CN102875400A - 一种制备二乙烯三胺五乙酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备二乙烯三胺五乙酸(DTPA)的方法。包括由羟基乙腈水溶液与二乙烯三胺(DETA)分步升温反应，得到中间产物二乙烯三胺五乙腈(DTPN)，二乙烯三胺五乙腈(DTPN)在酸或碱条件下发生水解反应，得到含有二乙烯三胺五乙酸或其盐的水解液，再经过后处理制得固体DTPA，纯度99.5％以上，收率88-95％。

Description

一种制备二乙烯三胺五乙酸的方法

技术领域

本发明涉及一种制备二乙烯三胺五乙酸的方法，特别涉及一种采用羟基乙腈与二乙烯三胺(DETA)反应制备二乙烯三胺五乙酸(DTPA)的方法。

背景技术

二乙烯三胺五乙酸(Diethylenetriamine pentaacetic acid，简称为DTPA，分子式为C₁₄H₂₃N₃O₁₀)，为一种无味、无臭白色粉末状晶体，熔点220℃，不溶于水和一般有机溶剂，可溶于氢氧化钠、碳酸钠等溶液。DTPA是一种非常重要的氨羧型螯合剂，广泛用于制浆造纸、纺织、彩色照相等行业，凭借它对金属离子尤其是高价态显色金属离子较强的络合能力，在这些领域已经成为了乙二胺四乙酸(EDTA)的更新替代产品，发挥着重要的作用。

目前生产二乙烯三胺五乙酸的方法主要有氯乙酸法和氰化钠法两种。

氯乙酸法，CN101607921A一种二乙三胺五醋酸的制备方法、二乙烯三胺五乙酸五钠合成工艺的研究(《化工工业与工程技术》(2008.29.(1).18-19))、造纸化学品DTPA的合成研究(《造纸化学品》(2005.3.63-64))等文献重点介绍了氯乙酸法生产二乙烯三胺五乙酸的方法，以氯乙酸、碳酸钠和二乙烯三胺等为原料，经中和成盐、缩合、酸化、结晶等步骤制得二乙烯三胺五乙酸。此方法工艺较为简单，国内大部分企业采用该方法生产，但此方法原料成本高，设备腐蚀严重，工艺条件不易控制，收率在70-75％左右，环境污染严重，受氯根影响产品质量不稳定，产品的应用领域受限。

氰化钠法，DTPA合成方法的研究(《皮革化工》(2002.5.(19).26-28))以及二乙三胺五乙酸的合成(《化学工业工程技术》(2006.27.(6).24-25))等重点介绍了氰化钠法生产二乙烯三胺五乙酸的方法，以氰化钠、甲醛和二乙烯三胺等为原料，一步合成二乙烯三胺五乙酸钠的水溶液，再经酸化、结晶等步骤制得二乙烯三胺五乙酸。此方法使用剧毒化学品氰化钠，生产管理要求极高，安全隐患极大，且该反应条件难以控制，所得反应液中副产杂质较多，产品品质差，收率低，为80％左右。

发明内容

本发明的目的在于克服现有工艺的缺陷而提供一种新的制备二乙烯三胺五乙酸(DTPA)的方法，该方法操作简单、工艺稳定，条件温和，对设备材质要求低，产品品质高，可以有效地减少副产物，提高收率，并且使用了更加简单易得的原料羟基乙腈，有效的降低了成本，增加了生产过程中的安全性和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种制备二乙烯三胺五乙酸的方法，它包括如下步骤：

步骤1)用酸调节二乙烯三胺(DETA)的pH值至5-10，在一定温度下，加入一定配比的羟基乙腈水溶液，充分混合反应；羟基乙腈加入量与二乙烯三胺的摩尔比为1.5-3.0∶1；

步骤2)用酸调节步骤1)所得反应液的pH值至5-10，升温后，加入一定配比的羟基乙腈水溶液，保温一段时间，生成中间产物二乙烯三胺五乙腈(DTPN)；羟基乙腈加入量与步骤1)中二乙烯三胺的摩尔比为2.5-6∶1；

