（化学工艺专业论文）衣康酸酯及衣康酸酐合成新工艺的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 衣康酸酯及衣康酸酐合成新工艺的研究 摘要 b 一衣康酸单甲酯、衣康酸二甲酯、衣康酸二正丁酯、衣康酸二异辛酯以及 衣康酸酐，由于其分子内含有两个活泼的羧基和一个双键，化学性质十分活 泼，可以进行加成、聚合反应，形成聚合高分子，是合成树脂、塑料、增塑剂 的重要原料，在工业上有着广泛的应用。 本文采用改迸的新工艺对乙酰氯催化合成b 一衣康酸单甲酯进行了研究， 详细考察了催化剂用量、反应物摩尔配比、反应温度、反应时间对反应结果的 影响，获得了较佳的工艺条件为：1 1 ( 衣康酸) ：n ( 正丁醇) = 】：3 5 ，n ( 衣康 酸) ：n ( 乙酰氯) ：1 ：0 0 4 2 ，反应时间为1h ，反应温度为6 5 。在此条件下， 产品收率和纯度分别达到8 6 和9 7 。 采用改进的新工艺对浓硫酸催化合成衣康酸二正丁酯进行了研究，详细考 察了催化剂用量、反应物摩尔配比、反应温度、反应时间对反应结果的影响， 并加入颜色抑制剂，获得了较佳的工艺条件为：n ( 衣康酸) ：n ( 正丁醇) = 1 ：3 。 m ( 衣康酸) ：m ( 硫酸) = l ：o 0 1 ，反应温度9 6 1 2 0 ，反应时间4h ，苯为带水 剂，对苯二酚为阻聚剂。在此条件下，酯化率可达9 9 8 ，产品收率和纯度分 别达到9 8 9 和9 9 7 。 采用改进的新工艺对浓硫酸催化合成衣康酸二异辛酯进行了研究，详细考 察了催化剂用量、反应物摩尔配比、反应温度、反应时间对反应结果的影响， 并加入颜色抑制剂，获得了较佳的工艺条件为：r l ( 衣康酸) ：n ( 异辛醇) = 1 ：2 5 m ( 衣康酸) - n l ( 硫酸) ：1 ：0 0 2 ，反应温度9 6 1 4 0 ，反应时间3h ，苯为带水 剂，对苯二酚为阻聚剂。在此条件下，酯化率可达9 9 ，6 ，产品收率和纯度分 别达到9 8 3 和9 9 4 。 采用沉淀浸渍法合成出固体超强酸s 0 4 2 仃1 0 2 、s 0 4 2 - z r 0 2 、s o , 2 曩q z r 0 2 【n ( z r ) n ( t i ) = 1 ：2 】和s 0 4 2 。a | 2 0 3 - t i 0 2 【n ( t i ) n ( a 1 ) = l ：2 】。合成固体超强酸 的条件为：晶化温度1i o ，晶化时间2 4 h ，焙烧条件5 2 5 6 5 0 ，焙烧3 h 。 采用f t i r 对其结构进；f i - t 表征。将所合成的固体超强酸首次用于催化合成衣 康酸二异辛酯、衣康酸酐的工艺，详细考察了催化剂种类、用量及反应条件等 因素对反应结果的影响，获得了较好的工艺条件。其中s 0 4 2 t i 0 2 催化合成衣 农康酸酯及衣康酸酐合成新工艺的研究 康酸二异辛酯的较佳条件为：n ( 衣康酸) ：n ( 异辛醇) = l ：6 ，r e ( s 0 4 2 t i 0 2 ) ： m f 衣康酸1 = 0 1 5 ，反应温度1 4 0 1 7 0 。c ，反应时间4h ，甲苯为带水荆。在此 条件下，酯化率可达9 9 8 ，产品收率和纯度分别可达9 8 6 和9 9 9 。s 0 4 。 t i 0 2 催化合成衣康酸酐的较佳条件为：r e ( s 0 4 2 t i 0 2 ) ：m ( 衣康酸) = o 1 5 - 反 应时间5 h ，反应温度1 4 0 1 4 59 c ，二甲苯为带水剂。在此条件下，衣康酸转 化率达1 0 0 。 关键词：衣康酸固体超强酸催化合成 童璺型垫盔兰堕壅竺堂焦鲨苎 s t u d yo nan e ws y n t h e slsp r o c e s so f l t a c o n a t ea n di t a c o n i ca n h y d r i d e a b s t r a c t m o n o m e t h y lb i t a c o n a t e ，d i m e t h y li t a c o n a t e ，d i b u t y li t a c o n a t e ，d i i s o o c t y l i t a c o n a t ea n di t a c o n i ca n h y d r i d eh a v ea c t i v er e a c t i o na c t i v i t y ，a st w ol i v e l yc a r b o x y l a n da nu n s a t u r a t e db o n d se x i s ti nt h em o l e c u l e t h e yc a np r o c e s sa d d i t i o na n d p o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o n st of o r mp o l y m e r e dm a c r o m o l e c u l et h a ti st h ei m p o r t a