化工领域中苹果酸的应用研究进展

王宾，左芳，陈超丽，门靖

（1.三星（中国）半导体有限公司，陕西 西安 710119；2.西安市碑林区新东方培训中心，陕西 西安 710068；3.西安万隆制药股份有限公司，陕西 西安 710119）

苹果酸（Malic Acid）作为应用广泛的二元羧酸小分子，是一种重要的四碳平台化合物。其化学名称为2-羟基丁二酸，具有安全、无毒害特性，可促进生物机体新陈代谢，发挥防氧化、抗衰老、维持机体电解质平衡等多种良好的药理活性[1-2]。苹果酸除具有前述生理、化学特性外，还可与多种有机醇进行酯化反应制备功能型苹果酸酯类化合物、易与多种金属离子络合、自身发生聚合或者与其他单体共聚、羧基和羟基易于化学改造与修饰等特点，在构筑功能型聚合物、新型半导体材料方面研究活跃，近年来成为化工领域研究与开发的热点产品[3-4]。

目前，国内苹果酸的消耗量逐年递增，作为一种高附加值化工原料，随着生产技术的不断改进，苹果酸必将产生更为显著的经济效应。本文对苹果酸在化工领域的应用研究进行综述，以期对化工领域中苹果酸的应用开发及下游高附加值产品的研究提供借 鉴。

1 苹果酸行业简介

1.1 苹果酸市场情况

2022 年全球苹果酸市场销售额已突破2.4 亿美元，预计2028 年将达到4.5 亿美元，2022～ 2028 年复合增长率为2.5%。国内市场苹果酸生产商布局呈现出较快发展，2022 年市场规模接近0.4 亿美元，约占全球的16.7%，预计2028 年国内苹果酸市场规模将突破0.9 亿美元，届时全球占比将接近五分之 一[5]。

全球苹果酸供应商主要有Bartek Ingredients、Fuso Chemical、Thirumalai Chemicals 等公司，其中总部位于加拿大的Bartek Ingredients 公司作为全球最大的苹果酸、富马酸及马来酸酐生产商，其苹果酸产能可达到5 000 吨/年。国内苹果酸原料药级别的生产厂家主要包括：西安万隆制药股份有限公司、常茂生物化学工程股份有限公司、长春翔通药业有限公司、天津红日药业股份有限公司、兰西哈三联制药有限公司等。苹果酸药用辅料级别的生产厂家主要包括：江西阿尔法高科药业有限公司、湖南尔康制药股份有限公司、常茂生物化学工程股份有限公司等[6-7]。

1.2 苹果酸制备方法

目前，苹果酸的制备方法主要包括：直接提取法、化学合成法、酶法和发酵法，其制备方法的原理及生产特点见表1。传统工业上以石油基原料为底物，通过化学法或酶法合成苹果酸，后处理较为繁琐。近年来应用黄曲霉、大肠杆菌、酵母菌等微生物发酵法合成苹果酸，其立体选择性高、原料成本低、副产物少，具有良好的应用前景。

表1 苹果酸制备方法Tab.1 The preparation method of malic acid

2 苹果酸在化工领域中的应用研究

2.1 化工中间体

苹果酸分子里有两个羧基，因此易与有机醇在催化剂存在下进行酯化反应，获得种类丰富的苹果酸酯类化合物，进而扩大苹果酸下游产品的开发与利用。肖伟洪等[8]选择苹果酸和异戊醇为起始原料，借助微波化学反应器高效合成了一种苹果酸异戊酯（合成路线图见图1）。优化实验表明：摩尔比n（苹果酸）/ n（异戊醇）为1∶4，浓硫酸质量浓度3%、微波温度80℃、微波辐射时间20 min 为较优工艺参数。研究指出投料摩尔比是工艺难点，摩尔比低，实验反应速率缓慢，且杂质变大；摩尔比过高，则会引起降解反应，同时增加生产成本。在最优工艺条件下，反应收率最高达93.6%。苹果酸异戊酯是一种具有特殊芳香气味的化合物，具有驱避昆虫效果，在制备化工香料、驱蚊剂具有原料供应充足、反应条件温和等优势。

