从碱金属羧酸盐制备纯烷基酯的方法 技术领域 本发明提供一种使用二氧化碳和醇从对应的碱金属羧酸盐制备纯烷基酯的方法。 碱金属羧酸盐通过发酵方法或者通过合成从天然来源制备。
背景技术 高纯度 S-(-)- 乳酸甲酯构成在工业级别下具有有趣的应用可能性的重要产品。 其可以用于医药和高纯度乳酸的生产。如此生产的乳酸可以用于奶制品的生产， 作为在食 物领域中的酸化剂、 作为用于生产增塑剂、 粘合剂、 医药产品的中间体， 在乳酸盐的生产中， 作为羊毛染色中的媒染剂和其它许多。类似地， 从高纯度乳酸甲酯制备的高纯度乳酸在生 产对于制造袋、 应用膜有用的生物相容和生物降解高分子的领域、 在环境卫生和医疗用途 的领域等等中具有相当显著的工业发展前景。
如从现有技术已知的， 乳酸甲酯的制造方法通常包括两步。在步骤 1 中， 将碱金属 乳酸盐与浓缩的或稀释的硫酸反应。 碱金属硫酸盐作为副产物与乳酸的稀释的水溶液一起 生产。在步骤 2 中， 将稀释的乳酸溶液浓缩并且使用催化剂用甲醇酯化。将所得的乳酸甲 酯、 甲醇和水的混合物进一步纯化以得到产物例如乳酸甲酯。如在以下专利文献中引用的 过去已经建议了基于以上常规方法的各种乳酸甲酯的制造方法 ：
可以参考美国专利 2290926、 2406648、 2390140、 2334524、 2350370 和 2434300， 其 中公开了乳酸甲酯的制造方法， 但是具有各种缺陷如产物不纯、 需要用于分离产物的昂贵 并且复杂的工艺、 残留硫酸钠、 腐蚀性和其它许多。
可以参考美国专利 6,342,626， 其中记载了在高温 200oC 和高压 20kg/cm2 下以两 阶段从 73％乳酸制造乳酸甲酯的方法。所述方法以两阶段进行 ； 报道的第一阶段乳酸平衡 转化率为约 80％并且在分离第一阶段的副产物之后， 第二阶段给出保留的乳酸转化率。缺 陷是更高温度和压力的使用以及乳酸的腐蚀本质早加了商业制造设备的成本。另外的缺 陷是乳酸可以在这样更高的温度下 recemize(C.H.Holtan， 乳酸、 乳酸衍生物的性能化学， Printer Oswald Schmidt KG Leipzig， 1971， 第 149 页 )。此外， 没有报道生产的乳酸甲酯 的光学纯度和乳酸甲酯的化学纯度。
可以参考美国专利 5453365， 其中公开了借助含糖混合物的发酵制备乳酸盐、 将在 发酵期间获得的乳酸转化为其盐、 接着酯化的连续工艺， 其中 ：
a) 将碱土金属碳酸盐或碳酸氢盐添加至发酵液以致中和所得乳酸至至少 90 摩 尔％的程度，
b) 通过添加 NH3 和 CO2 将所得发酵液调节至 pH 7-13 并且分离所得的沉淀物， 和
c) 将获得的、 纯化的乳酸铵溶液用醇酯化。
现有技术中报道的制备乳酸甲酯的通常方法是通过将碱金属乳酸盐酸化以产生 粗制的乳酸和碱金属硫酸盐作为副产物， 伴随着借助反应性蒸馏的共流法的粗制的乳酸的 酯化， 在所述反应性蒸馏中， 通过将蒸馏器维持在更高的温度下而将产物乳酸甲酯、 副产物 水和过量的醇从反应性蒸馏蒸馏器中取出。 这导致在所述反应性蒸馏蒸馏器中酸性的累积
并且生产不希望的副产物如羟甲基糠醛、 2- 戊烯 -1- 醇等。 已知在由反应性蒸馏获得的醇、 水和乳酸甲酯的产物混合物中， 乳酸甲酯形成与水的共沸混合物， 从醇、 水和乳酸甲酯的混 合物以纯脱水形式分离乳酸甲酯是困难的。在报道的现有技术中， 没有提及产物的杂质分 布及其光学纯度。进一步， 报道的方法使用碱金属乳酸盐以生产粗制的乳酸并且产生废物 碱金属硫酸盐。 报道的方法的另外的缺陷是粗制的乳酸在将碱金属乳酸盐与硫酸反应后产 生并且维持在极低 pH 值下， 粗制的乳酸本质上是极具腐蚀性的并且在高温下其本质上更 具腐蚀性， 制造设备及其建造材料需要仔细选择并且本质上是资本支出极其庞大的。这些 报道的方法的另外的缺陷是碱金属作为碱金属硫酸盐而被浪费并且碱不能被循环利用至 产生碱金属乳酸盐的发酵部分。
本发明的主要目的是提供一种使用醇如甲醇或乙醇和二氧化碳通过钙、 钠或钾的 碱金属羧酸盐的直接酯化来制备纯烷基酯的方法。
本发明的另一目的是提供一种不使用矿物酸来制备烷基酯的方法。
本发明的又一目的是通过乳酸钙或乳酸钠或乳酸钾的直接酯化提供纯乳酸甲酯 并且以甘蔗汁发酵方法循环利用反应副产物即碳酸氢钙或碳酸氢钠或碳酸氢钾以制备相 应的碱金属乳酸盐。
本发明的又一目的是提供通过避免形成硫酸钙或硫酸钠或硫酸钾来生产纯乳酸 甲酯和纯乳酸的无污染方法。
本发明的又一目的是得到可以使用催化剂或者不使用催化剂水解以得到纯乳酸 的纯乳酸甲酯。 发明内容 因此， 本发明提供一种借助使用醇和 CO2 酯化碱金属羧酸盐来制备光学纯烷基酯 的一步法， 所述方法包括以下步骤 ：
i. 将脱水金属羧酸盐粉末与甲醇在 500-1000rpm 的范围内搅拌的情况下混合在 15 分钟至 30 分钟范围内的时间以获得 5-30 重量％在甲醇中的金属羧酸盐溶液 ；
ii. 将在步骤 (i) 中获得的溶液在 145-210℃范围内的温度下在 5-60.4Kg/cm2 范 围内用二氧化碳加压在 15 分钟至 1 小时范围内的时间以获得烷基酯和作为沉淀物的副产 物；
iii. 通过过滤分离在步骤 (ii) 中获得的沉淀物将其在发酵部分循环利用以得到 来自葡萄糖来源的碱金属盐 ；
iv. 利用分离的副产物重复步骤 (i)、 (ii) 和 (iii) 优选 3-4 次直至期望的碱金 属盐向烷基酯的转化率 ；
v. 通过蒸馏从滤液回收烷基酯， 纯度在 99.50-99.8 重量％的范围内， 湿度为约 0.03-0.1 重量％， 未反应的醇在步骤 iv 中被回收和循环利用。
