本发明属于氨基乙酸的制备方法。
甘氨酸亦称氨基乙酸,是一种重要的精细化工产品,广泛应 用于医药、食品、化工、农药等行业,在医药中主要用于氨基酸制 剂,金霉素缓冲剂,咪唑酸乙酯中间体。在食品工业中作为食品添 加剂用于调味、杀菌防腐、抗氧化、营养强化等。在农药工业中主 要用作合成草甘膦、增甘膦的原料。甘氨酸合成,目前国外多数采 用以氰化钠(或含氰废水)为主要原料的Strecker法,该法工艺条 件苛刻,收率不高,但可利用丙烯氰生产的废水作原料,成本低。 我国普遍采用α-卤代酸法,原料易得,反应条件温和,工艺成熟, 但存在催化剂不能回收、反应收率仅在80~85%之间、大量甲醇需 蒸馏从而蒸气消耗大、环境污染严重、成本高等缺点。
美国专利US5155264(1992)创造性地提出一种合成甘氨酸 的新方法,合成过程中不生成氯化铵,从而省去了甘氨酸和氯化铵 的分离工序,收率可达92.7%,但由于使用了价格高昂的三乙胺, 且其回收困难,故此法成本更高。
本发明的目的在于克服上述缺陷,提供一种产品质量稳定, 收率高,成本低,适合工业化大规模生产的甘氨酸制备工艺。本工 艺通过连续循环合成和多元溶剂循环分离两个封闭体系,制得甘氨 酸,并可得到工业一级品的副产品氯化铵。
本发明甘氨酸制备工艺的技术解决方案是用氯乙酸和氨作液相 反应,反应后分离出甘氨酸,其特殊之处是包括步聚:
(1)将反应后的溶液冷却结晶分离出甘氨酸/氯化铵混晶;取 出混晶后的母液返回反应体系,循环套用;
(2)所述的混晶用醇-水混合液溶解其中的氯化铵,分离出甘 氨酸;取出甘氨酸后的母液脱醇后冷却结晶分离出氯化铵;取出氯 化铵后的母液与所述脱出的醇混合后返回混晶溶解体系,循环套 用。
上述步聚(1)中:
①所述的反应在催化剂乌洛托品(六次亚甲基四胺)存在下 进行,将氯乙酸和乌洛托品分别用溶剂溶解后输入管式反应器,同 时输入氨气或氨水,所述的溶剂为水、醇或醇-水混合液;
醇-水混合液中醇含量为任意值;
所述的醇为含1~4个碳原子的一元醇,本发明优选的是甲醇 或乙醇;
氯乙酸于溶液中的重量百分浓度为20~80%;
将氯乙酸溶液和乌洛托品溶液加压后定量输入管式反应器, 并顺流通入氨气或氨水,控制反应体系pH值为5~10,及时移走 反应热以控制反应温度为60~95℃;
通氨气压力为0.1~1.0Mpa,控制其流量使反应体系pH值保持 在5~10,优选为6~8;
②所述的冷却是指将反应后溶液输入冷却釜冷却至5~30℃, 为保证产物尽可能多地析出,又便于工业生产,冷却温度优选为 15~20℃,此温度下,析出甘氨酸/氯化铵混晶(甘氨酸和氯化氨结 晶混合物),其中甘氨酸与氯化铵摩尔比为1∶1;
③取出混晶后的母液,其中含有催化剂及未反应的氯乙酸和 部分反应主副产物,用此母液溶解氯乙酸和乌洛托品,返回反应体 系,母液中残留反应物参与反应,并补充适量催化剂和损失的溶剂 以保持体系组成相同,母液如此循环套用10~30次后,将最后一 批母液浓缩后醇析,取出其中残留的甘氨酸/氯化铵;醇析加醇量 为母液体积的1~6倍;
如所述的,溶剂为水、醇或醇-水混合液;
