CN101298050A - 一种以α-氨基酸为原料制备α-氨基醇的方法及所用催化剂和催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以α-氨基酸为原料制备α-氨基醇的方法及在该方法中使用的催化剂和该催化剂的制备方法。该催化剂由三种组分组合而成:第一组分选自Ru、Pd的元素、其盐和其氧化物的一种或几种;第二组分选自铜、镍、铁、铋、锡、镉、镁、铝、钴、铅、钛、硒、锌、锆、锗、铑和铈的元素、其氧化物和其盐的一种或几种;第三组分为载体。α-氨基酸在水溶液或水-与水混溶溶剂的混合溶液中在催化剂作用下用氢气还原,一步法合成α-氨基醇。本方法具有步骤简单,生产周期短,污染小,生产成本低等特点。

Description

一种以α-氨基酸为原料制备α-氨基醇的方法及所用催化剂和催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种以α-氨基酸为原料制备α-氨基醇的方法及在该方法中使用的催化剂和该催化剂的制备方法。具体地说,涉及以DL-2-丙氨酸、D-2-丙氨酸或L-2-丙氨酸为原料,在水溶液或水-与水混溶溶剂的混合溶液中在催化剂作用下用氢气还原DL-2-丙氨酸、D-2-丙氨酸或L-2-丙氨酸,一步法合成并分离DL-2-氨基丙醇、D-2-氨基丙醇、L-2-氨基丙醇的方法。
背景技术
DL-2-氨基丙醇、D-2-氨基丙醇、L-2-氨基丙醇是一种重要的精细化工产品,广泛应用于医药、化工、食品、农药等领域,是喹诺酮类抗菌药物氧氟沙星、左氧氟沙星的关键合成原料之一。
氧氟沙星的合成路线有两条:
1.路线一:以三氟硝基苯~氯丙酮为起始原料的合成路线(日本公开特许1983:7258;中国医药工业杂志,1991,22(9),385-387;药学学报,1998,33(11),828-831;药学学报,1999,34(2),119-124;中国抗生素杂志,2003,28(6),341-343;)
Figure A20081012620000061
2.路线二:以四氟苯甲酰氯~DL-2-氨基丙醇为原料的合成路线(J Med Chem,1987;30:2283;中国医药工业杂志,1998,29(6):243-245;中国医药化学杂志,2000,10(4):276-278)
Figure A20081012620000062
以三氟硝基苯~氯丙酮为起始原料合成氧氟沙星的路线一是国内最早投入工业化生产的合成路线,但该合成路线的最大问题是需用环境污染严重的氯丙酮,生产过程污染大,生产成本高。以四氟苯甲酰氯~DL-2-氨基丙醇为原料的合成路线二生产过程相对环保,生产成本低,现已逐渐取代路线一成为生产氧氟沙星的主要工业化合成路线。目前国内生产氧氟沙星的主要6家生产企业中,除1家企业外,其它5家企业均已采用四氟苯甲酰氯~DL-2-氨基丙醇为原料的合成路线。这使得DL-2-氨基丙醇的市场需求量大增,目前需求量在300吨/年以上。随着新合成路线的不断完善和突破,DL-2-氨基丙醇的市场需求量还会不断增长。
左氧氟沙星的合成路线与氧氟沙星唯一不同之处在于侧链,前者氨基丙醇为手性L-2-氨基丙醇,后者为外消旋DL-2-氨基丙醇。
DL-2-氨基丙醇的合成方法有三条:
1.方法一:DL-2-丙氨酸经酯化、硼氢化钾还原制得产品DL-2-氨基丙醇,合成反应式如下:
Figure A20081012620000071
本方法根据起始原料不同(DL-2-丙氨酸,D-2-丙氨酸,L-2-丙氨酸),可相应制备DL-2-氨基丙醇、D-2-氨基丙醇和L-2-氨基丙醇,是国内目前生产这三种氨基丙醇的主要工业化方法。但该方法存在以下缺点:
1)生产周期过长,后处理繁多,正常生产一批耗时约132小时。
2)还原剂硼氢化钾制备过程能耗高,价格昂贵,导致本方法生产成本过高。
3)酯化反应使用大量氯化亚砜,产生大量含SO2和HCl的酸性气体,需要多级尾气吸收,污染加大;同时回收的副产盐酸因含SO2而限制其下游使用。