在本发明的一个实施方案中， 所述副产物是相应的碱金属碳酸盐或碱金属碳酸氢 盐。
在本发明的又一实施方案中， 金属选自由钠、 钾或钙组成的组。
在本发明的又一实施方案中， 金属羧酸盐选自由乙酸盐、 乳酸盐、 水杨酸盐或苯甲 酸盐组成的组。
在本发明的又一实施方案中， 使用的醇选自由甲醇、 乙醇和丁醇组成的组。
在本发明的又一实施方案中， 其中烷基酯的光学纯度在 98-99％之间。
在本发明的又一实施方案中， 方法以间歇方式或连续方式进行。
在本发明的又一实施方案中， 用于步骤 (b) 中的方法的循环利用的甲醇与碱金属 盐的摩尔比为 2.8 ∶ 1 至 4 ∶ 1、 优选 2.8 至 1。
在本发明的又一实施方案中， 金属羧酸盐向烷基酯的转化百分数在 95-99％的范 围内。
在本发明的又一实施方案中， 反应产率在 90-99.0％之间并且反应朝向烷基酯的 选择性在 99.0％的范围内。
在本发明的又一实施方案中， 所述碱金属碳酸盐或碱金属碳酸氢盐在发酵部分循 环利用以得到来自葡萄糖来源的碱金属羧酸盐。
在本发明的又一实施方案中， 借助蒸馏的烷基酯的回收任选地使用真空进行。
在本发明的又一实施方案中， 碱金属盐和碱土金属盐来源于自然并且任选地来源 于非自然资源。
在本发明的又一实施方案中， 碱金属羧酸盐通过发酵法或者通过合成从自然资源 制备。 在本发明的又一实施方案中， 烷基酯的制备方法不使用矿物酸进行。
在本发明的又一实施方案中， 以甘蔗汁发酵方法循环利用反应副产物即碳酸氢钙 或碳酸氢钠或碳酸氢钾以制备相应的碱金属乳酸盐。
在本发明的又一实施方案中， 本发明提供通过避免形成硫酸钙或硫酸钠或硫酸钾 来生产纯乳酸甲酯和纯乳酸的无污染方法。
在本发明的又一实施方案中， 本发明提供可以使用催化剂或者不使用催化剂水解 以得到纯乳酸的纯乳酸甲酯。
附图说明 图1： 在高压反应器中在多次回收利用醇和 CO2 气体的情况下使用碱金属羧酸盐、 醇和 CO2 气体合成烷基酯的间歇过程。
图2： 在高压反应器中使用碱金属羧酸盐、 醇和 CO2 气体合成烷基酯的间歇过程。
图3： 在常压下使用碱金属羧酸盐、 醇和 CO2 气体合成烷基酯的连续过程。
图4： 在甲醇制制造的无水溶液的过程。
图5： 标准碳酸钙样品和通过使用 CO2 和醇的碱金属羧酸盐的酯化而制备的碳酸 钙的 XRD 图。
具体实施方式
本发明的方法包括使用二氧化碳和醇、 优选甲醇直接酯化脱水碱金属羧酸盐以获 得光学纯烷基酯的单一步骤。所述方法涉及脱水碱金属羧酸盐的制备过程， 在回流下反应 约 1hr 的一段时间， 接着蒸馏以获得具有纯度为约 99.8 重量％、 湿度为 0.03-0.1 重量％的 期望的纯烷基酯， 未反应的甲醇被回收和循环利用。
所述方法包括以下步骤 ：(a) 将脱水碱金属羧酸盐粉末与甲醇以期望的计量比反应以得到在甲醇中的 5-30％溶液， 在 145-165℃的温度范围下在 20-60Kg/Cm2 的范围内用二氧化碳加压直至 1 小 时以获得烷基酯和作为沉淀物的对应的碱金属碳酸盐或碳酸氢盐 ；
(b) 通过过滤分离所述金属碳酸盐或碳酸氢盐的沉淀物， 其在发酵部分循环利用 以得到来自葡萄糖来源的碱金属盐 ；
(c) 利用分离的金属碳酸盐或碳酸氢盐沉淀物重复在步骤 (a) 和 (b) 中提及的以 上步骤优选 3-4 次， 直至获得期望的碱金属盐向烷基酯的转化率 ； 和
(d) 从在以上步骤中获得的滤液回收相当纯的烷基酯 ( ＜ 99.5％ )。
由此获得的纯烷基酯可以任选地水解以得到纯乳酸。 本发明的方法任选地以间歇 或连续方式进行。
碱金属选自钠、 钾、 钙和诸如此类的。
碱金属的盐选自乙酸盐、 乳酸盐、 水杨酸盐、 苯甲酸盐和诸如此类的。
通过蒸馏回收烷基酯任选地使用真空进行。
用于步骤 (b) 中的过程的循环利用的甲醇与碱金属盐的摩尔比为 2.8 ∶ 1 至 4 ∶ 1、 优选 2.8 至 1。
获得的烷基酯的纯度在 99.50-99.8 重量％的范围内， 湿度为约 0.03-0.1 重量％。
反应的产率大于 99.0％并且反应向烷基酯的选择性大于 99.0％。
根据本发明获得的烷基酯的光学纯度大于 99.0％。
碱金属和碱土金属盐来源于自然资源。在本发明的一个实施方案中， 它们也可以 从非自然资源获得。
通过本发明的方法由此获得的高纯度乳酸用作用于制造聚乳酸的单体， 作为制备 生物降解高分子的单体、 作为酸化剂、 作为食品添加剂和用于可以将乳酸甲酯用作溶剂的 医药应用， 还具有医药应用。
实施例
以下实施例仅作为说明而给出并且因此不应理解为限定本发明的范围。
乳酸钙在高压下的直接酯化
实施例 -1
乳酸钙粉末的脱水
使用真空干燥器将从甘蔗汁发酵或任何其它蔗糖来源获得的乳酸钙粉末在真空 (50mbar) 下和 80℃温度下干燥 24 小时。 乳酸钙中的初始湿度含量为 30％并且在乳酸钙中 的湿度降低至 1.5 重量％。将该干燥乳酸钙粉末用于以下给出的随后的实施例中。
实施例 -2
反应用原料溶液的制备
将具有容量为 5L 的低碳钢高压反应器容器装入有在实施例 -1 中提及的 250g 干 燥乳酸钙粉末以及 2250g 纯甲醇以得到最终在纯甲醇中的乳酸钙的最终 10 重量％溶液。 接 着在室温下使用搅拌器将该材料在 750RPM 下连续混合 15 分钟以得到在甲醇中的乳酸钙溶 液。将该粗制的在甲醇中的乳酸钙溶液用作在以下给出的随后的实施例中的原料。
实施例 -3
