CN105837436A - 一种采用固体酸催化的反应精馏合成羟基乙酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种生产羟基乙酸酯的合成方法，以羟基乙酸和烷链醇为原料，以732型、D001型阳离子交换树脂等为固体酸催化剂,通过由精馏段、提馏段和中间多釜气液相串联组成的反应精馏塔，连续制备羟基乙酸酯。通过控制进料中羟基乙酸和烷链醇的物质量的比，反应温度，催化剂的用量等工艺操作条件来提高羟基乙酸酯化过程的转化率和收率。在此反应精馏设备和操作条件：链烷醇/羟基乙酸的物质量的比例为5:1、各串联反应器的反应温度为70~80℃、塔釜温度90~110℃、塔顶回流比0.3~0.5，可实现酯化转化率（以羟基乙酸计）达91%以上，羟基乙酸酯的收率通常可达90%以上。该法与常用的间歇釜式搅拌酯化装置相比，该法具有处理能力大，操作方便的优势，适用于大规模化工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及到一种羟基乙酸酯的合成方法，以烷链醇和羟基乙酸为原料，在732型、D001型等阳离子交换树脂的催化作用下，在板式（或填料）塔段与多釜气液相串联反应器组成的反应精馏设备中连续反应精馏合成羟基乙酸酯的方法，本领域属于反应精馏分离与技术领域。
背景技术
羟基乙酸酯，包括羟基乙酸甲酯，羟基乙酸乙酯、羟基乙酸（异）丙酯、羟基乙酸丁酯等，它们在精细合成领域中具有重要的应用。例如羟基乙酸甲酯，又称羟基醋酸甲酯，甘醇酸甲酯等，具有腐蚀性低、挥发性低、难以易燃、无臭、低毒性、生物分解性强、金属螯合性好、水溶性高等优点；同时羟基乙酸酯的分子结构比较特殊，具有较多的官能团，如含有的α-H，具有弱酸性，能在碱性条件下发生取代反应，羟基官能团-OH，可以发生取代加成消去等多种反应，是重要的有机合成中间体。此外，羟基乙酸酯还有一个酯基官能团-COO(CH2)xCH3，(x=0,1,2,3,…)，因此在加热条件下容易水解，在有醇类存在的情况下还会发生醇解（或酯交换）反应生成其他的酯类物质。正是由于基乙酸酯的多种官能团，使其具有较活泼的化学性质，容易发生各种化学反应使其具有广泛的使用价值，特别是在抗癌方面，可用来合成抗癌药物，如异三尖杉酯碱和其衍生物的合成，它们在抗白血病方面具有很强的疗效。除此之外，羟基乙酸酯在其他医药中间体，化工原料，润滑剂，染料，农药等方面也有广泛的应用。羟基乙酸酯类在加氢条件下可以合成乙二醇，乙二醇是一种常用的有机溶剂，可以用来制备聚酯，吸湿剂，增塑剂等，也是化妆品里必备的一种化学物质。在加热情况下，羟基乙酸酯类物质会发生水解反应，生成羟基乙酸和相应的链烷醇。羟基乙酸在加热下还可以生成乙交酯，进而可自聚制造聚羟基乙酸。聚羟基乙酸是生物相容性很好的高分子材料，在生物医学上，可以用来制作医用降解材料，例如无需拆卸的医用手术缝合线，骨折固定架等。羟基乙酸酯类物质还可氨解制备甘氨酸。甘氨酸是人体所必须的一种氨基酸，不仅可用作食品调味剂，稳定剂，还能作为营养液输送到人体；而且甘氨酸也是生产除草剂草甘膦的重要原料之一。
当前，羟基乙酸酯类物质的合成方法有：
①以卤代乙酸为原料的中和酯化法。如中国专利CN89105014.0（1989年）中以氯乙酸经碳酸钠中和后得到羟基乙酸，再与乙醇在浓硫酸为催化剂、苯或氯仿等为共沸携水剂作用下进行酯化反应，生成羟基乙酸乙酯。
②以羟基乙酸和醇为原料的直接酯化法。如陈栋梁[天然气化工，2005，25(5):5-7]以为催化剂，在实验室带搅拌的四口烧瓶中进行羟基乙酸与甲醇合成羟基乙酸甲酯，在醇酸摩尔比为5:1，反应6h的条件下，羟基乙酸甲酯的收率可达89.5%。
