环氧琥珀酸及其衍生物研究进展

2014-04-03王宝辉钱慧娟侯志峰高清河

大庆师范学院学报 2014年3期

王宝辉，钱慧娟，侯志峰，高清河

(1.东北石油大学化学化工学院，黑龙江大庆 163318;2.大庆师范学院黑龙江省普通高等学校油田应用化学重点实验室，黑龙江大庆 163712)

0 引言

环氧琥珀酸及其衍生物是近几年发展起来的一类新型绿色试剂，其无氮、无磷，可生物降解，不会引起水体富营养化，符合绿色化学的发展。环氧琥珀酸(ESA)单体是一种优良的螯合剂，在洗涤剂工业中能使硬水软化，去除水垢和锈垢［1］。ESA均聚物聚环氧琥珀酸兼具阻垢和缓蚀性能，适用于高碱高硬体系，广泛应用于工业水处理领域［2］。ESA共聚物是以ESA为主要单体和其它具有特殊官能团的单体的合成产物［3］，由于结构中含有多种功能性基团，解决了聚环氧琥珀酸结构单一、应用范围窄的缺点，提升了聚环氧琥珀酸产品的性能，故研究ESA单体的合成规律显得尤为重要。

ESA单体的化学合成是以过氧化物、钨钼钒系化合物来取代传统的有机物作为合成的氧化剂和催化剂［4－5］，反应过程温可控，不存在副产物分离问题，是一种经济清洁的生产工艺，但大部分的研究者对合成反应机理、目标产物收率计算等问题没有给出统一合理的方法。本文将前人的研究工作进行总结，从烯烃环氧化反应机理、ESA合成方法及含量测定、环氧基开环反应机理和应用领域对环氧琥珀酸及其衍生物进行综述，以期为环氧琥珀酸类试剂的合理开发和利用提供一定的基础和参考。

1 环氧化反应机理

烯烃环氧化反应是合成环氧化合物的重要途径，环氧丙烷、环氧苯乙烷等环氧化合物的工业生产方法还是传统的卤醇法和哈康法［6－7］，相比之下，过氧化氢为氧源的环氧化体系由于经济、活性氧较多且反应产物对环境无污染，成为近年来环氧化领域新兴的研究方向［8－9］。烯烃环氧化反应催化剂的种类众多，甲基三氧化铼系配合物、锰－salen系配合物、钨系杂多酸等过渡金属络合物都被证明是性能优异的烯烃环氧化反应催化剂，其中钨、钼系催化剂以其稳定性好、价格低等优点被广泛应用［10］。

环氧琥珀酸的合成方法主要是将马来酸酐水解，以氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠等碱性化合物将其转化为马来酸盐，钼钨钒系化合物为催化剂、过氧化氢为氧化剂，将马来酸盐进行双键环氧化反应生成环氧琥珀酸盐［11－14］。其催化机理为H2O2与M－O键(M=Mo、W)在pH=7－9的条件下生成钼钨的四环过氧化物［M(O2)4］2－，该过氧化物具有很好的催化氧化功能，但稳定性较差，如果过氧化氢滴加速度过快，会出现反应剧烈放热、温度急速上升、溶液爆沸的现象。一方面由于在外界做功的情况下［M(O2)4］2－可以释放全部4个过氧环上的氧，恢复为MO42－，这一进程非常剧烈，有明显的爆沸倾向。另一方面由于该进程比H2O2分子直接受热释放O2更为迅速，因此这种化合物可以催化过氧化氢释放氧气［15］。所以在滴加过氧化氢时要严格控制滴加速度，防止氧源以氧气的形式快速消耗掉，而无法形成环氧化物，导致催化性能下降，产物产率降低。

2 环氧琥珀酸的化学合成

吕志芳等［16］以马来酸酐为原料，钨酸钠为催化剂，双氧水为氧化剂合成环氧琥珀酸，并对产物进行了红外、13C核磁表征，证明产物为ESA。小试最佳合成工艺条件为氢氧化钠与马来酸酐的摩尔比为2:1，催化剂用量1%(占马来酸酐用量)，反应温度70℃，反应时间1.5h。

