3-羟基-2-丁酮的应用

背景及概述^[1]

3-羟基-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、果实的香味增强剂，作为配置奶油、乳品、酸奶和草莓型等的香精，还广泛用于烟草，医药等，具有极高的应用价值，我国GB2760-86规定其为允许使用的食品香料，此外，3-羟基-2-丁酮还是合成许多香料化合物和药物的中间体。虽然3-羟基-2-丁酮用途广泛，并且自然存在于玉米、葡萄、可可、苹果、香蕉、干酪、肉类等许多食品中，但是其含量极低，难以提取。国内使用的高纯度的3-羟基-2-丁酮基本上依靠进口，而且价格昂贵。因此，开展这方面的研究具有很好的工业应用前景。近年来有关3-羟基-2-丁酮合成的研究多有报道，其主要的制备方法有乙酰乳酸脱酸法，丁二酮选择性还原法，山梨糖菌或生膜菌作用于2，3-丁二醇选择性氧化法获得，或者通过曲霉菌、青霉菌等真菌作用于甘蔗汁获得，上述方法由于成本或技术要求过高，尚不能工业应用，最近有报道以丁酮为原料，溴酸盐为氧化剂制备乙偶姻，但由于其工艺需两步，反应复杂，产物分离复杂，且收率低，难以在工业上获得应用。

应用^[1-2]

2，3-丁二醇是重要的化工原料和液体燃料，广泛应用于化工、食品、燃料及航空航天等领域。2，3-丁二醇脱氢生成双乙酰，是一种高价值食品风味剂，具有一定的抑菌效果。2，3-丁二醇是一种极具价值的液体燃料，其燃烧值与甲醇(22.1kJ/g)、乙醇(29.0kJ/g)相当。由于2，3-丁二醇的高辛烷值，它可作为汽油的辛烷值提升剂或航空燃料另外，2，3-丁二醇及其衍生物亦可广泛用于药用载体、增塑剂、柔软剂等的生产。3-羟基-2-丁酮(乙偶姻)是一种应用广泛的天然食用香料，脱水生成的甲乙酮可作为一种高价值的液体燃料添加剂，脱水生成的1，3-丁二烯可用于合成橡胶、ABS树脂及SBS弹性体等；酯化产品是合成聚酯和聚氨酯的前体。

1）制备4，5-二甲基-1，3-二氧杂环戊烯-2-酮。该方法以3-羟基-2-丁酮和碳酸二甲酯为主要原料，包括以下步骤：(1)按一定比例加入3-羟基-2-丁酮、碳酸二甲酯、催化剂、溶剂，在60-100℃加热反应混合物，进行酯交换反应3-6h，(2)提高反应混合物温度至110-160℃，保持此温度反应2-5h，继续蒸出甲醇等副产物；(3)反应结束后，冷却反应混合物至室温，慢慢加入浓盐酸中和反应催化剂至反应混合物pH值为7左右；分馏回收碳酸二甲酯后，减压蒸出脂肪醚适量；蒸馏剩余物冷却至0-5℃，结晶、过滤或离心，得到产物4，5-二甲基-1，3-二氧杂环戊烯-2-酮粗品；本工艺从源头上消除了安全隐患，生产安全可靠。

2）制备4，5-二甲基-1，3-二氧杂环戊烯-2-酮，该方法将3-羟基-2-丁酮异构化为烯醇结构后，在碱性酯化催化条件下，与无毒、无腐蚀性、廉价的二氧化碳一步法合成环形碳酸酯类化合物，经洗涤、结晶，过滤或离心步骤制得4，5-二甲基-1，3-二氧杂环戊烯-2-酮粗品。粗品进一步重结晶纯化得到本发明的4，5-二甲基-1，3-二氧杂环戊烯-2-酮产品。本方法符合原子经济反应，大大减少如盐酸等副产物三废的产生和排放，是一种绿色环保安全的生产工艺。

制备^[1-2]

方法1：以三聚乙醛为原料，以噻唑盐为催化剂，三聚乙醛与噻唑盐的质量比是40∶1-400∶1，用NaOH溶液调节反应混合液的pH值到8-11，反应温度为120-180℃，在自生压力条件下直接合成3-羟基-2-丁酮。所述的三聚乙醛与噻唑盐的质量比优选为100∶1-200∶1。反应时间为1-10小时，反应温度优选为140-160℃。

方法2：利用一株环境安全菌株Bacillus-amyloliquefaciens-CCTCC-NO：M2012349，通过改变培养基中玉米浆含量及搅拌转速和通气量，就可以选择性生产3-羟基-2-丁酮或2，3-丁二醇的方法：

(1)B.amyloliquefaciensCCTCCM2012349种子培养：从活化平板上挑取单菌落接种于种子培养基中进行种子培养，培养温度37℃，摇床转速160r/min，培养时间为12h左右，种子培养基组成：酵母提取物5g/L，胰蛋白胨10g/L，NaCl10g/L；

(2)B.amyloliquefaciensCCTCCM2012349发酵培养：初始发酵培养体积为2.5L，采用的发酵培养基成分如下：

3-羟基-2-丁酮发酵培养基成分：葡萄糖160g/L，玉米浆5g/L，尿素3g/L，柠檬酸钠6g/L，K2HPO44g/L，MgSO40.2g/L；将上述发酵培养基用5mol/L的NaOH调节其pH至6.5，在121℃下高温灭菌30min。

3-羟基-2-丁酮发酵发酵条件：将上述培养好的种子液按4％接种量接种于发酵培养基中进行发酵培养，发酵温度37℃，空气流量为240m3/h·m3培养基，搅拌转速为450r/min。定时取样测定细胞浓度、底物残留量和3-羟基-2-丁酮产量，发酵结束后，3-羟基-2-丁酮产量达到61.2g/L，转化率达到0.38g/g葡萄糖。

2，3-丁二醇发酵培养基成分：葡萄糖160g/L，玉米浆40g/L，尿素3g/L，柠檬酸钠6g/L，K2HPO44g/L，MgSO40.2g/L；将上述发酵培养基用5mol/L的NaOH调节其pH至6.5，在121℃下高温灭菌30min。

2，3-丁二醇发酵发酵条件：将上述培养好的种子液按4％接种量接种于发酵培养基中进行发酵培养，发酵温度37℃，空气流量为120m3/h·m3培养基，搅拌转速为350r/min。定时取样测定细胞浓度、底物残留量和2，3-丁二醇产量，发酵结束后，2，3-丁二醇产量达到70.8g/L，转化率达到0.44g/g葡萄糖。

主要参考资料

[1] CN200910310247.2一种合成3-羟基-2-丁酮的方法

[2] CN201310342414.8一种微生物发酵选择性生产3-羟基-2-丁酮和2，3-丁二醇的方法

[3] CN201310454250.84，5-二甲基-1，3-二氧杂环戊烯-2-酮的制备方法

[4] CN201310454367.6利用二氧化碳制备4，5-二甲基-1，3-二氧杂环戊烯-2-酮的方法