4)酯化反应和还原反应均须用冷冻盐水降温,需用大功率致冷机组,导致耗电很大。
5)收率低,DL-2-氨基丙醇对DL-2-丙氨酸的摩尔收率仅65%左右。
2.方法二:羟基丙酮经氨化、氢化还原制得DL-2-氨基丙醇
本方法因羟基丙酮制备复杂,价格昂贵,限制了其使用,目前暂无工业化应用价值。
3.方法三:DL-2-丙氨酸催化加氢还原制备DL-2-氨基丙醇
Figure A20081012620000082
本方法具有以下优点:
1)只有一步化学反应,步骤简单,生产周期短,原料简单易得,生产成本最具优势。
2)催化加氢反应溶剂以水为主,污染物排放大大减少。
4)反应过程无须冷冻,能耗低。
总之,本方法过程简单,污染小,生产成本低,是典型的绿色合成技术。
但是本方法的难点也很突出,目前尚未有工业化报道。已报道的研究中,需要特殊的催化剂、高温和很高的压力,如此苛刻的条件难以工业化;此外,具有旋光性的D-2-丙氨酸、L-2-丙氨酸在催化加氢还原过程中易于消旋,同时会发生氨基脱除等副反应(J.Org.Chem.1959,24,1847)。US5536879报道了光学活性的α、β、γ、δ、ε等氨基酸在催化剂作用下,加氢还原为相应的光学活性氨基醇,在20MPa,100℃,反应30小时,其转化率约44%。该方法反应条件仍很苛刻,压力过高,反应时间长,单程转化率低,不适于工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于α-氨基酸制备α-氨基醇的催化剂,其中,催化剂由以下三种组分组合而成:第一组分选自Ru、Pd的元素、其盐和其氧化物的一种或几种;第二组分选自铜、镍、铁、铋、锡、镉、镁、铝、钴、铅、钛、硒、锌、锆、锗、铑和铈的元素、其氧化物和其盐的一种或几种;第三组分为载体,选自铝硅酸盐、活性碳、碳纳米管、SiO2和Al2O3的一种或几种。催化剂组成中三组分的重量比为1∶0.03-0.1∶5-100,优选1∶0.03-0.05∶10-20,催化剂的比表面积为1000-1800m2/g,粒度为80-500目,颗粒强度为85%-90%。其中第一组分优选为Ru、Pd的氯化物的组合物,二者重量比为0.001-1∶1-0.001,特别优选0.1-0.9∶0.9-0.1。
本发明的目的还在于提供一种制备上述催化剂的方法,包括:将第三组分用10%-65%的硝酸溶液在50-90℃加热1-5小时,优选2-4小时,过滤,将得到的滤饼加入到10-32%的氢氧化钠水溶液中搅拌洗涤,过滤,将得到的滤饼加入到10%-65%的硝酸水溶液中搅拌洗涤,过滤,将得到的滤饼再用去离子水洗至出水无硝酸根;将第二组分用10%-31%的盐酸和水溶解,搅拌下,将前述预处理后的第三组分均匀地分散于第二组分的水溶液中,得到悬浮液,在10-80℃,优选50-80℃持续搅拌1-12小时,优选4-10小时,再将悬浮液在100-150℃蒸发至干,之后在300-500℃焙烧后得到改性载体;将第一组分用10%-31%的盐酸和水溶解,配成水溶液,向其中加入非离子表面活性剂,表面活性剂与第一组分的重量比为0.1~5∶1,优选0.5~1.5∶1,再在充分搅拌下缓慢将上述改性载体悬浮于溶液中,预热至40-90℃,优选60-90℃,快速搅拌下(100-600r/min)加入还原剂(还原剂用量为第一组分摩尔数的2~4倍)和碱液,使溶液pH控制在8-10,在90-250℃,优选90-150℃,持续快速搅拌(100-600r/min)1-96小时,优选10-48小时,过滤,用去离子水洗滤饼至出水电导率在105-1以上,滤饼在1-10小时,优选2-4小时内梯度升温至30-800℃,优选300-800℃(升温速度60-90℃/小时),保持1-5小时,优选2-4小时,得到催化剂。其中还原剂选自甲醛、甲酸、乙二醇、硼氢化钠和次磷酸钠中的一种或几种,碱液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
