CN110963923B - 一种l-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法 - Google Patents

一种l-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种L‑赖氨酸一步化学脱羧制备1,5‑戊二胺的方法，将赖氨酸或赖氨酸盐、水、固体催化剂置于高压反应釜中，反应得到戊二胺水溶液。该方法选用负载型金属氧化物为催化剂、水为绿色溶剂、高压反应釜为反应器，下反应一定时间，反应后溶液中戊二胺收率可达80%。本方法工艺流程短、耗能低，且采用多相催化剂，降低了产物分离的难度，同时反应在水体系中进行，没有额外引入有机溶剂，具有良好的环境友好性，工业应用前景十分广阔。

Description

一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法
技术领域
本发明涉及化学合成领域，具体涉及一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法。
背景技术
1,5-戊二胺，又称尸胺，和己二酸聚合后可生产尼龙56材料。尼龙56材料具有良好的综合性能，例如吸湿排汗率高、透气性好、柔软度及染色性能佳等，且耐磨损、耐化学药品，阻燃性好且易于加工，在尼龙材料系列中具有强有力的竞争优势。尼龙66上游原料己二腈被国外公司（Invista和Rohidia等）垄断，成为制约我国尼龙行业快速发展的卡脖子技术。尼龙56具有可与尼龙66相媲美的优异性能，可作为后者的替代材料。鉴于己二酸的生产工艺和市场已相当成熟，多采用KA油氧化或苯加氢氧化制得，而原料戊二胺的生产目前并不成熟，截至目前为止并未有大量商业产品售卖，因此，开发1,5-戊二胺合成新方法是生产尼龙56的核心。
1,5-戊二胺报道较多的生产方法是生物发酵法。生物发酵法具体包含两种，第一种是微生物利用糖类物质经过复杂的代谢调控，最终合成戊二胺。例如，南京工业大学利用豆渣水解液发酵生产戊二胺(CN201810954086.X)，然而戊二胺对微生物具有毒性，影响生产效率。第二种是利用赖氨酸脱羧酶催化原料脱羧生产戊二胺，是目前的主流研究方向。上海凯赛生物技术研发中心有限公司申请了多篇戊二胺生物发酵法专利(CN201811506539.9、CN201710453415.8、CN201710011198.7等)，专利内容指出，在赖氨酸发酵过程中接入赖氨酸脱羧酶菌株的种子液，有效改善了戊二胺对菌株的毒性问题。但是，生物发酵法仍然存在较大的困难，例如赖氨酸脱羧酶活性低、耐毒性差，产物浓度低，分离成本过高等。
相比于生物发酵法，利用化学脱羧手段将赖氨酸转化为戊二胺具有明显的优点，例如催化剂活性高、不存在戊二胺对催化剂的毒化问题、反应后产物收率高等，是赖氨酸制戊二胺的一种高效途径。但是，目前报道的均相化学方法仍存在一些不足，如选用的脱羧催化剂NBS试剂(N-溴代琥珀亚酰胺)价格昂贵，所用溶剂也为有机溶剂乙腈等，催化剂无法分离回收，工业化应用前景很渺茫。
发明内容
本发明提出了一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，解决了生物发酵法鉴于赖氨酸脱羧酶活性低、产物浓度低及分离困难等技术难题。本发明工艺流程短、耗能低，且采用多相催化剂，降低了产物分离的难度，同时反应在水体系中进行，没有额外引入有机溶剂，具有良好的环境友好性，工业应用前景十分广阔。
实现本发明的技术方案是：
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，将赖氨酸或赖氨酸盐、水、固体催化剂置于高压反应釜中，反应得到戊二胺水溶液。
所述赖氨酸为L-赖氨酸，赖氨酸盐为赖氨酸盐酸盐、赖氨酸硫酸盐、赖氨酸醋酸盐、赖氨酸磷酸盐中的任意一种。
所述赖氨酸或赖氨酸盐与固体催化剂的摩尔比为1：（0.005-0.1）。
所述高压反应釜反应温度为100-500℃，压力为0.1-8MPa，反应时间为0-600min，反应溶液的pH值在1-7之间。
所述反应在氮气、氢气、氩气、氦气或CO中至少一种保护下进行。
所述固体催化剂为负载型催化剂，负载型催化剂的活性组分为过渡金属。
所述过渡金属为Pd、Pt、Ni、V、Cr、Pb、Co、Cd、Fe、Cu、Nb中的至少一种。
本发明所述的载体包括中性载体、酸性载体和碱性载体等任意一种或任意几种。
固体催化剂中活性组分的含量占0.1-50 wt%（以活性组分元素质量为基础进行计算），优选地在1%~20%之间，更为优选地在5%~10%之间。
本发明所述的中性载体为活性炭、二氧化硅等中的任意一种；酸性载体为硅铝分子筛、磷铝分子筛、硅磷铝分子筛中的任意一种或任意几种，特别的，硅铝分子筛包括HZSM-35、HZSM-5、HY、HBeta、HMOR、HMCM-22、HZSM-22等，磷铝分子筛是指AlPO4系列分子筛，硅磷铝分子筛是指SAPO系列分子筛；碱性载体包括氧化镁、氧化钙、氧化钡等。
本发明中的固体催化剂制备方法选用等体积浸渍法、离子交换法、共沉淀法、凝胶溶胶法及原位合成方法中的任意一种或任意几种方法，优选地为等体积浸渍法。
与脂肪酸或硬脂肪酸等不同，赖氨酸中不仅含有羧基还含有碱性基团胺基，在不同酸碱体系中，其存在形式也有明显差异。由于含有多个官能团，赖氨酸的反应网络非常丰富，机理如下式所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明的有益效果是：本发明通过设计催化剂，控制赖氨酸反应路线，使得赖氨酸反应倾向于戊二胺，采用多相催化方法，能够一步脱羧制戊二胺，该方法流程短、耗能低，且产物易分离，有利于戊二胺大规模工业化生产，实现了赖氨酸一步脱羧高效制备戊二胺，戊二胺收率达80%。且本发明催化剂能够重复回收使用，重复使用50次戊二胺收率仍然能够达到70%。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1产物的液相色谱图；
图2为本发明实施例1产物的质谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为5%的Fe/SiO2催化剂，具体制备步骤为：称取1.075 g硝酸铁，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g二氧化硅载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Fe/SiO2催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至100 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为8.2 mg/mL，戊二胺收率为80%。
