乙醇制备牛磺酸的生产过程.pdf

本发明涉及一种乙醇制备牛磺酸的生产过程，由乙醇制备乙二磺酸，再通过在100到250摄氏度之间，自然压力到250巴压力之下，并用碱金属盐作催化剂的条件下，氨解乙醇二磺酸铵的氨水溶液生产牛磺酸。本发明具有经济性，成本低，能提高牛磺酸的产率，本发明的硫酸钠经过羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的过程被循环使用。

1.  一种氨解乙醇二磺酸铵的氨水溶液生产牛磺酸的方法，其特征在于：由乙醇制备乙二磺酸，再通过在100到250摄氏度之间，自然压力到250巴压力之下，并用碱金属盐作催化剂的条件下，氨解乙醇二磺酸铵的氨水溶液生产牛磺酸。

2.  按照权利要求1所述的一种氨解乙醇二磺酸铵的氨水溶液生产牛磺酸的方法，其特征在于：作为催化剂的碱金属盐为氢氧化锂、碳酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、亚硫酸钠、硫酸钠、亚硫酸钾和硫酸钾。

3.  一种氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸的方法，其特征在于：由乙醇制备乙醇二磺酸，再通过在190到250摄氏度之间，自然压力到250巴压力之下，并用碱金属盐作催化剂的条件下，氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸。

4.  按照权利要求3所述的一种氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸的方法，其特征在于：在由乙二磺酸制备牛磺酸的过程中，优化使用混合氧化钙/氢氧化钙和硫酸钠作为碱性介质，由乙二磺酸制备羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的方法。

5.  按照权利要求3所述的一种氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸的方法，其特征在于：在由乙二磺酸制备牛磺酸的过程中，硫酸钠经过羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的过程被循环使用的方法。

6.  按照权利要求3所述的一种氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸的方法，其特征在于：用乙二磺酸及其水解得到的羟乙基磺酸和硫酸的混合物，代替硫酸用于中和牛磺酸钠制备牛磺酸，并且将生成的乙二磺酸钠盐和羟乙基磺酸钠盐回收，分别用于制备乙烯基磺酸钠和羟乙基磺酸钠的方法。

7.  按照权利要求3所述的一种氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸的方法，其特征在于：作为催化剂的碱金属盐为氢氧化锂、碳酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、亚硫酸钠、硫酸钠、亚硫酸钾和硫酸钾。

8.  按照权利要求4或5或6所述的一种氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸的方法，其特征在于：氨同乙二磺酸，羟乙基磺酸负离子和乙烯基磺酸负离子的摩尔比为5到15的范围之间。