梁宝峰等［17］研究了以钨酸钠为主的复合物催化剂对环氧琥珀酸收率的影响，得出分别以钨酸钠、钼酸铵、钒酸铵、钨酸钠－钼酸铵、钨酸钠－钒酸铵、钨酸钠－钼酸铵－钒酸铵作为催化剂的条件下，ESA的收率分别为 90.4%、32.1%、25.5%、83%、78.6%和 97%。

杜娟娟等［18］以含钨介孔分子筛为催化剂进行合成反应，考察了反应时间、反应温度、催化剂用量、过氧化氢用量和反应介质对马来酸酐转化率和环氧琥珀酸选择率的影响。该方法采用介孔分子筛作为催化剂，不但能有效催化环氧化反应，而且催化剂易与反应物分离，可以回收利用，是一种经济环保的合成方法。

杨燕等［19］以80%乙醇溶液为溶剂溶解马来酸酐进行环氧化反应，可以有效抑制副反应的发生，使体系中酒石酸含量降低。得出反应温度65℃、反应时间2.5h、复合催化剂(钨酸钠:钼酸钠:钒酸钠=2:1:1)用量0.7%、氢氧化钠与马来酸酐摩尔比2:1，环氧琥珀酸收率86.8%。

吴怀之等［20］是以碳酸钠或碳酸氢钠碱化顺丁烯二酸酐生成顺丁烯二酸钠盐，合成环氧琥珀酸盐。该方法克服氢氧化钠中和反应大量放热的缺点，使反应过程更加温和可控，原料便宜且产物固含量较高。

3 环氧琥珀酸含量的测定

3.1 直接法

由于环氧琥珀酸分子中含有环氧基团，所以可以通过测定环氧值得到环氧琥珀酸的含量。乔雪梅等［21］以环氧氯丙烷(ECH)为试验对象，令ECH与亚硫酸钠发生亲核加成反应，用标准盐酸溶液滴定反应产生的氢氧根含量，得到环氧基的含量。通过对该法的精密度和回收率进行试验，测得相对标准偏差和回收率依次在 1.3%－1.8%和 95.9%－98.6%之间。

吴志高等［22］以盐酸－丙酮法测定环氧值，探讨了反应时间和温度等因素对方法准确度的影响。得出在45℃下试样与盐酸丙酮溶液反应4h后测得的环氧值与理论值最接近，相对误差在0.4%以下，比国标GB1677－81采用的分析方法带来的相对误差(6.5%以上)有明显的降低。

吴美玲等［23］以自制环氧琥珀酸二钠盐为分析对象，采用0.1mol/L盐酸的氯化镁饱和溶液为加成试剂，滴定测试环氧基。结果表明，在反应温度60℃下，反应45min后，分析相对误差降低至1%以内，与离子色谱测定方法比较，其测定结果吻合，可用于工业化生产中环氧琥珀酸(盐)的测定。

3.2 间接法

环氧琥珀酸合成体系中只有原料马来酸酐、副产物酒石酸和产物环氧琥珀酸，因此，可以采用间接法即通过测定体系中剩余马来酸酐的含量及副产物酒石酸的含量来间接测定产物环氧琥珀酸的含量。

3.2.1 马来酸含量的测定

高翠英等［24］根据马来酸分子中含有不饱和共轭双键，可在紫外区产生较强的吸收，建立了直接在水溶液中于211nm处测定马来酸含量的紫外分光光度新方法，可用于多个样品的测定，回收率在94.0% ～102.3%之间，与高效液相色谱法相比较，二者测定结果基本吻合。

马淑清等［25］根据过量的溴分子与马来酸分子发生加成反应，再用碘化钾溶液将剩余的溴分子置换出来生成碘单质，用标准硫代硫酸钠溶液进行滴定，得到体系中双键的含量。研究了试液的稳定性、酸度、测量范围及其它干扰组分对测定结果的影响，检验了方法的精密度。结果表明，最佳测试条件为滴定时间小于20min，体系pH=4～6，马来酸酐浓度小于2g/L，相对误差小于3.6%，回收率94%以上。

