513-86-0 / 3-羥基-2-丁酮的應用

背景及概述^[1]

3-羥基-2-丁酮，又名乙偶姻，它具有令人愉快的奶油香味，用于奶油，干酪、咖啡、果實的香味增強劑，作為配置奶油、乳品、酸奶和草莓型等的香精，還廣泛用于煙草，醫(yī)藥等，具有極高的應用價值，我國GB2760-86規(guī)定其為允許使用的食品香料，此外，3-羥基-2-丁酮還是合成許多香料化合物和藥物的中間體。雖然3-羥基-2-丁酮用途廣泛，并且自然存在于玉米、葡萄、可可、蘋果、香蕉、干酪、肉類等許多食品中，但是其含量極低，難以提取。國內使用的高純度的3-羥基-2-丁酮基本上依靠進口，而且價格昂貴。因此，開展這方面的研究具有很好的工業(yè)應用前景。近年來有關3-羥基-2-丁酮合成的研究多有報道，其主要的制備方法有乙酰乳酸脫酸法，丁二酮選擇性還原法，山梨糖菌或生膜菌作用于2，3-丁二醇選擇性氧化法獲得，或者通過曲霉菌、青霉菌等真菌作用于甘蔗汁獲得，上述方法由于成本或技術要求過高，尚不能工業(yè)應用，最近有報道以丁酮為原料，溴酸鹽為氧化劑制備乙偶姻，但由于其工藝需兩步，反應復雜，產(chǎn)物分離復雜，且收率低，難以在工業(yè)上獲得應用。

應用^[1-2]

2，3-丁二醇是重要的化工原料和液體燃料，廣泛應用于化工、食品、燃料及航空航天等領域。2，3-丁二醇脫氫生成雙乙酰，是一種高價值食品風味劑，具有一定的抑菌效果。2，3-丁二醇是一種極具價值的液體燃料，其燃燒值與甲醇(22.1kJ/g)、乙醇(29.0kJ/g)相當。由于2，3-丁二醇的高辛烷值，它可作為汽油的辛烷值提升劑或航空燃料另外，2，3-丁二醇及其衍生物亦可廣泛用于藥用載體、增塑劑、柔軟劑等的生產(chǎn)。3-羥基-2-丁酮(乙偶姻)是一種應用廣泛的天然食用香料，脫水生成的甲乙酮可作為一種高價值的液體燃料添加劑，脫水生成的1，3-丁二烯可用于合成橡膠、ABS樹脂及SBS彈性體等；酯化產(chǎn)品是合成聚酯和聚氨酯的前體。

1）制備4，5-二甲基-1，3-二氧雜環(huán)戊烯-2-酮。該方法以3-羥基-2-丁酮和碳酸二甲酯為主要原料，包括以下步驟：(1)按一定比例加入3-羥基-2-丁酮、碳酸二甲酯、催化劑、溶劑，在60-100℃加熱反應混合物，進行酯交換反應3-6h，(2)提高反應混合物溫度至110-160℃，保持此溫度反應2-5h，繼續(xù)蒸出甲醇等副產(chǎn)物；(3)反應結束后，冷卻反應混合物至室溫，慢慢加入濃鹽酸中和反應催化劑至反應混合物pH值為7左右；分餾回收碳酸二甲酯后，減壓蒸出脂肪醚適量；蒸餾剩余物冷卻至0-5℃，結晶、過濾或離心，得到產(chǎn)物4，5-二甲基-1，3-二氧雜環(huán)戊烯-2-酮粗品；本工藝從源頭上消除了安全隱患，生產(chǎn)安全可靠。

2）制備4，5-二甲基-1，3-二氧雜環(huán)戊烯-2-酮，該方法將3-羥基-2-丁酮異構化為烯醇結構后，在堿性酯化催化條件下，與無毒、無腐蝕性、廉價的二氧化碳一步法合成環(huán)形碳酸酯類化合物，經(jīng)洗滌、結晶，過濾或離心步驟制得4，5-二甲基-1，3-二氧雜環(huán)戊烯-2-酮粗品。粗品進一步重結晶純化得到本發(fā)明的4，5-二甲基-1，3-二氧雜環(huán)戊烯-2-酮產(chǎn)品。本方法符合原子經(jīng)濟反應，大大減少如鹽酸等副產(chǎn)物三廢的產(chǎn)生和排放，是一種綠色環(huán)保安全的生產(chǎn)工藝。