乙醇制备牛磺酸的生产过程
技术领域
本发明与牛磺酸有关，具体来说是一个由乙醇二磺酸和乙醇为原料，通过乙醇制备乙醇二磺酸来生产牛磺酸的方法。
发明背景
牛磺酸，别名2-氨基乙磺酸，是一种在许多动物组织中存在的氨基磺酸。由于其本身具有一定的药理效果，如解毒效果，缓解疲劳效果，滋养补益效果等，牛磺酸是一种极其有用的化合物。因此牛磺酸对于人和动物而言是一种必需的营养成分，有着广泛的应用。
目前每年有超过50000吨的牛磺酸，由环氧乙烷和一乙醇胺这两种石油衍生化合物制备而来。这两种原料的成本逐渐上升，此外它们有一定的毒性，而且环氧乙烷很难处理。因此，急需一种能从非石油衍生化合物制备牛磺酸的替代方法，如果这个方法的成本更低，更稳定，将变得更有价值。
乙醇，作为一种燃料添加物和重要的工业化合物，通过天然原料的发酵过程能实现大量生产，很容易以合理的成本购得。此外，由乙醇制备乙醇二磺酸的工业生产方法已经被发明(美国专利No.3,637,793，通过引用的方式插入本发明)。而本发明则发明了通过由乙醇制备的乙醇二磺酸生产牛磺酸的方法。
本方法也可以应用于，通过由其他原料，如由乙烯和乙醇二磺酸酐制备的乙醇二磺酸，进而生产牛磺酸的过程。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种通过由乙醇制备乙醇二磺酸生产牛磺酸的方法，该方法符合经济性，比目前由环氧乙烷和一乙醇胺为原料的工业生产方法 更具有竞争力。
本发明的第二个目的是发明一种将乙醇二磺酸转化为羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的方法，这两个生产牛磺酸关键的中间体，通过乙醇二磺酸及搭配使用氧化钙/氢氧化钙和硫酸钠的碱性介质制备而来。
本发明的第三个目的是发明一种循环使用碱金属阳离子的方法，具体来说是循环使用，利用乙醇二磺酸为原料，以羟基乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠为关键中间体的，生产牛磺酸的过程中，以硫酸钠，羟乙基磺酸钠和乙醇二磺酸钠形式存在的钠离子的方法。
本发明的一种氨解乙醇二磺酸铵的氨水溶液生产牛磺酸的方法，由乙醇制备乙二磺酸，再通过在100到250摄氏度之间，自然压力到250巴压力之下，并用碱金属盐作催化剂的条件下，氨解乙醇二磺酸铵的氨水溶液生产牛磺酸。
其中，作为催化剂的碱金属盐为氢氧化锂、碳酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、亚硫酸钠、硫酸钠、亚硫酸钾和硫酸钾。
本发明的一种氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸的方法，由乙醇制备乙醇二磺酸，再通过在190到250摄氏度之间，自然压力到250巴压力之下，并用碱金属盐作催化剂的条件下，氨解羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的氨水溶液生产牛磺酸。
其中，在由乙二磺酸制备牛磺酸的过程中，优化使用混合氧化钙/氢氧化钙和硫酸钠作为碱性介质，由乙二磺酸制备羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的方法。
其中，在由乙二磺酸制备牛磺酸的过程中，硫酸钠经过羟乙基磺酸钠和乙烯基磺酸钠的过程被循环使用的方法。
其中，用乙二磺酸及其水解得到的羟乙基磺酸和硫酸的混合物，代替硫酸用于中和牛磺酸钠制备牛磺酸，并且将生成的乙二磺酸钠盐和羟乙基磺酸钠盐回收，分别用于制备乙烯基磺酸钠和羟乙基磺酸钠的方法。
其中，作为催化剂的碱金属盐为氢氧化锂、碳酸锂、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、亚硫酸钠、硫酸钠、亚硫酸钾和硫酸钾。
其中，氨同乙二磺酸，羟乙基磺酸负离子和乙烯基磺酸负离子的摩尔比为5到15的范围之间。
根据本专利，从乙醇二磺酸生产牛磺酸，具体来说由乙醇制备乙醇二磺酸然后生产牛磺酸的过程有三个优选实施例。这三个实施例在图1至图3中以框架图的形式具体阐述。
在本专利的第一个优选实施例中，乙醇二磺酸和过量的氨水反应得到乙醇二磺酸铵。氨水和乙醇二磺酸的摩尔比在5到15的范围内，最好在8到10之间。若氨水量不足，会增加副产物二牛磺酸的生成，需要向反应中加入更多的氨；若氨水过量，则会增加回收氨的成本。具体反应如下所述：

当乙醇二磺酸铵的氨水溶液在100到250摄氏度之间，常压到250巴的压力下，最好是130到220摄氏度之间，100到150巴的压力下，开始进行氨解反应的时候，乙醇二磺酸铵转化为牛磺酸和硫酸铵，并伴随着一些羟乙基磺酸铵的生成。氨解反应也可以在催化剂存在的条件下进行，如将碱性的钠盐，钾盐和锂盐作催化剂，通常是氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化锂，碳酸钠，碳酸钾，碳酸锂，硫酸钠，亚硫酸钠，硫酸钾，亚硫酸钾等，其中任意的一种，两种或多种盐混合 使用来催化反应。
本专利意外的发现，水溶液不需要酸来中和，过量的氨只需要通过闪蒸，然后在真空下蒸发即可。浓缩后的溶液pH值在5到6之间，经过冷却，牛磺酸结晶析出，过滤分离。进一步浓缩母液，将得到牛磺酸和硫酸铵的混合晶体析出。牛磺酸和硫酸铵的分离可以通过图1中描述的与本专利共同申请的专利方法实现，专利标题是：由一乙醇胺生产牛磺酸的循环过程。牛磺酸粗品经过一次或多次在去离子水中的重结晶，可以提纯到医药级的产品。
在本专利的第二个优选实施例中，乙醇二磺酸，具体的是由乙醇制备的乙醇二磺酸，首先转化为羟乙基磺酸钠，然后进行氨解反应得到牛磺酸钠。这个过程由图2中的反应式具体描述如下：

