1,3-二羟基丙酮的应用与合成

1,3-二羟基丙酮或二羟基丙酮，英文名为1,3-dihydroxyacetone 或dihydroxyacetone,简写为DHA，是最简单的酮糖，表观分子式为C₃H₆O₃，分子量为90.07。

理化性质

1,3-二羟基丙酮外观为白色粉末，有甜味，水溶性>250g/L (20℃)，在pH 6.0时稳定，熔点为70~80℃ (单体和二聚体的混合物)，易溶于水、乙醇、丙酮及乙醚等溶剂。一般状态下，DHA是以二聚体(1,4-Dioxane)形式存在的结晶，但是，经溶解或加热后则变为单体。大白鼠急性毒性: LD₅₀>16000 mg/kg。DHA是一种重要的化工原料、医药中间体和食品添加剂。在市售的商品中，有医用级和化妆品级，各种商品规格见表1-1。^[1]

1,3-二羟基丙酮的应用

1,3-二羟基丙酮是一种重要的化工原料，也是重要的医药中间体及食品添加剂，它是一种天然存在的水溶性酮糖，具有生物可降解性，人和动物均可食用，对环境和身体基本没有毒害。其自身含有三个官能团，化学性质相当活泼，能广泛参与诸如缩合、酯化、加聚等多种类型化学反应，有“绿色平台化合物”之称，广泛应用于化妆品、食品添加剂、饲料、医药等行业。^[2-3]

用于皮肤保-湿防晒

1,3-二羟基丙酮能与皮肤表层自由氨基结合在皮肤表面形成一细密的薄膜，反射太阳光，屏蔽紫外线，阻止皮肤水份过度蒸发，能起到很好的保湿及防晒作用。利用这一特性，二羟基丙酮被广泛应用于化妆品中，已成功开放出了各种保护皮肤效果极佳的化妆液。

用于增加猪瘦肉率

在猪饲料中加入一定量的1,3-二羟基丙酮和丙酮酸盐(钙盐)的混合物(按3:1的重量比配合)，能减少猪肉的脂肪含量，增加瘦肉率。

用于治疗白斑、白癜风

白斑影响美容，研究表明用0.2% ~0.5%1,3-二羟基丙酮酒精溶液涂于患部，可使其接近正常皮肤。另外，在白癜风白斑处搽二羟基丙酮复合液(二羟基丙酮2.0g,维生素B 200mg，二甲基亚砜100mL)，照射He-Ne激光10min，治疗处重搽二羟基丙酮复合液，其治疗白癜风白斑的效果较好。

用于抗病毒

1,3-二羟基丙酮可直接作为一种抗病毒试剂，如在鸡胚胎培养中，使用二羟基丙酮能大大抑制鸡瘟病毒的感染，杀死51%~100%的鸡瘟病毒。此外，以二羟基丙酮衍生物作为中间体合成的一些化合物表现出一定的抗病毒活性，如抗艾滋病病毒等。

用于抗肥胖

Stanko等研究在饮食重补充二羟基丙酮对食用低热量膳食的肥胖女性的影响，结果发现:对照组受试者体重和体脂分别平均下降5.6kg和3.5kg，而DHA补充组受试者体重和体脂分别下降6.5kg和4.3kg;两者的体重和体脂下降都具有统计学上的差异。

用于合成衍生物

1,3-二羟基丙酮分子中含有三个官能团(两个羟基、一个羰基)，化学性质活泼，广泛参与诸如聚合、缩合等各种化学反应，是一个重要的化学合成中间体。二羟基丙酮作为中间体用于有机化学合成衍生物时，可用于羟醛缩合反应制取各种手性化合物；经生物或化学法还原可得到具有光学活性的仲醇；直接用于光化学反应中的Diels-Alder加成反应制备糖类化合物或经进一步反应用于该类加成反应；与卡宾发生插入反应；与2, 2-二烷氧基环丙烷衍生物作用制备内脂；用于制备一些桥环化合物进而开环得到众多有用的化学产品。同时二羟基丙酮也是一个重要的多功能试剂，如在工业应用上，能最有效地还原丁二烯-苯乙烯复合物，能有效地催化甲醛到羟醛、羟酮的缩合反应。

