（应用化学专业论文）新型生物高分子材料聚天冬氨酸的合成及应用研究.pdf

摘璺 摘要 聚天冬氨酸是一种可生物降解、无毒、不破坏生态环境、被人们誉为“绿色” 产品的新型生物高分子材料，其用途十分广泛，涉及到工业水处理、农业、医药、 日用化学品和石油钻井等行业。由于其优良的性能，逐渐受到世界上各大化学公 司的关注，对聚天冬氨酸的合成及应用做了大量的研究。而国内则起步较晚。只 是在近几年才有一些研究机构丌始进行此方面的研究。本工作是西安市科技攻关 计划的预研课题，研究了以l 一天冬氨酸为主要原料合成聚天冬氨酸的缩合工艺， 探讨了各种影响因素：表征了产物的结构；完成了初步的应用试验。 = l 三要研究： 作如下： 1 综述了生物高分子材料聚天冬氨酸的合成方法及在工业、农业及医药等 方面的应用。 2 以l 天冬氪酸为主要原料，优化了传统工艺，合成了浅色高质量的聚 天冬氨酸，避免了产物脱色过程。 3 研究了合成过程中各种因素对反应的影u 向。结论为：反应温度应在 1 8 0 2 2 0 。c ，提高反应温度有利于加速反应进程，但也使反应产物颜色加深；反 应时间一般取1 2 h ，催化剂量应取1 6 7 1 0 ，催化剂量太少时反应速度较慢， 大于1 0 时反应物结块；水解5 克中间体聚琥珀酰亚胺需要2 m o l l 的n a o h 溶 液3 0 m l ，水解温度5 0 6 0 。c 时问1 h ；将水解液用o 0 0 8 m o l h c l 中和，缓慢滴 入高速搅拌的i ；f i 醇中，甲醇用量为水解液质量的3 6 倍。在此工艺下得到聚天 冬氨酸钠粉术，外观为白色的轻质粉米，堆积密度0 3 5 9 m l ，不用进行脱色和粉 碎。 4 用红外光谱和核磁共振谱图对聚天冬氨酸进行了表征。 5 对合成的聚天冬氨酸钠对c a c 0 3 的阻垢性能进行了研究。结果表明： 在c a 2 十离子浓度1 2 0 m l ( 碳酸钙计3 0 0 m l ) h c 0 3 离子浓度为3 6 6 m g l ( 以 碳酸钙计6 0 0 m g l ) 。p h 值= 9 0 的条件下，阻垢剂浓度达到1 2 5m l 时阻垢率 可达9 9 。 6 对p a s p 的工业化生产进行了初步设计。 关键词：聚天冬氨酸，合成，应用，可生物降解，生物高分子材料 t h e s y n t h e s i s a n d a p p l i c a t i o n o f p o l y a s p a r t i c a c i da san e w l y b i o l o g i ch i g hm o l e c u l a rp o l y m e r a b s t r a c t p o l y a s p a r t i ca c i do ri t s s a l t si sak i n do fn e w l yb i o d e g r a d a b l e ，i n n o c u o u sa n d e n v i r o n m e n t a lf r i e n d l yb i o - o r g a n i cp o l y m e r , r e c o g n i z e da sg r e e nm a t e r i a l a n dw i d e a p p l i e d i ns u c ha r e a s 髂a g r i c u l t u r e ，m e d i c i n e ，c o m m o d i t y , w a t e rt r e a t m e n ta n d p e t r o l e u me t c t h es y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o n o f p o l y a s p a r t i ca c i dh a sb e e n r e s e a r c h e d i nm a n y c o m p a n y a b r o a di nt h ep a s ty e a r s t h et a s ki sap a r to fx i 8 1 1c i t ys c i e n t i f i c r e s e a r c hp l a n ，i nw h i c ht h ee f f e c to ft h e r m a lc o n d e n s a t i o nt e c h n i q u eo np r o p e r t y e so f p o l y a s p a r t i c a c i dw i t h l - a s p a r t i c a c i dw e r e d i s c u s s e d ，p r o d u c t c o n s t r u c tw a s c h a r a c t e r i z e d ，a n da p p l i c a t i o ni nw a t e r t r e a t m e n tw a s c o m p l e t e d o u i m a l nt a s ki sa sf o l l o