由乙醇二磺酸生产羟乙基磺酸碱金属盐的方法是已知的(美国专利No.4,435,328，通过引用的方式插入本发明)。根据美国专利No.4,435,328，乙醇二磺酸首先用水稀释，然后加热完全水解得到羟乙基磺酸和硫酸的水溶液，接着用氢氧化钙和碱金属的氢氧化盐中和该水溶液，更优化的方法是联合使用计算量的氢氧化钙和氢氧化钠。通过这个方法，硫酸转化为硫酸钙，接着通过过滤从羟乙基磺酸钠的水溶液中分离出来。
本专利发明了一个更优化的联合使用氢氧化钙/氧化钙/碳酸钙和碱金属硫酸盐，制备碱金属羟乙基磺酸盐的方法，碱金属硫酸盐可以使用硫酸锂，硫酸钠和硫酸钾。
首先用水将乙醇二磺酸稀释，加热水解得到羟乙基磺酸和硫酸的水溶液，然后再加入碱金属硫酸盐。碱金属硫酸盐的用量，可以根据乙醇二磺酸水解生成的，等摩尔量的羟乙基磺酸和硫酸的量计算得知。加入碱金属硫酸盐之后，再向水溶液中加入足量的氧化钙或氢氧化钙，将混合物的pH值调节到8.0到9.0之间。碱金属硫酸盐可以加入过量一些，因为其本身不会影响硫酸与氢氧化钙进一步的反应，也不会影响生成的有商业价值的碱金属羟乙基磺酸盐的质量。而生成的硫酸钙沉淀可以很容易的，通过过滤然后水洗从碱金属羟乙基磺酸盐的溶液中分离出来。接着，得到的碱金属羟乙基磺酸盐的溶液可以浓缩到需要的浓度，或者直接用于之后的氨解步骤。
如果用碳酸钙作为钙源，之后的加料过程需要改变。乙二磺酸被水稀释，水解生成羟乙基磺酸和硫酸之后，小心的向溶液中加入碳酸钙，得到硫酸钙和羟乙基磺酸钙的悬浊液。然后计算量或过量的碱金属硫酸盐加入反应体系，羟乙基磺酸钙中的钙离子被取代成碱金属离子。
牛磺酸的生产比较倾向于使用硫酸钠，但是其他的碱金属硫酸盐也同样适用。在下面的图示及描述中，钠离子和硫酸钠将代替碱金属离子和碱金属硫酸盐，来描述反应的过程。
与美国专利No.4,435,328比较，本专利中制备羟乙基磺酸钠的方法更方便操作也更符合经济性。本方法只需控制反应体系的pH值即可。另外，用相对廉价的氧化钙或氢氧化钙代替氢氧化钠，钠离子以硫酸钠产品的形式生成，而硫酸钠本身就是生产牛磺酸过程的副产物。
从图2中可以明显发现，硫酸钠在生产牛磺酸的过程中，经过羟乙基磺酸钠中间体，不断被循环使用，这样就减少了废料的排放。硫酸钠与牛磺酸的分离，不可避免的将少量牛磺酸带入分离的硫酸钠中，因此本方法的另一个优点则是提高了牛磺酸的回收产率。这个在生产中硫酸钠的循环使用过程可以确保不会有任何牛磺酸产品被当作废料而损失。
牛磺酸的生产比较倾向于使用过量的硫酸钠，因为过量的硫酸钠能明显的减少羟乙基磺酸钠水溶液中残余的钙离子的含量；而且，硫酸钠也可以作为羟乙基磺酸钠氨解过程的催化剂，从而提高牛磺酸的产率。
牛磺酸的生产中，羟乙基磺酸钠在过量氨存在的情况下进行氨解反应，氨和羟乙基磺酸负离子的摩尔比应在5到15之间，最好是6到8之间。氨解反应的温度控制在160到250摄氏度之间，最好是220到250摄氏度之间；反应压力可以为自然压力到250巴之间，最好是160到200巴之间；反应可以不连续，半连续或者完全连续进行。
本专利发现通过使用一种或混合使用两种或多种碱金属盐作催化剂，如氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠，碳酸钾，硫酸钠，硫酸钾和亚硫酸钠等，羟乙基磺酸钠氨解的反应时间可以明显的缩短，产率明显提高，其中氢氧化钠或氢氧化钠混合硫酸钠被发现是所有这些碱金属盐中最有效的。
过量氨去除及回收之后，得到牛磺酸钠的水溶液。用硫酸中和之后得到牛磺酸和硫酸钠的混合物，然后通过任何已知的方法工艺实现分离。粗品牛磺酸可以通过去离子水中的一次或多次重结晶纯化，得到最终医药级的产品，而硫酸钠则回到羟乙基磺酸钠的生产过程中再次使用。
牛磺酸钠的中和可以使用稀释过的乙醇二磺酸，或其水解后得到的羟乙基磺酸和硫酸的混合物。当使用这些酸后，它们的钠盐从牛磺酸中分离出来，然后回到制备羟乙基磺酸钠的过程中再次使用。这种新式的中和方法减少了硫酸的使用，因此进一步降低了生产成本。
在本专利的第三个优选实施例中，如图3所示，乙醇二磺酸，具体即是由乙醇制备的乙二磺酸，首先转化为乙烯基磺酸钠，然后氨解生成牛磺酸钠，接着硫酸中和，分离，完成了整个循环生产过程，得到牛磺酸和硫酸钠。具体反应描述如下：

