酒石酸辅助尿素包合法分离异硬脂酸

董 青，陈 砺，严宗诚

(华南理工大学 化学与化工学院，广州 510640)

异硬脂酸是一类具有支链结构的C18饱和脂肪酸混合物的总称。异硬脂酸分子中存在烷基支链，使得熔点显著降低，常温下呈液态，同时兼具了油酸熔点低和硬脂酸化学稳定性好的优点[1]。因此，异硬脂酸具有很高的商业价值，在润滑油、化妆品、表面活性剂、食品等行业应用广泛[2-3]。目前，异硬脂酸的合成方法主要有羧基合成法、Koch反应法、二聚酸副产物单体酸中提取和沸石催化异构脂肪酸等[4]。合成的异硬脂酸产品多为硬脂酸与异硬脂酸的混合物，探究如何从性质相似的同分异构体混合脂肪酸中分离异硬脂酸具有重要意义。异硬脂酸的分离方法主要有尿素包合法、低温结晶法、色谱分离法和水媒分离法等。低温结晶法[5]根据脂肪酸在同温度同种溶剂中的溶解度不同而实现分离，该方法需要大量的有机溶剂，且分离纯度较低。色谱分离法利用混合物在不相溶的两相中的分配系数不同而实现分离，Coles[6]根据直链脂肪酸与支链脂肪酸的极性不同，采用色谱法进行分离，得到纯度较高的产品，但是操作烦琐，不适合批量生产。水媒分离法[7]根据硬脂酸的熔点高于异硬脂酸的熔点的特点实现分离，但是操作烦琐，产品的纯度较低。尿素包合法是分离脂肪酸类化合物常用的方法，技术成熟、操作简单、产品质量易于控制。Heynen等[8]采用尿素包合法分离支链脂肪酸混合物。陈春林[9]先将单体酸加氢后采用尿素包合法进行分离，分离过程中需要大量的尿素，造成分离成本较高，且对于与支链脂肪酸性质相近的物质分离效果不佳。

酒石酸是含有多个羟基的短碳链羧酸，无毒无害，常作为食品工业的抗氧化剂使用。已有相关报道[10-11]指出，酒石酸可以在尿素包合脂肪酸的过程中与尿素结合，辅助尿素包合脂肪酸。本文主要以硬脂酸和异硬脂酸的混合脂肪酸为原料，通过加入少量酒石酸辅助尿素包合法分离异硬脂酸，对影响分离效果的主要因素进行探究，并对不同酒石酸加入量下包合物的外部形态和晶体结构进行分析，探究酒石酸对于尿素包合分离异硬脂酸的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料与试剂

异硬脂酸(广东东霖化工有限公司提供)，硬脂酸(永华化学科技(江苏)有限公司提供)，将异硬脂酸与硬脂酸按质量比1∶1加热混合得混合脂肪酸(异硬脂酸含量35.3%，硬脂酸含量61.5%，棕榈酸含量3.2%，其他脂肪酸含量<1%)；酒石酸(纯度≥99.5%)、浓硫酸(纯度98%)、甲醇、尿素、石油醚(沸程30～60℃)、氯化钠，均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

FA2104N分析天平，HH-S1恒温油浴锅，DC-1015智能节能恒温槽，CH1025电热恒温水浴箱，循环SHZ-D(Ⅲ)水式真空泵，SY-2000旋转蒸发器，6890N气相色谱仪，BX51正置显微镜，Bruker D8-Advance X射线衍射仪。

1.2 实验方法

1.2.1 酒石酸辅助尿素包合法分离异硬脂酸

按预定比例将酒石酸与尿素溶于甲醇溶液中，待两者完全溶解后，加入10 g混合脂肪酸，于60℃下加热搅拌2 h，倒入烧杯，封口后放于25℃的恒温水浴中静置30 min，进行预冷操作，然后在预定的包合温度下放置预定时间进行包合反应。包合完全后取出样品迅速减压抽滤，得到固相包合物和待处理液相产品。将液相转移至分液漏斗中，加入适量饱和食盐水和石油醚进行萃取操作，静置一段时间待下层水相完全澄清，弃去下层水相，取上层有机相减压旋转蒸发去除有机溶剂，即得到富含异硬脂酸的产品。异硬脂酸的得率按照下式计算。

