化工領域中蘋果酸的應用研究進展

王賓，左芳，陳超麗，門靖

（1.三星（中國）半導體有限公司，陜西 西安 710119；2.西安市碑林區新東方培訓中心，陜西 西安 710068；3.西安萬隆制藥股份有限公司，陜西 西安 710119）

蘋果酸（Malic Acid）作為應用廣泛的二元羧酸小分子，是一種重要的四碳平臺化合物。其化學名稱為2-羥基丁二酸，具有安全、無毒害特性，可促進生物機體新陳代謝，發揮防氧化、抗衰老、維持機體電解質平衡等多種良好的藥理活性[1-2]。蘋果酸除具有前述生理、化學特性外，還可與多種有機醇進行酯化反應制備功能型蘋果酸酯類化合物、易與多種金屬離子絡合、自身發生聚合或者與其他單體共聚、羧基和羥基易于化學改造與修飾等特點，在構筑功能型聚合物、新型半導體材料方面研究活躍，近年來成為化工領域研究與開發的熱點產品[3-4]。

目前，國內蘋果酸的消耗量逐年遞增，作為一種高附加值化工原料，隨著生產技術的不斷改進，蘋果酸必將產生更為顯著的經濟效應。本文對蘋果酸在化工領域的應用研究進行綜述，以期對化工領域中蘋果酸的應用開發及下游高附加值產品的研究提供借 鑒。

1 蘋果酸行業簡介

1.1 蘋果酸市場情況

2022 年全球蘋果酸市場銷售額已突破2.4 億美元，預計2028 年將達到4.5 億美元，2022～ 2028 年復合增長率為2.5%。國內市場蘋果酸生產商布局呈現出較快發展，2022 年市場規模接近0.4 億美元，約占全球的16.7%，預計2028 年國內蘋果酸市場規模將突破0.9 億美元，屆時全球占比將接近五分之 一[5]。

全球蘋果酸供應商主要有Bartek Ingredients、Fuso Chemical、Thirumalai Chemicals 等公司，其中總部位于加拿大的Bartek Ingredients 公司作為全球最大的蘋果酸、富馬酸及馬來酸酐生產商，其蘋果酸產能可達到5 000 噸/年。國內蘋果酸原料藥級別的生產廠家主要包括：西安萬隆制藥股份有限公司、常茂生物化學工程股份有限公司、長春翔通藥業有限公司、天津紅日藥業股份有限公司、蘭西哈三聯制藥有限公司等。蘋果酸藥用輔料級別的生產廠家主要包括：江西阿爾法高科藥業有限公司、湖南爾康制藥股份有限公司、常茂生物化學工程股份有限公司等[6-7]。

1.2 蘋果酸制備方法

目前，蘋果酸的制備方法主要包括：直接提取法、化學合成法、酶法和發酵法，其制備方法的原理及生產特點見表1。傳統工業上以石油基原料為底物，通過化學法或酶法合成蘋果酸，后處理較為繁瑣。近年來應用黃曲霉、大腸桿菌、酵母菌等微生物發酵法合成蘋果酸，其立體選擇性高、原料成本低、副產物少，具有良好的應用前景。

表1 蘋果酸制備方法Tab.1 The preparation method of malic acid

2 蘋果酸在化工領域中的應用研究

2.1 化工中間體

蘋果酸分子里有兩個羧基，因此易與有機醇在催化劑存在下進行酯化反應，獲得種類豐富的蘋果酸酯類化合物，進而擴大蘋果酸下游產品的開發與利用。肖偉洪等[8]選擇蘋果酸和異戊醇為起始原料，借助微波化學反應器高效合成了一種蘋果酸異戊酯（合成路線圖見圖1）。優化實驗表明：摩爾比n（蘋果酸）/ n（異戊醇）為1∶4，濃硫酸質量濃度3%、微波溫度80℃、微波輻射時間20 min 為較優工藝參數。研究指出投料摩爾比是工藝難點，摩爾比低，實驗反應速率緩慢，且雜質變大；摩爾比過高，則會引起降解反應，同時增加生產成本。在最優工藝條件下，反應收率最高達93.6%。蘋果酸異戊酯是一種具有特殊芳香氣味的化合物，具有驅避昆蟲效果，在制備化工香料、驅蚊劑具有原料供應充足、反應條件溫和等優勢。

