[发明专利]一种化学反应和生物反应耦合生产2,5-呋喃二甲酸的方法

说明书

本发明公开了一种化学反应和生物反应耦合生产2,5‑呋喃二甲酸的方法，在漆酶‑TEMPO体系中，催化5‑羟甲基糠醛转化，得到氧化中间产物，然后调节产物pH值为5.0～6.0，加入假单胞菌属微生物细胞和CaCO₃进行催化反应，得到2,5‑呋喃二甲酸。本发明的合成方法能显著提高2,5‑呋喃二甲酸的产量，且避免了复杂，耗时耗力繁琐的遗传学改造，只需通过简单的催化反应耦合，即可实现HMF催化生产FDCA。本发明能催化转化的底物浓度更高，FDCA的产率更高，不需要昂贵的辅因子。该过程简单可控，克服了遗传工程菌不稳定的问题。

技术领域

本发明涉及化学及生物催化转化领域，具体涉及一种化学反应和生物反应耦合生产2,5-呋喃二甲酸的方法。

背景技术

随着化石资源的日益匮乏及全球变暖的加剧，生物基能源和平台化合物的开发利用在全球范围内引起重视。生物质是一种来源丰富，价格低廉的可再生碳源，实现其高值化利用是未来生物质发展的重要方向。5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural，HMF)是一种重要的生物基平台化合物，位居美国能源部宣布的“Top 10+4”平台化合物之列(GreenChemistry,2010,12:539)。该生物基平台化合物可以通过碳水化合物脱水制备得到。HMF呋喃环上有多个活性基团如羟甲基和醛基，可以选择性氧化分别转化为HMFCA、DFF、FFCA、FDCA等，结构如图1所示。这些氧化产物可广泛应用于燃料、医药、呋喃类树脂、精细化学品等领域。例如2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是美国能源部宣布的“Top 10+4”平台化合物之一，因其与石油基大宗化学品对苯二甲酸结构相似，可以替代对苯二甲酸用于制造聚酯、聚酰胺类。此外，FDCA在农药和医药方面也有着广泛应用(Journal of Polymer Science,Part A:Polymer Chemistry,2009,47:295)。

目前，FDCA主要通过化学催化5-HMF制备。Pasini等以分子氧为氧化剂，在Au-Cu/TiO₂的共同催化下，HMF实现了高效选择性氧化，生成了99％的FDCA(Green Chemistry,2011,13:2091)。Lew等研究发现单独以Pt/C为催化剂时，FDCA产率为95.2％，当同时利用双催化剂CuO-Ag₂O时，产率可提高至99％(Method of producing dehydromucic acid[P].US:3326944,1967-06-02)。李双等制备了钨钼盐催化剂，以H₂O₂为氧化剂，碱性水溶液为溶剂，在100℃反应2h，5-HMF的转化率是100％，FDCA的选择性是99.5％。

尽管化学法合成FDCA取得了一定的进展，但化学法通常以重金属为催化剂，价格昂贵，反应条件苛刻，环境不友好，违背了绿色化工的发展策略。此外，部分化学催化剂选择性不理想，容易导致活性羟基或醛基的过度氧化，从而产生大量副产物，影响后续目标产物分离纯化。与化学法相比，生物催化反应条件温和、选择性高、工艺简单、无需利用有毒溶剂和催化剂，环境友好，能耗低，且可持续。(生物加工过程,2017:34)。但是目前生物催化合成FDCA仍处于起步阶段。Dijkman等报道了一种来源于Methylovorus sp.MP688的HMF氧化酶，该酶能够催化HMF氧化，室温下反应24h，HMF(5mM)可完全转化，FDCA产率达95％。Carro等耦合芳基醇氧化酶(AAO)和非特异性的血红素氧化酶(UPO)一锅两步将HMF(3mM)转化为FDCA，但该耦合反应效率较低，，需反应较长时间(120h)才能获得高FDCA产率(91％)。最近Tharangattumana Krishnan Godan等人分离了一株新的不动杆菌S27，能将HMF转化为FDCA，产率最大约为65％，但该过程伴有大量的HMFCA生成。

发明内容

针对目前FDCA制备技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种化学反应和生物反应耦合高效生产2,5-呋喃二甲酸的方法，以简化生产工艺，提高2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的产量。