n t m a t e r i a lt os y n t h e s i z er e s i n ，p l a s t i c ，i n c r e a s i n gp l a s t i c i t ys o l u t i o n ，a n dw i d e l yu s e di n t h ei n d u s t r y n e wp r o c e s sf o rt h es y n t h e s i so fm o n o m e t h y lb - i t a c o n a t eu s i n gc h l o r o a c e t y l c h l o r i d ea sc a t a l y s tw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r ，t h ee f f e c t so fa m o u n to fc a t a l y s t ，r a t i o o fr e a c t a n t s ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m eo nt h er e a c t i o nr e s u l t sw e r e e x a m i n e da n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h eo p t i m u n lc o n d i t i o n sw e r e a s f o l l o w e d ：n ( m e t h y la l c o h 0 1 ) n ( i t a c o n i ca c i d ) = 3 5 ：1 ，n ( i t a c o n i ca c i d ) ： n ( c h l o r o a c e t y lc h l o r i d e ) = 1 ：o 0 4 2 ，r e a c t i o nt i m el h ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e6 5 u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ey i e l da n dp u r i t yo fm o n o m e t h y lp l t a c o n a t ew e r ea b o u t 8 6 a n d9 7 r e s p e c t i v e l y n e wp r o c e s sf o rt h es y n t h e s i so fd i b u t y li t a c o n a t eu s i n gs u l p h u r i ca c i dw a s s t u d i e di nt h i sp a p e r t h ee f f e c t so fa m o u n to fc a t a l y s t ，r a t i oo fr e a c t a n t s ，r e a c t i o n t e m p e m t u r e ，r e a c t i o nt i m eo nt h er e a c t i o nr e s u l t sw e r ee x a m i n e da n dt h eo p t i m u m c o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w e d ：t h eo p t i m u m c o n d i t i o n sw e r ea s f o l l o w e d ：n ( i t a c o n i ca c i d ) ：n ( b u t y la l c o h 0 1 ) = 1 ：3 ，m ( i t a c o n i c a c i d ) ：m ( s u l p h u r i ca c i d ) = 1 ：0 0 1 r e a c t i o nt e m p e r a t u r e9 6 1 2 0 2 ，r e a c t i o n t i m e 4h u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s r a t eo ft h ee s t e r i f i c a t i o nw a s9 9 8 ， a n dt h ey i e l da n d p u r i t yo fd i b u t y li t a e o n a t ew e r ea b o u t9 8 9 a n d9 9 7 r e s p e c t i v e l y n e w p r o c e s sf o rt h es y n t h e s i so fd i i s o o c t y li t a c o n a t eu s i n gs u l p h u r i ca c i dw a s s t u d i e di nt h