圖1 蘋果酸異戊酯合成路線圖Fig.1 The synthesis route of isoamyl malate

蘋果酸依次經分子脫水、甲醇酯化可制備馬來酸二甲酯（圖2a），其是一種應用較廣的有機二元羧酸酯類化工中間體。馬來酸二甲酯因其價格低廉、市場供應充足，在高分子單體和合成樹脂的增塑劑、脂肪油類防腐劑領域具有廣闊的應用前景[9]。馬來酸二甲酯也可通過金屬催化加氫反應進一步獲得γ-丁內酯（圖2b），該化合物是常用的化工溶劑和聚合單體。γ-丁內酯的合成方法還包括：順酐加氫與1，4-丁二醇脫氫偶合法、糠醛加氫偶合法以及順酐超臨界二氧化碳流體加氫法等工藝。這些工藝中雖采用無毒害的催化劑和溶劑，反應后處理較為簡便，但是需要密封性良好的加氫設備，成本高、設備損耗大、環境污染大。蘋果酸為起始原料合成γ-丁內酯設備匹配性好、操作便捷、綠色環保、適宜工業化生產。γ-丁內酯可與氨水反應制備吡咯烷酮（圖2c）。吡咯烷酮是一種應用較廣的化工醫藥中間體，可作為化工反應溶劑和助劑。蘋果酸為起始原料制備吡咯烷酮，拓展了其在乙烯基吡咯烷酮、固化涂料、塑料薄膜、高分子表面活性劑等領域的應用，同時，該合成路線產業化前景巨大[10]。

圖2 吡咯烷酮合成路線圖 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，冷卻水用量占工業用水總量的比重日益增加，循環管路冷卻水的無機鹽離子比重較高，管路形成難溶性無機鹽的結垢現象較為嚴重，從而引起設備腐蝕度高、使用壽命降低。水垢的主要成分包括：硫酸鈣、碳酸鈣、磷酸鈣等無機鈣鹽，其中硫酸鈣去除最為困難，有效的處理方法為管道中加入適量阻垢劑。超支化聚合物（Hyperbranched polymer）通常具有良好的螯合、吸附、分散能力，對水垢形成和結晶過程可產生明顯的阻礙效果，是研究頗多的一類阻垢劑[11-12]。

龔偉等[13]設計合成了一種含有三維分子結構及大量末端活性官能團超支化聚合物，并將其引入阻垢劑的分子中。實驗采用熔融聚合法，以蘋果酸為AB2 型共聚單體，三羥甲基丙烷為中心核，構筑了蘋果酸型超支化聚合物（結構示意圖見圖3）。實驗結果表明：蘋果酸型超支化聚合物獲得了良好的分散性能，在硫酸鈣水垢晶體的生長過程中起到一定的抑制作用。研究表明阻垢劑添加用量是關鍵工藝參數，是影響阻垢效率的關鍵因素。較優的阻垢劑添加用量為12 mg/L 時，阻垢效率可達到95.2 %。

圖3 蘋果酸型超支化聚合物結構示意圖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?？赏高^分子進行自組裝合成，具有優良的物理化學性能，在化工、材料、催化、光電等領域應用廣泛[14-16]。配位聚合物中的有機配體通常有席夫堿、含氮化合物、多羧酸化合物。多羧酸化合物因具備較強的配位能力、靈活的鍵合方式和多種立體構象，使其在有機配體中應用活躍[17-18]。蘋果酸作為含羥基的二元羧酸，在配位聚合物的制備中得到了良好的應用，是應用活躍的小分子有機酸橋聯配體（Exo-ligand）。

楊劍等[19-20]選擇蘋果酸作為橋聯配體，2，2'-聯吡啶和菲咯啉作輔助配體，構筑了過渡金屬配位聚合 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=蘋果酸，2，2'-bipy=2，2'-聯吡啶，Phen=菲咯啉）。測試結果表明配合物1 和2 均屬于正交晶系，研究證實了蘋果酸根橋聯金屬中心形成一維鏈結構，2 條平行鏈之間以面對面的方式重疊及通過吡啶環或菲咯啉環之間的π-π 弱相互作用形成梯狀雙鏈結構。而配合物3 屬于單斜晶系，是通過蘋果酸根橋聯Cu（Ⅱ）金屬中心及菲咯啉π-π 弱相互作用形成雙鏈二維層狀結構。該研究工作表明蘋果酸作為小分子有機酸橋聯配體，較之過氧基、亞氨基、硝基、硫酸根等其他橋聯配體在構筑過渡金屬配位聚合物方面具有晶體結構穩定、無雜相、可獲得新穎的梯狀雙鏈二維層狀結構等優勢，在化工特種材料、醫藥工程、生命科學領域應用前景廣大。

2.3 自修復材料

自修復材料（Self repairing material）是一種能夠使聚合物的微裂紋自動修復，可明顯延長材料的使用壽命，提高使用安全性的新型智能材料，具有自診斷和自修復的雙重性能，是化工、能源、生物材料的研究熱點[21-22]。根據不同的載體可以分為空心纖維自修復、膠囊及微膠囊自修復、納米粒子自修復、微脈管自修復材料等。

