引言

从1,3-丙二醇（1,3-PDO）是一种有机化合物，具有两个羟基的线性分子结构。目前，常用的合成方法包括生物法、化学法和生物化学法。其中，生物法通过微生物发酵或酶催化反应获得1,3-丙二醇，具有环境友好、高效和可持续的特点。化学法则是通过化学反应将合适的起始原料转化为1,3-丙二醇。生物化学法则是结合了生物法和化学法的优点，通过生物催化反应和化学转化实现1,3-丙二醇的合成。在工业和科研领域中，1,3-丙二醇及其衍生物广泛应用于聚合物、化工、医药、能源等领域。随着科学技术的不断发展，1,3-丙二醇的研究越来越受到人们的关注。本文旨在综述1,3-丙二醇的研究进展，并对1,3-丙二醇在生物可降解材料、能源、医药和化妆品等领域的应用前景进行探讨。

1 1,3-丙二醇的制备方法

甘油氢解法

甘油氢解制备1,3-丙二醇是获取1,3-丙二醇最为绿色的手段^[1]。该方法利用催化剂引发的氢解反应，使甘油中的羟基与氢气发生反应，生成1,3-丙二醇作为主要产物。甘油氢解法制1,3丙二醇的反应见图一^[2]。该反应往往伴随着一些副反应，如甲醇和乙醇的生成。因此需通过改变催化剂和反应条件，以及添加特定的助剂来控制这些副反应，以此提高1,3-丙二醇的选择性。甘油氢解法在高温高压条件下进行，常见的催化剂包括是Pt-WOx基催化剂，Ir-Re基催化剂，Pt-杂多酸催化剂，双金属催化剂以及其他非贵金属催化剂^[3]。由于甘油氢解反应需要高温高压条件，催化剂的稳定性是一个重要的研究方向。近年来，我国持续对1,3丙二醇展开深入研究，通过向Pt-W催化剂中加Ru，向载体中引入Pt等金属等的方式，旨在实现更高产率和选择性的1,3-丙二醇制备^[4]。不同催化剂的催化活性如图二所示。

Figure 1.

图1 甘油氢解法制1,3-丙二醇

Figure 2.

图2 不同催化剂的催化活性

环氧乙烷羰基化法

Shell公司开发的技术路线，以环氧乙烷（EO）为原料，与CO、H2通过氢甲酰化反应制得3-羟基丙醛（3-HPA），然后加氢得到1，3-PDO。该工艺的化学反应式见图三^[5]:

Figure 3.

图3 环氧乙烷羰基化法制1,3-丙二醇

目前，该合成路线分一步法和两步法^[6]，其中一步法的三羟基丙醛（3-HPA）含量较高，对后续1,3-PDO精制带来困难，影响1,3-PDO的质量，进而导致下游聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）不合格；而壳牌公司于1999年建成7.2万t/a的两步法制1,3-PDO装置，但该方法生产设备和催化剂等成本较高，不仅需要大量能源支持反应过程，而且会产生大量的废水、废气和废渣，对环境造成一定污染。同时会产生一些副产物，如苯甲醛、乙醛等。这些副产物对于1,3-丙二醇的纯度有一定的影响，需要加入额外的处理步骤以提高1,3-丙二醇的纯度。目前，该装置现已停产。

生物发酵法

近年来，葡萄糖生物发酵法制备1,3-丙二醇（1,3-PDO）的研究已取得显著进展。该过程涉及微生物菌种的改造。通过对自然界中菌株的筛选和基因工程的改造，Zhang等^[7]通过培养的突变菌株SerCＲ42W/Ｒ77W在分批加料发酵时1，3－PDO的生产效率达到3.03g/L，比标准菌株效率提高13倍^[6]。此外，最成功的案例是杜邦公司和Ｇｅｎｅｎｃｏｒ公司开发出一种重组大肠杆菌，这种大肠杆菌可以产生１３５ｇ／Ｌ１，３－ＰＤＯ^[8]。另外，潘等^[9]通过以甘油为例对发酵过程的优化，显著提高了其生产性能。随着葡萄糖生物发酵法的不断进步，该法制1,3-PDO正逐渐向产业化迈进。总之，利用微生物发酵技术，将葡萄糖或其他糖类转化为1,3-丙二醇。此方法具有环保、可持续的优点，但目前尚未成熟。

1,3-丙二醇的性质与应用领域

生物可降解材料

1,3-丙二醇作为一种重要的化工原料，在生物可降解材料领域具有广泛的应用。1,3-丙二醇与聚己内酯、聚乳酸等生物可降解聚合物共聚，可制备具有良好生物相容性和生物降解性的材料。在催化剂存在下，对苯二甲酸二甲酯（DMT）和1，3-PDO反应生成对苯二甲酸双-3-羟丙酯（BHPT）和甲醇，然后将BHPT进行缩聚反应生成PTT，并在反应后除去副产物甲醇，反应式见图四^[10]：

Figure 4.

