丙酮酸的合成研究.doc

本科毕业论文丙酮酸的合成研究专 业化学工程与工艺班 级B化工061学 号0610310112学生姓名陶玉青指导教师孙国香完成日期2010年6月2日丙酮酸的合成研究摘 要：丙酮酸作为一种重要的有机化工产品，日益广泛的应用于医药、农药、日化和食品等行业。本文综述了丙酮酸近几年来合成工艺的发展状况，简单地介绍了目前国内外生产丙酮酸的各种合成工艺方法，包括酒石酸法，乳酸氧化法，电化学法等化学方法以及生物法。本文主要研究的内容是以一氯丙酮、甲酸钠和甲醇为原料经酯化与醇解两步反应合成羟基丙酮，然后以P d-Bi/C为催化剂、空气为氧化剂催化氧化羟基丙酮制备丙酮酸钠，进而制备丙酮酸。研究了反应条件对相转移催化酯化以及醇解反应蒸馏过程的影响。考察了在羟基丙酮制备丙酮酸钠的反应中反应温度、催化剂种类及用量、p H值等对反应的转化率及选择性的影响，同时还考察了反应速率随时间变化的规律。关键词：丙酮酸；一氯丙酮；羟基丙酮；制备Synthesis of pyruvateAbstract: Pyruvate as an important organic chemical products, more widely used in medicine, pesticide, cosmetic and food industries. This paper reviews the development of pyruvate synthesis in recent years the situation, a brief overview of the current domestic production of pyruvate synthesis of various methods, including tartaric acid method, lactate oxidation, electrochemical methods such as chemical and biological methods. This paper studies the content of a chlorine acetone, sodium formate and methanol as raw materials by two-step esterification reaction with the hydroxyl alcohol solution of acetone, then P d-Bi/C as catalyst and air as the oxidant catalyzed oxidation of DHA preparation of pyruvate sodium pyruvate then prepared. To study the reaction conditions of phase transfer catalysis esterification, and alcoholysis reaction distillation process. Preparation of the Dihydroxyacetone investigated the reaction of pyruvate reaction temperature, catalyst type and amount, pH value on the reaction conversion and selectivity, reaction rate was also investigated the variation with time. Key words: Pyruvate；Chloride acetone；Hydroxy acetone；Preparation I目 录丙酮酸的合成研究 Synthesis of pyruvate 第一章 文献综述11.1丙酮酸概述11.2丙酮酸的合成方法11.2.1丙酮酸的化学合成方法11.2.2丙酮酸的生物合成方法51.3国内外对丙酮酸的研究历史和现状71.4丙酮酸的应用研究81.5研究目的意义与内容111.5.1研究的目的意义111.5.2研究内容15第二章 