制備^[1-2]

方法1：以三聚乙醛為原料，以噻唑鹽為催化劑，三聚乙醛與噻唑鹽的質量比是40∶1-400∶1，用NaOH溶液調節(jié)反應混合液的pH值到8-11，反應溫度為120-180℃，在自生壓力條件下直接合成3-羥基-2-丁酮。所述的三聚乙醛與噻唑鹽的質量比優(yōu)選為100∶1-200∶1。反應時間為1-10小時，反應溫度優(yōu)選為140-160℃。

方法2：利用一株環(huán)境安全菌株Bacillus-amyloliquefaciens-CCTCC-NO：M2012349，通過改變培養(yǎng)基中玉米漿含量及攪拌轉速和通氣量，就可以選擇性生產(chǎn)3-羥基-2-丁酮或2，3-丁二醇的方法：

(1)B.amyloliquefaciensCCTCCM2012349種子培養(yǎng)：從活化平板上挑取單菌落接種于種子培養(yǎng)基中進行種子培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度37℃，搖床轉速160r/min，培養(yǎng)時間為12h左右，種子培養(yǎng)基組成：酵母提取物5g/L，胰蛋白胨10g/L，NaCl10g/L；

(2)B.amyloliquefaciensCCTCCM2012349發(fā)酵培養(yǎng)：初始發(fā)酵培養(yǎng)體積為2.5L，采用的發(fā)酵培養(yǎng)基成分如下：

3-羥基-2-丁酮發(fā)酵培養(yǎng)基成分：葡萄糖160g/L，玉米漿5g/L，尿素3g/L，檸檬酸鈉6g/L，K2HPO44g/L，MgSO40.2g/L；將上述發(fā)酵培養(yǎng)基用5mol/L的NaOH調節(jié)其pH至6.5，在121℃下高溫滅菌30min。

3-羥基-2-丁酮發(fā)酵發(fā)酵條件：將上述培養(yǎng)好的種子液按4％接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中進行發(fā)酵培養(yǎng)，發(fā)酵溫度37℃，空氣流量為240m3/h·m3培養(yǎng)基，攪拌轉速為450r/min。定時取樣測定細胞濃度、底物殘留量和3-羥基-2-丁酮產(chǎn)量，發(fā)酵結束后，3-羥基-2-丁酮產(chǎn)量達到61.2g/L，轉化率達到0.38g/g葡萄糖。

2，3-丁二醇發(fā)酵培養(yǎng)基成分：葡萄糖160g/L，玉米漿40g/L，尿素3g/L，檸檬酸鈉6g/L，K2HPO44g/L，MgSO40.2g/L；將上述發(fā)酵培養(yǎng)基用5mol/L的NaOH調節(jié)其pH至6.5，在121℃下高溫滅菌30min。

2，3-丁二醇發(fā)酵發(fā)酵條件：將上述培養(yǎng)好的種子液按4％接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中進行發(fā)酵培養(yǎng)，發(fā)酵溫度37℃，空氣流量為120m3/h·m3培養(yǎng)基，攪拌轉速為350r/min。定時取樣測定細胞濃度、底物殘留量和2，3-丁二醇產(chǎn)量，發(fā)酵結束后，2，3-丁二醇產(chǎn)量達到70.8g/L，轉化率達到0.44g/g葡萄糖。

主要參考資料

[1] CN200910310247.2一種合成3-羥基-2-丁酮的方法

[2] CN201310342414.8一種微生物發(fā)酵選擇性生產(chǎn)3-羥基-2-丁酮和2，3-丁二醇的方法

[3] CN201310454250.84，5-二甲基-1，3-二氧雜環(huán)戊烯-2-酮的制備方法

[4] CN201310454367.6利用二氧化碳制備4，5-二甲基-1，3-二氧雜環(huán)戊烯-2-酮的方法