在 165℃下在高压下使用二氧化碳直接酯化在甲醇中的乳酸钙溶液 ( 图 1)将如在实施例 -2 中解释的制备的在甲醇 (2) 中的 10 重量％ (1100g) 稀释的乳酸 钙溶液 (1) 装入具有容量为 5L 的中碳钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 750RPM 下连续 搅拌。将来自圆筒状钢瓶的二氧化碳气体 (3) 在反应器中加压以得到初始压力 20Kg/cm2。 接着使得加热反应材料直至 165℃并且维持在该温度下 1 小时。在操作期间修正反应器内 部的压力直至 60.4Kg/cm2。然后使得冷却反应物质直至 25℃并且将反应混合物在筐式离 心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。使得从离心机获得的包含碳酸钙的湿滤饼 (6) 在烘箱 (7) 中在 110℃下干燥并且贮存 (8)。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从离心机 收集的滤液 (9) 的甲基酯、 甲醇含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪 器测量湿度。发现滤液中的甲基酯的浓度为 7.5 重量％， 同时甲醇浓度为 92.4 重量％和通 过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 1.1 重量％。在期望的运行时间之后， 通过排气口 (10) 释放反应器 (4) 内部的压力， 蒸汽通过分离二氧化碳气体 (13) 的分离器 (11)， 所述二 氧化碳气体 (13) 可以从在 (4) 回收利用的其它挥发性反应液体混合物 (12) 在 (4) 回收利 用。
在第二阶段， 将从上述离心机获得的滤液 (9) 装入相同的中碳钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 750RPM 下连续搅拌 15 分钟。再次将二氧化碳气体 (3) 在反应器中鼓泡 以实现在反应器中的压力直至 40Kg/cm2。接着使得加热反应材料直至 165℃并且维持在该 温度下 1 小时。在操作期间反应器内部的压力上升至 59.0Kg/cm2。然后使得冷却反应物质 直至 25℃并且接着将反应混合物在筐式离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。 使得从离心 机 (5) 获得的包含碳酸钙的湿滤饼 (6) 在 110℃下在烘箱中 (7) 干燥并且贮存 (8)。如上 分析从离心机收集的滤液 (9) 的甲基酯、 甲醇和湿度含量。发现滤液中的甲基酯的浓度为 9.3 重量％， 同时甲醇浓度为 90.1 重量％和通过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 1.0 重量％。在期望的运行时间之后， 通过排气口 (10) 释放反应器 (4) 内部的压力， 蒸汽通过 分离来自其它挥发性反应液体混合物 (12) 的二氧化碳气体 (13) 的分离器 (11)。 如此制备 的二氧化碳可以在 (4) 回收利用而液体混合物可以在 (4) 回收利用。
在第三阶段， 将从上述第二阶段离心机获得的滤液再次装入相同的中碳钢高压反 应器 (4)。其它操作步骤和参数与第一和第二阶段相同。发现在反应器中获得的最终压力 为 55Kg/cm2。发现从离心机 (5) 获得的滤液 (9) 中的甲基酯的浓度为 10.4 重量％， 同时甲 醇浓度为 89.4 重量％并且通过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 1.0 重量％。在期望 的运行时间之后， 通过排气口 (10) 释放反应器 (4) 内部的压力， 蒸汽通过分离二氧化碳气 体 (13) 的分离器 (11)， 所述二氧化碳气体 (13) 可以从在 (4) 回收利用的其它挥发性反应 液体混合物 (12) 在 (4) 回收利用。
在第四阶段， 将从上述第三阶段离心机获得的滤液再次装入相同的中碳钢高压反 应器 (4)。 其它操作步骤和参数与第一、 第二和第三阶段相同。 发现在反应器中获得的最终 2 压力为 54.5Kg/cm 。发现从离心机 (5) 获得的滤液 (9) 中的甲基酯的浓度为 11.6 重量％， 同时甲醇浓度为 87.7 重量％并且通过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 1.0 重量％。 在期望的运行时间之后， 通过排气口 (10) 释放反应器 (4) 内部的压力， 蒸汽通过分离二氧 化碳气体 (13) 的分离器 (11)， 所述二氧化碳气体 (13) 可以从在 (4) 回收利用的其它挥发 性反应液体混合物 (12) 在 (4) 回收利用。
在期望的阶段之后， 为了回收将在 (4) 获得的如果存在的未转化的甲醇、 甲基酯、湿度输送至再沸器组装塔馏分蒸馏组件 (14)。将 1 重量％碳酸钠甲基酯添加至再沸器中 作为稳定剂。使用或者不使用真空在馏分蒸馏组件 (14) 中分别从甲醇 (16) 分离纯甲基酯 (15) 并且贮存。获得的纯甲醇可以在 (1) 回收利用。收集高纯度甲基酯馏分， 其在 GC 分析 时显示纯度为 99.8 重量％并且湿度含量为 0.03％。通过旋光仪测量纯净液体甲基酯的旋 光度为 (-)8.43。
实施例 -4
在 165 ℃下在高压下使用三乙醇胺用二氧化碳直接酯化在甲醇中的乳酸钙溶液 ( 图 1)