w s ： 1 ) t h es y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o no f p o l y a s p a r t i ca c i da n di t ss a l t sw e r ed i s c u s s e d 2 、t h e l i g h t c o l o r e dp o w d e ro fp o l y a s p a r t i c a c i dw a s s y n t h e s i z e db yt h e r m a l c o n d e n s a t i o np o l y m e r i z a t i o no fl a s p a r t i ca c i d t h ed i s c o l o r e dt e c h n i c sa n dt h e p r o c e s so f c o m m i n u t i o n h a db e e na v o i d e d 3 ) t h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf a c t o rt op r o d u c tw a ss t u d i e da n dt h eo p t i m u mr e a c t i o n c o n d i t i o n sw e r ef o u n da sf o l l o w s ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r er a n g e sf r o m7 5 8 5 c ，t h e h i g h e rt e m p e r a t u r ea c c e l e r a t e st h er e a c t i o nc o u r s eb u tc o u l dg e tm o f ef u s c o u s p r o d u c t ，r e a c t i o nt i m e d u r a t i o nw a sa b o u t1 - 2 h s c o n s u m p t i o na m o u n to f c a t a l y z e ri s 1 6 7 - 1 0 o f t h ea n a o u n to f l - a s p a r t i ca c i d i tn e e d s3 0 m l2 m o l l n a o hs o l u t i o nt oh y d r o l y z e5 9 p o l y s u c c i n i m i d e t h et e m p e r a t u r eo f h y d r o l y z a b l e r e a c t i o nr a n g e sf r o m5 0 - 6 0 1 2a n dt h er e a c t i o nt i m ei s1 0h t h ec o n s u m p t i o n a m o u n to fh c it on e u t r a l i z et h er e r n a n e n tn a o hl sa b o u t0 0 0 8 m 0 1 t h ew h i t e l o w - d e n s i t yp o w d e ro ft h et h es o d i u ms a l to fp o l y a s p a r t i ca c i dw a sg o tb y d r o p p i n g t h e h y d r o l y z a b l e s o l u t i o nt ow i s c k e d h i g hs p e e d l yc a r b i n o l w h i c h c o n s u m p t i o na m o u n ti sa b o u t3 - 6t i m e st ot h ea m o u n to fs o l u t i o n t h ep o w d e r s d e n s i t yi sa b o u to 3 5 9 m 1 4 ) p o l y a s p a r t i ca c i dw a sc h a r a c t e r i z e db yn m r a n di r 5 ) t h e s c a l ei n h i b i t i o nb e h a v i o ro f p o l y a s p a r t i ca c i dw a s s t u d i e da n d r e s u l ts h o w s ： t h ec a l c i u mc a r b o n a t ei n h i b i t i o nr a t ei s u pt o9 9 a tt h ed o s a g e so f1 2 5 r a g l a b s t r a c t a n dw h e n p h v a l u ei s9 0 ，c a 2 + c o n c e n t r a t i o ni s12 0 m g la n dh c 0 3 。