羥肟酸類化合物的合成與應(yīng)用研究進展

唐清 ，鐘宏 ，王帥 ，彭靜

（1中南大學化學化工學院，湖南 長沙410083；2有色金屬資源化學教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083）

羥肟酸類化合物是一類對金屬離子具有高效選擇性的典型螯合劑。由于其分子結(jié)構(gòu)中具有含孤對電子的氧和氮并且位置相互靠近，使它能與金屬離子螯合生成穩(wěn)定的螯合物。這樣的特殊結(jié)構(gòu)，使得羥肟酸類化合物已被廣泛用于金屬氧化礦的浮選、溶劑萃取、廢水處理以及醫(yī)藥等領(lǐng)域。

早在1940年，Popperle[1]就已經(jīng)將羥肟酸及其鹽類捕收劑用于礦物的浮選中。1965年，美國通用選礦公司報道了將脂肪族α-羥肟和芳香族α-羥肟作為銅萃取劑使用，使銅萃取技術(shù)取得了突破性的進展。羥肟酸高分子出現(xiàn)于20世紀80年代末，最初主要用于處理鋁土礦溶出液中的赤泥，此后又出現(xiàn)了羥肟酸高分子樹脂，用于金屬離子的吸附富集過程。Ahbab-Zavar等[2]合成了 UO22+1的羥肟酸印跡樹脂，其吸附性能相比其他樹脂得到了提高。經(jīng)過國內(nèi)外科研工作者的努力，羥肟酸類化合物的研究發(fā)展迅速且日益受到重視，本文將重點介紹羥肟酸類化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及近年來在合成與應(yīng)用方面的新進展，并對其應(yīng)用的研究方向進行了展望。

1 羥肟酸類化合物的性質(zhì)

羥肟酸類化合物主要包括羥肟酸和羥肟酸高分子兩大類，其中羥肟酸高分子又包括線型羥肟酸高分子和具有三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的羥肟酸螯合樹脂。

羥肟酸具有羥肟酸和氧肟酸兩種互變異構(gòu)體，故也稱為氧肟酸或異羥肟酸。這兩種互變異構(gòu)體同時存在，不可分離，通常以氧肟酸的形式為主，如式（1）。

羥肟酸可以看做是羧酸的衍生物，它的酸性比相應(yīng)的羧酸弱。在酸性介質(zhì)中，羥肟酸易水解呈羥氨和羧酸。

羥肟酸高分子同時含有羰基和肟基，其中的肟基存在著位置相互靠近的氧和氮，并且這兩種原子帶有孤對電子，使羥肟酸高分子具有較強的螯合能力。能與 Pb2+、Co2+、Ti4+、La3+、Ta5+等過渡金屬離子發(fā)生螯合作用，形成穩(wěn)定的多元環(huán)金屬螯合物，如式（3）、式（4）。

羥肟酸類化合物的這些性質(zhì)，使其在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如羥肟酸在醫(yī)藥中用作抗腫瘤藥物；在金屬氧化礦物中的浮選用作捕收劑；在冶金中，線型羥肟酸高分子可以用作絮凝劑和沉淀劑等，羥肟酸高分子可用作有色金屬萃取劑，羥肟酸螯合樹脂則可用作吸附劑。

2 羥肟酸類化合物的合成

有關(guān)羥肟酸的合成方法的報道已有許多，常用的方法有羥胺法、硝基烷烴重排法、胺類氧化法、硝基烷烴還原法和亞硝基化合物與醛反應(yīng)制取法等。高分子化學改性法是目前國內(nèi)外合成羥肟酸高分子聚合物最常用的方法，主要是以聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈等高分子為骨架進行羥肟化改性，引入羥肟酸配位基。近年來也有一些單體聚合法制備羥肟酸高分子的報道。

2.1 羥肟酸的合成方法

2.1.1 羥胺法

羥胺法分為羥胺的游離和羥肟化兩步反應(yīng)[3]。根據(jù)羥肟化原料的不同，可以分為：羥胺-酯法、羥胺-酰氯法和羥胺羧酸法。反應(yīng)可以看成在堿性條件下，羧酸或其衍生物 R—CO—L（L為 OH、Cl、OR等）與羥胺發(fā)生肟化反應(yīng)。對反應(yīng)進行熱力學和動力學的理論分析可得，羥胺與羧酸或羧酸衍生物的反應(yīng)活性為：酰氯>酯>羧酸。但在實際生產(chǎn)中，因羥胺-酰氯法對設(shè)備和反應(yīng)條件要求高而受到一定的限制。目前，主要采用的是羥胺-酯法，如式（5）。