将如在实施例 -1 中提及的 110g 干燥乳酸钙 (1)、 794g 纯甲醇 (2) 和 110g 三乙醇 胺 (2a) 装入具有容量为 5L 的低碳钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 750RPM 下连续搅 拌。将来自圆筒状钢瓶的二氧化碳气体 (3) 用于加压反应器以得到初始压力 20Kg/cm2。接 着使得加热反应材料直至 165℃并且维持在该温度下 1 小时。 在操作期间， 将反应器内部的 2 压力升至 61.2Kg/cm 。然后使得冷却反应物质直至 25℃并且将反应混合物在筐式离心过 滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。使得包含碳酸钙的湿滤饼在烘箱 (7) 中在 110℃下干燥并 且贮存 (8)。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从离心机 (5) 收集的滤液 (9) 的甲 基酯和甲醇含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器测量湿度。发现滤 液中的甲基酯的浓度为 9.3 重量％， 同时甲醇浓度为 89.9 重量％和通过 Karl-Fischer 方 法得到的湿度含量为 0.5 重量％。通过排气口 (10) 释放反应器 (4) 内部的压力， 蒸汽通过 分离二氧化碳气体 (13) 的分离器 (11)， 所述二氧化碳气体 (13) 可以在 (4) 回收利用。其 它挥发性反应液体混合物 (12) 在 (4) 回收利用。 在第二阶段， 将从上述离心机 (5) 获得的滤液再次装入相同的中碳钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 750RPM 下连续搅拌。再次将二氧化碳气体 (3) 在反应器中加压至 20Kg/cm2。接着使得加热反应材料直至 165℃并且维持在该温度下 1 小时。在操作期间， 反 2 应器内部的压力上升至 59.0Kg/cm 。然后使得冷却反应物质直至 25℃并且将反应物质在 筐式离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。使得包含碳酸钙的湿滤饼 (6) 在 110℃下在烘 箱 (7) 中干燥并且贮存 (8)。如上分析从离心机 (5) 收集的滤液 (9) 的甲基酯、 甲醇和湿 度含量。发现滤液中的甲基酯的浓度为 10.4 重量％， 同时甲醇浓度为 89.1 重量％和通过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 0.6 重量％。通过排气口 (10) 释放反应器 (4) 内部 的压力并且蒸汽通过分离二氧化碳气体 (13) 的分离器 (11)， 所述二氧化碳气体 (13) 可以 从在 (4) 回收利用的其它挥发性反应液体混合物 (12) 在 (4) 回收利用。
实施例 -5
对照实验 ： 在 165℃下在高压下在甲醇中的乳酸钙溶液的反应 ( 图 1)
将如在实施例 -2 中解释的而制备的在甲醇中的 1100g 稀释的乳酸钙 (10 重量％ ) 溶液装入具有容量为 5L 的低碳钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 750RPM 下连续搅拌。 接着使得加热反应材料直至 165℃并且维持在该温度下 1 小时。在操作期间， 获得的反应 2 器内部的压力直至 20.2Kg/cm 。然后使得冷却反应物质直至 25℃并且在筐式离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。在反应产物中没有观察到沉淀物。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从反应器底部 (9) 收集的反应产物的甲基酯、 甲醇含量。发现滤液中的甲基酯 的浓度为 0 重量％， 同时甲醇浓度为 100 重量％。因此发现在缺乏二氧化碳时没有形成甲
基酯。 在高压下乳酸钠的直接酯化
实施例 -6
在水中的乳酸钠溶液的脱水 ( 图 4)
将 具 有 容 积 为 5L 的 玻 璃 容 器 组 装 塔 组 件 (3) 装 入 有 2500g、 LACTOCHEM， Chennai(India) 制具有浓度 70 重量％的在水中的纯乳酸钠溶液 (1) 以及 1000g 纯甲苯 (2)。接着将材料使用搅拌器在 250RPM 下连续混合。使用电加热器加热该反应器。水以及 甲苯的蒸汽通过组装塔上升并且在顶部冷凝 (6) 以得到两层作为馏出物。将上部和轻的有 机层连续回收利用， 而连续去除底部水层直至完全耗净并且在馏出物没有观察到水层的存 在。 上部温度达到从 85-105℃直至操作结束并且底部反应器温度在 99-105℃的范围内。 将 在甲苯中的脱水乳酸钠转移至分离器 (4)。接着将由此获得的在甲苯中的脱水乳酸钠缓慢 地冷却至 40℃。通过虹吸作用将上部有机层去除至分离器 (4) 以外。将在反应器底部获得 的乳酸钠晶体溶解于 2500g 纯甲醇以制备在混合器 (5) 中的在甲醇中的 2500g 纯甲醇乳酸 钠溶液。 将在甲醇中的乳酸钠溶液冷却至 25℃并且贮存。 将该无水的在甲醇中的乳酸钠溶 液用于以下给出的随后的实施例中。
实施例 -7
在 165℃下在高压下使用二氧化碳直接酯化在甲醇中的乳酸钠溶液 ( 图 1)
