酒石酸輔助尿素包合法分離異硬脂酸

董 青，陳 礪，嚴宗誠

(華南理工大學 化學與化工學院，廣州 510640)

異硬脂酸是一類具有支鏈結構的C18飽和脂肪酸混合物的總稱。異硬脂酸分子中存在烷基支鏈，使得熔點顯著降低，常溫下呈液態，同時兼具了油酸熔點低和硬脂酸化學穩定性好的優點[1]。因此，異硬脂酸具有很高的商業價值，在潤滑油、化妝品、表面活性劑、食品等行業應用廣泛[2-3]。目前，異硬脂酸的合成方法主要有羧基合成法、Koch反應法、二聚酸副產物單體酸中提取和沸石催化異構脂肪酸等[4]。合成的異硬脂酸產品多為硬脂酸與異硬脂酸的混合物，探究如何從性質相似的同分異構體混合脂肪酸中分離異硬脂酸具有重要意義。異硬脂酸的分離方法主要有尿素包合法、低溫結晶法、色譜分離法和水媒分離法等。低溫結晶法[5]根據脂肪酸在同溫度同種溶劑中的溶解度不同而實現分離，該方法需要大量的有機溶劑，且分離純度較低。色譜分離法利用混合物在不相溶的兩相中的分配系數不同而實現分離，Coles[6]根據直鏈脂肪酸與支鏈脂肪酸的極性不同，采用色譜法進行分離，得到純度較高的產品，但是操作煩瑣，不適合批量生產。水媒分離法[7]根據硬脂酸的熔點高于異硬脂酸的熔點的特點實現分離，但是操作煩瑣，產品的純度較低。尿素包合法是分離脂肪酸類化合物常用的方法，技術成熟、操作簡單、產品質量易于控制。Heynen等[8]采用尿素包合法分離支鏈脂肪酸混合物。陳春林[9]先將單體酸加氫后采用尿素包合法進行分離，分離過程中需要大量的尿素，造成分離成本較高，且對于與支鏈脂肪酸性質相近的物質分離效果不佳。

酒石酸是含有多個羥基的短碳鏈羧酸，無毒無害，常作為食品工業的抗氧化劑使用。已有相關報道[10-11]指出，酒石酸可以在尿素包合脂肪酸的過程中與尿素結合，輔助尿素包合脂肪酸。本文主要以硬脂酸和異硬脂酸的混合脂肪酸為原料，通過加入少量酒石酸輔助尿素包合法分離異硬脂酸，對影響分離效果的主要因素進行探究，并對不同酒石酸加入量下包合物的外部形態和晶體結構進行分析，探究酒石酸對于尿素包合分離異硬脂酸的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料與試劑

異硬脂酸(廣東東霖化工有限公司提供)，硬脂酸(永華化學科技(江蘇)有限公司提供)，將異硬脂酸與硬脂酸按質量比1∶1加熱混合得混合脂肪酸(異硬脂酸含量35.3%，硬脂酸含量61.5%，棕櫚酸含量3.2%，其他脂肪酸含量<1%)；酒石酸(純度≥99.5%)、濃硫酸(純度98%)、甲醇、尿素、石油醚(沸程30～60℃)、氯化鈉，均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

FA2104N分析天平，HH-S1恒溫油浴鍋，DC-1015智能節能恒溫槽，CH1025電熱恒溫水浴箱，循環SHZ-D(Ⅲ)水式真空泵，SY-2000旋轉蒸發器，6890N氣相色譜儀，BX51正置顯微鏡，Bruker D8-Advance X射線衍射儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 酒石酸輔助尿素包合法分離異硬脂酸

按預定比例將酒石酸與尿素溶于甲醇溶液中，待兩者完全溶解后，加入10 g混合脂肪酸，于60℃下加熱攪拌2 h，倒入燒杯，封口后放于25℃的恒溫水浴中靜置30 min，進行預冷操作，然后在預定的包合溫度下放置預定時間進行包合反應。包合完全后取出樣品迅速減壓抽濾，得到固相包合物和待處理液相產品。將液相轉移至分液漏斗中，加入適量飽和食鹽水和石油醚進行萃取操作，靜置一段時間待下層水相完全澄清，棄去下層水相，取上層有機相減壓旋轉蒸發去除有機溶劑，即得到富含異硬脂酸的產品。異硬脂酸的得率按照下式計算。

