CN103936708B - 一种可实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属有机物制备技术领域，具体涉及一种可实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺。它提供了一种同时制备甘油碳酸酯和高纯度甘油锌的新工艺。用分次投料一锅煮的方式，在同一反应器中先后合成甘油锌和甘油碳酸酯，用甘油锌催化甘油碳酸酯的合成，用甘油碳酸酯促进氧化锌的彻底转化，将甘油锌全溶于反应液中，得到澄清透明的反应液。反应结束后加入沉淀剂使甘油锌析出，再经洗涤等处理，可得到纯度达到98％的高纯度甘油锌。液体经分离，可得到纯度达到97％以上的甘油碳酸酯，且未反应的甘油经分离后可循环回用。本联产工艺在确保获得药用级高纯度产品的同时，减少了生产步骤，降低了成本，具有广阔的应用前景。

Description

一种可实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺

技术领域

本发明属于有机物制备技术领域，具体地讲是属于一种可实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺。

背景技术

甘油锌是一种精细化学品，呈白色的润滑性粉末，极难溶于水。在医药卫生、热稳定剂、化妆品中有广泛的用途。目前甘油锌用于橡胶、塑料、PVC树脂、塑料等作为热稳定剂，效果良好。国外对于甘油锌的动物实验及临床应用的实验表明，甘油锌可抗关节炎，抗胃溃疡，抑菌，及透皮吸收作为缓释补锌等等多种药物用途。

专利CN102093165A报导，需在高压反应釜中反应18h才可得到约91％产率的甘油锌；专利CN101704721报导，需将醋酸锌甘油置于微波炉微波反应，虽然反应时间短，也避免了高温高压，但微波反应目前反应机理未得到学术界一致认同，反应结果也具有不确定和不稳定性；专利CN101372355报导，将无水醋酸锌分散在甘油中，将石英管置于管式炉中加热，反应后冷却，水洗，离心可得到甘油锌，但此生产过程中使用醋酸锌，原料成本高，并且产品后期的处理用到了有毒溶剂，产品分离过程不够环保。目前甘油锌合成的反应条件苛刻，且纯度均达不到98％以上。

甘油碳酸酯是用甘油进行碳回收的产物，可用作汽油稳定剂、溶剂和反应中间体。甘油碳酸酯脱除一分子二氧化碳得到缩水甘油，是潜在的作为合成医药、农药的中间体。此外，由于甘油碳酸酯的低毒性、低蒸发压、无易燃性，及优良的生物降解性和润湿性，甘油碳酸酯是很好的化妆品保湿剂和药物载体溶剂及乳化剂。

甘油碳酸酯的合成方法很多，有光气法、羰化法、酯交换法、氨酯法等。其中氨酯法由于是通过尿素与甘油在催化剂的作用下直接反应生成甘油碳酸酯。尿素作为与甘油反应，反应条件温和，反应产率高，且反应后副产的氨气可被用作原料与二氧化碳再去合成尿素，从而形成一个以氨为中间媒介的回收二氧化碳的反应体系，具有极大的意义。其合成反应过程可表示如下：

但以与甘油锌联产的方式生产甘油碳酸酯的生产技术和工艺，国内外迄今尚未见任何报道。

发明内容

本专利涉及一种环境友好的，以一锅煮的方式进行的，相对廉价的，高产率的，甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺。更为独特的是，它涉及一种经过改进的工艺，这种工艺在同一反应器中先后合成甘油锌和甘油碳酸酯，用甘油锌催化甘油碳酸酯的合成，用甘油碳酸酯促进氧化锌的彻底转化，将甘油锌全溶于反应液中，得到澄清透明的反应液。随后用沉淀剂将甘油锌从反应液中分离出来，然后再通过模拟移动床连续色谱分离或多塔精馏，确保另一反应产物甘油碳酸酯与过剩的反应原料等其他组分的彻底分离，在不采用中和、水系等工艺步骤的前提下，得到高纯度的甘油锌和甘油碳酸酯产品，同步实现过剩反应原料以及催化剂等其他组分的循环回用。按照本专利进行操作，与此前的传统方法相比，能够同时获得甘油碳酸酯和高纯度甘油锌两种产品，且工艺简单，操作方便，反应条件温和，原料、产品及所用溶剂全部无毒无害。如采用模拟移动床色谱分离，可以经济可行的方法连续分离纯化，使原料的转化率、产品的收率以及产品纯度均提高到97％以上的水平，使生产成本大幅度降低，避免因中和和水洗而造成的原辅材料的不合理消耗和浪费，彻底杜绝废水和废渣的产生，实现甘油锌和甘油碳酸酯生产的废水废渣零排放。以上这些改进对于涉及环境污染的化学合成而言是至关重要的。

