（化学工艺专业论文）聚3羟基丁酸酯单体的化学合成.pdf

中文摘要 聚3 一羟基丁酸酯( p h b ) 是一种生物可完全降解塑料。3 一羟基丁酸和3 一羟基丁酸乙酯是合成p h b 的主要单体，目前尚未工业化生产，因此研究p h b 单体的合成工艺具有重要的实用价值。 3 一羟基丁醛液相氧化合成3 一羟基丁酸在0 5 l 环流反应器内进行，详细考 察了反应器的结构参数对氧化收率的影响。确定最佳反应器结构为：内外管高 度比h h = 0 4 0 ，内外管管径比d d = 0 7 1 ，填料体积占反应物系总体积4 0 ， 开孔率5 0 的圆形渐缩式喷嘴。在上述最佳反应器内进行反应，温度6 0 ，压 力1 m p a ，氧气进气量o 0 1 8 m 3 h ，溶剂乙酸乙酯用量为3 一羟基丁醛质量的1 0 0 ， 催化剂醋酸钻用量为3 一羟基丁醛质量的o 5 ，反应4 5 h ，3 一羟基丁酸的平均 收率为8 8 9 。 为工程放大，设计了4l 环流反应器，研究了3 一羟基丁醛氧化反应在放大 情况下的反应规律。正交实验表明：反应时间对氧化反应收率有显著影响，溶 剂用量和进气速度对收率有一定的影响。由正交实验及外延实验确定的最佳氧 化条件：溶剂乙酸乙酯用量为3 一羟基丁醛质量的1 4 0 ，氧气进气量0 1 6m 3 h ， 压力1 m p a ，温度6 0 ，催化剂醋酸钴用量为3 一羟基丁醛质量的0 5 ，在此条 件下反应5 h ，平均收率为8 8 1 ，初步解决了环流反应器的放大效应。 研究了3 一羟基丁酸酯化工艺，采用固体超强酸s 0 4 2 _ f e 2 0 3 催化合成3 一 羟基丁酸乙酯，最佳工艺条件：3 一羟基丁酸1 0 m o l ，无水乙醇1 2 m o l ，固体超 强酸1 0 o g ，环己烷5 0m l ，5 6 3 9 氧化钙( 或9 2 3 9 分子筛或1 7 1 9 硫酸镁) ，反 应3 h ，3 一羟基丁酸乙酯的平均收率达9 5 5 。并初步探索了3 一羟基丁酸甲酯 的合成条件。 关键词：3 一羟基丁醛；3 一羟基丁酸：3 一羟基丁酸乙酯； 3 一羟基丁酸甲酯： 环流反应器 a b s t r a c t 3 - h y d r o x y b u t y r i ca c i da n de t h y l3 - h y d r o x y b u t y r a t ea r et h em a i nm o n o m e r sf o r p r o d u c i n gp h b a i li m p o r t a n tb i o d e g r a d a b l ep l a s t i c b yf a r , t h e yh a v e n o tb e e n p r o d u c e do nc o m m e r c i a ls c a l e t h e r e f o r e ，t h es y n t h e s i so fp h b m o n o m e r si so fg r e a t i m p o r t a n c e i nt h i sp a p e rt h ee f f e c t so ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h e0 5 ll o o pr e a c t o ro n t h eo x i d a t i o no f3 - h y d r o x y b u t a n a lw e r es t u d i e d t h eo p t i m a ls t r u c t u r e sa r et h er a t i o o fi n n e ra n do u t e rt u b ed i a m e t e r ( d d ) b e i n go 7 1 ，t h er a t i oo fi n n e ra n do u t e rt u b e h e i g h t ( 1 l h ) b e i n go 4 0 ，s p a r g e rw i t h5 0 p o r o s i t y , t h ev o l u m er a t i oo ff i l l e rt o r e a c t i o nm a s sb e i n g4 o i nt h eo p t i m u ml o o pr e a c t o l 谢廿1p r e s s u r eb e i n g1 m p a t e m p e r a t u r eb e i n g6 0 c ，o x y g e nf l o w r a t eb e i n go 0 1 8 m 3 h ，t h em a s sr a t i oo fs o l v e n t a n dc a t a l y s tc o b a l ta c e t a t et o3 - h y d r o x y b u t a n a lb e i n g1 0 0 ，0 5 ，r e a c t i o nt i m e b e i n