環氧琥珀酸及其衍生物研究進展

王寶輝，錢慧娟，侯志峰，高清河

(1.東北石油大學化學化工學院，黑龍江 大慶 163318;2.大慶師范學院黑龍江省普通高等學校油田應用化學重點實驗室，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

環氧琥珀酸及其衍生物是近幾年發展起來的一類新型綠色試劑，其無氮、無磷，可生物降解，不會引起水體富營養化，符合綠色化學的發展。環氧琥珀酸(ESA)單體是一種優良的螯合劑，在洗滌劑工業中能使硬水軟化，去除水垢和銹垢［1］。ESA均聚物聚環氧琥珀酸兼具阻垢和緩蝕性能，適用于高堿高硬體系，廣泛應用于工業水處理領域［2］。ESA共聚物是以ESA為主要單體和其它具有特殊官能團的單體的合成產物［3］，由于結構中含有多種功能性基團，解決了聚環氧琥珀酸結構單一、應用范圍窄的缺點，提升了聚環氧琥珀酸產品的性能，故研究ESA單體的合成規律顯得尤為重要。

ESA單體的化學合成是以過氧化物、鎢鉬釩系化合物來取代傳統的有機物作為合成的氧化劑和催化劑［4－5］，反應過程溫可控，不存在副產物分離問題，是一種經濟清潔的生產工藝，但大部分的研究者對合成反應機理、目標產物收率計算等問題沒有給出統一合理的方法。本文將前人的研究工作進行總結，從烯烴環氧化反應機理、ESA合成方法及含量測定、環氧基開環反應機理和應用領域對環氧琥珀酸及其衍生物進行綜述，以期為環氧琥珀酸類試劑的合理開發和利用提供一定的基礎和參考。

1 環氧化反應機理

烯烴環氧化反應是合成環氧化合物的重要途徑，環氧丙烷、環氧苯乙烷等環氧化合物的工業生產方法還是傳統的鹵醇法和哈康法［6－7］，相比之下，過氧化氫為氧源的環氧化體系由于經濟、活性氧較多且反應產物對環境無污染，成為近年來環氧化領域新興的研究方向［8－9］。烯烴環氧化反應催化劑的種類眾多，甲基三氧化錸系配合物、錳－salen系配合物、鎢系雜多酸等過渡金屬絡合物都被證明是性能優異的烯烴環氧化反應催化劑，其中鎢、鉬系催化劑以其穩定性好、價格低等優點被廣泛應用［10］。

環氧琥珀酸的合成方法主要是將馬來酸酐水解，以氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉等堿性化合物將其轉化為馬來酸鹽，鉬鎢釩系化合物為催化劑、過氧化氫為氧化劑，將馬來酸鹽進行雙鍵環氧化反應生成環氧琥珀酸鹽［11－14］。其催化機理為H2O2與M－O鍵(M=Mo、W)在pH=7－9的條件下生成鉬鎢的四環過氧化物［M(O2)4］2－，該過氧化物具有很好的催化氧化功能，但穩定性較差，如果過氧化氫滴加速度過快，會出現反應劇烈放熱、溫度急速上升、溶液爆沸的現象。一方面由于在外界做功的情況下［M(O2)4］2－可以釋放全部4個過氧環上的氧，恢復為MO42－，這一進程非常劇烈，有明顯的爆沸傾向。另一方面由于該進程比H2O2分子直接受熱釋放O2更為迅速，因此這種化合物可以催化過氧化氫釋放氧氣［15］。所以在滴加過氧化氫時要嚴格控制滴加速度，防止氧源以氧氣的形式快速消耗掉，而無法形成環氧化物，導致催化性能下降，產物產率降低。

2 環氧琥珀酸的化學合成

呂志芳等［16］以馬來酸酐為原料，鎢酸鈉為催化劑，雙氧水為氧化劑合成環氧琥珀酸，并對產物進行了紅外、13C核磁表征，證明產物為ESA。小試最佳合成工藝條件為氫氧化鈉與馬來酸酐的摩爾比為2:1，催化劑用量1%(占馬來酸酐用量)，反應溫度70℃，反應時間1.5h。

