芳香族化合物的过程中。等 【利用金孢子类酶催化脱卤五氯苯酚,结果生成了四氯.,.苯醌。在降解六氯苯 上海师范大学硕士学位论文 的前两步中,可以通过脱卤酶消除,从而形成双键【】。脱卤酶和卤代化合物 的降解机理有很多种,这些酶能够生长在卤代化合物上。利用这些化合物无论是 作为碳源能源,还是共同代谢反应,它都能降解特定的卤代化合物。 生物酶卤化和脱卤之间是否有联系,现在还没有定论。目前也没有数据表明 生物酶卤化可以导致脱卤酶的发展,此外也并没有发现卤化酶和脱卤酶之间的相 似性‘。目前唯一可以推测到反应机理的相似处是,通过卤醇脱卤酶催化可发生 可逆的分子内的取代反应【。 .氯过氧化物酶及其应用研究 ..氯过氧化物酶的结构特征 氯过氧化物酶,是上世纪在研究卡尔里霉素 的生物合成途径时,从海洋丝状真菌 中提 取分离得到的一种特殊的、且应用广泛的过氧化物酶‘,其分子量约为, 等电点的范围在..【。只有一个亚基,它是卤素过氧化物酶中研究最 早、最深入的酶,并且可以催化卤化碘、溴和氯元素。活性辅基为高铁? 原卟啉,但是与普通的过氧化物酶不同的是,其卟啉环上的第五轴向配位是半胱 氨酸中供电子能力更强的硫原子,这种特殊的结构与细胞色素的结构相似 】。是以过氧化物为基础的氯化酶,它还能催化过氧化物酶、过氧化氢 酶和细胞色素类型脱氢反应,同时还具有过氧化氢酶分解能力,因此, 不但具有更广泛的底物适应性和更强催化氧化活性【。在。下, 可以保存几个月不失活,并可以有效地进行烯烃的环氧化、糖类的卤化、碳氢键 的羟基化等反应,逐渐成为化学催化和现代生物医药领域中广泛使用的催 化剂。其结构特征如下: 上海师范大学硕士学位论文 在已见的研究报道中,都是在溶液相中发挥催化作用的,这就存在两 大问题。一是酶用量大,成本高;二是需要在反应体系中加入过氧化氢,增加成 本的同时过量过氧化氢则会使酶中毒、失去活性,从而加大了反应控制的难度。 此外,大多还存在反应的转化数不高等问题。这使更加温和且高效地利用 、并能延长酶的使用寿命的方法得到了发展,其中通过固定化的方法能在很 大程度上提高的稳定性【。】。通过生物共轭把固定在高聚合的聚乙烯 链,来提高的催化性能和稳定性,实验结果表明,对于游离的和固定化的 的分别为.和..,固定化的酶还表现出宽泛的范围和温度 曲线,更重要的是固定化酶增强了酶的热稳定性,实验和储存的稳定性【。使用 抗氧化剂来改善操作的稳定性,以氧化吲哚作为反应模型,咖啡酸为抗氧 化剂显示出了积极的效果,其吲哚总的转化数为,而在不存在抗氧化剂 的溶液中,其转化数只有,在咖啡酸存在下分批添加,其转化数更可 以达到。还有可以通过修饰邻苯二甲酸酐,柠檬酸酐等化学 修饰的方 法来提高的活性和稳定性,这些修饰的酶增强了磺化氧化和酚类氧化 的催化效率,分别达到了%和%【】。在催化卤化反应方面,被分别用 来卤化黄酮类化合物和苯酚【舶】,卤化剂主要以扩散的形式对底物进 行卤化,同时在高值的溶液中会大大降低卤化的能力【。 ..氯过氧化物酶修饰电极及其应用研究 氯过氧化物酶是以单体的形式存在于中性溶液中,具有水溶性,在 催化反应中,在不改变酶的性质下,的分离和回收都比较困难,在反应体上海师范大学硕士学位论文 系中,强酸强碱,高温等剧烈条件都会影响的活性和稳定性,因此,通过 酶的固定化以提高酶的活性和稳定性具有重大的意义。由于酶和蛋白质分子的结 构复杂,氧化还原的活性中心往往深埋于封闭的或绝缘的肽链中,很难在裸电极 上表现出良好的直接电化学活性。传统的生物酶固定化的方法主要有物理或化学 吸附法【胡】,包埋法,交联法【和共价键固定法等。这些酶固定化的方法都 有自身的优势与不足,而且不同的酶由于其结构的不同,固定化的方法也略有不 【】和 】等利用结构特殊的无机载体将固 同。. 定,稳定快速地发挥催化能力的同时又可以重复利用,既节约了成本,也可以实 现的直接电子传递【。