如图1所示，原料及产物由Waters液相色谱检测分析，具体采用C18反相柱，紫外可见光检测器，甲醇和水为流动相，各种化合物的含量根据标准曲线进行计算。图1是赖氨酸标品、戊二胺标品及某一反应后产物的液相色谱图，由图可知，戊二胺出峰位置在6.7min，且反应后产物中确实有戊二胺。
图2是反应后产物的质谱图，其中碎片103和86是戊二胺的碎片峰。
实施例2
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为1%的Fe/SiO2催化剂，具体制备步骤为：称取0.215 g硝酸铁，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g二氧化硅载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Fe/SiO2催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至150 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为5.1 mg/mL，戊二胺收率为50.0%。
实施例3
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为10%的Fe/SiO2催化剂，具体制备步骤为：称取2.15 g硝酸铁，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g二氧化硅载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Fe/SiO2催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为7.1 mg/mL，戊二胺收率为70.0%。
实施例4
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为1%的Fe/SiO2催化剂，具体制备步骤为：称取0.215 g硝酸铁，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g二氧化硅载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Fe/SiO2催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至1 MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为4.2mg/mL，戊二胺收率为41.2%。
实施例5
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为10%的Fe/SiO2催化剂，具体制备步骤为：称取2.15 g硝酸铁，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g二氧化硅载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Fe/SiO2催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至3MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为6.6mg/mL，戊二胺收率为65.1%。
实施例6
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备同实施例1
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至1.7。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为6.3 mg/mL，戊二胺收率为61.5%。
实施例7
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备同实施例1
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为8.2 mg/mL，戊二胺收率为80.0%。
实施例8
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备同实施例1
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至6.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为5.2 mg/mL，戊二胺收率为51.0%。
实施例9
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为5%的Ni/SiO2催化剂，具体制备步骤为：称取0.549 gNiCl2，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g二氧化硅载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Ni/SiO2催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Ni/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为7.3 mg/mL，戊二胺收率为71.1%。
实施例10
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为5%的Ru/SiO2催化剂，具体制备步骤为：称取0.512 gRuCl3，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g二氧化硅载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Ru/SiO2催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Ru/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应。采用液相色谱检测手段分析反应中的戊二胺浓度，为6.2mg/mL，戊二胺收率为61.0%。
实施例11