若溶剂为水,为避免直接用合成母液来溶解氯乙酸导致体系 中催化剂在酸性条件下分解,在循环过程中仍用水来配制高浓度的 氯乙酸溶液;较高温度的合成液在进行冷却之前进行负压浓缩以除 去过量的水及氨,以保证冷却结晶时体系的pH值为5~6,使甘氨 酸尽可能多地析出;
若溶剂选择醇或醇-水混合液,则反应过程中无需冷却,因为 醇沸点较低,反应热可通过溶剂的汽化,冷凝回流来移走,从而可 以方便地控制反应温度为60~95℃(不可能超过溶剂沸点);
在循环过程中,母液颜色逐渐加深,主要是由甘氨酸的氧化 和聚合所致,为减轻这种氧化作用可在反应过程中加入氯乙酸总重 量1~5‰的缓氧化剂,如亚硫酸氢钠等;
此步聚得到结晶混合物经分析其中甘氨酸收率(以氯乙酸计) 可达98%。
上述步聚(2)中:
①溶解混晶中的氯化铵所用醇-水混合液中醇重量百分含量为 40~85%,优选60~70%,溶解温度为40~90℃,溶解后分离出甘氨 酸固体;
溶解、分离过程在釜及精馏塔(或简单蒸馏装置)中进行, 这是利用甘氨酸、氯化铵在混合液中溶解度不同实现的;氯化铵完 全溶解后进行固-液分离(可抽滤实现),所得固体-甘氨酸用醇洗 涤后烘干得工业级甘氨酸;
②取出甘氨酸后的母液进入精馏塔蒸馏,脱除其中20~95%(优 选60~70%)的醇后冷却结晶,离心分离,得工业级氯化铵;冷却 温度为5~30℃,优选为10~15℃;
③取出氯化铵后的母液与脱除收集的醇混合后返回混晶溶解 体系,循环套用20~30次,最后一批母液经蒸馏脱除醇后浓缩、 冷却,析出其中残留的甘氨酸/氯化铵,此结晶混合物又可返回所 述的溶解、分离过程。
本发明将甘氨酸生产通过连续循环合成和多元溶剂循环分离 两个封闭循环步聚来实现,其中前一步聚,不仅使催化剂得以循环 使用,而且使未反应的氯乙酸参与下循环的反应,从而提高了产品 收率;后一步聚利用甘氨酸在不同醇浓度的醇水溶液中的溶解度不 同实现甘氨酸和氯化铵的有效分离,在获得高纯度高收率主产品的 同时得到了高纯度高收率的副产品氯化铵,而且节约了能源。而现 行甘氨酸工业生产中其分离步聚普遍采用的方法是向合成液中加入 大量的醇,使甘氨酸析出,母液经回收醇后浓缩得到工业级氯化铵, 母液中仍含有1.5%的甘氨酸不能回收,且由于温度较高及母液中 含有催化剂,在精馏过程中发生副反应,使催化剂不能回收,塔釜 液含有1~2%的醇不能回收,不仅污染环境而且增加了醇的消耗。
下面说明本发明的具体实施方式。
首先分别说明实施中合成步聚及分离步聚的实施方式。
合成步聚例1 取500g氯乙酸(MCA)及125g乌洛托品 (HMT),分别溶解于250g水中,均匀地注入长250mm,直径 10mm,并带有冷却夹套的静态混合器中,在线检测反应器出口溶 液的pH值和温度,通入氨气,控制氨气的流量使pH值为6~8, 控制冷却套冷却水的流量保证反应温度为60~80℃,反应液进入 1000ml的结晶器缓慢冷却至15~25℃,抽滤,取出甘氨酸/氯化铵 混晶,母液返回溶解350gMCA并补充2.0gHMT,如此循环至母液 用水稀释1000倍后在510nm处吸光度A=0.2,母液再进行浓缩、 醇析处理。
合成步聚例2 过程和设备同例1,在反应体系中加入1.0g 缓氧化剂(如亚硫酸氢钠)。
合成步聚例3 过程和设备同例1,用工业甲醇代替水作溶 剂。由于氯乙酸在甲醇中的溶解度比水小,溶剂重量应为水的三倍。