等‘将细胞色素和固定在几种不同尺寸 的纳米材料上研究了催化氧化苯乙烯,结果表明,随着纳米材料孔径 的增大,酶的耐热性和吸附量都明显增强,同时增大了对苯乙烯的催化氧化 反应 的转化数,酶的活性得到了较大的提高。 等【】将和葡萄糖固定在 介孔分子筛,利用葡萄糖氧化酶催化氧还原原位生成,氧化吲哚生成.羟 基吲哚。总之,固定后的的稳定性和反应活性都得到了改善,且对底物的 催化具有较高的选择性。 近年来,为了进一步开拓在电催化领域及在催化有机合成反应中的应 用,本小组己做了一系列前期探索性研究。分别利用分子层层自组装技术 【,以及用聚.赖氨酸膜【】,碳纳米管【,室温离子液体】等成功地将固 定在金,玻碳和热解石墨电极的表面,实现了的直接电子传递,并利用 修饰电极研究了催化一氯二甲酮网的氯化反应,催化甲苯和苯甲硫醚的氧化 蹦 以及抗生素万古霉素唧这种大分子的定位氯化等初步的探索,为 生物酶催化有机合成中的应用积累了大量的经验。 .本论文的主要研究内容及创新性 ..主要研究内容 , 选择玻碳电极作为电极基底,单壁碳纳米管. 作为固定的载体,使制备的./修饰电极具有更 好的催化活性。本实验小组之前也采用类似的固定的方法,但是存在酶修饰 电极 使用寿命不长等问题,本论文通过改进修饰电极的制备方法,在修饰电极 上海师范大学硕士学位论文 的最外层用壳聚糖对电极进行封涂,以改善修饰电极的稳定性,延长其使 用寿命。 利用修饰电极对氧还原的电催化性能,将电极上原位产生的过氧化氢 参与催化氧化肉桂醇为肉桂醛,并比较有无壳聚糖修饰的电极的稳定性和 催化活性。利用修饰电极尝试催化,.环戊二酮的氧化氯化反应及催化 ,,.三氯苯酚的脱氯反应。 ..本文的研究意义 本研究小组之前考察了修饰电极的催化氧化和氯化反应,发现实验条 件的不同,产物会有变化【。因此,本论文的研究重点是选择两种不同类型的 催化反应,即氧化氯化反应和脱氯反应。己知,可以催化氯化酮酸类,. 酮类及其取代的酚类口【】。,一环戊二酮作为典型的环状一酮经 催化氯化后的产物.二氯.,.环戊二酮是的主要代谢产物口】【《,应用 此反应可以探究其反应机理【“。引,为催化氯化反应奠定理论基础。同时, 根据相关文献报道,不仅是一个过氧化物卤化酶,也是一个典型的过氧化 物脱卤酶,它可以催化卤代酚的脱卤反应【。,,.三氯苯酚作为主要的氯酚类 污染物,它不仅危害人类的健康而且对环境有极大的危害。催化氧化脱氯 反应的研究已见报道】,但是与我们提出的方法不同,反应中需要的量 大、成本昂贵,同时在反应过程中要额外加入过氧化氢,如控制不当、过量的 过 氧化氢会使得失活。本论文是将固定在玻碳电极的表面,通过修饰电 极上电化学原位产生的过氧化氢,实现催化脱氯反应,既经济又环保,是 一种绿色化学范畴的合成的新技术。 ..本文的创新性 通过大量的文献资料查阅,除本研究室外,目前未见修饰电极在催化 有机反应的研究报道。本论文采用修饰电极作催化剂,利用电化学的方法 催化氧化及催化氯化有机反应,并能实现与电极问的直接电子传递。由于 是固定在电极上的,酶的用量少,在节约成本的同时也可较长时间保持酶 的活性,提高了其催化效率。同时电化学原位产生过氧化氢,完全消除了在 催化反应中因过氧化氢的浓度过高而使酶失活的问题。上海师范大学硕士学 位论文 第二章修饰电极的制备及其电化学行为研究 碳纳米管作为最常用的纳米材料因其质量轻,且具有许多特殊的电学、力学 和化学性能,利用碳纳米管作为生物酶固定的载体在电化学领域的研究报道 也越 来越多。将血红蛋白,与单壁碳纳米管和十六烷基三甲基溴 化铵纳米膜混合后修饰到玻碳电极表面,结果表明,/. 修饰电极非常稳定,对和有着极好的电催化活性,利用这个性质可以 检测和的浓度【。