巴豆酸制备及其应用进展

陈如洁，康世民，高余福，黄慕榕，郑育英

(1.广东工业大学轻工化工学院，广东 广州 510006；2.东莞理工学院，广东省普通高校非粮生物质高校热解利用工程技术研究中心, 广东 东莞 523808)

2-丁烯酸(CA)又名巴豆酸，是一种广泛应用于聚合物材料、医药及能源等领域的高附加值化学品。巴豆酸有顺式和反式两种异构体。由于2-丁烯酸的反式结构通常更为稳定，在生产和制备过程中主要以反式结构的巴豆酸为主[1]。以巴豆酸为原料制备的衍生物在工业上具有广泛的关注，比如制备液体燃料、精细化学品以及其他高附加值产品等。近些年，国内外学者在巴豆酸的高值化开发利用方面开展了深入的研究，在巴豆酸的制备及应用方面取得了重大进展。有鉴于此，笔者就巴豆酸的常用制备方法及其应用领域进行了分析和总结。

1 巴豆酸的制备

制备巴豆酸的制备主法主要有2类：一类是催化氧化巴豆醛法；另一类是催化热解聚-3-羟基丁酸酯(PHB)高选择性法。

1.1 巴豆酸制备的现有工艺

现阶段，工业化生产巴豆酸的主要工艺是石油裂解副产物乙烯多次氧化法(见图1)。

图1 石油化工法生产巴豆酸[2-5]

其中，中间产物巴豆醛的催化氧化是乙烯多次氧化法制备巴豆酸工艺的关键反应。在实验室探索氧化巴豆醛制备巴豆酸的工艺过程中，一般采用金属、金属氧化物、强酸性催化剂以及负载型催化剂等为催化剂，用氧气或空气进行氧化制备巴豆酸[6]。例如：林静等[7]分别采用活性二氧化锰、醋酸铜-醋酸钴和钴的希夫碱络合物作为催化剂，用氧气或空气进行液相氧化巴豆醛生产巴豆酸。研究发现，以活性二氧化锰和醋酸铜-醋酸钴为催化剂时，原料巴豆醛的自身聚合现象严重，极大地影响了巴豆酸的产率。随后，他们发现以钴的希夫碱络合物(钴-N,N-双水杨醛缩乙二胺)为催化剂不仅能缓解巴豆醛的自身聚合现象，而且能使氧气和催化剂与反应物充分接触，收率可达60%。玄峰松等[8]制备了一种以聚苯乙烯作为载体的新型催化剂希夫碱金属钴配合物，巴豆酸产率提高到70.7%。专利[9]选用贵金属银作催化剂，在氧化塔中进行巴豆醛的氧化反应以制备巴豆酸，收率为70%，该工艺使用的催化剂用量少且可回收循环使用，但催化剂成本较高。液体强酸如磷酸[10]也具有良好的催化作用，巴豆酸的收率为78%～80%,但磷酸的酸性强，在催化剂回收和废液处理方面较难，且环境污染风险高，因此不推荐使用强酸性催化剂。

在巴豆醛转化巴豆酸的反应中，负载型催化剂在氧化反应中表现良好的催化活性，具有稳定性好和高反应活性、便于分离、成本低等优点，是巴豆醛进行氧化制备巴豆酸反应的理想催化剂。Tang等[11]在活性炭负载的钼磷酸上氧化巴豆醛，巴豆酸产率77%，选择性高达78%。张勇等[12]以活性氧化铝负载活性金属氧化物为催化剂，收率高达80.1%。然而在实际的巴豆酸生产工艺过程中，其反应热大于汽化潜热，需要及时散去反应器中大量的反应热，在常压条件下，Dong等[13]以负载银的氧化铝作催化剂，在气-液-固微型流化床装置中进行巴豆醛与氧气进行氧化制备巴豆酸。该反应采用负载银的氧化铝作为催化剂，可缩短氧化时间，减小反应体积，提高巴豆醛的转化率。同时，三相微型流化床反应器的反应体积较小，缩短了传质距离，减小了径向分布，有效地提高了反应器在大规模生产中的安全性和可控性。

在巴豆酸工业化生产过程中，乙醛和巴豆醛都是挥发性强、毒性大的中间体，储存和使用中存在安全隐患。Yue等[14]以纳米MgO和Cu/H3PO4复合材料为催化剂对乙醇原料进行顺序催化的氧化-缩合-氧化反应，从而生成巴豆酸。该法避免了石油化工过程中产生的有害的中间体，减轻了传统工艺的安全环境污染问题，提高了催化效率。

1.2 巴豆酸制备的新工艺

PHB是一种广泛积累存在于微生物体内的可再生资源，具有生物可降解性和良好的生物相容性[15]。目前，以PHB作为原料进行催化热解制备巴豆酸是一种绿色、可持续生产的重要手段，也是替代现有的氧化法制备巴豆酸的极佳选择。