由于羥胺價格較高，導致羥胺法合成的成本高，故羥胺法的合成工藝也在不斷改進。Chih等[4]在羥肟化反應(yīng)中添加少量CN?，能明顯提高羥肟化反應(yīng)的收率。Sekar等[5]以羧酸和酰氯為原料，在中性介質(zhì)中一步法合成羥肟酸，其收率可達 81%以上。Pradip等[6]在超聲波輻射下進行羥肟化反應(yīng)，反應(yīng)效率高，得到的羥肟酸產(chǎn)品易分離、純度高。

2.1.2 硝基烷烴重排法

硝基烷烴重排法可分為濃硫酸重排法和光電重排法。兩種重排法都是通過一定的外界條件，使硝基烷烴發(fā)生異構(gòu)重排，得到羥肟酸。這種方法的優(yōu)點在于原料來源廣、成本低，并且避免使用羥胺，因此大大降低了成本，如式（6）、式（7）。

2.1.3 酰胺氧化法

以H2O2和FeCl3為氧化劑氧化某些酰胺化合物可制得羥肟酸，但乙酰胺、丙酰胺和草酸酰胺除外，如式（8）。

此法對原料的要求較高，一直處于實驗室研究階段。

2.1.4 硝基烷烴還原法

硝基脂肪酸酯可在醇介質(zhì)下，以氯化銨和鋅粉為還原劑，還原成羥肟酸，產(chǎn)率可以達到85%，如式（9）。

2.1.5 亞硝基化合物與醛反應(yīng)制取法

亞硝基化合物和醛在酸催化下，以水為介質(zhì)，發(fā)生親核取代反應(yīng)生成羥肟酸，可以獲得95%的高轉(zhuǎn)化率，如式（10）。

除了上述方法，還有一些合成方法，如熱裂解法、固相合成法、微波法和生物轉(zhuǎn)化法等，這些方法由于反應(yīng)條件苛刻，產(chǎn)率低等原因的限制，均未得到廣泛應(yīng)用。

2.2 羥肟酸高分子的合成

2.2.1 聚丙烯酸酯羥肟化法

聚丙烯酸酯羥肟化法是將帶有酯基的高分子或?qū)Ⅴセ氲礁叻肿庸羌苌虾?，與羥胺在堿性條件下肟化反應(yīng)，將酯基轉(zhuǎn)化為羥肟酸基團。該法反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)效率高，已成為制備含羥肟基聚合物的重要方法之一。

Haron等[7]以三氯硅基丙酸甲酯對沸石進行化學改性，然后與羥胺在 25 ℃下羥肟化，制備出了以沸石為骨架的羥肟酸吸附劑。鐘宏等[8]將高相對分子質(zhì)量的水溶性丙烯酸聚合物粉體分散在極性有機溶劑中，與烷基化試劑進行非均相酯化反應(yīng)，然后與羥胺溶液進行非均相異羥肟酸化反應(yīng)，生成高相對分子質(zhì)量的含羥肟酸基團的水溶性聚合物。

2.2.2 聚丙烯酰胺羥肟化法

酰胺基肟化的反應(yīng)活性略低于酯基，在羥肟酸高分子的合成中應(yīng)用也較多。Saraydin等[9]分別以N,N，-亞基雙丙烯酰胺（N型）和乙二醇二（甲基丙烯酸）酯（E型）為交聯(lián)劑的交聯(lián)丙烯酰胺在堿性條件下與羥胺進行羥肟化反應(yīng)，制備出了兩種聚羥肟酸水凝膠。Khodadadi等[10]以聚丙烯酰胺和二乙烯基苯為原料制備出交聯(lián)聚丙烯酰胺樹脂，并于羥胺在75～80 ℃、堿性條件下肟化反應(yīng)3天，制備出羥肟酸樹脂。

2.2.3 分子印跡氧肟酸樹脂

分子印跡是一項具備特異識別功能的新興技術(shù)，以其高選擇性的獨特優(yōu)點吸引了各國研究人員的注意，已成為吸附樹脂制備的重要發(fā)展方向之一[11]。王帥等[12]以 La（Ⅲ）、Ce（Ⅲ）、Nd（Ⅲ）等為印跡離子，以丙烯基氧肟酸為單體進行本體聚合，成功制備了對印跡離子具有良好吸附選擇性的分子印跡氧肟酸樹脂。