将如在实施例 -6 中解释的而制备的在甲醇 (2) 中的 1100g(40 重量％ ) 无水的在 甲醇 (2) 中的乳酸钠溶液 (1) 装入具有容量为 5L 的低碳钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌 器在 750RPM 下连续搅拌。将来自圆筒状钢瓶的二氧化碳气体 (3) 用于加压反应器以得到 初始压力 28.7Kg/cm2。接着使得加热反应材料直至 165℃并且维持在该温度下 1 小时。在 操作期间反应器内部的压力上升至 53.5Kg/cm2。然后使得冷却反应物质直至 25℃并且在 筐式离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。使得包含碳酸钠的湿滤饼 (6) 在烘箱 (7) 中 在 110℃下干燥并且贮存 (8)。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从离心机 (5) 收 集的滤液 (9) 的甲基酯、 甲醇含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器 测量湿度。发现滤液中的甲基酯的浓度为 20.3 重量％， 同时甲醇浓度为 76.9 重量％和通 过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 0.5 重量％。在期望的运行时间之后， 通过排气口 (10) 释放反应器 (4) 内部的压力， 蒸汽通过分离二氧化碳气体 (13) 的分离器 (11)， 所述二 氧化碳气体 (13) 可以从在 (4) 回收利用的其它挥发性反应液体混合物 (12) 在 (4) 回收利 用， 为了回收将在 (4) 获得的如果存在的未转化的甲醇、 甲基酯、 湿度输送至再沸器组装塔 馏分蒸馏组件 (14)。将 1 重量％碳酸钠甲基酯添加至再沸器中作为稳定剂。使用或者不使 用真空在馏分蒸馏组件 (11) 中分别从甲醇 (16) 分离纯甲基酯 (15) 并且贮存。获得的纯 甲醇可以在 (4) 回收利用。
实施例 -8
在 165℃下在高压下使用三乙醇胺使用二氧化碳直接酯化在甲醇中的乳酸钠溶液 ( 图 2)
蒸馏来自如在实施例 -6 中解释的在甲醇 (2) 中的无水的乳酸钠溶液 (1) 以去除 过量的甲醇从而得到最终乳酸钠溶液为 50 重量％， 残留甲醇和痕量的甲苯。将 1300g 该溶 液 (1) 装入具有容量为 5L 的中碳钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 750RPM 下连续搅拌。
将来自圆筒状钢瓶的二氧化碳气体 (3) 在反应器中加压以得到初始压力 20Kg/cm2。接着使 得加热反应材料直至 165℃并且维持在该温度下 1 小时。在操作期间获得的反应器内部的 压力直至 56Kg/cm2。接着使得反应物质冷却至 25℃并且然后从反应器底部去除接着在筐 式离心过滤机 (5) 中过滤。然后将滤液 (9) 在旋转蒸发仪中进行闪蒸以去除最大量的挥发 性物质作为馏出物。将蒸馏之后在旋转蒸发仪中收集的残留物在中碳钢反应器中与 900g 纯甲醇 (2) 一起回收利用。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析反应器底部样品的 甲基酯、 甲醇含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器测量湿度。发现 在反应器底部样品中的甲基酯的浓度为 15.6 重量％， 同时甲醇浓度为 69.8 重量％和通过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 0.5 重量％。
在第二阶段， 将如上所述获得的原料在相同的中碳钢高压反应器 (4) 处理并且使 用搅拌器在 750RPM 下连续搅拌。再次将二氧化碳气体 (3) 在反应器中加压至 20Kg/cm2。 接着使得加热反应材料直至 165℃并且维持在该温度下 1 小时。在操作期间， 获得的反应 2 器内部的压力直至 46.5Kg/cm 。然后使得冷却反应物质直至 25℃并且然后从反应器底部 去除接着在筐式离心过滤机 (5) 中过滤。然后将滤液 (9) 在旋转蒸发仪中进行闪蒸以去 除最大量的挥发性物质作为馏出物。分别收集馏出物和残余物。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 基于无水基准分析反应器底部样品的甲基酯、 甲醇含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器测量湿度。发现在反应器底部样品中的甲基酯的浓度为 17.1 重量％， 同时甲醇浓度为 67.1 重量％和通过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 0.55 重量％并且发现在馏出物中的甲基酯的浓度为 40.2 重量％， 同时甲醇浓度为 58.7 重 量％和通过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 0.5 重量％。
由此发现乳酸钠可以使用甲醇和二氧化碳气体在高压反应和高温下直接转化为 甲基酯。
实施例 -9
在高压下在甲基酯 ( 乳酸甲酯 ) 的存在下使用甲醇和二氧化碳直接酯化乳酸钠 ( 图 2)