g4 5 h t h ea v e r a g ey i e l dw a s8 8 9 3 - h y d r o x y b u t i ca c i dw a ss y n t h e s i z e di na n o t h e r4 ll o o pr e a c t o rd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d t h eo r t h o g o n a la n a l y s i ss h o w e dt h a tr e a c t i o nt i m ew a st h em o s t r e m a r k a b l ee f f e c tf a c t o rf o rt h ey i e l d t h em i n o rf a c t o r sa r et h es o l v e n ta m o u n ta n d t h er e a c t i o np r e s s u r e t h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sa r e ：t i m eb e i n g5 h ，p r e s s u r e b e i n g1 m p a , o x y g e n f l o wr a t eb e i n go 1 6 m 3 h ，t e m p e r a t u r eb e i n g6 0 * c ，m a s sr a t i oo f s o l v e n ta n dc a t a l y s tc o b a l ta c e t a t et o 3 - h y d r o x y b u t a n a lb e i n g1 4 0 0 5 r e s p e c t i v e l y u n d e rt h ea b o v ec o n d i t i o n s ，t h ea v e r a g ey i e l dw a s8 8 1 p r e p a r a t i o no fe t h y l3 - h y d r o x y b u t y r a t ef r o m3 - h y d r o x y b u t y r i ea c i da n de t h a n o l w a ss t u d i e d t h ey i e l do fe t h y l3 - h y d r o x y b u t y r a t ec o u l dr e a c h9 5 5 u n d e rt h e f o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：3 - h y d r o x y b u t y r i ea c i d1 0m o l ，e t h a n o l1 2 m o l ，s 0 4 。f e 2 0 3 1 0 9 ，c y c l o h e x a n e5 0m l ，c a 0 5 6 3g ( o r9 2 3 9m o l e c u l a rs i e v eo r1 7 1 9m g s 0 4 ) ， t i m e3 h t h es y n t h e s i sm e t h o do fm e t h y l 3 - h y d r o x y b u t y r a t e w a sp r i m a r i l y d e t e r m i n e d k e yw o r d s ：3 - h y d r o x y b u t a n a l ；3 - h y d r o x y b u t y r i ca c i d ；e t h y l3 - h y d r o x y b u t y r a t e m e t h y l3 - h y d r o x y b u t y r a t e ；l o o pr e a c t o r 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我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了谢意。 学位论文作者签名：茛渺签字日期：p 睁年脏月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：畏冷泵 签字日期：俩年i 月i o 日 导师签名： 签字日期： 第一章前言 第一章前言 石油工业突飞猛进地发展促进了塑料产品的生产。由于塑料具有质轻、强 度高、耐腐蚀和容易加工等优良性能，在国民经济各个领域中得到了广泛的应 用。这些塑料制品，在使用消费后随意丢弃，严重破坏了环境，并给生态带来 危害，这就是人们常说的白色污染。污染物有农用薄膜、塑料胶带、一次性塑 料医用制品、塑料袋、塑料包装物、一次性聚苯乙烯快餐饭盒及塑料饮料瓶等， 一般难于降解处理。 白色污染会造成严重的视觉危害。散落在环境中的废塑料制品，破坏了市 容、景观。