3 羥肟酸類化合物的應(yīng)用

羥肟酸類化合物因其特殊的結(jié)構(gòu)和高效的螯合作用，用途廣泛，特別是在醫(yī)藥、浮選和冶金領(lǐng)域有著重要的影響。

3.1 醫(yī)藥

隨著癌癥發(fā)病率的升高，抗癌活性藥物的設(shè)計合成在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注。經(jīng)有關(guān)研究證實，惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展與組蛋白去乙?；癄顟B(tài)的失衡密切相關(guān)，而組蛋白去乙?；敢种苿┩ㄟ^增加細胞內(nèi)組蛋白的乙?；潭龋苓x擇性地抑制腫瘤細胞的增殖，誘導細胞分化和凋亡。羥肟酸類組蛋白去乙?；敢种苿┦墙M蛋白去乙酰化酶抑制劑的一類，其羥肟酸基團可與組蛋白去乙酰化酶中具有催化活性的金屬離子結(jié)合，抑制組蛋白去乙?；傅幕钚?，從而提高組蛋白乙酰化程度。其具有結(jié)構(gòu)多樣、活性高、特異性強的特點，近年來已引起國內(nèi)外的生物化學家的重視，已是目前抗癌藥物領(lǐng)域中的研究熱點之一。

羥肟酸類組蛋白去乙酰化酶抑制劑 TSA通過對p21等基因的去乙?；饔茫軌蛟黾觩21的表達水平，阻斷胃腫瘤細胞的生物周期循環(huán)，抑制腫瘤細胞的增殖，為胃癌的治療提供了一種新方法[13]。在考察靜脈注射或口服給藥對腫瘤的用藥安全性、生物活性和作用機理的臨床研究中，辛二酰苯胺異羥肟酸（SAHA）能很好的抑制腫瘤細胞的活化和增殖，并誘導其發(fā)生凋亡[14]。其對腎功能及血清膽固醇、血細胞的毒副作用也較小。Andrianov等[15]合成了一種含有烴酰胺基的羥肟酸，這種藥物被證實在小鼠體內(nèi)對白血病有較好的治療效果，有待進一步的臨床研究。

羥肟酸類組蛋白去乙酰化酶抑制劑與其他藥物的聯(lián)合治療，能夠協(xié)同增效，并且未增加副作用，有望為癌癥的臨床治療提供聯(lián)合使用、互補的新方向和可能。辛二酰苯胺異羥肟酸和硼替佐米、拉克霉素聯(lián)合使用，相比其單獨使用，對治療乳腺腫瘤有顯著的效果[16-17]。辛二酰雙異羥肟酸與另一種蛋白去乙?；敢种苿∕S275）綜合使用，被證實能加強抗腫瘤藥物奧沙利鉑對直腸癌的治療效果[18]。

3.2 浮選

羥肟酸是一種早已為人們熟悉，廣泛應(yīng)用于礦物浮選的螯合類捕收劑[19]。羥肟酸具有捕收強力強、選擇性好、低毒等優(yōu)點，在鎢礦、稀土礦、錫礦和鈦鐵礦等礦石的浮選方面，取得了較理想的選別效果，是一種具有發(fā)展前景的氧化礦捕收劑。

鐘宏等[20]合成了對叔丁基苯甲羥肟酸，考察了其對鈦鐵礦的浮選性能。浮選試驗結(jié)果表明，對叔丁基苯甲羥肟酸對實際礦物的浮選效果比傳統(tǒng)選鈦捕收劑更好。蔣玉仁等[21-22]合成了6種新型羧基羥肟酸，并研究了這些羥肟酸對一水硬鋁石、高嶺石和伊利石的捕收性能。藥劑對礦物的可浮性大小均為：一水硬鋁石＞高嶺石＞伊利石。這一類羧基羥肟酸因其好的選擇性浮選，可以用于一水硬鋁石型鋁土礦的正浮選脫硅，具有較大的應(yīng)用潛質(zhì)。羥肟酸捕收劑浮選方解石、石英和燒綠石時[23-24]，發(fā)現(xiàn)在不加pH值調(diào)整劑的情況下，羥肟酸對燒綠石的浮選回收率能達90%。同時，也能很好地浮選方解石。為了從碳酸鹽脈石中分離燒綠石，使用偏磷酸鈉做抑制劑，能達到很好的分離效果。羥肟酸也能用于銅礦的浮選，辛基羥肟酸被證實在硫化銅和氧化銅的混合礦的浮選中，對氧化銅礦有較好的浮選回收率，且對硫化銅礦的浮選沒有有害的影響[25]。如果將羥肟酸和黃原酸鹽組合使用，其對硫化銅和氧化銅的混合礦的浮選，比單獨使用藥劑的浮選效果更好。