实验部分162.1羟基丙酮的制备162.1.1原料和仪器162.1.2操作步骤162.1.2.1相转移催化合成甲酸丙酮酯162.1.2.2醇解反应制备羟基丙酮162.2由羟基丙酮制丙酮酸162.2.1反应式162.2.2试剂和仪器162.2.3催化氧化反应16第三章 试验结果与讨论183.1 一氯丙酮制羟基丙酮的实验中反应条件的影响183.1.1相转移催化剂对反应产率的影响183.1.2原料摩尔比对反应时间的影响193.1.3醇解反应讨论193.2 羟基丙酮制丙酮酸的实验中反应条件的影响203.2.1温度对反应的影响203.2.2酸碱度控制20第四章 丙酮酸产品分析22第五章 结论与展望235.1结论235.2展望23参考文献24致谢26i盐城工学院本科毕业论文（2010）第一章 文献综述1.1丙酮酸概述1 2丙酮酸 （pyruvic acid） CH3COCOOH，原称焦性葡萄酸（德Brenztr-aubensure），丙酮酸又称2-氧代丙酸，是参于整个生物体基本代谢的中间产物之一。为无色至淡黄色液体，呈现醋酸香气和愉快香气，因分子中同时具有羟基官能团且酮酸而反应性强，故具有许多特殊的化学性质。分子式：C3H4O3，分子量：88.06，CAS 号：127-17-3 。丙酮酸与许多酶反应都有关系。在动植物的共同呼吸源中，碳水化合物是最常用的，其反应途径是从形成己糖二磷酸酯经过丙糖磷酸酯而分解为丙酮酸。在无氧分解下有各种变化形式，如肌肉产生乳酸，酵母菌发酵在无氧状态下生成二氧化碳和乙醇，而所有到丙酮酸的反应途径是完全相同的，只是最终的反应多少有些差异。并且在有氧状态下分解，通过三羧酸循环能把丙酮酸完全氧化。可以认为这是获得能量最有效的途径。丙酮酸很不稳定 ,极易氧化 ,弱的氧化剂如 Fe2 +、 H2O2 都能将丙酮酸氧化成乙酸并放出 CO2。在自然条件下 ,丙酮酸为无色的有刺激性臭味的液体 ,沸点为165 (分解) ,易溶于水。丙酮酸除具有羧酸和酮的性质外 ,还具有- 酮酸的性质 ,丙酮酸是最简单的- 酮酸 ,属于羰基酸。1.2丙酮酸的合成方法1.2.1 丙酮酸的化学合成方法3 4 5（1）酒石酸法目前，丙酮酸的生产主要还是利用传统的酒石酸法合成工艺，该法采用酒石酸与焦硫酸钾混合加热，酒石酸脱水脱羧生成丙酮酸。反应方程式如下：该工艺操作简单，但是存在着产率低(对酒石酸质量产率为0.290.30gPg)，环境污染严重，生产成本高等一系列问题，缺乏竞争力，因而限制了丙酮酸生产规模的扩大.（2）乳酸氧化法以 Pb/ Pd,磷酸铁盐,Ag,钒, Fremy 盐作催化剂 ,用乳酸或乳酸乙酯作原料 ,氧化脱氢一步法以及电化学方法生产丙酮酸。当 Pb Pd 为 0.4 ,pH = 8 ,反应温度 90 ,反应时间 35 h ,丙酮酸收率最高可达58.2 %。当磷酸铁中 P/ Fe 原子比为 12 时 ,反应温度230 ,反应时间 24 h ,氧气浓度 26.3 %时 ,转化率可达76 % ,选择性为 66 %。当 Ag载量为 64 % ,以乳酸乙酯作原料可得到91.1 %的选择性和 80.25 %的产率 ,以钒作催化剂时 ,当原料气中乳酸乙酯 O2 N2 的物质的量比为1 2 8 ,反应温度 200 , 乳酸乙酯的转化率为97 % ,丙酮酸的选择性为81 % ,收率为78 %。当pH= 10 时 ,用 Fremy 盐氧化乳酸 ,反应 65 h ,得到丙酮酸的收率为 32 % ,用 Fremy 盐氧化丙氨酸 ,反应24 h ,得到丙酮酸收率为 37 % ,这种方法由于反应进行得过于缓慢 ,反应时间长 ,产率低 ,因而失去工业价值。电化学法以乳酸为原料 ,内含Bu4NBF4 的N ,N -二甲基酰胺为电解液 ,进行电解 ,完毕 ,减压蒸馏 ,蒸馏后的残余物倒入盐酸中 ,用乙醚萃取 ,蒸掉乙醚后得到丙酮酸 ,产率为 60.12 %,此法酒石酸的氧化脱羧法相比 ,具有能耗低、 污染小、 产率高等优点 ,适合工业化生产。（3）双氧水催化氧化乳酸合成丙酮酸在装有搅拌器、 直形冷凝管的三口烧瓶中加入28.8mL 乳酸(合0.4mol) ,并加入适量的硫酸亚铁作为催化剂 ,在搅拌下逐渐滴加双氧水 ,水浴加热 ,保持温度40 ,反应 4h。待反应结束后 ,进行减压蒸馏 ,蒸出未反应的乳酸及副产物乙醛、 乙酸等 ,蒸馏瓶内为产品丙酮酸。