碳纳米管因其良好的电导率和比表面积,使得它在 异相电子的转移方面有着优势,将生物酶修饰在碳纳米管上可以保持生物酶 的活 性【】。 壳聚糖是由.乙酰糖胺组成,其中,糖胺的含量超过%,具 有黏多糖相似的结构特点。壳聚糖分子具有复杂的双螺旋结构,含有大量的羟基 和胺基,还有一乙酰胺基,易形成多种分子内和分子间的氢键。另外,壳聚 糖分子中的羟基和胺基也会参与多种反应,如可通过修饰、活化和偶联等改性壳 聚糖,形成性质不同的衍生物。壳聚糖在生物化学方面主要作为酶蛋白吸附剂、 固定化菌酶载体和产酶促进剂,利用不同壳聚糖衍生物的吸附差异性,能有效地 实现多种酶和抑制剂的吸附、分离和提纯。壳聚糖具有良好的成膜性,涂抹后很 快形成薄膜,这为壳聚糖在酶的固定方面提供了一个良好的基础。壳聚糖作为酶 固定化的载体,在中性条件下壳聚糖存在大量带有正电荷的离子,荷负电 的可以被吸附在其表面,从而起到增加电极稳定性的作用【。 本论文在研究小组之前的基础上改进了修饰电极的方法,将与单 壁碳纳米管混合后滴涂于已处理干净的玻碳电极表面,室温晾干后 再滴涂一层壳聚糖,室温干燥。应用电化学技术对修饰电极进行电化学测量,并 比较壳聚糖的修饰与否对电极的影响。 .实验部分 ..实验试剂 氯过氧化物酶,,美国公司;%美 国公司,使用时用无水乙醇稀释至.%;无水乙醇分析纯,上海上海师范大学硕 士学位论文 ,,深圳纳米港; 国药试剂集团;单壁碳纳米管。 壳聚糖,,挪威进口,使用时用%冰醋酸超声溶解,使其浓度 为/;冰醋酸分析纯,上海国药试剂集团;磷酸缓冲溶液, 用超纯水配制,内含.,的作支持电解质;其他所 用试剂均为分析纯,研究溶液均用超纯水配制超纯水发生器,上海 康雷分析仪器有限公司。 ..实验仪器 循环伏安 测量等电化学实验在电化学工 作站上进行上海辰华公司,采用三电极体系,其中,玻碳电极和修饰电极作 为工作电极,铂片电极作为辅助电极,饱和甘汞电极作参比电极。测试 所用底液是浓度为. /的磷酸盐缓冲溶液。 ..修饰电极的制备 ,,巾 在样金相 电极的预处理:先将玻碳电极 砂纸上轻轻打磨,然后,依次在麂皮上用.和.岬的氧化铝粉末将玻碳电 极抛光至镜面,再用无水乙醇和超纯水超声清洗后、经氮气吹干备用。 用.%乙醇溶液超声分散经羧基化【】的,使其浓度为 /。 .%乙醇溶液滴于已处 ./修饰电极的制备:取. 浓度为. /与 理干净的玻碳电极表面,室温晾干;另取 /的均匀混合后滴于修饰的玻碳电极表面,室温干 燥,制得的修饰电极记为./。 / 浓度为.×。 /./修饰电极的制备:取 与 /均匀混合后滴于修饰的玻碳电极表面,室温晾干, 然后,取/壳聚糖醋酸溶液滴于电极表面,室温干燥,制得的修饰电 极记为/?/。 上海师范大学硕士学位论文 .结果与讨论 .. 修饰电极的循环伏安行为 图是裸玻碳电极、./和/./修饰电极 在磷酸缓冲溶液中的曲线。如图所示,与裸玻碳电极图曲线不同, 两种修饰电极的曲线上均可观察到一对氧化还原电流峰,其中, /./修饰电极的氧化峰电位为..,还原峰电位.., 图曲线,./修饰电极的氧化峰电位为.., 为 图曲线,均表明固定化的和 还原峰电位为..,为 电极之间发生了直接的电子传递,即可归因子分子中亚铁血红素辅基 /的电化学反应。上述实验结果与前面的结论一致【引。同时可观察到, 修饰了壳聚糖的电极的氧化还原峰电流较未修饰壳聚糖的修饰电极略 有减小,还原峰电流减小了.衅,氧化峰电流减小了.心,这是因为修饰了 壳聚糖增加了修饰膜的厚度,一定程度上阻碍了其电子传递的过程但后 面的催化实验证明,修饰了壳聚糖,提高了的稳定性和催化效率。 :/、, 图裸电极、/./和./修饰电极在氮 / 气饱和的溶液中.的循环伏安曲线扫速:.,/?/. /. / 上海师范大学硕士学位论文 图是/./修饰电极在磷酸缓冲溶液中不同扫速下测得 的循环伏安曲线。