CN102153461A - 一种由乙二醇制备羟基乙酸的方法 - Google Patents

Abstract

一种由乙二醇制备羟基乙酸的方法，包括过程：1)乙二醇在溶剂和催化剂的存在下，在氧气气氛中进行反应制得羟基乙酸，溶剂为水，催化剂包括V₂O₅和Al₂O₃；乙二醇与水的投料重量比为1.0∶(4.0～8.0)；催化剂的用量以乙二醇为基准，V₂O₅的用量为0.2～1.8wt‰，Al₂O₃的用量为0.3～2.1wt‰；反应压力为0.20～0.50MPa，反应温度为120～155℃，反应时间为2.0～5.0小时；2)蒸发反应产物中的水份，以使反应产物中羟基乙酸的含量浓缩至70～80wt％；3)用结晶的方法使其中羟基乙酸呈晶状析出，经过滤分离出羟基乙酸结晶体，再加以真空干燥后得到羟基乙酸产品。

Description

一种由乙二醇制备羟基乙酸的方法

技术领域

本发明涉及一种制备羟基乙酸的方法，特别涉及以乙二醇为原料通过氧化和歧化反应制备羟基乙酸的方法。

背景技术

羟基乙酸以往主要被用于制造锅炉清垢剂、清洗剂、皮革鞣剂和用作金属离子的鳌合剂等。近年来被广泛用作化妆品和外用药品的皮肤外用剂，由于羟基乙酸分子量较小，可有效地渗透皮肤毛孔，以及有非常好的保湿作用，故广受医学和美容界的推崇。由羟基乙酸制备的聚羟基乙酸以及羟基乙酸和乳酸的共聚物具有优异的可生物降解性与生物相容性，可以在体内通过降解代谢成二氧化碳和水排出体外，故可用于制备体内埋植型缓释药物系统、埋植型修复器械、生物吸收外科缝合线、人造骨胳和器官材料等，羟基乙酸在该领域的应用研究发展也极为迅速。随着羟基乙酸的用途愈来愈多地向医学美容等领域拓展，对产品的品质要求也愈来愈高，如纯度，特别是产品中对人体有害杂质的含量有了更高的要求。

较早的羟基乙酸制备方法包括氯乙酸在氢氧化钠的存在下进行碱式水解反应，如日本专利公开特开昭62-77349所介绍的，其缺点是反应产物中存在的氯离子很难从产品中分离除净。利用甲醛与氰氢酸反应生成羟基乙腈，然后羟基乙腈再经酸式水解得到羟基乙酸，如美国专利US 3,867,440所介绍的，在催化剂亚硫酸或亚磷酸的存在下羟基乙腈经水解后得到羟基乙酸。由于产物为有机酸，与催化剂无机强酸的分离显然非常困难。因产品中易残存较多的氯离子或无机酸等杂质，以上已有方法制得的羟基乙酸无法应用于医学美容等领域或作为聚合单体。

近年应用较广的羟基乙酸工业化制备方法为乙二醛经歧化反应得到羟基乙酸，典型的如日本专利公开特开昭6-35420所记载的。相对而言，乙二醛歧化法得到的羟基乙酸能获得较高的产品纯度，产品的应用范围更加广泛。然而，现有技术中乙二醛通常由乙二醇通过氧化反应来制得，本质上现有的乙二醛歧化法制羟基乙酸是以乙二醇为原料通过两步法来制备，故其缺点是流程较长。另外，乙二醇氧化制乙二醛一般采用高温气相反应，加之催化剂采用纯银等贵金属，反应收率则并不理想，一般仅为60％左右，因此生产成本很高。

发明内容

本发明提供了一种一步法直接由乙二醇制备羟基乙酸的方法，相对于现有技术，本发明所要解决的技术问题是以更为简短的流程和更高的收率由乙二醇直接制得羟基乙酸，反应产物经结晶法精制，以得到纯度高、杂质含量低的高品质羟基乙酸。