由乙醇二磺酸制备乙烯基磺酸钠的方法是已知的(Breslow et al，J.Am.Chem.Soc.，1954，vol.76，pp5361-3)。根据Breslow的方法，由乙醇和2摩尔的三氧化硫制备的乙醇二磺酸，在65到70摄氏度下逐滴加入3.2摩尔的氢氧化钠水溶液中之后，用硫酸中和。冷却后硫酸钠结晶析出，过滤之后得到乙烯基磺酸钠的溶液。这个方法的生产过程使用比较昂贵的氢氧化钠，因而成本高；而且这个方法的工业可行性并不能保证。
本专利提供了一个，通过使用氧化钙/氢氧化钙/碳酸钙和氢氧化钠混合物，更好的是使用氧化钙/氢氧化钙和硫酸钠混合物，直接得到纯品乙烯基磺酸钠，且没有副产物生成的方法。
总的来说乙烯基磺酸钠经过两个阶段制备而来。第一阶段，温度保持在35到50度之间的条件下，用氧化钙，氢氧化钙或碳酸钙小心的中和乙二磺酸至pH为7到8之间。氧化钙，氢氧化钙或碳酸钙的使用量根据乙二磺酸的摩尔量计算，摩尔比控制到1.0到1.5，最好在1.05到1.15之间，因为需要额外的硫酸除去过量的钙离子。第二阶段，加入同乙醇二磺酸等摩尔量的氢氧化钠，使pH值保持在9到12之间，最好是9到11之间，完成乙烯基磺酸钠的生成。加入氢氧化钠之后，温度逐渐上升至70到150摄氏度之间，最好是控制在70到9Q摄氏度之间。冷却后，加入稀硫酸将pH从碱性调至7到8之间。过滤糊状物以除去硫酸钙，将得到近乎完全纯的乙烯基磺酸钠溶液。
为了优化制备乙烯基磺酸钠的方法，混合使用氧化钙/氢氧化钙和硫酸钠来提供制备乙烯基磺酸钠需要的碱性介质。在这个新方法中，向反应体系加入乙醇二磺酸和不少于等摩尔量的硫酸钠，然后加入氢氧化钙使pH上升到9到12之间， 最好是9到11之间，在第一阶段利用外部冷浴将温度控制在35到50摄氏度之间，第二阶段升到70到150摄氏度之间，最好是70到90摄氏度之间。冷却，用硫酸调节pH值，滤去硫酸钙后，得到乙烯基硫酸钠的水溶液。
循环使用硫酸钠生产乙烯基磺酸钠和牛磺酸的过程，如图3中所示，和通过羟乙基磺酸钠中间体生产牛磺酸的方法有相同的优点。
乙醇二磺酸也可以用来中和牛磺酸钠得到牛磺酸和乙醇二磺酸钠。分离出牛磺酸之后，乙二磺酸钠与等摩尔的乙二磺酸合并，加入氧化钙/氢氧化钙，得到乙烯基磺酸钠。在这个改进的循环过程不需要使用硫酸，成本将进一步降低。
附图说明
图1是直接氨解由乙醇制备的乙醇二磺酸生产牛磺酸的流程图，以框架图的形式说明本专利第一个实施例。