步骤3)向步骤2)所得反应液中加入定量的酸或碱，在一定的温度下进行水解反应，得到含有二乙烯三胺五乙酸或二乙烯三胺五乙酸盐的水解液；

步骤4)向步骤3)中所得水解液中加入定量活性炭脱色并后处理，得到固体DTPA。

上述的羟基乙腈水溶液为工业品或实验室制备的羟基乙腈含量在40-45％质量浓度水溶液，甲醛质量含量小于0.5％。

本发明的主要反应方程式如下：

本发明的方法中，步骤1)中优选调节二乙烯三胺(DETA)反应液的pH值为6-8。所用酸为质子酸，优选盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、甲酸、乙酸中的一种或多种，更优选硫酸或盐酸的一种或多种。

本发明的方法中，步骤1)中所述的温度为10-100℃，优选为15-80℃，更优选为20-60℃。

本发明的方法中，步骤1)中优选羟基乙腈与二乙烯三胺(DETA)加入量的摩尔比为1.8-2.8∶1，更优选为2-2.5∶1。

本发明的方法中，步骤1)中羟基乙腈和二乙烯三胺反应时间为0.1-10小时，优选为0.5-5小时，更优选为1-3小时。

本发明的方法中，步骤2)中优选调节步骤1)中反应液pH值为6-8，所用酸为质子酸，优选盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、甲酸、乙酸中的一种或多种，更优选硫酸或盐酸的一种或多种。

本发明的方法中，步骤2)中升温至10-200℃，优选为50-150℃，更优选为60-120℃。

本发明的方法中，步骤2)中羟基乙腈加入量与步骤1)中DETA的摩尔比为2.5-6∶1，优选为2.8-5∶1，更优选为3-4∶1。

本发明的方法中，步骤2)中反应时间1-20小时，优选1.5-15小时，更优选为2-10小时。

本发明的方法中，步骤3)中所述的酸为质子酸，优选硫酸、磷酸、硝酸、盐酸中一种或多种，更优选为硫酸。所加入的碱为碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物或碱金属碳酸盐或碱土金属碳酸盐，优选氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾或氢氧化锂中一种或多种，更优选为氢氧化钠。本步水解反应所加入的酸或碱与步骤1)中所投入的二乙烯三胺(DETA)的摩尔比为3-10∶1，优选3.5-8∶1，更优选为4-6∶1。水解反应的温度为30-200℃，优选40-150℃，更优选为50-120℃。水解反应时的相对压力为0-0.5Mpa，优选为0-0.3Mpa。水解反应的时间为0.1-10小时，优选0.5-8小时，更优选为1-5小时。所述的相对压力＝绝对压力-大气压力。

本发明的方法中，步骤4)中活性炭用量为步骤3)所得水解液质量的0.05％-0.3％。所述的后处理包括过滤、浓缩、调节pH、结晶、分离过滤、干燥工序，得到固体二乙烯三胺五乙酸。所述的过滤采用减压过滤操作或离心过滤操作得到过滤母液；将过滤母液浓缩，浓缩后质量与浓缩前质量的比例为0.5-0.9∶1，优选为0.6-0.85∶1，更优选0.7-0.8∶1。所述的调节pH是将浓缩后过滤母液pH调至1-5，优选1.5-4，更优选1.2-2.1。所述的结晶过程加入晶种引发结晶，晶种用量为溶液中二乙烯三胺五乙酸质量的0.05-5％，优选0.1-3％，更优选0.5-2％；结晶时间为1-20小时，优选1.5-15小时，更优选2-10小时；结晶温度为5-30℃，优选10-25℃，更优选15-20℃。所述的干燥工序采用减压干燥，干燥温度为40-95℃，优选50-90℃，更优选60-80℃；干燥时间为1-24h，优选2-12h，更优选3-6h。

值得注意的是，步骤1)、2)将羟基乙腈水溶液分成两份，以不同的反应温度及反应时间进行分步反应；这是因为随着反应的进行，空间位阻对于反应速度的影响逐渐增加，调节反应温度及反应时间可减少副产物，提高反应收率，收率达到88-95％。

