（应用化学专业论文）α氯代长链脂肪酸的消除反应及水解反应研究.pdf

摘要 摘要 油脂化学品的开发与应用一直是全世界的一个研究热点。脂肪酸是油脂化学工业的主 体与核心，由它经简单的加工成脂肪酸甲酯、脂肪醇、脂肪胺等基础油化学制品。以这些 基础油化学制品为原料再进一步化学加工，可得到种类繁多的精细化学品和专用化学品， 其中长链伊不饱和脂肪酸和长链a 羟基脂肪酸就是良好的精细化工产品，它们被广泛应 用于食品、医药及日化工业。 本文以本实验室用廉价易得的天然脂肪酸一步法合成的a 氯代十二酸( 仅c d a ) 的消 除和水解反应为模型，代替传统方法中昂贵难求的a 溴代酸和a 碘代酸，探索各种脱卤化 氢试剂催化a 氯代十二酸消除反应制备2 十二碳烯酸及在碱性水解试剂下水解制备a 羟基 十二酸似h d a ) 的可行性，考察各因素对反应产率的影响，并对目标产物进行提纯。 仅氯代十二酸经消除反应制备2 十二碳烯酸，考察不同脱卤化氢试剂催化a c d a 消 除反应的可行性。金属和碱金属、碱土金属的无机物对仅c d a 消除反应的有一定的催化性， 但很弱，2 十二碳烯酸的产率很低。叔丁醇钾对a c d a 的消除反应具有较好的催化活性， 但碱性过强使a c d a 部分脱氯还原为十二酸；降低其使用量时，又导致副产物羟基酸增多。 实验发现，以乙二醇二甲醚为反应溶剂，氢氧化钾为脱卤化氢试剂合成2 一十二碳烯酸， 该合成方法工艺简单；通过改进反应的溶剂体系，避免了传统制备方法中生成a 乙氧基取 代十二酸副产物的弊端；经工艺优化将传统方法中碘化钾消耗量由挎( 碘化钾) ：n ( a 卤代脂 肪酸) = 1 5 降低至，l ( 碘化钾) ：刀( a 。氯代十二酸) = 0 3 5 ，大大降低了生产成本并使该合成途径 具备工业化前景。并通过实验得到合成2 十二碳烯酸的最优反应条件为：反应温度8 4 时，以n ( k i ) ：n ( a c d a ) = 0 3 5 、n ( k o h ) ：n ( a c d a ) = 3 8 的摩尔比加料，反应9h ，2 十二碳烯 酸产率可达到5 2 。反应后的混合样品经石油醚结晶与乙酸铜提纯两种方法相结合的提取 效果好，最终样品中目标产物2 十二碳烯酸的纯度可达到7 2 2 。 a 氯代十二酸经水解反应制备仅羟基十二酸，分别以碳酸钙、氢氧化钙作为水解试剂， 考察各因素对反应收率的影响，仅h d a 的收率与水解试剂及水的加入量、反应温度、反应 时间成正比，当反应温度在1 5 5 时，n ( c a ( o h ) 2 ) ：，2 ( a c d a ) = 4 0 ，反应时间为7h ，加水量 为1 5m l ，a h d a 的收率可达到8 0 2 。用石油醚结晶提纯a 一羟基十二酸，最终可以得 到纯度为9 9 4 的仅羟基十二酸。 关键字：a 一氯代十二酸；消除反应；水解反应；2 十二碳烯酸；仅羟基十二酸；纯化 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ff a tc h e m i c a l sh a v eb e e nr e s e a r c hh o ts p o t si nw o r l d w i l d t h ef a t t ya c i di st h em a i nb o d ya n dc o r ei no i lc h e m i s t r yi n d u s t r y , b ys i m p l ep r o c e s s i n g ，i tc a nb e c h a n g e di n t of a t t ya c i dm e t h y le s t e r , t h ef a ti sm e l l o w , f a ta m i n ea n do t h e rb a s eo i lc h e m i c a l p r o d u c t s t a k et h e s eb a s eo i lc h e m i c a lp r o d u c ta sr a wm a t e r i a lt h r o u g hf u r t h e rc h e m i c a l p r o c e s s i n g ，v a r i e t yf i n ec h e m i c a la n ds p e c i a l p u r p o s ec h e m i c a lc a n b eo b t a i n e d ，b o t hl o n gc h a i n a , f l - u n s a t u r a t e df a t t ya c i da n da h y d r o x yf a t t ya c i da r ef i n ep r o d u c t si nc h e m i c a li n d u s t r y , t h e y a r ew i d e l ya p p l i e di nf o o d ，m e d i c i n ea n dd a i l yc h e m i c a li n d u