CN103554495A

CN103554495A - 一种制备40%聚天冬氨酸钠盐水溶液的方法

Info

Publication number: CN103554495A
Application number: CN201310516796.1A
Authority: CN
Inventors: 马玉岳; 姜国政; 姜增妍
Original assignee: YANTAI HENGYUAN BIOENGINEERING CO Ltd
Current assignee: YANTAI HENGYUAN BIOENGINEERING CO Ltd
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明涉及一种制备40%聚天冬氨酸钠盐水溶液的方法，每吨L-天冬氨酸加入10kgH₃PO₄，200-220℃反应1.5h，反应产物冷却后加水洗去催化剂，离心获得聚琥珀酰亚胺；再加氢氧化钠溶液于50-60℃水解1h得到含量为40%的聚天冬氨酸钠盐的水溶液。本发明通过对多种催化剂及其用量、反应温度、时间等对聚琥珀酰亚胺合成的影响，NaOH用量、反应温度、时间对聚琥珀酰亚胺水解的影响，以及聚天冬氨酸的提取条件等多方面研究，从中确定了最佳的聚天冬氨酸合成条件。

Description

一种制备40%聚天冬氨酸钠盐水溶液的方法

技术领域

本发明涉及聚天冬氨酸的制备方法。

背景技术

二十世纪九十年代初，“绿色”化学品——聚天冬氨酸（PASP）受到了人们的高度关注。聚天冬氨酸是一种具有多肽结构的可降解生物高分子物质。它在自然界中存在于软体动物的壳中，用来调节生物体内的钙平衡。近年来，人们受到此类动物的代谢启发而成功的合成了这一生物高分子材料。聚天冬氨酸除具有一般水溶性羧酸的性质外，还具有其他许多聚合物无法比拟的优良特性。聚天冬氨酸最大特点是可生物降解、无毒、不破坏生态环境，可完全降解为对环境无害的终产物。经实验证实，聚天冬氨酸28天的降解率可达76%，而且没有毒性，可替代许多对环境有害的化学品，被人们誉为“绿色”产品，在工业、农业、医药等方面都具有非常广泛的用途。

制备聚天冬氨酸的方法主要有两种。第一种方法是NCA（N-carboxyanhydride)法，这也是通常制备聚氨基酸的一般方法。另一种方法是由天冬氨酸或马来酸酐、马来酸氨盐等热缩合，生成中间体聚琥珀酸亚胺((PSI)，中间体在碱性条件下水解得到聚天冬氨酸溶液。第一种方法工艺复杂，而且用到剧毒气体光气，实际极少应用。所以一般只采用第二种工艺生产聚天冬氨酸。

L-天门冬氨酸热缩合成聚天冬氨酸反应方程式为：

以L-天门冬氨酸为原料直接热缩合成聚天冬氨酸，工艺简单，反应过程除生成少量水蒸汽外，对环境无任何污染。此外还有酸催化热缩聚合和在溶剂下催化聚合两种方式，采用后两种工艺可以合成更高的分子量的聚天冬氨酸，分子量从1000到200000。

此方法合成PASP一般分三个步骤，第一步是制取中间体聚琥珀酰亚胺；第二步是中间体在碱性条件下水解制取PASP盐;第三步PASP的分离纯化。国内外开发的聚天冬氨酸合成方法主要有两类，一类是以L-天门冬氨酸为原料，另一类是以马来酸酐及其衍生物为原料。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种以L-天门冬氨酸为原料直接热缩合成聚天冬氨酸生产的方法，通过上述合成纯化方法提取的聚天冬氨酸钠盐，其对水处理中水垢的主要组成——碳酸钙的阻垢率高达90%以上，28天时生物降解率高达69.88%。

本发明的技术方案为：

一种制备40%聚天冬氨酸钠盐水溶液的方法，每吨L-天冬氨酸加入10kg H₃PO₄，200-220℃反应1.5h，反应产物冷却后加水洗去催化剂，离心获得聚琥珀酰亚胺；再加氢氧化钠溶液于50-60℃水解1h得到含量为40%的聚天冬氨酸钠盐的水溶液。

进一步，上述方法制得的40%聚天冬氨酸钠盐水溶液加入2倍乙醇沉淀得到聚天冬氨酸钠盐，沉淀经离心干燥后即得聚天冬氨酸钠盐固体成品。

本发明通过对多种催化剂及其用量、反应温度、时间等对聚琥珀酰亚胺合成的影响，NaOH用量、反应温度、时间对聚琥珀酰亚胺水解的影响，以及聚天冬氨酸的提取条件等多方面研究，从中确定了最佳的聚天冬氨酸合成条件。