如铁路沿线的“白色污染”带，给人们带来不良刺激和不雅感觉。 白色污染还对人体、土壤及农作物、动物以及海洋造成潜在伤害。一次性 发泡矮具在遇到热汤热饭( 达到6 5 ) 时，产生1 6 种毒素，融化渗入到食物中， 会对人的肝脏、肾脏、生殖系统和中枢神经系统造成损害，甚至可能致癌；作 为生活垃圾的废塑料制品和遗留在土壤中的废塑料地膜散落在田野或填埋进入 土壤后，会影响土壤透气性，防碍水分流动和作物根系发育，影响土壤内物、 热的传递和微生物生长，影响农作物吸收养分和水分，导致农作物减产，并导 致深层土质劣化，上百年不能恢复，进而破坏地球生态平衡；废弃在地面和水 上的废塑料袋，容易被马、牛、羊、鱼等动物当作食物吞入，塑料袋在动物肠 胃里消化不了，导致动物肠胃肌体损伤和死亡，在动物园、牧区、农村和海洋， 这种现象屡见不鲜；向海洋倾倒塑料垃圾会危及水生生物的生存，而且还会缠 绕海轮的螺旋桨而酿成海难事故。 目前我国市场上大量使用的塑料制品都是不可降解塑料，以发泡聚苯乙烯、 聚乙烯或聚丙烯为原料。人类环保意识的加强促使许多国家十分重视可降解塑 料的研究与开发，各种可降解塑料不断问世。其中主要有光降解塑料、淀粉基 生物可降解塑料、微生物发酵合成的生物降解塑料、天然高分子合成的生物降 解塑料等。从中长期发展来看，可从源头解决“白色污染”问题的生物可降解 塑料，将会越来越受到重视。 聚羟基丁酸酯( p h b ) 是种生物降解塑料，在自然环境中可被多种微生物 完全降解。其主要有两方面的用途：利用其生物可降解性，用作可降解塑料， 从而解决环境污染问题，保证人类的可持续发展。当前，塑料在国民经济各部 第一章前言 门以及人民生活中得到广泛的应用，但使用后在自然环境中难于降解，成为污 染环境的垃圾。它们不仅大煞风景，而且还造成地下水及土壤污染，妨碍动植 物生长。传统的方法是回收集中焚烧、掩埋或再生利用，但不能彻底解决污染。 p h b 在自然环境中能完全降解，可以从根本上解决废弃物所造成的污染问题。 利用其可降解性和良好的生物相容性，用作生物医用材料。p h b 在生物医学等 高新技术领域的应用受到人们的高度重视，在可吸收性缝线、带药控释制剂、 可吸收骨折固位夹板等方面开展了广泛研究。但由于p h b 产品价格太高，目前 只用于开发高附加值的医用产品，尚未应用到农用地膜等通用塑料领域。 我们国家在“八五”、“九五”期间重点支持了p h b 生产的研究，承担单位 均采用生物发酵法制备。目前发酵法主产p h b 在菌种选择、发酵工艺和分离提 取过程上存在困难，所得的p h b 也是分予量分布范围较大的聚合混合物，并且 发酵工艺放大困难，发酵法生产的p h b 成本高达1 5 美元k g 。 为了使p h b 获得广泛的应用，必须开发低成本的合成途径，实现规模化生 产。化学合成具有反应和产物质量相对易于控制，可大规模生产的特点，是实 现大批量生产p h b 的一条重要思路。本课题组利用化学法合成p h b ，采用的工 艺路线在国内外未见文献报道，反应过程为四步： 1 乙醛为原料合成3 一羟基丁醛 2 c h 3 c h o _ c h h c h o h c h 2 c h o 2 3 一羟基丁醛氧化生成3 一羟基丁酸 2c h 3 c h o h c h 2 c h o + 0 2 - - ) 2c h 3 c h o h c h 2 c o o h 3 3 一羟基丁酸酯化制备3 一羟基丁酸乙酯 c h 3 c h o h c h 2 c o o h + c 2 h s o h - 斗c h 3 c h o h c h 2 c o o c 2 h 5 + h 2 0 4 3 一羟基丁酸乙酯本体缩聚制备p h b n c h 3 c h o h c h 2 c o o c 2 h 5 一【o c h ( c h 3 ) c h 2 c o 】n + n c 2 h 5 0 h 该合成工艺以乙醛为原料，经四步反应得到p h b 。本工艺具有以下优势： 1 以乙醛和氧气为主要原料，来源广且价格低。 2 工艺中的氧化、蒸馏和缩合都是常用的化工单元操作，设备简单，操作 方便，技术成熟，便于组织大规模生产。 3 3 一羟基丁酸、3 一羟基丁酸乙酯都是用途广泛的化工原料，市场售价较 高，可以分别作为产品，生产经营灵活。 4 化学合成p h b 成本有可能略高于2 万t ，大大低于发酵法1 8 万t 的市 售价。 第一章前言 5 若p h b 售价在2 万t 左右时，可广泛应用于餐具、地膜等通用塑料领 域，而不再局限于医用产品、高级化妆品的包装材料等高附加值领域。 6 p h b 的分子量可以控制，可合成精确分子量的产品，扩大产品应用范围。 7 本工艺也是挽救目前国内多个乙醛生产装置的一个重要途径。目前乙醛 主要用于生产醋酸，由于甲醇法合成醋酸成本低些，现有的乙醛装置有 报废的危险，用本工艺生产p h b 将成为石化生产的一部分。 本课题经过近几年的研究已取得了阶段性成果。第一步是工业中现有的技 术及装置，并应用于生产丁醇，本研究的重点集中在后三步。第二步采用传质 效果优良的环流反应器进行氧化，反应5 h 时3 一羟基丁酸的收率达8 9 0 。