（4）P d-Bi/C催化合成丙酮酸（a）催化剂的制备 在备有冷凝器和搅拌器的三口烧瓶中加入92 g处理过的 120 目以上活性炭 B ,并加适量水浸湿 ,边搅拌边依次加入 PdCl2 和 Bi (NO3) 3 盐酸水溶液4.1g (0.0231 mol ) PdCl2 和 0.9481 g(0.002 4 mol)Bi (NO3) 3 溶于70mL盐酸水溶液(20mL浓盐酸和50mL水溶液) ,搅拌数小时 ,静置 ,常温下吸附至上层液为无色后 ,边搅拌边逐渐滴加入30 %的NaOH溶液使pH 12 ,然后加入适量的35 %的甲醛 ,在 100沸腾状态下搅拌还原2 h ,冷却至室温 ,用去离水洗涤至中性 ,过滤 ,在100烘箱烘至全干备用。（b）丙酮酸的制备在装有碱式滴定管、 pH计的 500mL的三口烧瓶中 ,加入10mL质量数30 %丙酮醛水溶液 ,加180mL水 ,反应器内充满氧气 ,升温至45,快速加入110g催化剂 ,开动可控温磁力搅拌器 ,使反应液剧烈搅拌。反应过程中滴加30%的 NaOH溶液 ,维持pH 78 ,温度45左右 ,氧气的通入量由流量计测出 ,间隔一定时间 ,取样进行气相色谱分析。（5）羟基丙酮法Kiyoura和Tadainitsu连续数次在专利中提出这一路线：将羟基丙酮在5%的Pd-Pb-Co3 /C存在下与空气在45的水溶液中进行反应，通过增加NaOH的用量调节pH值在8.5-9.3之间，保持95min，此后，PH值可降到7.8。用次法可得到丙酮酸的钠盐，收率70%，但由于羟基丙酮不易得到，限制了这种路线。（6）丙酮法该法以丙酮作为原料，将丙酮和Se、Sn、或Te的氧化物（如：SeO）在室温下混合、搅拌3h可得到70%丙酮酸。该法原料易得，而且原料价格较低，但由于反应副产物较多，品种不易提纯，因而大大限制了该方法的推广。（7）丙酮醛法丙酮醛生产方法比较成熟，一般利用1，2-丙二醇在Ag催化剂存在下氧化脱氢制得。我们只要将丙酮醛作进一步处理就可得到丙酮酸，将Cl3通过丙酮醛的水溶液中，在22-24下反应10h得到浓度为82.5%的丙酮酸，选择性87.5%。但由于成本过高，这种方法尚未工业化。（8）电化学方法Vitaly D.Pokhodenko等通过电化学方法用乙酞卤和二氧化碳合成了丙酮酸，产率达60%。条件是用Pt和Zn分别作为阴极和阳极，静电位E=1.1V(对Ag/AgCl)，电化学反应在一个装有DMF的气密性池中进行。李红等研究了在酸性条件下，利用氧化还原电对OBr-/Br-间接电解乳酸合成丙酮酸的方法。研究发现酸性介质中Br-间接电催化乳酸合成丙酮酸的机理是Br-的氧化产物HOBr跟乳酸发生化学氧化反应，反应生成的Br-在电极上重新氧化，使氧化剂HOBr得以再生。与传统的以酒石酸制备丙酮酸的方法相比，电化学法具有产率高，能耗小等优点，适合工业化生产，具有良好的发展前景。廖桂茵等研究了通过电化学方法使乙酞氯和二氧化碳作用一步法合成丙酮酸的新方法。以电位分别为-1.1V、-1.5V、-2.0V进行恒电位电解(乙酞氯浓度为4.210-2M、阳极为锌、阴极为铂)，收率相应为60%、39.2%、29.6%。可见，随着电解电位的升高，丙酮酸的产率逐渐下降，这是因为随着电解电位的升高，伴随着乙酞氯在阴极被还原，二氧化碳也会被还原，这就阻碍了主反应的进行。通过恒电流法电解也能获得产率很高的丙酮酸，电流大小与产率的关系如下(乙酞氯浓度为4.210-2M、阳极为锌、阴极为铂):当电流3.0、3.5、 4.0mA/cm2时，收率相应为62.4%、49.2%、39.6%。可见，当控制恒电流大小为i=3mA/cm2时，丙酮酸的产率最高，可达62.4%。保持恒电流 i=3mA/cm2，乙酞氯浓度为 4.210-2M加，阴极不变，仍采用铂电极，阳极分别用锌、镁、铝作电极，反应产率分别为62.4%、35.3%、26.8%。可知，当其它条件不变时，改用镁、铝作阳极，虽然也能够得到产物丙酮酸，但产率远较采用锌电极时为低。 除此之外，合成丙酮酸的化学方法还有, - 二氯丙酸或, - 二溴丙酸水解 ,蒸馏甘油酸的衍生物,氧化丙酮醛的亚硫酸氢盐衍生物,2 ,4 ,6 - 三甲苯基氧化物氧化法 ,异丁烯酸氧化法 ,三乙氧基乙腈法 ,乙酰氯法 ,多羟基醇化合物氧化法 ,异戊二烯空气氧化法等 ,但工业价值均不大。