CN102796029A

CN102796029A - 化妆品级2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸清洁合成工艺

Info

Publication number: CN102796029A
Application number: CN2011101392020A
Authority: CN
Inventors: 姜恒; 王锐; 宫红; 苏婷婷
Original assignee: Liaoning Shihua University
Current assignee: Liaoning Shihua University
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明公开了一种化妆品级2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸合成工艺及其清洁生产方法，其处理流程为：向搪瓷反应釜中投加2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和溶剂在氮气保护并搅拌下滴加氯磺酸，通过夹套水浴冷却以及控制滴加氯磺酸的速度控制釜内物料温度为20～25℃，反应20～25h，反应结束后，产品经离心过滤分离，用相应的溶剂洗涤产品，产品在氮气保护下干燥。HCl回收填料塔中用水循环方式回收氯化氢副产物制成20％～30％盐酸水溶液，尾气用固体碱填料塔中和少量氯化氢气体。溶剂蒸馏回收系统采用常压蒸馏塔蒸馏回收溶剂，釜底残液回收2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸。

Description

化妆品级2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸清洁合成工艺

技术领域

本发明属于精细化工领域，尤其涉及到水溶性紫外线吸收剂2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸清洁合成工艺，以达到生产化妆品级2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸产品的目的。

背景技术

紫外线吸收剂2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸(INCI名称Benzophenone-4，以下简称BP-4)能够同时吸收UV-A和UV-B，是一种广谱、水溶性紫外线吸收剂，对光、热稳定性好等优点，用于水溶性化妆品中作防晒剂。是欧洲、日本法规允许使用的化妆品添加剂，也是美国FDA批准的第一类防晒剂，同时也是我国化妆品卫生规范(2002版)允许使用的紫外线吸收剂。其急性毒性：老鼠口服半数致死量LD50＝3530mg/kg，属于低毒化学品。

BP-4为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮(以下简称BP-3)的下游产品。与传统的二苯甲酮类紫外线相比，具有水溶性、无对皮肤刺激性、毒性低等优点，可以直接添加到水溶性化妆品或涂料中，具有广泛的应用前景。BP-4作为化妆品原料，世界各国的准许状态(最大使用量wt％)如下：欧洲：5.0％；澳大利亚：10％；日本：10.0％；美国：10.0％；中国：5％。

传统的BP-4的合成方法是以BP-3为原料经过磺化反应的目标产物。首先往磺化釜中加入93％的硫酸，在搅拌下慢慢加入BP-3，在110℃左右反应4～6h，冷却，结晶，甩干，重结晶即为成品。该方法的缺点是产生大量的废酸，产品中游离H₂SO₄含量高，产品外观、熔点及含水量不合格。

US6936732采用碳酸二甲酯、环己烷、正己烷作为溶剂，用氯磺酸与BP-3反应，反应温度为60～70℃，滴加氯磺酸时间为4h，反应时间为1h。由于氯磺酸的强氧化性，反应进行快，且反应过程中放热，温度较高时容易破坏目标产物的结构，使产品收率降低。

US5072034采用乙酸乙酯、苯甲酸乙酯作为溶剂溶解BP-3，在采取冷却措施的条件下(0～5℃)0.5h内滴加氯磺酸，然后在室温(18～25℃)反应24h，反应结束后过滤，滤液在下一合成中使用，这种合成方法尽管解决了溶剂回收的问题，但会造成杂质在产品中不断累积，从而影响BP-4的作为化妆品原料的质量。

GB1136525采用1，2-二氯乙烷、四氯化碳或二溴甲烷为溶剂，在85～86℃滴加氯磺酸与BP-3反应，滴加时间为2h，冷却后过滤出BP-4产品，产品用相应的溶剂洗涤。通常卤代烃统称为破坏臭氧层物质导致环境危害，同时卤代烃经皮肤吸收后，侵犯神经中枢或作用于内脏器官，引起中毒。

CN101624357A(申请号200910063440.0)公开了一种2-羟基-4-甲氧基-5-磺酸二苯甲酮的生产方法，其主要特征是：将BP-3、氯磺酸、碳酸二甲酯和水投入反应釜中，温度控制在23～28℃，保温反应18～20h得到BP-4粗品，再将粗品用混合溶剂重结晶。该方法存在的问题是氯磺酸有很强的吸湿性，遇水剧烈反应生成HCl和H₂SO₄，H₂SO₄残留在BP-4产品中会影响产品质量，重结晶会造成产品损失以及产品中含水量高等问题。此外，由于反应是放热过程，一次性投加氯磺酸会使反应体系的温度迅速升高，从而引发副反应。