對于羥肟酸捕收劑與礦物作用的原理已經(jīng)有很多研究者進行了研究，目前普遍認為是捕收劑在礦物表面進行了化學或物理吸附。也有研究者從量子化學和溶液化學角度探討捕收機理。

趙剛等[26]用密度泛函理論計算、礦物浮選實驗、吸附量和ξ-電位測定等手段，研究了環(huán)己羥肟酸對白鎢礦的浮選。密度泛函理論計算結(jié)果表明，環(huán)己羥肟酸的二價陰離子比苯甲羥肟酸的二價陰離子表現(xiàn)出更高的電荷價和最高占據(jù)分子軌道能，以及更大的偶極矩和與Ca2+作用的結(jié)合能，因此，環(huán)己羥肟酸比苯甲羥肟酸有更好的捕收能力。烷基羥肟酸浮選錫石的溶液化學和表面化學研究表明，隨著烷基羥肟酸碳鏈的增長，較佳浮選的pH值范圍會隨著變寬。金屬陽離子濃度和浮選過程的pH值對浮選行為有較大的影響。烷基羥肟酸跟錫石之間主要是通過氫鍵的作用結(jié)合，可能形成O-O五元螯合環(huán)[27-28]。

3.3 濕法冶金

3.3.1 羥肟酸類化合物作為萃取劑使用

羥肟酸類化合物具有較高的萃取選擇性。因其對銅有較好的選擇性，可以從多種元素中優(yōu)先萃取銅，已廣泛應(yīng)用于銅萃取工業(yè)中。Panigrahi等[29]研究了LIX 84-1和LIX 622N對錳結(jié)核浸出液中銅的萃取，發(fā)現(xiàn)兩種萃取劑在含銅、鎳、鈷和鋅的浸出液中，對銅的萃取率分別能達99.75%和99.88%，是高效的銅萃取劑。LIX 984N能夠作為中空纖維更新液膜的載體，從酸性廢水中同時去除和回收銅離子[30]。LIX 984N被證實能增加中空纖維更新液膜的運輸性能，并能在酸性溶液中能夠很好的萃取銅離子。LK-C2的性能和結(jié)構(gòu)跟LIX 984相似，許多實驗已證實LK-C2的萃取效果跟LIX 984一樣，但是價格比LIX 984低很多，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注[31]。

羥肟酸萃取劑在鈾的后處理中也占有非常重要的地位。Purex流程是美國早期研究開發(fā)的以磷酸三丁酯（TBP）為溶劑的輻照鈾燃料的萃取法后處理技術(shù)，是目前普遍認可的可行、經(jīng)濟的后處理方法。在TBP-煤油組成的有機萃取相中加入乙酰羥肟酸[32]，經(jīng)多次實驗研究證實，經(jīng)還原萃取后的鈾燃料[33]，用含乙酰羥肟酸的有機萃取相處理，能夠很好的實現(xiàn)鈾與钚的分離和凈化[34]，并能有效回收廢液中的錒系元素[35]。

3.3.2 羥肟酸高分子作為絮凝劑和沉淀劑使用

羥肟酸高分子因其穩(wěn)定的螯合作用，在各種難以處理的廢水和赤泥脫水處理中受到廣泛應(yīng)用。

羥肟酸類絮凝劑具有上清液澄清度好，壓縮帶液固比低等優(yōu)勢，但其沉降速度相對較慢，因此，提高羥肟酸類絮凝劑的沉降速度是目前的研究熱點。陳鋒等[36-37]合成了乙基苯乙烯-丙烯酰胺-丙烯羥肟酸聚合物以及一種帶苯環(huán)結(jié)構(gòu)的羥肟酸類絮凝劑，并考察這兩種羥肟酸類絮凝劑對赤泥沉降效果。研究表明，對于乙基苯乙烯-丙烯酰胺-丙烯羥肟酸絮凝劑，當乙基苯乙烯的含量大于 10.5%，絮凝劑的總相對分子質(zhì)量為 11×106時，對赤泥的沉降速度快，絮凝效果最好。而含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的羥肟酸類絮凝劑相比目前國內(nèi)外廣泛使用的羥肟酸絮凝劑，能使赤泥的沉降速度更快，凈化效果更好。