s t r y i nt h i sp a p e r ，i th a sb e e ns t u d i e dt h a tt h ee l i m i n a t i o na n dh y d r o l y s i so f 仅c h l o r od o d e c a n o i c a c i d ( a c d a ) w h i c hi ss e l f - m a d eb yo u rl a b o r a t o r y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti s ：i n v e s t i g a t e s o m ed e h y d r o h a l o g e n a t i n gr e a g e n tc a t a l y s i s i n ga c d at op r e p a r e2 - d o d e c e n o i ca c i d ，a n d i n s p e c t sv a r i o u sf a c t o r st oe f f e c tt h ey i e l do f2 - d o d e c e n o i ca c i da n da h y d r o x yd o d e c a n o i c a c i d ( a h d a ) t h ee f f e c to fd i f f e r e n td e h y d r o h a l o g e n a t i n gr e a g e n to nc a t a l y s i s i n gt h ee l i m i n a t i o nr e a c t i o n o fa - c d at os y n t h e s i s2 - d o d e c e n o i ca c i dw e r ei n v e s t i g a t e d t h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo fa l k a l im e t a l ， a l k a l ie a r t hm e t a la n dh y d r o x i d e so rc a r b o n a t e so ft h ea l k a l im e t a l s ，a l k a l ie a r t hm e t a l si ss o w e a k , t h ey i e l do f2 - d o d e c e n o i ca c i di sv e r yl o w t e r t i a r yb u t y la l c o h o lp o t a s s i u m ( t - b u o k ) h a dg o o dc a t a l y t i ca c t i v i t yo np r e p a r i n g2 - d o d e c e n o i ca c i d ，b u ti t sa l k a l i n i t yi ss os t r o n gt h a ti t f o r c e d 仅一c d ad e c h l o r o g e n a t i n gi n t ot h el a u r i ea c i dp a r t l y , w h e nr e d u c e di t sa m o u n t ，m u c h h y d r o x ya c i dw a sp r o d u c t e d i nf o r w a r dr e s e a r c h ，i th a db e e ns t u d i e dt h a tt h ep r e p a r a t i o no f2 - d o d e c e n o i ca c i dw h i c hc a n b e o b t a i n e dd i r e c t l yb ye l i m i n a t i n go f 仅一c d aw h e nt o o kp o t a s s i u mh y d r o x i d e ( k o h ) a s d e h y d r o h a l o g e n a t i n gr e a g e n t ，r e p l a c e da - b r o m oa c i da n da i o d oa c i dw h i c hw a st a k e na sr a w m a t e r i a li nt h ec o n v e n t i o n a lr o u t e s t h i sc r a f tw a ss i m p l ea n dt h ey i e l dw a se n h a n c e d i th a d b e e nf o u n dt h a ta b y p r o d u c t ( a e t h o x y ls u b s t i t u t e df a t t