CN101528657B - 高纯一氯乙酸的制备 - Google Patents
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Abstract
一种由包含一氯乙酸和二氯乙酸(具体为2-40％重量)的液体氯乙酸混合物制备高纯一氯乙酸的方法，其中所述还与悬浮的氢化催化剂混合的混合物与氢气混合，使所得混合物在反应器中反应，其特征在于所述反应器为包括通过喷射器混合喷嘴连接的气体和液体再循环系统的管式反应器，在所述反应器中气体和液体以并流循环，引入液相的混合强度为至少50W/L液相。
Description
技术领域
本发明涉及高纯一氯乙酸(MCCA)的制备，具体地，涉及由包含一氯乙酸和大量二氯乙酸(DCCA)(例如2-20％重量)(以及情况也可以是三氯乙酸)的液体混合物制备高纯一氯乙酸。
背景技术
许多基础化学品的合成需要一氯乙酸，尤其是制药或化妆品工业。在工业规模上一般通过直接氯化乙酸制备一氯乙酸，然而，所述反应不可避免地生成除所需一氯乙酸外还包含大量二氯乙酸和三氯乙酸(有时)以及残留乙酸的粗产物。特别是发现实际上不可能消除麻烦的副产物二氯乙酸的形成。最终产物中二氯乙酸的量一般随所使用的具体氯化方法在约1％-6％变动。然而，在许多工业领域中，对一氯乙酸而言如此量的杂质是不可接受的，因此就许多一氯乙酸的应用规定产物的二氯乙酸含量不得超过0.5％重量，并通常是更小的百分数。
因此进一步使用前通常必须从一氯乙酸粗产品中除去不需要的副产物，尤其是二氯乙酸。然而容易除去乙酸，例如通过蒸馏，因为一氯乙酸(189℃)和二氯乙酸(194℃)的沸点高，实际上不可能通过蒸馏以相当经济的方式分离这些物质。
因此已尝试通过重结晶法或选择性催化氢化粗产物从主产物中除去氯化程度更高的乙酸。
在一个单独的重结晶步骤中重结晶可以约4的系数降低粗产物混合物中二氯乙酸的浓度，例如从约3％到约0.75％，从而一般需要一个以上的步骤以满足普通工业需要(参见例如US 5,756,840)。除需要经过两步纯化外，重结晶还产生大量包含大量一氯乙酸和约18-40％重量二氯乙酸的母液，目前还不能经济地对所述母液进行提纯，并因此通常作为废物丢弃。
例如DE-A-1915037描述了在悬浮在所述混合物中的催化剂存在下氢化(或脱氯)一、二和三氯乙酸的粗混合物，从而选择性降低所述混合物中氯化程度更高的衍生物的浓度的传统方法。在该方法中，将粗乙酸混合物加入反应器中，并将催化剂悬浮在其中。此外，从下方将过量氢气引入反应器中，并使粗酸混合物和悬浮其中的氢化催化剂循环通过从反应器顶部通向其底部区域的管道，以获得催化剂和粗酸混合物的悬浮液的良好混合。所述用于粗酸的循环管道还包括用于连续去除脱氯的一氯乙酸产物的出口，如果存在一氯乙酸然后则从乙酸中将其分离出来。包含副产物氯化氢和过量氢气的出气通过经过洗涤柱的另一根管道排出反应器，其中通过用水洗涤气体混合物从残留的氢气中分离氯化氢气体，从而使经纯化的残留氢气可返回反应器。然而，该现有技术的氢化方法具有几个缺点，主要缺点为不向粗酸混合物加入必须可溶于所述氯乙酸混合物的特定活化剂就不能实现实现一半的可接受的二氯乙酸向一氯乙酸的转换。因此通常不得不再次从纯化产物中除去这些活化剂以满足一氯乙酸的一般规格，因此需要其他纯化步骤，例如蒸馏一氯乙酸。此外不管是否活化，反应需要大大过量的氢气。例如，所述文献实施例1使用基于存在于起始混合物中的二氯乙酸为约150倍的过量氢气。除这些缺点外，传统单步氢化可获得的纯度仍不能令人满意。