③以甲酸甲酯等和甲醛（或三聚甲醛、多聚甲醛）为原料在加压下经羰基化合成羟基乙酸甲酯/甲氧基乙酸甲酯。如中国专利CN97107692.8（1997年）以甲酸甲酯和甲醛为原料，以硫酸羰基化合物为催化剂，进行偶联和醇解反应，经分离后得到羟基乙酸甲酯。中国专利CN97112201.6（1997年）、CN200510021146.5（2005年）、CN200610022389.5（2006年）则分别以杂多酸等、氨基磺酸、对甲苯磺酸/金属卤化物为催化剂，多（或三）聚甲醛和甲醇反应合成羟基乙酸甲酯和甲氧基乙酸甲酯。美国专利US4824997（1989年）报道以甲醛、一氧化碳、氢气和甲醇为原料，在硫酸和副族IB金属化合物组成的催化剂作用下合成得到羟基酸及其甲酯。美国专利US6376723（2002年）报道在均相或非均相酸催化剂作用下，以甲醛、氢气和一氧化碳为原料，经羰基化反应可合成得到羟基酸及其酯类化合物。美国专利US4602102（1986年）报道以甲醛和二甲氧基甲烷为原料，经羰基化反应可合成羟基乙酸甲酯或乙酯。
④以煤基合成气为原料，合成乙二醇的中间产物——羟基乙酸甲酯，其加氢后即得到乙二醇。中国专利CN200910061855.4（2009年）在合成中使用双种催化剂Pd/α-Al2O3和Cu-SiO2 /或Cu-Cr2O3或Cu-Zn-Al甲醇合成催化剂上CO、氢气、甲醇、氧气和一氧化氮分别进行亚硝化反应、羰基化反应、加氢反应、精馏分离等步骤得到羟基乙酸甲酯和乙二醇，其中CO和氢气的转化率和选择性可分别达到99.9%和98%以上。
⑤以草酸二甲酯为原料，经加氢催化反应得到羟基乙酸酯。美国专利US4440873（1984年）、US4585890（1986年）分别报道了采用SiO2负载的金属铜催化剂制备羟基乙酸酯和乙二醇。美国专利US5455372（1995年）以SiO2等负载的金属Cu、Ag或Cu-Cr为催化剂，草酸二甲酯加氢可得到羟基乙酸酯或乙二醇。
⑥甲醛氢氰酸加成物羟基乙腈水解液的酯化法。甲醛和氢氰酸于低温和催化剂作用下加成反应生成羟基乙腈，而后羟基乙腈在硫酸/或磷酸等作用下水解生成羟基乙酸和硫酸铵/磷酸铵；以烷链醇为溶剂，可实现羟基乙酸与硫酸铵/或磷酸铵的快速高效分离，较好地解决了羟基乙腈酸水解液难以分离的问题，这在中国专利CN200910048806.7（2009年）中已做了详细的报道。以此醇析液为原料，在酸性催化剂作用下进行酯化反应，可制得相应的羟基乙酸酯类物质。
在以上羟基乙酸酯的制备方法中，方法①因使用卤代乙酸为原料，所得的产品中或多或少地含有一定量的卤素物质，如氯离子，限制了其后续产物羟基乙酸的应用场合。采用方法③甲酸甲酯和甲醛为原料的加氢反应，因使用强酸性均相或非均相催化剂，合成过程通常是在较高的温度（通常100~120℃）、较高的压力（1.0MPa~50.0MPa）下进行的，对反应设备的腐蚀性强、要求高,原料的转化率与目的产物的选择性也不是很高。方法④和方法⑤中的原料或产物羟基乙酸酯实质是合成气制备乙二醇的中间产物，合成原料气的净化过程和设备复杂，工艺流程长，在一定程度上限制了该法的应用和发展。方法②的缺陷是纯品羟基乙酸来源较少，单程酯化反应的转化率不是很高的。
发明内容
本发明的目的是利用催化反应精馏技术，针对羟基乙腈的水解液分离后得到的醇析液，在由板式塔段（或填料塔段）与多个汽液相串联反应釜组成的反应精馏设备中，将醇析液进行酯化，得到纯净的羟基乙酸酯类物质，其水解后可制得高纯度的羟基乙酸，为进一步加工成其二聚物（乙交酯）提供原料来源和技术方法。
附图说明：
附图、固体超强酸催化反应精馏装置简图
图中，1-塔釜（四口烧瓶）；2-电加热套；3-塔釜出料储存瓶；4-塔釜料液出料冷却器；5-水银温度计；6,17-筛板精馏塔段；7.超级水浴恒温槽；8,9,10,11,12-150mL夹套釜式反应器；13-塔间分水器/出料口；14-塔中部出料贮槽；15-塔上部原料液进料储罐；16-塔上部进料计量泵；18-塔顶冷凝器；19-回流比调节控制器；20-塔顶出料收集器；20-塔下部原料液进料储罐；16-塔下部进料计量泵；23-进出料调节考克。
本发明的技术解决方案如下：
本发明所述的反应是在板式塔段（或填料塔段）和反应釜串联的反应精馏设备中连续进行的，参见附图，其中该塔的塔身温度由循环水温度控制，通常在75-80℃，烷链醇和羟基乙酸在醇析液中的摩尔比5: 1，进料量2mL/min，催化剂为732型、201型阳离子交换树脂等，其中的装载量为反应釜体积的5%~50%，最好是20%~30%。
