3-羥基丙酸的綠色合成法

溫麗瑗,陳成剛,張戰(zhàn)軍,陳小平

(廣東石油化工學(xué)院, 廣東 茂名 525000)

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3-羥基丙酸的綠色合成法

溫麗瑗,陳成剛,張戰(zhàn)軍,陳小平*

(廣東石油化工學(xué)院, 廣東 茂名 525000)

3-羥基丙酸是一種重要的化工產(chǎn)品，既可以作為精細(xì)化工中間體，也可以合成高聚物。綜述采用微生物發(fā)酵法和化學(xué)轉(zhuǎn)化法制備3-羥基丙酸的研究進(jìn)展，著重介紹化學(xué)轉(zhuǎn)化法，通過比較認(rèn)為化學(xué)轉(zhuǎn)化法更具競爭力，具有廣闊的發(fā)展前景。

精細(xì)化學(xué)工程;3-羥基丙酸; 微生物發(fā)酵法；化學(xué)轉(zhuǎn)化法

化工過程開發(fā)清潔能源是平衡經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)，開發(fā)和使用新型可再生原料是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的保障，不使用化石資源開發(fā)化學(xué)中間體市場，生物煉油行業(yè)將起核心作用[1]。基于可再生原料平臺，通過生物發(fā)酵生成3-羥基丙酸。3-羥基丙酸是由三個(gè)碳組成的無手性有機(jī)酸，同分異構(gòu)體為乳酸，已被列入新的生物資源，在新生物資源合成原料中排第三位[2]。

3-羥基丙酸具有兩個(gè)活潑的官能團(tuán)羥基和羧基，在一定的化學(xué)反應(yīng)條件下可轉(zhuǎn)化為系列產(chǎn)品，應(yīng)用廣泛。羧基還原得到醇或醛，羥基氧化得到醛或二酸，脫水可得到丙烯酸，與醇反應(yīng)酯化，還可以與氨反應(yīng)得到酰胺及其衍生物。3-羥基丙酸還是一種重要的反應(yīng)原料，環(huán)化可得到丙酮內(nèi)酯，通過聚合反應(yīng)生成聚酯和低聚物。

丙烯酸作為原料可以生產(chǎn)涂料領(lǐng)域的聚合物、吸附劑、紡織、造紙，密封膠和黏合劑等。由于丙烯酸由礦物油轉(zhuǎn)化而來，對生態(tài)造成影響，有待開發(fā)一種綠色的生產(chǎn)丙烯酸方法。還原得到的1,3-丙二醇是生產(chǎn)聚酯的單體，與對苯二甲酸聚合得到聚對苯二甲酸丙二醇酯，可用于制備纖維和樹脂。化學(xué)轉(zhuǎn)化法主要包括環(huán)氧乙烷氫甲酰化后加氫[3](殼牌石化有限公司)和丙烯醛水合后加氫[4](德固薩化學(xué)有限公司)。

3-羥基丙酸另一重要用途是聚合生成聚3-羥基丙酸[5]，與傳統(tǒng)聚合物相比,具有較強(qiáng)的生物相容性和生物降解性[6]，作為循環(huán)可再生高聚物，廣泛用于醫(yī)藥、手術(shù)及環(huán)保領(lǐng)域。本文綜述微生物發(fā)酵法和化學(xué)轉(zhuǎn)化法制備3-羥基丙酸的研究進(jìn)展。

1　微生物發(fā)酵法

Lee S H等[7]對生物法合成3-羥基丙酸進(jìn)行了研究，一些有機(jī)物如丙烯酸、1,3-丙二醇或丙酸可轉(zhuǎn)化生成3-羥基丙酸，丙烯酸通過好氧型菌Alcaligines faecalis的作用得到3-羥基丙酸[8]。

目前還沒有天然有機(jī)物可以既經(jīng)濟(jì)又高產(chǎn)率生成3-羥基丙酸，因此,轉(zhuǎn)基因生物可再生原料作為生物催化劑備受關(guān)注，如葡萄糖和甘油轉(zhuǎn)化為3-羥基丙酸。美國卡吉爾公司和陶氏公司共同研究開發(fā)了生物路徑合成3-羥基丙酸[9],陶氏公司在工業(yè)生物技術(shù)方面取得突破，通過微生物轉(zhuǎn)化得到一套完整過程。卡吉爾公司報(bào)道了以葡萄糖為原料合成3-羥基丙酸的7種路徑，理論產(chǎn)率為100%[10],但存在乳酸和3-羥基丙酸的熱力學(xué)平衡問題和 3-羥基丙酸與乳酸的分離問題[11]。