式中：W为异硬脂酸的得率，%；C为产品中异硬脂酸的纯度，%；C0为混合脂肪酸中异硬脂酸的纯度，%；m为产品质量，g；m0为混合脂肪酸的质量，g。

1.2.2 异硬脂酸纯度分析

待分析的脂肪酸采用浓硫酸为催化剂进行甲酯化[12]，所得脂肪酸甲酯用气相色谱进行分析。气相色谱条件：FID检测器；DB-23色谱柱(30 m×250 μm×0.25 μm)；进样口温度250℃；检测器温度260℃；载气为氮气；升温程序为初温130℃，保持0 min，以5℃/min升到230℃，保持5 min；进样量1 μL。采用面积归一化法计算异硬脂酸的纯度。

1.2.3 固相包合物分析

固相包合物的观察：挑取形态完整的晶体若干，置于载玻片中央，用正置显微镜(4×)观察其外部形态及尺寸大小变化。

X射线衍射仪分析：仪器参数设置为Cu靶，测试电压40 kV，测试电流40 mA，扫描速度1(°)/min，步长0.02°，角度测试范围5°～40°。

2 结果与讨论

2.1 酒石酸辅助尿素包合法分离效果的影响因素

2.1.1 尿素与混合脂肪酸质量比的影响

尿素晶体一般以正方晶形存在，在低温条件下，尿素与混合脂肪酸溶液混合后，形成内含硬脂酸分子的六方柱包合物晶体析出，而异硬脂酸由于支链的存在，分子体积增大不易被包合。因此，尿素用量是异硬脂酸分离的关键影响因素。在酒石酸与尿素摩尔比1∶3、甲醇与混合脂肪酸质量比11.9∶1、包合温度5℃和包合时间12 h的条件下，尿素与混合脂肪酸质量比对异硬脂酸分离效果的影响如图1所示。

图1 尿素与混合脂肪酸质量比对异硬脂酸 纯度和得率的影响

由图1可知：在尿素与混合脂肪酸质量比为2∶1时，异硬脂酸的得率最高，为93.1%，纯度相比最高值低4.0个百分点；在尿素与混合脂肪酸质量比为2.75∶1时，异硬脂酸的得率相比最高值低14.9个百分点。综合考虑选择尿素与混合脂肪酸质量比为2∶1。根据实验结果和相关报道分析表明[13-14]，尿素的用量不同，包合程度不同，尿素与混合脂肪酸质量比增大，直链脂肪酸逐渐被包合完全，异硬脂酸的纯度先增加后趋于稳定，过量的尿素继续包合异硬脂酸，异硬脂酸的得率逐渐降低。

2.1.2 酒石酸与尿素摩尔比的影响

由2.1.1的结果可知，在尿素与混合脂肪酸质量比为1.5∶1时，尿素用量不足，异硬脂酸的纯度和得率均较低。为探究酒石酸在尿素用量不足时的辅助作用，选择尿素与混合脂肪酸质量比1.5∶1、甲醇与混合脂肪酸质量比11.9∶1、包合温度5℃和包合时间12 h的条件，考察酒石酸与尿素摩尔比对异硬脂酸分离效果的影响，结果如图2所示。

图2 酒石酸与尿素摩尔比对异硬脂酸纯度和得率的影响

由图2可知，随着酒石酸加入量的增大，异硬脂酸的纯度和得率随之增大，说明少量酒石酸的加入能够减少尿素的用量，提高异硬脂酸的得率和纯度。选择酒石酸与尿素摩尔比为1∶6。

2.1.3 甲醇与混合脂肪酸质量比的影响

溶剂是提供结晶过程传质和传热的场所[14]，是影响异硬脂酸纯度和得率的重要因素。在酒石酸与尿素的摩尔比1∶6、尿素与混合脂肪酸质量比2∶1，包合温度5℃和包合时间12 h的条件下，甲醇与混合脂肪酸质量比对异硬脂酸分离效果的影响如图3所示。

由图3可知，随着甲醇用量的增大，酒石酸和尿素被完全溶解，包合反应能够充分进行，异硬脂酸的得率升高，反应生成的固相包合物重新解吸进入液相溶液中，异硬脂酸的纯度下降。在甲醇与混合脂肪酸质量比为11.9∶1时，异硬脂酸的得率最高，为84.8%，纯度相比最高值低2.1个百分点。在甲醇与混合脂肪酸质量比为7.1∶1时，异硬脂酸的得率相比最高值低5.9个百分点。综合考虑，选择甲醇与混合脂肪酸质量比为11.9∶1。