c o n c e n t r a t i o n i s3 6 6 m g l 6 ) t h ep r i m a r yd e s i g n w a s p u tf o r w a r d f o ri n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o no f p a s e z h o u j u n ( a p p l i e dc h e m i s t r y ) d i r e c t e db y p r o f e s s o rm az h e n g s h e n g k e yw o r d s ：p o l y a s p a r t i ca c i d ；s y n t h e s e s ；a p p l i c a t i o n ；b i o d e g r a d a b l e ；b i o l o g i ch i g h m o l e c u l a r p o l y m e r ； i l l 独创性声明 v 。6 2 3 8 8 5 本人所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并已表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 第一章概述 第一章概述 1 1 聚天冬氨酸研究的背景、意义及应用研究进展情况 聚天冬氨酸( p o l y a s p a r t i ca c i d 缩写p a s p ) 原为一种天然存在于 软体动物和蜗牛壳中的氨基酸聚合物，近年来人们受到此类动物的代 谢启发而成功地合成了这一生物高分子材料。聚天冬氨酸除具有一般 水溶性羧酸的性质外，还具有其他许多聚合物无法比拟的优良特性。 聚天冬氨酸最大特点是可生物降解、无毒、不破坏生态环境，可完全 降解为对环境无害的终产物。经实验证实聚天冬氨酸2 8 天的降解率可 达7 6 t 1 1 ，而且没有毒性，可替代许多对环境有害的化学品，被人们 誉为“绿色”产品，在工业、农业、医药等方面都具有非常广泛的用 途。由于近年来人们对环保问题日益关注，聚天冬氨酸的优异品质逐 渐受到世界上各大化学公司的关注，其中以美国、德国以及日本等国 的化学公司对聚天门冬氨酸的研究最为活跃，美国d o n l a r 公司和德国 b a y e r 公司等都有工业装置投入生产。随着全球环保意识的不断加强， 人类回归自然、保护生态平衡的愿望愈来愈强烈，聚天冬氨酸有着不 可估量的前景。 1 1 1 天冬氨酸简介 聚天冬氮酸的单体为天冬氨酸( a s p a r t i ca c i d ) ，天冬氨酸的化学式 见图1 1 。 o h o h 图1 - 1 天冬氨酸的分子结构 天冬氨酸的分子量为l3 3 1 0 ，它有两种旋光异构体：d 型和l 型。 天冬氨酸的立体结构式见图1 2 f 。通常我们所说的天冬氨酸是指等量 的d 型和l 型的混合物，称为d l 型，为外消旋体。它们的有关性质 第一章概述 见表1 1 。 oo l _ 天冬氨酸 d 一天冬氨酸 图1 2 天冬氨酸的立体结构 表1 - 1 天冬氨酸的性质 天冬氨酸又称氨基丁二酸，是构成蛋白质的二十种基本氨基酸之 一，其在生化试剂和临床医学方面具有广泛的应用。作为一种人体必 需的氨基酸，它能调节脑和神经的代谢功能，其左旋体l - 天冬氨酸 ( l a s p ) 广泛用作氨解毒剂、肝机能促进剂、疲劳恢复剂等医药用品和 各种清凉饮料的添加剂生产；其外消旋体d l 一天冬氨酸( d l a s p ) 可用 于合成d l 天冬氨酸钾镁盐( 脉安定) ，用于治疗心率失常、心动过速、 心力衰竭、心肌梗塞、心绞痛、肝炎和肝硬化等疾病。天冬氨酸镁钾 ( p m a ) 具有很强的细胞亲和性，可作为螫合剂，与金属离子结合后分 离较慢。在缺钾、镁时，p m a 可作为载体，促使钾、镁离子容易进入 细胞内，从而更好地发挥它们的生物作用。此外，p m a 可使心率失常 消失或明显减少，其总有效率高达9 4 【3 l 。d l 天冬氨酸还可作为合 2 第一章概述 成多肽的原料。它的氨基氢的取代衍生物( n m d l a ) 可以作为治疗神经 类疾病和大脑疾病的药物 4 1 。天冬氨酸的衍生物：n - 甲基一d - 天冬氨酸 ( n m d a ) i 能明显增强视神经单元放电单位的兴奋作用。n m d a 可作 为哺乳动物中枢神经系统( c n s ) 中重要的兴奋神经递质受体之一【6 1 。 1 1 2 聚天冬氨酸的应用领域 聚天冬氨酸是天冬氨酸单体的氨基和羧基缩水而成的聚合物，其 分子链形式有a 型和t 3 型两种，见图1 3 。 q 型七n h c h 一。专 6 h 2 c o o h b 型+ n h 一7 h - - c h 广c 。 6 0 0 h 图1 - 3 聚天冬氨酸的分子结构 从目标分予的结构看，p a s p 实际上是一种水溶性的大分子多肽 链，以肽链一c o n h 一来增长分子链，与蛋白质的结构有些类似， 蛋白质是由多种o 氨基酸以肽链 合物( 分子量一般在1 00 0 0 以上) 。 