可以看到,氧化还原峰电流随扫速的增大而增大,且峰电流 之 ,由此可判断, 比约为,氧化还原峰电位则没有明显的移动,?约为 这是一个准可逆的电子传递反应;在.~./范围内,氧化还原峰电流与 扫速成良好的线性关系图,是典型的表面吸附控制的电子传递过程,其线 性回归方程为/../.,相关系数.,印“一. /..,相关系数.。 王. ‘ 每. .. .. .. . . 日『\, 图不同扫速下//修饰电极在.溶液中的循环伏安曲线 / 扫速分别为, ,,,,,,,,, // . . , ,,,,,,,,, /上海师范大学硕士学位论文 / ‘图扫描速率与峰电流的相关曲线数据来自图 ....溶液对修饰电极循环伏安的影响 图是/./修饰电极在不同的磷酸缓冲溶液中 测得的循环伏安曲线。随着值从.增大到.,氧化还原峰电位逐渐负移, 式量电位‘与作图呈现出良好的线性关系图,相关系数.,斜 率为/,说明这个电子传递的反应是一电子一质子的类型。 :/ 图/./修饰电极在 ..的中的循环伏安曲线扫速 上海师范大学硕士学位论文 / //. / :.?., .. .. .. , ‘疗 .. 之 钆.. ..图式量电位与的关系图数据来自图 ’ . . .. 修饰电极对氧还原的催化特性 考察修饰电极对氧还原的催化能力是本研究的目的之一。因为,修饰电极上 原位产生一定量的是生物酶在催化有机合成的重要保证。图为裸电极, ./及/./修饰电极在氧气饱和的溶液中 的曲线。从图曲线中可以看出,./修饰电极在.. 处有一个明显的氧的还原峰电流峰,且峰电流增大,与裸玻碳电极图曲线 比较,氧的还原峰电位正移了,说明在碳纳米管上有明显的氧催化 还原的能力:而/./修饰电极与./修饰电极 相比较,发现/./修饰电极的氧的还原峰电流增大,峰电位无 显著的变化,说明修饰了壳聚糖的电极对氧催化还原能力的效果更强。上海 师范大学硕士学位论文 图裸电极/修饰电极和/./修饰电极在 氧气饱和的中.的曲线扫速为/ / . ,// . /. 一 .小结 利用碳纳米管将氯过氧化物酶固定在玻碳电极表面,循环伏安测量结果显 示, 在电极上发生了直接可逆的电子传递。从氧化还原峰电流对扫速的线性关 系图可知,与电极之间的电子传递过程是受表面吸附控制的,并伴随着质 子参与的反应,式量电位’与的关系图则说明此过程是一电子一质子的过 程。同时修饰电极在氧饱和的磷酸缓冲溶液中的曲线说明,修饰电极 可以催化还原氧,修饰了壳聚糖的电极有更好的氧催化还原能力。 上海师范大学硕士学位论文 第三章修饰电极催化氧化肉桂醇的研究 醇的选择性氧化为羰基化合物,是一种重要的有机合成反应,在药物合成、 维生素、香料等生产中具有很重要的作用。传统的醇类氧化通常使用含有和 的重金属试剂,这样污染大,不符合现在所提倡的“绿色化学”的主题。而 利用生物酶将伯醇催化氧化成相应的醛,由于其反应条件温和、效率高、选 择性 好等优势,在药物合成等领域具有潜在的应用价值。醛类在有机合成中有着 广泛 的应用,但是利用催化氧化醇类得到相应的醛的报道很少,而和 催化氧化含烯丙基,炔丙基和苄醇的研究为其催化氧化醇到醛提供了选择性。 在己烷或乙酸乙酯双相系统的缓冲体系中可以催化氧化伯醇,己烯醇等为 相应的醛【】。但是其的用量大,成本高,且实验过程需要在双相系统中进 行,此混合比例对的催化氧化也有着重要的影响,反应过程中还需外加, 过大浓度的会使失去活性。 肉桂醛是一种醛类有机化合物,为黄色的粘稠状液体,大量存在于肉桂等植 物体内,自然界中天然存在的肉桂醛为反式结构,该分子为一个丙烯醛上连接一 个苯基,因此可被认为是一种丙烯醛衍生物。实验室一般采用分馏肉桂树皮所含 有的挥发油的方法来合成肉桂醛,因为这一方法最简便经济。而化学合成肉桂醛 的方法有许多种,如可以通过氧化肉桂醇获得。