2.1.4 包合温度的影响

在酒石酸与尿素摩尔比1∶6、尿素与混合脂肪酸质量比2∶1、甲醇与混合脂肪酸质量比11.9∶1、包合时间12 h的条件下，包合温度对异硬脂酸分离效果的影响如图4所示。

图4 包合温度对异硬脂酸纯度和得率的影响

由图4可知，固相包合物的形成为放热过程，降低包合温度，有利于固相包合物结晶析出。包合温度低于10℃，包合物晶体快速形成，晶核来不及长大，生成的晶体较小且均匀，包合物的稳定性增加，包合温度为0℃时，异硬脂酸的纯度最高，为75.6%，得率最低，为70.3%。包合温度高于10℃，随着包合温度的升高，包合物晶体形成缓慢，晶核慢慢长大，形成的晶体较大而粗糙。在较高包合温度下，包合物分子之间的运动加剧会导致部分形成的晶体发生分解，使直链脂肪酸保留在液相中，异硬脂酸纯度降低。综合考虑，选择包合温度为10℃。

2.1.5 包合时间的影响

在一定的酒石酸和尿素用量下，酒石酸辅助尿素包合反应随着包合时间的延长达到平衡，同时直链与支链脂肪酸的包合平衡反应是相互独立的，且达到包合平衡的时间不同。在酒石酸与尿素摩尔比1∶6、尿素与混合脂肪酸质量比2∶1、甲醇与混合脂肪酸质量比11.9∶1、包合温度10℃的条件下，包合时间对异硬脂酸分离效果的影响如图5所示。

图5 包合时间对异硬脂酸纯度和得率的影响

酒石酸辅助尿素包合过程中对直链脂肪酸具有优先选择性。由图5可知，包合时间短于8 h，直链脂肪酸的包合反应未达到平衡，随着反应时间的延长，异硬脂酸的纯度降低，得率升高。当包合时间达到8 h，直链脂肪酸的包合反应已基本达到平衡，继续延长包合时间，部分异硬脂酸被包合，因此异硬脂酸的纯度略有上升，得率下降。包合时间12 h相比8 h，异硬脂酸的纯度升高1.9个百分点，得率仅降低0.1个百分点。选择包合时间为12 h，此时异硬脂酸的纯度为72.1%，得率为87.4%。

2.2 固相包合物的外部形态和晶体结构

由2.1.2分析表明，在尿素与混合脂肪酸质量比1.5∶1、甲醇与混合脂肪酸质量比11.9∶1、包合温度5℃、包合时间12 h、不同酒石酸与尿素摩尔比的条件下，异硬脂酸的纯度和得率存在明显差异。已有相关报道[15-16]表明，通过观察固相包合物的形态及量变化趋势来反映包合工艺，不同酒石酸与尿素摩尔比下固相包合物形态观察结果见图6。

注：A.尿素；B.酒石酸与尿素摩尔比1∶15；C.酒石酸与尿素摩尔比1∶12；D.酒石酸与尿素摩尔比1∶9；E.酒石酸与尿素摩尔比1∶6；F.酒石酸与尿素摩尔比1∶3；a.显微镜下晶体形态；b.实物晶体拍照。

图6 不同酒石酸与尿素摩尔比下固相包合物形态

由图6和图2可知，未加入酒石酸时，异硬脂酸的纯度和得率较低，固相包合物为颗粒状晶体的聚集体。在酒石酸与尿素摩尔比为1∶6时，异硬脂酸纯度和得率最高，总体来看，包合物的针状结构明显，团聚现象减轻，晶体的长度和直径较大。在酒石酸与尿素摩尔比为1∶3时，异硬脂酸的纯度和得率降低，在该条件下包合物晶体的针状结构基本消失，包合体系黏度较大，片状晶体粘连成块状。说明酒石酸加入量对异硬脂酸分离效果和固相包合物的外部形态影响显著。