式中：W為異硬脂酸的得率，%；C為產品中異硬脂酸的純度，%；C0為混合脂肪酸中異硬脂酸的純度，%；m為產品質量，g；m0為混合脂肪酸的質量，g。

1.2.2 異硬脂酸純度分析

待分析的脂肪酸采用濃硫酸為催化劑進行甲酯化[12]，所得脂肪酸甲酯用氣相色譜進行分析。氣相色譜條件：FID檢測器；DB-23色譜柱(30 m×250 μm×0.25 μm)；進樣口溫度250℃；檢測器溫度260℃；載氣為氮氣；升溫程序為初溫130℃，保持0 min，以5℃/min升到230℃，保持5 min；進樣量1 μL。采用面積歸一化法計算異硬脂酸的純度。

1.2.3 固相包合物分析

固相包合物的觀察：挑取形態完整的晶體若干，置于載玻片中央，用正置顯微鏡(4×)觀察其外部形態及尺寸大小變化。

X射線衍射儀分析：儀器參數設置為Cu靶，測試電壓40 kV，測試電流40 mA，掃描速度1(°)/min，步長0.02°，角度測試范圍5°～40°。

2 結果與討論

2.1 酒石酸輔助尿素包合法分離效果的影響因素

2.1.1 尿素與混合脂肪酸質量比的影響

尿素晶體一般以正方晶形存在，在低溫條件下，尿素與混合脂肪酸溶液混合后，形成內含硬脂酸分子的六方柱包合物晶體析出，而異硬脂酸由于支鏈的存在，分子體積增大不易被包合。因此，尿素用量是異硬脂酸分離的關鍵影響因素。在酒石酸與尿素摩爾比1∶3、甲醇與混合脂肪酸質量比11.9∶1、包合溫度5℃和包合時間12 h的條件下，尿素與混合脂肪酸質量比對異硬脂酸分離效果的影響如圖1所示。

圖1 尿素與混合脂肪酸質量比對異硬脂酸 純度和得率的影響

由圖1可知：在尿素與混合脂肪酸質量比為2∶1時，異硬脂酸的得率最高，為93.1%，純度相比最高值低4.0個百分點；在尿素與混合脂肪酸質量比為2.75∶1時，異硬脂酸的得率相比最高值低14.9個百分點。綜合考慮選擇尿素與混合脂肪酸質量比為2∶1。根據實驗結果和相關報道分析表明[13-14]，尿素的用量不同，包合程度不同，尿素與混合脂肪酸質量比增大，直鏈脂肪酸逐漸被包合完全，異硬脂酸的純度先增加后趨于穩定，過量的尿素繼續包合異硬脂酸，異硬脂酸的得率逐漸降低。

2.1.2 酒石酸與尿素摩爾比的影響

由2.1.1的結果可知，在尿素與混合脂肪酸質量比為1.5∶1時，尿素用量不足，異硬脂酸的純度和得率均較低。為探究酒石酸在尿素用量不足時的輔助作用，選擇尿素與混合脂肪酸質量比1.5∶1、甲醇與混合脂肪酸質量比11.9∶1、包合溫度5℃和包合時間12 h的條件，考察酒石酸與尿素摩爾比對異硬脂酸分離效果的影響，結果如圖2所示。

圖2 酒石酸與尿素摩爾比對異硬脂酸純度和得率的影響

由圖2可知，隨著酒石酸加入量的增大，異硬脂酸的純度和得率隨之增大，說明少量酒石酸的加入能夠減少尿素的用量，提高異硬脂酸的得率和純度。選擇酒石酸與尿素摩爾比為1∶6。

2.1.3 甲醇與混合脂肪酸質量比的影響

溶劑是提供結晶過程傳質和傳熱的場所[14]，是影響異硬脂酸純度和得率的重要因素。在酒石酸與尿素的摩爾比1∶6、尿素與混合脂肪酸質量比2∶1，包合溫度5℃和包合時間12 h的條件下，甲醇與混合脂肪酸質量比對異硬脂酸分離效果的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著甲醇用量的增大，酒石酸和尿素被完全溶解，包合反應能夠充分進行，異硬脂酸的得率升高，反應生成的固相包合物重新解吸進入液相溶液中，異硬脂酸的純度下降。在甲醇與混合脂肪酸質量比為11.9∶1時，異硬脂酸的得率最高，為84.8%，純度相比最高值低2.1個百分點。在甲醇與混合脂肪酸質量比為7.1∶1時，異硬脂酸的得率相比最高值低5.9個百分點。綜合考慮，選擇甲醇與混合脂肪酸質量比為11.9∶1。