附图说明

图1是反应温度对聚琥珀酰亚胺合成的影响；

图2是反应时间对聚琥珀酰亚胺合成的影响；

图3是分离用乙醇量对产物的影响。

具体实施方式

为进一步说明本发明，结合以下实施例具体说明：

1聚琥珀酰亚胺的生成反应

1）催化剂

在无催化条件下也可制得聚天冬氨酸（盐），而在实际生产中，通常会加入催化剂使反应速度加快、反应时间缩短，同时抑制副反应的发生以减少副产物的生成，减少产品色度。另外，有研究表明采用催化剂聚合还有可能提高产品的生物降解性。不同原料路线所使用的催化剂相似，可选用的催化剂范围很广。磷酸是较早使用的催化剂，但早期使用时，磷酸的用量较大，甚至是将原料溶解在大量的磷酸中进行反应，不仅加重后处理负荷，而且给生态环境带来污染。本发明选择H₃PO₄、HCl、H₂SO₄和对甲苯磺酸等常见无机酸催化剂进行考察。

2）反应温度

由天冬氨酸直接聚合生成聚琥珀酰亚胺的反应为可逆反应，现以生成二聚体的反应为例说明反应温度对反应平衡的影响。生成二聚体的反应式如下：

其反应平衡常数为：

K = \frac{k_{1}}{k_{- 1}}

当反应温度由T₁升至T₂时，其平衡常数变化可用等压方程式表示：

\ln = \frac{K_{1}}{K_{2}} = - \frac{ΔH}{R} (\frac{1}{T_{1}} - \frac{1}{T_{2}})

由公式可以看出当吸热反应△H>0时，平衡常数随温度升高而增大。聚琥珀酰亚胺生成的其它步骤也有同样的规律。

由于聚琥珀酰亚胺的生成属于吸热反应，所以提高反应温度可以提高平衡常数，并且有利于水的去除，降低水的浓度，进而使反应向有利于生成更高分子量的产物的方向进行。另外，提高反应温度还可以提高反应速率，加速反应到达平衡状态。本发明主要考察了反应温度为180-240℃时其对聚琥珀酸亚胺的产率及阻垢率的影响。

3）反应时间

在反应后期，当反应单体天冬氨酸消失后，一些低分子的聚琥珀酰亚胺分子之间仍可发生聚合反应而生成更大分子。所以在反应中增加保温时间有利于增加分子量，而分子量与聚天冬氨酸的阻垢性能有着直接的影响。但当反应时间增加到一定时，反应达到平衡状态，继续延长反应时间对增加分子质量已无影响，而延长反应时间会促进副反应，从而加深产物色度，同时也增加了生产成本。

不同催化剂量和温度条件下，反应到达平衡的时间有所不同。加大催化剂使用量和升高反应温度均有利于缩短反应时间，但是这样可能会造成生成的聚天冬氨酸色泽较深，对后续的脱色处理带来难度。主要考察反应时间在1-2.5h内的聚天冬氨酸生成情况。

2水解条件的选择

影响聚琥珀酰亚胺的水解的因素主要有以下几种。

1）NaOH用量

Mosig等发现水解速度与OH-浓度和聚琥珀酰亚胺颗粒表面积的一次方成正比。但未同时考虑聚天冬酸的进一步水解。NaOH用量是水解液pH值的决定因素。一般来说NaOH的用量应使水解结束时水解液的pH值处于10～12之间。用量过多，则会引起聚天冬氨酸的进一步水解，造成聚合度下降，并且增加生产成本。用量过少则水解不全，聚琥珀酰亚胺的环不能完全开链。

2）水解反应温度和反应时间

酰亚胺和酰胺的水解反应速度均随温度升高而加快，后者尤甚，温度对分子量的影响可解释为：酰亚胺和酰胺的水解均随温度升高而加快，后者尤甚。但升高温度可能导致聚天冬氨酸断链，生成小分子产物。

3方法

3.1聚琥珀酰亚胺的合成

将L-天冬氨酸与催化剂按一定比例加入液体石蜡中，加热至180～220℃反应一定时间，用分水器分离反应产生的H2O，降温，抽滤分离液体石蜡。固体产物分别用正庚烷、乙醇和蒸馏水洗涤多次，置于80℃恒温干燥箱中烘干，得到的白色或浅黄至粉色的粉末即为中间体聚琥珀酰亚胺。

3.2聚琥珀酰亚胺的水解和分离

量取一定量的2mol/L的NaOH溶液于三口瓶中，称取5克聚琥珀酰亚胺加入其中，在50～60℃的水浴水解约一个小时，得至浅黄色至红棕色的聚天冬氨酸钠溶液，水解过程中使用的烧碱量应使水解结束后水解液的PH值保持10～12。