更常见的一种合成是用苯甲醛和 乙醛在催化剂如稀碱或聚乙二醇作用下通过羟醛缩合反应后再通过加热或用 酸酐脱去一分子水生成,但此方法所用试剂的毒性大。 本研究小组之前探究了/./修饰电极通过原位产生过氧化 氢驱动对肉桂醇进行催化氧化得到了肉桂醛,其方法简便,转化率高,且 的使用寿命长,并解决了多次使用的问题。本章实验在这基础上,通 过改变修饰电极的方法来催化氧化肉桂醇,并探究其催化氧化前后修 饰电极的稳定性。 .实验部分 ..实验试剂 肉桂醇分析纯,国药集团上海分公司,肉桂醛分析纯,景颜化上海师范大学硕 士学位论文 工科技有限公司,无水乙醚分析纯,上海国药试剂其他试剂均为分析 超纯水发生器,上海康雷分析仪器 纯,所用溶液用超纯水配制 有限公司。 ..实验仪器及方法 循环伏安 测量以及催化反应等电化学实验在 电化学工作站上进行上海辰华公司;产物表征用气相色谱分析日本 岛津.气相色谱仪。电化学实验采用三电极体系,其中,玻碳电极及其 修饰电极作为工作电极,铂片电极作为辅助电极,饱和甘汞电极作为参 比电极。测试所用溶液是浓度为. 不加。 /,. 修饰电极的制备见..。 .. 修饰电极催化氧化肉桂醇及其表征方法 将修饰电极置于 .的中,加入.肉桂醇,在室 温、持续通氧气并保持氧气氛条件..下进行恒电位电解 。产物用气相色谱 进行表征。 气相色谱分析:修饰电极催化氧化肉桂醇后的产物用的无水乙醚 萃取,萃取次;将催化后的反应液按上述方法萃取后合并滤液,用气相色谱法 进行分析,所使用的色谱柱是.×. 锄,.,气相色谱的 检测条件为:使用分流模式直接进样,分流比为:,进样. .。进样口温度 ?,检测器温度?,柱温?,检测器为氢火焰离子化检测器; 采用程序升温法,?保持 ,再以/升温至,保持;柱 流量. /。 .结果与讨论 .. 修饰电极催化氧化肉桂醇反应前后的比较 已有的研究结果石,电极上固定的起到两个作用,一是催化氧 还原产生过氧化氢,而过氧化氢又是催化有机反应过程中必需的。所以首 先考察了有无底物肉桂醇存在时修饰电极的曲线。从图可以看出,与无底 物存在时的曲线图相比较,无论有否修饰壳聚糖的修饰电极的曲 上海师范大学硕士学位论文 线无显著变化,同样,未修饰壳聚糖的电极较修饰了壳聚糖的电极有 更大的氧化还原峰电流,而氧化还原峰电位则没有明显的变化,说明壳聚糖 的修 饰增加了膜电极的厚度,增加了。与电极之间电子传递的阻力。 . . .? ? ., .. .. .一. ?. .. . . . 、 图/./修饰电极和?/修饰电极在氮气饱和的含 . 溶液中的曲线扫速:/ 肉桂醇的 ?/ /?/ ” . . / 图是壳聚糖修饰与否的修饰电极在氧气饱和下的肉桂醇溶液中 曲线。同样,修饰电极在含底物肉桂醇的溶液中,对氧还原具有很好的催 化效应。相对而言,//修饰电极对氧的还原峰电流较大,说 明其具有更强的氧催化还原能力,这为之后催化氧化肉桂醇奠定了基础。上 海师范大学硕士学位论文 ? 仨~ 图/./和/修饰电极在氧气饱和的含肉桂醇 溶液中的曲线扫速:/ . // / . .一/ 为了进一步考察壳聚糖修饰电极的优势,分别用/./和 ./两种修饰电极、同样在含有肉桂醇溶液的中恒电位电解 后,再置于氧气饱和的中测量曲线,以考察修饰电极的稳定性。可 发现,修饰了壳聚糖的电极在反应后,氧还原峰电流为心,是反应 前心的三分之一,表明对氧仍有较好的催化还原能力图。相比之下, ./修饰电极反应后,氧还原峰电流减小为.衅,是反应前 衅的十分之一图,同时观察电极表面,可发现其电极表面已有小部分 脱落。由此确定,壳聚糖的修饰既提高了修饰电极的稳定性,也提高了对 氧还原的电催化能力。上海师范大学硕士学位论文 墨 ? 日,\厂 图/./和./修饰电极在氧气饱和下的. 溶液中恒电位电解肉桂醇后的曲线扫速:// . /?/ ./ .. 修饰电极对肉桂醇的催化氧化及其表征 根据推测,肉桂醇可被催化氧化为肉桂醛【】图。 ?????????????? 肉桂醇肉桂醛 图催化氧化肉桂醇. /./和./修饰电极在氧气饱和的肉桂醇 溶液中,在..的电位下恒电位电解后,反应液经无水乙醚萃取后进行气相 色谱测试。在同样的色谱分析条件下检测,肉桂醇 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 样品的保留时间为. 图,肉桂醛标准样品的保留时间为.图。产物的保留时 上海师范大学硕士学位论文 化率只有.%。由此说明,电极上修饰的壳聚糖,既能对起到一定的保护 作用,在增强了其稳定性和催化活性的同时提高的催化还原氧的能力,从 而提高催化效率。 ..不同电解时间对肉桂醛转化率的影响 图是考察修饰电极在肉桂醇溶液中电解不同时间对肉桂醛转化率的影响。 分别取电解时间为,,,的反应液,同样处理后进行气相色谱分析, 由峰面积积分得出各个时间的转化率。结果显示,随着电解时间的增加,肉桂 醇 的转化率也逐渐增加。 暴乏 ,皇 , 刀/ 图不同电解时间的肉桂醛的转化率 ..小结 利用/./和./两种电极在电位为..下 恒电位电解,电极原位上产生的驱动催化氧化肉桂醇生成肉桂醛,通 过比较反应前后,对电催化还原氧的活性,以及催化肉桂醇反应生成肉桂醛 的转 化率,表明修饰了壳聚糖的电极提高了稳定性和催化活性。此反应是在水 溶液中进行的,与其他肉桂醛的合成方法相比,是一种绿色环保的有机合成 方法。 修饰电极具有较高的催化选择性,这也为催化氧化伯醇类有机物提供 了一个环保高效的方法。上海师范大学硕士学位论文 第四章修饰电极对,一环戊二酮的催化氯化 氯过氧化物酶催化反应体系中最具优势的就是催化氯化反应体系 】。除此之外,也可以催化其他卤化反应包括溴化物及碘化物,但不包 含氟化物。由于容易获得且在自然界中容易合成,这就成为众多研究小组 为证明酶可以催化氯化有机化合物的首选。在受体分子的存在下,可以利 用氯化物,溴化物和碘化物催化形成碳.卤键,合适的卤素受体分子有.酮酸, 环状酮及取代的酚类。 本实验选择,.环戊二酮作为修饰电极催化氯化的研究底物,主要基 于以下考虑:首先,.环戊二酮是一个环状二酮,而环状二酮, 酮酸和取代的酚类是很好的卤素受体,.二氯.,.环戊二酮是的主要代谢 产物,,.环戊二酮可以被催化氯化为,.二氯.,.环戊二酮。其次,,.环戊二 酮和另一种环状二酮作为光谱检测的卤化过程而已经被 广泛使用。由于,.环戊二酮及其中间产物的最大吸收波长分别为和 ,并且有着很高的吸光系数,而代谢物,.二氯,.环戊二酮的最大吸收 波长是,并且吸光系数小,所以很容易进行分别的检测【删。催化 氯化,.环戊二酮的反应如图所示【: ,‘ ,. ??????????? ?????????.氯.,.环戊二酮 一二氯,环戊二酮 .环戊二酮 催化氯化环戊二酮 ,图 . ?.上海师范大学硕士学位论文 .实验部分 ..实验试剂 ,?环戊二酮,,购自日本公司,乙酸乙酯分 析纯,上海国药试剂研究溶液均用超纯水配制 超纯水发生器, 上海康雷分析仪器有限公司。 ..实验仪器及方法 循环伏安 测量与催化,.环戊二酮的氯化反应在 电化学工作站上进行上海辰华仪器公司,产物的表征利用 紫外分光光度计上海欣茂仪器有限公司和气相色谱仪,安捷伦 气相色谱仪。电化学实验采用三电极体系,其中玻碳电极和修饰电极作为 工作电极,铂片电极作为辅助电极,饱和甘汞电极作为参比电极。 测量及其催化反应所用溶液是浓度为. /的磷酸缓冲溶液 。 .,内含./ 修饰电极的制备见..节,催化实验所用工作电极为 们./修饰电极。 .. 修饰电极催化氯化 .环戊二酮 将/./修饰电极置于 .的溶液中内含 作为氯源,加入 ,.环戊二酮,室温、持续通氧气一.下恒电位电解, 稀释至,进行 、.、、、,各取的反应液,用. 