蒸馏来自如在实施例 -6 中解释的在甲醇中的无水乳酸钠溶液以去除过量的甲醇 从而得到最终乳酸钠和甲醇浓度分别为 50 重量％。添加等量的纯甲基酯 ( 乳酸甲酯 )， PURAC Inc.USA 制从而得到原料组合物 50 重量％甲基酯、 25 重量％无水乳酸钠 (1) 和 25 重 量％甲醇 (2)。 将该混合物装入具有容量为 5L 的中碳钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 750RPM 下连续搅拌。 将来自圆筒状钢瓶的二氧化碳气体 (3) 在反应器中加压以得到初始压 2 力 20Kg/cm 。接着使得加热反应材料直至 165℃并且维持在该温度下 1 小时。在操作期间， 获得的反应器内部的压力直至 56.3Kg/cm2。 然后使得冷却反应物质直至 25℃并且然后从反 应器底部去除。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析反应器底部样品的甲基酯、 甲醇 含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器测量湿度。发现在反应器底部 样品中的甲基酯的浓度为 58.4 重量％， 同时甲醇浓度为 40.2 重量％和通过 Karl-Fischer 方法得到的湿度含量为 0.7 重量％。由此乳酸钠可以直接转化为甲基酯并且发现转化率为 37-40％。
在高压下乳酸钙的直接酯化
实施例 -9在不同搅拌速度下乳酸钙的乙基化 ( 图 2)
将 100g 乳酸钙 (10 重量％ ) 溶液 (1) 和乙醇 (2) 装入具有容量为 5L 的低碳钢高 压反应器 (4) 并且使用搅拌器在从 300、 600 和 1000RPM 变化的搅拌速度下连续搅拌。将来 自圆筒状钢瓶的二氧化碳气体 (3) 在反应器中加压以得到初始压力 25Kg/cm2。接着使得加 热反应材料直至 200℃并且维持在该温度下 8 小时。 在操作期间， 反应器内部的压力上升至 2 72-80Kg/em 。 然后使得冷却反应物质直至 25℃并且将反应混合物在筐式离心过滤机 (5) 上 在 3000RPM 下过滤。使得从离心机获得的包含碳酸钠的湿滤饼 (6) 在烘箱 (7) 中在 110℃ 下干燥并且贮存 (8)。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从离心机收集的滤液 (9) 的乙基酯、 乙醇含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器测量湿度。在 反应期间乙基酯的浓度分布示于表 1。发现在反应结束时平均湿度含量在 7.5 重量％的范 围内。
表1： 搅拌速度对乙基酯的形成％的影响
( 反应条件 ： 乳酸钙 10％ ； 湿度含量 -5％ ； 反应温度 -200℃， CO2 压力 -25kg/cm2 ； 搅拌速度 1000RPM)
实施例 -10
在不同 CO2 压力下乳酸钙的乙基化 ( 图 2)
将 100g 乳酸钙 (10 重量％ ) 溶液 (1) 和乙醇 (2) 装入具有容量为 5L 的低碳钢高 压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 1000RPM 的搅拌速度下连续搅拌。将来自圆筒状钢瓶的二 氧化碳气体 (3) 在反应器中加压以得到初始压力 5、 15 和 25Kg/cm2。接着使得加热反应材 料直至 200℃并且维持在该温度下 8 小时。在乙基化反应期间， 在初始压力 5、 15 和 25Kg/ 2 cm 下， 在反应期间在反应器内部的最终整体压力分别升高至 39、 59 和 80Kg/cm2。然后使 得冷却反应物质直至 25℃并且将反应混合物在筐式离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。 使得从离心机获得的包含碳酸钙的湿滤饼 (6) 在烘箱 (7) 中在 110℃下干燥并且贮存 (8)。 使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从离心机收集的滤液 (9) 的乙基酯、 乙醇含量， 同 时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器测量湿度。在反应期间乙基酯的浓度
分布示于表 2。发现在反应结束时平均湿度含量为 7.5 重量％。
表2： CO2 压力对于使用 CO2 的乳酸钙的乙基化的影响
( 反应条件 ： 湿度含量 5％ ； 温度 200℃， 乳酸钙 10％ ； 搅拌速度 1000RPM)
实施例 -11
在不同的乳酸钙初始浓度下使用 C02 和乙醇的乳酸钙的乙基化 ( 图 2)
将如在实施例 -2 中解释的而制备的通过溶解 50、 100 和 150g 在乙醇 (2) 中的乳 酸钙 (1) 溶液而制备的 5％、 10％和 15％初始浓度的乳酸钙溶液装入具有容量为 5L 的低碳 钢高压反应器 (4) 并且使用搅拌器在 900RPM 的搅拌速度下连续搅拌。将来自圆筒状钢瓶 的二氧化碳气体 (3) 在反应器中加压以得到初始压力 25Kg/cm2。接着使得加热反应材料直 至 200℃并且维持在该温度下 8 小时。 在操作期间， 反应器内部的压力上升至 72-80Kg/cm2。 然后使得冷却反应物质直至 25℃并且将反应混合物在筐式离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下 过滤。使得从离心机获得的包含碳酸钙的湿滤饼 (6) 在烘箱 (7) 中在 110℃下干燥并且贮 存 (8)。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从离心机收集的滤液 (9) 的乙基酯、 乙醇 含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器测量湿度。在反应期间乙基酯 的浓度分布示于表 3。发现在反应结束时平均湿度含量在 6.2 重量％的范围内。