一c o n h 一结合而成的高分子化 因此，在微生物活性( 有酶参与) 的 作用下，酶进入聚合物的活性位置并发生作用，使聚合物发生水解反 应，聚合物大分子断裂变成小的链段，并最终断裂为稳定的小分子无 毒物质，完成生物降解的过程，所以聚天冬氨酸具有优良的生物可降 解性。 在二十一世纪的今天，绿色环保成为社会发展的一个重要的目标。 因而，对环境完全无害并且性能优良的聚天冬氨酸成为许多国家近年 来的研究重点。 聚天冬氨酸目前被开发的应用领域主要有以下几个方面。 1 1 2 1 水处理剂 阻垢剂 作为阻垢剂使用的聚天冬氨酸对碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙、硫酸 第一章概述 钡等的阻垢性能优异。在硬度2 5 0 m g l ( 以碳酸钙计) 、碱度5 0 0 m g l ( 以碳酸钙计) 、p h = 9 的配制水的条件下，对化学合成的p a s p 和聚 丙烯酸( p a a ) 对c a c 0 3 的阻垢性能进行比较，表明市售聚丙烯酸在 低浓度时阻垢率不高，随着浓度的上升阻垢率上升，用量达1 0 m g l 时，阻垢率接近1 0 0 ：而p a s p 在用量为2 m g l 对阻垢率已接近1 0 0 ( 9 9 4 ) ，用量为6 m g l 时达1 0 0 ，说明p a s p 有着优异的阻垢性 能。在c a 2 + 浓度为1 0 0 0 m g l 的配制水中，当p a s p 浓度仅为4 m g l 时阻垢率已达9 0 4 i ”。在c a 2 + 浓度为1 2 0 0 m g l 时，p a s p 仍可保持 近5 0 的阻垢率 8 1 。说明p a s p 对钙离子浓度有非常高的容忍度，可 在钙离子浓度较高的水系统中使用。另有研究表明，分子量为1 0 0 0 4 0 0 0 的p a s p 对磷酸钙、碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡的阻垢性能均优于 聚丙烯酸钠 9 1 。而且p a s p 阻止氧化铁沉积的能力也明显优于聚丙烯 酸钠 i 0 1 。聚天冬氨酸可耐高温，热稳定性好，是一种可应用于高温水 系统的水处理剂1 ，因此p a s p 作为阻垢剂是p a a 的一个很好的替代 品。 缓蚀剂 p a s p 是一种优良的阳极型金属缓蚀剂。在p h = 8 0 、温度为5 0 、 p a s p 浓度为1 0 0 m g l 的模拟冷却水中，以碳钢为试样进行旋转挂片 腐蚀试验，7 2 h 后结果表明：1 0 0 m g l 的p a s p 能使碳钢腐蚀率从空白 样的3 2 m m a 降到2 5 m m a 1 1 2 】。数据表明p a s p 对碳钢具有优良的缓 蚀效果。p a s p 对黄铜也有很强的缓蚀效果，黄铜在人造海水中的腐 蚀实验表明，当人造海水中的p a s p 浓度仅为5 0 m l l 时缓蚀率即可达 8 1 【13 1 。 p a s p 不仅在单独使用时具有良好的阻垢和缓蚀效果，在与其他 阻垢剂或缓蚀剂如锌盐、钼酸盐、硼酸盐、硅酸盐、苯并三氮唑、及 聚丙烯酸、钨酸盐和聚甲基丙烯酸等1 1 4 1 1 复配时亦可明显提高阻垢缓 蚀效果。另外，因为p a s p 加上某些基团后可以增强其阻垢效果，所 以加强对p a s p 的改性研究有可能开发出更加优良的绿色水处理阻垢 剂【1 6 】。 第一章概述 淤渣分散剂 p a s p 用于水处理还是一种优良的淤渣分散剂，可使少量可能沉 积在传热面和流动缓慢部位的羟基磷石灰、氢氧化镁或硅酸镁等淤渣 分散于水中，而且对抑制氧化铁的沉积也有较好的作用1 7 1 。所以，p a s p 在水处理剂中可以代替生物降解性不好的丙烯酸类分散剂和分散淤渣 效果较差的天然高分子化合物。 1 1 2 2 在农业方面的应用 肥料增效剂 聚天冬氨酸在土壤中很容易进入植物根部，可吸收和富集植物根 部周围对植物有用的多种元素如n 、p 、k 、c a 、m g 、s 、m n 、c u 、 f e 、b 等，故可明显促进植物生长【18 1 ，提高化肥效率，降低化肥用量， 减轻过度使用化肥所带来的环境问题。 将p a s p 应用于水稻秧生长实验，分别用一定浓度的p a s p 溶液 浸泡种子和在生长过程中加入p a s p 溶液，结果表明使用过p a s p 的 稻秧生长状况明显优于用清水浸种和未加入p a s p 溶液的稻秧【9 l 。 1 9 9 9 年，在北京、天津、陕西等十几个省的大田作物、经济作物、农 田、果树等方面的应用实验取得较好成果。使用p a s p 的农田，增产 在1 5 以上，有的高达7 0 以上，作物品质明显提高。在福建永春对 芦柑实验表明喷施8 0 p p m 聚天冬氨酸使芦柑一、二、三等果比例从 15 ：5 9 ：2 6 提高到4 8 ：4 5 ：7 ，经济效益显著增加【2 0 1 。对小麦苗期施用p a s p 后，小麦侧根生发数明显提高；用p a s p 对小麦浸种后，小麦出苗齐， 苗壮t 且明显促进分蘖。