本发明的最重要的目的之一，就是要获得药用级高纯度甘油锌和药用级高纯度甘油碳酸酯，以确保产品的使用安全。

作为一个顺带的结果，本发明的另一个目的，是要实现相关产品生产的废水废渣的零排放，实现甘油锌和甘油碳酸酯的环境友好型生产。

具体来说，首先，我们发现，以氧化锌和甘油为原料，在路易斯碱催化下，反应生成的甘油锌可以不经分离纯化、直接用作以尿素和甘油为原料反应生成甘油碳酸酯的催化剂，且所生成的甘油碳酸酯又因其优良的溶解性能，通过不断的将甘油锌溶解在反应液中，反过来促进氧化锌向甘油锌的彻底转化，使其转化率达到100％。整个过程可在同一反应器中完成，起始反应混合物的调配方法可以是将氧化锌、甘油、尿素、路易斯碱全部一次性添加完毕，也可以是先添加氧化锌、路易斯碱和甘油，待第一步反应结束后再将尿素加入，或是先添加氧化锌、路易斯碱和部分甘油，待第一步反应结束后再将尿素和其余部分的甘油加入等多种方式，由此奠定了采用一锅煮法实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的基础。

其次，我们发现，以甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、丁酮、戊酮、己烷、环己烷等有机溶剂中的一种或几种的组合为沉淀剂，可使甘油锌自反应液中沉淀析出，得到纯度达到98％的药用级高纯度甘油锌。析出甘油锌后的液体混合物中的甘油碳酸酯，在以甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、环己烷、正己烷中的一种或几种为洗脱剂，以硅胶、活性炭或离子交换树脂为吸附剂的模拟移动床色谱分离系统中，可跟甘油和混合物中的其他成分彻底分离，得到纯度达到97％的反应产物。并且所用路易斯碱，连同过量尿素和甘油，可以不经任何处理，直接循环回用。如果采用多塔精馏方式分离加入沉淀剂的液体混合物，由于甘油碳酸酯和甘油及其他副产物沸点相差较大，故可容易减压精馏分离。由此奠定了甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产生产工艺的环境友好化的基础。

我们发现，所述混合物的组成为：氧化锌∶甘油∶尿素∶路易斯碱＝1∶1～70∶10～60∶0～0.25，最好是1∶3～49∶26～40∶0～0.12。其中的路易斯碱可以是草酸、苯甲酸、水杨酸、酒石酸、碳酸、乙酸的钠盐、钾盐、钙盐及相应的水合物、硫酸锌、乙酸锌、锌铵络合离子等锌盐中的一种或几种的组合，可以是游离的，也可以是以附着在其他载体上的形式存在的。所述混合物的调配方法可以是将全部配料一次性添加完毕，也可以是先添加氧化锌、路易斯碱和甘油，待第一步反应结束后再将尿素加入，或是先添加氧化锌、路易斯碱和部分甘油，待第一步反应结束后再将尿素和其余部分的甘油加入。第一步反应在常压，80～280℃，最好是130～160℃，的条件下进行，反应时间应控制在0.5～10hrs，最好是1.5～3.5hrs。第二步反应在0～30kPa，80～180℃，最好是0～10kPa，130～160℃，的条件下进行，反应时间应控制在0.5～9hrs，最好是3～5hrs。沉淀剂可以是甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、丁酮、戊酮、己烷、环己烷等有机溶剂中的一种或几种的组合。固液分离可以以过滤的方式进行，也可以以离心分离或是沉降等其他方式进行。过滤可以用加压过滤机、真空过滤机类目下中的任何一种过滤机械进行。离心分离可以用间歇式过滤离心机、连续式过滤离心机、管式离心机、碟片式离心机类目下中的任何一种离心机械进行。沉降可以用三足式沉降离心机、螺旋卸料沉降离心机中的任何一种沉降机械进行。去除剂可以是水，也可以是甲醇、乙醇、丙酮或其他任何可以溶解路易斯碱和尿素，但不会溶解甘油锌的溶剂。分离处理可以是常减压多塔精馏，也可以是模拟移动床色谱分离。模拟移动床色谱分离所使用的吸附剂可以是硅胶，也可以是活性炭或离子交换树脂。所使用的洗脱剂可以是甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、环己烷、正己烷等有机溶剂中的一种或几种的组合。回收溶剂过程可以是蒸发、蒸馏、精馏、闪蒸或任何其他回收溶剂的工艺过程。