第 三步的酯化反应是可逆反应，以对甲苯磺酸为催化剂，利用索氏提取器除去酯 化反应生成的水，破坏反应平衡，反应3 h 时3 一羟基丁酸乙酯的收率达9 6 6 。 本文将在此基础上进行研究，主要工作确定为三部分：( 1 ) 研究环流反应 器的结构参数的变化对3 一羟基丁醛氧化反应的影响，并以此为依据设计大规模 的环流反应器；( 2 ) 研究3 一羟基丁醛的氧化反应在大规模环流反应器内的反应 规律；( 3 ) 对3 一羟基丁酸和乙醇的酯化反应进行优化，并探索3 一羟基丁酸甲 酯的合成条件。 第二章文献综述 第二章文献综述 塑料作为高分子聚合物成为现代社会不可缺少的重要材料，塑料制品在国 民经济各部门发挥着重要作用。但这类化学合成的聚合物不能被生物降解，所 以一旦废弃，必然给环境造成极大危害，使环境恶化，破坏生态平衡，因此， 为保护环境，防止污染，从长远考虑，发展可降解塑料十分必要。聚羟基丁酸 酯( p h b ) 是一种生物可完全降解的新型塑料，其应用包括生产快铤盒、地膜及 包装材料等一次性用品，更重要的是可应用于医学、光电子化学、精细化工等 高新技术行业，在高新技术和高附加值领域市场广阔。 2 1 聚3 一羟基丁酸酯p h b 聚羟基丁酸酯的英文名称是p o l y h y d r o x y b u t y r a t e 或p o l y h y d r o x y b u t y r i ca c i d ， 简称p h b 。它是微生物在不平衡生长条件下储存于细胞内的一种天然高分子聚 合物，是由1 3 一羟基丁酸单体聚合而成的直链型脂质化合物。1 9 2 5 年法国巴斯 德研究所在巨大芽胞杆菌中首次发现，并于1 9 2 7 年从细胞中分离出来。p h b 的 结构式如下： 年一c o h 一3c h ：一罾 l _ j 。 图2 - 1p h b 的结构式 f i g 2 1s t r u c t u r a lf o r m u l ao f p h b 2 1 1p h b 的性质 p h b 易溶予氯仿等含卤素的有机溶剂，不溶于乙醚和乙醇，可以进行皂化 反应丽降解，在浓硫酸中加热时，p h b 转变成巴豆酸。 p h b 是一种硬而脆的热塑性聚合物，在常温下其力学性能与聚丙烯p p 和聚 苯乙烯p s 相当。p h b 具有与p p 相仿的常温力学性能、相近的熔融温度、较低 的耐溶荆性能和较好的耐紫外光老化性能。 第二章文献综述 p h b 与通用塑料聚丙烯p p 虽相似，但也存在明显的缺点【l 】。首先其熔融温 度约为1 7 0 1 8 0 。c ，与分解温度2 0 5 接近，加工成型只能在1 9 0 。c 附近一个狭 窄的温度区间内进行。更重要的是，其抗冲击强度低，断裂伸长率几乎比聚丙 烯p p 低两个数量级，对一般用途来说显得太脆。因此，p h b 仍无法作为一种实 用的塑料，往往通过p h b 与其它塑料共混改性等方法，以得到所需性能的降解 性材料。 天津大学承担的“聚羟基丁酸酯基生物可降解材料的研究”对p h b 与醋丁 纤维素( c a b ) 、纤维素衍生物共聚物、聚7 , z 酵( p e g ) 、三元共混、化学改性法 p h b p e g 共聚物和多嵌段共聚物以及成核剂体系等的相容性、聚集态结构、力 学性能、降解特性进行了系统研究【2 】，结果表明，改性后材料球晶变小，拉伸强 度和冲击强度都有不同程度提高，加工性能等均得到明显改善。该课题还分别 研究了p h b 及其共混物在水、缓冲介质、模拟体液、含酶介质、天然湖水、土 壤等体系中的降解行为，研究表明共混组分可以调节降解速度，而且不影响完 全生物降解特性。 表2 - 1p h b 和p p 一些性能的比较1 3 t a b 2 - 1c o m p a r i s i o no f p h ba n dp p p h b 作为一种生物可完全降解塑料，无论在有氧或无氧情况下，均可被生 物完全降解。环境中的多种微生物均可降解p h b ，特别是假单胞菌属是强烈的 降解菌刚。微生物分泌解酯酶的解聚反应，所形成的p h b 单体、二聚体和三聚 体进入细胞参与代谢。色谱分析表明：p h b 分解产物中只有b 一羟丁酸、乙酰乙 5 第二章文献综述 酸和少量乙酸；在有氧条件下，除产生极少量b 一羟丁酸外，大多被氧化成c o z 和h a o 。 p h b 在不同条件一f 的降解速度见表p 2 。 表2 - 2p h b 在不同环境下的降解速度 t a b2 - 2 d e g r a d a t i o nv e l o c i t y o f p h bu n d e r v a r i o u s c i r c u m f e r e n c e s 2 1 2p h b 的应用 p h b 不仅具有与化学合成塑料相似的性质，如：拉丝、压膜、注塑等，而 且还具有一些化学合成塑料所没有的特殊性能，如：生物降解性、生物相容性、 光学活性等，因此，在工业、农业、医药、环保等行业中应用前景菲常广阔1 5 j 。 2 1 2 1 在医学领域中的应用 现代医学治疗中经常需要一些暂时性的材料，如骨折内固定、药物控制释 放等，这就要求植入的材料在创伤愈合或药物释放过程中可生物降解。