对玉米根旋8 p p m 的聚天冬氨酸4 0 天后，与 未用p a s p 的对照相比，玉米株高增幅可超过1 6 t 2 1 1 。所以聚天冬氨 酸是一种效果明显的化肥增效剂。 农药 p a s p 可提高许多杀虫剂的杀虫效果，如有机磷类、二硫代磷酸 酯类及氨基甲酸盐类等多种杀虫剂，还能促进昆虫对农药的吸收，可 明显降低原药使用浓度，减少对环境造成的污染及危险 2 2 】。另外p a s p 第一章械述 还可用于除草剂等农药以提高药效。 1 1 2 3 分散剂 南京工大通过高岭土悬浮试验表明p a s p 和p a a 对高岭土的分散 能力相当【12 1 ，另有资料记载p a s p 对c a c 0 3 、沸石、t i 0 2 、f e 2 0 3 和 z n o ，钛酸钡等【2 3 】【2 4 1 等也具有良好的分散效果。文献2 5 】在聚天冬氨酸 加量较少时，稳定锌离子的能力稍差，用量增加到4 0m g l 时重均 分子量为1 2 7 0 0 的聚天冬氨酸对锌离子的稳定能力优于聚马来酸和聚 丙烯酸。所以p a s p 可作为分散剂应用于很多方面，如颜料、涂料、 水煤浆、陶瓷，水还原剂( 水泥浆、混凝土) 等，从而代替生物降解 性差的p a a 。 1 1 2 4 日用化学品 清洗助剂 p a s p 具有良好的阻垢、分散作用，其在清洗剂中可有效地分散 无机和有机污垢，并且能起到软化水的作用，可以部分或完全替代对 环境有害的含磷助剂或生物降解性差的4 a 沸石等助剂。p a s p 可被广 泛地应用于织物洗涤剂、厨房用洗涤剂、居室用洗涤剂以及食品工业 的设备、管道或瓶子等的清洗剂中1 14 。而且作为衣物洗涤剂时p a s p 可防止衣服褪色，还可对织物起到柔顺作用。因为具有良好的缓蚀作 用，p a s p 还可对被清洗金属表面起保护作用。 其它日用化学品 p a s p 及其两性离子衍生物对头发和皮肤有一定的保湿、柔顺、 杀菌作用，与皮肤和眼睛都有很好的生物相容性26 1 ，而且还具有防止 牙垢形成的功效 2 7 1 ，因而可被用于许多日用化学品如：保湿润肤霜、 洗发水、护发素、牙膏、口香糖、柔顺剂、织物保护剂等。 1 1 2 5 油田化学品 p a s p 是一种在国外已进行过现场实验的新型绿色泥浆降粘剂， 用以替代含有毒c r 离子的铁铬木质素磺酸盐类降粘剂和抗电解质 第一章概述 能力差的乙烯基或烯丙基为主的合成降粘剂。江苏石油化工学院的韶 辉等将分子量为5 7 6 7 、9 0 6 0 、1 2 7 0 0 、1 7 0 0 0 的四个规格的p a s p 分别 应用于膨润土泥浆、标准泥浆、盐水泥浆和含钙泥浆，结果表明，在 膨润土泥浆中，分子量为1 2 7 0 0 的p a s p 添加o 4 时，降粘率可达 7 0 5 9 ；在标准泥浆中，1 7 0 0 0 的p a s p 添加0 1 时，降秸率可达 7 0 5 1 ，在两种泥浆中均具有良好的降粘效果；在盐水泥浆中，降粘 率随添加量和分子量的增加而上升；而在含钙泥浆中，分子量为1 2 7 0 0 的效果最佳1 2 8 1 。 分子量为1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 的p a s p 加入石油管道中可以抑制天然气 水合物的形成，也可以抑制原有天然气水合物的分解。 1 1 2 6 高分子吸水材料 吸水材料因其特殊性能而被广泛地应用于很多方面，如土壤改良 剂和保水剂、卫生用品、工业脱水剂和油田开发助剂，在医药方面可 用于外用软膏、治伤绷带、人工皮肤及缓释性药剂等。合成树脂是常 用的吸水材料，一般有聚丙烯酸系列、聚丙烯酰胺系列、聚丙烯腈系 列、改性聚乙烯醇系列和非离子系列等 2 9 1 。但此类合成材料常存在生 物降解性差的问题。高分子量的p a s p 具有很强的吸水性，可采用y 光照射、交联等方法将p a s p 制成强力吸水材料，用于生物及医药等 方面 3 0 l 。相对分子量大于4 0 0 0 0 的p a s p 可用于水凝胶，制成离子交 换树脂用于生化分离效果很好。 1 1 2 7 医药及医疗 p a s p 用于医药方面可作为血浆膨胀剂、血小板抗凝剂及药物载 体等。p a s p 还有较强的杀菌和抑菌的能力，经试验p a s p 对b a c i l l u s s u b t i l i s 、p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s a 、p e n i c i l l i u mb r e v i c a u l e 、c h a e t o m i u m g l o b o s u m 、a s p e r g i l l u sn i g e r 等细菌的最小抑制浓度均为3 0 0 0 m g 1 1 1 3 】。 这一能力使其能在医疗等方面作为杀菌剂。而且实验证明p a s p 对氨 基甙类抗生素所引起的肾毒性和耳毒性起保护作用，从而干涉从药物 聚集到中毒发生的一系列作用 3 1 】。天冬氨酸的左旋单体的聚合物衍生 7 第一章概述 物( 聚l 天冬氨酸衍生物) 可以作为广谱肿瘤化疗药物( 顺式二氯二氮 合铂) 的高分子载体，这样就可以将药物靶向性输送到肿瘤组织，然后 将药物有效地释放出来，达到靶向性治疗效果，从而降低药物的毒副 作用，提高药物疗效指数d 2 。