另外步骤3)中若加入碱进行水解，将有大量的游离氨生成，需要及时移除反应体系，减少副产物的生成并且保证水解过程进行彻底。具体而言，可采用常规的空气或氮气鼓泡的方法，及时带走反应生成的氨。在对水解溶液进行脱色前，需要适当调节溶液pH值，以保证活性炭的最佳脱色效果，脱色pH值为5-8，优选为6-7。

本发明的积极效果在于采用了羟基乙腈原料，因其简单易得的特点，相比于氯乙酸法工艺及氰化钠法工艺而言有效地降低了成本，增加了生产过程中的安全性和可靠性。另外，由于采用了分步反应的方法制备中间体二乙烯三胺五乙腈(DTPN)，有效地减少副产物，提高了收率，收率达到88-95％。本发明方法操作简单、工艺稳定，条件温和，对设备材质要求低，产品品质高，固体产品纯度在99.5％以上。

附图说明：图1为二乙烯三胺五乙腈(DTPN)的¹H NMR谱图

图2为二乙烯三胺五乙酸(DTPA)的¹H NMR谱图

具体实施方式

下面的实施例将对本发明所提供的方法予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其它任何公知的改变。

DTPA含量采用化学分析方法，具体方法如下：

称取1～2g试样(精确至0.0002g)，置于三角瓶中，加入30mL蒸馏水，用4mol/L NaOH溶液调节pH值至9～10左右，加入15mL氨-氯化铵缓冲溶液，用0.1mol/L醋酸钙溶液滴定至白色浑浊出现即为终点，记录消耗量。

计算公式为 $X\%=\frac{C\·V\·M}{1000\·m}\×100\%$

其中X％-DTPA质量百分含量

C-醋酸钙溶液浓度，mol/L

V-醋酸钙溶液消耗体积，mL

M-DTPA摩尔质量，g/mol

m-称取样品质量，g

核磁分析仪器型号BRUKER-400MHz。

实施例1

在装有温度计、回流冷凝管、气体鼓泡管线及液体进料管线的反应瓶中，将51.59g(0.5mol)二乙烯三胺(DETA)用浓盐酸调pH值至6-6.5，加热升温至35℃，以恒定速度经1h加入150ml(1.04mol)羟基乙腈水溶液(质量浓度为45％，下同)，维持反应温度35℃。再次用浓盐酸调节反应液pH值至6-6.5，加热升温至75℃，以恒定速度经2h加入204ml(1.56mol)羟基乙腈水溶液，加入完毕后保温0.5h，得到中间产物二乙烯三胺五乙腈，产物经¹HNMR定性分析。谱图如图1所示，中间产物的¹HNMR数据：(D₂O为溶剂)：3.192-3.224(t，4H，-NCH₂-)，3.585-3.605(t，4H，-NCH₂-)，4.034(s，2H，-NCH₂-CN)，4.280(s，8H，-NCH₂-CN)。

向反应瓶中加入350g氢氧化钠溶液(质量分数30％的水溶液，2.63mol氢氧化钠)，升温至90℃，常压下维持反应2h，期间氮气进行鼓泡及时移除反应过程生成的氨气。

用浓盐酸调节反应液pH至6-8，加入1.1g活性炭(约为0.15％水解液质量)，进行脱色，抽滤，滤液浓盐酸酸化至pH＝2，在15℃下结晶5h，抽滤，减压条件下60℃干燥3h，得到白色粉状固体二乙烯三胺五乙酸(DTPA)187.3g，产物经¹H NMR定性分析，谱图如图2所示，产物的¹H NMR数据：(D₂O为溶剂)：3.185-3.217(t，4H，-NCH₂-)，3.482-3.514(t，4H，-NCH₂-)，3.640(s，2H，-NCH₂-COOH)，3.970(s，8H，-NCH₂-COOH)。化学分析测定DTPA纯度为99.62％，收率94.88％(以二乙烯三胺(DETA)计)。

