1. 引言
本戊二酸(glutaric acid, pentanedioic acid)是五碳二羧酸，简称GAC，又称1,3-丙烷二羧酸，单斜柱状结晶或针状结晶(苯中)，固体戊二酸往往含有1分子的结晶水 [1] 。戊二酸是重要的有机化工原料和中间体，被广泛应用于化学、农药、医药及建筑等领域 [2] 。其奇数碳的结构能使聚合物的结晶性降低，从而增强树脂的弹性，主要用于合成树脂、合成橡胶聚合时的引发剂；戊二酸又因为其水溶性好且容易处理的特点，可以将其使用在可接触食品材料的加工应用之中；也可用于制取戊二酸二甲酯、戊二酸二乙酯和戊二酸酐等 [3] 。
戊二酸同其他二元羧酸相比，在工业上都没有实际意义上的进展，大多都停留在实验室阶段，且合成方法还较为落后 [4] 。在工业上戊二酸一般由己二酸生产过程中所产生的副产物分离提纯制得 [5] [6] [7] ，但近些年来，己二酸的生产工艺被不断优化，产生的副产品也越来越少，故该工艺的戊二酸产量逐年减少 [8] ，此法的发展前景受到严重的限制。
戊二酸的实验室合成方法有多种，如由环戊醇或环戊酮液相氧化法制备戊二酸 [9] [10] [11] ，由二氢吡喃为原料氧化水解开环合成戊二酸 [12] [13] ，由1,3-丙二醇为原料制备戊二酸 [14] 等。上述合成方法存在诸多问题，比如许多都要用到强氧化剂浓硝酸或有毒氰化物和五氧化二钒的催化剂等，在戊二酸的生产过程中会对环境造成较大污染，且浓硝酸等强氧化剂对反应釜等设备的要求也极高。近些年来，以环戊烯为原料 [15] ，过氧化氢为氧化剂一步合成戊二酸的绿色合成路径为当前较为热门的研究方法，所使用到的氧化物过氧化氢，在分解后得到的产物为水和氧气，以过氧化氢为氧化剂的工艺一般都具有绿色、无污染等特点，使这条戊二酸路线价值巨大，前景较为管阔，但在现有的研究工作中可发现，此工艺所使用的催化剂，其所要求的高活性和高稳定性的性能难以同时实现。
以γ-丁内酯为原料合成戊二酸的传统方法中 [16] ，将γ-丁内酯于氰化钾高温反应后，再加入浓盐酸酸化得到戊二酸单酰胺，再加热水解得到戊二酸。这个工艺所使用到的氰化钾为剧毒品，会给工业化生产中的工作人员带来安全隐患，对当地环境也可能造成持续的，不可逆的破坏。并且该工艺会产生大量的废水以及副产物，不符合绿色化学的要求，故需要重新设计由γ-丁内酯为原料合成戊二酸的新工艺。
本文针对现有戊二酸合成技术的不足，在理论与实践相结合的基础上，提供了一种由γ-丁内酯为原料合成戊二酸的新工艺，也为该研究领域中的科研人员提供了一条合成戊二酸的新思路和新路径。
2. 实验部分
2.1. 实验仪器与试剂
YP型电子天平，宏横电子仪器厂；R-1002旋转蒸发仪，长城科工有限公司；岛津公司UFLC-2010 Plus高效液相色谱仪；Bruker Avance II 400 MHz核磁共振仪。
γ-丁内酯由迈奇化学股份有限公司提供，液溴购于南京化学试剂股份有限公司，红磷(98.5%)、Na3PO4 (98%)、CuBr2 (98%)和盐酸等试剂在安耐吉化学试剂公司购买，乙醇(AR)和甲醇(AR)等试剂购于国药集团化学试剂有限公司。
2.2. 合成工艺
以γ-丁内酯为原料，分三步来合成戊二酸：1) 先通过开环生成4-溴丁酸乙酯后；2) 再在光照条件下光催化羰基化；3) 最后再水解提纯得到戊二酸。具体合成反应方程式见图1：
Figure 1. Schematic diagram of the synthesis reaction of glutaric acid
图1. 戊二酸合成反应示意图
2.3. 合成方法
2.3.1 4-溴丁酸乙酯的合成
本文合成4-溴代丁酸乙酯的方法是将付潮 [17] 在2004年所提出的方法加以优化而来。以丁内酯为原料，采用一锅法，直接在反应体系中用红磷催化液溴生成HBr，反应温度为0℃，具体反应步骤如下所示：