文献 33 1 指出天冬氨酸的氨基乙酸共聚材 料在临床的生物医用材料方面有广泛的应用，它是一种典型的生物降 解性高聚物，在药物控释体系中具有明显的优点。 作为高科技产品的新型绿色生物高分子材料聚天冬氨酸在生态农 业、工业水处理方面的优越性能正被越来越多的有识之士所关注和认 可，其良好的环境相容性和生物降解性预示着有更广泛的潜在应用领 域急待人们去研究和推广。同时伴随着西部大丌发的节奏，西部工业 势必会更加快速她提高其在国家整体工业中的地位与作用，但由此产 生的更多的环保方面的问题也会接踵而来。降低污染、节能、可持续 发展将是新的矛盾与对立面，聚天冬氨酸及其衍生物也会因更多的需 求而倍受欢迎。 自从l8 5 0 年被首次人工合成以来，聚天冬氨酸由于具有众多优异 品质，逐渐受到世界上各大化学公司的关注。目前国外对聚天冬氨酸 进行研究的公司越来越多，有关其合成及应用方面的专利每年都发表 数十篇以上。近几年国内一些研究机构也逐渐开始关注这种绿色的高 分子材料，有越来越多的相关报道和研究论文发表，但尚无工业化装 置投产的报道。 可以预见，随着2 1 世纪各国对环保要求的不断提高，这种可降解 生物高分子材料的生产和应用将会获得更大发展。 1 2 聚天冬氨酸的合成方法 制各聚天冬氨酸的方法主要有两种。第一种方法是 n c a ( n c a r b o x y a n h y d r i d e ) 法，这也是通常制备聚氨基酸的般方法。 其过程是：先将天冬氨酸与苯甲醇反应形成苄酯，保护一羧基，再与 光气反应制得n 羧酸酐n c a ，引发n c a 自聚，去保护就得到聚天冬 氨酸1 3 。另一种方法是由天冬氨酸或马来酸酐、马来酸氨盐等热缩合， 第一章概述 州岐睁o h 9 第一章概述 酸中，依次加入a c n h c h ( c 0 2 e t ) 2 、甲醛和m e 2 n h 后保温反应3 0 m i n ， 然后将得到的产物在n a c n 水溶液中用水蒸气浴加热三小时，然后再 用盐酸和c 5 h 5 n 处理后得到d l - a s p ，收率为5 l 。8 。 光化学法合成天冬氨酸外消旋体 意大利的g i o v a n n if e r r a r i 3 7 1 和印度的k r i s h n ab a h a d u r1 3 8 】等人报道 了在辐射或强光照射下同样利用小分子化合物来合成天冬氨酸的方 法。 应用光学纯的化合物作为起始物合成左旋单体( l a s p ) 1 9 6 8 年，法国化学家k a g a nhb t 3 9 等人首先报道了l 天冬氨酸的 不对称合成。此法用光学纯的氨基醇作为起始物，通过光学活性的不 饱和环状中间体的氢化，可得到l - a s p 的甲酯，产物的纯度达到9 8 。其反应式见图1 5 。 生物酶法合成左旋单体 该种方法是目前工业上合成左旋单体的主要方法之一，这种方法 不仅收率高而且光学纯度也很高。其缺点是生物酶的价格较高，生产 周期较长。该类方法的文献报道相当广泛。其中比较具有代表的是： 1 9 7 3 年日本大坂田边制药公司将大肠杆菌固定在聚丙烯酰胺凝胶上， 实现了由富马酸转化为l 天冬氨酸的工业化生产，转化率达到 9 9 t 4 0 1 。该方法的化学反应式见图1 6 。 图1 - 5k a g a n 法合成l 天冬氨酸 1 0 l _ 天冬氨酸甲酯 第一章概述 h o 0 o h + o l 天冬氨酸 图1 - 6 酶化法合成l 天冬氨酸化学反应式 眦邺o o 笋婴 n h i 垡：型2 q h 2 = 一c o o h i r ( r x ：b f c h 2 c o o c 2 h 6 ) 图1 7 微波法合成天冬氨酸反应式 n c h c o o m e f r 微波法合成天冬氨酸外消旋体 成都有机化学研究所的邓润华等人【4 1 1 采用微波法合成天冬氨酸 的收率为6 1 4 。该方法采用苯亚甲氨基乙酸乙酯为原料，在相转移 催化剂( t e b a ) 催化下进行卤化反应，经水解生成天冬氨酸外消旋体。 其化学反应式如图1 7 所示。 以丙二酸二乙醋，醋酸，亚硝酸钠为原料，通过六步反应合成天 冬氨酸【4 2 1 1 ) c h 2 ( c 0 2 c 2 h 5 ) 2 + n a n 0 2 + c h 3 c o o h h o n = c ( c 0 2 c 2 h 5 ) + c h 3 c o o n a + h 2 0 2 ) h o n = c h ( c 0 2 c 2 h + 2 z n + 3 c h 3 c o o h + ( c h 3 c o ) 2 0 _ c h 3 c o n h c h ( c 0 2 c 2 h 5 ) 2 + 2 z n ( c 2 h 5 ) 2 + h 2 0 3 ) c h 3 c o n h c h ( c 0 2 c 2 h 5 ) 2 + c h 3 c h 2 0 n a _ + c h 3 c o n h c ( c 0 2 c 2 h 5 ) 2 第一章概述 4 ) c h 3 c 。n h c ( c 。2 c 2 h 5 ) 2 + c l c h 2 c 。