i sp a p e r t h ee f f e c t so fa m o u n to fc a t a l y s t ，r a t i oo fr e a c t a n t s ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m eo nt h er e a c t i o nr e s u l t sw e r ee x a m i n e da n dt h eo p t i m u m c o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w e d ：t h eo p t i m u m c o n d i t i o n sw e r ea s f o l l o w e d ：n ( i t a c o n i ca c i d ) ：n ( i s o o c t y a l c o h 0 1 ) 2 i ：2 5 ， m ( i t a c o n i ca c i d ) ：m ( v i t r i 0 1 ) = l ：o 0 2 r e a c t i o nt e m p e r a t u r e9 6 1 4 0 c ，r e a c t i o nt i m e 衣康酸酯及农康酸酐合成新上艺的研究 3h u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s r a t eo ft h ee s t e r i f i c a t i o nw a s9 9 6 ，a n dt h ey i e l da n d p u r i t yo f d i i s o o c t y li t a c o n a t ew e r ea b o u t9 8 3 a n d9 9 4 r e s p e c t i v e l y s o l i ds u p e r a c i ds 0 4 2 t i 0 2 、s o ? - z r 0 2 、s 0 4 2 w i 0 2 - z r 0 2 【n ( z r ) n c r i ) = 1 ：2 a n d5 0 4 2 - a 1 2 0 3 一t i 0 2 n ( t i ) n ( a 1 ) = l ：2 w e r es y n t h e s i z e db ym e t h o do fd e p o s i t i o n i m p r e g n a t i o n t h es y n t h e s i sc o n d i t i o n s w e r eo b t a i n e da sf o 1 0 w e d ：r e a c t i o n t e m p e r a t u r e1 1o r e a c t i o nt i m e2 4 h ，c a l c i n i n gt e m p e r a t u r e5 2 5 6 5 0 f o r 3 h t h eo b t a i n e dc a t a l y s t sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t i r t h es y n t h e s i z e ds u p e r a c i d w e r ef i r s t l yu s e da sc a t a l y s t si nt h es y n t h e s i sp r o c e s so fd i i s o o c t y li t a c o n a t ea n d i t a c o n i ca n h y d r i d e t h ee f f e c t so fk i n da n da m o u n to fc a t a l y s t sa n dt h er e a c t i o n c o n d i t i o n so nt h er e a c t i o nr e s u l t sw e r ee x a m i n e da n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r e o b t a i n e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rt h es y n t h e s i so fd i i s o o c t y li t a c o n a t eu s i n g s 0 4 t i 0 2a sc a t a l y s tw e r ea sf o l l o w e d ：n ( i t a c o n i ea c i d ) ：a ( u u t ya l c o h 0 1 ) 2 l ：2 5 ， m ( i t a c o n i ca c i d ) ：m ( v i t r i 0 1 ) = l ：o 0 2 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e9 