发明内容

本发明的目的是提供一种2-羟基-4-烷氧基二苯甲酮的合成工艺技术及其清洁生产方法，遵循减量化，再利用和资源化三原则，最终实现低污染和零排放。

本发明的目的是这样实现的：预先在搪瓷反应釜中投加溶剂和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮，在氮气保护并搅拌下滴加氯磺酸，通过夹套水浴冷却以及控制滴加氯磺酸的速度控制釜内物料温度为20～25℃，氯磺酸添加结束后继续在20～25℃下反应20～25h，反应结束后，产品经离心过滤分离，用相应的溶剂洗涤产品，产品在氮气保护下干燥，在整个合成工艺中，所用溶剂及副产物均加以回收利用。

本发明所依据的反应原理是：氯磺酸是亲电试剂，与2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮(BP-3)发生亲电取代反应，苯环上的-OH和-OCH₃是邻对位定位基(第一类定位基)，并且可以使苯环活化，-CO-是间位定位基(第二类定位基)，由以上定位原则知磺酸基应取代苯环上的5-位置，如下所示：

上述反应所采用的溶剂选用碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，乙酸乙酯，乙酸甲酯中的一种，这些溶剂属于低毒溶剂，使用安全。这些溶剂的沸点较低(58～126℃)，便于蒸馏回收操作。溶剂使用前用5A分子筛进行脱水干燥至含水量小于100ppm以下，溶剂与2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮的重量比为5∶1～2∶1。

氯磺酸有很强的吸湿性，遇水剧烈反应生成HCl和H2SO4，H2SO4残留在BP-4产品中会影响产品质量，因此，合成过程中所用原料必须经过精细的脱水干燥，合成过程中必须用氮气保护以防止外界湿气进入反应体系。原料2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮中的含水量小于0.5％，溶剂在使用前用5A分子筛进行脱水干燥至含水量小于100ppm以下。

本发明的目的是生产化妆品级BP-4，根据卫生部颁布的2007年版《化妆品卫生规范》，对化妆品中铅、砷、汞三种元素限量指标分别为40ppm、10ppm和1ppm，其他重金属如镉、铬、钴、镍、钒、钕、铊、锶、碲限量指标也应分别为40ppm以下。鉴于此，原料氯磺酸在使用前必须蒸馏，并在氮气保护下备用。原料BP-3中重金属含量在5ppm以下。由于氯磺酸几乎腐蚀所有的金属，因此对设备的质量要求严格，要求氯磺酸储罐以及搪瓷反应釜的瓷层外观表面光滑，无爆瓷、鱼鳞裂纹、暗泡。生产车间条件符合GMP规范。

氯磺酸是一类磺化能力很强的磺化剂，反应进行快，且反应为放热过程，温度较高时由于氯磺酸的强氧化性，容易破坏目标产物的结构，使产品收率降低，所以反应温度不宜过高，适宜的反应温度为20～25℃。如果反应时间过短，会有BP-3不能被磺化。延长反应时间所得产品从外观有所改善、熔点相对于较短反应时间也有很大提高。适宜的反应时间为20～25h。

以BP-3为原料氯磺酸为磺化剂合成BP-4的反应中，原料BP-3相对于氯磺酸价格较高，虽然BP-3可以回收继续使用，但在回收过程中要耗费溶剂，且过程繁琐。为了降低成本采用氯磺酸稍微过量的方法。磺化剂氯磺酸相对于原料过量很多时BP-4产率降低，这是由于过量的氯磺酸可以与生成的BP-4继续反应生成2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸酰氯与硫酸(《化工百科全书》编辑委员会.化工百科全书(11卷)[M].北京：化学工业出版社，1996.218)，副反应如下所示：

这不仅会影响到产品的产率，夹杂在产品中的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸酰氯还会影响产品的性质。所以原料BP-3与磺化剂氯磺酸的摩尔比为1∶1.1～1∶1.2时为最佳。

产品质量检测方法及技术指标：

(1)K值测定

根据郎伯-比尔定律：A＝K cb。式中：A：溶液的吸光度；c：吸光物质的浓度，单位(g/L)；b：溶液的液层厚度，它取决于吸收池的厚度，单位(cm)；K：系数。将0.4g待测BP-4样品溶于400mL甲醇，加入10mol/L的NaOH溶液1mL，加水稀释至1000mL，移取25mL到500mL容量瓶中，加入25mL pH值为9.2的缓冲溶液(缓冲溶液配制：20g Na₂B₄O₇·10H₂O稀释至1000mL)，加水稀释至500mL，用紫外分光光度计测产品的最大吸光度A。化妆品级别BP-4的K值要求在45～48之间。

(2)游离H₂SO₄含量的测定

酸值是每克产品相当于氢氧化钾的毫克量。称取一定量的BP-4粉末放在碘量瓶中配制BP-4水溶液，用碱式滴定管移取氢氧化钾标准溶液(氢氧化钾标准溶液的浓度c＝0.5mol/L)进行标定，酚酞为指示剂。纯BP-4的理论酸值为182mgKOH/g。游离H₂SO₄含量的计算公式如下：

化妆品级别BP-4的游离H₂SO₄含量要求小于0.2％。

(3)含水量的测定

容量滴定卡尔费休(Karl Fischer)法测定，化妆品级别BP-4的含水量要求小于0.5％

(4)色度的测定

参照国家标准GB 12007.1-89加德纳色度法测定，化妆品级别BP-4的色度(加德纳，100g/L水溶液)小于4.0

(5)重金属含量的测定

采用原子吸收分光光度法测定重金属含量，化妆品级别中铅和砷元素限量指标分别小于5ppm，汞元素限量指标小于1ppm，其他重金属如镉、铬、钴、镍、钒、钕、铊、锶、碲限量指标也应分别为5ppm以下。

本发明的效果是：产品质量为化妆品级别，产品中重金属含量小于5ppm(其中汞含量小于1ppm)，熔点大于190℃，产品中游离H₂SO₄含量小于0.2％，含水量小于0.5％，产品外观为白色固体，色度(加德纳，100g/L水溶液)小于4.0。产品质量高于美国药典USP规定的要求。通过回收副产物氯化氢以及回收溶剂并重复使用实现清洁生产。

附图说明

图1是本发明流程示意图。如图1所示，本发明所提供的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸合成工艺及其清洁生产方法，其处理流程为：向搪瓷反应釜中投加BP-3和溶剂，开动搅拌器并在氮气保护并搅拌下滴加氯磺酸，通过夹套水浴冷却以及控制滴加氯磺酸的速度控制釜内物料温度为20～25℃，氯磺酸添加结束后继续在20～25℃下反应20～25h，反应结束后，产品经离心过滤分离，用相应的溶剂洗涤产品，产品在氮气保护下干燥。HCl回收填料塔上部新鲜水的加入量可根据氯磺酸的加入量以及回收盐酸的浓度来计算，新鲜水的加入速度要小于氯磺酸的滴加速度。固体碱填料塔中填装用活性碳负载的碳酸钾或碳酸钠填料，失效后用水洗涤后重新负载碳酸钠或碳酸钾，并回收氯化钠或氯化钾。固体碱填料塔可长期使用，其寿命取决于HCl回收填料塔的效率，可根据尾气中HCl含量确定是否更换。

具体实施方式：

下面结合实施例并配合附图对本发明的技术方案做进一步的陈述。本发明不受下述实施例的限制。

实施例1

原料准备：氯磺酸经蒸馏后在N₂气保护下备用，乙酸乙酯经5A分子筛脱水后备用。BP-3经检验合格。合成车间及相应设施符合GMP生产规范。

在3m³搪瓷反应釜中投加1000Kg乙酸乙酯和500Kg BP-3，搅拌下滴加氯磺酸(293.5Kg)，通过夹套冷却以及控制滴加速度，保持物料温度为20～25℃，启动真空系统保持反应釜内为微负压，反应生成的HCl气体通过填料塔回收，尾气经固体碱吸收塔处理后排空。氯磺酸滴加完毕后，继续在25℃搅拌反应20h。反应结束后，反应釜中浆料卸入离心机过滤分离，滤液进入废乙酸乙酯储罐。产品在45℃下用氮气吹扫进行干燥处理。废乙酸乙酯经蒸馏回收后重复使用。回收20％盐酸350Kg。BP-4产量为540Kg，收率为80％，BP-4产品质量分析结果如下：产品中重金属含量小于5ppm(其中汞含量为0.3ppm)，熔点大于190℃，产品中游离H₂SO₄含量为0.1％，含水量为0.3％，产品色度(加德纳，100g/L水溶液)为1.5。

实施例2

原料准备：氯磺酸经蒸馏后在N₂气保护下备用，碳酸二甲酯经5A分子筛脱水后备用。BP-3经检验合格。合成车间及相应设施符合GMP生产规范。

在3m³搪瓷反应釜中投加1500Kg碳酸二甲酯和500Kg BP-3，搅拌下滴加氯磺酸(280.8Kg)，通过夹套冷却以及控制滴加速度，保持物料温度为20℃，启动真空系统保持反应釜内为微负压，反应生成的HCl气体通过填料塔回收，尾气经固体碱吸收塔处理后排空。氯磺酸滴加完毕后，继续在20℃搅拌反应25h。反应结束后，反应釜中浆料卸入离心机过滤分离，滤液进入废碳酸二甲酯储罐。产品在45℃下用氮气吹扫进行干燥处理。废碳酸二甲酯经蒸馏回收后重复使用。回收22％盐酸330Kg。BP-4产量为574Kg，收率为85％，BP-4产品质量分析结果如下：产品中重金属含量小于5ppm(其中汞含量为0.4ppm)，熔点大于190℃，产品中游离H₂SO₄含量为0.08％，含水量为0.25％，产品色度(加德纳，100g/L水溶液)为1.0。