c 2 h 厂+ c h 3 c 。n h s ( c 。2 c 2 h 5 ) 2 + c 1 c h 2 c o o c 2 h 5 5 ) 叫3 c 洲c ( c 叩2 h 5 ) 2 坩a 喝0 4 + c 2 n h 2 h h 5 c o h i c + c h h ( c h 3 c 2 c o o h o o h 十c ) c 0 0 2 0 h c h 2 c o o c 2 h 5 6 ) c h 3 c o n h c h ( c 0 2 c 2 h 5 ) 2 + n h 4 0 h 。卜h 0 0 c c h 2 c h ( n h 2 ) c o o h 以h o o c h c = c h c o o h 和c 6 h 5 c h 2 n h 2 为原料合成天冬氨酸( 4 3 i h o o c h c - - c h c o o h + 2 c 6 h s c h 2 n h 2 - 。岛h 5 c h 2 h 时h ( c h 2 c 0 0 岣c ( 螂口珍 c 6 i - i s c h 2 - 1 2 c h ( c o o h ) c h 2 c o o h 。- n h 2 c h ( c o o h ) c h 2 c o o h 固液相转移催化合成天冬氨酸 成都有机化学所的蒋耀忠【4 4j 等人报道了一种通过醛亚胺的烷基化 反应合成天冬氨酸的方法。其中的固液相转移催化剂为三乙基苄基氯 化铵( t e b a ) 。该方法的合成步骤为：在无水乙腈中加入研细的无机碱 和t e b a ，在搅拌下滴加含有c 6 h 5 c h = n c h 2 c 0 2 e t 和e t c 0 2 c h 2 x 的 无水乙腈混合溶液。用薄层色谱追踪反应进程。反应结束后抽滤，残 余物用无水乙腈洗涤，合并滤液，减压蒸馏去乙腈，残余物( 产物和 t e b a ) 用苯提取数次。苯溶液用饱和氯化钠溶液洗涤，无水m g s o 干 燥，减压蒸馏得粗产品。对该粗产品水解后，用三乙胺中和至p h 为3 ， 产率为2 7 。 选择性氧化法合成天冬氨酸 澳大利亚的d a v i dca y r e s 【4 5 1 报道了一种用r u 0 4 对烷基芳香烃胺 进行选择性氧化合成天冬氨酸的方法。其大概的合成步骤为：在1 0 c 下，以r u 0 4 为氧化剂，对酪氨酸( t y r o s i n e ) 进行氧化反应5 0 r a i n 后再 分离便可得到天冬氨酸产品，收率为6 0 。 顺丁烯二酸酐氨化法合成d l 一天冬氨酸 近年来，波兰，日本，德国有人以顺丁烯二酸酐和氨进行加成反 苎二里竖整 一 应合成出了d l 天冬氨酸。这种方法具有原料易得，过程简单，反应 条件温和，产物易分离的特点，非常适合大规模生产。它的反应式见 图1 8 2 1 。 o + n h l + h 2 n o o o h o h 将得到的混合物冷却至室温时天冬氨酸沉淀析出。将沉淀过滤，4 c 下 水洗后得到产品，收率为5 5 【4 6 1 。德国的k r o n e r 则用醛，酮作溶剂 进行反应【4 7 】。德国的b a s f 公司用管式反应器实现了连续反应1 4 8 1 。 1 2 1 1 2 以天冬氨酸为原料合成聚琥珀酰亚胺 叫c o ：訾：。岐k 器 聚琥珀酰亚胺 反应中加入催化剂后可大大加快反应速度，文献 9 1 载在其他条件 上。并可提高产品质量，降低产品色度。反应中可选用的催化剂范围 基膦酸、n a h s 0 4 、k h s 0 4 、经n h 3 部分中和的硫酸、p 2 0 5 、m g o 、 其它酸或酸式盐等【4 9 。美国专利发现，1 羟基亚乙基1 ，1 二膦酸( h e d p ) 和氨基三亚甲基膦酸( a t m p ) 对l 天冬氨酸有极好的催化效果 9 1 。 合成聚琥珀酰亚胺的反应状态有固态、液态和流化态等。这三种 呤。 第一章概述 反应状态的特点如下。 固相聚合 在固相聚合中，天冬氨酸固体被直接给予能量而脱水，不同的仅 是所用能量的形式，日本的f u j i ig 和德国的k r o n e rm 用的是热能； 而日本的h a r a d ak 用的是微波( 2 0 0 0m h z 3 0 0 0m h z ) 。使用微波可 使反应时间大大缩短，但价格较昂贵【5 0 1 。 反应温度一般为1 2 0 3 5 0 ，多在常压或减压下进行，负压条件 下更有利于水分的去除，与常压情况相比，产物平均摩尔质量能提高 2 5 倍，产品颜色变为浅黄甚至白色。也可在反应过程中通入惰性气 体如n 2 等，以防止反应物质在高温下氧化。 反应使用的反应器有旋转或盘架式干燥器、螺杆压出机、捏合机 和反应釜等。 液相聚合 液态反应利用溶剂作为反应介质，可以降低反应物粘度，提高传 质和传热速率，提高转化率，降低产品色度。常用的溶剂有【5 1 】： a ) 醇类：庚醇、辛醇、癸醇、异癸醇、十二醇、十三醇、十四醇及其 混合物。其中优先选用异癸醇。以异癸醇为溶剂合成聚天门冬氨酸， 见表1 2 。 表1 - 2 以异癸醇为溶剂合成聚天冬氨酸 b ) 直链烷烃：癸烷、十二烷、十三烷、十四烷、十五烷、十六烷、十 八烷、廿烷及其混合物。其中优先选用十二烷。 