以生物甘油代替糖類作為初始原料，成本低廉,可生成一系列新產(chǎn)品。生物柴油生產(chǎn)的粗甘油價(jià)格極具競爭力，生產(chǎn)效益超過化學(xué)過程。Suthers P F等[12]通過基因工程菌生產(chǎn)3-羥基丙酸，反應(yīng)底物為甘油,研究發(fā)現(xiàn),甘油脫水酶和醛脫氫酶可以促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。

Jo J E等[13]研究了以3-羥基丙醛為原料生產(chǎn)3-羥基丙酸，結(jié)果表明,重組醛脫氫酶是一種潛在有效酶，可同時(shí)以各種脂肪族和芳香醛為底物促使3-羥基丙醛轉(zhuǎn)化為3-羥基丙酸,兩種酶的不平衡性和醛脫氫酶的不穩(wěn)定性是限制3-羥基丙酸生成的主要原因。范俊英等[14]進(jìn)一步改善重組菌株和醛脫氫酶活性，重組的大腸桿菌生產(chǎn)3-羥基丙酸為38.7 g·L-1，平均產(chǎn)率35%。

2　化學(xué)轉(zhuǎn)化法

2.1β-丙內(nèi)酯熱解法

烯酮與甲醛在L酸(AlCl3,ZnCl2,BF3)催化作用下環(huán)加成生成β-丙內(nèi)酯，選擇性為90%[15]。β-丙內(nèi)酯為四元內(nèi)酯環(huán)，化學(xué)活性較高，以銅為催化劑，在磷酸溶液中，β-丙內(nèi)酯熱解生成丙烯酸，酸和堿催化下反應(yīng)得到3-羥基丙酸[16]。此路線中原料烯酮和甲醛有劇毒[17]，中間體β-丙內(nèi)酯也是致癌物質(zhì)，故不宜選擇。

2.2丙烯酸水合法

在堿催化或傳統(tǒng)的可溶性礦物酸和固體酸催化劑作用下，丙烯酸水合生成3-羥基丙酸，由于副產(chǎn)物極少受到關(guān)注，但丙烯酸污染環(huán)境，且價(jià)格較高[18]，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)，低成本由3-羥基丙酸轉(zhuǎn)化生產(chǎn)丙烯酸則是一個(gè)很好的選擇。

2.3β-羥基丙腈合成法

以乙烯為原料，氯氣取代反應(yīng)生成的氯乙烯與水進(jìn)行加成，再與氰化鈉取代，酸化后得到3-羥基丙酸，氯乙烯收率可達(dá)75%～80%[19]，但由于使用氰化鈉，只限于實(shí)驗(yàn)室使用。

2.4乙烯乙酸酯催化合成法

文獻(xiàn)[20]報(bào)道了乙烯基不飽和化合物在鈀絡(luò)合物磷配體存在下，與CO和水羰基化反應(yīng)生成3-羥基丙酸酯類和2-羥基丙酸酯類，堿水解后酸化得到3-羥基丙酸和乳酸的混合物。優(yōu)化反應(yīng)條件，反應(yīng)溫度為室溫，CO壓力為(0.1～2.0) MPa，產(chǎn)物收率達(dá)77%。反應(yīng)過程中，原料乙烯乙酸酯有毒，與CO作用羰基化過程條件苛刻，產(chǎn)物經(jīng)水解、酸化和分離得到3-羥基丙酸，從成本和經(jīng)濟(jì)效益看，該方法不宜采用。

2.51,3-丙二醇或3-羥基丙醛催化合成法

醇類和醛類化合物氧化是制備羧酸的主要方法，氧化反應(yīng)在均相和非均相體系中均可順利進(jìn)行，但在非均相反應(yīng)中，催化劑不溶于反應(yīng)液，反應(yīng)結(jié)束后易于分離，因此，非均相體系受到青睞。負(fù)載型Pd/C和Pt/C催化劑廣泛應(yīng)用于催化氧化醇醛制備羧酸[21-22]。