图2是氨解由乙醇二磺酸制备的羟乙基磺酸钠中间体生产牛磺酸的流程图，以框架图的形式说明本专利第二个实施例。
图3是氨解由乙醇二磺酸制备的乙烯基磺酸钠中间体生产牛磺酸的流程图，以框架图的形式说明本专利第三个实施例。
具体实施方式
下面的示例将更具体的描述本发明的内容。
示例1
根据美国专利No.3,637,793制备的206克乙醇二磺酸，将其逐滴滴加入1000毫升冷却的氨水溶液中(25％质量分数)。将该溶液转移至2升的高压反应器中加热到180摄氏度2小时。HPLC分析显示溶液中生成了87.5克牛磺酸。将 溶液煮沸除去多余的氨之后，减压蒸馏浓缩至大约500毫升。冷却至室温后得到pH为5.6的含有结晶的悬浊液，过滤后得到68.4克牛磺酸粗品，进一步浓缩滤液得到牛磺酸和硫酸铵的混合物。
示例2
将206克乙醇二磺酸用800毫升去离子水稀释，加热回流3小时完成水解，得到羟乙基磺酸和硫酸的混合水溶液，再向其中加入80克硫酸钠。然后缓慢的向溶液中加入120克氢氧化钙将pH值调至8至9，得到白色的硫酸钙糊状物。过滤和去离子水洗之后得到羟乙基磺酸钠的水溶液。
将羟乙基磺酸钠的溶液和2克氢氧化钠加入2升的高压反应器中，将其用氨饱和至大约含25％质量浓度的氨，加热至220摄氏度2小时，氨解反应在其自然压力约140巴下进行。HPLC分析显示溶液中生成了110克牛磺酸。除去过量氨之后，用硫酸将牛磺酸释放，得到牛磺酸和硫酸钠的混合物。
示例3
将206克乙醇二磺酸用含有80克硫酸钠的800毫升去离子水稀释。缓慢加入120克氢氧化钙将pH至调至7到8，并同时控制温度在35到50摄氏度之间，然后中和热使温度升到70到80摄氏度之间，pH也升到10到11。将形成的糊状物的温度保持在70到80摄氏度之间1小时，然后降至50摄氏度。加入稀硫酸将糊状物的pH值调至7到8。过滤硫酸钙沉淀后，形成的乙烯基磺酸钠被分离出来，得到澄清无色的溶液。
乙烯基磺酸钠的水溶液置于2升的高压反应器中，将其用氨饱和至大约含25％质量浓度的氨，并向其中加入2克氢氧化钠，加热至220摄氏度2小时，氨解反应在其自然压力约140巴下进行。HPLC分析显示溶液中生成了95克牛磺酸。除去过量氨之后，用硫酸将碱性的溶液中和至pH为5到6之间，得到牛磺酸和硫酸钠的混合物。
本专利申请中的所述的示例，阐述，图表等仅为说明目的；从目前的发现看来，本发明对工艺技巧有各种明显的改良，这些将包含在本专利的精髓，权限及权项范围之中。