以下是本发明解决上述技术问题的具体技术方案：

一种由乙二醇制备羟基乙酸的方法，该方法包括以下过程：

1)乙二醇在溶剂和催化剂的存在下，在氧气气氛中进行反应制得羟基乙酸，溶剂为水，催化剂包括V₂O₅和Al₂O₃；乙二醇与水的投料重量比为1.0∶(4.0～8.0)；催化剂的用量以乙二醇为基准，V₂O₅的用量为0.2～1.8wt‰，Al₂O₃的用量为0.3～2.1wt‰；反应压力为0.20～0.50MPa，反应温度为120～155℃，反应时间为2.0～5.0小时；

2)蒸发反应产物中的水份，以使反应产物中羟基乙酸的含量浓缩至70～80wt％；

3)将过程2)得到的经浓缩的反应产物用结晶的方法使其中羟基乙酸呈晶状析出，经过滤分离出羟基乙酸结晶体，再加以真空干燥后得到羟基乙酸产品。

上述过程1)所述的乙二醇与水的投料重量比最好为1.0∶(5.5～6.5)；V₂O₅的用量最好为0.3～0.6wt‰；Al₂O₃的用量最好为0.4～0.8wt‰；反应压力最好为0.35～0.45MPa；反应温度最好为145～155℃；反应时间最好为3.5～4.5小时。

上述过程2)中，最好使反应产物中羟基乙酸的含量浓缩至73～78wt％。

上述过程2)所述的蒸发反应产物中的水份可采用本领域常规的方法，如减压蒸发法，将反应产物加热至60～120℃，并于10～30KPa的真空度下蒸发反应产物中的水份。

上述过程3)所述的结晶的方法可以是本领域常规的方法，以下是发明人推荐的：

结晶方法包括将过程2)得到的经浓缩的反应产物冷却至8～15℃，最好冷却至8～11℃；加入晶种维持温度并施以搅拌，持续5～10小时，最好持续6～8小时。

晶种当然采用产品本身，即羟基乙酸结晶体，否则将会引入杂质至产品中。晶种的加入量按常规即可，如一般以反应产物中羟基乙酸为基准，加入量为1～5wt％，加入量过少将使完成结晶所需的时间过长，过多则会导致生产效率的降低。晶种的选用及加入量的确定均属本领域的常识，上述技术方案对此并无特殊的要求。

上述技术方案中，过程1)为反应部分，过程2)和3)为反应产物的精制提纯，显然过程1)是较为关键的。反应时，乙二醇在溶剂和催化剂的存在下大部分按下式进行氧化反应直接生成羟基乙酸：

部分乙二醇则氧化生成乙二醛，然后在催化剂的存在下随即进行歧化反应生成羟基乙酸，其反应过程见下式：

本发明采用的催化剂包括V₂O₅和Al₂O₃，其中V₂O₅的催化剂作用主要表现在氧化反应，而Al₂O₃的催化剂作用主要表现在歧化反应。反应条件的控制十分重要，否则反应生成的羟基乙酸容易进一步发生串连氧化反应生成过度氧化产物乙醛酸和乙二酸，反应过程见下式：

发明人通过大量的实验得到了上述技术方案，其技术关键包括催化剂和溶剂的选择、熔剂比、催化剂的用量，以及反应压力、温度及时间的确定等等。对于该反应，理论上还有多种溶剂可采用，如二甲苯、甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等，但发明人认为水更为合适，不仅因为它价格低，且效果好及易于与产品实现分离。

两种催化剂都能很好地溶于反应体系，从而能与反应物进行良好的接触，这对催化作用的提高十分有利。其关键还在于它们与产物的分离非常容易，随后采用结晶法进行产品的精制提纯，催化剂基本上将全部留于母液中，得到的结晶状羟基乙酸产品其纯度可达99.5wt％。

本发明与现有技术相比积极效果十分明显，工艺流程简短，经一步即实现由乙二醇直接制得羟基乙酸。所用的催化剂价格低廉且效果良好，乙二醇的转化率和羟基乙酸的选择性均非常理想，反应的产品收率可达到93％以上，生产成本明显降低。反应产物易于精制，经结晶法精制提纯获后得到的羟基乙酸产品纯度高、品质优良，可用于医疗美容领域或用作聚合单体。