图1 苹果酸异戊酯合成路线图Fig.1 The synthesis route of isoamyl malate

苹果酸依次经分子脱水、甲醇酯化可制备马来酸二甲酯（图2a），其是一种应用较广的有机二元羧酸酯类化工中间体。马来酸二甲酯因其价格低廉、市场供应充足，在高分子单体和合成树脂的增塑剂、脂肪油类防腐剂领域具有广阔的应用前景[9]。马来酸二甲酯也可通过金属催化加氢反应进一步获得γ-丁内酯（图2b），该化合物是常用的化工溶剂和聚合单体。γ-丁内酯的合成方法还包括：顺酐加氢与1，4-丁二醇脱氢偶合法、糠醛加氢偶合法以及顺酐超临界二氧化碳流体加氢法等工艺。这些工艺中虽采用无毒害的催化剂和溶剂，反应后处理较为简便，但是需要密封性良好的加氢设备，成本高、设备损耗大、环境污染大。苹果酸为起始原料合成γ-丁内酯设备匹配性好、操作便捷、绿色环保、适宜工业化生产。γ-丁内酯可与氨水反应制备吡咯烷酮（图2c）。吡咯烷酮是一种应用较广的化工医药中间体，可作为化工反应溶剂和助剂。苹果酸为起始原料制备吡咯烷酮，拓展了其在乙烯基吡咯烷酮、固化涂料、塑料薄膜、高分子表面活性剂等领域的应用，同时，该合成路线产业化前景巨大[10]。

图2 吡咯烷酮合成路线图 Fig.2 The synthesis route of pyrrolidone

2.2 功能型聚合物

2.2.1超支化聚合物

目前，冷却水用量占工业用水总量的比重日益增加，循环管路冷却水的无机盐离子比重较高，管路形成难溶性无机盐的结垢现象较为严重，从而引起设备腐蚀度高、使用寿命降低。水垢的主要成分包括：硫酸钙、碳酸钙、磷酸钙等无机钙盐，其中硫酸钙去除最为困难，有效的处理方法为管道中加入适量阻垢剂。超支化聚合物（Hyperbranched polymer）通常具有良好的螯合、吸附、分散能力，对水垢形成和结晶过程可产生明显的阻碍效果，是研究颇多的一类阻垢剂[11-12]。

龚伟等[13]设计合成了一种含有三维分子结构及大量末端活性官能团超支化聚合物，并将其引入阻垢剂的分子中。实验采用熔融聚合法，以苹果酸为AB2 型共聚单体，三羟甲基丙烷为中心核，构筑了苹果酸型超支化聚合物（结构示意图见图3）。实验结果表明：苹果酸型超支化聚合物获得了良好的分散性能，在硫酸钙水垢晶体的生长过程中起到一定的抑制作用。研究表明阻垢剂添加用量是关键工艺参数，是影响阻垢效率的关键因素。较优的阻垢剂添加用量为12 mg/L 时，阻垢效率可达到95.2 %。

图3 苹果酸型超支化聚合物结构示意图Fig.3 The structure diagram of malic acid hyperbranched polymer

2.2.2配位聚合物

配位聚合物（Coordination polymer）通常可透过分子进行自组装合成，具有优良的物理化学性能，在化工、材料、催化、光电等领域应用广泛[14-16]。配位聚合物中的有机配体通常有席夫碱、含氮化合物、多羧酸化合物。多羧酸化合物因具备较强的配位能力、灵活的键合方式和多种立体构象，使其在有机配体中应用活跃[17-18]。苹果酸作为含羟基的二元羧酸，在配位聚合物的制备中得到了良好的应用，是应用活跃的小分子有机酸桥联配体（Exo-ligand）。

杨剑等[19-20]选择苹果酸作为桥联配体，2，2'-联吡啶和菲咯啉作辅助配体，构筑了过渡金属配位聚合 物{ [Zn（mal）（2，2'-bipy）]2·5H2O}n（1）、{ [Zn（mal）（Phen）（H2O）]2·3H2O}n（2）和{ [Cu（mal）（Phen）]2·4H2O}n（3）（mal=苹果酸，2，2'-bipy=2，2'-联吡啶，Phen=菲咯啉）。测试结果表明配合物1 和2 均属于正交晶系，研究证实了苹果酸根桥联金属中心形成一维链结构，2 条平行链之间以面对面的方式重叠及通过吡啶环或菲咯啉环之间的π-π 弱相互作用形成梯状双链结构。而配合物3 属于单斜晶系，是通过苹果酸根桥联Cu（Ⅱ）金属中心及菲咯啉π-π 弱相互作用形成双链二维层状结构。该研究工作表明苹果酸作为小分子有机酸桥联配体，较之过氧基、亚氨基、硝基、硫酸根等其他桥联配体在构筑过渡金属配位聚合物方面具有晶体结构稳定、无杂相、可获得新颖的梯状双链二维层状结构等优势，在化工特种材料、医药工程、生命科学领域应用前景广大。

2.3 自修复材料

自修复材料（Self repairing material）是一种能够使聚合物的微裂纹自动修复，可明显延长材料的使用寿命，提高使用安全性的新型智能材料，具有自诊断和自修复的双重性能，是化工、能源、生物材料的研究热点[21-22]。根据不同的载体可以分为空心纤维自修复、胶囊及微胶囊自修复、纳米粒子自修复、微脉管自修复材料等。