Arno B等[23]研究了負(fù)載型Pd/C單金屬系統(tǒng)和鉍為促進(jìn)劑的雙金屬系統(tǒng)(4%Pd/C和5%Pt/C)催化氧化1,3-丙二醇合成 3-羥基丙酸，在反應(yīng)溫度(40～55) ℃、pH=10～12和反應(yīng)壓力0.1 MPa條件下，產(chǎn)物收率分別為75%和83%。以1,3-丙二醇為原料生產(chǎn)3-羥基丙酸很大程度上依賴于試劑的可用性，微生物發(fā)酵法研究較多，化學(xué)轉(zhuǎn)化法也在不斷開發(fā)研究中[24-25]。德固薩化學(xué)有限公司報(bào)道3-羥基丙醛比1,3-丙二醇更適合作為反應(yīng)原料合成3-羥基丙酸，原料制取方便，甘油氧化或丙烯醛水合均可得到。與1,3-丙二醇相比，3-羥基丙醛為原料合成3-羥基丙酸反應(yīng)條件溫和，最佳pH=8，反應(yīng)時(shí)間較短，以碳負(fù)載型Pd和Pt為催化劑，選用一定溶劑，3-羥基丙酸產(chǎn)率分別為79%和93%，但反應(yīng)條件嚴(yán)格，微小變化會使3-羥基丙醛轉(zhuǎn)化為丙二酸。Thomas T F等[26]研究了液相金催化氧化多元醇制備一元羧酸。表1為以Au、Pd 和Pt為催化劑, 同分異構(gòu)體1,2-丙二醇和1,3-丙二醇被氧化為一元羧酸選擇性。

表 1　Au、Pd 和Pt催化劑上丙二醇氧化一元羧酸選擇性

由表1可以看出，在Au催化作用下，一元羧酸選擇性明顯高于Pd和Pt催化劑,但Au催化劑制備要求高且價(jià)格昂貴，只有納米級才具有催化活性。

2.6丙烯醇催化合成法

使用1%Au/SiO2催化劑的氣相氧化脂肪醇羰基化合物轉(zhuǎn)化率和選擇性見表2。

表 2　1%Au/SiO2催化劑上氣相氧化脂肪醇羰基化合物轉(zhuǎn)化率和選擇性

脂肪醇和芳香醇使用Au催化劑可被一級和二級氧化[27],無溶劑氣相氧化飽和與不飽和脂肪族醇包括丙烯醇在高溫下進(jìn)行，產(chǎn)生相應(yīng)的羰基化合物(醛和酮)。丙烯醇氧化在水溶液中進(jìn)行,堿性環(huán)境，反應(yīng)溫度(20～80) ℃，O2壓力(0.1～0.3) MPa。表3為0.3%Au/C催化氧化丙烯醇的產(chǎn)物分布。

表 3　0.3%Au/C催化氧化丙烯醇的產(chǎn)物分布

為提高3-羥基丙酸產(chǎn)率，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件：(1) 反應(yīng)溫度從25 ℃升至50 ℃，3-羥基丙酸產(chǎn)率由19%增至42%；(2) 在反應(yīng)溫度50 ℃、n(NaOH)∶n(丙烯醇)=1∶1和1∶3條件下，3-羥基丙酸產(chǎn)率為42%和79%。Au催化劑循環(huán)使用兩次，3-羥基丙酸產(chǎn)率基本不變；循環(huán)使用3次，3-羥基丙酸產(chǎn)率降至26%，有利于甘油酸的生成，選擇性達(dá)34%，丙烯酸選擇性基本不變；循環(huán)使用多次，3-羥基丙酸選擇性降低。

據(jù)報(bào)道[28]，在相似的反應(yīng)條件下，Au/TiO2催化劑催化活性和產(chǎn)物選擇性比Au/C催化劑低。在碳上負(fù)載更多的有效Au粒子，研究不同基底物對產(chǎn)物分布的影響,結(jié)果見表4。由表4可以看出,在催化劑第一次使用中，以NaOH和KOH為基底物，轉(zhuǎn)化率達(dá)100%，產(chǎn)物選擇性為79%～83%;使用Ca(OH)2基底物，轉(zhuǎn)化率僅為34%;使用CaCO3為基底物，轉(zhuǎn)化率為0。在任何實(shí)例中，催化劑使用3次后，產(chǎn)物選擇性均降低。