2.1.4 包合溫度的影響

在酒石酸與尿素摩爾比1∶6、尿素與混合脂肪酸質量比2∶1、甲醇與混合脂肪酸質量比11.9∶1、包合時間12 h的條件下，包合溫度對異硬脂酸分離效果的影響如圖4所示。

圖4 包合溫度對異硬脂酸純度和得率的影響

由圖4可知，固相包合物的形成為放熱過程，降低包合溫度，有利于固相包合物結晶析出。包合溫度低于10℃，包合物晶體快速形成，晶核來不及長大，生成的晶體較小且均勻，包合物的穩定性增加，包合溫度為0℃時，異硬脂酸的純度最高，為75.6%，得率最低，為70.3%。包合溫度高于10℃，隨著包合溫度的升高，包合物晶體形成緩慢，晶核慢慢長大，形成的晶體較大而粗糙。在較高包合溫度下，包合物分子之間的運動加劇會導致部分形成的晶體發生分解，使直鏈脂肪酸保留在液相中，異硬脂酸純度降低。綜合考慮，選擇包合溫度為10℃。

2.1.5 包合時間的影響

在一定的酒石酸和尿素用量下，酒石酸輔助尿素包合反應隨著包合時間的延長達到平衡，同時直鏈與支鏈脂肪酸的包合平衡反應是相互獨立的，且達到包合平衡的時間不同。在酒石酸與尿素摩爾比1∶6、尿素與混合脂肪酸質量比2∶1、甲醇與混合脂肪酸質量比11.9∶1、包合溫度10℃的條件下，包合時間對異硬脂酸分離效果的影響如圖5所示。

圖5 包合時間對異硬脂酸純度和得率的影響

酒石酸輔助尿素包合過程中對直鏈脂肪酸具有優先選擇性。由圖5可知，包合時間短于8 h，直鏈脂肪酸的包合反應未達到平衡，隨著反應時間的延長，異硬脂酸的純度降低，得率升高。當包合時間達到8 h，直鏈脂肪酸的包合反應已基本達到平衡，繼續延長包合時間，部分異硬脂酸被包合，因此異硬脂酸的純度略有上升，得率下降。包合時間12 h相比8 h，異硬脂酸的純度升高1.9個百分點，得率僅降低0.1個百分點。選擇包合時間為12 h，此時異硬脂酸的純度為72.1%，得率為87.4%。

2.2 固相包合物的外部形態和晶體結構

由2.1.2分析表明，在尿素與混合脂肪酸質量比1.5∶1、甲醇與混合脂肪酸質量比11.9∶1、包合溫度5℃、包合時間12 h、不同酒石酸與尿素摩爾比的條件下，異硬脂酸的純度和得率存在明顯差異。已有相關報道[15-16]表明，通過觀察固相包合物的形態及量變化趨勢來反映包合工藝，不同酒石酸與尿素摩爾比下固相包合物形態觀察結果見圖6。

注：A.尿素；B.酒石酸與尿素摩爾比1∶15；C.酒石酸與尿素摩爾比1∶12；D.酒石酸與尿素摩爾比1∶9；E.酒石酸與尿素摩爾比1∶6；F.酒石酸與尿素摩爾比1∶3；a.顯微鏡下晶體形態；b.實物晶體拍照。

圖6 不同酒石酸與尿素摩爾比下固相包合物形態

由圖6和圖2可知，未加入酒石酸時，異硬脂酸的純度和得率較低，固相包合物為顆粒狀晶體的聚集體。在酒石酸與尿素摩爾比為1∶6時，異硬脂酸純度和得率最高，總體來看，包合物的針狀結構明顯，團聚現象減輕，晶體的長度和直徑較大。在酒石酸與尿素摩爾比為1∶3時，異硬脂酸的純度和得率降低，在該條件下包合物晶體的針狀結構基本消失，包合體系黏度較大，片狀晶體粘連成塊狀。說明酒石酸加入量對異硬脂酸分離效果和固相包合物的外部形態影響顯著。