将上述水解产物加入到无水乙醇中，得到白色或黄色的聚天冬氨酸纳沉淀，再经过过滤、减压干燥，即可得到聚天冬氨酸纳的纯品。

4结果与讨论

4.1聚琥珀酰亚胺的合成

1）聚琥珀酰亚胺合成的反应历程

由L-天冬氨酸缩聚生成聚琥珀酸亚胺的反应属于缩聚型的逐步缩合反应。缩聚反应按照缩聚物分子的结构不同，可分为线型缩聚和体型缩聚两类。聚天冬氨酸虽然具有两个羧基和一个氨基，共三个官能团参与缩合反应，但仍得到线性分子。由L-天冬氨酸缩聚合成聚琥珀酰亚胺反应过程如下：

缩聚反应区别于加聚反应的特征是大分子量的增长是一个逐步的过程。首先由两个天冬氨酸分子合成一个二聚体：

这个二聚体又可以和其他天冬氨酸分子反应而生产三聚体：

反应中这些分子之间又可以和天冬氨酸单体或其它的二聚体、三聚体甚至更大的分子反应而生成更长的分子链。由以上反应历程可见，在此反应中聚合物的分子量增加是逐步的，并且生成的产物是分子链大小不一的同系物。

聚琥珀酰亚胺的链增长过程是可逆的，反应初期正反应的速度V₁比逆反应的速度V₂大，缩合反应占一定优势；但当反应到一定程度V₁和V₂相等时，反应就达到平衡状态。在反应中必须排除低分子产物H₂O以破坏平衡，使反应向生成聚合物的方向进行。

合成聚琥珀酰亚胺的温度较高，大大高于水的沸点，所以只要在反应中使用分水器不断地分离反应所产生的水，就可以使反应向生成聚合物方向进行。

2）催化剂对反应的影响

考虑到沸点、热稳定性和化学稳定性等因素，本发明在L-天冬氨酸聚合时，分别添加1%的H₃PO₄、HCl、H₂SO₄和对甲苯磺酸等常见无机酸作为催化剂，观察反应现象及产物颜色，测定产物的阻垢率，结果见表1。

表1不同催化剂对聚合反应的影响

催化剂	产物颜色	现象	产物阻垢率（%）
				无	桔红色	无粘结	89.5
H₃PO₄	浅黄色	无粘结	94.7
				HCl	粉色	无粘结	90.8

H₂SO₄	棕色	粘结成块状	-
				对甲苯磺酸	灰褐色	粘结成块状	-

从表1可以看出H₃PO₄和HCl是较好的催化剂。HCl作催化剂时，由于在反应温度下，HCl在非极性溶剂液体石蜡中的溶解度较小，催化效果不明显，而且用量不易控制。因此本发明选择H₃PO₄作为催化剂进行进一步研究，见表2。实验发现加入适量的H₃PO₄后，产物颜色变浅，表明减少了副反应，而且发生显著反应(出现明显水蒸汽)时的温度由无催化时的200-210℃下降到180-190℃，说明降低了反应活化能，催化剂这些作用可解释为酸性催化剂与原料中的-NH₂形成

盐，保护-NH₂免受氧化等副反应，同时H+催化剂与原料中的-COOH作用形成

增强了碳的亲电攻击能力，从而降低活化能，缩短反应时间，同时也有助于减少副反应。

表2催化聚合与无催化聚合比较

3）反应温度对反应的影响

本发明研究发现，反应温度对产品的转化率和产品性能有很大影响。表3为在不同条件下合成聚琥珀酰亚胺的变化情况，反应时间均为1.0h。反应温度与转化率的关系见图1。

表3不同温度下合成的聚琥珀酰亚胺

从表3可以看出，提高反应温度可明显提高反应速率，缩短反应时间。但过高反应温度可造成反应产物颜色加深。当反应温度高于220℃时，反应产物呈深褐色，所以本发明反应温度选取不易过高。

4）反应时间对反应的影响

本发明研究了不同反应时间对聚琥珀酰亚胺的产率，结果如图2所示。

由图2可以看出，随着反应时间的延长，聚琥珀酰亚胺的转化率越高，当反应时间在1.5h以上时，反应趋于稳定。从经济角度和平衡角度考虑，本研究确定聚琥珀酰亚胺合成反应的反应时间取1.5h宜。