梁寶峰等［17］研究了以鎢酸鈉為主的復合物催化劑對環氧琥珀酸收率的影響，得出分別以鎢酸鈉、鉬酸銨、釩酸銨、鎢酸鈉－鉬酸銨、鎢酸鈉－釩酸銨、鎢酸鈉－鉬酸銨－釩酸銨作為催化劑的條件下，ESA的收率分別為 90.4%、32.1%、25.5%、83%、78.6%和 97%。

杜娟娟等［18］以含鎢介孔分子篩為催化劑進行合成反應，考察了反應時間、反應溫度、催化劑用量、過氧化氫用量和反應介質對馬來酸酐轉化率和環氧琥珀酸選擇率的影響。該方法采用介孔分子篩作為催化劑，不但能有效催化環氧化反應，而且催化劑易與反應物分離，可以回收利用，是一種經濟環保的合成方法。

楊燕等［19］以80%乙醇溶液為溶劑溶解馬來酸酐進行環氧化反應，可以有效抑制副反應的發生，使體系中酒石酸含量降低。得出反應溫度65℃、反應時間2.5h、復合催化劑(鎢酸鈉:鉬酸鈉:釩酸鈉=2:1:1)用量0.7%、氫氧化鈉與馬來酸酐摩爾比2:1，環氧琥珀酸收率86.8%。

吳懷之等［20］是以碳酸鈉或碳酸氫鈉堿化順丁烯二酸酐生成順丁烯二酸鈉鹽，合成環氧琥珀酸鹽。該方法克服氫氧化鈉中和反應大量放熱的缺點，使反應過程更加溫和可控，原料便宜且產物固含量較高。

3 環氧琥珀酸含量的測定

3.1 直接法

由于環氧琥珀酸分子中含有環氧基團，所以可以通過測定環氧值得到環氧琥珀酸的含量。喬雪梅等［21］以環氧氯丙烷(ECH)為試驗對象，令ECH與亞硫酸鈉發生親核加成反應，用標準鹽酸溶液滴定反應產生的氫氧根含量，得到環氧基的含量。通過對該法的精密度和回收率進行試驗，測得相對標準偏差和回收率依次在 1.3%－1.8%和 95.9%－98.6%之間。

吳志高等［22］以鹽酸－丙酮法測定環氧值，探討了反應時間和溫度等因素對方法準確度的影響。得出在45℃下試樣與鹽酸丙酮溶液反應4h后測得的環氧值與理論值最接近，相對誤差在0.4%以下，比國標GB1677－81采用的分析方法帶來的相對誤差(6.5%以上)有明顯的降低。

吳美玲等［23］以自制環氧琥珀酸二鈉鹽為分析對象，采用0.1mol/L鹽酸的氯化鎂飽和溶液為加成試劑，滴定測試環氧基。結果表明，在反應溫度60℃下，反應45min后，分析相對誤差降低至1%以內，與離子色譜測定方法比較，其測定結果吻合，可用于工業化生產中環氧琥珀酸(鹽)的測定。

3.2 間接法

環氧琥珀酸合成體系中只有原料馬來酸酐、副產物酒石酸和產物環氧琥珀酸，因此，可以采用間接法即通過測定體系中剩余馬來酸酐的含量及副產物酒石酸的含量來間接測定產物環氧琥珀酸的含量。

3.2.1 馬來酸含量的測定

高翠英等［24］根據馬來酸分子中含有不飽和共軛雙鍵，可在紫外區產生較強的吸收，建立了直接在水溶液中于211nm處測定馬來酸含量的紫外分光光度新方法，可用于多個樣品的測定，回收率在94.0% ～102.3%之間，與高效液相色譜法相比較，二者測定結果基本吻合。

馬淑清等［25］根據過量的溴分子與馬來酸分子發生加成反應，再用碘化鉀溶液將剩余的溴分子置換出來生成碘單質，用標準硫代硫酸鈉溶液進行滴定，得到體系中雙鍵的含量。研究了試液的穩定性、酸度、測量范圍及其它干擾組分對測定結果的影響，檢驗了方法的精密度。結果表明，最佳測試條件為滴定時間小于20min，體系pH=4～6，馬來酸酐濃度小于2g/L，相對誤差小于3.6%，回收率94%以上。