1,3-二羟基丙酮的合成

1,3-二羟基丙酮的生产方法主要有化学法与生物法，工业上生产方法目前主要是微生物催化甘油法。^[4]

化学法合成法

甘油氧化法

甘油氧化法就是在一定条件及催化剂作用下，甘油结构上的羟基官能团容易被氧化，由于甘油结构上有伯位和仲位两种羟基，不同催化剂及不同反应条件对伯位和仲位上的羟基的氧化选择性也不同，即可以氧化伯位羟基生成日油醛和氧化仲位羟基生成DHA，反应方程式如下图所示。利用贵金属制备不同的金属催化剂，有选择性的氧化甘油，解决其他副产物(甘油醛、甘油酸、丙醇二酸、丙酮二酸等)的生成，从而得到所需的目标产物。化学法生产DHA的催化剂主要有Pt、Pt-Bi、TEMPO等各种催化剂的催化效率不，该法选择性不高，得率最高只有50%多。

近年来不少学者主要研究了贵金属催化剂的合成，采用Au-PvC和BiPU/C作为催化剂，氧化甘油生产DHA，甘油转化率从37%提高到了100%，DHA产率也从26%提高到50%左右，这是月前报道中最高的。

甲醛缩合法

甲醛缩合法就是在含氮杂环化合物的盐与质子受体缩合的催化剂体系中，甲醛在无水液体介质中进行自缩合，产生DHA或其聚合物，反应方程式如下图所示。含氮杂环化合物盐主要为脂肪族、芳香族和杂环噻唑鎓盐，质子受体主要以胺类、金属醇盐和含碱性氧原子的化合物为佳。二者的选择要以有利于DHA的分离提取和提高催化剂体系活性为前提。

Matsumoto等人以3-乙基苯并噻唑溴化物为催化剂，三乙胺或奎宁环辅助催化，N,N-二甲基甲酰胺或二氧杂环己烷作为反应体系，将多聚甲醛转化为DHA，DHA选择性能达到90%左右。

Gehrer等人对甲醛生产DHA进行了中试规模连续生产实验，连续运行128h，甲醛转化率为30%，DHA的选择性达到93%- 97%，该工艺可以稳定运行，并慢慢趋于工业化。

微生物法

微生物催化甘油生产DHA的机理是在微生物细胞产生的甘油脱氢酶作用下，甘油分子仲位C上的羟基进行脱氢反应从而生成DHA，因此凡是可以代谢甘油，并具有相应的甘油脱氢酶系的微生物，都可以催化甘油生产DHA。

文献报道能代谢甘油生产DHA的微生物很多，主要有葡糖杆菌属(Gluconobacter)；醋杆菌属(Acetobacter)，主要是以葡糖氧化杆菌(G.oxydans)和弱氧化醋酸杆菌(A.Suboxydans)研究报道最多，两者都为革兰氏阴性棒状杆菌，拥有相似的代谢机制。此外，还有地衣芽孢杆菌(Bac ilus licheniformis)、粗状假丝酵母(Candida valida)、粗糙脉胞菌(Neurospora crassa)、汉逊酵母(Hansenula polymorpha)、膜璞毕赤酵母(Pichia membranifaciens)、大肠杆菌(Escherichia coli)、产气克雷伯氏菌(Klebsiella aerogenes)、假单胞菌(Acinetobacter sp.)等也有报道能够将甘油催化为DHA。

生物法催化甘油生产DHA的核心内容是以甘油为底物，在微生物体内甘油脱氢酶的作用下，甘油结构仲位C上的羟基进行脱氢反应，从而生成DHA，下图为反应方程式：

参考文献

[1] 马立娟. 生物法生产1,3-二羟基丙酮产品研究[D]. 天津大学, 2009, 3-4.

[2] 余健儿. 间接氧化甘油制备1,3-二羟基丙酮的研究[D]. 浙江工业大学, 2009. 6-8.

[3] 庞胜兰. 1,3-二羟基丙酮的合成研究[D]. 山东师范大学, 2012, 2-4.

[4] 阮丽娟. 静息细胞生物催化甘油生产1,3-二羟基丙酮[D]. 浙江工业大学, 2012, 2-5.