余春陽等[23]優選乙基纖維素、聚乙烯為壁材、蘋果酸為芯材、正己烷為溶劑，采用相分離法制備了一種蘋果酸膠囊自修復材料（結構示意圖見圖4）。制備工藝參數為：反應溫度80 ℃、反應時間5.5 h、干燥溫度40 ℃。實驗將蘋果酸膠囊應用于油井水泥中的裂縫修復研究，評價了其對裂縫的修復效果，結果表明：蘋果酸加入速度是反應難點，蘋果酸需要分批緩慢加入，并充分攪拌，且蘋果酸在3%的加入量時為最優工藝參數，水泥石的抗壓強度恢復率達到72.9%，滲透率修復率達到95.4%，展現出良好的自修復效果?；谔O果酸為芯材的自修復材料可解決油氣井水泥因受射孔、試壓、開采、壓裂等外力作用及地下巖石復雜的推動作用而產生的裂縫，對于保障油氣井的安全使用及提高使用壽命具有積極效果，相比于其他膠囊型自修復材料具有價格低廉、制備工藝簡單的優勢。

圖4 蘋果酸膠囊自修復材料結構示意圖Fig.4 The structure diagram of malic acid capsule self-healing material

圖5 碳氧共摻雜多孔石墨相氮化碳材料制備Fig.5 The preparation of porous graphite phase nitrided carbon materials doped with carbon and oxygen

2.4 電化學低共熔溶劑

低共熔溶劑（Deep eutectic solvents，DESs）屬于一種生態環保的綠色溶劑，在化工與醫藥、生物工程、紡織工業等領域顯示出巨大的應用潛力。詹龍勝等[24]制備了蘋果酸-氯化膽堿低共熔溶劑，并對其電導率及電化學窗口進行研究。測試結果表明：電導率隨溫度的升高而提高。低共熔溶劑的電化學窗口較寬，穩定性良好，可應用于電沉積鎳的研究。同時，該研究采用掃描電子顯微鏡觀察了鍍層的微觀形貌，研究指出鍍層表面布滿了針狀體，鍍層的耐蝕性有所提高。龔梓琴等[25]開發了尿素-氯化膽堿和蘋果酸-氯化膽堿兩種電化學低共熔溶劑，實驗采用浸漬法對淀粉上漿的純棉織物分別進行退漿。測試結果表明：采用蘋果酸-氯化膽堿進行織物處理，處理溫度105 ℃、處理時間30 min，織物的退漿率高達89.73%。

2.5 半導體材料

石墨相氮化碳（Graphitic carbon nitride，g-C3N4）是一種結構特殊的聚合物半導體，結構中的碳氮原子以sp2 雜化形成高度離域的π 共軛體系，具有高占據分子軌道（HOMO）及未占據分子軌道（LUMO），可以吸收太陽光譜中波長小于475 的藍紫光。g-C3N4具有合適的半導體帶邊位置，綠色環保、廉價易得、熱穩定性好、還原能力強，在半導體材料的開發應用中研究活躍[26-27]。

景立權[28]采用尿素和蘋果酸為原料，經一步煅燒法成功制備了一種新型碳氧共摻雜多孔石墨相氮化碳g-C3N4（PACN）材料。通過其理論模擬結構進行態密度和電子結構計算結果表明，g-C3N4（PACN）材料中氧和碳的引入對其調節電子結構至關重要，可獲得較窄的帶隙。研究指出在長波長（λ≥550 nm）和近紅外光（λ≥760 nm）照射下，該材料對雙酚A 展現出寬光譜的光催化活性，具有良好的光催化降解能力?；谔O果酸制備的g-C3N4（PACN）可作為良好的光催化劑，可避免傳統的二氧化鈦光催化劑選擇性差、光敏化效率低等劣勢，具有較好的工業化前景。

3 展望

蘋果酸作為應用廣泛的四碳平臺化合物，屬于高附加值精細化學品，其在化工、醫藥、日化、能源、半導體材料等領域研究十分活躍。蘋果酸可與多種有機醇化合物通過酯化反應獲得種類豐富的蘋果酸衍生物產品；由于蘋果酸分子含有可聚合的羥基、羧基官能團，在超支化聚合物、配位聚合物領域研究活躍，是構筑特種功能聚合物的關鍵單元。蘋果酸在構筑新型半導體材料方面也有較高的研究價值，可獲得極具發展前景的新型復合材料。

未來隨著有機合成、化工工程、功能型助劑、特種材料等需求的不斷增加，必將促使蘋果酸需求量不斷增加，提升蘋果酸商業化的大力發展，其市場前景廣闊。未來研究中，相關研究工作者首先應注重多系列蘋果酸酯類化合物的研發與應用，并建立高效、穩定的工業化生產工藝；其次，優化蘋果酸聚合物的使用特性與可生物降解性能，拓展蘋果酸聚合物的應用領域；再者，憑借計算機模擬技術加快蘋果酸下游高附加值產品的設計與應用，將蘋果酸及其衍生物進行商業化推廣，以提升我國蘋果酸行業的整體技術與應用水平。