3.2.2 酒石酸含量的測定

呂志芳等［26］研究了紫外分光光度法快速測定環氧琥珀酸合成液中酒石酸含量的分析方法。在pH為2.6～2.7的環境下，5－硝基水楊酸和三價鐵離子反應生成橘紅色的絡合物5－硝基水楊酸鐵，酒石酸可以使5－硝基水楊酸鐵溶液的顏色變淡，利用這一性質，在492nm下運用紫外分光光度計檢測酒石酸的含量。結果表明，該方法相對標準偏差小于0.8%，標準誤差低于2%且不受體系中其它物質的干擾。

杜娟娟等［27］基于酒石酸與偏釩酸銨的特異顯色反應，建立了一種分光光度計法測定環氧琥珀酸合成體系中酒石酸含量的方法。研究了顯色劑用量和硫酸溶液用量，以及空白樣和試樣的穩定性。探討了測試體系中其它組分的干擾及其可信質量濃度范圍，檢驗了方法的精密度和準確度，相對標準偏差小于1%，標準誤差低于3%。

4 環氧琥珀酸的化學反應

4.1 水解反應

環氧琥珀酸在化學催化劑或環氧琥珀酸水解酶(ESH)的作用下可以發生水解反應生成酒石酸，反應方程式為:

在化學法合成環氧琥珀酸過程中要通過精確控制反應條件避免水解反應的產生，否則將影響目標產物的收率使產物不純，影響下一步的合成反應。工業上生產酒石酸的方法主要是先用化學法合成環氧琥珀酸，再通過微生物發酵法制得環氧琥珀酸水解酶，水解機理［28］為ESH中的天冬氨酸殘基與環氧基上的碳原子發生親核反應，形成共價結合的中間體，在酶的作用下水分子被激活，將中間體水解為酒石酸。水解酶具有生產成本低、反應活性高等優點，具體工業化應用及方法將在5.2中闡述。

4.2 均聚反應

環氧基反應活性較高，在酸性和堿性條件下均能進行開環聚合反應。在堿金屬或路易斯堿的作用下，環氧基可按陰離子聚合反應的歷程進行開環均聚反應，其反應方程式為:

由上式可以看出，氫氧根離子具有很強的電負性，容易攻擊環氧基上的碳原子發生親核反應而形成負氧離子，后者能繼續和另一個環氧琥珀酸分子進行鏈增長反應，同時體系中的水和醇等質子基團化合物能促進環氧基的開環反應。

環氧琥珀酸均聚產物為聚環氧琥珀酸，是一種新型綠色阻垢緩蝕劑，由于其結構中含有醚基和羧基，無氮、無磷，使其在工業水處理領域中具有廣闊的應用前景。國內眾多研究人員對其合成規律和性能開展了大量工作［29－36］，發現其對碳酸鈣、硫酸鍶、硫酸鋇、硫酸鈣等垢具有優異的抑制作用，同時具良好的緩蝕性、可生物降解性和分散氧化鐵能力。

4.3 共聚反應

環氧琥珀酸的共聚反應是以環氧琥珀酸為主要單體和其它具有特異性官能團的單體進行的共聚反應，其反應通式為:

單體的選擇依據為特殊官能團R能提高粒子表面電荷間的排斥力，抑制成垢晶體的生長，使共聚物具有優異的阻垢性能。王春榮［37］研究了丙烯酸單體和環氧琥珀酸單體的共聚反應，發現ESA:AA=5:6(質量比)、過硫酸鉀3.5%、反應溫度90～95℃、反應時間4h，體系pH=13時產品鈣離子穩定濃度為220mg/L，當共聚物使用濃度為2.3%時，分散碳酸鈣體系透射比為58%。何亮等［38］先將丙烯酸羥丙酯、環氧琥珀酸、丙烯酸三種單體共聚后，與膦羧酸PBTCA進行復配。復配產物使用濃度15mg/L時，對硫酸鋇防垢率100%，性能較常規阻垢緩蝕劑較好。孫敏等［39］以過硫酸銨為引發劑、環氧琥珀酸與2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸(AMPS)為單體進行共聚，采用靜態阻垢法評價了共聚物對碳酸鈣和磷酸鈣垢的預防能力，取得了較好的效果。