ya c i d ) h a db e e na v o i d e dw h e nt o o kt h e g l y c o ld i m e t h y le t h e ra ss o l v e n t w h a t sm o r e ，a f t e rc r a f to p t i m i z a t i o n ，t h ed o s a g eo fp o t a s s i u m i o d i d eh a db e e nr e d u c e df r o mn ( k i ) ：n ( a - h a l of a t t ya c i d ) = 1 5t on ( k i ) ：n ( a c d a ) = 0 3 5 ， r e d u c e dp r o d u c t i o nc o s tg r e a t l ya n dm a k e dt h i sr o u t et oh a v ei n d u s t r i a l i z a t i o np r o s p e c t ay i e l d o f5 2 0 o f2 - d o d e c e n o i ca c i dc a nb eo b t a i n e di n9h o u r su n d e rt h ef o l l o w i n go p t i m i z e d c o n d i t i o n s ：n ( k i ) ：n ( a c d a ) = 0 3 5 ，n ( k o h ) ：n ( a c d a ) = 3 8 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea t8 4 t h e p r o d u c tw a sp u r i f i e db yp e t r o l u mc r y s t a l l i z a t i o na n dc u p r i ca c e t a t ee x t r a c t i o n ，f i n a l yt h ep u r i t y o f2 d o d e c e n o i ca c i da c h i e v e d7 2 2 i ta l s oh a db e e ns t u d i e dt h a tt h ep r o s e s so fs y n t h e s i s 口一h d aw h i c hc a nb eo b t a i n e dd i r e c t l y b yh y d r o l y s i so f 伉一c d au n d e rw e a ka l k a l i n es i t u n a t i o n h i g h ey i e l dc a nb eo b t a i n e db yt a k i n g c a ( o h ) 2a sh y d r o l y t i cr e a g e n t ，t h ey i e l dw a su pt o8 0 2 w h a t sm o r e ，s o m em e a n sh a v eb e e n t r i e dt os e p a r a t et h ea h d af r o mr a wm a t e r i a l sa c d a e x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a tu s i n g p e t r o l e u me t h e ra ss o l v e n tt or e c r y s t a l t h ep u r i t yo fa h d ac a nr e a c h e d9 9 4 k e yw o r d s ：a c h l o r od o d e c a n o i ca c i d s ，e l i m i n a t i o n ，h y d r o l y s i s ，2 - d o d e c e n o i ca c i d ，a h y d r o x y d o d e c a n o i ca c i d s ，p u r i f y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是誉人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，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，也不包含誉人为获得江南 大学或其它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 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 垫鲰 日 期： 皿星：z 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向s l 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 缝 导师签名：型 日 期：巡 第l 章绪论 第1 章绪论 油脂化学品的开发与应用一直是全世界的一个研究热点l l j 。