1.2.2 丙酮酸的生物合成方法6 7 8 10（1）生物技术法图1 丙酮酸的代谢途径Glucose:葡萄糖; PEP:磷酸烯醇式丙酮酸; Pyr :丙酮酸;Ac- etaldehyde :乙醛;Ethanol :乙醇;Acetate :乙酸盐;Acetyl - CoA:乙酰辅酶A;Ala :丙氨酸;G in :谷氨酰胺; - KG: - 氧代戊二酸;PDC:丙酮酸脱羧酶;ADH:乙醇脱氢酶;ACS:乙酰辅酶 A合成酶;AIDH:乙醛脱氢酶;PDH:丙酮酸脱氢酶系;OAA:草酰乙酸盐;B1 :硫胺素;NA;烟酸;Bio :生物素;Pdx :吡哆醇生物技术法生产丙酮酸 ,由于成本低、 产品质量高、 对环境友好而得到发展 ,主要有直接发酵法和酶催化法。（a）直接发酵法直接发酵法生产丙酮酸的影响因素有:菌种选育,营养条件,维生素水平,供氧模式,葡萄糖的质量浓度等等。通过亚硝基胍诱变 , 获得 1 株乙酸需求型突变株,在外加乙酸的培养基中表现出高于出发株 21 %的丙酮酸生产能力和良好的遗传稳定性。检测突变株中丙酮酸代谢相关酶的活性发现: 丙酮酸脱羧酶活性降低了40 %; 外加乙酸与否的条件下 ,乙酰辅酶A合成酶的活性分别提高了 103.5 %和 57.4 %: 添加乙酸和突变对丙酮酸羧化酶、 丙酮酸脱氢酶系、 乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶的活性没有显著影响。在含有乙酸的培养基中突变株细胞干重比出发株高21.7 %。在 7 L 罐中含有 6 g/ L 乙酸钠的培养基中发酵 62 h ,丙酮酸产量达到 68.7 g/ L ,对葡萄糖的产率为0.651 g/ g。今后的研究工作应集中在: 在保证细胞正常代谢的前提下 ,尽可能减少丙酮酸的降解或转化 ,这是获得丙酮酸高产量和高产率的必要条件; 加快从葡萄糖到丙酮酸的代谢速度 ,以确保获得丙酮酸的高生产强度; T. glabata 的多种维生素营养缺陷型具有大量积累丙酮酸的潜力 ,学术界对该菌株在过量合成丙酮酸的生理生化特征和如何防止产物进一步被转化还应该进行进一步的研究。我国生物发酵法生产丙酮酸的技术研究起步较晚 但发展却非常迅速 但要实现丙酮酸发酵过程高产量、高转化率和高生产强度的统一 还要在发酵过程中采取合适的控制策略 还需要进行深入的探索和实践。（b）酶催化法22pH值为 7 时酶丙酮酸盐脱羧酶 ,连同辅酶焦磷酸硫胺素可催化丙酮酸的脱羧 ,产生乙醛和CO2。AIST K yushu研究者发现 ,在pH值为11下会产生逆向反应 ,使用上述生物催化剂 ,在 25 时乙醛与碳酸钠 碳酸氢盐缓冲液反应可合成丙酮酸 ,收率为81 %。缓冲液起到 CO2 源的作用。在超临界 CO进行反应可获更高的收率。酶法合成丙酮酸由于具有反应混合物组成简单、 高底物转化率、 产品纯度高、 后续分离提取费用低廉和操作简单等优点而成为生物技术法生产丙酮酸研究中的另一个热点。一般来讲 ,酶法生产所涉及到的酶都是与丙酮酸代谢有关的酶 ,如:酒石酸脱水酶、甲醛脱氢酶、过氧化酶和乙醇酸氧化酶、乳酸氧化酶、 乳酸脱氢酶等。可用于酶法生产丙酮酸的底物有乳酸、酒石酸、富马酸、1 ,2-丙二醇等。酶法虽然具有较高的转化率 ,但底物成本比较高、 来源较窄 ,限制了其进一步推广应用。（2）休止细胞法虽然发酵法是生物技术法生产丙酮酸中开展得最早的、 也是研究得最多最深入的生产方法。但发酵法生产丙酮酸的问题是转化率比较低 ,这是因为丙酮酸作为糖酵解途径的最终产物 ,处于代谢途径中的关键代谢支点 ,在细胞中很容易代谢为其它产物 ,难以积累。只有切断或弱化丙酮酸的进一步代谢 ,才能达到使其在细胞中积累并分泌到胞外的目的。为此 ,研究者选育了一系列的高产率或高产量的研究菌株 ,其中最突出的是多重维生素营养缺陷型菌株光滑球拟酵母。采用休止细胞法生产丙酮酸的主要优点是可缩短发酵时间。但丙酮酸产量略低于直接发酵法 ,且操作繁琐 ,容易染菌 ,因此不太可能在工业生产中得到应用。1.3 国内外对丙酮酸的研究历史和现状2 3丙酮酸(pyruvic acid)是一种酸性较弱的有机酸，分子中同时具有羧基和羰基两个官能团，它除具有羧酸和酮的性质外，还具有a-酮酸的性质，是最简单的a-酮酸(属羰基酸)。