6 1 4 0 ，r e a c t i o nt i m e 3h ，m e t h y lb e n z e n ea sw a t e r c a r r y i n ga g e n t u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，r a t eo ft h e e s t e r i f i c a t i o nw a s9 9 8 ，a n dt h ey i e l da n dp u r i t yo f d i i s o o c t y li t a c o n a t ew e r ea b o u t 9 8 6 a n d9 9 9 r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rt h es y n t h e s i so fi t a c o n i c a n h y d r i d eu s i n gs 0 4 2 7 t 1 0 2a sc a t a l y s tw e r ea sf o l l o w e d ：m ( s 0 4 2 7 t 1 0 2 ) m ( i t a c o n i c a c i d ) = l5 ，r e a c t i o nt i m e5 h ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e1 4 0 1 4 5 ，d i m e t h y l b e n z e n eb sw a t e r c a r r y i n ga g e n t u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，c o n v e r s i o no fi t a c o n i ca c i d w a s1 0 0 k e yw o r d s ：i t a c o n i ca c i d s o l i ds u p e r a c i d c a t a l y s i ss y n t h e s i s 青岛科技大学研究生学位论文 前言 衣康酸( r a c o n i ca c i d ) 学名噩甲基丁二酸，是一种重要的化工基础原料，广 泛应用于高分子材料、表面活性剂、无毒包装材料、农药及涂料等方面。衣康 酸主要以淀粉为原料经发酵生产。国外生产衣康酸的公司主要有美国的辉瑞 ( p f i z e rc o ) 公司生产能力为1 万吨年；法国罗地亚( 砒l o d i a ，前称罗芮谱力克 r h o n e - p o u l e n c ) 公司年产5 0 0 0 吨；日本磐田( 1 w a t a ) 公司年产3 0 0 0 吨。国内主 要厂家有青岛琅琊台( 集团) 股份有限公司，年产量l 万吨；山东中舜科技发 展有限公司，年产量约5 0 0 0 吨；浙江国光生化股份有限公司，年产量约4 0 0 0 吨。目前，衣康酸主要以初级原料形式出口，效益很低，约1 0 0 0 元邝电，由于 国内外市场竞争激烈，衣康酸价格已经大幅度下降。因此，不失时机地开发衣 康酸下游产品争占国内外市场已成为当务之急。 衣康酸能够发生很多化学反应，其中较重要的是衣康酸的酯化反应。制得 的衣康酸酯是生产腈纶、合成树脂、塑料、橡胶、药物、表面活性剂、无毒食 品包装材料、除草剂、除垢剂、粘着剂等的重要原料，由于其分子内含有个 活泼双键，可以进行加成和聚合反应，形成聚合高分子，因此广泛应用于化学 合成领域。其中，比较重要的酯类有8 衣康酸单甲酯、衣康酸二甲酯、衣康酸 二正丁酯、衣康酸二异辛酯。衣康酸酐也是一种重要的衣康酸衍生物和精细化 工原料，由于其分子中含有碳一碳不饱和双键以及酐基等活性宫能团，从而使 其成为高分子材料生产的重要聚合单体，广泛用作生产合成树脂、合成纤维、 离子交换树脂、表面活性剂、锅炉除垢剂、润滑添加剂、粘合剂和无毒包装材 料等的原料或助剂。 目前，b 衣康酸单甲酯主要是以硫酸、硫酸氢钠、磺化聚苯乙烯阳离子交 换树脂等为催化剂制各，但反应温度较高，产品的收率和纯度都较低。衣康酸 二正丁酯和衣康酸二异辛酯的生产方法主要是以浓硫酸为催化剂，浓硫酸的优 点是催化活性高、价廉易得，但同时也存在着一些问题：反应的选择性低，存 在脱水、氧化、炭化等副反应产物与催化剂分离困难，需经中和、水洗等工序， 产生了酸性废水，污染了环境。衣康酸酐的生产方法主要有以浓硫酸、有机磺 酸或五氧化二磷等为催化剂的高温( 高达1 5 0 0 c ) 脱水环化工艺和衣康酸与乙酸 酐之间的交换脱水环化工艺。现有的两种工艺都存在某些缺点，其中前者副产 农康酸酯及农康酸酐合成新工艺的研究 物多，设备腐蚀与三废排放严重，产品质量差：后者反应时问长，产品收率低， 乙酸酐用量大，生产成本较高且不易回收。鉴于上述原因，本文作了以下工作： 改进了以乙酰氯为催化剂制备b 。衣康酸单甲酯的工艺，对其中存在的主要 问题进行了详细分析，考察了催化剂用量、反应物摩尔配比、反应时间、反应 温度等因素对反应结果的影响，克服了该工艺中存在的一些缺点，提高了产率 和纯度，找出了一条更好的合成b 衣康酸单甲酯的工艺路线。 