在装有电磁搅拌、恒压漏斗和尾气接收管的100 mL烧瓶中，加入γ-丁内酯(8.6 g, 0.1 mol)，无水乙醇(20.0 mL, 0.35 mol)，红磷(3 g, 0.1 mol)，在冰水浴中(0℃)保温；开动电磁搅拌缓慢搅动，分别用两个恒压滴定漏斗同时滴加8.0 mL (0.15 mol)的液溴和3.6 mL蒸馏水，在反应最开始的前10 min内，向烧瓶中滴入2 mL的液溴和1 mL的水，余下的在大约3~4 h滴加完毕。将反应混合溶液在0℃的温度下继续搅拌24 h后，将混合溶液倒至50 mL的冰水中，混合均匀之后再导入分液漏斗中，静置分层，分离有机相和水相，水层在用用二氯甲烷萃取两次之后，与有机层合并。先后用0℃的2.0%碳酸钠溶液，0.5%的HCl溶液和水洗涤有机层混合物，再用无水硫酸钠干燥除水后蒸馏去除二氯甲烷等溶剂，得到高沸点的淡黄色油状产品为4-溴丁酸乙酯，纯度99.261% (HPLC)，产率97%。
核磁共振(1H NMR)谱图如图2所示，在δ = 4.14 − 3.87 ppm处的峰归属于乙酯基上−CH3的氢，在δ = 1.3 − 0.99 ppm处的峰归属于乙酯基上−CH2−的碳上的氢，在δ = 3.32 ppm处的峰归属于处在第四位碳上的氢，在δ = 2.33 ppm处的峰归属于处在第二位碳上的氢，在δ = 2.01 ppm处的峰归属于处
Figure2. 1H NMR spectrum of ethyl 4-bromobutyrate
图2. 4-溴丁酸乙酯1H NMR谱图
Figure 3. 1HPLC spectrum of ethyl 4-bromobutyrate
图3. 4-溴丁酸乙酯1HPLC谱图
在第三位的碳上的氢。
高效液相色谱如图3所示，保留时间为4.537 min，峰面积是4,579,704，高度是684,046。使用面积归一化法进行定量计算，结果表明4-溴丁酸乙酯的纯度为99.26%。
4-溴丁酸乙酯的核磁谱图与高效液相色谱图如下图2、图3所示。
2.3.2 戊二酸的合成
选用具有中空夹层的石英玻璃反应器，在反应器内放置400 W高压汞灯，高压汞灯在工作时会产生大量的热量，从安全方面考量，为达到冷却灯源的目的，需向夹层中注入循环冷却水。为保证该反应能够始终在室温条件下进行，需将反应器放入水槽中进行恒温水浴；将含有4-溴丁酸乙酯(100 mmol/L)及溴化铜(10 mmol/L)以及磷酸钠(40 mmol/L)的甲醇溶液50 mL加入到100 mL的三口烧瓶中，石英试管紧贴石英光反应器外壁。于室温下向混合反应液中通入二氧化碳气体(0.1 MPa)，并开启光源，在光照条件下进行反应约25 h。
上一步骤得到的溶液直接加入到250 mL的三口烧瓶中，并滴加加入40 mL NaOH水溶液(0.5 mol/L)，加毕，加热回流至底物反应完全(90℃, 3 h)。反应完全后，蒸出过量乙醇，向烧瓶中加入50 mL水，再滴加稀盐酸(0.5 mol/L)直至溶液pH为4~5。分析显示，溴丁酸乙酯的转化率为58%，戊二酸的产率为35%，选择性为59%。
红外(FT-IR)谱图如图4所示，3042~2705 cm−1处出现的吸收峰归属于羧基上O-H的伸缩振动峰，1686 cm−1处出现的吸收峰归属于羧基上C=O的伸缩振动峰，1304~1263 cm−1处出现的吸收峰归属于羧基上C-O的伸缩振动峰，1465~1410 cm−1处出现的吸收峰归属于饱和碳上C-H的弯曲振动峰。
核磁共振(1H NMR)谱图如图5所示，在δ = 12.07 ppm处的峰归属于两个羧基上的氢，在δ = 2.23 ppm处的峰归属于与两个羧基相邻两个碳上的四个氢，在δ = 1.69 ppm处的峰归属于中心的碳上的两个氢。
Figure4. FT-IR spectrum of glutaric acid
图4. 戊二酸FT-IR谱图
Figure5. 1H NMR spectrum of glutaric acid
图5. 戊二酸1H NMR谱图
3. 结论
在本文中，以γ-丁内酯为原料制备戊二酸的合成工艺，通过先将γ-丁内酯开环生成4-溴丁酸乙酯中间体，再通过光催化在温和条件下与CO2反应合成戊二酸。这种方法没有使用到传统方法中的剧毒物氰化钠，降低了该工艺的安全隐患。其中合成溴代中间体的环节中所得到的4-溴丁酸乙酯产率和纯度都较高，纯度99.26% (HPLC)，产率97%。该合成工艺相较于传统实验室合成方法，其以无毒无害的温室气体CO2为原料，反应条件温和且安全性高，CO2易从大气中获得，故该工艺的生产成本也较低。在国家提出“碳中和”的大背景下，使用CO2作碳源的绿色化学是当今的热门研究。本文所提出的以γ-丁内酯合成戊二酸的光合成路径也为科研人员提供了一条戊二酸生产中的新思路。