丙酮酸是体内产生的三碳酮酸，它是糖酵解途径的最终产物，在细胞浆中还原成乳酸供能，或进入线粒体内氧化生成乙酰CoA，进入三羧酸循环，被氧化成二氧化碳和水，完成葡萄糖的有氧氧化供能过程。丙酮酸还可通过乙酰CoA和三羧酸循环实现体内搪、脂肪和氨基酸间的相互转化，因此，丙酮酸在三大营物质的代谢联系中起着重要的枢纽作用。丙酮酸很不稳定，极易氧化，弱的氧化剂如Fe2+、H2O2都能将丙酮酸氧化成乙酸并放出CO2。丙酮酸及其盐是一类重要的有机化工中间体，在有机合成工业中有广泛的应用。丙酮酸可以用于合成多种氨基酸，如L-色氨酸、L-亮氨酸、L-半胱氨酸，还是合成维生素B6和B12、制备氢化阿托品酸及合成乙烯聚合物的重要原料。在农业方面可用于生产杀菌剂、除草剂，还可作为食品添加剂，应用于食品及酿酒工业。除此之外，丙酮酸还是一种重要的生化检测试剂，用于测定人体血液中谷-丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOP)的含量，它还是测定伯仲醇及脂肪族胺的重要试剂。丙酮酸及盐在医学领域的应用也很广泛，可用于生产镇静剂、抗氧剂、抗病毒剂以及合成治疗高血压病的药物。丙酮酸是一种对机体能量代谢有较大影响的物质，是机体糖类代谢、酷类代谢以及碳水化合物降解的中间产物，也是细胞代谢过程中关键的具有枢纽性地位的中间物质，联系着HDP(Hexoe DiphosPhaty Pathway己糖二磷酸酯途径)与TCA(Tricarboxyli cAcid Cycle三羧酸循环)两大生化循环，许多代谢途径可以通过丙酮酸这一共同的中间产物而联系起来。人机体中的丙酮酸是由糖原衍生而来的。因为丙酮酸极易透过细胞膜而进入细胞内，再通过渗透作用，进入机体细胞的能量加工厂一线粒体，同时将运进来的脂肪酸(主要是长链脂肪酸)氧化燃烧，为机体代谢提供能量，机体的宏观表现为脂肪减少，体重减轻。在拨基酶的作用下，丙酮酸转化为乙醛和二氧化碳。人在运动(有氧代谢)过程中，丙酮酸还原为乳酸，而在休息时又重新氧化，在这一过程中有部分丙酮酸转化为丙氨酸。因此可见，外源性的丙酮酸可以作为营养剂。丙酮酸在医药工业中被合成治疗高血压新药血管紧张肤抗药、系列蛋白酶抑制剂、镇静剂、消炎镇痛药辛可芬、抗结核药异烟肼丙酮酸钙、解热药2-苯基喹啉-4-羧酸、驱虫药恩波吡维胺、药物磷酸烯醇丙酮酸、4-甲唑甲酸、抗病毒剂氮杂喹喔啉以及抗癌药物比卡鲁胺等。丙酮酸在临床上常和乳酸一同测定，并用二者的比值推测循环衰竭的严重程度，它还对维生素B1缺乏有一定的诊断意义。丙酮酸在心肺旁路外科手术中能发挥很强的心肌保护功能。丙酮酸是生产色氨酸、苯丙氨酸、蛋白糖和维生素B的主要原料，是生物合成L-多巴的原料(多巴用来治疗帕金森综合症)是乙烯聚合物的起始剂，亦是制备谷物保护剂的原料。丙酮酸作为饲料和食品添加剂，具有很好的防腐保鲜功能，目前国内少量用于饲料和果酒的保存中。国外丙酮酸生产主要集中在日本，只要有两家公司从事生产，其一是武藏野化学研究所以乳酸乙酷为原料经氧化法生产，另一是东丽化学工业公司，用发酵法生产。两家总生产能力约1000吨，其中发酵法约300吨。1977年日本武藏野化学研究所率先实现丙酮酸化学合成法的工业化生产。至1989年，日本东丽化学工业公司开始用发酵法生产丙酮酸，但产量较低，价格昂贵，1992年日本国国内丙酮酸的市场价为4000日元公斤。因为，丙酮酸的性质不稳定，且对人体副作用大，故丙酮酸的出口主要以丙酮酸盐的形式。我国丙酮酸生产企业目前几十家，据估计国内现有丙酮酸及其盐类和酯类的生产能力达1000吨以上。1995年，国外一些研究机构发表了关于丙酮酸钙在减肥保健上具有独特疗效的报道后，国外(主要是美国)对丙酮酸钙的需求量大大提高。国内一些中小型化工厂得到这一信息后，一拥而上，一时间，国内丙酮酸(化学法)的生产能力大大增加。丙酮酸及其盐的市场价格也由当时的28万元/吨大幅度下跌。1997年丙酮酸的市场价格约合16万人民币/吨。有许多采用化学法生产丙酮酸的小型化工厂因不能承受这一价格而被迫停产。目前，只有试剂级丙酮酸的价格还比较高，保持在3032元/100ml。1.4丙酮酸的应用研究11 12丙酮酸及其盐是一类重要的有机化工中间体，在有机合成工业中有广泛的应用。