表3： 初始乳酸钙浓度对于使用 CO2 的乙基化的影响
( 反应条件 ： 湿度含量 5％ ； 温度 200℃， CO2 压力 ： 25kg/cm2 ； 搅拌速度 1000RPM)
实施例 -12 在不同的温度下乳酸钙的乙基化 ( 图 2)将如在实施例 -2 中解释的而制备的通过溶解 100g 乳酸钙粉末 (1) 在乙醇 (2) 中 而制备的初始 10％浓度的乳酸钙溶液装入具有容量为 5L 的低碳钢高压反应器 (4) 并且使 用搅拌器在 1000RPM 的搅拌速度下连续搅拌。将来自圆筒状钢瓶的二氧化碳气体 (3) 在反 应器中加压以得到初始压力 25kg/cm2。接着使得加热反应材料直至 190℃、 200℃和 210℃ 并且维持在该温度下 8 小时。在 190℃、 200℃和 210℃的反应温度下， 反应器内部的操作压 2 力分别上升至 72、 79.6 和 80kg/cm 。 然后使得冷却反应物质直至 25℃并且将反应混合物在 筐式离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。使得从离心机获得的包含碳酸钙的湿滤饼 (6) 在烘箱 (7) 中在 110℃下干燥并且贮存 (8)。使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从 离心机收集的滤液 (9) 的乙基酯、 乙醇含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪器测量湿度。在反应期间乙基酯的浓度分布示于表 4。发现在反应结束时平均湿度含 量在 9 重量％的范围内。
表4： 温度对于使用乙醇和 CO2 的乳酸钙的乙基化的影响
( 反应条件 ： 乳酸钙 10％ ； 湿度含量 5％， CO2 压力 25kg/cm2 ； 搅拌速度 1000RPM)
实施例 -13 在不同的湿度含量下乳酸钙的乙基化 ( 图 2)在反应体系中湿度含量％通过调节和分析在乳酸钙中和在乙醇中的湿度从 1.5％ 至 23％变化。通常在 30℃下乳酸钙包含 23％湿度。如在实施例 -2 中解释的而制备的溶解 初始乳酸钙 (100g) 溶液 (1) 于乙醇 (2) 中装入具有容量为 5L 的低碳钢高压反应器 (4) 并 且使用搅拌器在 1000RPM 的搅拌速度下连续搅拌。
表5： 湿度含量对于使用乙醇和 CO2 的乳酸钙乙基化的影响
( 反应条件 ： 乳酸钙 10％ ； 反应温度 200℃， CO2 压力 -25kg/cm2
将来自圆筒状钢瓶的二氧化碳气体 (3) 在反应器中加压以得到初始压力 25Kg/ cm 。使得加热反应材料直至 200℃并且维持在该温度下 7-8 小时。在操作期间， 反应器内 2 部的压力上升至 72-80Kg/cm 。然后使得冷却反应物质直至 25℃并且将反应混合物在筐式 离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。使得从离心机获得的包含碳酸钙的湿滤饼 (6) 在烘
2箱 (7) 中在 110℃下干燥并且贮存 (8)。 使用 Shimadzu 制 GC-MS 型号 QP5000 分析从离心机 收集的滤液 (9) 的乙基酯、 乙醇含量， 同时通过 Automatic Karl-Fischer， Lab India 制仪 器测量湿度。在反应期间乙基酯的浓度分布示于表 5。发现在反应结束时湿度含量在 6-15 重量％的范围内。
在常压下乳酸钠的连续酯化
实施例 -14
在 165℃和常压下使用甲醇、 二氧化碳和二苯醚作为加热介质的乳酸钠的直接酯 化 ( 图 3)
将 具 有 容 积 为 5L 的 玻 璃 容 器 组 装 塔 组 件 装 入 有 3300g、 LACTOCHEM， Chennai(India) 制具有浓度 70 重量％的在水中的纯乳酸钠溶液 (1) 以及 1200g 纯甲苯。 接着将材料使用搅拌器在 250RPM 下连续混合。使用电加热器加热该反应器。水以及甲苯 的蒸汽通过组装塔上升并且在顶部冷凝以得到两层作为馏出物。 将上部和轻的有机层连续 回收利用至蒸馏釜， 而连续去除底部水层直至在馏出物中不存在痕量的水层。上部温度达 到 105℃直至操作结束并且底部反应器温度为 105℃。如此获得在甲苯中的脱水乳酸钠接 着将其缓慢地冷却至 60℃。然后通过虹吸作用去除上部甲苯层。在反应器底部获得乳酸 钠晶体。将同时具有痕量甲苯的脱水乳酸钠 (1) 与 800g 二苯醚 (2) 一起装入具有容量为 5L 的低碳钢高压反应器容器 (3) 并且使用搅拌器在 750RPM 下连续搅拌。接着加热反应器 直至 165℃并且在整个反应期间维持在该温度下。在操作期间， 反应器内部的压力上升至 2 72-80Kg/cm 。然后使得冷却反应物质直至 25℃并且将反应混合物在筐式离心过滤机 (5) 上在 3000RPM 下过滤。将纯甲醇 (4) 以 200g/h 的速率通过反应器底部的喷淋器。类似地， 也将二氧化碳气体 (5) 以 40L/h 的速率同时从反应器底部通过分离气体喷淋器 (6)。未反 应的甲醇、 形成的甲基酯和未反应的二氧化碳气体的蒸汽通过反应器上升 ；