本发明的目的还在于提供一种使用上述催化剂由α-氨基酸制备α-氨基醇的方法,包括:将α-氨基酸溶解在水溶液或水-与水混溶溶剂的混合溶剂中,在温度60-300℃,优选100-200℃,压力0.1-20MPa,优选5-15MPa,pH1-5条件下(调节pH的酸碱选自无机酸、有机酸和无机碱),在催化剂作用下,用氢气还原,一步法合成α-氨基醇,α-氨基醇的收率为40-90%,纯度大于99.5%。其中,α-氨基酸为DL-2-氨基丙酸、D-2-氨基丙酸或L-2-氨基丙酸,α-氨基醇为DL-2-氨基丙醇、D-2-氨基丙醇或L-2-氨基丙醇;水-与水混溶溶剂的混合溶剂为水-甲醇、水-乙醇、水-叔丁醇、水-DMF、水-DMSO或水-THF。此外催化反应后进行过滤,分离得到的催化剂可进行套用,得到的滤液中加入盐酸或硫酸后分离得到α-氨基醇的盐酸盐或硫酸盐或者蒸馏得到α-氨基醇。
利用本发明以DL-2-丙氨酸为原料,在催化剂的作用下一步法制备DL-2-氨基丙醇具有生产过程简单,收率高,产品纯度高,三废排放少,生产成本低,原料利用率高等多方面的优势,是一种清洁环保的制备工艺,便于实现工业化生产。
利用本发明以DL-2-丙氨酸为原料直接催化加氢制备DL-2-氨基丙醇的具体方法如下:
在高压反应釜中,注入水,投入DL-2-丙氨酸,催化剂。催化剂与DL-2-丙氨酸的重量比为0.1%~10%,优选为0.1%~5%;调溶液pH至1-5(调节pH的酸碱选自无机酸、有机酸和无机碱,优选为盐酸、硫酸、磷酸、醋酸、氢氧化钠)。氢气置换2次后通氢气至压力0.1-20MPa,优选为5-15MPa。开启搅拌,升温至60-300℃,优选为100-200℃,保持1-50小时,优选为3-20小时。过程中间歇通入氢气,保持压力在5-15Mpa。反应结束后过滤,滤饼(催化剂)套用。滤液分两种方法处理:其一为加盐酸或硫酸调溶液pH至1-5,优选为1-3,结晶分离得到DL-2-氨基丙醇盐酸盐或硫酸盐,结晶母液套用;其二为蒸馏分离,得到DL-2-氨基丙醇。
上述催化剂由三种组分组合而成,第一组分为Pd和Ru的氯化物的组合物,二者重量比为0.001-1∶1-0.001,优选为0.1-0.9∶0.9-0.1;第二组分为Fe、Cu、Bi的氯化物、硫酸盐和硝酸盐中的至少一种;第三组分为具有高比表面积的高强度椰壳活性炭或碳纳米管。催化剂组成比例为:三组分重量比1∶0.03-0.1∶5-100,优选为1∶0.03-0.05∶10-20。
上述催化剂按以下程序制备。第三组分先用10%-65%的硝酸溶液在50-90℃加热1-5小时,优选2-4小时,过滤,得到滤饼1。滤饼1加入到10-32%的氢氧化钠水溶液中搅拌洗涤,过滤,得到滤饼2。滤饼2加入到10%-65%硝酸水溶液中搅拌洗涤,过滤,得到滤饼3。滤饼3再用去离子水洗至出水无硝酸根。将第二组分用10%-31%的盐酸和水溶解,搅拌下,将前述预处理后的第三组分均匀地分散于第二组分的水溶液中,得到悬浮液,10-80℃,优选50-80度,持续搅拌1-12小时,优选4-10小时,将悬浮液在100-150℃蒸发至干,之后在300-500℃焙烧后得到改性负载体。将第一组分Pd和Ru的氯化物的组合物用10%-31%盐酸和水溶解,配成水溶液,向其中加入非离子表面活性剂,表面活性剂的量与(第一组分)的重量比为0.1~5∶1,优选为0.5~1.5∶1,再在充分搅拌下缓慢将上述改性负载体悬浮于溶液中,预热至40-90℃,优选60-90℃,快速搅拌(100-600r/min)下加入还原剂(选自甲醛溶液、甲酸、乙二醇、硼氢化钠、和次磷酸钠,还原剂用量为第一组分摩尔数的2~4倍)及氢氧化钠或氢氧化钾溶液,使溶液pH控制在8-10,在90-250℃,优选90-150℃,持续快速搅拌(100-600r/min)1-96小时,优选10-48小时,过滤,用去离子水洗至出水电导率在105-1以上,滤饼在1-10小时,优选3-8小时,以60-90℃/小时的升温速度升温至30-800℃,优选300-800℃,保持1-5小时,优选2-4小时,得到催化剂。