另外， 在人体组织工程中，需要在一些合成材料上培养组织细胞，让其生长成组织器 官，如软骨或骨、肝和血管等，这就对材料提出了更高的要求。可降解聚合物 能在体内生理环境下逐步降解并被机体吸收或代谢，角作医学材科可以免除患 者二次手术的痛苦，比非降解材料具有更好的安全性和生物相容性。 聚羟基丁酸醢p h b 作为一种天然高分子聚合物。具有生物相容性、生物可 降解性、无刺激性、无免疫原性和组织相容性等特殊性能，在组织工程、药物 缓释控释系统、骨科以及医舄手术缝合线领域获得成功的应用。由p h b 制成的 缝合线1 6 l i e 在试验并待美国f d a 批准上市，目前存在的问题是降解速率比所有 市面上销售的生物降解性缝合线都慢，需要用y 射线进行辐照才能提高p h b 在 体内的降解速率。缝合线属于高价值产品，由于我国可吸收缝台线多数靠进口， 所以开发p h b 意义深远重大。 所以开发p h b 意义深远重大。 6 第二章文献综述 2 1 2 2 在包装材料中的应用 包装塑料大多具有短期一次性使用的特点，用后即废弃成为垃圾，回收十 分困难。随着包装材料与环境的矛盾同益激化，许多国家开始将可降解塑料用 于包装材料领域，以解决包装材料废弃物的污染问题。德国w e i l a 公司首先使用 p h b 生产高级洗发香波的包装容器；日本竹木器工业公司等研发了p h b 高级化妆 品瓶、药品和饮料包装瓶，但由于价格昂贵导致销量不畅。当p h b 成本降至一 定程度后，可大量用于制造垃圾袋、包装袋、包装盒、托盘等，市场需求广阔。 2 1 2 3 在渔业领域中的应用 鱼网在使用期过后往往被遗弃在海洋中，全球每年在海洋中遗弃的鱼网和 其它塑料制品达几十万吨，废弃鱼网每年缠死哺乳动物超过1 0 万，误食废塑料 致死的海鸟每年超过2 0 0 万只。为了减轻海洋污染，北美、欧洲、日本等地区 和国家均在积极进行生物降解塑料在渔业材料方面的应用开发。日本的中兴化 成工业公司、日本水产研究所等进行了p h b v 鱼网、海苔养殖网的研究，取得了 较好的效果。 2 1 2 4 在农业领域中的应用 目前在我国广泛使用的低密度聚乙烯地膜稳定性极高，残留在土壤中的碎 片不能被土壤微生物降解，也不能被农作物吸收利用。土壤中积累的地膜不仅 影响耕地质量，还会影响农作物本身的生长，使土壤板结，水分渗透性变差， 妨碍农作物根系的发育和水分养分的吸收，使地力下降，病虫害增多，影响农 作物的产量和产品质量。由于p h b 具有生物降解性，用p h b 制成的农用地膜可 以有效地解决白色污染问题。 p h b 还可以用作化肥和农药控制释放基材，降低化肥、农药在雨水作用下的 流失，减轻对水域环境的污染，降低化肥和农药的使用量。 2 1 2 5 在其它领域中的应用 由于p h b 具有压电性，可用于制造压力传感器、海洋传感器、声学仪器等。 生物可降解塑料来于自然，又回归自然，具有很强的生命力。p h b 作为最具 有代表性的一类生物完全降解塑料，其良好的生物相容性和降解性，使其在代 替化学合成塑料、缓解环境危机以及为提供新型的功能性生物医用材料等方面 具有重要意义。 7 第二章文献综述 2 1 3p h b 的制备方法 迄今为止，p h b 的制备方法主要有微生物法、转基因植物法和化学合成法。 2 1 3 1 微生物法生产p 瑚 微生物发酵生产是获得生物可降解塑料的主要途径。聚0 一羟基丁酸酯的生 产工艺分发酵和后处理( 提纯) 两部分【1 ”。p h b 发酵流程：菌种一摇瓶培养一种 子罐一主罐。发酵在技术上又分两步进行，第一阶段主要生产菌体；第二阶段 主要积累p h b 。p h b 后处理流程为： 发酵液 预处理+ 固液分离 细胞呻中h b 提取呻叩h b 纯化+ p h b + 清液 发酵法生产p h b 在菌种选择、发酵工艺和分离提取过程存在困难，所得p h b 也是分子量分布范围较大的聚合混合物，并且发酵工艺放大困难，p h b 成本昂贵。 发酵法目前研究的重点是：选育价格低廉、高产p h b 的优良菌种；提高细 胞培养密度，缩短发酵周期，建立发酵过程的数学模型，为工业生产的设计、 放大、优化控制和经济分析奠定基础。革新p i - i b 的分离提取工艺，提高聚合 物的纯度。 2 1 3 2 转基因植物生产p h b 为降低p h b 的生产成本，提高p h b 与传统塑料的市场竞争力，可向植物体 内引入p h b 生物合成途径。以植物为表达载体，利用c 0 2 及光能合成p h b ，从 而实现大规模廉价生产p h b 。迄今为止，已作为p h b 合成酶基因表达受体生产 p h b 的植物有拟南芥、油菜、马铃薯、棉花、蓝细菌等。吴桂芳【8 】研究了野生型 单细菌集胞藻6 8 0 3 的p h b 的积累特性，采用氮饥饿条件激活p h b 合成酶基 因表达，外加碳源激活p h b 合成酶的催化活性，利用葡萄糖及乙酸钠对细胞分 阶段培养，p h b 的最高积累水平为细胞干重的7 ，浓度7 7 m g l ，产率7 7 m g l d 。 转基因植物中合成的p h b 含量还很低，远没有达到商业化生产的要求。