甲基酯和甲醇在冷凝器 (7) 中冷凝并且在接收器 (8) 中作为馏出物收集。该操作 连续 5 小时， 在 GC-MS 中分析收集的馏分的甲基酯。馏出物显示甲基酯为 24.5 重量％。
实施例 -15
在 170℃和高压下使用甲醇、 二氧化碳从乙酸钠制备乙酸甲酯
将 82gm 无水乙酸钠 ( 工业级 ) 装入高压釜并且向其装入 1200gm 甲醇。将反应混 合物用二氧化碳加压至 210psig， 并且将反应混合物加热至 130℃在该温度下维持 8 小时。 反应混合物的压力上升至 620psig 并且下降至 570psig。接着将反应混合物用二氧化碳加 压至 620psig 并且接着将反应混合物加热至 170℃在该温度下维持另外的 8 小时然后冷却。 反应混合物称重为 1215gm 和通过气相色谱 - 质谱仪进行分析并且显示在反应混合物中为 60gm 乙酸甲酯。
实施例 -16
在 170℃和高压下使用甲醇、 二氧化碳从苯甲酸钠制备苯甲酸甲酯
将 250gm 无水苯甲酸钠 ( 工业级 ) 装入高压釜并且向其装入 1500gm 甲醇。将反 应混合物用二氧化碳加压至 250psig， 并且将反应混合物加热至 170℃在该温度下维持 8 小 时。反应混合物的压力上升至 950psig 并且在反应结束时下降至 850psig。在将反应物质 冷却至室温时， 压力下降至 120psig。反应混合物称重为 1450gm 和通过气相色谱 - 质谱仪 进行分析并且显示在反应混合物中为 140gm 苯甲酸甲酯。实施例 -17
在 170℃和常压 (1.03KG/CM2) 下使用甲醇、 二氧化碳和二苯醚作为加热介质从苯 甲酸钠连续生产苯甲酸甲酯
将 5 升 SS 高压釜装有 576gm 无水苯甲酸钠以及 1500gm 二苯醚。将反应混合物 在氮气流下在 120℃下加热 3 小时以去除痕量湿度。接着将反应混合物加热至 165-170℃ 并且向其进行以 120ml/h 的速率的甲醇添加以及同时以 40L/h 的速率添加二氧化碳。将 产物与馏出物一起通过水冷冷凝器冷却并且收集。在约 8 小时内总的甲醇添加量为 746gm 并且添加的二氧化碳为约 352gm。称重收集的馏分约 650gm 并且显示在其中苯甲酸甲酯为 195gm( 通过气相色谱 - 质谱仪分析 )。
实施例 -18
在 170℃和高压下使用甲醇、 二氧化碳从水杨酸钠制备水杨酸甲酯
将 80gm 无水水杨酸钠 ( 工业级 ) 装入高压釜并且向其装入 1500gm 甲醇。将反应 混合物用二氧化碳加压至 260psig， 并且将反应混合物加热至 170℃在该温度下维持 8 小 时。反应混合物的压力上升至 955psig 并且下降至 900psig。将反应混合物冷却并且用二 氧化碳加压至 250psig 同时将其在 170℃下加热另外的 8 小时。将反应混合物冷却。通过 气相色谱 - 质谱仪进行分析并且显示在反应混合物中为 140gm 苯甲酸甲酯。将工作后的反 应混合物 1457gm 进行气相色谱 - 质谱仪分析。反应混合物显示水杨酸甲酯为 42gm 并且约 4gm 苯酚作为副产物。副产物碳酸钙的表征 ( 图 5)
使用 CO2 和醇的乳酸钙的直接酯化产生高纯度烷基酯以及碳酸钙作为副产物。表 征合成的副产物及碳酸钙样品的结晶度、 表面积和孔体积。该路线的优点是合成的副产物 可以回收利用至发酵罐以制备相应的碱金属乳酸盐或者很好的沉淀的碳酸钙可以用于各 种其它应用。未反应的乳酸钙通过添加过量的醇而去除并且使得所得的固体物质在 100℃ 下在烘箱中干燥。测量碳酸钙的干重并且接着确认反应的物质平衡。发现试验误差位于 ±5％之内。图 4 示出标准碳酸钙样品和通过使用 CO2 和醇的乳酸钙的酯化而制备的碳酸 钙的 XRD 图。如可以看出的， 合成的碳酸钙的相是具有六面体结构的很好结晶的方解石 (JCPDS83-0577 和 83-1762) 并且与认证的碳酸钙样品相匹配。通过多点吸附法获得的 BET 表面积和孔体积的结果列于表 6 中并且示出在本方法中制备的碳酸钙 (CaCO3 合成的 ) 得到比 商购的碳酸钙 (CaCO3 商购的 ) 样品更高的比表面积， 表明在本研究中的合成的碳酸钙的粒径 大大的小于商购的碳酸钙的粒径。CaCO3 合成的与 CaCO3 商购的相比显示更高的孔体积以及平均 孔径。
表6： 碳酸钙的 BET 表面积、 孔径和孔体积
本发明的优点
●在本发明中报道的直接酯化反应方法是从乳酸钙或乳酸钠至甲基酯并且由此 避免在传统方法中获得的令人不快的污染物如硫酸钙或硫酸钠。
●在本发明中， 在反应期间作为副产物与甲基酯一起形成的碳酸钙或碳酸钠或者 碳酸氢盐可以回收至发酵部分。
●在该新型方法中， 获得的过量的、 未反应的甲醇和二氧化碳可以容易地分离并 且回收利用至操作中。
●在本发明中报道的试剂如三乙醇胺的使用增加乳酸钠或乳酸钙向甲基酯的转 化率。
●在本发明中， 没有副产物形成。
●如果存在的过热的甲醇蒸汽供给至反应器底部有助于去除水 ；
●形成的甲基酯朝向反应器的顶部， 并且由此抑制可逆反应， 这反过来有助于提 高在常压下以连续操作的乳酸钠向甲基酯的正向反应。
上述操作的净效果是实现乳酸钠向甲基酯的更高的转化率。
●在本发明中报道的连续方法允许摩尔比为 8。通过本发明生产的甲基酯具有 GC-MS 质量纯度为 99.5-99.8 重量％并且具有极低的湿度含量为 0.03-0.5 重量％。
在本发明中报道的新型方法是商业上可行的。 在本发明中报道的方法是操作安全 的并且在大规模上易于控制， 由此使得方法商业上可行的。因此与通常的和常规的方法相 比， 在本发明的方法中， 以高产率获得极高品质的产物并且可以生产高纯度甲基酯。