下面通过具体的实施方案对本发明作进一步的描述，在实施例中，乙二醇的转化率和羟基乙酸的选择性和收率定义为：

羟基乙酸收率＝乙二醇转化率×羟基乙酸选择性×100％

具体实施方式

一、反应部分过程：

【实施例1～12】

在带有搅拌的500毫升反应釜中投入乙二醇水溶液300克，用氮气置换反应釜中的空气三次，加入所需量的催化剂V₂O₅和Al₂O₃。加热反应物使之逐步升温，升温过程中向反应釜通入氧气并维持设定的反应压力，反应物至设定的反应温度后停止通入氧气。维持设定的反应温度，直至到达设定的反应时间，结束反应冷却出料，得到棕黄色液体。各实施例具体的反应条件见表1，其中催化剂的用量以乙二醇为基准。

用气相色谱法分析反应产物组成，并计算乙二醇转化率、羟基乙酸选择性和羟基乙酸收率，结果见表2。

表1.

表2.

二、精制提纯部分过程：

【实施例13～22】

取400克由实施例1～12得到的反应产物混合(羟基乙酸的含量约为35wt％左右)，投入500毫升的带有加热及抽真空装置的烧瓶中，遂采用减压蒸馏法进行水份的蒸发。将混合后的反应产物加热至60～120℃，并于10～30KPa的真空度下蒸发水份，直至其中的羟基乙酸浓缩至所需的含量。

在带有冷却和搅拌装置的250毫升烧瓶中投入200克经浓缩的反应产物，冷却至设定的结晶温度。降温至接近结晶温度时开始逐步加入作为晶种的羟基乙酸晶体，加入量以反应产物中羟基乙酸为基准，控制为1～5wt％。维持温度并施以搅拌，持续一段时间以完成结晶和养晶，直至羟基乙酸完全成晶状析出。

过滤烧瓶中的物料，得到的滤饼真空干燥后得到粒经分布均匀的高纯度羟基乙酸结晶体产品，采用高压液相色谱法测定产品纯度。

各实施例经浓缩后反应物中羟基乙酸含量、结晶提纯时设定的结晶温度、结晶及养晶持续的时间、羟基乙酸结晶体产品的纯度见表3。

表3.

Claims (10)

1.一种由乙二醇制备羟基乙酸的方法，该方法包括以下过程：

1)乙二醇在溶剂和催化剂的存在下，在氧气气氛中进行反应制得羟基乙酸，溶剂为水，催化剂包括V₂O₅和Al₂O₃；乙二醇与水的投料重量比为1.0∶(4.0～8.0)；催化剂的用量以乙二醇为基准，V₂O₅的用量为0.2～1.8wt‰，Al₂O₃的用量为0.3～2.1wt‰；反应压力为0.20～0.50MPa，反应温度为120～155℃，反应时间为2.0～5.0小时；

2)蒸发反应产物中的水份，以使反应产物中羟基乙酸的含量浓缩至70～80wt％；

3)将过程2)得到的经浓缩的反应产物用结晶的方法使其中羟基乙酸呈晶状析出，经过滤分离出羟基乙酸结晶体，再加以真空干燥后得到羟基乙酸产品。

2.根据权利要求1所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于过程1)所述的乙二醇与水的投料重量比为1.0∶(5.5～6.5)。

3.根据权利要求1所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于过程1)所述的V₂O₅的用量为0.3～0.6wt‰。

4.根据权利要求1所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于过程1)所述的Al₂O₃的用量为0.4～0.8wt‰。

5.根据权利要求1所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于过程1)所述的反应压力为0.35～0.45MPa，反应温度为145～155℃，反应时间为3.5～4.5小时。

6.根据权利要求1所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于所述的过程2)中，使反应产物中羟基乙酸的含量浓缩至73～78wt％。

7.根据权利要求1或6所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于所述的过程2)中，将反应产物加热至60～120℃，并于10～30KPa的真空度下蒸发反应产物中的水份。

8.根据权利要求1所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于过程3)所述的结晶的方法包括将过程2)得到的经浓缩的反应产物冷却至8～15℃，加入晶种维持温度并施以搅拌，持续5～10小时。

9.根据权利要求8所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于将过程2)得到的经浓缩的反应产物冷却至8～11℃。

10.根据权利要求8所述的由乙二醇制备羟基乙酸的方法，其特征在于加入晶种维持温度并施以搅拌，持续6～8小时。