实施例2

在装有温度计、回流冷凝管、气体鼓泡管线及液体进料管线的反应瓶中，将51.59g(0.5mol)DETA用浓盐酸调pH值至7-7.5，室温10-25℃反应，以恒定速度经10h加入130ml(0.9mol)羟基乙腈水溶液(浓度为45％，下同)，维持反应温度10-25℃。再次用浓盐酸调节反应液pH值至7-7.5，加热升温至95℃，以恒定速度经10h加入430ml(2.9mol)羟基乙腈水溶液，保温0.5h，得到中间产物二乙烯三胺五乙腈。

向反应瓶中加入400g氢氧化钠溶液(质量分数30％的水溶液，3.0mol氢氧化钠)，升温至120℃，相对压力为0.3MPa，维持反应0.2h，期间氮气进行鼓泡及时移除反应过程生成的氨气。

用浓盐酸调节反应液pH至6-8，加入2.2g活性炭(约为0.3％水解液质量)，进行脱色，抽滤，滤液用浓盐酸酸化至pH＝1.2，在15℃下结晶20h，抽滤，烘干，得到二乙烯三胺五乙酸(DTPA)白色粉末固体174.1g，产物经¹HNMR定性分析，化学分析测定DTPA纯度为99.51％，总收率为88.1％(以二乙烯三胺(DETA)计)。

实施例3

在装有温度计、回流冷凝管、气体鼓泡管线及液体进料管线的反应瓶中，将51.59g(0.5mol)二乙烯三胺(DETA)用浓盐酸调pH值至9-10，加热升温至40-45℃，以恒定速度经2h加入130ml(0.9mol)羟基乙腈水溶液(浓度为45％，下同)，维持反应温度40-45℃。再次用浓盐酸调节反应液pH值至9-10，加热升温至70℃，以恒定速度经5h加入290ml(2.0mol)羟基乙腈水溶液，加入完毕后保温0.5h，得到中间产物二乙烯三胺五乙腈。

向反应瓶中加入600g氢氧化钠溶液(质量分数30％的水溶液，4.5mol氢氧化钠)，升温至70℃，常压下，维持反应5h，期间氮气进行鼓泡及时移除反应过程生成的氨气。用浓盐酸调节反应液pH至6-8，加入0.5g活性炭(约为0.07％水解液质量)，进行脱色，抽滤，滤液浓盐酸酸化至pH＝2.4，在5℃下结晶15h，抽滤，减压条件下95℃干燥1h，得到白色粉状固体二乙烯三胺五乙酸(DTPA)178.0g，产物经¹H NMR定性分析，化学分析测定DTPA纯度为99.58％，收率90.12％(以二乙烯三胺(DETA)计)。

实施例4

在装有温度计、回流冷凝管、气体鼓泡管线及液体进料管线的反应瓶中，将51.59g(0.5mol)二乙烯三胺(DETA)用硫酸调pH值至5-5.5，加热升温至75-80℃，以恒定速度经0.1h加入216ml(1.5mol)羟基乙腈水溶液，维持反应温度75-80℃。再次用硫酸调节反应液pH值至5-5.5，加热升温至95-100℃，以恒定速度经1h加入180ml(1.25mol)羟基乙腈水溶液，加入完毕后保温0.5h，得到中间产物二乙烯三胺五乙腈。

向反应瓶中加入600g氢氧化钠溶液(质量分数30％的水溶液，4.5mol氢氧化钠)，升温至70℃，常压下，维持反应0.1h，期间氮气进行鼓泡及时移除反应过程生成的氨气。

用浓盐酸调节反应液pH至6-8，加入4.0g活性炭(约为0.6％水解液质量)，进行脱色，抽滤，滤液浓盐酸酸化至pH＝1.5，在30℃下结晶8h，抽滤，减压条件下40℃干燥24h，得到白色粉状固体二乙烯三胺五乙酸(DTPA)176.1g，产物经¹H NMR定性分析，化学分析测定DTPA纯度为99.82％，收率89.36％(以二乙烯三胺(DETA)计)。