油脂与石油产品相比， 显示出良好的生态性。油脂一般是既无支链，又无环状结构的直链脂肪酸酯，是生产 表面活性剂的优质原料。近年来，环境保护的“绿色运动 在世界范围内展开，而天 然油脂顺应回归自然的潮流，它是化学工业可依靠的好原料。油脂化学品作为一种廉 价的可再生资源，在诸如食品、洗涤剂、化妆品、药物中得到了广泛的应用。随着人 们对可持续发展的关注，可以预见，一些石油化工产品将逐渐被油脂化学品所替代， 将会有更多的油脂化学品被开发利用。这要求我们更合理地利用油脂资源，及解决其 利用上的多样性。 脂肪酸是油脂化学工业的主体与核心，由它经简单的加工成脂肪酸甲酯、脂肪醇、 脂肪胺等基础油化学制品【2 】。以这些基础油化学制品为原料再进一步化学加工，可得到 各种表面活性剂和种类繁多的精细化学品和专用化学品，以满足不同应用领域的需要。 此外，脂肪酸还经a 位卤代反应制得a 卤代脂肪酸，a 卤代脂肪酸又是良好的工业中间 体，本实验室已成功开发了由脂肪酸制备a 一氯代脂肪酸及由该氯代酸合成一种新型两性 表面活性剂仅烷基甜菜碱的工艺，而且a 氯代脂肪酸经消除和水解反应制备的长链a , ? - 不饱和脂肪酸和长链a 羟基脂肪酸是良好的精细化工产品，它们被广泛应用于食品、医 药及日化工业。 1 1 卤代烃消除及水解反应 1 1 1 消除反应 消除反应是合成烯烃的重要方法，虽然多种化合物可以进行消除反应形成碳碳双 键，但它们具有某些共同特征。首先是消除方向，卤代烃的消除反应一般有两种取向： 一种是札依菜夫取向，不对称卤代烃、醇、羧酸酯、黄原酸酯等消除时，优先生成多取 代烯烃；另一种是霍夫曼取向，季铵盐及碱的裂解优先生成少取代烯烃。消除反应的另 一特征反应是立体化学，一般而言，卤代烃、醇、伊卤代醇、季铵碱等均按反式消除； 而酯及氧化胺的裂解则按顺式消刚引。 卤代烃发生消除反应时，有双分子和单分子消除机理，分别记为e 2 和e 1 。e 2 机理 中碱的浓度影响着反应速率，反应会出现一个过渡态，这时反应体系处于最高能量水平， 强极性溶剂不利于过渡态时负电荷的分散，且极性溶剂对强碱的溶剂化作用会降低碱的 强度使之与伊h 的反应能力下降，因此强极性溶剂对e 2 反应是不利的。e 1 反应机理速率 控制步骤是叔卤代烷的解离生成叔碳正离子【4 】。 由于消除反应所得产物烯烃的热力学能高于反应物，而且卤代烷的伊h 的酸性是非 常弱的，所以通常要在加热和使用强碱的条件下，才能得到较高收率的烯烃。 在碱的作用下，卤代烃脱卤化氢反应是沿用己久的合成烯烃常用的方法之一，但新 的试剂仍不断涌现。常用的碱性试剂有：碱金属氢氧化物的醇溶液，碱金属醇的醇溶液 或二甲基亚砜或二甲基甲酰胺溶液以及各种胺类，如三乙胺、吡啶、喹啉等均为常用的 江南大学硕士学位论文 有机碱。最近利用l ，5 二氮双环【3 4 o 】- 5 壬烯( d b n ) 、l ，5 二氮x 2 环 5 4 0 】一5 一十二烯 ( d b u ) ，作为有机碱【5 】，它具有反应条件缓和，产率高的特点。 1 1 2 水解反应 卤代烃中由于极性的碳卤键导致了中心碳原子具有明显的缺电子性，中心碳原子因 带有部分正电荷而具有亲电性，容易与亲核试剂发生取代反应。 卤代烃与水作用发生水解反应，强碱取代了弱碱，离去基x 。的碱性越小，就越易于 被o h 取代。取代反应主要有两种反应机理，即s n l 和s n 2 。 活泼的卤代烃与水一起加热回流即可水解。而一般均用氢氧化钠的水溶液，或用氧 化钙、碳酸钙、碳酸钡、氧化铅的悬浮液来水解，有时也用新沉淀的氧化银与卤代烃起 反应。 1 2 伊不饱和酸的合成及应用 叹肛不饱和酸，数目众多，用途广泛，基本可分为脂肪族伊不饱和酸和芳香族伊 不饱和酸。在这些伊不饱和酸中，很多是化学工业中最有用的化合物之一，被广泛用 于食品、医药、农药和香料等领域。它们的聚合产品也有很多的用途，包括涂料、粘合 剂、纤维和合成树脂等，因此对于伉卢不饱和酸的制备和应用研究也较为广泛。 1 2 1 短链伊不饱和酸的合成 合成伊不饱和酸的方法有很多，短链a , p - 不饱和酸一般都采用从便宜易得的原料出 发来合成，如采用醛、醇和烯等为起始原料。其合成方法主要有以下几类： 1 2 1 1 通过醛缩合反应合成 研究人员通过丙二酸和醛类反应得到一系列的伊不饱和酸。k v a u w e r s 等【6 j 用吡 啶为溶剂来进行该反应，得到了a ，伊不饱和酸，但收率不高。w e b a c h m a m m 等7 ，8 1 对此 作了改进，以吡啶为溶剂，哌啶为催化剂，产率尚可，但条件比较苛刻，且操作复杂。 r c h 0 + c h 2 ( c o o h ) 2 譬r c h - - c h o o h r = c h 3 ，c 2 h 5 ，( c h a ) 2 c h ，p r 笪远峰等”采用苯胺作催化剂，吡啶为溶剂，甲苯为稀释剂的新方法。结果表明， 该方法用于取代芳醛合成a , 了- 不饱和酸，操作简便，反应迅速，收率提高，具有实用价 值。 