使用X射線衍射儀分析不同酒石酸與尿素摩爾比下固相包合物晶體，研究其晶體構型的變化[17]，結果如圖7所示。

由圖7可知，各衍射峰尖銳，且峰強度較高，背底平整，表明樣品的結晶度比較高。在酒石酸與尿素摩爾比為1∶6時，譜圖中硬脂酸的特征峰最明顯。使用Jade6.0軟件對X射線衍射譜圖進行分析，求出相應的晶格參數，結果見表1。

表1 固相包合物外部形態與晶格參數

注：a.尿素；b.酒石酸與尿素摩爾比1∶15；c.酒石酸與尿素摩爾比1∶12；d.酒石酸與尿素摩爾比1∶9；e.酒石酸與尿素摩爾比1∶6；f.酒石酸與尿素摩爾比1∶3。

圖7 不同酒石酸與尿素摩爾比下固相包合物X射線衍射圖譜

酒石酸輔助尿素包合脂肪酸反應生成的包合物為晶格包合物，屬于超分子固態物種的范疇[18]。酒石酸與尿素首先通過氫鍵結合形成“主體”，脂肪酸作為“客體”，包合反應為“主體”對“客體”選擇性包合的過程。影響包合的兩個因素為：分子間存在的幾何尺寸、形狀上的相互識別；分子對氫鍵的非共價鍵弱相互作用的識別。由表1可知，在酒石酸與尿素摩爾比為1∶6時，晶格參數與硬脂酸標準卡片值(PDF No.38-1923)基本相同，有利于分子間幾何尺寸、形狀上的識別，在尿素用量相同的情況下，直鏈脂肪酸被包合的量增加，異硬脂酸的純度升高。酒石酸可以提供多個氫鍵位點，與含有氨基的尿素結合，所形成的酒石酸脲為正交晶系[19]，晶體結構參數為a=9.8 ?、b=17.2 ?、c=5.1 ?，晶胞體積為856.1 ?3，而尿素晶體為四方晶系，結構參數為a=b=5.7 ?、c=4.8 ?，晶胞體積為155.9 ?3,包合脂肪酸的主體骨架的空間體積增大。異硬脂酸由于支鏈的存在，分子空間體積較大，位阻大，“主體”和“客體”空間體積都增大，二者以氫鍵結合的作用力減弱，被包合的異硬脂酸容易受到外界條件的干擾重新進入液相，異硬脂酸的得率升高。隨著酒石酸加入量的增大，在酒石酸與尿素摩爾比為1∶3時，圖7表明硬脂酸分子的特征峰強度減弱，說明固相包合物中硬脂酸分子的結晶度降低，晶體的鍵長為a=b=24.0 ?、c=17.2 ?，晶胞體積明顯增大。根據尿素包合原理[20]，脂肪酸分子與尿素分子是通過范德華引力的色散力或靜電力結合形成穩定的包合物，晶胞體積的增大，使包合物的穩定性降低，異硬脂酸的純度和得率降低。

3 結 論

(1)對酒石酸輔助尿素包合分離異硬脂酸的主要影響因素進行探究。結果表明：最佳的工藝條件為酒石酸與尿素摩爾比1∶6、尿素與混合脂肪酸質量比2∶1、甲醇與混合脂肪酸質量比11.9∶1、包合時間12 h、包合溫度10℃，在最佳工藝條件下異硬脂酸的純度為72.1%，得率為87.4%。

(2)對不同酒石酸與尿素摩爾比下得到的固相包合物進行分析。顯微鏡觀察結果表明：酒石酸與尿素摩爾比為1∶6時包合物晶體針狀結構明顯，外部形態完整；酒石酸與尿素摩爾比為1∶3時，包合物晶體的針狀結構基本消失，形成片狀晶體粘連成塊狀。用X射線衍射儀分析，所得譜圖中酒石酸與尿素摩爾比為1∶6時硬脂酸分子特征峰強度最高，晶胞體積為1 849.9 ?3，鍵長為a=39.9 ?、b=4.9 ?、c=9.4 ?，晶格參數與硬脂酸標準卡片值(PDF No.38-1923)基本相同，有利于分子間存在的幾何尺寸、形狀上的識別，相同的尿素用量下，異硬脂酸的純度升高。酒石酸與尿素摩爾比為1∶3時，包合物晶體的晶格體積明顯增大，分子間氫鍵作用力減弱，穩定性降低，異硬脂酸的純度和得率降低。在相同工藝條件下，酒石酸的加入量可調控固相包合物的外部形態和晶體結構，使異硬脂酸的純度和得率發生改變。