使用X射线衍射仪分析不同酒石酸与尿素摩尔比下固相包合物晶体，研究其晶体构型的变化[17]，结果如图7所示。

由图7可知，各衍射峰尖锐，且峰强度较高，背底平整，表明样品的结晶度比较高。在酒石酸与尿素摩尔比为1∶6时，谱图中硬脂酸的特征峰最明显。使用Jade6.0软件对X射线衍射谱图进行分析，求出相应的晶格参数，结果见表1。

表1 固相包合物外部形态与晶格参数

注：a.尿素；b.酒石酸与尿素摩尔比1∶15；c.酒石酸与尿素摩尔比1∶12；d.酒石酸与尿素摩尔比1∶9；e.酒石酸与尿素摩尔比1∶6；f.酒石酸与尿素摩尔比1∶3。

图7 不同酒石酸与尿素摩尔比下固相包合物X射线衍射图谱

酒石酸辅助尿素包合脂肪酸反应生成的包合物为晶格包合物，属于超分子固态物种的范畴[18]。酒石酸与尿素首先通过氢键结合形成“主体”，脂肪酸作为“客体”，包合反应为“主体”对“客体”选择性包合的过程。影响包合的两个因素为：分子间存在的几何尺寸、形状上的相互识别；分子对氢键的非共价键弱相互作用的识别。由表1可知，在酒石酸与尿素摩尔比为1∶6时，晶格参数与硬脂酸标准卡片值(PDF No.38-1923)基本相同，有利于分子间几何尺寸、形状上的识别，在尿素用量相同的情况下，直链脂肪酸被包合的量增加，异硬脂酸的纯度升高。酒石酸可以提供多个氢键位点，与含有氨基的尿素结合，所形成的酒石酸脲为正交晶系[19]，晶体结构参数为a=9.8 Å、b=17.2 Å、c=5.1 Å，晶胞体积为856.1 Å3，而尿素晶体为四方晶系，结构参数为a=b=5.7 Å、c=4.8 Å，晶胞体积为155.9 Å3,包合脂肪酸的主体骨架的空间体积增大。异硬脂酸由于支链的存在，分子空间体积较大，位阻大，“主体”和“客体”空间体积都增大，二者以氢键结合的作用力减弱，被包合的异硬脂酸容易受到外界条件的干扰重新进入液相，异硬脂酸的得率升高。随着酒石酸加入量的增大，在酒石酸与尿素摩尔比为1∶3时，图7表明硬脂酸分子的特征峰强度减弱，说明固相包合物中硬脂酸分子的结晶度降低，晶体的键长为a=b=24.0 Å、c=17.2 Å，晶胞体积明显增大。根据尿素包合原理[20]，脂肪酸分子与尿素分子是通过范德华引力的色散力或静电力结合形成稳定的包合物，晶胞体积的增大，使包合物的稳定性降低，异硬脂酸的纯度和得率降低。

3 结 论

(1)对酒石酸辅助尿素包合分离异硬脂酸的主要影响因素进行探究。结果表明：最佳的工艺条件为酒石酸与尿素摩尔比1∶6、尿素与混合脂肪酸质量比2∶1、甲醇与混合脂肪酸质量比11.9∶1、包合时间12 h、包合温度10℃，在最佳工艺条件下异硬脂酸的纯度为72.1%，得率为87.4%。

(2)对不同酒石酸与尿素摩尔比下得到的固相包合物进行分析。显微镜观察结果表明：酒石酸与尿素摩尔比为1∶6时包合物晶体针状结构明显，外部形态完整；酒石酸与尿素摩尔比为1∶3时，包合物晶体的针状结构基本消失，形成片状晶体粘连成块状。用X射线衍射仪分析，所得谱图中酒石酸与尿素摩尔比为1∶6时硬脂酸分子特征峰强度最高，晶胞体积为1 849.9 Å3，键长为a=39.9 Å、b=4.9 Å、c=9.4 Å，晶格参数与硬脂酸标准卡片值(PDF No.38-1923)基本相同，有利于分子间存在的几何尺寸、形状上的识别，相同的尿素用量下，异硬脂酸的纯度升高。酒石酸与尿素摩尔比为1∶3时，包合物晶体的晶格体积明显增大，分子间氢键作用力减弱，稳定性降低，异硬脂酸的纯度和得率降低。在相同工艺条件下，酒石酸的加入量可调控固相包合物的外部形态和晶体结构，使异硬脂酸的纯度和得率发生改变。