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万方数据
2003年5月岑沛霖等：从可再生资源获得新型绿色4平台化合物”乙酰丙酸的研究与开发 ·19-
乙醇、乳酸等
图2传统的木质纤维索水解工艺和一步法生产乙酰丙
酸工艺的比较
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d甲I册111Ⅱic蒯p础甜衄pro傥鸫hK驴∞e【1日l∞ic咄·
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副反应，简化了分离过程。有关专家预计，大规模生
产LA的成本将低至每磅四到十美分。
现在已经研究开发的乙酰丙酸作为绿色平台化
合物的主要用途如表1所示。
表1乙酰丙酸作为绿色平台化台物的主要用途和美
国的市场需求
T出eIM肿砌咖皿一dd访usAd即pl曲Ⅲ唧弭md
lenlL“c衄d
化台物 用途 潜{!；鬻零量
P一系列燃料是由Princet叽大学的stephenPmd
博士研制成功的新型汽车用燃料㈦“J，1999年，美
国能源部批准了这种新燃料，并称之为“al胁·a6ve
fLleIs(代用燃料)”。这种燃料的主要性质有：辛烷
值(R+M)／2：90．2；蒸汽压：55kPa；比重：0，775；含
能量(矾u／剐)：99300；含硫量：<9×10‘4％；含氧
量：19．5％(质量比)。P一系列燃料的配方分夏季和
冬季用两种，其中冬季：40％戊烷，25％乙醇，25％甲
基四氢呋喃(唧)，lO％正丁烷；夏季：27．5％戊
烷，55％乙醇，17．5％甲基四氢呋喃。P一系列汽车
甩燃料的优点是：mlⅢ与汽油及乙醇能以任意比
例混合，即使含有微量水时也不会产生相分离现象；
由于M7Im’的比重高于汽油，这种燃料单位体积的
行驶里程也与普通汽油相当；P一系列燃料燃烧尾
气中污染物含量大大低于排放标准等。甲基四氢呋
喃是乙酰丙酸经加氢和脱水反应后得到的，上述反
应可以在一个反应器中在特殊催化剂的催化下一步
完成，产物得率达到85％(摩尔比)以上。
n氨基乙酰丙酸(8．A【A)是合成血红素的前体，
广泛存在于动植物和微生物中，也是新一代光动力
药物。在光照下，两个氢基乙酰丙酸分子缩合形成
一个原卟啉分子，同时释放出一个非常活泼的单重
态氧，可以选择性地杀死皮肤癌细胞(美国FDA已
于1999年12月批准用于皮肤癌前期治疗的8-ALA
上市)并在其它癌症治疗中也已经显示了良好的疗
效L15。⋯，而且8_ALA具有病人的避光时间段、无毒
副作用、无残留等特点。
6-氨基乙酰丙酸在农业上也有巨大的应用前
景，具有除草【”，“、杀虫m剖、落叶[驯、促进植物生
长啪J等多种功能。例如：作为除草剂，AIA在黑暗
条件下刺激植物过量积累四吡咯，而在阳光照射下，
四吡咯产生光敏反应形成单重态氧，导致双子叶植
物的死亡，AlA对单子叶植物，如玉米、小麦、水稻
等，则几乎没有影响。又如，A【A作为落叶剂时，能
用于棉花采摘前的落叶处理及苹果收获前落叶，以
改善苹果的色泽。8．氨基乙酰丙酸可以生物降解、
无残留，又具有多种生物活性作用，是一种具有发展
前景的广谱农用化学品。
LA是化学合成蚤AIA的前体。IJA先经溴化生
成5一溴乙酰丙酸随后与叔胺反应生成8-ALA。虽
然反应并不复杂，但是副反应多，污染也比较严
重[3l一⋯。
发酵法生产墨AjA也已经有报道【”“J，一般都
利用光合细菌，如彤础60甜枷2m池，在异养条
件下培养时，能积累一定量的胞外占．ALA。在培养
基中添加LA能提高水AIA的产量。文献报道的最
高8-ALA产量为7．2∥Lo利用基因重组技术改造
微生物，提高微生物细胞中8_AIA合成酶的活力水
平，将是增加AIA的产量的有效途径Ⅲj。
双酚酸(diphenobcacid’DPA)是由LA与两个苯
酚分子合成的具有广泛用途的高分子材料单体ml。
双酚酸可以代替双酚A(biphemlA)用于环氧树
万方数据
20· 生物加工过程 第l卷第l期
脂【蚓及聚碳酸酯㈣等高分子材料的制备等。由于
LA低廉的价格，DPA将逐渐取代双酚A，占据越来
越大的市场份额。二溴DPA可以用于防火材料¨0J
和环境友好的船舶用涂料H1mJ。此外，LA在高交
联聚合物材料、电子材料、医药、染料、香料、离子聚
酯新材料的制各方面也有重要的应用前景【43一“。
1．2以乙酰丙酸为平台化合物的国内研究和开发
进展
近年来，国内对乙酰丙酸的研究和开发也已经
开始，有些已经投入小规模工业化生产。如：河北廊
坊三威化工有限公司的产品以乙酰丙酸为主体，据
称该公司的乙酰丙酸乙酯、乙酰丙酸丁酯、双酚酸及
Ac、，A等系列产品的生产能力已成为世界第一；淄
博有机化工有限公司主要生产经营糠醛、糠醇、2一
甲基呋哺、乙酰丙酸等化工产品；江苏日用化工研究
所曾在国内率先研制成乙酰丙酸、双酚酸，填补了国
内空白；张家港市凤凰化工厂也生产乙酰丙酸、双酚
酸、硬酸乙脂等产品。上述企业一般采用以淀粉为
