CN101698656A - 催化合成l-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种吡咯烷酮羧酸及其盐的生产方法，将谷氨酸或谷氨酸单价盐、催化剂加入到硅油或白油中，加热到150℃～250℃之间，进行环化脱水，整个过程在常压下进行，得到高收率、高光学纯度的L-吡咯烷酮羧酸或单价盐；反应时间为30分到6小时，加入去离子水溶解反应液中的L-吡咯烷酮羧酸，分离后得到目的产物；加入相应的碱溶液与L-吡咯烷酮羧酸进行中和反应，分离后得到相应的L-吡咯烷酮羧酸盐溶液。本发明在反应体系中使用催化剂，使反应在常压下进行，可提高产品的收率和光学纯度，缩短反应时间；引入白油或硅油作为导热介质，使反应液传热更均匀，反应温度更易控制。本发明提供了有效地从L-谷氨酸及单价盐生产吡咯烷酮羧酸及其盐的方法。
Description
技术领域
本发明涉及化工技术领域，特别是以L-谷氨酸或盐为原料生产L-吡咯烷酮羧酸(L-5-吡咯烷酮-2-羧酸)及其盐的方法。
背景技术
L-吡咯烷酮羧酸也称L-焦谷氨酸，英文全名为Pyrrolidine Carboxylic Acid(简称PCA)，是L-谷氨酸脱水得到的环状氨基酸，结构式为：
L-吡咯烷酮羧酸是一种白色、无气味的结晶状物质，分子里存在不对称碳原子，具有旋光性，易溶于水，难溶于低级脂肪醇，不溶于非极性有机溶剂，在常规条件下储存时PCA是一种稳定的化合物。PCA是人体皮肤角质层中存在的天然保湿因子(NMF)的主要成分。在生物体内，PCA可以以游离态存在，也常以盐的形式存在。在人体里，PCA只以氨基酸的左旋型对映体形式存在。因此存在于人体皮肤角质层中的是L-吡咯烷酮羧酸，而且是以钠盐或钾盐的形式存在，这就是最常见到的PCA的一类衍生物膜CA单价盐。
L-吡咯烷酮羧酸抗病能够有效抵抗普通流感病毒、鼻病毒等感冒病毒。美国等发达国家将L-吡咯烷酮羧酸用于抗病毒的薄页纸和纸巾里面，L-吡咯烷酮羧酸能够在长时间内持续杀死薄页纸或纸巾和皮肤表面的病毒，还能够改善皮肤健康状况并减少对皮肤的刺激。
L-吡咯烷酮羧酸的盐可以广泛应用于烟草、化妆品、纺织等领域。
L-吡咯烷酮羧酸的钾、钠盐用于烟草能够起到很好的保润效果，并能够在一定程度上降低烟气中一氧化碳、亚硝胺、苯并芘、自由基等有害物质，还能够很好的改善烟气，能够使卷烟香气丰满，余味纯净、舒适，同时明显降低刺激性。
L-吡咯烷酮羧酸的钠盐用于化妆品，能够持久保持皮肤湿润，并能对皮肤角质层的功能障碍有很好的修复作用。
L-吡咯烷酮羧酸的钠盐用于纺织，具有良好的吸湿透湿作用，能够提高纤维表面的电导率，起到良好的抗静电作用。
L-吡咯烷酮羧酸的锌盐具有收敛、抑菌和去除异味的作用。
因此，L-吡咯烷酮羧酸及其盐是一种重要的具有多种用途的工业产品，目前所报道的L-吡咯烷酮羧酸及其盐的生产方法大多是在水中进行的，通常采用高温高压或直接高温熔融的方法，通过这种工艺会导致反应体系温度不均匀，会得到部分D-异构体，导致光学纯度相对较低，得到产品的浓度也受到限制，而且对生产设备的要求较高。高温高压生产方法需要压力容器，造价高，生产存在不安全隐患，而且设备管理复杂；直接高温熔融则需要具有非常好的搅拌的设备，设备外形特殊，设备加工复杂，能耗较大，不是理想的便于工业生产的方法。如下述两个专利：
(1)日本专利(专利号JP-B-37-17959)，将L谷氨酸直接加热到190～200℃熔融，以除去生成的水得到L-吡咯烷酮羧酸。此方法的缺点是反应体系内局部温度太高，反应物为糊状物，反应液温度极易不均匀，生产的产品的颜色深、光学纯度和收率低。
(2)中国专利(专利号CN 1398853A)，将L-谷氨酸加入水中，加热到100～300℃，在该温度的水蒸汽压下反应得L-吡咯烷酮羧酸。此方法的缺点是反应过程在高温高压下进行，存在不安全因素，而且对设备要求较高，因为有水存在反应温度均匀，水超过100℃会变成水蒸汽，使环化脱水效率降低，得到产品的浓度也受到限制。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种常压催化合成L吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，合成条件更温和、反应速度更快、光学纯度和收率更高的吡咯烷酮羧酸及盐的生产方法，工业生产易于操作、设备简单。
本发明所述的一种通过常压催化合成得到高收率、高光学纯度L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，采用二甲基硅油或白油作为导热介质，优选一种或多种催化剂得到收率和光学纯度更高的L-吡咯烷酮羧酸或盐。