紫外分光光度检测,,.环戊二酮紫外吸收的最大吸收波长入为。取 ,的反应液,分别用的乙酸乙酯,萃取次,合并滤液。进行气相色 谱分析。所用的色谱柱是.,测试条件是使用分流模式直接进样,分流比为 :,进样. 。进样温度。,检测器温度。,柱温。,检测器 为氢火焰离子化检测器采用程序升温法,。保持 ,再以?/ /。 升温至?,保持 ;柱流量. 上海师范大学硕士学位论文 .结果与讨论 ..反应底物存在与否对修饰电极的循环伏安的影响 图 是/./修饰电极在有无,.环戊二酮的中的 曲线,从图中可以看出,,.环戊二酮加入与否其循环伏安曲线上均有一对氧 化 还原峰图曲线,氧化峰电位为..,还原峰电位为..,,.环戊 二酮的加入并没有使其氧化还原峰电位发生明显的变化,说明,.环戊二酮的 加 入没有影响的直接电子传递过程,同时,.环戊二酮在此电位窗口内也没 有发生其他氧化还原过程,由此可进行催化,.环戊二酮的氯化反应。 墨 鼍 /,\厂 图 /?/修饰电极在氮气饱和的有和/ 。。环戊二酮的 内含./ 中的曲线扫速:/ // .. . / .. 修饰电极对’.环戊二酮的催化氯化 图是在波长范围内,,.环戊二酮与过氧化氢混合溶液的 紫外吸收光谱图。从图中可明显看出,在处有一个最大吸收峰,此处是 ,.环戊二酮的最大吸收波长。 上海师范大学硕士学位论文??? 图 ,.环戊二酮与过氧化氢混合后的紫外吸收光谱图 / . . , 图是/./电极作工作电极,在,.环戊二酮中恒电位 电解、.、的反应液的紫外吸收光谱图。曲线是反应前的紫外吸收光 谱图,在处出现了底物,.环戊二酮的特征吸收峰。以 /./修饰电极为工作电极,恒电位电解后取样测得的吸光 度明显降低,大约.左右。图是用其他的修饰方法修饰的/./ 修饰电极对不同电解时间的,.环戊二酮反应液的紫外吸收光谱图,从图中明 显 看出,电解后吸光度就有所降低,后吸光度降低了约.,这可能是生成 了中间产物.氯.,.环戊二酮。由此说明修饰电极对,.环戊二酮 的催化氯化有显著的效果。上海师范大学硕士学位论文 , ? ? 图/./修饰电极在.环戊二酮中恒电位.电解 .反应液的紫外吸收 // . 一., ,., , ? ? / 图同等条件下,其他修饰方法修饰的/?/修饰电极恒电位电解,.环戊 二酮不同时间的紫外吸收. /?/ . .. 上海师范大学硕士学位论文 .. 催化氯化’.环戊二酮的原理探究 为了得到最终的氯化产物,.二氯.,环戊二酮,延长了反应时间至,取 此时的反应液用上述同样的方法测其紫外吸收,发现反应后其紫外吸收的吸 光度不但没有降低反而有所上升图,重复多次实验,均得到这一结果,为 此初步探究了催化氯化,.环戊二酮的反应机理。 ,:《 / 图//修饰电极在,.环戊二酮中恒电位.电解 反应液的紫外吸收 ./ .,众所周知,酮在水溶液中可以发生内部的重排,.碳上的氢会转移到羰基 氧上,从而使碳氧的双键变为碳碳双键。这个过程称为酮.烯醇的互变。在 催化氯化反应过程中,第一步发生的是酮.烯醇的互变异构图,其后可能发 生如图和图所示的反应机理,即在烯醇碳.碳双键上电轰击’,同时羟基 上的质子转移到溶剂中,最终形成了氯化的产物,根据从我们的实验结果可以推 测,第二步则是反应的决定步骤,此步骤的机理如图。上海师范大学硕士学位论文 .. 亡 . 图 .环戊二酮的氯化. 图 ,.环戊二酮酮.烯醇互变异构的机理. 图 ,.环戊二酮的氯化步骤. 修饰电极恒电位电解,.环戊二酮后紫外吸收的吸光度降低,也正 是说明了其中发生了酮.烯醇互变,使,.环戊二酮更容易氯化,而反应后吸 光度有所上升,根据反应机理推测,反应中的烯醇式可以以较缓慢的速率发 生转 上海师范大学硕士学位论文 化最终又形成了环戊二酮。 为了比较催化氯化,.环戊二酮和后生成的.氯,.环戊二酮 的量,分别取电解时间为、和的反应液,用乙酸乙酯萃取后进行气相色 谱分析。