原料水解或从糠醛生产的副产品中提取得到乙酰丙
酸。
广州市正在利用美国的技术和资金建设
1 000吨／天环境资源回收(垃圾处理)项目。该项目
的建设规模为日处理垃圾l000吨；年发电量2000
万kw·h；年产化学品甲酸14968吨、甲基四氢呋哺
(mⅧ’)258 9吨、糠醛656吨；年产废塑料30000
吨，废铁2700吨。该项目如能获得成功，将生产大
量甲基四氢呋喃用于汽车燃料，并为我国的固体废
弃物处理和利用开创新的途径。
此外，西北大学曾经开展8．氨基乙酰丙酸用于
除草剂的研究，并申请了两项中国发明专利㈣脚J。
浙江大学对发酵法生产8一ALA也开展了初步的研究
工作f5】I。
2以乙酰丙酸为平台化合物的研究方向
乙酰丙酸有成为新一代绿色平台化合物的优越
条件，已经引起国内外学术界和工业界的重视。但
是从已有的文献(主要是专利)分析，基础研究还有
待于加强，乙酰丙酸及其衍生物的应用领域还需要
扩大。今后的主要研究方向应包括：平台化台物乙
酰丙酸合成的机理、热力学和动力学基础数据、新型
反应器开发及工艺条件优化；根据乙酰丙酸的特殊
化学结构研究开发各种新型精细化学品、新材料及
新燃料。
纤维素、半纤维素或淀粉脱水、水解合成LA的
过程是一个十分复杂的多相、多步反应过程，特别是
以木质纤维素为原料时，过程更加复杂。首先应该
对该过程的反应机理和动力学问题进行深入研究，
为优化工艺、提高生产效率、降低生产成本提供理论
指导和基础数据。木质纤维索水解产物包含各种有
机酸、无机酸和其它水解产物的复杂混合物，该体系
的热力学性质、物性等数据十分缺乏。需要对水解
液的物理和化学性质进行全面深入的研究，为分离
提纯LA提供可靠的数据和理论指导，并研究开发
高效的分离提纯新工艺。
蚤氨基乙酰丙酸是新一代光动力药物，在农业
和医药领域有着十分重要而广阔的应用前景。需要
开展LA分子中5一位碳原子氨基化的原理和方法
研究，研制具有更高转化率和选择性的催化剂，研究
催化反应机理和动力学。
直接发酵法生产6一ALA的国内外研究工作还刚
刚开始，在菌种选育及发酵条件优化上还有许多工
作要做，以进一步提高8_AIA的产量。根据我们的
初步研究，在成功筛选到了高产长ALA的光合细菌
的基础上，通过反复诱变和推理育种，有可能大幅度
提高8．ALA的产量。
在微生物细胞中存在着两条不同的合成8．ALA
的代谢途径：碳5途径和碳3途径。根据代谢工程
原理采用基因重组技术构建工程菌，强化6．ALA合
成酶的表达，是提高发酵法生产占-ALA产量的新途
径。我们已经成功地克隆了这两条途径墨AJA合成
酶的基因，正在进行质粒构建和表达的研究工作。
同时还应深入开展以占_AIA为基础的组合化学
研究，对夸AIA的分子进行修饰和改造，研究它们的
生理功能及新应用领域，获得具有自主知识产权的
新药物和农用化学品。
应该开展利用微生物或酶进行以IA为原料的
手性化合物合成或拆分的原理及方法的研究。采用
组合化学的理论和方法，以LA为平台化合物合成
一系列精细化学品。还可以开展以LA及其衍生物
为原料合成具有可生物降解、高交联、阻燃、带电荷
及非线性等新型功能高分子材料的研究；利用LA
及其衍生物的多种功能基团，合成聚酯、聚醚及聚碳
酸酯等多种类型的高分子材料，并研究其结构一功
能关系。
作为新一代的P一系列汽油的重要组分，甲基
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2003年5月岑沛霖等：从可再生资源获得新型绿色4平台化合物’乙酰丙酸的研究与开发 ·21·
四氢呋喃具有巨大的市场前景；从LA合成甲基四
氢呋喃时包括三步加氢反应和两步脱水反应，也是
一个多尺度的多相、多反应的复杂反应体系。需要
研究开发新型高效多功能催化剂和相应的反应器，
在一个反应器中完成所有反应并提高甲基四氢呋喃
产率；研究该多尺度催化反应的机理和动力学。
我国是糠醛生产大国，全国有许多糠醛生产企
业，目前糠醛价格低廉(2000～3000元／吨)。我国
利用糠醛生产四氢糠醇、糠胺、四氢呋喃等已经有了
成熟技术。
糠醛也有多个功能基团，可以进行加成、氧化、
还原、聚合等多种反应。根据我国的实际情况，糠醛
同样具有成为新型绿色平台化合物的潜力。以糠醛
为原料生产甲基四氢呋喃、氨基乙酰丙酸等产品在
技术和经济上也应该是可行的。生产成本甚至可能
低于乙酰丙酸路线。因此应该重视以糠醛为原料生
产各种新型有机化合物、新材料的研究和开发。我
们也正在从事以糠醛为原料合成夸AIA新工艺的研
究与开发，已经取得了一定进展。
3结论
3．1必须从可持续发展战略出发，重新审视可再生
生物质资源的利用，从中发现和开发新的平台化合
物，如乙酰丙酸；
3．2必须从提高农民生活水平的角度考虑，从可再
生生物质资源中生产高附加价值的绿色产品：
3．3可再生生物质资源综合利用是一项大有可为、
前途无量的事业，既需要科学家的努力和创新，也需
要国家政策和有远见企业家的支持。
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