3.2.2 酒石酸含量的测定

吕志芳等［26］研究了紫外分光光度法快速测定环氧琥珀酸合成液中酒石酸含量的分析方法。在pH为2.6～2.7的环境下，5－硝基水杨酸和三价铁离子反应生成橘红色的络合物5－硝基水杨酸铁，酒石酸可以使5－硝基水杨酸铁溶液的颜色变淡，利用这一性质，在492nm下运用紫外分光光度计检测酒石酸的含量。结果表明，该方法相对标准偏差小于0.8%，标准误差低于2%且不受体系中其它物质的干扰。

杜娟娟等［27］基于酒石酸与偏钒酸铵的特异显色反应，建立了一种分光光度计法测定环氧琥珀酸合成体系中酒石酸含量的方法。研究了显色剂用量和硫酸溶液用量，以及空白样和试样的稳定性。探讨了测试体系中其它组分的干扰及其可信质量浓度范围，检验了方法的精密度和准确度，相对标准偏差小于1%，标准误差低于3%。

4 环氧琥珀酸的化学反应

4.1 水解反应

环氧琥珀酸在化学催化剂或环氧琥珀酸水解酶(ESH)的作用下可以发生水解反应生成酒石酸，反应方程式为:

在化学法合成环氧琥珀酸过程中要通过精确控制反应条件避免水解反应的产生，否则将影响目标产物的收率使产物不纯，影响下一步的合成反应。工业上生产酒石酸的方法主要是先用化学法合成环氧琥珀酸，再通过微生物发酵法制得环氧琥珀酸水解酶，水解机理［28］为ESH中的天冬氨酸残基与环氧基上的碳原子发生亲核反应，形成共价结合的中间体，在酶的作用下水分子被激活，将中间体水解为酒石酸。水解酶具有生产成本低、反应活性高等优点，具体工业化应用及方法将在5.2中阐述。

4.2 均聚反应

环氧基反应活性较高，在酸性和碱性条件下均能进行开环聚合反应。在碱金属或路易斯碱的作用下，环氧基可按阴离子聚合反应的历程进行开环均聚反应，其反应方程式为:

由上式可以看出，氢氧根离子具有很强的电负性，容易攻击环氧基上的碳原子发生亲核反应而形成负氧离子，后者能继续和另一个环氧琥珀酸分子进行链增长反应，同时体系中的水和醇等质子基团化合物能促进环氧基的开环反应。

环氧琥珀酸均聚产物为聚环氧琥珀酸，是一种新型绿色阻垢缓蚀剂，由于其结构中含有醚基和羧基，无氮、无磷，使其在工业水处理领域中具有广阔的应用前景。国内众多研究人员对其合成规律和性能开展了大量工作［29－36］，发现其对碳酸钙、硫酸锶、硫酸钡、硫酸钙等垢具有优异的抑制作用，同时具良好的缓蚀性、可生物降解性和分散氧化铁能力。

4.3 共聚反应

环氧琥珀酸的共聚反应是以环氧琥珀酸为主要单体和其它具有特异性官能团的单体进行的共聚反应，其反应通式为:

单体的选择依据为特殊官能团R能提高粒子表面电荷间的排斥力，抑制成垢晶体的生长，使共聚物具有优异的阻垢性能。王春荣［37］研究了丙烯酸单体和环氧琥珀酸单体的共聚反应，发现ESA:AA=5:6(质量比)、过硫酸钾3.5%、反应温度90～95℃、反应时间4h，体系pH=13时产品钙离子稳定浓度为220mg/L，当共聚物使用浓度为2.3%时，分散碳酸钙体系透射比为58%。何亮等［38］先将丙烯酸羟丙酯、环氧琥珀酸、丙烯酸三种单体共聚后，与膦羧酸PBTCA进行复配。复配产物使用浓度15mg/L时，对硫酸钡防垢率100%，性能较常规阻垢缓蚀剂较好。孙敏等［39］以过硫酸铵为引发剂、环氧琥珀酸与2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸(AMPS)为单体进行共聚，采用静态阻垢法评价了共聚物对碳酸钙和磷酸钙垢的预防能力，取得了较好的效果。