c ) 其它有机溶剂：甲苯、1 ，3 ，5 - 三甲苯、二乙基苯、d m f 、n m p 、环 1 4 第一章概述 丁砜、二异丁基酮、碳酸丙烯酯及它们的混合物。其中1 ，3 ，5 一三甲 苯环丁砜优先选用。 以8 5 磷酸为催化剂在不同的有机高沸点溶剂中合成聚天门冬氨 酸。结果见表1 3 。 表1 - 3 不同的溶剂对合成聚天门冬氨酸的影响 在此类聚合中，都用催化剂增加聚合度，以缩短反应时间。反应 器为反应釜等。为加快脱水过程，还可以通过机械搅拌或加入某些助 剂以使反应体系均匀混合。另外，加入缩水剂也可加快脱水。前东德 的b a t z e tda 等用聚磷酸作缩水剂，1 8 0 c 下反应7 0m i n 7 5r a i n ，并 用油泵抽真空聚合。他们还试验了各种含硫脱水剂，认为s 0 3 和能热 分解产生s 0 3 的前体效果最好1 5 0 1 。 气固相聚 流化态反应即气固态反应，反应器为流化床，反应生成的水可立 即被气体带走，而且气体可兼做催化剂，因而可以明显提高反应速率。 如美国的k a r k a m 用n 2 ，德国的b a s f 公司用h c i 美国的m a n s a n t o 公司用含少量c 0 2 和空气。美国m a n s a n t o 公司用含少量c 0 2 的空气 进行气固相聚合时，发现反应速度比单纯用空气要快。由此推断，用 第一章概述 嘈。一一。f “ 争笋叱 嚣 噶。礤峙器刚礤砖： 1 6 第一章概述 始温度在l5 0 3 0 0 时则同时发生聚合反应，生成聚琥珀酰亚胺 9 1 1 1 4 】。第一阶段反应中的无机铵类或有机胺类化合物有n h 3 、铵盐如 氯化铵、聚胺如二元胺、三元胺【1 4 】等。催化剂有铜盐、汞盐等。反应 温度一般高于铵盐的分解温度，低于马来酸酐、马来酸或富马酸的沸 点。反应第二阶段使用的催化剂与天冬胺酸合成聚琥珀酰亚胺的催化 剂相似，一般都选用酸性化合物，其它反应条件也基本相同。反应物 化学计量数、铵盐种类对聚琥珀酰亚胺摩尔质量影响较大，一般选择 碳酸铵，比例控制在1 ：1 2 为宜1 9 】。 不同的反应条件对产物影响很大，表1 4 是以马来酸酐为原料制 备聚天冬氨酸的反应条件及产品性能3 。 表1 - 4 以马来酸酐为原料制备聚天冬氨酸 的反应条件及产品性能 德国的b a y e r 公司首先提出在管式反应器中进行天冬氨酸合成的 方案：将马来酸酐溶液喷入反应器，使之与氨溶液混合并乳化，然后 将反应产物的混合物直接加到一个高粘度反应器中进行热聚得到产 物。 德国的b a s f 公司将氨气以8 0 l h 的流量通入到溶在聚乙二醇的 马来酸酐中，先在8 0 c 1 0 0 9 c 下反应直到n h 3 不再消耗，再于1 9 0 下搅拌得到聚合物。 德国的b o e h m k e 将9 8 9 马来酸酐和5 0 9 水在5 0 * ( 2 5 5 下溶解， 第一章概述 7 5 下加入1 m o l 的2 5 的氨水，将这一混合物在真空下加热，获得 聚合物产物。 比较以上两类合成方法的得到的聚琥珀酰亚胺，以马来酸为原料 的产品，相对摩尔质量较低，在8 0 0 l 50 0 0 之间，而且产率偏低， 温度高时容易导致产品颜色变深。用l 天冬氨酸作原料可制取低色度 聚合物，摩尔质量较大，在8 0 0 5 00 0 0 之间，用途广泛。相对摩尔 质量相近的产品，以马来酐等为原料制取的聚天冬氨酸的阻垢能力和 对颜色的分散能力较强；以天冬氨酸为原料制取聚天冬氨酸的生物降 解性最好。 1 2 2 聚琥珀酰亚胺的水解和聚天冬氨酸的分离 1 2 2 1 聚琥珀酰亚胺的水解及脱色 合成的聚琥珀酰亚胺与蒸馏水混合形成的悬浮溶液，用1 0 - - 6 0 的碱金属或碱土金属的氢氧化物溶液，多在2 0 7 0 ( 5 0 7 0 最 佳) 的条件下水解l h ，至p h = 1 0 1 2 时水解完全，可得到聚天冬氨 酸盐的透明溶液【1 8 1 。 日本的n a g a t o m oa 将聚琥珀酰亚胺用n a o h 水溶液处理，控制 p h 为1 2 、温度9 5 下反应，获得聚天冬氨酸的钠盐，再酸化即得到 聚天冬氨酸。 一些工艺聚合得到的聚琥珀酰亚胺颜色较深，造成产品品质下降， 使用面变窄。为使产物脱色，美国m o n s a n t o 公司用的是h 2 0 2 等氧化 剂，德国b a y e r 公司则用p d c 作催化剂，以活化氢作脱色剂。而美国 d a n l a r 公司直接用含有h 2 0 2 等氧化剂的碱性水溶液将聚琥珀酰亚胺 水解成聚天冬氨酸 5 0 1 。 1 2 2 2 聚天冬氨酸的分离 在一些方面应用聚天冬氨酸时使用液态产品，但在许多方面需要 用到同态产品，这时就需要产物进行产品分离。 文献【5 0 】指出将聚天冬氨酸盐溶液用等量酸中和，然后加入混合溶 剂，调整比例控制混合溶液亲水性疏水性，使盐完全溶解在混合介质 第一章概述 中，聚天冬氨酸则从混合介质中沉淀出来。经过滤，4 0 下减压干燥 可得聚天冬氨酸纯品，纯度达到9 9 4 。分离使用的有机溶剂只要与 水能够形成均一的混合溶液即可，如甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、四