图4 对苯二甲酸二甲酯（DMT）与1，3-PDO反应

这种材料具有较高的强度、刚度和耐疲劳性等机械性能，广泛应用于汽车、电子、医疗等领域，并且是一种可回收利用的材料，符合可持续发展的理念。此外，1,3-PDO不但可以与其他单体共聚，制备生物可降解纤维和纺织品，如PLA-PDO共聚物纤维，而且可以用于制备生物降解塑料袋、衣物等。

能源

1,3-PDO可以通过微生物发酵或化学合成等方法生产，是一种可再生的生物质原料。将1,3-PDO与其他生物质原料如甘油、油脂等混合后，可以制备出高效的生物柴油。这种生物柴油具有良好的燃烧性能和环保性能，是一种可持续的替代品。此外，1,3-PDO不仅可以作为燃料添加剂，提高燃料的燃烧效率，而且可以用作生物柴油和生物乙醇的原料。通过酵母发酵或化学反应，1,3-PDO还可以转化为乙醇或其他燃料，用于替代传统的石化燃料，减少对化石燃料的依赖。由于1,3-PDO具有良好的润滑性能，因而可用于制备环保型润滑剂。与传统的石化润滑剂相比，1,3-PDO润滑剂更加环保，能够降低对环境的污染，并且在高温和高压条件下仍然保持稳定性能。1,3-PDO也可以被用作燃料电池的氧化剂或还原剂。它可以通过氧化反应产生电流，并与氢气或其他还原剂反应释放能量，从而实现能源的转化和利用。另外，1,3-PDO还可以用作储能材料，通过其化学结构进行电化学充放电反应。这种应用可能涉及到超级电容器、储能电池等设备，有助于提高能源储存的效率和可持续性。

医药

1,3-丙二醇及其衍生物在医药领域具有广泛的应用。1，3-PDO可用来生产西布曲明减肥药和维生素H^[10]。由于PDO具有良好的生物相容性和可降解性，可以作为一种优良的药物载体。此外，PDO可以与其他单体共聚，制备出载有药物的生物可降解聚合物，这些聚合物可以被注射或口服，帮助药物缓慢释放并提高药效。另外，还可以用于制备各种医用材料，如骨修复材料、脊柱融合材料、缓释药物材料等。这些材料可以帮助人体恢复功能，并且具有良好的生物相容性，能够逐渐被人体代谢和吸收。而且，1,3-丙二醇还可以用于治疗烧伤、创伤等疾病。

化妆品

在化妆品方面，1,3丙二醇作为一种优良的保湿剂和稳定剂，被广泛应用于化妆品中。它可以滋润肌肤、改善皮肤干燥、粗糙等问题。因此，它常被用作化妆品中的保湿成分。1,3-丙二醇还可以作为化妆品中的溶剂，提高化妆品的稳定性和溶解性。此外，1,3-丙二醇可以增加化妆品的柔韧性和弹性，使其更易于涂抹和吸收。除此之外，1,3-丙二醇具还有一定的抗菌性能，可以用于预防化妆品中的微生物污染。常见的化妆品中包括有护肤霜、乳液、精华液、唇膏等。

结论

1,3-丙二醇作为一种重要的有机化工原料，展现出了在生物可降解材料、能源、医药和化妆品等多个领域的广泛应用前景。随着科技的不断进步，对1,3-丙二醇的研究愈发受到关注。未来，1,3-丙二醇的研究重点将集中在制备方法的优化、应用领域的拓展以及产业化进程等方面。特别是在技术创新上，旨在提高生产效率、降低成本及扩大应用范围，从而克服“卡脖子”问题。随着可持续发展和技术创新的推动，通过对1,3-丙二醇的研究与应用，有望为我国的绿色化工、生物产业、医药事业等领域的可持续发展做出更大贡献。

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