改进了以硫酸为催化剂制备衣康酸二正丁酯的工艺，对其中存在的主要问 题进行了详细分析，考察了催化荆用量、反应物摩尔配比、反应时间、反应温 度等因素对反应结果的影响，加入了新型抑制剂，克服了该工艺中存在的一些 缺点，提高了酯化率、产率和纯度，并有效地阻止了产品颜色变深的问题，找 出了一条更好的合成衣康酸二正丁酯的工艺路线。 改进了以硫酸为催化剂制备衣康酸二异辛酯的工艺，对其中存在的主要问 题进行了详细分析，考察了催化剂用量、反应物摩尔配比、反应时间、反应温 度等因素对反应结果的影晌，并加入了新型抑制剂，克服了该工艺中存在的一 些缺点，提高了酯化率、产率和纯度，并有效地阻止了产品颜色变深的问题， 找出了一条更好的合成衣康酸二异辛酯的工艺路线。 采用沉淀浸渍法合成了s 0 4 2 t i 0 2 、s 0 4 2 - ，z 巾2 、s 0 4 2 - t i 0 2 - z r 0 2 、 s 0 4 2 - a 1 2 0 3 t i 0 2 等固体超强酸，并首次将它们用于衣康酸二异辛酯、衣康酸酐 的合成反应中，评价其催化性能，并筛选出对各反应催化效果较好的催化剂。 以催化效果较好的催化剂为研究对象，详细考察了催化剂的种类、用量及实验 条件等因素对酯化率及收率的影响，得到了较好的工艺条件。 青岛科技大学研究生学位论文 1 文献综述 1 1 衣康酸的性质、生产应用及发展前景 1 1 1 衣康酸的性质 衣康酸( i t a c o n i ca c i d ) 又名亚甲基丁二酸或亚甲基琥珀酸或甲叉丁二酸或 分解乌头酸，其分子式为c s h 6 0 4 ，分子量1 3 0 1 ，结构式： 9 h 2 c o o h h 2 c = c - - c o o h 纯衣康酸是白色粉状结晶或无色晶体，贮存时稳定，结晶产品不吸潮，既 使在高温条件下也不结块，易溶于水、乙醇和丙酮，微溶于氯仿，苯和乙醚， 具有特殊的气味，在真空条件下加热可升华，衣康酸的熔点1 6 7 一1 6 8 、晶体 密度1 4 9 士o 0 1 k g m 3 、水中解离常数分别为：k i 为i 5 0 x 1 0 4 ，k 2 为2 2 1 0 缶， 衣康酸在水溶液中由于分子内双键的加水作用，可形成少量羟基酸。衣康酸有 两个结构相似、化学性质相近的同分异构体，即柠康酸( 顺式甲基丁烯二酸) 和中 康酸( 反式甲基丁烯二酸) ，衣康酸在酸性、中性、弱碱性、常温条件下是稳定的， 但在强碱条件下，三种异构体可以相互转化【l 。j 。 衣康酸由于分子内存在一个不饱和双键和两个活泼的羧基，而且碳碳双键 与一个羧基呈共轭关系，因此决定了衣康酸具有很强的反应能力和广阔的应用 范围。利用它的碳碳双键，可以自身聚合，也可与多种取代烯烃共聚，又可以 与不同数目的其他单体如丙烯腈、苯乙烯、异丁酸类、丁二烯、氯乙烯等聚合， 生成带有羧基功能团的高聚物。利用它的两个羧基，一方面衣康酸可以作为不 饱和聚酯的单体；另一方面可以和各种醇反应，生成应用更广阔的衣康酸下游 产品【4 ，5 1 ，其中比较重要的衣康酸下游产品有p 一衣康酸单甲酯、衣康酸二甲酯、 衣康酸二正丁酯、衣康酸二异辛酯等。衣康酸酯类可以和许多物质发生化学反 应，如衣康酸二甲酯与浓氨水作用生成衣康酸二酰胺，经五氯化磷脱水生成腈 类；衣康酸- 7 , b 与氨水作用生成2 一酮吡咯烷4 甲氨酰氨、衣康酸二乙酯与氨 水及乙醇共热生成天门冬酰胺等；衣康酸二丁酯与乙酸乙烯酯形成共聚物等， 衣康酸二丁酯还可以与氯乙烯共聚；衣康酸二异辛酯可以与醋酸乙烯共聚，与 苯乙烯、丙烯酸酯等单体共聚。衣康酸脱水生成的衣康酸酐也是种重要的衣 农康酸酯及衣康酸酐合成新工艺的研究 康酸衍生物和精细化工原料，由于其分子中含有碳一碳不饱和双键以及酐基等 活性官能团，从而使其成为高分子材料生产的重要聚合单体6 1 。 1 1 2 衣康酸的生产方法吲 目前国际上生产衣康酸的有化工合成法和生物发酵法。合成法又分为柠檬 酸合成法和顺酐合成法。柠檬酸合成法由于成本高工业上不再采用：顺酐合成法 具有生产成本低、选择性高等优点，但尚未实现工业化。而发酵法原料易得， 工艺技术成熟，是目前国内外工业生产一致采用的方法。 1 1 2 1 化学合成澍”】 化学合成法很多，但正式投入使用的不多，其中一些己被某些工厂投入实 际生产。以原料来源分为农产品和石油化工产品两种，农产品原料有柠檬酸、 异柠檬酸、乌头酸或其他酸酐等。美国的p f i z e r 公司采用柠檬酸为原料，转 化率为8 2 ，衣康酸产率约8 0 。这种方法具有工艺路线较短，产品收率较高 的优点。但原料来源不足，生产成本较高。英国人c a i s s o n 等以柠檬酸为原料， 在高温( 2 5 0 c ) ，高压( 3 4 5 m p a ) 下反应生成衣康酸和柠康酸。反应的总选择性超 过9 0 。 石油化工产品原料有丁二酸酐、丁二酸二甲酯或丁二酸酯为原料等，但衣 康酸的选择性都很低，产品很难分离、纯化，竞争能力差，不易工业化生产。 美国p f i z e r 公司采用钍盐为催化剂，以丁二酸酐与甲醛反应，首先生成柠康 酸，再加热异构化得衣康酸。日产化学工业公司采用强碱为催化剂，丁二酸酐 与甲醛4 0 0 下气相反应，一步制得衣康酸，柠康酸及柠康酸酐混合物，原料转 化率在9 0 以上，但衣康酸的选择性仅为2 7 。