由于丙烯酸和甲基丙烯酸的广泛用途及丙酮、氰醇生产方法产生大量的废物和对环 境的污染。研究人员对此进行了广泛的研究，例如下面的以铌氧化物为主要催化剂的气 相缩合反应1 0 1 1 1 r 1 可分别为氢、烷基和芳基) ，解决了污染和有毒的问题。 0 r i i i i 限1 c h 2 c ) 2 0 + h c h o _ c h 户6 一c o o h + r - c h c o o h 2 第1 章绪论 1 2 1 2 通过不饱和醛氧化合成 通过不饱和醛类的氧化法是目前工业上生产a , f l - 不饱和酸的最主要的方法。 r c h c h c h o + 0 21 竺型兰壁，r c h = c h c o o h r - h ，c h 3 ，c 2 h 5 ，c 3 h 7 ，( c h 3 ) 2 c h ，p ha n ds oo n 该法是在催化剂存在下，用氧气或空气氧化醛类而得到产物。许多专利文献报道了 通过不同的氧化催化剂来催化该类反应，开发了高度活泼和具高度选择性的催化剂。如 氧化丙烯醛，早期基本上以钴、钼氧化物为主，后来改进为钼、钒氧化物型，且加入以 铜、砷、铀、铝、钨等元素的氧化物中的一种或多种所形成的多元催化剂均有很好的活 性和产率。与工业上采用较高的反应温度相比，实验室中多采用温和的条件。如对丁烯 醛的氧化可采用碱性氧化银氧化、有机铝在氧气及过氧酸存在下用醋酸锰进行氧化和活 性二氧化锰、醛酸铜) 醋酸钴及钴的西佛碱络合物氧化r 一。 1 2 1 3 通过烯类合成 通过烯类氧化羰基化法也可制得a , f l - 不饱不酸。 r c h = c h 2 + c o + 0 2 r c h = c h c o o h r _ h ，c h 3 ，c 2 h 5 ，a n ds oo n 1 1 g a e n z l e r 等”1 将丙烯、一氧化碳、和氧气加压通入含有氯化钯、醋酸铝等催化剂的 醋酸醋酸酐溶液中，加热到1 1 0 1 2 0 ，可以得到丁烯酸。后来，g a e n z l e r 等【1 4 】对此法 进行了改进，采用r e c u c l 2 为催化剂，由乙烯、丙烯和一氧化碳、氧气，在1 6 0 1 7 0 进行羰基化，可得到丙烯酸、丁烯酸以及甲基丙烯酸等a ，伊不饱和酸。 1 2 1 4 通过不饱和醇合成 目前通过使用相转移催化条件下的镍催化【l5 1 ，解决了过去高温高压的问题。 c h 2 = c h c ( r 1 ) ( r 2 ) o h + c o + c h 2 - - c h c ( r 1 ) ( r 2 ) c o o h 烯丙基醇在有机相与镍反应，生成的络化物通过相转移试剂进入水相与一氧化碳反 应而得至0 a , p - 不饱和酸( 式中r 1 ，r 。为氢或少于五个碳原子的烷基) 。所用的相转移催 化剂为季铵盐r 4 n x ，其中，x 为卤原子，三个r 为甲基，另一个r 为c 8 3 0 的烷烃。所用 的有机相为高沸点的非极性的烃，水相为金属碱的水溶液，催化剂为镍的氰盐。 此外，1 9 8 1 年，日本的h i g u c h i 等通过研究发现，一些表面活性剂( 聚乙二醇、聚氧 乙烯十二烷基胺等) 1 1 6 、冠酣1 7 1 、季铵盐及季膦斟1 8 1 能有效催化仅卤代酸的消除反应， 使其在强碱作用下脱去卤化氢，得到一系列短链的伊不饱和酸。 1 2 2 中长链砺伊不饱和酸的合成 由于中长链促伊不饱和酸的反应活性较低，国内外在合成中长链q 伊不饱和脂肪酸 的研究方面相关报道较少，国外在合成中长链a , f l - 不饱和脂肪酸方面的研究比我们略早。 江南大学硕十学位论文 1 2 2 1 通过中长链昏卤代脂肪酸合成 1 9 0 4 年，l es u e u r 1 9 】首次报道了以仅溴代十八酸为起始原料，乙醇为溶剂，与氢氧 化钾反应，发现在该条件下合成的产品中不仅有2 十八碳烯酸，还含有一个副产物伉 羟基十八酸： r c h c o o h 旦kr c h = c h c o o h c 2 h 5 0 h 后来p o n z i o 2 0 1 ( 1 9 0 5 年) 在此基础上，以仅碘代十八酸为起始原料，在同样的实验条 件下合成了2 十八碳烯酸，并提高了反应的产率。 19 51 年，g o r d o ns m y e r s 2 1 1 用同样的方法先使a 溴代十八酸与碘化钾发生取代反 应使之转化成碘代酸，再加入氢氧化钾脱去碘化氢来制备2 十八碳烯酸，而且发现副产 物中除了含有仅羟基十八酸，还含有另一个未知的化合物，这种化合物的结构经m s a h m a d 等【2 2 1 ( 1 9 7 9 年) 分析，确定该化合物为a 乙氧基十八酸。 1 9 5 6 年，r o g e rs s w e e t 等【2 3 】以及碘代十六酸为起始原料，使其在氢氧化钾的乙醇 溶液中反应，得到了2 十六碳烯酸和a 羟基十六酸。1 9 5 7 年，c f r e e m a na l l e n 2 4 】将长 链6 c 一溴代脂肪酸与叔丁醇钾在叔丁醇中反应，合成2 十二碳烯酸。 