表 4　不同基底物下金催化氧化丙烯醇對產(chǎn)物分布的影響

醇羥基選擇性氧化產(chǎn)物為丙烯酸酯，但根據(jù)不同的機(jī)理也會生成甘油和3-羥基丙酸。

3　結(jié)　語

3-羥基丙酸作為化學(xué)合成原料的前景更現(xiàn)實(shí)，采用微生物發(fā)酵法和化學(xué)轉(zhuǎn)化法合成3-羥基丙酸可得到較高產(chǎn)率,兩種方法均可在適當(dāng)?shù)木G色條件下進(jìn)行。微生物發(fā)酵法優(yōu)點(diǎn)是使用可再生的原料糖類和生物甘油，化學(xué)轉(zhuǎn)化法在溫和的條件下進(jìn)行氧化，是一種較理想的合成法。

[1]Corma A,Iborra S,Velty A.Chemical routes for the transformation of biomass into chemicals[J].Chemical Reviews,2007,107:2411-2502.

[2]Werpy T,Holladay J,White J.Top value added chemicals from biomass[R].Energy Efficiency and Renewable Energy,Washington D C,2004.

[3]Powell J B,Mullin S B,Weider P R.Process for preparing 1,3-propanediol:US,5770776[P].1998-06-23.

[4]Arntz Dietrich,Freund Andreas,Haas Thomas.Process for the production of 1,3-propanediol by hydrogenating 3-hydroxypropionaldehyde:WO,1998057913[P].1998-12-23.

[5]Meng X S,Abraham T,Tsobanakis P.Process for preparing 3-hydroxycarboxylic acids:US,20070015936[P].2007-01-18.

[6]方孝斌,陶玉倫,許開天,等.鉿催化合成聚3-羥基丙酸[J].合成化學(xué),2007,15(4):452-453.

Fang Xiaobin,Tao Yulun,Xu Kaitian,et al.Catalytic synthesis of poly 3-hydroxypropionic acid[J]. Chinese Journal of Synthetic Chemistry,2007,15(4):452-453.

[7]Lee S H,Park S J,Park O J,et al.Production of 3-hydroxypropionic acid from acrylic acid by newly isolated rhodococcus erythropolis LG12[J].Journal of Microbiology and Biotechnology,2009,19(5):474-481.

[8]Jiang X L,Meng X,Xian M.Biosynthetic pathways for 3-hydroxypropionic acid production[J].Applied Microbiology and Biotechnologyl,2009,82(6):995-1003.

[9]李清,黃艷娜,李志敏,等.重組肺炎克雷伯菌發(fā)酵聯(lián)產(chǎn)3-羥基丙酸和1,3-丙二醇[J].過程工程學(xué)報(bào),2014,14(1):133-138.

Li Qing,Huang Yanna,Li Zhimin,et al.Co-production of 3-hydroxypropionie acid and 1,3-propanediol by a recombinant strain of klebsiella pneumoniae[J].The Chinese Journal of Process Engineering,2014,14(1):133-138.

[10]吳孔陽,楊同香,劉飛.3-羥基丙酸生產(chǎn)菌育種的研究進(jìn)展[J].生物技術(shù),2014,(4):99-103.

Wu Kongyang,Yang Tongxiang,Liu Fei.Research progress of breeding for 3-hydroxypropionic[J].Biotechnology,2014,(4):99-103.

[11]吳金鑫,宗紅,陸信曜,等.高效催化合成3-羥基丙酸的菌株特性[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2014,20(5):804-808.

Wu Jinxin,Zong Hong,Lu Xinyao.et al.Characterization of a strain catalyzing biosynthesis of 3-hydroxypropionic acid[J].Chinese Journal of Applied and Environmental Biology,2014,20(5):804-808.

[12]Suthers P F,Cameron D C.Production of 3-hydroxypropionic acid in recombinant organisms:WO,2001016346[P].2001-03-08.

[13]Jo J E,Mohan Raj S,Rathnasingh C.Cloning,expression,and characterization of an aldehyde dehydrogenase from escherichia coli K-12 that utilizes 3-hydroxypropionaldehyde as a substrate[J].Applied Microbiology and Biotechnologyl,2008,81:51-60.