实施例3

原料准备：氯磺酸经蒸馏后在N₂气保护下备用，乙酸甲酯经5A分子筛脱水后备用。BP-3经检验合格。合成车间及相应设施符合GMP生产规范。

在3m³搪瓷反应釜中投加1700Kg乙酸甲酯和500Kg BP-3，搅拌下滴加氯磺酸(306Kg)，通过夹套冷却以及控制滴加速度，保持物料温度为20℃，启动真空系统保持反应釜内为微负压，反应生成的HCl气体通过填料塔回收，尾气经固体碱吸收塔处理后排空。氯磺酸滴加完毕后，继续在20℃搅拌反应22h。反应结束后，反应釜中浆料卸入离心机过滤分离，滤液进入废乙酸甲酯储罐。产品在45℃下用氮气吹扫进行干燥处理。废乙酸甲酯经蒸馏回收后重复使用。回收20％盐酸370Kg。BP-4产量为554Kg，收率为82％，BP-4产品质量分析结果如下：产品中重金属含量小于5ppm(其中汞含量为0.3ppm)，熔点大于190℃，产品中游离H₂SO₄含量为0.15％，含水量为0.1％，产品色度(加德纳，100g/L水溶液)为1.0。

实施例4

原料准备：氯磺酸经蒸馏后在N₂气保护下备用，碳酸二乙酯经5A分子筛脱水后备用。BP-3经检验合格。合成车间及相应设施符合GMP生产规范。

在3m³搪瓷反应釜中投加1000Kg碳酸二乙酯和500Kg BP-3，搅拌下滴加氯磺酸(290Kg)，通过夹套冷却以及控制滴加速度，保持物料温度为20℃，启动真空系统保持反应釜内为微负压，反应生成的HCl气体通过填料塔回收，尾气经固体碱吸收塔处理后排空。氯磺酸滴加完毕后，继续在20℃搅拌反应25h。反应结束后，反应釜中浆料卸入离心机过滤分离，滤液进入废碳酸二乙酯储罐。产品在45℃下用氮气吹扫进行干燥处理。废碳酸二乙酯经蒸馏回收后重复使用。回收20％盐酸370Kg。BP-4产量为547Kg，收率为81％，BP-4产品质量分析结果如下：产品中重金属含量小于5ppm(其中汞含量为0.2ppm)，熔点大于190℃，产品中游离H₂SO₄含量为0.2％，含水量为0.2％，产品色度(加德纳，100g/L水溶液)为1.0。

Claims

1.一种化妆品级水溶性紫外线吸收剂2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸合成工艺及其清洁生产方法，其特征在于：预先在搪瓷反应釜中投加溶剂和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮，在氮气保护并搅拌下滴加氯磺酸，通过夹套水浴冷却以及控制滴加氯磺酸的速度控制釜内物料温度为20～25℃，氯磺酸添加结束后继续在20～25℃下反应20～25h，反应结束后，产品经离心过滤分离，用相应的溶剂洗涤产品，产品在氮气保护下干燥，在整个合成工艺中，所用溶剂及副产物均加以回收利用。

2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：溶剂为碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，乙酸乙酯，乙酸甲酯中的一种，使用前用5A分子筛进行脱水干燥至含水量小于100ppm以下，溶剂与2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮的重量比为5∶1～2∶1。

3.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：氯磺酸在使用前必须进行减压蒸馏提纯，并在氮气保护下备用，氯磺酸中重金属含量小于5ppm。

4.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：原料2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮中的重金属含量小于5ppm，其含水量小于0.5％，2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮与氯磺酸的摩尔比例为1∶1～1∶1.2。

5.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：HCl回收填料塔中用水循环方式回收氯化氢副产物制成20％～30％盐酸水溶液，填料采用耐酸腐蚀的惰性填料，尾气用固体碱填料塔中和少量氯化氢气体。

6.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于：产品滤液以及相应溶剂的洗涤液合并后经固定床中和氯化氢后进入溶剂蒸馏回收系统，回收后的溶剂可重复使用。

7.根据权利要求1和6所述的生产工艺，其特征在于：固体碱填料塔中填装用活性碳负载的碳酸钾或碳酸钠填料，失效后用水洗涤后重新负载碳酸钠或碳酸钾，并回收氯化钠或氯化钾。

8.根据权利要求1和6所述的生产工艺，其特征在于：溶剂蒸馏回收系统采用常压蒸馏塔蒸馏回收溶剂，釜底残液回收2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸。

9.根据权利要求1、2、3和4所述的生产工艺，其特征在于：产品质量为化妆品级别，产品中重金属含量小于5ppm，其中汞含量小于1ppm。