5 环氧琥珀酸的应用

5.1 螯合剂

许艳红［40］通过大量的理论和实验发现ESA具有很强的螯合钙离子的能力，超过了大多数络合滴定指示剂的滴定范围。研究了温度、体系pH值、环氧琥珀酸浓度对硫酸钙和碳酸钙的螯合溶解性能的影响。ESA对碳酸钙和硫酸钙的螯合值随温度增加而增大，温度超过97℃，螯合值下降趋势;在pH值中性范围内，螯合反应适合进行，较强的酸性或碱性体系都不利于螯合反应;测试体系中固液相接触面积的增大，有利于螯合反应;环氧琥珀酸的浓度在一定范围内的变化对螯合反应影响甚微;ESA与碳酸钙、硫酸钙的螯合反应均为一级反应，表观速率常数分别为4.47×10－3/min和2.292×10－2/min，最大钙螯合值318.75mg/g，大于EDTA等螯合剂的最大钙螯合值，进一步证明了ESA是一种络合能力较强的螯合剂。

5.2 酒石酸生产工业

酒石酸的生产方法主要有抽提法、糖质发酵法、化学拆分法和酶法，其中酶法合成酒石酸具有转化率高、产品纯度高、安全性好等优点，工业化应用价值最高［41］。

宋苗根［42］在其专利中提供了一种生产D(－)－酒石酸的工艺，主要步骤为先从微生物中筛选纯化环氧琥珀酸水解酶，将水解酶固定化后催化环氧琥珀酸水解生成D(－)－酒石酸，其中固定化酶的方法是将卡拉胶固定法和蛋白质共价交联法结合，能有效降低成本、提高酶活。

张建国等［43］在其专利中发明了一种环氧琥珀酸水解酶基因工程菌细胞，这种基因工程菌细胞pETESH－E.coli的水解酶活力是游离环氧琥珀酸水解酶基因工程菌细胞的4倍以上，并且可循环使用，使D(－)－酒石酸产品的光学纯度和得率提高。

5.3 制药工业

1998年日本化学医药株式会社公布了一个环氧琥珀酸衍生物的专利［44］，其结构如下:

其中R1是氢、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是氢、烷基或芳烷基。此衍生物可用于预防和治疗骨疾病，例如骨质疏松症、恶性血钙过多症和佩吉特氏综合症，还用于治疗伴随组织蛋白酶L活性异常增高的骨关节炎和风湿性关节炎，另外，还可作为药物用于治疗组织蛋白酶B和L参与的骨疾病，如肌肉营养不良和肌肉萎缩。

1995年日本武田药品工业株式会社公布了一个环氧琥珀酸衍生物的专利［45］，其结构如下:

其中R1为羧基，该羧基可被酯化或酰胺化;R2为取代或未被取代的环基或极性基团;n为0～6的整数;R3为氢或烃基，该烃基为取代或未被取代的;R4烃基或链烯基;R3和R4可与相邻的氮原子一起形成含至少两个杂原子的杂环基团。该衍生物和其盐可抑制硫醇蛋白酶如组织蛋白酶L和B，并可用作骨疾病如骨质疏松症的预防治疗剂。

6 结语

环氧琥珀酸是一种重要的化工中间体，前人主要从合成反应规律如反应条件的优化、聚合物性能研究的角度展开工作，但仍有一些问题尚待解决:①环氧化反应和环氧基开环反应机理尚不明确，国内外文献鲜见报道;②需要通过研究合成体系中各物质在有机溶剂的溶解性，来确定环氧琥珀酸的最佳提纯方案;③需要对环氧琥珀酸含量测定方法进行筛选优化，找到可行性好、精确度高、操作简单的测定方法;④环氧琥珀酸自身的各项物理化学指标不完全，参考数据缺乏。所以应尽快解决目前存在的问题，真正提高环氧琥珀酸单体的产品质量、降低生产成本，为其衍生物的发展提供借鉴和基础。

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