4.2水解条件的选择

1）NaOH用量

一般来说NaOH的用量应使水解结束时水解液的pH值处于10～12之间。本发明将NaOH配制成2mol／L的水溶液，称取5克的聚琥珀酰亚胺在充分搅拌下一次性加入到一定量的此浓度的NaOH水溶液中，在55℃的条件下反应1.0小时。反应只在最初的3～5min内呈非均相反应，在其后时间内进行的是均相水解反应，因此可忽略非均相因素对反应的影响。在反应结束后测定反应液的pH值，表4为NaOH水溶液用量与反应结束后水解液的pH值的关系。

表4NaOH水溶液用量与水解液pH值的关系

NaOH用量（ml）	pH值
		26	8
28	10
		30	12
32	14

从上表中可以看出，当NaOH水溶液添加量为28～30ml时，水解液的pH值在最佳范围内。

2）反应温度和时间

温度对分子量的影响可解释为：酰亚胺和酰胺的水解均随温度升高而加快，后者尤甚。温度过高可加速聚琥珀酰业胺的水解，似也明显加速了聚天冬氨酸的进一步水解，降低了聚天冬氨酸的聚合度。所以水解温度般选取为50～90℃。文献记载，当pH=12、反应温度50℃的反应条件下，反应15min时仍有部分酰亚胺结构存在，而30min聚合物中的酰亚胺结构基本消失，为使聚合物中的酰亚胺结构完全打开，本发明选择的水解条件为水解温度50～60℃，反应时间1.0h。

4.3分离工艺的选择

1）溶剂选择

聚天冬氨酸盐的分离据文献记载有多种方法，本发明选用乙醇作为分离溶剂。选用乙醇有以下几个方面的原因：

①沸点适中，使用后回收能耗低。

②便于回收。乙醇回收工艺成熟，可反复回收利用。

③较为经济，原料容易购买。

2）乙醇用量的确定

一般来说，提高乙醇用量可以提高产物的分离率，但同时也造成溶剂耗量过大，回收成本增大的缺点。图3为不同乙醇用量时的收率变化情况。

由上图可以看出，随乙醇使用量的增大，产物的收率也逐渐增大，但当乙醇用量为水解液的2倍及以上时，产物的收率趋于稳定。从工艺和生产成本角度考虑，本发明的乙醇与水解液质量比选2：1较为合适。

3结论：

（一）聚合过程

以L-天冬氨酸为原料时：

（1）适宜催化剂为H₃PO₄，加入适量催化剂可减少副反应，加快聚合反应，缩短反应时间；

（2）适宜的聚合条件为200-220℃，每千克L-天冬氨酸加入10g H₃PO₄，反应时间为1.5h，产品阻垢率90～95%，产品色浅。

（二）水解过程

获得具有优异阻垢性能的聚天冬氨酸的适宜条件为：水解5克聚琥珀酰亚胺需要2mol／L的NaOH溶液28ml，水解温度50～60℃，水解时间约1h。

（三）分离过程

选用乙醇作为聚天门氨酸的分离溶剂，乙醇用量为水解液质量的2倍。

本发明研究了以L-天冬氨酸为原料热缩和生成聚天冬氨酸的前体物质聚琥珀酰亚胺反应的影响因素，并通过实验，确定了其最佳条件，即常压下，每吨L-天冬氨酸加入10kg H₃PO₄，200-220℃反应1.5h，反应产物冷却后加水洗去催化剂，离心获得聚琥珀酰亚胺。通过研究聚琥珀酰亚胺的水解条件，确定了聚天冬氨酸钠盐溶液的最佳生产工艺：加氢氧化钠溶液于50-60℃水解1h得到含量为40%的聚天冬氨酸钠盐的水溶液。比较多种分离溶剂及其用量，最终确定了聚天冬氨酸钠盐的分离条件为：聚天冬氨酸钠盐的水溶液加入2倍乙醇沉淀得到聚天冬氨酸钠盐，沉淀经离心干燥后即得聚天冬氨酸钠盐固体成品。通过上述合成纯化方法提取的聚天冬氨酸钠盐，其对水处理中水垢的主要组成——碳酸钙的阻垢率高达90%以上，28天时生物降解率高达69.88%。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种制备40%聚天冬氨酸钠盐水溶液的方法，其特征在于：每吨L-天冬氨酸加入10kgH₃PO₄，200-220℃反应1.5h，反应产物冷却后加水洗去催化剂，离心获得聚琥珀酰亚胺；再加氢氧化钠溶液于50-60℃水解1h得到含量为40%的聚天冬氨酸钠盐的水溶液。

2.一种制备聚天冬氨酸钠盐固体成品的方法，其特征在于：权利要求1所述的方法制得的40%聚天冬氨酸钠盐水溶液加入2倍乙醇沉淀得到聚天冬氨酸钠盐，沉淀经离心干燥后即得聚天冬氨酸钠盐固体成品。