还需 要进一步进行研究和探索，使p h b 在转基因植物中的含量得到大幅度的提高， 同时探索其它途径来制各p h b 。 第二章文献综述 2 1 3 3 化学法生产p i t b 化学法合成p h b 目前主要存在两种工艺路线：一种是以8 一丁内酯为单体 制备p h b ，另一种以3 一羟基丁酸为单体制备p h b 。 一、0 一丁内酯为单体制备p h b 【9 1b 一丁内酯在催化剂作用下能开环聚合 制备聚b 一丁内酯p h b ，其性质与生化法制得的产品十分类似，其反应如下： n0 c h 广6 一 c h 3 o rl 。 i l - - 1 t 0 c - - c h z - - c j - ：- n l 采用外消旋的0 一环丁内酯聚合不能得到具有光学活性的p h b ，而使用纯( 鼬或 ( s ) 对映体聚合，则可得到具有光学活性的p h b 。 典型的工艺为：以乙醛为原料，经经醛缩合反应首先合成巴豆醛，再经过氧 化制备巴豆酸，然后与溴化氢加成得到3 一溴丁酸，最后在碳酸钠溶液中反应制 得3 一丁内酯。适宜的反应下，3 一丁内酯总产率仅达到2 3 7 t i 0 】。若采用d 一丁 内酯为单体制备，存在原料p 一丁内酯难于合成、工艺路线复杂，反应产品收率 低、开环聚合所用的催化剂极难得等诸多困难。此外，b 一丁内酯还是致癌物。 二、以3 一羟基丁酸为单体制备p h b由于3 一羟基丁酸分子中同时含有羟 基和羰基，且3 一羟基丁酸本身受热不稳定，因此要实现3 一羟基丁酸聚合制备 p h b ，反应过程中必须保护分子中的羟基和羰基，反应复杂，每步反应要求的反 应条件严格，工艺复杂，该法也不适合大规模的工业化生产。 2 1 4 本课题组确定的p h b 生产工艺 本课题组采用3 一羟基丁酸乙酯为单体聚合p h b 1 ”，以3 一羟基丁酸乙酯为 单体聚合p h b 的反应机理如下： 甲臂 a ) 2 n o c h c 2 一c o c 2 h 5 o c h z - c “q - o c z h s _ - b ) h 。薯c 睁嚣k 蟠+ h o - m c h 啡豇唧“沪c h 3 c h - c 晰肆咖 b ) h o 一矗c 睁8 吗h 5 +r c 睁l 一h 珥沪rc 晰斗。吼 第二章文献综述 3 一羟基丁酸乙酯是一种稳定的化合物，比较容易得到纯品。从上述反应机 理可以看出，该聚合反应为本体聚合，不需要保护羟基，反应条件简单。单体3 一羟基丁酸乙酯的制备工艺路线为：以乙醛为原料制备3 一羟基丁醛，这是工 业上成熟的装置。由3 一羟基丁醛氧化制各3 一羟基丁酸，3 一羟基丁酸与乙醇 通过酯化反应即可生成3 一羟基丁酸乙酯。 2 23 一羟基丁酸的性质、用途和制备 2 2 13 一羟基丁酸的性质 3 一羟基丁酸的英文名称是3 - h y d r o x y b u t y r i ca c i d 或3 - h y d r o x y b 6 t a n o i ca c i d ， 俗称p 一羟基丁酸，c a s ：3 0 0 8 5 6 ，结构式c h 3 c h o h c h 2 c o o h ，分子式c 4 h 8 0 3 ， 摩尔质量1 0 4 1 0 9 m o l 。具有旋光性，有两种对映体r 一3 一羟基丁酸 6 2 5 7 2 9 1 和s 一3 一羟基丁酸 6 1 6 8 8 3 8 1 。 物理性质：r - 式为吸湿性单斜晶，熔点4 9 5 0 ， 任】1 6 d ；2 4 9 。，溶于水、乙 醇、乙醚，不溶于苯。s 一式结晶体，熔点4 5 5 4 8 c ， a 】2 5 d = 2 4 5 0 ，易溶于水、 乙醇、乙醚，略溶于苯。外消旋r ，s 一3 一羟基丁酸为吸湿性浆状物，能随水蒸汽 挥发，溶于水、乙醇、乙醚，不溶于苯，折射率l i d 2 0 = 1 4 4 2 4 ，熔点4 8 5 0 ， 沸点1 3 0 1 6 - 1 9 k p a ，9 4 9 6 0 o l k p a ，具有手性，表现出光学活性，纯态可结 晶，有较高的沸点。因具有吸水性，很难得到无水物。 化学性质：由于3 一羟基t 酸同时存在羟基和羧基，因此可进行两种基团的 各种典型反应。例如：与碱发生成盐反应，与酸发生酯化反应等。由于3 一羟基 丁酸分子内含有n 一氢原子，受热或与硫酸共热时容易进行分子内脱水反应，生 成不饱和酸，通常为旺，p 一不饱和酸与p ，t 一不饱和酸的混合物。 2 2 23 一羟基丁酸的用途 3 一基t 酸广泛存在于自然界中，生理学研究表明，3 一羟基丁酸存在于人与 动物的血液及尿液中，在动物的新陈代谢中起着重要的媒介作用。其主要用途 有： 2 2 2 1 用作化妆品配料，促进毛发生长 3 一羟基丁酸是一种毛发生长促进剂，可用于生产洗发香波和毛发调节剂。 这些产品的有效成分为：一、毛发生长促进剂，如3 羟基丁酸、谷氨酰胺、乙 1 0 第二章文献综述 酰乙酸、棕榈酸及其相应的盐；二、活性增强剂，如毛发生长刺激剂、渗透增 强剂和阳离子聚合物等表面活性剂；三、相应的载体。通常有效组分占产品质 量的0 0 卜2 0 。使用时，把产品涂于头皮或其他需要生发的地方，其有效成分 可以把体表的绒毛转化成毛发，起到诱导、保持、促进毛发生长的作用【1 2 】。 