本发明的特点是使用的反应精馏设备结构新颖，连续化操作，能应用于大规模生产。催化剂采用732型、D001型阳离子交换树脂等催化剂，易与反应产物分离，对设备的腐蚀性小，过程的转化率（以羟基乙酸计）和羟基乙酸酯的收率均很高。
具体实施方式
以下实施例中定义的羟基乙酸转化率和羟基乙酸酯的收率分别为：
气相色谱分析甲醇和水分的条件：色谱仪GC1102(上海分析仪器厂)；色谱柱为Φ3mm×2m不锈钢柱，内填充60~80目401有机白色硅烷化单体，预先在250℃下老化24h；检测器为热导池（TCD），桥电流150mA；载气H2，流量30mL/min；炉温70℃；汽化室温度160℃。
酯化液中羟基乙酸酯的分析方法：采用皂化法分析羟基乙酸酯的浓度【陈双莉等. 食用油的碘值，酸值，皂化值的测定及健康评价. 辽宁化工. 2011,（5）:2~4.】。
实施例1
将500mL的纯甲醇溶液加入1000mL塔釜（四口烧瓶1）中，在5个150mL的夹套反应器（8、9、10、11、12）中分别加入100mL羟基乙酸甲醇醇析液，其中甲醇/羟基乙酸摩尔比例为5:1，再在5个反应器中分别加入经处理与干燥后的732型阳离子交换树脂（处理方法可参见离子交换树脂通用的常规酸碱处理方法）50g作为固体酸催化剂。开启塔顶冷凝器18的冷凝水阀门，通入冷却水；打开塔釜电热套2加热电源，进行塔釜1料液升温；开启超级水浴恒温槽7电源进行加热，调解水浴槽温度并恒定在80℃左右。实验中可先使得整个反应精馏塔间歇反应3h左右，塔顶回流比由电磁阀19控制的回流比分配器调节，本实施例1设定为0.3。塔上部的含水甲醇由塔间分水器13和出料口23采出，并储存于出料贮瓶14中，其中的含水量可由气相色谱仪或卡尔费休水分测定仪检测。塔顶冷凝液经气相色谱分析基本上为纯甲醇，塔顶出料收集于收集器20中，可通过开启考克直接返回塔釜1继续作为原料循环使用，补充的新鲜甲醇可由甲醇储槽21进料计量泵22从塔的提馏段上方进料口进入塔中。
待反应进行3h后，整个反应精馏塔操作渐趋稳定，此时开启醇析液计量泵16，以 2mL/min的速率从塔间分水器13下方进料口将醇析液泵入精馏塔中。待塔釜液达到或超过其容积量的2/3位置处，缓慢开启塔釜出料考克，料液经塔釜冷却器4冷却后收集于釜液储存瓶3中；同时在整个实验过程中需保持塔釜液面稳定，釜温宜维持在85℃~90℃，并每隔30min抽取塔釜液和塔间分水器13料液进行气相色谱分析。反应精馏塔在醇析液初始进料中羟基乙酸含量3.85mol/L、醇酸摩尔比5∶1、回流比0.3，进料量2mL/min时达到稳定操作后的5h内连续实验结果列于实施例1附表1。
实施例1表1、反应精馏塔达到稳定操作后5h连续实验结果*
*稳态操作：初始进料中羟基乙酸含量3.85mol/L、醇酸摩尔比5∶1、回流比0.3，进料量2mL/min
反应结束后，料液总进料量为600mL，其中含羟基乙酸的质量175.8g。塔釜总出料量522.4g（体积481mL），其中含有羟基乙酸0.2106mol/L，羟基乙酸甲酯4.543mol/L，以此来计算可得羟基乙酸的转化率为95.62%，羟基乙酸甲酯的收率为94.48%。
将塔釜产物经蒸馏并收集150℃的馏分，可得到纯净的羟基乙酸甲酯，经密度瓶法准确测定其密度为1.165g/L，与文献值1.167g/L数值非常接近。
实施例2
实验原料和实验条件与实施例1相同，将催化剂改为D001型阳离子交换树脂，反应结束后，料液总进料量为600mL，其中含羟基乙酸的质量175.8g。塔釜总出料量514.5g（体积490mL），其中含有羟基乙酸0.3677mol/L，羟基乙酸甲酯4.227mol/L，以此来计算可得羟基乙酸的转化率为92.21%，羟基乙酸甲酯的收率为89.56%。
实施例3