[14]范俊英,方慧英,諸葛斌,等.3-羥基丙酸高產(chǎn)菌株的篩選及誘變選育[J].微生物學(xué)通報(bào)，2012,39(9):1355-1362.

Fan Junying,Fang Huiying,Zhuge Bin,et al.Isolation,identification and mutation breeding of 3-hydroxypropionic acid high production strain[J].Microbiology,2012,39(9):1355-1362.

[15]Weissermel K,Arpe H J.Industrial organic synthesis[M].Weinheim:Wiley-VCH,1997.

[16]Long F A,Purchase M.Reactions of β-propiolactone with nucleobase analogues,nucleosides and peptides[J].Journal of the American Oil Chemists Society,1950,72:3267-3273.

[17]Mallat T,Baiker A.Monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans[J].IARC,1999,71(3):1103-1118.

[18]齊瑞平,鄭承旺.丙烯酸生產(chǎn)技術(shù)和2011年丙烯酸行業(yè)概況[J].丙烯酸化工與應(yīng)用,2012,25(1):1-13.

[19]Wiley-VCH.Ullmann’s encyclopedia of industrial chemistry[M].[S.l.]:Wiley-VCH,2011.

[20]Eastham G R,Rucklidge A J,Cole-Hamilton D.Carbonylation of vinyl acetate：US， 20060128985[P].2006-06-15.

[21]Mallat T,Baiker A.Oxidation of alcohols with molecular oxygen on solid catalysts[J].Chemical Reviews,2004,104(6):3037-3058.

[22]Aschwanden L,Mallat T,Maciejewski M,et al.Development of a new generation of gold catalysts for amine oxidation[J].ChemCatChem,2010,2(3):666-673.

[23]Arno B,Duessel D,Andreas B.Process for preparing alkali metal salts of 3-hydroxypropionic acid:US,5321156[P].1994-06-14.

[24]Arno D B,Andreas D B,Franz-Josef D C,et al.Biosynthetic pathways for 3-hydroxypropionic acid production:DE,4107987[P].1992-09-17.

[25]Nakagawa Y,Shinmi Y,Koso S,et al.Direct hydrogenolysis of glycerol into 1,3-propanediol over rhenium-modified iridium catalyst[J].Journal of Catalysis,2010,272(2):191-194.

[26]Thomas H F,Martin M W.Process for the production of 3-hydroxypropionic acid or a salt thereof:US,5831121[P].1998-06-10.

[27]Della Pina C,Falletta E,Prati L,et al.Selective oxidation using gold[J].Chemical Society Reviews,2008,37(9):2077-2095.

[28]Dellepina C,Falletta E,Rossi M.Oxidation of allyl alcohol of in the presence of a gold catalyst:a route to 3-hydroxypropionic acid[J].ChemSusChem,2009,2(1):57-58.

Progress in green approaches to synthesizing 3-hydroxypropionic acid

WenLiyuan,ChenChenggang,ZhangZhanjun,ChenXiaoping*

(Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, Guangdong, China)

3-Hydroxypropionic acid (3-HP) is an important chemical product which can be used as fine chemical intermediates and can also be used for the synthesis of high performance polymers.The recent advances in preparation of 3-HP by microbial fermentation route and chemical conversion method was reviewed.The chemical synthesis method was especially introduced.It was concluded that the chemical synthesis method possessed competitive advantage and has broad prospects of development.

fine chemical engineering; 3-hydroxypropionic acid; microbial fermentation route; chemical synthesis method

TQ225.41;TQ426.94Document code: AArticle ID: 1008-1143(2016)08-0007-05

2016-02-29;

2016-07-14基金項(xiàng)目：廣東省自然科學(xué)基金(10152500002000019)資助項(xiàng)目

溫麗瑗,1985年生，女，碩士，主要從事精細(xì)化工中間體研發(fā)。

陳小平，1964年生，男，博士，研究員，研究方向?yàn)楣I(yè)催化。

10.3969/j.issn.1008-1143.2016.08.002

TQ225.41;TQ426.94

A

1008-1143(2016)08-0007-05

doi:10.3969/j.issn.1008-1143.2016.08.002