合成步聚例4 过程和设备同例3,用工业乙醇代替甲醇作 溶剂。
合成步聚例5 过程和设备同例1,用50%的甲醇水溶液代 替水作溶剂。溶剂重量为例1用水量的1.5倍。
合成步聚例6 母液循环套用时不直接用母液溶解MCA, 而事先用85g水溶解MCA,再加入母液,反应液经真空浓缩后冷 却,真空度≥0.08Mpa,其它条件同例2。
以上各例合成结果、甘氨酸收率及母液循环批次由表1给出。 其中产物为甘氨酸/氯化铵混晶,其组分甘氨酸、氯化铵及杂质含 量经分析得出,甘氨酸收率以氯乙酸计。
表1 合成例 母液循环批次 产物平均组成(重量%) 甘氨酸收率 (%) 甘氨酸 氯化铵 杂质 1 12 56.2 42.4 1.3 91.0 2 20 57.3 42.0 0.7 95.4 3 15 57.0 42.1 0.9 96.3 4 15 57.0 42.1 0.9 96.3 5 15 56.5 42.2 1.3 95.1 6 30 57.5 42.0 0.5 97.6
分离步聚例1 在1500ml装有回流冷凝管的反应釜中注入 800g重量浓度60%的甲醇水溶液,加入500g合成步聚例1所得的 混晶,搅拌,升温至55℃,保温1小时,冷却至40~45℃,析出 甘氨酸,抽滤后所得滤饼用50g甲醇洗涤,烘干后称量、分析;取 出甘氨酸后的母液在装有蒸馏柱的烧瓶中蒸馏,蒸出40%的甲醇, 塔釜液冷却至5~10℃,析出氯化铵,抽滤、烘干、称量、分析; 取出氯化铵后的母液与蒸出的甲醇混合后返回用于重新溶解200g 甘氨酸/氯化铵混晶,此种母液循环20批次后蒸出全部甲醇,再浓 缩、冷却、抽滤,得到成分与合成混晶相近的结晶混合物。
分离步聚例2 取出甘氨酸后的母液蒸馏脱除80%甲醇,其 它条件同分离步聚例1。
分离步聚例3 采用重量浓度80%的甲醇水溶液,其它条件 同分离步聚例2。
分离步聚例4 用乙醇代替甲醇,其它条件同分离步聚例2。
以上各例分离结果由表2给出。其中收率以混晶中的甘氨酸为 基准。
表2 分离例 甘氨酸 氯化铵 含量(重量%) 收率(%) 含量(重量%) 收率(%) 1 98.2 93.8 97.5 93.4 2 99.2 98.3 99.8 92.1 3 97.3 97.4 99.7 92.2 4 98.7 98.0 99.5 90.8
本发明由所述的合成步聚和分离步聚结合完成,二步聚结合构 成的实施例为:
实施例1 由合成步聚例1与分离步聚例1各条件综合。
实施例2 由合成步聚例2与分离步聚例2各条件综合。
实施例3 由合成步聚例3与分离步聚例3各条件综合。
实施例4 由合成步聚例4与分离步聚例4各条件综合。
实施例5 由合成步聚例5与分离步聚例3各条件综合。
实施例6 由合成步聚例6与分离步聚例3各条件综合。
各实施例结果由表3给出。其中甘氨酸收率以100%氯乙酸计。
表3 实施例 产品质量(以重量计) 甘氨酸收率(%) Cl-(%) 甘氨酸(%) 1 1.19 98.2 85.36 2 0.53 99.2 93.78 3 1.79 97.3 93.80 4 0.86 98.7 94.37 5 0.53 99.2 93.48 6 0.53 99.2 95.94