2 2 2 2 用作处理纺织物的高活性催化剂的配料 3 一羟基丁酸、六水合氯化镁和甲醛相混合，可以形成交联反应的高活性催 化剂，3 一羟基丁酸占催化剂总体质量的2 5 7 5 。用于处理天然纤维、人工纤维、 毛线等纤维素状的布料，可提高布料的抗变形能力、抗皱性能和耐洗强度【1 3 , 1 4 , 15 。 该催化剂是一种协同催化剂，其效果比其中任何种单独使用的效果都高，非 常适合于交联处理。由于该催化剂的活性极高，酸性很强，操作对应细心控制， 避免织物的强度损失过大。 2 2 2 3 其它应用 3 一羟基丁酸对植物的根系生长有刺激作用，可以用作植物生长调节剂；3 一羟基丁酸通过控制下丘脑细胞降低食欲，用作食物抑制剂；3 羟基丁酸还是 一种重要的制药原料及药理学试剂。 2 2 2 4 重要潜在应用价值 3 一羟基丁酸通过分子间聚合生成聚3 一羟基丁酸酯( p h b ) ，用于生产高附 加值的医药材料和市场广阔的可降解塑料。 2 2 33 一羟基丁酸的制备方法 3 一羟基丁酸分子中既含有羟基，又含有羧基官能团，具有醇和羧酸的综合 性能，它是一种重要的制药原料和药理学试剂。其聚合酯p h b 是一种生物降解 塑料，具有生物可降解性、生物组织相容性、压电性、抗凝血性等优点。目前 由生物合成的p h b 成本太高，因此探索3 一羟基丁酸的低成本合成途径意义重 大。 目前，3 羟基丁酸的生产方法有生物发酵法和化学合成法。生化法一般是 先发酵生成聚一3 一羟基丁酸，再经化学方法处理以制得单体3 一羟基丁酸。生 化法存在严重的问题：产品杂质含量高，产量小，生产工艺复杂，收率低。本 课题组李海霞u6 l 对化学法合成3 一羟基丁酸的方法进行了详细的评述，主要方法 有丁烯酸水合法、乙酰乙酸乙酯还原法、羟基腈水解法、3 一羟基丁醛氧化法等。 第二章文献综述 ( 1 ) b 一丁内酯的水解制各3 羟基丁酸 由乙醛与烯酮在z n 盐存在下反应，生成8 一丁内酯，然后在酸性条件下水解 c 即胁啦c c 一。z n c 州亡坠争c h ，盛c o o h 此方法的原料为工业基本原料，反应步骤少，不需要太高的温度和压力，易 于实现连续化生产，具有工业潜力。但乙烯酮性质活泼，对酸、碱和水都很敏 感，极易发生反应，给操作、检测和分离带来了困难，乙烯酮的价格也较高。 ( 2 ) 利用r e f o r m a t s k y 反应 r e f o r m a t s k y 反应是通过将z n 加到仪一卤代酯( 通常是a 一溴代酯) 与乙醛的乙 醚( 或芳烃) 溶液中，然后在酸性条件下水解，可制得3 一羟基丁酸。由于3 一 羟基丁酸的脱水，产物中可能伴随有不同含量的n ，p 一和p ，t 一不饱和酸。 z n + b r c h 2 c o o c 2 h 5 + b r z n c h c o o c 2 h 5 c h 3 c h o o iz n b r c h 3 c h c h 2 c o o c 2 h 5 寺c h 3 p c h c h 2 c o o h 百：了+ c h 由于0 【一溴代酯不是基本化工原料、价格贵、来源有限，并且使用了锌，造成 一定污染，而且r e f o r m a t s k y 反应的收率低，副反应多，限制了其实现工业化。 ( 3 ) 还原法 乙酰乙酸乙酯，可以被多种还原剂如铜铬氧化物、钠汞齐等还原，然后水解 生成3 一羟基丁酸，其反应如下： o h o h c h 3 c o c h 2 c o o c 2 h 5 百s 嚣 c h 3 6 h c h 2 c o o c 2 h 5 上lc h 3 6 h c h 2 c o o h 还原法制各3 一羟基丁酸收率低，副反应多，而且反应混合物的分离提纯较 困难。 第二章文献综述 ( 4 ) 由丁烯酸水合制备 丁烯酸在酸性或碱性条件下水合可制各3 一羟基丁酸。 c h ：一c h c h c 。h 衰毒rc h ，c h ：曩c 。h 十c 心o b h c h ：c 。h 由于3 一羟基丁酸本身易发生脱水反应生成2 一丁烯酸或3 一丁烯酸。因此， 这一反应是可逆反应，收率极低，仅为6 ，而且2 一羟基丁酸与3 一羟基丁酸也 很难分离。另外，丁烯酸本身就是一种较贵的原料。 ( 5 ) 利用萘锂催化齐制备 采用乙醛和乙酸为原料，在萘锂催化剂作用下可制备3 一羟基丁酸。以4 ：1 ( 摩尔比) 的锂与萘溶于四氢呋喃中配成溶液，然后缓慢加入乙酸，最后在反 应体系中加入乙醛，反应后经蒸馏可制得3 一羟基丁酸。 c h 3 c o o h + c h 3 c h o l 生卜c h 3 占h c h 2 c o o h o h 此方法原料易得，副反应少，易实现连续化，虽然萘与锂的用量比较大，但 因其仅起催化作用，可反复回收利用，故尚有工业化生产潜力。由萘锂催化制 备的方法，虽然乙醛与乙酸均是基本的化工原料，简单易得，但萘锂的制备复 杂，且性质活泼，易分解，增加了操作上的难度，而且萘锂催化剂虽然可以回 收利用，但是回收难度大，费用高。 ( 6 ) 水解法 用h c n 处理环氧丙烷，得到中间产物羟基腈，然后水解可制得3 一羟基丁酸， 反应式如下： o0 h o h h 2 c - - c h c h 3 + h c n + c h 3 c h c h 2 c n c h 3 c h c h 2 c o o h 其原料环氧丙烷为重要的基本化工原料，反应也较简单，副产物较少。但由 第二章文献综述 于使用大量的氰化物，氰化物属于剧毒品，不仅对操作人员造成威胁，更污染 环境，与现在提倡的绿色生产相悖。 ( 7 ) 氧化法 乙醛经羟醛缩合生成3 一羟基丁醛，3 一羟基丁醛在适宜的条件可被氧化成3 一羟基丁酸。可选用各种氧化剂，如双氧水、纯氧等，甚至可以研究用空气进行 氧化。因3 一羟基丁醛和3 一羟基丁酸均含有羟基，故氧化反应的温度和压力都 不应太高。3 一羟基丁醛与3 一羟基丁酸性质均很活泼，故副反应较多，这是这 一路径的不利因素，而原料比较便宜是很大优点。 本课题组确定采用3 一羟基丁醛氧化法制备3 一羟基丁酸。氧化法制备3 一羟 基丁酸，是实现工业化生产3 一羟基丁酸的首选方法。主要原因如下： 1 采用乙醛合成3 一羟基丁醛的工艺比较成熟，现已有完善的工艺流程。 2 3 一羟基丁醛纯化及氧化各步反应的反应条件要求不苛刻，其单元操作比 较简单，操作方便，操作费用不高。 3 以乙醛、氧气为主要原料，来源广泛且价格低廉，生产成本较低。 4 副产品丁烯酸也是重要的化工原料，有广泛的用途，市场售价也较可观， 因此可以将丁烯酸和3 一羟基丁酸均作为产品，生产经营灵活。 虽具有以上优点，存在的问题也很多，如：副反应多，分析、分离、提纯较 困难，氧化剂和氧化条件的选择等，这些问题也是实现工业化要解决的问题。 经过近几年的研究，3 一羟基丁醛氧化制备3 一羟基丁酯的工艺取得了成功。 杨文玲等【l ”采用压力反应釜，在适宜的条件下，反应3 0 h ，平均收率达到8 1 8 。 由于釜式反应器传质性能差，造成反应时间较长。王彦飞掣1 8 】对氧化反应器的 形式进行了优化选择，确定采用环流反应器进行研究，反瘦时间从3 0 h 缩短到5 h ， 收率也得到了提高。 2 2 4 本文制备3 一羟基丁酸的反应器环流反应器 3 一羟基丁醛氧化的氧化是典型的气液反应，反应器是生产工艺中关键的设 备之一。气液反应种类繁多，气液反应器形式多样。气液反应器按气一液相接触 形态可分为：( 1 ) 气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡反应塔、泡罩反应塔和 环流反应器等；( 2 ) 液体以液滴状分散在气相中的喷雾反应塔、文丘里型反应 器、筛板塔( 雾化区操作) 等；( 3 ) 液体以膜状运动与气相进行接触的填料反 应塔、膜式反应器和滴流床反应器等。 环流反应器是近年来作为化学反应器和生化反应器而发展起来的一种新型 1 4 第二章文献综述 高效气液反应器。环流反应器是一种新型的多相反应器，因其内部流体有规则 的循环流动而得名，是近2 0 年来在强化鼓泡反应器的基础上发展起来的。环流 反应器内部的流体呈循环流动，对反应物之间的混合、传热、传质很有利，近 年来已在化学工业、生化工程、环境工程以及煤的液化加氨等方面得到了一定 的应用。它既适合于处理量大的高粘度物料，又有利于气一液、液一液、气一液一 固之间的均相和非均相反应。 2 2 4 1 环流反应器的类型和工作原理 按驱动流体的类型，环流反应器可分为以下三种： 1 气升式环流反应器气升式环流反应器有中心气升、环隙气升和隔板气升三 种。气体以一定速度鼓泡进入，由于不同路径中流体的密度差形成推动力， 迫使流体循环流动。因不需要动力装置，内部条件温和，越来越引起人们的 关注。这类反应器的结构简单，操作方便。 ( ) 中心气升 c b ) 环隙气升 ( c ) l i 板气升 彝。酉：醪豳 图2 3 喷射式环流反应器的形式 f i g 2 - 3t y p e so f j e tl o o pr e a c t o r 图2 - 4 搅拌式环流反应器的形式 f i g 2 - 4t y p e so f s t i r r e dl o o pr e a c t o r 廖 囱 第二章文献综述 3 推进式环流反应器 推进式环流反应器在反应器内安装了动力搅拌装置，以 加强传质和流动。这种反应器适于处理高粘度物料，内部导流筒壁可以有较 高的传热效率，但搅拌轴不易密封，维修不便，泄露出来的有毒或可燃气体 对操作环境造成危害。 环流反应器按结构形式可分为内环流和外环流两种。内环流反应器为在反 应器内部形成循环流动，外环流反应器为在反应器外部形成循环。 2 2 4 2 环流反应器的特点和应用 环流反应器的主要特征是器内产生了定向的循环流动，确立了充分的循环流 型，物料得到强烈混合，达到了很高的混合效率。对于一些需要良好搅拌的高 压反应，采用环流反应器可以减少附加传动装置而带来的密封及安全问题：另 一个重要特点是强化了传质和传热过程，提高了处理能力，降低了能耗。由于 确立了充分的循环流型，使得反应器的放大比较容易。 l i | n l 一蛙治反应1 2 一拜瘴反应璐 图2 - 5 环流反应器与鼓泡反应器污水处理效率的比较 f i g 2 - 5c o m p a r i s i o n