b r r b c o o h 蔷祭r c h = c h c o o h 在这种合成方法中，首先要制备叔丁醇钾，该操作复杂、费时，并存在一定的危险 性，且产率只有2 7 - 3 4 ，且产品中2 十二碳烯酸与十二酸较难分离，不适宜大批量生 产。 由此看出，这种制备中长链a , f l - 不饱和脂肪酸的起始原料均是脂肪酸经卤代后得到 的溴代酸或者碘代酸，但溴或碘资源贫乏、价高以及回收利用等问题限制了溴或碘取代 酸的制备，且需要消耗大量的碘化钾先使其首先转变为仅碘代脂肪酸，此外，反应中所 用的溶剂乙醇很容易与口一卤代脂肪酸发生取代反应，生成a 乙氧基取代物，给产物的分 离提纯带来很大的麻烦。 1 2 2 2 通过咖卤代酰卤合成 1 9 5 3 年，j a m e sc a s o n 等【2 5 】以2 甲基十二酸为起始原料，在三溴化磷中经溴化转化 成a 一卤代酰卤后，以叔丁醇钾为脱卤化氢试剂，在叔丁醇溶液中发生消除反应，最后经 水解酸化得到2 甲基十二碳烯酸和2 甲烯基十二酸的混合物。 c h 3 c h 3 c h 2 r c ih c o o h 静r 甚h c o b r 告二坚塑驾r 苎h c o o h + r c h ：= c h c o o h 这种方法虽然改溶剂为叔丁醇抑制了乙氧基取代副产物的生成，但反应条件苛刻， 操作复杂，且在叔丁醇钾的制备过程中存在一定的危险，且得到的两种化合物较难分离。 4 第l 苹绪论 1 2 2 3 通过长链醛缩合反应合成 1 9 4 1 年，w a l t e rm l a u e r 等【凋通过丙二酸和长链醛类在吡啶中反应得到2 十五碳烯 酸和2 十七碳烯酸。 r c h o + c h 2 ( c h c o o h ) 2 望呈璺! 呈譬r c h = c h c o o h 4 d a y s r - c 1 3 h 2 7 ，c 1 5 h 3 l 该方法合成长链不饱和脂肪酸产率尚可，但反应时间过长。 近年来，由于合成长链促伊不饱和脂肪酸在原料选用及制备方法等方面没有什么新 突破，因而该方面的文献报道甚少。 1 2 3 a , p - 不饱和酸的应用 瓯伊不饱和酸，是化学工业中最有用的化合物之一。短链的玟，伊不饱和酸，广泛用 于食品、医药、农药和香料等领域；长链优伊不饱和脂肪酸存在于少数动物脂肪【2 7 ，2 8 1 及 植物果实d l j 2 9 , 3 0 1 ，它们具有一定的腊酯香气，可用于日化香料的调配【3 l 】。 1 2 3 1 药用价值 长链伊不饱和脂肪酸同时也是良好的消毒剂【3 2 , 3 3 】，c 9 c 1 9 的2 一烯酸在p h _ 5 时具 有良好的杀菌和杀霉菌的活性，是良好的消毒剂，被广泛用于食品、饮料、及日化工业。 它们的碱金属盐及它们的酯( 甲酯或乙酯) 是漱口水的重要组成成份【3 4 1 ，可以通过电解 作用，极化微生物，进而分散体液中的微生物，起到抵御和治疗牙龈及相关牙龈组织的 疾病的作用。 长链伊不饱和脂肪酸具有潜在的药用价值【3 5 1 ，c 1 4 c 2 0 的2 烯酸它们的钠盐或钾盐 是药物接受体及药物载体，可以检测糖尿病并促进类脂的新陈代谢、改善肝功能和降低 血糖，这些物质还可以预防和治疗高血脂、动脉硬化、脂肪肝、肝炎、糖尿病等；有关 研究表明，2 十三碳烯酸是强有力的胃溃疡抑制剂【3 6 1 ，它的疗效比阿斯匹灵、苯乙丁氮 酮，氨基酸都好，它的活性是相应药物的2 倍。 1 2 3 2 生物学价值 c 8 一c 1 5 的2 不饱和酸及它们的盐、酯或胺，是酵母纤维状生长抑制剂【3 7 1 ，可抑制或 延迟细菌有机体的菌丝体转变，进而达到抑制生长的作用。 此外，新的研究表明c 括1 1 甲基2 十二碳烯酸是一种新的细胞外细胞间交流的信号 p 引，研究者检测了一系列细菌病原生物，包括几分枝杆菌属，分析d s f 衍生物使其双 键在a , p 位，这对于d s f 的生物活性来说是最重要的结构特征，麝油酸也是一种不饱和 酸，同样也表现出d s f 活性，它通过假丝酵君调控形态和毒性的转变。 1 2 3 3 工业价值 长链伊不饱和脂肪酸可用作皮革的防腐【3 9 1 ，c 1 4 c 2 2 的不饱和酸可以迟延皮肤、皮 革及毛皮腐败，其中2 十八碳烯酸的效果最好，当然脂肪酸的酯也有一定的效果，但脂 江南人学硕：l 学位论文 肪酸盐的效果最好，如：铝盐、钙盐、钠盐、锂盐、钾盐等，它们与水、乙醇及缓冲剂 磷酸二氢钠配制成酸碱度在9 和1 1 之间的溶液可用作防腐剂。 长链a , f l - 不饱和脂肪酸的碱金属盐与强碱及h l b 值在3 1 8 之间的非离子表面活性 剂配制成0 1 2 0 的溶液，该溶液可用作去污剂【4 们，可以提高玻璃的润湿性，也可用于 纤维冶金、陶瓷表面及各种化妆品产品中。 此外，5 - 羟基一2 - 十二碳烯酸的内酯被用于食品添加剂【4 1 1 ，c 1 2 c 2 0 的不饱和酸也是一 种无溶剂的印刷油墨的载色剂的组成成分 4 2 】，可以在加热或紫外灯照射下迅速干燥，且 不饱和酸的酯对树酯薄膜有较大的溶解力，并具有很好的流动性。 综上所述，a , ? - 不饱和酸在近些年来己得到了广泛的研究和应用。但是，作为一种 用途广泛的化工原料，研究它们的新合成方法和新反应以及新的用途也是非常有必要 的。 