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为5%的Fe/CaO催化剂，具体制备步骤为：称取1.075g硝酸铁，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g氧化钙载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Fe/CaO催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸盐酸盐、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸盐酸盐完全溶解，加入0.5mol%的Fe/CaO催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至1。密封反应釜后，用氮气置换釜中的空气，随后加压至0.1MPa，升温至100 ℃，搅拌速度为800 r/min，10h后停止反应，为3.2 mg/mL，采用液相色谱分析反应中的戊二胺浓度，戊二胺收率为31.0%。
实施例12
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为5%的Fe/HZSM-35催化剂，具体制备步骤为：称取1.075 g硝酸铁，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 gHZSM-35分子筛载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Fe/HZSM-35催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸硫酸盐、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸硫酸盐完全溶解，加入10mol%的Fe/HZSM-35催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至7。密封反应釜后，用氩气置换釜中的空气，随后加压至8MPa，升温至100 ℃，搅拌速度为800 r/min，5h后停止反应，采用液相色谱分析反应中的戊二胺浓度，为7.1 mg/mL，戊二胺收率为69.6%。
实施例13
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用等体积浸渍法制备负载量为5%的Ni/SiO2催化剂，具体制备步骤为：称取0.549 gNiCl2，溶于10 ml水中，得红色澄清溶液。往该溶液中加入5 g二氧化硅载体，搅拌均匀，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中550 ℃进行煅烧，升温速率为5 ℃/min，煅烧240 min后得到红色样品，在氢气/氩气氛围下350 ℃还原得到Ni/SiO2催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸辛二酸盐、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸辛二酸盐完全溶解，加入8mol%的Ni/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至5。密封反应釜后，用氦气置换釜中的空气，随后加压至3MPa，升温至200 ℃，搅拌速度为800 r/min，1h后停止反应，采用液相色谱分析反应中的戊二胺浓度，为2.1 mg/mL，戊二胺收率为21.0%。
实施例14
一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，步骤如下：
（1）催化剂制备
采用离子交换法制备负载量为50%的Cu /HZSM-5催化剂。
（2）脱羧反应
取1 mmol赖氨酸乙二酸盐、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸乙二酸盐完全溶解，加入7mol%的Cu /HZSM-5催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至6。密封反应釜后，用CO置换釜中的空气，随后加压至4MPa，升温至300℃，搅拌速度为800 r/min，7h后停止反应。采用液相色谱分析反应中的戊二胺浓度，为6.8 mg/mL，戊二胺收率为67.0%。
催化剂重复使用次数
取1 mmol赖氨酸、10 ml水置于容积为25 ml的反应釜中，搅拌至赖氨酸原料完全溶解，加入5mol%的Fe/SiO2催化剂，搅拌5 min后用磷酸调节pH至3.0。密封反应釜后，用氢气置换釜中的空气，随后加压至2 MPa，升温至220 ℃，搅拌速度为800 r/min，6h后停止反应，检测后得知戊二胺收率为50%。反应后离心分离催化剂，于100 ℃烘箱中干燥过夜，随后于马弗炉中500 ℃进行煅烧，降温后作为新生催化剂重复使用。不同使用次数后，反应液中戊二胺收率的变化如表1所示。重复使用100次之后，催化剂仍然具有很好的活性，产物中戊二胺收率为67%。
表1 催化剂重复使用次数对戊二胺收率的影响
Figure DEST_PATH_IMAGE003
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，其特征在于：将赖氨酸或赖氨酸盐、水、固体催化剂置于高压反应釜中，反应得到戊二胺水溶液；
所述高压反应釜反应温度为100-500℃，压力为0.1-8MPa，反应时间为0-600min，反应溶液的pH值在1-7之间；
所述固体催化剂为负载型催化剂，负载型催化剂的活性组分为过渡金属。
2.根据权利要求1所述的L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，其特征在于：所述赖氨酸为L-赖氨酸，赖氨酸盐为赖氨酸盐酸盐、赖氨酸硫酸盐、赖氨酸醋酸盐、赖氨酸磷酸盐中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，其特征在于：所述赖氨酸或赖氨酸盐与固体催化剂的摩尔比为1：（0.005-0.1）。
4.根据权利要求1所述的L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，其特征在于：所述反应在氮气、氢气、氩气、氦气或CO中至少一种保护下进行。
5.根据权利要求1所述的L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，其特征在于：所述过渡金属为Pd、Pt、Ni、V、Cr、Pb、Co、Cd、Fe、Cu、Nb中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的L-赖氨酸一步化学脱羧制备1,5-戊二胺的方法，其特征在于：固体催化剂中活性组分的含量占0.1-50 wt%。
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