PHB可通过热解产生巴豆酸[16-17]，产率高达97.7%。目前，关于PHB热解生成巴豆酸的反应机理[18]有如下3种：β-消除(顺式消除)机理、E1CB机理和酸酐机理。其中，β-消除(顺式消除)机理[19]认为，在接近其熔点180 ℃的温度下，由于α-H的不稳定性，反应通过β-消除形成六元环酯过渡态(见图2)，并进一步发生非自由基无规则断链，最后，链末端脱水形成线性不饱和酸，即巴豆酸。

图2 β-消除反应原理[19]

E1CB机理(图3)[20]是由Kawalec等于2007年提出的：PHB(聚合物1)的羧酸根阴离子吸引聚合物2 C—H处的酸性质子生成聚合物3的碳负离子，之后聚合物3经过β-消除反应，导致其酯基片段断裂，产生反式巴豆酸酯末端基团，进而形成巴豆酸。

图3 E1CE反应机理[20]

另外，Ariffin等[21]提出酸酐生成反应是PHB随机断链过程外的补充(见图4)。反应机理主要包括3步：1)PHB经过无规则β-消除生成大量具有巴豆酰基和羧基末端基团的低聚物；2)这些低聚物之间发生脱水反应，从而得到两个链末端位置具有2个巴豆酰基的酸酐低聚物；3)这些酸酐低聚物再次进行β-消除反应得到巴豆酸。

图4 酸酐生成反应[21]

但是，常规PHB热解技术也存在目标产物巴豆酸选择性不高、纯度较低等缺点。这主要是因为热解产物中除了巴豆酸外，通常还含有3-羟基丁酸、二聚体、三聚体等副产物(见表1)。

表1 PHB热解法主要产物

因此，开发高效定向催化技术，把PHB选择性转化为巴豆酸已经成为一个重要的研究方向。目前，国内外在碱土金属催化PHB热解方面取得了一些重要进展。Ariffin等[25]在MgO或Mg(OH)2存在下，通过在240～280 ℃催化热降解，实现了PHB向反式巴豆酸的高选择性转化。其中，Mg(OH)2催化效果显著，选择性接近100%，产率高达97.7%。Mg2+作为路易斯酸具有较高密度的正电荷，在反应体系中类似于亲电试剂，有利于与PHB断链过程中产生的羧酸相互作用，通过β-消除反应，促进巴豆酰基产物中的双键的形成(图5)，最终提高目标产物巴豆酸的选择性。从产物的空间结构上看，顺式巴豆酸的甲基和羧基在C=C的同一侧，造成空间位阻大，结构不稳定，使得PHB在热解反应中更趋于生成反式巴豆酸(图6)。

图5 碱土金属催化PHB热解法的反应原理[26]

图6 PHB优先解聚生成反式巴豆酸[27]

与目前工业生产法相比，PHB催化解聚制备巴豆酸具有其独特的优势，主要包括原料可再生、工艺过程简单、产率高、反应能耗低和环境污染小等。以可再生生物质PHB为原料，采用热解的方式高选择性获得巴豆酸，将成为替代现有生产巴豆酸技术的极佳选择。

2 巴豆酸的应用

巴豆酸作为不饱和有机脂肪酸含有1个双键和1个羧基，反应活性强，可用于合成各种高价值化学品。

2.1 共聚反应

巴豆酸最典型的聚合物是以一定配比聚合而成的巴豆酸-醋酸乙烯酯[28]。由于巴豆酸-醋酸乙烯酯共聚物具有良好的抗热性能，制备热熔型黏合剂是巴豆酸共聚物的重要用途之一，如用于玻璃粘合促进剂[29]、混凝土的涂层集料[30]以及纸制品的粘结剂[31]等。巴豆酸-醋酸乙烯酯中和后会形成一种水溶性树脂，具有定型、增稠、增亮等特性，在化妆品中的应用较多(如指甲油[32-33]、发型定型剂[34]、头发增亮剂[35]等)。巴豆酸共聚物还可作为分散剂[36]、橡胶[37]等精细化学品的重要原料。医药行业中，由巴豆酸-醋酸乙烯酯合成的药物遇水后会形成一种凝胶[38-39]，在药物使用过程中可减缓药物的释放速率，同时也可减少某些刺激中枢神经系统的兴奋剂药物的滥用。类似地，将巴豆酸-丙烯酸酰胺共聚物与农业化学药品混合可制备一种能够减缓农业化学药物释放的水凝胶[40]。在能源等其他领域，巴豆酸酯与苯乙烯形成的聚合产物是一种柴油降凝剂[41]，它能改善柴油的低温流动性，增加柴油的产量和炼油收益，是目前柴油生产中常用的添加剂。