丙酮酸可以用于合成多种氨基酸，如L - 色氨酸、 L -亮氨酸、 L - 半胱氨酸 ,还是合成维生素 B6 和B12、 制备氢化阿托品酸及合成乙烯聚合物的重要原料。在农业方面可用于生产杀菌剂、 除草剂，还可作为食品添加剂，应用于食品及酿酒工业。除此之外，丙酮酸还是一种重要的生化检测试剂，用于测定人体血液中谷 丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(G OP)的含量，它还是测定伯仲醇及脂肪族胺的重要试剂。丙酮酸及盐在医学领域的应用也很广泛，可用于产镇静剂、抗氧剂、 抗病毒剂以及合成治疗高物。近年来，丙酮酸钙神奇的减肥引起人们广泛的注意 ,国内众多的已开展了大量的研究工作。a) 丙酮酸在医药上的应用丙酮酸在医药工业中的应用丙酮酸的抗氧化作用主要通过 2种机制:作为- 酮酸的丙酮酸可以通过非酶促反应的去碳酸基反应抑制过氧化氢;丙酮酸量的增加可以增强柠檬酸循环从而使柠檬酸的量增加,柠檬酸抑制磷酸果糖激酶,反应进入磷酸戊糖旁路产生还原型辅酶 。丙酮酸的衍生物丙酮酸乙酯经动物临床研究发现其对嗜铬细胞瘤 PC12细胞有保护作用,将来可应用于帕金森氏病的药物研究。丙酮酸还是一种很好的心脏疾病药物 ,它在心脏旁路外科手术中能发挥很强的心肌保护功能 ,对狗术后体外循环的临床试验证实丙酮酸对术后心肌功能的恢复具有保护性作用。最新研究发现丙酮酸明显提高心肌收缩能力 ,其药效较肾上腺素更为卓越,研究还发现丙酮酸盐的新衍生物比丙酮酸盐的功效还要好 ,丙酮酰 甘氨酸在心肌保护方面比丙酮酸的功效强50%以上。临床实验已表明丙酮酸对于肥胖人群有较好的疗效 ,可明显减少脂肪含量降低体重。目前含有丙酮酸钙的减肥药已经风靡全球 ,联邦减肥朵朵粑、 风暴减肥胶囊等产品已经成为减肥药市场上的新宠。丙酮酸钙盐还具有降低血脂和胆固醇的功效 , STANKO等给高血脂病人的高脂肪、 高胆固醇膳食中添加丙酮酸钙盐,服用后发现 TC下降了4% ,LDLC下降了 5% ,而 HDLC和 TG含量都没有变化。丙酮酸钙还是一种非常好的钙补充剂,补钙的同时不会增加肝肾的负担,无副作用,与市售补钙剂相比具有较大优势。关于丙酮酸对运动耐力的影响，人们也进行了深入的研究。Bagby声研究了一次性补充丙酮酸对鼠耐力运动能力的影响。Stanko等发现鼠经长期喂食丙酮酸和二羟丙酮后的糖元含量增加。此后，Stanko等又研究了短期补充丙酮酸和二羟丙酮对有氧运动能力的影响。试验结果表明，短期补充丙酮酸和二羟丙酮能提高运动耐力。其作用机制目前尚不明确，一种可能是补充丙酮酸和二羟丙酮减慢了肌糖元的利用速度，由于丙酮酸和二羟丙酮的作用，在运动前和运动中，上肢对血糖利用增加，但运动中糖的氧化却不受影响，补充丙酮酸和二羟丙酮增加血糖的利用，从而减少肌糖元的分解。另一种可能是，补充丙酮酸和二羟丙酮引起的肌糖元增加，为有氧运动提供了充足的糖而对有氧耐力的增加发生了积极的作用，但是，由于研究中没有对肌糖元的利用率进行评定，运动能力增加的原因不能被最终确定。在进一步的研究中，Stanko等研究了长期(5周)单独补充丙酮酸、肌酸或丙酮酸(60%)和肌酸(40%)联用对足球运动员1RM卧推，1RM深蹲上推举、原地纵跳以及原地纵跳力量变化的峰值的影响，发现单独补充丙酮酸对最大力量和无氧功率的发展没有效果，但丙酮酸与肌酸联用，或单独补充肌酸可明显提高最大力量和无氧功率。此外，补充丙酮酸对运动中疲劳状态也有所影响。Kalman等在一个持续6周，每周运动3d的研究中发现，按推荐剂量补充丙酮酸(6g/d)，可使无训练的超重男性和女性受试的运动情绪和疲劳感觉得到明显改善。在丙酮酸组中，POMS(疲劳指数)的减少量在第4周(4.2；P=0.004)、第6周(4.7；P=0.003)后均达到显著水平，6周后总减少量达71.2%。b) 丙酮酸在农药上的应用丙酮酸乙酯在构成杂环化合物方面性能优越，是农药合成中难以替代的原料和中间体，它被广泛应用于杀菌剂和除草剂的合成。杀菌剂：嗅代丙酮酸乙酯是高效杀菌剂唾菌灵化学名2-（4-噻唑基）苯并咪唑的主要中间体。噻菌灵是一种高效、广谱的内吸性杀菌剂 ,对植物有保护和治疗作用 ,还可以控制仓储水果 、蔬菜的病害 ,延长保鲜期 。由丙酮酸乙酯合成的恶唑酮衍生物也是一种很好的杀菌剂，在500ppm的浓度下即可有效抑制、杀死真菌 。