本发明所述的催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法包括下述步骤：
(1)将谷氨酸或谷氨酸单价盐、催化剂加入到硅油或白油中，L-谷氨酸与白油或硅油的质量比优选在1∶2～2∶1，加热到150℃～250℃，进行环化脱水，反应结束后，降温到120℃，加入去离子水，整个过程在常压下进行，得到高收率、高光学纯度的L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐；
(2)在(1)的反应时间达到30分到6小时后，加入去离子水溶解反应中的L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐，经油水分离后得到L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐的水溶液；
(3)将(2)得到的L-吡咯烷酮羧酸的水溶液中，加入相应的碱溶液与L-吡咯烷酮羧酸进行中和反应，搅拌冷却，得到L-吡咯烷酮羧酸多价盐的水溶液，经结晶干燥分离后得到相应的L-吡咯烷酮羧酸多价盐。
上述白油，通常是指白色矿物油。它是经过特殊的深度精制后的矿物油。白油无色、无味、化学惰性、光安定性能好，基本组成为饱和烃结构，芳香烃、含氮、氧、硫等物质近似于零。由于这种超级的精制深度，在实际制造工艺中，难以对重质馏份实施，所以白油的分子量通常都在250-450范围之内。具有良好的氧化安定性，化学稳定性，光安定性，无色、无味，不腐蚀纤维纺织物。
步骤(1)所述的谷氨酸为L-异构体，即L-谷氨酸，其光学纯度不小于80％。
步骤(1)所述的催化剂为无水硫酸钠或亚硫酸钠或分子筛中的一种或几种。
所述分子筛，又称泡沸石或沸石，是一种结晶型的铝硅酸盐，其晶体结构中有规整而均匀的孔道，孔径为分子大小的数量级，它只允许直径比孔径小的分子进入，因此能将混合物中的分子按大小加以筛分。
步骤(1)所述的硅油为二甲基硅油、苯基硅油或环状硅油，最好是二甲基硅油。
步骤(1)温度范围最好是170～190℃。
步骤(1)中，L-谷氨酸与白油或硅油的质量比优选在1∶1.5～1∶1，最优选1∶1.2～1∶1。
步骤(1)所述的谷氨酸单价盐为谷氨酸的钠、钾、三乙醇胺、单乙醇胺、锂、铷、铯盐。
步骤(2)反应时间，最优选1～3小时。
步骤(3)中所述的L-吡咯烷酮羧酸多价盐为L-吡咯烷酮羧酸的钙、锌、镁、铝盐。
步骤(3)中所述的相应的碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锌、氢氧化镁或氢氧化铝。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
1.本发明引入无水硫酸钠或亚硫酸钠或分子筛作为催化剂，能够有效的缩短反应时间，提高收率，生产的L-吡咯烷酮羧酸及其盐具有更高的光学纯度。
使用上述催化剂缩短了反应时间，降低能耗，降低反应温度，提高单位收率，催化剂可使化学反应物在不改变的情形下，经由只需较少活化能(activation energy)的路径来进行化学反应。而通常在这种能量下，分子不是无法完成化学反应，不然就是需要较长时间来完成化学反应。但在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。
2.本发明使用二甲基硅油或白油作为导热介质，使反应液受热更均匀，避免了局部高温造成的碳化，使产品的颜色更浅，过程在常压下进行，操作更简便、安全，对设备要求降低，白油或硅油能够重复使用，成本相对降低。
3.本发明提到的常压催化生产L吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，未见相关报道。直接生产谷氨酸然后中和得到相应的盐，生产灵活性更强，原料易得。
本发明合成条件更温和、反应速度更快、光学纯度和收率更高的L吡咯烷酮羧酸及盐的生产方法，将反应导热介质白油或硅油和催化剂同时引入反应，使以L谷氨酸或盐为原料生产L吡咯烷酮羧酸或盐的反应温度降低，时间缩短，反应体系温度均匀并便于控制，产品的收率和光学纯度提高，产品的颜色变浅。
具体实施方式
本发明所述的催化合成L吡咯烷酮羧酸及其盐的方法包括下述步骤：