5 環氧琥珀酸的應用

5.1 螯合劑

許艷紅［40］通過大量的理論和實驗發現ESA具有很強的螯合鈣離子的能力，超過了大多數絡合滴定指示劑的滴定范圍。研究了溫度、體系pH值、環氧琥珀酸濃度對硫酸鈣和碳酸鈣的螯合溶解性能的影響。ESA對碳酸鈣和硫酸鈣的螯合值隨溫度增加而增大，溫度超過97℃，螯合值下降趨勢;在pH值中性范圍內，螯合反應適合進行，較強的酸性或堿性體系都不利于螯合反應;測試體系中固液相接觸面積的增大，有利于螯合反應;環氧琥珀酸的濃度在一定范圍內的變化對螯合反應影響甚微;ESA與碳酸鈣、硫酸鈣的螯合反應均為一級反應，表觀速率常數分別為4.47×10－3/min和2.292×10－2/min，最大鈣螯合值318.75mg/g，大于EDTA等螯合劑的最大鈣螯合值，進一步證明了ESA是一種絡合能力較強的螯合劑。

5.2 酒石酸生產工業

酒石酸的生產方法主要有抽提法、糖質發酵法、化學拆分法和酶法，其中酶法合成酒石酸具有轉化率高、產品純度高、安全性好等優點，工業化應用價值最高［41］。

宋苗根［42］在其專利中提供了一種生產D(－)－酒石酸的工藝，主要步驟為先從微生物中篩選純化環氧琥珀酸水解酶，將水解酶固定化后催化環氧琥珀酸水解生成D(－)－酒石酸，其中固定化酶的方法是將卡拉膠固定法和蛋白質共價交聯法結合，能有效降低成本、提高酶活。

張建國等［43］在其專利中發明了一種環氧琥珀酸水解酶基因工程菌細胞，這種基因工程菌細胞pETESH－E.coli的水解酶活力是游離環氧琥珀酸水解酶基因工程菌細胞的4倍以上，并且可循環使用，使D(－)－酒石酸產品的光學純度和得率提高。

5.3 制藥工業

1998年日本化學醫藥株式會社公布了一個環氧琥珀酸衍生物的專利［44］，其結構如下:

其中R1是氫、烷基、芳基或芳烷基;R2和R3是芳基、芳烷基或烷基;X是－O－或－NR4－;R4是氫、烷基或芳烷基。此衍生物可用于預防和治療骨疾病，例如骨質疏松癥、惡性血鈣過多癥和佩吉特氏綜合癥，還用于治療伴隨組織蛋白酶L活性異常增高的骨關節炎和風濕性關節炎，另外，還可作為藥物用于治療組織蛋白酶B和L參與的骨疾病，如肌肉營養不良和肌肉萎縮。

1995年日本武田藥品工業株式會社公布了一個環氧琥珀酸衍生物的專利［45］，其結構如下:

其中R1為羧基，該羧基可被酯化或酰胺化;R2為取代或未被取代的環基或極性基團;n為0～6的整數;R3為氫或烴基，該烴基為取代或未被取代的;R4烴基或鏈烯基;R3和R4可與相鄰的氮原子一起形成含至少兩個雜原子的雜環基團。該衍生物和其鹽可抑制硫醇蛋白酶如組織蛋白酶L和B，并可用作骨疾病如骨質疏松癥的預防治療劑。

6 結語

環氧琥珀酸是一種重要的化工中間體，前人主要從合成反應規律如反應條件的優化、聚合物性能研究的角度展開工作，但仍有一些問題尚待解決:①環氧化反應和環氧基開環反應機理尚不明確，國內外文獻鮮見報道;②需要通過研究合成體系中各物質在有機溶劑的溶解性，來確定環氧琥珀酸的最佳提純方案;③需要對環氧琥珀酸含量測定方法進行篩選優化，找到可行性好、精確度高、操作簡單的測定方法;④環氧琥珀酸自身的各項物理化學指標不完全，參考數據缺乏。所以應盡快解決目前存在的問題，真正提高環氧琥珀酸單體的產品質量、降低生產成本，為其衍生物的發展提供借鑒和基礎。

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