所用催化剂为732型阳离子交换树脂，实验原料为乙醇醇析液，其他实验条件与实施例1相仿，反应结束后，料液总进料量为600mL，其中含羟基乙酸的质量163.2g。塔釜总出料量520.8g（体积496mL），其中含有羟基乙酸0.2913mol/L，羟基乙酸乙酯4.032mol/L，以此来计算可得羟基乙酸的转化率为93.27%，羟基乙酸乙酯的收率为93.15%。
实施例4
所用催化剂为D001型离子交换树脂，实验原料为乙醇醇析液，其他实验条件与实施例3相同，反应结束后，料液总进料量为600mL，其中含羟基乙酸的质量163.2g。塔釜总出料量530.3g（体积505mL），其中含有羟基乙酸0.3707mol/L，羟基乙酸乙酯3.712mol/L，以此来计算可得羟基乙酸的转化率为91.28%，羟基乙酸乙酯的收率为87.31%。
实施例5
所用催化剂为732型阳离子交换树脂，实验原料为异丙醇醇析液，其他实验条件与实施例1相仿，反应结束后，料液总进料量为620mL，其中含羟基乙酸的质量173.2g。塔釜总出料量581.4g（体积570mL），其中含有羟基乙酸0.2823mol/L，羟基乙酸异丙酯3.669mol/L，以此来计算可得羟基乙酸的转化率为92.94%，羟基乙酸异丙酯的收率为91.76%。
实施例6
所用催化剂为D001型离子交换树脂，实验原料为异丙醇醇析液，其他实验条件与实施例5相同，反应结束后，料液总进料量为620mL，其中含羟基乙酸的质量173. 2g。塔釜总出料量598.7g（体积587mL），其中含有羟基乙酸0.3836mol/L，羟基乙酸异丙酯3.833mol/L，以此来计算可得羟基乙酸的转化率为90.12%，羟基乙酸异丙酯的收率为89.72%。
实施例7
所用催化剂为732型阳离子交换树脂，实验原料为正丁醇醇析液，其他实验条件与实施例1相仿，反应结束后，料液总进料量为630mL，其中含羟基乙酸的质量165.7g。塔釜总出料量581.5g（体积580mL），其中含有羟基乙酸0.2326mol/L，羟基乙酸正丁酯3.460mol/L，以此来计算可得羟基乙酸的转化率为93.81%，羟基乙酸正丁酯的收率为92.07%。
实施例8
所用催化剂为D001型离子交换树脂，实验原料为正丁醇醇析液，其他实验条件与实施例7相同，反应结束后，料液总进料量为630mL，其中含羟基乙酸的质量165.7g。塔釜总出料量598.1g（体积592mL），其中含有羟基乙酸0.3600mol/L，羟基乙酸正丁酯3.283mol/L，以此来计算可得羟基乙酸的转化率为90.23%，羟基乙酸正丁酯的收率为89.14%。
Claims (5)
1.本发明涉及到一种羟基乙酸酯的合成方法，以烷链醇和羟基乙酸为原料，在732型、D001型等阳离子交换树脂的催化作用下，在板式（或填料）塔段与多釜气液相串联反应器组成的反应精馏设备中连续合成羟基乙酸酯酯的方法。
2.权利要求1中所说的催化剂，主要为732型、D001型等阳离子交换树脂等固体酸催化剂，在酯化反应中可连续使用，寿命长，其与反应原料和产物分离容易，其装载量为各串联釜体积的5%~50%，优选量为20%~30%，而塔釜不装载催化剂。
3.权利要求1中的原料烷链醇（主要指甲醇、无水乙醇、丙醇/异丙醇、丁醇等）和羟基乙酸，主要来源是羟基乙腈硫酸/或其他矿物酸（如磷酸、盐酸或硝酸）水解后产物，经脱水、烷链醇洗涤脱除副产物硫酸铵（或磷酸铵、氯化铵、硝酸铵等）后的醇析液。
4.权利要求1中的连续反应精馏设备为板式（或填料）塔段与多釜气液相串联反应器组合的反应精馏塔，或是多段鼓泡塔组成的精馏塔。
5.权利要求1中的连续反应精馏塔的操作条件和工艺参数为：链烷醇/羟基乙酸的物质量的比列为5:1、各串联反应器的反应温度为70~80℃、塔釜温度90~110℃、塔顶回流比0.1~1.0左右，优选为0.3~0.5，在此条件下操作，以羟基乙酸计的反应转化率可达91%以上，羟基乙酸酯的收率通常可达90%以上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160810 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |