3-羟基丙酸的绿色合成法

温丽瑗,陈成刚,张战军,陈小平

(广东石油化工学院, 广东 茂名 525000)



3-羟基丙酸的绿色合成法

温丽瑗,陈成刚,张战军,陈小平*

(广东石油化工学院, 广东 茂名 525000)

3-羟基丙酸是一种重要的化工产品，既可以作为精细化工中间体，也可以合成高聚物。综述采用微生物发酵法和化学转化法制备3-羟基丙酸的研究进展，着重介绍化学转化法，通过比较认为化学转化法更具竞争力，具有广阔的发展前景。

精细化学工程;3-羟基丙酸; 微生物发酵法；化学转化法

化工过程开发清洁能源是平衡经济效益和环境保护的一项技术战略目标，开发和使用新型可再生原料是社会经济可持续发展的保障，不使用化石资源开发化学中间体市场，生物炼油行业将起核心作用[1]。基于可再生原料平台，通过生物发酵生成3-羟基丙酸。3-羟基丙酸是由三个碳组成的无手性有机酸，同分异构体为乳酸，已被列入新的生物资源，在新生物资源合成原料中排第三位[2]。

3-羟基丙酸具有两个活泼的官能团羟基和羧基，在一定的化学反应条件下可转化为系列产品，应用广泛。羧基还原得到醇或醛，羟基氧化得到醛或二酸，脱水可得到丙烯酸，与醇反应酯化，还可以与氨反应得到酰胺及其衍生物。3-羟基丙酸还是一种重要的反应原料，环化可得到丙酮内酯，通过聚合反应生成聚酯和低聚物。

丙烯酸作为原料可以生产涂料领域的聚合物、吸附剂、纺织、造纸，密封胶和黏合剂等。由于丙烯酸由矿物油转化而来，对生态造成影响，有待开发一种绿色的生产丙烯酸方法。还原得到的1,3-丙二醇是生产聚酯的单体，与对苯二甲酸聚合得到聚对苯二甲酸丙二醇酯，可用于制备纤维和树脂。化学转化法主要包括环氧乙烷氢甲酰化后加氢[3](壳牌石化有限公司)和丙烯醛水合后加氢[4](德固萨化学有限公司)。

3-羟基丙酸另一重要用途是聚合生成聚3-羟基丙酸[5]，与传统聚合物相比,具有较强的生物相容性和生物降解性[6]，作为循环可再生高聚物，广泛用于医药、手术及环保领域。本文综述微生物发酵法和化学转化法制备3-羟基丙酸的研究进展。

1　微生物发酵法

Lee S H等[7]对生物法合成3-羟基丙酸进行了研究，一些有机物如丙烯酸、1,3-丙二醇或丙酸可转化生成3-羟基丙酸，丙烯酸通过好氧型菌Alcaligines faecalis的作用得到3-羟基丙酸[8]。

目前还没有天然有机物可以既经济又高产率生成3-羟基丙酸，因此,转基因生物可再生原料作为生物催化剂备受关注，如葡萄糖和甘油转化为3-羟基丙酸。美国卡吉尔公司和陶氏公司共同研究开发了生物路径合成3-羟基丙酸[9],陶氏公司在工业生物技术方面取得突破，通过微生物转化得到一套完整过程。卡吉尔公司报道了以葡萄糖为原料合成3-羟基丙酸的7种路径，理论产率为100%[10],但存在乳酸和3-羟基丙酸的热力学平衡问题和 3-羟基丙酸与乳酸的分离问题[11]。

以生物甘油代替糖类作为初始原料，成本低廉,可生成一系列新产品。生物柴油生产的粗甘油价格极具竞争力，生产效益超过化学过程。Suthers P F等[12]通过基因工程菌生产3-羟基丙酸，反应底物为甘油,研究发现,甘油脱水酶和醛脱氢酶可以促进反应进行。

Jo J E等[13]研究了以3-羟基丙醛为原料生产3-羟基丙酸，结果表明,重组醛脱氢酶是一种潜在有效酶，可同时以各种脂肪族和芳香醛为底物促使3-羟基丙醛转化为3-羟基丙酸,两种酶的不平衡性和醛脱氢酶的不稳定性是限制3-羟基丙酸生成的主要原因。范俊英等[14]进一步改善重组菌株和醛脱氢酶活性，重组的大肠杆菌生产3-羟基丙酸为38.7 g·L-1，平均产率35%。

2　化学转化法

2.1β-丙内酯热解法

烯酮与甲醛在L酸(AlCl3,ZnCl2,BF3)催化作用下环加成生成β-丙内酯，选择性为90%[15]。β-丙内酯为四元内酯环，化学活性较高，以铜为催化剂，在磷酸溶液中，β-丙内酯热解生成丙烯酸，酸和碱催化下反应得到3-羟基丙酸[16]。此路线中原料烯酮和甲醛有剧毒[17]，中间体β-丙内酯也是致癌物质，故不宜选择。

2.2丙烯酸水合法

在碱催化或传统的可溶性矿物酸和固体酸催化剂作用下，丙烯酸水合生成3-羟基丙酸，由于副产物极少受到关注，但丙烯酸污染环境，且价格较高[18]，限制了其大规模生产，低成本由3-羟基丙酸转化生产丙烯酸则是一个很好的选择。

2.3β-羟基丙腈合成法

以乙烯为原料，氯气取代反应生成的氯乙烯与水进行加成，再与氰化钠取代，酸化后得到3-羟基丙酸，氯乙烯收率可达75%～80%[19]，但由于使用氰化钠，只限于实验室使用。

2.4乙烯乙酸酯催化合成法

文献[20]报道了乙烯基不饱和化合物在钯络合物磷配体存在下，与CO和水羰基化反应生成3-羟基丙酸酯类和2-羟基丙酸酯类，碱水解后酸化得到3-羟基丙酸和乳酸的混合物。优化反应条件，反应温度为室温，CO压力为(0.1～2.0) MPa，产物收率达77%。反应过程中，原料乙烯乙酸酯有毒，与CO作用羰基化过程条件苛刻，产物经水解、酸化和分离得到3-羟基丙酸，从成本和经济效益看，该方法不宜采用。

2.51,3-丙二醇或3-羟基丙醛催化合成法

醇类和醛类化合物氧化是制备羧酸的主要方法，氧化反应在均相和非均相体系中均可顺利进行，但在非均相反应中，催化剂不溶于反应液，反应结束后易于分离，因此，非均相体系受到青睐。负载型Pd/C和Pt/C催化剂广泛应用于催化氧化醇醛制备羧酸[21-22]。

Arno B等[23]研究了负载型Pd/C单金属系统和铋为促进剂的双金属系统(4%Pd/C和5%Pt/C)催化氧化1,3-丙二醇合成 3-羟基丙酸，在反应温度(40～55) ℃、pH=10～12和反应压力0.1 MPa条件下，产物收率分别为75%和83%。以1,3-丙二醇为原料生产3-羟基丙酸很大程度上依赖于试剂的可用性，微生物发酵法研究较多，化学转化法也在不断开发研究中[24-25]。德固萨化学有限公司报道3-羟基丙醛比1,3-丙二醇更适合作为反应原料合成3-羟基丙酸，原料制取方便，甘油氧化或丙烯醛水合均可得到。与1,3-丙二醇相比，3-羟基丙醛为原料合成3-羟基丙酸反应条件温和，最佳pH=8，反应时间较短，以碳负载型Pd和Pt为催化剂，选用一定溶剂，3-羟基丙酸产率分别为79%和93%，但反应条件严格，微小变化会使3-羟基丙醛转化为丙二酸。Thomas T F等[26]研究了液相金催化氧化多元醇制备一元羧酸。表1为以Au、Pd 和Pt为催化剂, 同分异构体1,2-丙二醇和1,3-丙二醇被氧化为一元羧酸选择性。

表 1　Au、Pd 和Pt催化剂上丙二醇氧化一元羧酸选择性

由表1可以看出，在Au催化作用下，一元羧酸选择性明显高于Pd和Pt催化剂,但Au催化剂制备要求高且价格昂贵，只有纳米级才具有催化活性。

2.6丙烯醇催化合成法

使用1%Au/SiO2催化剂的气相氧化脂肪醇羰基化合物转化率和选择性见表2。

表 2　1%Au/SiO2催化剂上气相氧化脂肪醇羰基化合物转化率和选择性

脂肪醇和芳香醇使用Au催化剂可被一级和二级氧化[27],无溶剂气相氧化饱和与不饱和脂肪族醇包括丙烯醇在高温下进行，产生相应的羰基化合物(醛和酮)。丙烯醇氧化在水溶液中进行,碱性环境，反应温度(20～80) ℃，O2压力(0.1～0.3) MPa。表3为0.3%Au/C催化氧化丙烯醇的产物分布。

表 3　0.3%Au/C催化氧化丙烯醇的产物分布

为提高3-羟基丙酸产率，优化实验条件：(1) 反应温度从25 ℃升至50 ℃，3-羟基丙酸产率由19%增至42%；(2) 在反应温度50 ℃、n(NaOH)∶n(丙烯醇)=1∶1和1∶3条件下，3-羟基丙酸产率为42%和79%。Au催化剂循环使用两次，3-羟基丙酸产率基本不变；循环使用3次，3-羟基丙酸产率降至26%，有利于甘油酸的生成，选择性达34%，丙烯酸选择性基本不变；循环使用多次，3-羟基丙酸选择性降低。

据报道[28]，在相似的反应条件下，Au/TiO2催化剂催化活性和产物选择性比Au/C催化剂低。在碳上负载更多的有效Au粒子，研究不同基底物对产物分布的影响,结果见表4。由表4可以看出,在催化剂第一次使用中，以NaOH和KOH为基底物，转化率达100%，产物选择性为79%～83%;使用Ca(OH)2基底物，转化率仅为34%;使用CaCO3为基底物，转化率为0。在任何实例中，催化剂使用3次后，产物选择性均降低。

表 4　不同基底物下金催化氧化丙烯醇对产物分布的影响

醇羟基选择性氧化产物为丙烯酸酯，但根据不同的机理也会生成甘油和3-羟基丙酸。

3　结　语

3-羟基丙酸作为化学合成原料的前景更现实，采用微生物发酵法和化学转化法合成3-羟基丙酸可得到较高产率,两种方法均可在适当的绿色条件下进行。微生物发酵法优点是使用可再生的原料糖类和生物甘油，化学转化法在温和的条件下进行氧化，是一种较理想的合成法。

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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基金项目：广东省自然科学基金(10152500002000019)资助项目

温丽瑗,1985年生，女，硕士，主要从事精细化工中间体研发。

陈小平，1964年生，男，博士，研究员，研究方向为工业催化。

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