2.2 衍生化反应

巴豆酸可通过加成、氧化、取代等反应制备多种巴豆酸衍生物，如巴豆酰胺、3-氨基丁酸、巴豆酸酐、巴豆酰氯和巴豆酸酯等。巴豆酰胺与异噁唑衍生物[42]具有抗炎、免疫抑制以及抗增生等作用，可作为抗原体，用于制备抗体，也可作为示踪剂，用于放射免疫检测，广泛应用于制药业和诊断学。巴豆酸酐是一种重要的有机化工原料，如由巴豆酸酐、三甘醇二甲醚等合成的防腐漆[43]，具有耐高温性、耐酸碱腐蚀性等优点。另外，由巴豆酸碳-碳双键加成得到的3-氨基丁酸具有植物抗病性，可作为植物诱抗剂[44]和蔬菜保鲜剂[45]，用于预防病菌及细菌感染植物或蔬菜等，并在农业和食品领域得到广泛应用。就农业而言，巴豆酰氯是杀螨杀菌剂二硝巴豆酸酯[46]的重要中间体之一，主要用于对农作物杀菌杀螨，也可与其他杀螨剂混合使用。就临床医学而言，3-氨基巴豆酸甲酯是地平类药物(如非洛地平、硝苯地平等)合成的中间体[47]。地平类药物可用作用于心绞痛、高血压等心血管疾病的治疗，对某些非心血管疾病也有一定的疗效，如肝硬化、支气管哮喘等。

2.3 脱氧反应

近年来，国内外在巴豆酸脱氧制备能源燃料和丙烯方面也开展了初步的研究。Gonzalez等[48]发现PHB热解产物丙烯在高温条件(>400 ℃)下由PHB单体巴豆酸脱羧生成。丙烯是生产三大合成材料的重要原料，比如聚丙烯、丙烯酸、丙烯腈等[49-51]。随后，Kang等以不同的催化体系对巴豆酸进行热解(见表2)，并发现巴豆酸热解后的产物除丙烯和二氧化碳外还有液态燃料(见图7)。其中，十二碳三钌对不饱和羧酸的脱羧反应具有较好的催化活性，对巴豆酸生产丙烯有较好的催化活性和选择性[52]，产率可达到22.9%。另外，液态磷酸(100%)[53]对巴豆酸所制备的油类产物有良好的催化活性，但液态磷酸浓度高、腐蚀性强，且难以回收利用。固体磷酸[54]或磷酸盐(如磷酸二氢铝[55])是替代高浓度磷酸催化剂的良好选择，该催化反应体系具有以下特点：1)反应温度适中(165～240 ℃)；2)反应过程简单且无需加氢；3)催化剂可重复使用。然而，这类固体磷酸基催化剂仍然存在腐蚀性强、热稳定性差，容易造成环境污染等缺点。与这些磷酸基催化剂相比，氧化铈是热稳定性好，无酸无毒的催化剂。氧化铈对羧酸的酮基化反应有较好的催化效果[56-57]，可同时催化巴豆酸进行酮基化反应和脱酸反应，从而制备出液体燃料和丙烯。基于巴豆酸是可再生生物体PHB热解制取能源化学品的重要中间产物，因此，如何利用巴豆酸进行高选择性催化脱氧反应制备液体燃料是值得深入研究的课题。不久的将来，巴豆酸有望在绿色能源领域得到更广泛的应用。

表2 巴豆酸催化热解反应主要产物

图7 巴豆酸的脱氧反应[59]

3 结束语

现阶段工业生产巴豆酸的主要方法是以巴豆醛为关键中间产物的催化氧化法。但由于工艺过程复杂、能耗高、对环境危害大，该法正面临挑战。另外，巴豆酸的工业生产装置的优化和PHB催化热解制备巴豆酸的开发为巴豆酸提供了新途径。鉴于目前我国资源短缺和环境污染的现状，利用可再生能源PHB制备巴豆酸的方法已引起广泛关注。以PHB催化解聚制备巴豆酸具有原料可再生、环境污染小的特点，可以减少巴豆酸生产对石化资源的依赖，为巴豆酸的绿色生产提供了一种潜在的可行性，但该工艺尚未实现大规模工业化生产，关键在于工艺条件的整体优化以及高性能催化剂的开发。

在应用方面，巴豆酸是一种具有重要用途的化学品原料，现已在精细化学品、医药和能源等领域得到了广泛的应用。巴豆酸在聚合物材料制备和应用方面已取得很好的进展，其中，巴豆酸-醋酸乙烯酯是一种代表性产品。巴豆酸在衍生化反应方面也具有广泛的市场前景，如制备一系列衍生物包括巴豆酰氯在内的高价值医药中间体。此外，在巴豆酸脱氧技术还需要进行大量的研究，这将为PHB制备能源化学品奠定基础，具有一定的学术和应用价值。