1 3 咖羟基脂肪酸的合成及应用 1 3 1 咖羟基乙酸的合成 在短碳链仅羟基脂肪酸合成中，最有典型性的是含有口一羟基乙酸，羟基乙酸是一种 重要的精细化工原料，主要用于农药、医药、染料、日化行业及其它有机合成中间体， 目前国家已在“十五”规划中把羟基乙酸列为主要基础化工产品来开发，因此对于羟基 乙酸的反应研究和应用也较为广泛。早在1 8 4 8 年s t e c t e r 4 3 用亚硝酸氧化甘氨酸在世界 上首次合成了乙醇酸。由于甘氨酸要通过其它途径合成或提取，反应中也要消耗大量的 亚硝酸并且氧化产物复杂，此法并不是合成乙醇酸的最佳途径。自1 8 4 8 年以来，已发 明了很多合成方法，如水解法，氧化法，还原法，甲醛羰基化法及微生物法。 1 3 1 1 水解法 a 氯乙酸分子结构中的氯原子经水解可以被羟基取代制得仅羟基乙酸，水解法主要 有两种：一种是氯乙酸在碳酸钙或碳酸钡下水解，w i t z e m a n n l 4 4 1 早在1 9 1 7 年就采用氯乙 酸在碳酸钙或碳酸钡作用下水解制乙醇酸，由于氯乙酸和乙醇酸的酸性都较碳酸强，因 而氯乙酸只有与过量的碳酸钙或碳酸钡反应后生成乙醇酸钙或乙醇酸钡，过滤出未反应 的碳酸钙或碳酸钡固体后，通过加入计量的草酸或硫酸除去滤液中的钙离子，过滤出草 酸钙或硫酸钡沉淀，溶液经真空浓缩、结晶得到乙醇酸，收率可达8 8 7 。但是该方法 生产乙醇酸存在着反应时间过长，过滤缓慢，钙离子或钡离子的除去要消耗大量的草酸 或硫酸，由此造成生产周期长，成本太高，不宜于工业化生产；另一种是氯乙酸在氢氧 化钠下水解，杨晓辉等【4 5 】研究了氯乙酸氢氧化钠催化水解制备羟基乙酸，考察了反应中 氢氧化钠的质量分数、反应温度和反应时间等条件对反应的影响。尤其对反应温度和氢 氧化钠的质量分数等条件进行了筛选，有效地控制了聚合反应的进行，同时使得氯乙酸 原料中的杂质二氯乙酸反应生成乙醇酸，此法对反应原料的要求不高，氯乙酸所含的二 氯乙酸也能够水解生成乙醇酸，反应在碱性条件下进行对设备的腐蚀性较弱，但仍需要 用毒性大、腐蚀性强的氯乙酸为原料，不利于环保，在应用上受到限制。 6 第l 章绪论 1 3 1 2 微生物催化法 杜邦公司成功研究开发了微生物催化法生产羟基乙酸的产业化技术【4 6 1 。该工艺技术 通过微生物发酵生产含有特定腈水解酶的微生物敏捷食酸菌7 2 w ，在常温常压下利用该 特定的腈水解酶催化羟基乙腈生成羟基乙酸，该工艺具有底物选择性专一，产品纯度高， 反应条件温和，产物提纯简单，设备要求不高等化学法不可比拟的优点。 1 3 1 3 氧化和还原法 草酸电还原合成乙醛酸在2 0 世纪9 0 年代己实现工业化 4 7 1 ，李宇展等【4 8 1 研究了用草 酸电还原的方法来制备乙醇酸的过程，并对电量、电解时间和流速等对电还原的影响做 了研究，用电还原的方法来制备乙醇酸，操作简单，对环境影响较小，具有很强的可行 性，但考虑到其现在操作成本较高，需要进一步加强生产工艺的改进，降低操作成本。 发展绿色化学及环境友好催化剂技术日益受到人们的关注 4 9 , 5 0 ，以金属p t 、p d 为 催化剂活性组分，在较温和的反应条件下选择性氧化醇、醛及其衍生物的反应，能够提 供大量的精细化学品及有机合成中间体，这类催化氧化反应得到了广泛的应用。徐建昌 等1 5 l j 研究了用乙二醇选择性氧化制备乙醇酸的催化体系，在碱性及比较温和的条件下， 采用p d b i a 1 2 0 3 和p t b i a 1 2 0 3 为催化剂，对乙二醇选择性氧化合成乙醇酸的催化体系 及工艺条件进行了研究，在含p t2 的p t b i a 1 2 0 3 催化体系中，乙醇酸的收率可达到 9 3 6 ，此合成方原料单一、环境友好、乙醇酸收率较高，且反应条件温和，符合我国 发展绿色化工的要求，有望实现工业化生产。 1 3 1 4 甲醛羰基化法 在高温高压( 3 0 9 0 m p a ，1 6 0 2 0 0 。c ) ，有酸性催化剂( 磷酸、盐酸和硫酸) 存在下， 甲醛、c o 和水反应可合成乙醇酸： h c h o + c o + h 2 0 _ i ，h o c h 2 c o o h 羟基乙酸是从合成气出发合成乙二醇的中间体，甲醛来自于合成气。此反应中c o 的压力越高，甲醛的转化率越高，羟基乙酸的收率也越高。该方法原料成本低，但需要 高压、液体酸催化，对设备的要求很高，一次性投资大，设备腐蚀严重，最终产品的分 离、精制复杂，催化剂不能重复使用。为了降低反应温度和压力，人们采用了强酸催化剂 如浓h 2 s 0 4 、h f ，甚至加入族过渡元素进行催化1 5 引。使得反应温度降低到2 0 - - 6 0 c 即 可进行，反应压力也降到o 1 2 5m p a 。但是作为工业生产，酸催化剂与产品分离以及其 重复利用仍然没有解决。该生产方法仍然没有进行下去。杜邦公司一直在改进该工艺， 据称目前已经解决了设备腐蚀问题。该法为目前国外最主要工业化方法。 1 3 2 昏羟基中长碳链脂肪酸合成方法 伽羟基脂肪酸是自然界中动物脑和神经组织的组成成分【5 3 5 7 1 ，同时也是微生物5 8 。