余春阳等[23]优选乙基纤维素、聚乙烯为壁材、苹果酸为芯材、正己烷为溶剂，采用相分离法制备了一种苹果酸胶囊自修复材料（结构示意图见图4）。制备工艺参数为：反应温度80 ℃、反应时间5.5 h、干燥温度40 ℃。实验将苹果酸胶囊应用于油井水泥中的裂缝修复研究，评价了其对裂缝的修复效果，结果表明：苹果酸加入速度是反应难点，苹果酸需要分批缓慢加入，并充分搅拌，且苹果酸在3%的加入量时为最优工艺参数，水泥石的抗压强度恢复率达到72.9%，渗透率修复率达到95.4%，展现出良好的自修复效果。基于苹果酸为芯材的自修复材料可解决油气井水泥因受射孔、试压、开采、压裂等外力作用及地下岩石复杂的推动作用而产生的裂缝，对于保障油气井的安全使用及提高使用寿命具有积极效果，相比于其他胶囊型自修复材料具有价格低廉、制备工艺简单的优势。

图4 苹果酸胶囊自修复材料结构示意图Fig.4 The structure diagram of malic acid capsule self-healing material

图5 碳氧共掺杂多孔石墨相氮化碳材料制备Fig.5 The preparation of porous graphite phase nitrided carbon materials doped with carbon and oxygen

2.4 电化学低共熔溶剂

低共熔溶剂（Deep eutectic solvents，DESs）属于一种生态环保的绿色溶剂，在化工与医药、生物工程、纺织工业等领域显示出巨大的应用潜力。詹龙胜等[24]制备了苹果酸-氯化胆碱低共熔溶剂，并对其电导率及电化学窗口进行研究。测试结果表明：电导率随温度的升高而提高。低共熔溶剂的电化学窗口较宽，稳定性良好，可应用于电沉积镍的研究。同时，该研究采用扫描电子显微镜观察了镀层的微观形貌，研究指出镀层表面布满了针状体，镀层的耐蚀性有所提高。龚梓琴等[25]开发了尿素-氯化胆碱和苹果酸-氯化胆碱两种电化学低共熔溶剂，实验采用浸渍法对淀粉上浆的纯棉织物分别进行退浆。测试结果表明：采用苹果酸-氯化胆碱进行织物处理，处理温度105 ℃、处理时间30 min，织物的退浆率高达89.73%。

2.5 半导体材料

石墨相氮化碳（Graphitic carbon nitride，g-C3N4）是一种结构特殊的聚合物半导体，结构中的碳氮原子以sp2 杂化形成高度离域的π 共轭体系，具有高占据分子轨道（HOMO）及未占据分子轨道（LUMO），可以吸收太阳光谱中波长小于475 的蓝紫光。g-C3N4具有合适的半导体带边位置，绿色环保、廉价易得、热稳定性好、还原能力强，在半导体材料的开发应用中研究活跃[26-27]。

景立权[28]采用尿素和苹果酸为原料，经一步煅烧法成功制备了一种新型碳氧共掺杂多孔石墨相氮化碳g-C3N4（PACN）材料。通过其理论模拟结构进行态密度和电子结构计算结果表明，g-C3N4（PACN）材料中氧和碳的引入对其调节电子结构至关重要，可获得较窄的带隙。研究指出在长波长（λ≥550 nm）和近红外光（λ≥760 nm）照射下，该材料对双酚A 展现出宽光谱的光催化活性，具有良好的光催化降解能力。基于苹果酸制备的g-C3N4（PACN）可作为良好的光催化剂，可避免传统的二氧化钛光催化剂选择性差、光敏化效率低等劣势，具有较好的工业化前景。

3 展望

苹果酸作为应用广泛的四碳平台化合物，属于高附加值精细化学品，其在化工、医药、日化、能源、半导体材料等领域研究十分活跃。苹果酸可与多种有机醇化合物通过酯化反应获得种类丰富的苹果酸衍生物产品；由于苹果酸分子含有可聚合的羟基、羧基官能团，在超支化聚合物、配位聚合物领域研究活跃，是构筑特种功能聚合物的关键单元。苹果酸在构筑新型半导体材料方面也有较高的研究价值，可获得极具发展前景的新型复合材料。

未来随着有机合成、化工工程、功能型助剂、特种材料等需求的不断增加，必将促使苹果酸需求量不断增加，提升苹果酸商业化的大力发展，其市场前景广阔。未来研究中，相关研究工作者首先应注重多系列苹果酸酯类化合物的研发与应用，并建立高效、稳定的工业化生产工艺；其次，优化苹果酸聚合物的使用特性与可生物降解性能，拓展苹果酸聚合物的应用领域；再者，凭借计算机模拟技术加快苹果酸下游高附加值产品的设计与应用，将苹果酸及其衍生物进行商业化推广，以提升我国苹果酸行业的整体技术与应用水平。