c) 丙酮酸在化妆品上的应用增白剂：在化妆品中添加丙酮酸乙酯，对于增白皮肤 ,抑制表皮黑点（黑色素）的形成，尤其是抑制表皮中酪氨酸酶的形成有独特效果 。防腐剂、抗氧剂：由于化妆品中大多含有碳和氮化合物，又含有足够的水分 ,因而非常适宜于细菌和微生物 的生存和繁殖，我们选用丙酮酸系列化合物作为防腐剂 、抗氧剂添加到化妆品中,能有效地阻止化妆品中易酸败的物质吸收氧，使其不易变质 。除此之外，丙酮酸系列化合物还有很多用途 用作空气清新剂，能有效清除空气 中的氨及甲硫醇用作果酒的保鲜剂，能大大延长其保鲜且口味不变。1.5 研究目的意义与内容1.5.1 研究目的意义13 14 15 16随着人民生活水平的不断提高 人们对身体的重视程度越来越高 ,这就促使了药品市场和保健品市场的空前繁荣 ,特别是年轻姑娘们对自己的身材越来越重视,使得减肥品市场空前火爆 ,作为合成多种药物的中间体以及作为减肥药主要成份之一的丙酮酸系列化合物 ,对其需求的增加是必然的。而丙酮酸作为一种新型医药、 农药和日化中间体，近年来国内外市场需求增长极其迅速，国际市场一直比较紧俏,价格居高不下,我国目前丙酮酸系列产品主要以出口为主。随着人民生活水平的提高,丙酮酸系列产品在国内市场的需求会逐渐扩大，尤其是作为减肥药原料发展很有前途，另外，在其他医药方面需求也比较强。下面我么就丙酮酸目前的市场状况及未来的发展用以下几个图作比较分析。（a）中国丙酮酸市场发展综述表1 中国丙酮酸市场产量分析图2国内外产品供给结构图3国内产出区域结构表2中国丙酮酸市场需求总量分析图4中国丙酮酸市场需求区域结构分布表3中国丙酮酸市场供需平衡分析（b）未来中国丙酮酸供需预测图5产品主要销售模式表4 中国丙酮酸产品产量预测表5中国丙酮酸产品需求预测由以上几个图我们发现在未来几年内丙酮酸的前景非常广阔。但随着丙酮酸市场需求的不断增加，必然要求生产成本的不断降低。分析现有的文献报道，传统的发酵工艺控制方法很难进一步提高丙酮酸的产量。必须利用新兴的代谢分析手段研究生产菌体内的物质和能量代谢，深入分析丙酮酸高产菌株过量合成丙酮酸的代谢原理，建立相应的代谢数学模型，以后的研究可以考虑建立相应的数学模型，从而更好的指导丙酮酸发酵工艺优化，进一步提高丙酮酸的产量和产率，大大增强发酵法生产丙酮酸的市场竞争力。1.5.2 研究内容本研究主要涉及采用一氯丙酮酯化-醇解法制备羟基丙酮，进而将羟基丙酮氧化制备丙酮酸，研究一氯丙酮酯化-醇解法制备羟基丙酮及羟基丙酮氧化制备丙酮酸的最佳反应条件。第二章 实验部分2.1 羟基丙酮的制备17 18 19 3 62.1.1 原料和仪器：一氯丙酮，无水甲酸钠（CP），无水甲醇( A R )，四乙基溴化铵( CP )，聚乙二醇2 0 0 ( C P ) 2.1.2 操作步骤 2.1.2.1 相转移催化合成甲酸丙酮酯 在配有冷凝管、温度计及搅拌的三口烧瓶中先后加入无水甲酸钠一氯丙酮相转移催化剂，搅拌并于90左右进行酯化反应，反应结束后，加入适量的水搅拌、静置分层，油层即为粗酯。 2.1.2.2 醇解反应制备羟基丙酮 将由2.1.2.1所得粗的甲酸丙酮酯和甲醇一起加入装有蒸馏管的三口烧瓶中，同时加入催化量的烧碱； 水浴加热回流醇解反应蒸馏， 反应生成的甲酸甲酯经蒸馏管不断蒸出冷却， 反应停止后用旋转蒸发仪进行旋蒸以分出甲醇得羟基丙酮。2.2 由羟基丙酮制丙酮酸 3 6 222.2.1 反应式 2.2.2 试剂和仪器 氢氧化钠，异丙醇 (A R)，阿贝折射仪2.2.3 催化氧化反应 取一定量羟基丙酮水溶液倒人反应容器，加人催化剂。并实时测量并控制反应液的pH变化。通人空气，由水浴保持反应温度恒定。配制一定浓度的氢氧化钠溶液，逐滴滴加到反应液中，将反应 pH控制在8.09.5的范围内。待反应速率极慢时，氢氧化钠溶液用量大约为90，此时反应结束，以碱消耗量计算反应的转化率。过滤反应液回收催化剂。此溶液浓缩后，在异丙醇中析出丙酮酸钠晶体。丙酮酸钠晶体析出后放入烧杯中加入稍过量30%的盐酸使其反应生成丙酮酸及NaCl即可，再用三氯甲烷进行分液，上层(我用二氯甲烷试时是下层，说明该论文造假或者隐藏了某些条件)三氯甲烷中就是丙酮酸，再用旋转蒸发仪蒸出三氯甲烷即得产品。 