因此还建议将催化氢化和随后的重结晶步骤结合。例如，US5,756,840公开了在合适的催化剂存在下通过不在溶剂中氢化一氯乙酸和二氯乙酸的混合物接着熔体结晶制备优质一氯乙酸的方法。氢化在管式反应器中的固定床催化剂上进行。在一个实施例中，可在氢化步骤中将一/二氯乙酸混合物的二氯乙酸含量从约3.1％重量降低至0.04％重量，且在随后的重结晶步骤中进一步降低至0.01％重量。虽然公开了所述方法用于包含达约50％重量二氯乙酸的混合物，但熔融结晶前如此量的所述杂质需要通过氢化步骤两次，该方法不经济。此外，该文献使用的氢气的量同样非常高，实施例使用较化学计量量过量7-143倍的氢气。
发明内容
本发明目的在于提供现有技术纯化一氯乙酸和氯化程度更高的乙酸衍生物的混合物包括的缺点，尤其是上述缺点的简单补救方法。
出人意料的是，发现当将管式反应器用于将二氯乙酸选择性催化氢化为一氯乙酸时可克服现有技术方法的缺点，所述反应器包括通过喷射器混合喷嘴连接的气体和液体再循环系统，在所述反应器中气体和液体以并流循环，改变所述混合喷嘴的形状从而可向液相引入至少50W/l液相的混合强度。
此外还发现使用本发明管式反应器特别有利于由包含一氯乙酸、二氯乙酸(例如24-0％重量)和任选的三氯乙酸混合物制备高纯一氯乙酸。
相应地，本发明还涉及由包含一氯乙酸和二氯乙酸(具体为2-40％重量)的液体混合物制备高纯一氯乙酸的新型方法，其中所述还与悬浮的氢化催化剂混合的氯乙酸混合物与氢气混合，使所得混合物在反应器中反应，所述方法的特征在于所述反应器为包括通过喷射器混合喷嘴连接的气体和液体再循环系统的管式反应器，在所述反应器中气体和液体以并流循环，引入液相的混合强度为至少50W/l液相。
为本发明目的，优选术语“高纯”指包含小于0.1％重量(w％)二氯乙酸的一氯乙酸产物，更优选小于0.05w％，最优选小于0.02w％二氯乙酸。优选，所述“高纯”一氯乙酸还不含三氯乙酸，即三氯乙酸的量小于检出限。
优选本发明使用的管式反应器为与例如Peter Cramers和Christoph Selinger：用于精细化学品和药物应用的高级氢化方法(Advanced hydrogenation technology for fine chemical andpharmaceutical applications)，PHARMACHEM，2002年7月所述相同或类似的所谓“高级布斯管式反应器”，其中反应物通过泵沿着管道再循环，并在反应器的喷射喷嘴发生反应，从而确保非常有效的气体/液体/固体混合。当与传统方法比较时，这种类型的管式反应器显著优化和强化了脱卤化氢过程。为实现该目的，所述管式反应器包括高性能吸气装置作为混合器，所述吸气装置在其上端包括文丘里型喷嘴，任选与新液体酸混合物一起并包含悬浮的催化剂的再循环酸混合物通过所述喷嘴进入反应器，喷嘴提供了一股高速所述液体混合物液，高速混合物液又对通过气体-液体喷射器与反应器相连并包围所述喷嘴的吸气室中的反应气体产生吸力，由此使液体和气体非常充分地混合。
所述混合气相和液相并保持催化剂为悬浮形式的混合装置将非常高的混合强度引入液相中，一般为至少50W/l液相，优选50-2000W/l液相，尤其是100-500W/l液相。
该工作方法就是上述相对于使用仅为0.1-10W/l液相普通混合强度的传统氢化方法的优势的真正理由。
用于本发明的高级管式反应器通常包括使反应器顶部空间与在反应器顶部的吸气室连接的气体再循环管道。顶部空间中未反应的氢气与脱卤化氢反应过程中形成的氯化氢在自吸喷嘴的吸力吸引下沿着气路循环。相应地，在所述气路中不再需要其他压缩机或其他气举系统。该气体持续再循环是本发明非常有效地利用进料氢气一个理由，从而可避免使用从现有技术所知化学计算大大过量氢气的必要性。一般而言，所使用氢气的摩尔量多出二氯乙酸(和三氯乙酸，如果有)的摩尔量0-约60％，优选0-10％。然而，依据本发明没有化学计算过量的氢气是必须的。
有利地是，氢化过程可在0-10表巴(“表压巴”，对应于绝对压力1-11巴)压力下进行，优选0-3表巴。
优选反应温度为130-170℃，更优选140-155℃。
优选用于本发明方法的催化剂为沉积在惰性载体上的贵金属。例如如下进行氢化：利用市售的非均相贵金属催化剂，优选1-5％沉积在木炭上的钯或铂，使用基于总进料为0.05-1.00％重量的催化剂浓度，优选0.1-0.4％重量。用于本发明的催化剂以传统方法制备。
在本发明一个特别有利的模式中，氢化后从产物分离使用过的催化剂，并在下一批进料中加入基于催化剂初始量计算为1-10％的新催化剂而再利用。通过这一操作，所述方法的总催化剂消耗量在80-125g/吨粗氯乙酸混合物的低范围。此外还发现使用过的催化剂和新催化剂的混合物表现出提高的产物选择性，即过度氢化一氯乙酸为乙酸的趋势更低。因此本发明方法的另一个具体实施方案为上述方法，其中使用后除去(第一次)氢化的催化剂，加入占最初用于第一次氢化的催化剂的量为1-10％的新催化剂，将所述使用过的催化剂和新催化剂混合物用于随后的氢化，同时，如果需要则重复上述过程。
优选属于管式反应器的液体再循环系统包含热交换器，具体为用于温度控制的壳管式热交换器。该外热交换器具有优势，因为其效率不会受到反应器大小的限制，而传统盘管或内建在反应器中的其他热交换表面就恰恰如此(虽然一般也能工作)。外热交换器的另一个优势在于可利用整个热交换器表面，即便反应器仅以较少的液体体积运行。
在本发明方法一个特别优选的实施方案中，气体再循环系统包括用于从再循环的气流中连续去除氢化过程中形成的HCl气体，并基本上仅将未反应的氢气返回管式反应器喷射器混合喷嘴的装置。这样，有可能再循环氢气并同时避免HCl对氢化的不利影响。利用联合在管式反应器再循环气路中的吸收柱去除氯化氢明显有利于反应，因为，为了平衡原因，十分有利的是在气相中保持非常低的氯化氢含量以确保脱卤化氢的可能最佳效果。
优选在传统吸收柱中将HCl气体吸收在水中。为了实现该目的，优选气体混合物通过一个或一系列冷凝器，在所述冷凝器中冷却气体，同时冷凝带走的有机物并将其反馈至高压釜。冷却过的气体混合物进入吸收柱，在所述吸收柱中氯化氢被水完全吸收。将经纯化的氢气吸回管式反应器中并再次用于脱卤化氢，优选也将有机相返回至管式反应器中。当加入了所述氯化氢分离时，上文所述自吸喷嘴产生的吸力已足以作为气体循环的推动力。
在上述方法变换的更具体实施方案中，在所述方法中以第二有用产物制备盐酸水溶液。该盐酸水溶液产物可直接用于许多目的，即为可上市产品，而不需通常需要的进一步加工，例如不进行进一步纯化。
本发明可在上述条件下氢化例如包含3-4％重量二氯乙酸的一氯乙酸、二氯乙酸和乙酸的“粗产物混合物”得最多包含0.02％重量二氯乙酸或小于该量的产物。然而，如上所述，该方法也完全适用于通过脱卤纯化包含更多二氯乙酸的氯乙酸混合物，例如来自一氯乙酸结晶步骤的母液，可在一个单独的氢化步骤中轻易地将包含一氯乙酸、二氯乙酸和乙酸(例如包含约18-40％重量二氯乙酸)的“残留混合物”转换为包含≤0.02％重量二氯乙酸的最终混合物。这就是本发明相对于已知方法特别出人意料和重要的优势，已知方法通常利用至少两个氢化步骤以将具有相对较高二氯乙酸百分数的氯乙酸混合物转换为工业可使用的一氯乙酸产物。
本发明氢化方法的高效和高选择性(仍会随着催化剂的使用次数而提高)使本发明单步氢化方法所得反应产物通常不再需要进行任何进一步纯化步骤而满足所有一氯乙酸纯度方面的一般工业要求成为可能。
可分批和连续实施本发明方法。两种方式均以低投入和低运行成本制得品质提高的一氯乙酸。
特别优选本发明的连续方法，例如从其通常提高的生产率方面考虑。当连续实施本发明方法时，有利地是液体再循环系统包括用于从连续离开反应系统的一氯乙酸产物中回收悬浮的催化剂的在线错流过滤器。合适的错流过滤器具有例如类似于壳管式热交换器的形状，但装有多孔的烧结金属柱。使反应悬浮液(酸混合物和催化剂)在过滤柱内循环，并在过滤器的壳侧收集滤液。不时地需要清理过滤器表面保留的催化剂，例如通过反冲洗方法。
如上所述，特别有利的是在类似于高级布斯管式反应器的高级喷射器管式反应器中进行本发明脱卤化氢或氢化方法，所述管式反应器用于氢化非均相催化剂悬浮在其中形成浆液的液体。为进一步阐述，下文参考图1描述了合适的装置。
所述成套设备包括高压釜(1)、反应泵(2)、液相热交换器(3)和用于吸引并将氢气分散到液体反应混合物中的混合喷嘴(4)，所述液体反应混合物在反应泵(2)驱动下在反应高压釜(1)和热交换器(3)间持续循环。将氢气(11)以控制压力加入混合喷嘴(1)中。反应器顶部空间的气体在自吸喷嘴的吸力吸引下沿着气路循环。冷凝(13)带走的有机物并反馈至反应器中。在吸收柱(10)利用工业用水(12)吸收氢化过程中形成的氯化氢。将经纯化的氢气回吸(7)至反应器中并再利用。可通过管道(8)除去纯一氯乙酸。
具体实施方式
实施例1
氢化包含35.0％重量二氯乙酸的混合物
使用附图所示具有文丘里混合器并装有联合在内部气路中的冷凝器和吸收柱的管式反应器。向工作体积为15升的钝化过的管式反应器引入19kg包含35％重量DCAA和65％重量MCAA的熔融混合物。启动反应泵，通过催化剂流槽加入0.032kg市售的载在碳载体上的钯催化剂(5％载在碳上的Pd)。启动充满水的联合HCl吸收系统。用氢气冲洗反应器，接着加热反应混合物至155℃。用氢气加压管式反应器至3表巴，通过供应控制压力的氢气开始氢化。在反应过程中，主要由氯化氢和氢气组成的反应器顶部空间气体连续通过内部吸收系统，在内部吸收系统通过吸收从氢气中除去氯化氢，并将经纯化的氢气带回反应器。200分钟后，氢气的吸收降低，继续反应10分钟，接着冷却反应器内容物至70℃。使反应器减压，并用氮气冲洗。共消耗1213Nl氢气。通过HPLC分析所得产物，发现组成为96.57％重量MCAA、0.02％重量DCAA和3.41％重量乙酸。
实施例2
氢化包含3.0％重量二氯乙酸的混合物
使用与实施例1相同的反应器氢化包含3.0％重量DCAA、95.4％重量MCAA和1.2％重量乙酸的混合物。向钝化的管式反应器引入19kg具有上述组成的熔融混合物。启动反应泵，通过催化剂流槽加入0.019kg市售的载在碳载体上的钯催化剂(5％载在碳上的Pd)。启动充满水的联合HCl吸收系统。用氢气冲洗反应器，接着加热反应混合物至150℃。用氢气加压管式反应器至3表巴，通过供应控制压力的氢气开始氢化。在反应过程中，主要由氯化氢和氢气组成的反应器顶部空间气体连续通过内部吸收系统，在内部吸收系统通过吸收从氢气中除去氯化氢，并将经纯化的氢气带回反应器。110分钟后，氢气的吸收降低，继续反应10分钟，接着冷却反应器内容物至70℃。使反应器减压，并用氮气冲洗。共消耗仅104Nl氢气。通过HPLC分析所得产物，发现组成为97.94％重量MCAA、0.01％重量DCAA和2.05％重量乙酸。
实施例3
在环境条件下氢化包含4.0％重量二氯乙酸的混合物
使用与实施例1相同的反应器氢化包含4.0％重量DCAA、93.1％重量MCAA、2.5％重量乙酸和0.4％重量水的混合物。向钝化的管式反应器引入19kg具有上述组成的熔融混合物。启动反应泵，通过催化剂流槽加入0.076kg市售的载在碳载体上的钯催化剂(5％载在碳上的Pd)。启动充满水的联合HCl吸收系统。用氢气冲洗反应器，接着加热反应混合物至145℃。通过供应控制压力的氢气开始氢化。保持压力恒定为0-0.2表巴。在反应过程中，主要由氯化氢和氢气组成的反应器顶部空间气体连续通过内部吸收系统，在内部吸收系统通过吸收从氢气中除去氯化氢，并将经纯化的氢气带回反应器。170分钟后，氢气的吸收降低，继续反应10分钟，接着冷却反应器内容物至70℃。用氮气冲洗反应器。共消耗仅140Nl氢气。通过HPLC分析所得产物，发现组成为97.62％重量MCAA、2.33％重量乙酸，没有残留的DCAA(低于检出限)。
实施例4
利用再循环的催化剂氢化包含3.5％重量二氯乙酸的混合物
使用与实施例1相同的反应器氢化包含3.5％重量DCAA、95.7％重量MCAA和0.8％重量乙酸的混合物。向钝化的管式反应器引入19kg具有上述组成的熔融混合物。启动反应泵，通过催化剂流槽加入0.038kg初始量市售的载在碳载体上的钯催化剂(5％载在碳上的Pd)。氢化条件与实施例2相同。60分钟后停止氢化，冷却反应器内容物至70℃。使反应器减压，并用氮气冲洗。70℃在间歇式过滤器上过滤反应混合物以从产物中分离贵金属催化剂。将使用过的催化剂与19kg熔融的原料混合物混合，加入1.9g新催化剂。依据上述方法开始新的氢化。
进行氢化、过滤和再利用催化剂的完整循环12次。催化剂的选择性随着氢化循环的进行次数提高，这可通过形成更少副产品乙酸测得。
Claims (12)
1.包括通过喷射器混合喷嘴连接的气体和液体再循环系统的管式反应器在将液体二氯乙酸选择性催化氢化为一氯乙酸中的用途，在所述反应器中气体和液体以并流循环，改变所述混合喷嘴的形状从而可向液相引入至少50W/1液相的混合强度。
2.一种由包含一氯乙酸和二氯乙酸的液体氯乙酸混合物制备含二氯乙酸的重量比小于0.1％的高纯一氯乙酸的方法，其中所述还与悬浮的氢化催化剂混合的混合物与氢气混合，使所得混合物在反应器中反应，其特征在于所述反应器为包括通过喷射器混合喷嘴连接的气体和液体再循环系统的管式反应器，在所述反应器中气体和液体以并流循环，引入液相的混合强度为至少50W/1液相。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述气体再循环系统包括用于从再循环的气体中连续去除在所述方法中形成的HCl气体并将未反应的氢气返回至管式反应器的喷射器混合喷嘴的装置。
4.如权利要求3所述的方法，其中将所述HCl气体吸收在吸收柱中的水中以将再循环气体返回至管式反应器。
5.如权利要求2-3中任一项所述的方法，其中以超出二氯乙酸的摩尔量0-60％的摩尔量使用氢气。
6.如权利要求2-3中任一项所述的方法，其中所述液体再循环系统包括热交换器。
7.如权利要求2-3中任一项所述的方法，其中所述氢化在0-10表巴压力下进行。
8.如权利要求2-3中任一项所述的方法，其中所述氢化在130-170℃温度进行。
9.如权利要求2-3中任一项所述的方法，其中所述引入液相的混合强度为50-2000W/l液相。
10.如权利要求2-3中任一项所述的方法，其中不对从所述管式反应器除去的反应产物进行进一步纯化步骤。
11.如权利要求2-3中任一项所述的方法，其中使用后除去所述氢化催化剂，加入占最初用于第一次氢化的催化剂的量为1-10％的新催化剂，将所述使用过和新的催化剂的混合物用于进一步氢化。
12.如权利要求2-3中任一项所述的方法，所述液体氯乙酸混合物包括一氯乙酸和2-40％重量的二氯乙酸。
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