实施例5

在装有温度计、回流冷凝管、气体鼓泡管线及液体进料管线的反应瓶中，将51.59g(0.5mol)DETA用甲酸调pH值至7.5-8，加热至40-45℃，以恒定速度经2h加入180ml(1.25mol)羟基乙腈水溶液(浓度为45％，下同)，维持反应温度40-45℃。再次用甲酸调节反应液pH值至7.5-8，加热升温至50-55℃，以恒定速度经3h加入200ml(1.4mol)羟基乙腈水溶液，维持反应温度50-55℃保温0.5h。

向反应瓶中缓慢加入260g浓硫酸(质量分数98％，2.60mol)，反应放热升温至102℃，加完后维持反应4h，相对压力为0.1MPa。用氨水调节pH至6-8，加入1.2g活性炭(约为0.15％水解液质量)，进行脱色，抽滤，滤液用浓盐酸酸化至pH＝2，在15℃下结晶5h，抽滤，烘干，得到二乙烯三胺五乙酸(DTPA)白色粉末固体182.2g，产物经¹H NMR定性分析，化学分析测定DTPA纯度为99.67％，总收率为92.34％(以二乙烯三胺(DETA)计)。

Claims (12)

1.一种制备二乙烯三胺五乙酸的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)用酸调节二乙烯三胺的pH值为5-10后，升温，与羟基乙腈水溶液混合反应；羟基乙腈加入量与二乙烯三胺的摩尔比为1.5-3.0∶1；

2)用酸调节步骤1)所得反应液的pH值为5-10，升温，再加入羟基乙腈水溶液并保温，生成中间产物二乙烯三胺五乙腈；羟基乙腈加入量与步骤1)中二乙烯三胺的摩尔比为2.5-6∶1；

3)将步骤2)得到的含二乙烯三胺五乙腈反应液与酸或碱进行水解反应，得到含有二乙烯三胺五乙酸或二乙烯三胺五乙酸盐的水解液；

4)将步骤3)中所得水解液加入活性炭脱色并后处理得到固体二乙烯三胺五乙酸。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中羟基乙腈加入量与二乙烯三胺的摩尔比为1.8-2.8∶1。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤1)中用酸调节二乙烯三胺的pH值为6-8，所用酸为质子酸，优选硫酸、磷酸、硝酸、盐酸、甲酸、乙酸中的一种或多种，更优选盐酸或硫酸的一种或多种。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤1)中升温至10-100℃，优选为15-80℃。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤1)中羟基乙腈和二乙烯三胺反应时间为0.1-10小时，优选为0.5-5小时。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2)中调节步骤1)所得反应液的pH值为6-8，所用酸为质子酸，优选硫酸、磷酸、硝酸、盐酸、甲酸、乙酸中的一种或多种，更优选盐酸或硫酸的一种或多种。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2)中羟基乙腈加入量与步骤1)中二乙烯三胺的摩尔比为2.8-5∶1。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2)中升温至10-200℃，优选为50-150℃。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2)的反应时间为1-20小时，优选为1.5-15小时。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述的酸为质子酸，优选硫酸、磷酸、硝酸、盐酸中的一种或多种，更优选硫酸；所述的碱为碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物或碱金属碳酸盐或碱土金属碳酸盐，优选氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾或氢氧化锂中的一种或多种，更优选氢氧化钠；所述的酸或碱与步骤1)中所加入的二乙烯三胺的摩尔比为3-10∶1，优选为3.5-8∶1。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)水解反应的温度为30-200℃，优选为40-150℃；水解反应的相对压力为0-0.5Mpa，优选为0-0.3Mpa；水解反应的时间为0.1-10小时，优选为0.5-8小时。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于：步骤4)中所述的活性炭用量为步骤3)所得水解液质量0.05％-0.3％，所述的后处理包括过滤、浓缩、调节pH、结晶、分离过滤、干燥工序，得到固体二乙烯三胺五乙酸。

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