第三章 实验结果与讨论3.1一氯丙酮制羟基丙酮的实验中反应条件的影响3 63.1.1相转移催化剂对反应产率的影响相转移催化剂原理：转移催化通常是在两个不相溶的相一般为水相和有机相间进行的 ,但也可 以在液-固两相之间 ,或三相间进行 。通常水相中溶有盐等无机试剂(M+Nu)。它作为亲核试剂有机相是有待与盐反应的有机物(RX)或溶解有待与盐反应的有机物的液相由含盐的水相与含有反应物的有机相是互不相溶的，反应物之间难以充分地相互接触 ，因此反应不能发生或即使能够发生，反应速度也很慢。相转移催化剂(Q+X-)的作用 ，就是催化剂先和水相中的盐等反应生成中间化合物(Q+Nu)，然后这种中间化合物能够转人有机相中和反应物作用生成产物(RNu),通过相转移催化剂对反应机理的改变使得不相溶的两相不再成为反应的障碍 ，从而可以取得满意的反应效果。反应过程如下所示：水相 M+X- + Q+Nu- Q+X + Q+Nu界面 有机相 RX + Q+Nu Q+X + RNu如果相转移催化剂(Q+X-)在水中溶解度很小时，相转移催化剂溶于有机相而不进人水相，负离子交换是在两相界面上进行的，对反应仍然有很好的催化作用。相转移催化反应是目前应用较为广泛的有机合成方法，已用于乙酸苄酯、 水杨酸丙酮酯、2，4- 二乙酰氧基苯甲酸丙酮酯等精细与专用化学品的合成。选取四乙基溴化铵、聚乙二醇作为一氯丙酮与甲酸钠反应的催化剂， 酯化反应用气相色谱仪分析结果见表6，表中的数据显示本研究所采用的四乙基溴化铵和聚乙二醇都是良好的相转移催化剂。但是，从酯化混合液的组成来看四乙基溴化铵催化作用优于聚乙二醇，因为前者除了催化活性高( 一氯丙酮转化率高) 以外， 更重要的是副反应少( 产物中杂质少) ， 从而有利于最终获得纯度较高的羟基丙酮。 表6 催化剂类型对酯化反应的影响催化剂一氯丙酮（%）甲酸丙酮酯（%）其它（%）（无催化剂）20.7670.501.74四乙基溴化铵4.2191.802.96聚乙二醇5.3585.205.54反应条件：甲酸钠/一氯丙酮的摩尔比1.2：1，催化剂量2g ，温 度90 ，时问10 h 。3.1.2 原料摩尔比对反应时间的影响 图6 酯化反应时间与甲酸钠、一氯丙酮摩尔比的关系图6展示的是酯化反应中一氯丙酮，转化率90所需酯化反应时间随甲酸钠/一氯丙酮的摩尔比的增大，呈现非线形单调递减。当用量比由1：1增至 1.2:1( mol/mo1) 时，酯化反应所需时间由750 min迅速减少至420min 减少幅度达 3 3 0 min；当继续增加甲酸钠的摩尔量，酯化反应时间的下降幅度则小的多。这种现象是因为定量的一氯丙酮液体不能保证增加的甲酸钠充分分散， 于是非均相反应速度增加幅度减缓。 结合生产原料成本及图6中反应时间与摩尔比的关系曲线，确定甲酸钠/一氯丙酮的比在 1.2 ：1 ( mol/ mol) 左右是比较合适的。 3.1.3 醇解反应讨论酯的醇解反应过程生成易挥发的( 沸点低的) 酯或者醇是该反应可进行彻底的主要保证，酯的醇解反应通常是在无机酸或碱催化作用下完成的。以烧碱催化甲酸丙酮酯的甲醇醇解反应，借助蒸馏管将生成的甲酸甲酯不断分离移出。甲酸甲酯的沸点为32。由于随着反应的进行甲酸甲酯会出现富集作用，所以醇解时蒸馏的反应最低温度为32，而甲醇的沸点为65，所以水浴加热温度不应超过65。但要保证反应的顺利进行，建议先不进行蒸馏，在60温度下反应2小时后再进行蒸馏操作。在甲醇：甲酸丙酮酯1.5：1时14，甲酸丙酮酯的醇解率95。3.2羟基丙酮制丙酮酸的实验中反应条件的影响23 24 25 263.2.1 温度对反应的影响 不同反应温度下经 3 h反应后羟基丙酮的转化率如图7所示。由图可知，在考察的温度范围内，羟基丙酮的转化率随着温度的升高而增加。而大多数化学反应的反应速率常数是随温度的升高而增大, 即反应速率随温度的升高而增大，因此在一定的反应时间内， 反应的转化率也随之增大。在反应进行3h后，反应温度为60的羟基丙酮转化率为95.3，而反应温度为30的羟基丙酮转化率为73.1。 图7 不同温度下羟基丙酮的转化率3.2.2 酸碱度控制 在整个催化氧化反应过程中， 通过酸度计的实时测量和碱液滴加装置使反应液的 pH值保持在8.0-9.5之间。Michel26等的研究表明，氧化反应在中性或者弱酸性的介质下不易进行，在碱性条件下有利于提高催