6 1 】 和植物【6 2 拼】的组成部分，长链的弘羟基脂肪酸是髓磷脂中脑苷脂和硫脑苷脂的组成成 分。近年来，出现由微生物腈水解酶水解6 c 羟基腈得到的a 羟基酸的报道，主要有羟基 乙酸、乳酸、2 羟基异丁酸、2 一羟基苯丙酸、扁桃酸等短链羟基酸，但对长链仅羟基脂 7 江雨大学硕：i 二学位论文 肪酸的合成研究不多，仅羟基脂肪酸多是作为制备不饱和酸的一个副产物或中间体。 1 3 2 1 水解法 根据水解反应的起始原料不同，水解法包括a 卤代脂肪酸水解、仅氨基脂肪酸水解 和仅硝基脂肪酸水解。 仅卤代脂肪酸水解：早在1 9 0 5 年，l es u e u r 6 5 1 就采用将长链脂肪酸经6 c 位溴化后使 在过量的氢氧化钾水溶液中发生水解反应，转变为a 一羟基脂肪酸，并运用此方法合成了 一系列的长链仅羟基脂肪酸( 十二酸、十四酸、十六酸、十八酸) 。但这种方法因其需要 过量的强碱，造成环境污染，不利于大规模的工业化生产。 b r o h 1 c h 3 ( c h 2 ) n - 亡h c o o h 鼍凳：l + c h 3 ( c h 2 ) i r6 h c o o h 仅氨基脂肪酸水解：2 0 0 1 年，希腊的c h i o u ，a n t o n i a 等【吲成功的运用氨基酸性水解转 变成羟基的方法制备了a 羟基脂肪酸( c 6 c 1 4 ) 。以6 【一氨基脂肪酸为原料，使其先在亚硝酸 钠和硫酸的作用下形成重氮盐，重氮盐非常活泼，将重氮盐在酸性的水溶液中加热，即 发生水解反应，放出氮气，使氨基转变成羟基，进而值得了a 羟基脂肪酸，此反应的转 化率可达5 2 。 n h 2 c h 3 ( c h 2 ) n - - 押c o o h 普 n 2 h s 0 4 o h c h 3 ( c h 2 ) n 一占h c o o h ! ! 型! ! + c h 3 ( c h 2 ) r 广邑h c o o h a 硝基脂肪酸水解：1 9 7 2 年，s t e m ，g e r h a r d 等【6 7 】采用a 一硝基酸在碱性条件下水解的 方法合成了a 羟基脂肪酸( 辛酸、十二酸、十六酸) 。将a 硝基脂肪酸在一定量的1 0 的氢氧化钠水溶液中回流0 5h ，且要保持体系p h6 ，继续加入1 0 的氢氧化钠的水溶液 至p h9 ，回流2 5h 后加入2 0 的硫酸酸化，乙醚萃取，产物收率达6 7 。但该反应对p h 值要求比较严格，反应不易控制。 1 3 2 2 二异丙基酰胺锂( l d a ) 催化氧化法 1 9 8 4 年，f l o r e n t i n a 【6 8 1 以脂肪酸为起始原料经催化氧化制备了一系列长链的卵羟基脂 肪酸( c 1 6 c 2 6 ) ，该过程在氮气的保护下用二异丙基酰胺锂( l d a ) 首先将脂肪酸转化为脂 肪酸根的a 负价阴离子，再在室温下直接通入氧气氧化来制备长链的仅羟基脂肪酸，当 脂肪酸根的6 c 负价阴离子被氧气氧化后，有部分形成仅一过氧羟基脂肪酸，可加入2 丙醇及 少量的碘化钠使其还原为玟羟基脂肪酸，经萃取、提纯，仅一羟基脂肪酸的收率在3 5 4 5 。 r c h 2 c o o h ：吟r e h c o o 2 l i + lr c h c o o h 1 0 h 但脂肪酸的二价阴离子在潮湿的氧气中非常活泼，因此，需要确保反应系统的干燥； 试验中，l d a 可通过二异丙基酰胺与丙基锂在四氢呋喃中反应制得，它和其他的胺碱多 被用于催化一些基础反应，尤其是l d a 在不可逆反应中可以使一些化合物在低温、较温 和的条件下脱掉原子，如酸、酯、酮类化合物等。 1 3 2 3 生物法 1 9 7 9 年，k a z u y o s h i 删发现，在卵圆形的假单胞菌i a m l1 7 7 中有大量的羟基脂肪酸 存在，如在脂多糖中8 0 的成分为3 - 羟基十碳酸、3 一羟基十二酸、2 羟基十二酸。通过 应用1 8 0 2 标记，发现氧气中的一个氧原子与2 羟基十二酸结合，而不能与3 羟基十二酸 结合，结合了的氧原子存在于2 羟基十二酸的羟基中，这说明卵圆形的假单胞菌i a m 1 1 7 7 可以自身利用氧气将已有的脂肪酸转化为a 羟基脂肪酸。进一步研究表明，这种 卵圆形的假单胞菌i a m l l 7 7 可以利用水解作用释放的氧原子在单加氧酶的引导氧化作 用下，将脂肪酸转化为仅羟基脂肪酸。 1 3 2 4 正构醛氧化法 1 9 8 9 年，o r i t o ，k a z u h i k o 等【7 0 】通过使三甲硫基碳化锂l i c ( s m e ) 3 与中长链正构醛的羰 基在溶剂四氢呋喃中与发生加成反应，产物经四氢铝锂还原制得长链的o 【羟基脂肪酸， a 一羟基脂肪酸的收率可达7 2 ；若使中间产物与h g c l 2 h g o 的丙酮溶液在甲醇中反应还 可制得仅羟基脂肪酸甲酯，经水解便可得到6 【一羟基脂肪酸，收率达7 0 。该方法虽然收 率较高，但步骤繁琐，所用试剂价格较高，至使生产成本较高，使得该方法只适合在实 验室制备少量a 一羟基脂肪酸，限制了该方法的工业化推广。 l io h c h 3 一( c h 2 ) n - c h