(1)将谷氨酸或谷氨酸单价盐、催化剂加入到硅油或白油中，L-谷氨酸与白油或硅油的质量比优选在1∶2～2∶1，搅拌加热到150℃～250℃之间，进行环化脱水，反应结束后，降温到120℃时加入去离子水，整个过程在常压下进行，得到高收率、高光学纯度的L吡咯烷酮羧酸或其单价盐；
(2)在(1)的反应时间达到30分到6小时后，加入去离子水溶解反应中的L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐，经油水分离后得到L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐的水溶液；
(3)将(2)得到的L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐的水溶液中，加入相应的碱溶液与L-吡咯烷酮羧酸进行中和反应，搅拌冷却，得到L-吡咯烷酮羧酸盐溶液的水溶液，经结晶干燥分离后得到相应的L-吡咯烷酮羧酸盐。
步骤(1)反应设备可选择搪瓷反应釜。
为了能使反应更好的进行，步骤(1)中的催化剂选择无水硫酸钠或亚硫酸钠或分子筛中的一种或几种。
步骤(1)中的L-谷氨酸单价盐采用L-谷氨酸与单价的碱中和得到，中和后的pH值范围为6～8。
步骤(1)中所用的导热介质是白油或硅油，如果希望能够多次重复使用、导热均匀，最优选是硅油。硅油分多种，二甲基硅油、苯基硅油、环状硅油等，为了导热介质稳定优选二甲基硅油。
步骤(1)中的温度直接影响到L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐的光学纯度，温度过低则反应不能进行，温度过高会产生外消旋化，并使产品颜色变深。为了使反应稳定、产品的颜色浅，而且不产生外消旋化，温度优选在150℃～250℃，更优选160℃～200℃，最优选170～190℃。
只要反应能够进行，第一步对L-谷氨酸或L-谷氨酸单价盐与硅油或白油的比例没有特殊要求，通常L-谷氨酸与硅油或白油的质量比为1∶2～2∶1，当硅油或白油用量过高时生产成本高，而且单位生产时间长，当硅油或白油用量过低时，体系内温度不易控制，会降低L吡咯烷酮羧酸的质量。为了能够得到光学纯度更高的L-吡咯烷酮羧酸，L-谷氨酸与硅油或白油的质量比优选在1∶2～2∶1，更优选1∶1.5～1.5∶1，最优选1∶1.2～1∶1。
只要环化反应能够进行，步骤(2)对反应时间没有特殊要求，从30分钟到6小时不等。反应时间过短则反应进行不完全，反应时间过长则会增加能耗，降低生产效率，而且会使产品的光学纯度降低。反应时间优选在30分钟～6小时，更优选1小时～5小时，最优选1～3小时。
为制得L-吡咯烷酮羧酸多价盐时，进行步骤(3)反应。
步骤(3)反应的原料之一来源于步骤(2)反应的L-吡咯烷酮羧酸水溶液，中和的碱可用氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锌、氢氧化镁和氢氧化铝。
下面描述由L-谷氨酸生成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的过程：
从L-谷氨酸生成L-吡咯烷酮羧酸
将谷氨酸、催化剂加入到硅油中，L-谷氨酸与硅油的质量比1∶1，搅拌加热到170℃之间，进行环化脱水，反应时间达到2小时后，，降温到120℃时加入去离子水，整个过程在常压下进行，加入去离子水溶解反应中的L-吡咯烷酮羧酸，经油水分离后得到L-吡咯烷酮羧酸的水溶液；
从L-谷氨酸一钠盐生成L-吡咯烷酮羧酸钠
将谷氨酸一钠、催化剂加入到硅油中，L-谷氨酸与硅油的质量比1∶1.2，搅拌加热到165℃，进行环化脱水，反应时间达到1小时后，，降温到120℃时加入去离子水，整个过程在常压下进行，加入去离子水溶解反应中的L-吡咯烷酮羧酸钠，经油水分离后得到L-吡咯烷酮羧酸钠的水溶液；
从L谷氨酸生成L-吡咯烷酮羧酸钾
将氢氧化钾溶液加入到L-谷氨酸水溶液中，生成L-谷氨酸一钾盐，结晶干燥后，加入到硅油中，L-谷氨酸与硅油的质量比1∶1.2，搅拌加热到184℃，进行环化脱水，反应时间达到1.5小时后，，降温到120℃时加入去离子水，整个过程在常压下进行，加入去离子水溶解反应中的L-吡咯烷酮羧酸钾，经油水分离后得到L-吡咯烷酮羧酸钾的水溶液；
从L-吡咯烷酮羧酸生成L-吡咯烷酮羧酸钙
将氢氧化钙加入到已得到的L-吡咯烷酮羧酸水溶液中，搅拌冷却，得到L-吡咯烷酮羧酸钙的水溶液，结晶干燥后得到L-吡咯烷酮羧酸钙。
从L-吡咯烷酮羧酸生成L-吡咯烷酮羧酸锌
将氢氧化锌加入到已得到的L-吡咯烷酮羧酸水溶液中，搅拌冷却，得到L-吡咯烷酮羧酸锌的水溶液，结晶干燥后得到L-吡咯烷酮羧酸锌。