图为未反应时的,.环戊二酮的气相色谱图,.的峰为 溶剂乙酸乙酯,和中. 的峰为.氯.,.环戊二酮。 蒸囊蒸鬃;霉鬻溪鬻鬻蘩鬻鬻 上海师范大学硕士学位论文 图/./修饰电极恒电位电解.环戊二酮的气相色谱图 // . 锄 ?. 从以上的气相色谱图可以得知,反应后生成的.氯.,.环戊二酮没有反 应的多,通过反应后峰面积与反应前峰面积的比值得知,反应后有.% 的,.环戊二酮氯化为.氯.,.环戊二酮,而反应后仅有.%,这与紫外 吸收曲线的结果基本一致。由文献可知【催化氯化,.环戊二酮的最终产 物为,.二氯.,.环戊二酮,但是本实验中一直存在酮.烯醇的互变结构,使得 其 结果只得到一氯产物即.氯.,.环戊二酮。 .小结 以吲./修饰电极作工作电极,在..下恒电位电解,可 催化,.环戊二酮为.氯.,.环戊二酮,利用紫外可见分光光度法克简便地监测 反应的进程,发现随着电解时间的增加,吸光度逐渐降低,但是当电解后, 又出现吸光度上升的现象,参考文献报道【。】对催化,.环戊二酮的氯化 反应机理进行了初步的分析,详细的反应机理还需进一步的研究。上海师范 大学硕士学位论文 第五章修饰电极对,。三氯苯酚的催化脱氯 在许多工业过程中,如生产聚合物、染料、农药和纸张中都会发现,,.三 氯苯酚和多卤代酚。除此之外,氯酚类也可以在饮用水的消毒过程中产 生。美国环境保护局和欧盟都将氯酚类化合物视为最主要的污染 物。氯酚类化合物在地面和废水中均可发现,且随着氯原子的取代度它的毒 性和 持久性也逐渐增大,由于,,.三氯苯酚能导致肺部的病变成为最有害 ? 的氯酚类化合物之一。当氯酚类化合物到达土壤和天然水中时,通过泥浆, 污泥 和污水中的微生物得以降解,然而,绝大多数的氯酚化合物对微生物都是有毒的, 因此就需要生物预处理。 检测水中的,.三氯苯酚最常用的方法是在富集的基础上液.液萃取通 过气相色谱对其分析,然而这种方法通常需要样品的预处理且非常浪费时间。这 时就需要一个灵敏的且有效的分析方法来检测水中的三氯苯酚【‘。 根据反应的条件和氯酚化合物的特性,酶可以使污染物完全降解同时避免了 微生物的处理,而过氧化物酶通常是被用于此目的。作为最常用的过氧化 物脱卤酶,可以催化氧化,,.三氯苯酚的脱氯反应。电化学脱卤的方法具有操 作简便、效率高等优势,有着巨大的应用潜力。 本实验利用/./修饰电极作工作电极,电化学方法,,. 实现,,.三氯苯酚的脱氯,提供了一种绿色环保的降解酚类化合物的新技术思 路。 .实验部分 ..实验试剂 ,,.三氯苯酚,,.,,一,纯度为%,购自美国 公司,,.二氯一,一苯醌,一,一,纯度为%, 购自美国公司,醋酸铵分析纯,上海国药试剂。 ..实验仪器及方法 循环伏安 等电化学实验在电化学工作站 上海师范大学硕士学位论文 上进行上海辰华仪器公司,电化学实验采用三电极体系,其中 /./修饰电极作为工作电极,铂片电极作辅助电极,饱和甘汞 / 电极作参比电极。测试底液为. .,脱卤实验 溶液用不含的。 修饰电极的制备见..。 .. ,.三氯苯酚的脱氯及表征 脱氯反应的表征采用循环伏安法。将/./修饰电极置于 氧气饱和的.的溶液中,加入/的,,.三氯苯酚,,. 在..下恒电位电解反应,取此反应液进行表征。采用液质联用色谱 .液相色谱的条件是:流动相:./醋酸铵,乙腈。 采用梯度洗脱:%乙腈保持,内从%到%,保持。之后回 到%乙腈,保持的平衡时间。 .结果与讨论 .. 修饰电极在,.三氯苯酚中的循环伏安行为 图是裸电极和修饰电极在氮气饱和的/ ,,.中的曲线, 可以看出,/./修饰电极与./修饰电极有更明 显的氧化还原峰,说明在弱酸性或中性溶液中,壳聚糖可以提高修饰电极 的稳定性。同时可知在此电位窗口范围内没有出现,,.的氧化还原峰,说 明,.在此范围内没有发生反应。