催化剂的基本特性如下:比表面积1000-1800m2/g,粒度80-500目。
本发明方法制备的DL-2-氨基丙醇产品GC分析含量可达99.5%以上,且对DL-2-丙氨酸的摩尔收率可达83%以上。
综上所述,本发明方法以DL-2-丙氨酸为原料,在水体系中催化加氢一步合成DL-2-氨基丙醇,从根本上克服原氯化亚砜~乙醇酯化、硼氢化钾还原工艺的不足,缩短了反应步骤,避免了使用硼氢化钾、氯化亚砜等物质,后处理简洁,原料成本低,投资省。
具体实施方式
实施例1
100克市售高强度椰壳活性炭,用2000毫升10%硝酸溶液在80℃加热3小时,过滤,得到滤饼1。滤饼1加入到2000毫升10%氢氧化钠水溶液中搅拌洗涤,过滤,得到滤饼2。滤饼2加入到2000毫升10%硝酸溶液中搅拌洗涤,过滤,得到滤饼3。滤饼3再用去离子水洗至出水无硝酸根。取0.6克CuCl2和1克FeCl2·6H2O,用10毫升31%盐酸和2000毫升水溶解,搅拌下,将前述预处理后的活性炭均匀地分散于其中,得到悬浮液,80℃持续搅拌4小时,将悬浮液在100-150℃蒸发至干,之后450℃焙烧后得到改性负载体。将8.2克RuCl3和1.67克PdCl2用40毫升31%盐酸和2000毫升水溶解,向其中加入10克市售聚乙二醇型非离子表面活性剂,在150r/min搅拌下缓慢将上述改性负载体悬浮于溶液中,预热至90℃,在150r/min搅拌下加入20克还原剂(37%甲醛溶液),用10%氢氧化钠调溶液pH控制在8-10,在200℃温度下持续快速搅拌(150r/min)12小时,过滤,用去离子水洗至出水电导率在105-1以上,滤饼在8小时内梯度升温至600℃(每小时60-90℃),保持2小时,得到催化剂。催化剂的基本特性如下:比表面积1000m2/g,粒度300目,颗粒强度85%。
实施例2
在1升高压釜中,投入500ml水,60克DL-2-丙氨酸,1克实施例1制备的催化剂,开启搅拌,将溶液pH调至3.5,氢气置换2次后通氢气,升温至160℃,压力6MPa,保持8小时,过程中间歇通入氢气,保持压力在6MPa。反应结束后过滤,滤饼(催化剂)套用;滤液蒸馏分离,得到42.0克DL-2-氨基丙醇,GC分析含量99.8%,产品收率83.1%。
实施例3
在1升高压釜中,投入500ml水,60克DL-2-丙氨酸,1克实施例1制备的催化剂,将溶液pH调至4.5,开启搅拌,氢气置换2次后通氢气,升温至170℃,压力7MPa,保持8小时,过程中间歇通入氢气,保持压力在7MPa。反应结束后过滤,滤饼(催化剂)套用;滤液蒸馏分离,得到43.0克DL-2-氨基丙醇,GC分析含量99.6%,产品收率85.0%。
实施例4
在1升高压釜中,投入500ml水,60克DL-2-丙氨酸,1克实施例2回收的催化剂,将溶液pH调至4,开启搅拌,氢气置换2次后通氢气,升温至170℃,压力7MPa,保持8小时,过程中间歇通入氢气,保持压力在7MPa。反应结束后过滤,滤饼(催化剂)套用;滤液蒸馏分离,得到40.0克DL-2-氨基丙醇,GC分析含量99.5%,产品收率79.1%。
实施例5
在1升高压釜中,投入500ml水,60克DL-2-丙氨酸,1克实施例4回收的催化剂,将溶液pH调至4.5开启搅拌,氢气置换2次后通氢气,升温至140℃,压力6MPa,保持10小时,过程中间歇通入氢气,保持压力在6MPa。反应结束后过滤,滤饼(催化剂)套用;滤液加入78.0克盐酸(31%),降温结晶,得到52.0克DL-氨基丙醇盐酸盐,GC分析含量99.2%,产品收率69.2%,母液中含7.4克DL-氨基丙醇盐酸盐。
实施例6
在1升高压釜中,投入500ml水,60克L-2-丙氨酸,1克实施例1制备的催化剂,将溶液pH调至4,开启搅拌,氢气置换2次后通氢气,升温至160℃,压力6.5MPa,保持8小时,过程中间歇通入氢气,保持压力在6MPa。反应结束后过滤,滤饼(催化剂)套用;滤液蒸馏分离,得到40.0克L-2-氨基丙醇,GC分析含量99.8%,产品收率79%。
实施例7
在1升高压釜中,投入400ml水,100ml乙醇,60克DL-2-丙氨酸,1克实施例1制备的催化剂,将溶液pH调至3.5,开启搅拌,氢气置换2次后通氢气,升温至160℃,压力6MPa,保持8小时,过程中间歇通入氢气,保持压力在6.5MPa。反应结束后过滤,滤饼(催化剂)套用;滤液蒸馏分离,得到42.0克DL-2-氨基丙醇,GC分析含量99.8%,产品收率80%。

Claims (10)

1、一种用于α-氨基酸制备α-氨基醇的催化剂,其中,催化剂由以下三种组分组合而成:第一组分选自Ru和Pd的元素、其盐和其氧化物的一种或几种;第二组分选自铜、镍、铁、铋、锡、镉、镁、铝、钴、铅、钛、硒、锌、锆、锗、铑和铈的元素、其氧化物和其盐的一种或几种;第三组分为载体,选自铝硅酸盐、活性碳、碳纳米管、SiO2和Al2O3的一种或几种,三组分的重量比为1∶0.03-0.1∶5-100,催化剂的比表面积为1000-1800m2/g,粒度为80-500目。
2、根据权利要求1所述的催化剂,其中三组分的重量比为1∶0.03-0.05∶10-20。
3、根据权利要求1或2所述的催化剂,其中第一组分为Ru、Pd的氯化物的组合物,二者重量比为0.001-1∶1-0.001。
4、根据权利要求1-4中任意一种所述催化剂的制备方法,包括:将第三组分用10%-65%的硝酸溶液在50-90℃加热1-5小时,过滤,将得到的滤饼加入到10-32%的氢氧化钠水溶液中搅拌洗涤,过滤,将得到的滤饼加入到1 0%-65%硝酸水溶液中搅拌洗涤,过滤,将得到的滤饼再用去离子水洗至出水无硝酸根;将第二组分用10%-31%的盐酸和水溶解,搅拌下,将前述预处理后的第三组分均匀地分散于第二组分的水溶液中,得到悬浮液,在10-80℃持续搅拌1-12小时,再将悬浮液在100-150℃蒸发至干,之后在300-500℃焙烧后得到改性载体;将第一组分用10%-31%盐酸和水溶解,配成水溶液,向其中加入非离子表面活性剂,表面活性剂与第一组分的重量比为0.1~5∶1,再在充分搅拌下缓慢将上述改性载体悬浮于溶液中,预热至40-90℃,以100-600r/min的转速快速搅拌下加入还原剂和碱液,使溶液pH控制在8-10,在90-250℃,以100-600r/min的转速持续快速搅拌1-96小时,过滤,用去离子水洗滤饼至出水电导率在105-1以上,滤饼在1-10小时内以60-90℃/小时的速度梯度升温至30-800℃,保持1-5小时,得到催化剂。
5、根据权利要求4所述的制备方法,其中还原剂选自甲醛、甲酸、乙二醇、硼氢化钠和次磷酸钠中的一种或几种,用量为第一组分摩尔数的2-4倍,碱液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
6、一种根据权利要求1-4中任意一种所述催化剂由α-氨基酸制备α-氨基醇及其盐的方法,包括:将α-氨基酸溶解在水溶液或水-与水混溶溶剂的混合溶剂中,在催化剂作用下,在温度60-300℃,压力0.1-20MPa,pH1-5,反应过程中反应器内只含有氢气条件下,一步法氢气还原合成α-氨基醇,进而蒸馏、结晶分离得到α-氨基醇或其盐;α-氨基醇或其盐的收率为40-90%,纯度大于99.5%。
7、根据权利要求6所述的方法,其中,催化剂与α-氨基酸的重量比为0.1%~10%。
8、根据权利要求6或7所述的方法,其中水-与水混溶溶剂的混合溶剂为水-甲醇、水-乙醇、水-叔丁醇、水-DMF、水-DMSO或水-THF。
9、根据权利要求6或7所述的方法,其中,α-氨基酸为DL-2-氨基丙酸、D-2-氨基丙酸或L-2-氨基丙酸,α-氨基醇为DL-2-氨基丙醇、D-2-氨基丙醇或L-2-氨基丙醇。
10、根据权利要求6或7所述的方法,其中,催化反应后进行过滤,分离得到的催化剂进行套用,得到的滤液中加入盐酸或硫酸后分离得到α-氨基醇的盐酸盐或硫酸盐或者蒸馏得到α-氨基醇。
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