本发明还包括步骤(4)，即将步骤(2)反应产物在干燥后，L-吡咯烷酮羧酸和包含在所述固体中的未反应的L-谷氨酸被重新溶解，并且通过使用高效液相色谱(HPLC)(柱：SUMIPAX PGODS 100-7，SUMIKA CHEMICAL ANALYSIS SERVICE.LTD.制造，柱温：40℃，洗脱液：10mM磷酸水溶液，流速：1mL/min，检测：UV 210nm)的方法进行分析，以进行定量分析。光学纯度通过使用HPLC(手性柱：SUMIPAX OA5500，SUMIKA CHEMICAL ANALYSISSERVICE，LTD.制造，柱温：30℃，洗脱液：2mM硫酸铜∶丙烯腈＝95∶5的水溶液，流速：1mL/min，检测：UV1 5 254nm)的方法测定，以进行定量分析。
由上述两种分析结果，发现在所述制备的固体中包含大于98wt％的L-吡咯烷酮羧酸和小于1wt％的未反应的谷氨酸。L-吡咯烷酮羧酸的光学纯度以L/D比率表示为96/4。即，制备的L-吡咯烷酮羧酸的光学纯度是92％。
Claims (10)
1.一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是包括下述步骤：
(1)将谷氨酸或谷氨酸单价盐、催化剂加入到硅油或白油中，谷氨酸或谷氨酸单价盐与白油或硅油的质量比优选在1∶2～2∶1，加热到150℃～250℃之间，进行环化脱水，反应结束后，降温到120℃时加入去离子水，整个过程在常压下进行，得到高收率、高光学纯度的L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐；
(2)在(1)的反应时间达到30分到6小时后，加入去离子水溶解反应中的L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐，经油水分离后得到L-吡咯烷酮羧酸或其单价盐的水溶液。
2.如权利要求1所述的一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是还包括步骤(3)，将(2)得到的L-吡咯烷酮羧酸的水溶液中，加入相应的碱溶液与L-吡咯烷酮羧酸进行中和反应，搅拌冷却，得到L-吡咯烷酮羧酸多价盐的水溶液，经结晶干燥分离后得到相应的L-吡咯烷酮羧酸多价盐。
3.如权利要求1或2所述的一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是步骤(1)所述的催化剂为无水硫酸钠或亚硫酸钠或分子筛中的一种或几种。
4.如权利要求1或2所述的一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是步骤(1)所述的硅油为二甲基硅油或苯基硅油或环状硅油。
5.如权利要求1或2任一所述的一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是步骤(1)所述的谷氨酸为L-异构体，光学纯度不小于80％。
6.如权利要求1或2任一所述的一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是步骤(1)温度范围是170-190℃。
7.如权利要求1或2任一所述的一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是步骤(1)中，L-谷氨酸与白油或硅油的质量比1∶1.2～1∶1。
8.如权利要求1或2任一所述的一种催化合成L吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是步骤(1)所述的L-谷氨酸单价盐为L-谷氨酸的钠、钾、三乙醇胺、单乙醇胺、锂、铷或铯盐。
9.如权利要求1所述的一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是步骤(2)反应时间为1～3小时。
10.如权利要求2任一所述的一种催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其盐的方法，其特征是步骤(3)中所述的L-吡咯烷酮羧酸多价盐为L-吡咯烷酮羧酸的钙、锌、镁和铝盐；所述的相应的碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锌、氢氧化镁或氢氧化铝。
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