我国中科院大连物理化学研究 所和大连理工大学等单位联合研究确定了一条以顺酐为原料的石油化工产品合 成衣康酸的新工艺路线，该技术实验小试初步结果显示可在常温常压下合成衣 康酸，且比专利文献报道的3 0 提高了一倍以上。该工艺反应条件温和，均相 催化性能高，选择性强，已达到工业化应用水平，且原料丰富，生产成本低， 可望成为衣康酸生产新方法，最有可能成为与微生物发酵法相竞争的对手。 化学合成法发展到今天，已经开发了多条工艺路线，但柠檬酸合成法由于 成本高而难于工业化；以丁二酸酐或顺酐为原料的路线多采用多相催化，高温 反应，并且由于缺乏高选择性的催化剂，因此衣康酸的选择性差，产品的分离， 纯化都很困难，在于发酵法的竞争中处于不利地位；我国开发的顺酐路线，反 4 青岛科技人学研究生学位论文 应条件温和，衣康酸选择性高( 6 0 ) ，原料立足国内，产量有保障，在工业化生 产方面有一定潜力。 1 1 2 2 生物发酵法( i 2 j 生物发酵法工艺简单，成本较低，是目前最科学、最经济的生产方法。主 要是采用廉价的糖类，如葡萄糖、砂糖、蔗糖、淀粉水解糖等或淀粉、木屑、 稻草等农副产品作发酵原料，加入氮源和无机盐，以曲霉属菌为菌种，在适宜 温度下发酵。发酵液经过滤、浓缩、脱色、结晶、干燥即得衣康酸。发酵法生 产衣康酸主要有深层发酵法和表面发酵法，尤其以前者更为广泛地被采用。近 年来，用固定化细胞生产衣康酸的研究比较活跃，但还没有应用于生产的报道。 发酵法的关键是发酵原料的选择、菌种的选择和培育以及产物的分离和回收。 ，衣康酸最早是由b a u p 等人在1 8 3 6 年高温分解柠檬酸时发现的，该方法也 是最原始的衣康酸制备方法。1 9 2 6 年，日本学者木下广野首次发现了可以分泌 衣康酸的微生物，并命名为衣康酸曲霉( a s p i t c a c o n i c u s ) , r a i s t r i c k 在研究霉菌 代谢产物时，发现土i 擅霉( a s p t e 仃e u s ) 也能够分泌衣康酸【l 孤，由此揭开了微生物 发酵法生产衣康酸的研究历史。1 9 4 5 年，l o o k w o o d 等人研究了土曲霉发酵生 产衣康酸的影响因子为工业化生产衣康酸奠定了基础【l 。1 9 5 2 年前后美国工业 上使用土曲霉n r ：r l l 9 6 0 发酵生产衣康酸。培养液组成；葡萄糖6 6 ， m g s 0 4 7 h 2 0o 0 7 5 ，n h 4 n 0 3 0 2 5 ，酒石酸铁0 0 2 5 ，玉米浆0 1 5 ，h n 0 3 1 6 m l ；培养温度为3 0 ( 2 ，发酵8 d ，每升发酵液产酸量为2 0 2 1 8 9 ，对供给糖 转化率为3 0 3 3 。1 9 5 5 年美国p f i z e r 公司率先建成了世界上第一条农康酸 生产线。不久，日本等国也陆续上马了衣康酸生产厂1 1 5 , 1 6 1 。1 9 8 6 年，j n a i 胁等 将固定的at e r r e u sn r r l1 9 6 0 和葡萄糖放入多孔圆盘生物反应器中，连续培养 生产衣康酸。控制圆盘转速为8 r m i n ，进料速度为o 0 6 l h ，温度为3 6 c ，p n 值为3 0 。得到的衣康酸浓度为1 8 2 l ，体积收率为o 7 3 g ( k h ) 。1 9 8 9 年， c p a t r i c k 以淀粉水解糖发酵生产衣康酸。液态小麦淀粉经淀粉糖酶作用水解生 成淀粉糖，将其加至1 4 0 0 l 发酵罐中和at e r r e u s 一起发酵生产衣康酸。发酵液 中含0 5 娃谷浸渍液，o 9 k g 尿素和适量天然盐，在3 2 二3 5 v 发酵7 5 t i ，得到的 衣康酸浓度为7 0 3 9 l ，体积收率达o 9 3 7 9 ( l h ) 。1 9 9 1 年，芬兰的h k a u t o l a 等进行了微量元素和碱金属对农康酸产率影响的报道。at e l t e u st k k2 0 0 5 3 固定在聚氨基甲酸乙酯泡沫体上，和葡萄糖摇瓶发酵生产衣康酸，在培养液中 加入c u 、c a 等碱金属盐。培养液组成：葡萄糖2 5 、m g s 0 4 5 9 l ，c u s 0 4 1 3m g l ， 衣康酸酯及农康酸酐合成新工艺的研究 c a c l 2 0 9 l 。培养1 4 d ，衣康酸质量浓度为5 1 9 l ，体积收率为3 6 7 r g ( l d 1 。 h o r i t s u 等报道，用聚丙烯酰氨凝胶包埋土曲霉生产衣康酸，在连续的发酵柱中 使用生物催化凝胶块。芬兰赫尔辛基工业大学化工系的研究表明，固定的菌种 比自由的菌种产酸量约多一倍。固定化多采用琼脂凝胶，聚丙烯酰胺及海藻酸 钙凝胶等d 7 , 1 8 l 。 我国衣康酸的研究始于2 0 世纪6 0 年代初期，但系统地研究衣康酸的生产 菌种及工艺技术开始于2 0 世纪8 0 年代末期【，目前己形成批量生产能力，在 生产技术方面与国际先进水平相比仍存在着一定差距，正在不断地完善和提高。 我国居乃琥等报道了利用多孑l 转盘式反应器培养固定化土曲霉生产衣康酸的方 法【2 0 j 。刘建军等报道了以实验室保藏菌土曲酶菌株n o 2 0 1 为出发菌株，经紫外 线、亚硝基胍、硫酸二乙酯等诱变剂处理获得衣康酸高产突变株h a t 4 1 8 的研 究过程和结果弘”。 云南大学和云南天力生物发酵厂共同承担了农康酸的开发和工业性试验， 用云南大学生物系开发的l u6 6 3 衣康酸高产菌株及发酵工艺。进行年产3 0 0 吨 工业性生产扩大试验，1 9 9 2 年3 月试验成功，我国第一批衣康酸在云南诞生， 从此结束了我国不能生产衣康酸的历史，并引起了世界广泛注意。首批2 0 吨衣 康酸销往美国，国内用户也盼早同大批量生产以代替进口。该厂年产2 0 0 0 吨扩 建工程于1 9 9 3 年7 月投产：目前，我国已成为继美国、日本、俄罗斯之后生产 衣康酸的第四个大国。 无锡轻工业学院与西安光华化学厂合作开发成功发酵法衣康酸技术，已实 现工业化生产。该法以淀粉水解糖为原料，经菌种的培养、发酵、得发酵液及 洗水，其中含衣康酸约2 。通过阴、阳离子交换树脂处理，去除残糖和杂质。 提纯后的衣康酸溶液经真空浓缩、结晶、干燥即得农康酸成品瞄j ，采用木薯粉、 玉米粉【2 3 】为原料生产衣康酸也进行了可行性研究，有待于投入生产。 由以上介绍可以知道，发酵法经过4 0 年的发展，工艺上已经比较成熟，同 时原料廉价易得，因而成为当今各国一致采用的生产方法。不过其生产条件、 强度、周期、原料利用率、产率和回收都受到菌种的限制。发酵工业与生物技 术有着密切的联系。随着生物技术尤其是基因工程的迅速发展，人们有可能在 不久的将来通过基因重组或细胞融合等技术定向进行微生物的遗传育种，以得 到高产的菌株。因此，发酵技术仍然是衣康酸生产的研究点。近年来，国外有 较多关于原料和菌种选择，培养条件及发酵工艺等方面研究的报道。国内发酵 法衣康酸生产工业化只有几年的时间，虽然有二十余家生产厂，但都规模较小， 6 青岛科技大学研究生学位论文 生产工艺与国外先进水平也有较大差距。目前应重点突破优良菌种选育和固定 化细胞连续转化技术的问题。 1 1 3 衣康酸的应用 衣康酸是聚合物生产中的一种重要中间体，它的独特结构和性质使其产生 广泛的用途。成为合成树脂、合成纤维、塑料、橡胶、离子交换剂、表面活性 刹、锅炉除垢剂、润滑油添加剂、无毒包装材料、除草剂、粘着剂等工业的优 良原料 2 4 2 6 1 。 1 1 3 1 在塑料与涂料方面的应用【2 7 1 衣康酸可用作聚树脂的原料，其乙二醇类酯的混合物可用在苯乙烯等的共 聚方面，与高级醇的二酯化物可用作聚乙烯的增塑剂；可以代替富马酸、马来 酸等有机酸制造韧性很强的汽车涂料级醇酸树脂。 衣康酸可作为交联剂和乳化剂。在含量为1 5 时，生产的苯乙烯丁二烯 共聚物具有质轻、易塑、绝缘、防水、抗腐蚀性能均好的塑料和涂料，这种共 聚物用玻璃纤维填充则是种高强度的玻璃钢，可用于制造车、船舶和飞机的 外壳及各种容器，可替代钢材。该共聚物乳液制成的涂料，可作为地毯背面涂 层或纸面涂层，具有乳化稳定性好等优点，使纸在高速印刷中对油墨的粘着性 得到了改善。 1 ，1 3 2 在清洗行业方面的应用【2 3 1 衣康酸和丙烯酸的共聚物是一种高分子螯合剂，用于作水处理中的防垢剂， 对防止碱性钙、镁垢的形成特别有效；加入海水蒸发脱盐体系中，有效成份为 o 5 1 0 p p m 时，能有效抑制水垢在蒸发器表面的形成与附着；用于锅炉水冷却 器等系统的在线清洗，在设备不停止运行的情况下，能除去厚度为o 1 1 7 r a m 的垢层。该共聚物对碳酸钙、羟基磷灰石、硅酸镁、铁氧化物等形成的垢层除 垢效果较常用除垢剂聚丙烯酸钠好。还可以作为聚电解质，这种共聚物可用作 洗净剂和烫洗剂的组分、增强清洗剂的洗净能力。在处理水系时，无令人不愉 快的气味，可以与其它化学处理剂如碱剂n a o h 、k o h 、吗琳或环己胺，缓冲 剂磷酸盐、肼、三乙醇胺及有机酸盐螯合剂e d t a 和杀菌剂次氯酸盐等配合使 用，达到不同的目的。 衣康酸酯及衣康酸酐合成新：艺的研究 1 1 3 3 在粘合剂方面的应用【2 9 】 衣康酸的丙烯酸胶乳可以作为非织物纤维的粘结剂，含衣康酸单体的聚氯 乙烯显示对纸张、赛璐玢和聚对苯二酸乙二醇薄膜的粘着性增强。胶乳可作为 聚烯烃纤维的施胶剂。另外衣康酸的单酯，甲基丙烯酸，乙基丙烯酸，二羟基 钛酸盐发生乳液聚合，得到的丙烯酸乳胶聚合物可作为高效的粘合剂，油井钻 孔液及墙壁粘接剂的增稠剂。在衣康酸丙烯酸的胶乳中加入多价的金属氧化物 可制成牙科祜合剂。具有良好的抗压性能和粘结强度，并具有很好的生理适应 性。 1 ，1 ，3 4 在化纤工业方面的应用 3 0 , 3 1 j 由衣康酸丙烯腈共聚体( p a n i a ) 与二醋酸纤维素进行混合制成的溶液。通 过于湿法纺织生产的中空纤维具有良好的微孔结构；在丙烯腈聚合过程中添加 1 5 的农康酸作为第3 共聚单体，制得的改性聚丙烯腈用于纺丝，具有染色 性能好、不脱色等优点，而且纺制的腈纶产品坚实、牢固、色泽性好。 将衣康酸、p h 2 p ( o ) h 、四氢呋哺、p h m e 的混合体加热回流3 小时，然后蒸 馏除去溶剂，再经2 小时的回流，制得9 5 0 的衣康酸改性含磷有机混合物 ( p h 2 p ( o ) c h 2 c h ( c 0 2 h ) c h 2 c 0 2 h ) ，将它加到p - 羟乙基对苯二酸铋中，在2 8 0 c 的温度下与三氧化二锑( s b 2 0 3 ) 聚合制成的聚酯加工成纤维，其强度4 9 9 d ，伸 度3 2 ，且阻燃性、耐光性俱好。衣康酸的钠盐用于合成纤维、合成纤维天然 纤维混合物的改性和处理。 1 1 3 5 在离子交换树脂和两性高分子聚合物方面的应用 3 2 1 衣康酸烯丙酯与二烯酸甲酯、二乙烯苯进行共聚可形成大孔型结构，经二 次聚合与碱反应、冷却、过滤、水洗制成乳白色球状颗粒的大孔弱酸性阴离子 交换树脂。它具有交换容量大，去杂效果明显，出水量大，可有效的提高工作 效率和产品质量。其次衣康酸与醋酸乙烯、顺丁烯二酸二甲酯等进行聚合可制 成高吸水性树脂粉末；其吸水能力是淀粉丙烯酸接枝共聚物的3 倍。衣康酸与 单烯丙基胺等单体的混合物在适当温度和引发剂作用下聚合，可制成两性高分 子聚合物。其主要可用于抗静电剂、螯合树脂、工业废水处理药剂等。 1 1 3 6 在其他方面的应用【j j j 衣康酸和( h s ) 。，r ( x 2 ) 在自由基引发剂作用下4 0 2 0 0o c 时反应生成含 巯基羧基的硫醚。该硫醚可用于光致抗蚀剂中。 青岛科技大学研究生学位论文 由衣康酸进行加氢反应可生成甲基丁二酸。如衣康酸在2 ，2 双苯膦基一1 ， l ，- 联萘和m e c h o h 存在下，在t h f 中，8 5 时加氢反应2 4 h ，可得到限) 甲 基丁二酸。甲基丁二酸又称甲基琥珀酸，可用作有机化学试剂和有机合成原料。 衣康酸与月桂酸氨乙基乙醇胺的缩合物反应可生成味唑啉衍生物，可作为高级 化妆品的主要原料；衣康酸与芳香二胺生成吡咯烷酮衍生物是润滑剂的增稠剂， 与其它各种胺生成吡咯烷衍生物可作为洗涤剂的添加剂，新药4 ( 1 ，甲苯基一2 吡咯烷酮4 基) 甲氧基苯甲酸的主要合成原料。 由衣康酸或衣康酸酐和芳族聚酯及乙烯基芳族化合物一双烯高聚物进行掺 合，可得到具有较好冲击阻力和较高伸长率的掺合物，适用于汽车减震器。 1 1 4 衣康酸发展前景展望【3 4 j 从世界范围来看，衣康酸的市场呈现严重的供不应求局面，造成这种情况 的原因是，2 0 世纪9 0 年代以来随着高分子聚合材料和人造纤维工业的迅速发 展，衣康酸需求量迅速增长，另一方面衣康酸在化学合成、新材料和造纸、医 药食品等领域应用范围的不断扩大，也促进其销量日趋增加。今后以石油化工 产品为原料合成衣康酸的工业化应用和廉价原料发酵技术的逐渐突破，以及采 用固定化细胞连续转化发酵技术，世界衣康酸的生产水平和效率将得到极大的 提高，受农康酸产品高利润的驱使，衣康酸的生产能力和产量也将大幅度上升， 衣康酸的生产能力将超过需求量， 国际上衣康酸生产国主要是美国、法国和日本，中国是后起之秀。国内研 究、生产衣康酸始于上世纪五、六十年代，但近年来，随着我国对衣康酸的生 产菌种、发酵工艺提取精制以及“三废”处理等的研究开发，实现了衣康酸的 国产化，提高了市场竞争能力。产品不仅满足了国内要求，而且还打入了国际 市场。但我国现有衣康酸厂生产规模小，管理水平低，又因某些原辅助材料的 上涨，导致工厂的压力较大。加上国内市场容量很小，当今国产衣康酸价格大 幅度下降之际对进行衣康酸的各种深加工产品的开拓工作极为有利。衣康酸的 各种深加工下游产品如：p 衣康酸单甲酯、衣康酸二甲酯、衣康酸二正丁酯、 衣康酸二异辛酯、衣康酸酐的利用率很高，其生产价值远远高于衣康酸。因此， 国内同行，特剐是有关工厂、科研院所和大专院校应加强联系，通力协作开展 衣康酸深加工产品的开发研究，使衣康酸得到更广泛的应用。一旦这些深加工 产品广泛应用，势必刺激衣康酸的生产，并使衣康酸走上更广阔的发展道路。 9 衣康酸酯及农康酸酐合成新j ：艺的研究 1 2 衣康酸下游产品的性质、生产及应用 1 2 ，10 一衣康酸单甲酯的性质、生产及应用 d - 衣康酸单甲酯含有一个羧基，且具有多官能团性质，仅利用一个羧基反 应就可以生成许多衍生物并可以衍生出具有特异表面活性的物质1 3 孔，是一种重 要的有机合成中间体。 其生产方法主要是以盐酸【3 6 l 、硫酸氢钠f 3 7 1 或乙酰氯【3 8 1 为催化剂，进行任 衣康酸单甲酯的合成工艺研究，但由于工艺复杂，反应温度较高 0 5 ，反应时 间长达5 h ，产品收率较低为7 5 等问题，耳前国内浅无艮衣康酸单甲酯的生产 厂家。 1 2 ，2 衣康酸二丁酯韵性质、生产及应用 衣康酸二丁酯是一种重要的活性单体、共聚单体和有机合成的中间体，还 是多种塑料的内增塑剂，它可以自聚和共聚，共聚所得到的产物广泛地应用于 成型材料、涂覆材料、纤维及薄膜处理剂、润滑油及其添加剂、粘结剂、离子 交换树脂等。含有衣康酸二丁酯与乙酸乙烯酯的共聚物，具有很好的隔热效果： 衣康酸二正丁酯加到洗涤剂中，可提高洗涤效果；也可以作为溶剂用于制各彩 色照像乳胶、特种墨水等。此外，衣康酸二正丁酯还可作为凝胶化促进剂、防 锈添加剂、粘合剂、和不饱和聚酯的交联剂。随着涂料、油漆、橡胶、农药、 洗涤剂、塑料等行业的不断发展，衣康酸二丁耍会有越来越广泛的用途。 制备衣康酸二丁酯最简便的方法是采用浓硫酸作催化剂的直接酯化法【36 j 。 但由