羥肟酸能高效的捕集重金屬離子，常用于處理金屬行業(yè)中的廢水。孟勇等[38]合成丙烯酰胺-丙烯酸-丙烯羥肟酸共聚物乳液，研究其對電鍍廢水中重金屬離子的去除。研究發(fā)現(xiàn)，在丙烯羥肟酸在聚合物中的含量大于10%，電鍍廢水pH值為10時，對鎘、銅、鎳和鋅離子的去除率都可達 99.5%以上，經(jīng)聚合物處理過的水中金屬離子的含量小于 0.2 mg/L。王碧等[39]研究了聚羥肟酸高分子螯合劑處理等含重金屬離子的工業(yè)廢水，聚羥肟酸螯合沉淀劑對廢水中的多種重金屬離子的去除率都能達94%以上。經(jīng)上述兩種羥肟酸類沉淀劑處理后的廢水，均可達到國家污水綜合排放標準。

3.3.3 羥肟酸樹脂作為螯合樹脂使用

羥肟酸樹脂是一類具有羥基和肟基雙配體的典型螯合樹脂，具有良好的吸附性能，可以用于金屬的富集和分離分析。

螯合樹脂是一類具有選擇性吸附能力，具有應(yīng)用前景的新材料。Suwanmala等[40]通過射線誘導接枝羥肟酸基團合成了一種金屬吸附劑，在批處理模式中，其對 Cd2+、Al3+、UO22+、V5+和 Pb2+都有很好的吸附效果。Karada?等[41]制備了一種含羥肟酸基團的聚乙烯水凝膠，其可作為染料分子的吸附劑。程誠等[42]制備了一種新型含羥肟酸的螯合吸附劑，通過對其吸附性能研究，發(fā)現(xiàn)這種吸附劑對水中的銅離子有很好的吸附作用。王帥等[43]用方解石中和礦山酸性廢水使Fe3+完全沉淀，再用合成的新型羥肟酸螯合樹脂PHA吸附回收Cu2+，Cu2+吸附率和洗脫率分別可達 98.95%和 98.50%，廢水經(jīng)處理后可達到國家污水綜合排放標準。

根據(jù)軟硬酸堿理論，稀土元素屬于硬酸，易與屬于硬堿或中間堿的含O、N原子基團形成配位鍵，氧肟酸螯合樹脂具有羰基和肟基雙配位體，是稀土元素吸附的首選。Trivedi等[44]制備了一種芳烴基氧肟酸樹脂，這種樹脂對稀土元素有較大的吸附容量。Kumar等[45]研究了聚丙烯酰胺基氧肟酸樹脂對La、Ce、Pr等稀土元素的吸附富集，富集因子可達100以上，且不受Na(Ⅰ)、Mg(Ⅱ)的干擾。研究吸附選擇性高、容量大的氧肟酸吸附樹脂，對實現(xiàn)稀土元素高效分離具有重大意義。

4 展 望

羥肟酸類化合物的研究雖然受到越來越廣泛的重視，其合成和應(yīng)用也已經(jīng)有了一定的發(fā)展。但仍有一些問題存在，需要在未來的研究中解決。

（1）目前羥肟酸類抑制劑的研究較為深入，它具有作用靶點明確、活性高等特點，但也存在在人體內(nèi)不穩(wěn)定、生物利用率低、臨床應(yīng)用有毒性等問題。因此，設(shè)計合成新型高效、低臨床毒性異羥肟酸類抑制劑將會是世界范圍內(nèi)抑制劑類藥物的重要研究方向。

（2）由于羥肟酸捕收劑的生產(chǎn)成本高，新的羥肟酸捕收劑的研究報道較少以及其與礦物作用機理爭議較大等原因，限制了羥肟酸在礦物浮選中的進一步推廣應(yīng)用。通過對羥肟酸基本性質(zhì)和合成方法的研究，開發(fā)工藝簡單、高效和低成本的新合成思路，并且加強對羥肟酸與礦物作用機理的研究?？梢詾殚_發(fā)研究新型羥肟酸捕收劑提供理論基礎(chǔ)，同時也能推動羥肟酸捕收劑的工業(yè)應(yīng)用。

（3）羥肟酸類高分子化合物和羥肟酸樹脂，因其具有較高的萃取選擇性、高效絮凝性、吸附容量大選擇性高等優(yōu)點，在冶金領(lǐng)域用途廣泛。但是已有的合成含羥肟酸基團的聚合物的報道還是很少，因此設(shè)計合成具有不同結(jié)構(gòu)的含羥肟酸基團的聚合物將是化學研究領(lǐng)域的熱點之一。

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