本发明中所提及的所有重要参数全部最优化后氧化锌的转化率可达到100％，甘油碳酸酯的转化率亦可提高至80％以上。甘油锌产品的纯度可达98％，甘油碳酸酯产品的纯度可提高至97％(色谱纯度)以上。

具体实施方式

下面的实例将具体说明本发明的操作方法，但不能作为对本发明的限定。

实例一

取5.00g固体氧化锌于三口烧瓶中，加入0.8g醋酸钠作为催化剂，40g甘油，在170℃，300r/min搅拌下反应2小时。反应结束后经醇洗干燥，取样测定固体中甘油锌的含量，此时粗甘油锌纯度为62.78％。

实例二

取5.00g固体氧化锌于三口烧瓶中，加入0.6g硫酸锌作为催化剂，40g甘油，在150℃，300r/min搅拌下反应2小时。反应结束后经醇洗干燥，取样测定固体中甘油锌的含量，此时粗甘油锌纯度为86.09％。

实例三

取5.00g固体氧化锌于三口烧瓶中，加入0.8g无水碳酸钠作为催化剂，50g甘油，在180℃，300r/min搅拌下反应2小时。反应结束后经醇洗干燥，取样测定固体中甘油锌的含量，此时粗甘油锌纯度为87.68％。

实例四

取5.00g固体氧化锌于三口烧瓶中，加入0.5g硫酸锌作为催化剂，40g甘油，在160℃，300r/min搅拌下反应3小时。反应结束后经醇洗干燥，取样测定固体中甘油锌的含量，此时粗甘油锌纯度为91.95％。

实例五

取7.83g尿素，10.00g甘油，0.06g无水碳酸钠，取0.50g粗甘油锌为催化剂，在160℃，10kPa，300r/min搅拌下反应6小时。得到淡黄色澄清透明黏状液体。反应结束后自然冷却至室温，加入甲醇沉淀甘油锌，甘油锌经过滤醇洗干燥，取样检测，此时甘油锌纯度为98.31％；液体经气相检测，甘油碳酸酯含量为70.76％。

实例六

取9.13g尿素，10.00g甘油，0.09g无水碳酸钠，取0.80g粗甘油锌为催化剂，在120℃，5kPa，300r/min搅拌下反应3小时。得到无色不透明黏状悬浮液体。反应结束后自然冷却至室温，加入乙醇沉淀甘油锌，甘油锌经过滤醇洗干燥，取样检测，此时甘油锌纯度为94.54％；液体经气相检测，甘油碳酸酯含量为36.33％。

实例七

取5.21g尿素，10.00g甘油，0.06g无水碳酸钠，取0.50g粗甘油锌为催化剂，在180℃，7kPa，300r/min搅拌下反应1.5小时。得到深黄色澄清透明黏状液体。反应结束后自然冷却至室温，加入丙酮沉淀甘油锌，甘油锌经过滤醇洗干燥，取样检测，此时甘油锌纯度为98.77％；液体经气相检测，甘油碳酸酯含量为64.93％。

实例八

取5.00g固体氧化锌于三口烧瓶中，加入0.61g无水碳酸钠作为催化剂，30g甘油，在140℃，300r/min搅拌下反应2.5小时。反应结束后在原反应容器中再加入175g甘油，156g尿素，在300r/min，150℃，4kpa下继续反应5小时，得到淡黄色澄清透明黏状液体。反应结束后自然冷却至室温，加入丙酮，产物固液分层，过滤，滤饼用乙醇洗涤并烘干得到甘油锌产品，经检测纯度为98.52％，液体经气相检测，甘油碳酸酯含量为79.93％。

实例九

取5.00g固体氧化锌于三口烧瓶中，加入0.61g无水碳酸钠作为催化剂，200g甘油，在150℃，300r/min搅拌下反应3小时。反应结束后在原反应容器中再加入150g尿素，在300r/min，145℃，4kpa下继续反应4小时，得到淡黄色澄清透明黏状液体。反应结束后自然冷却至室温，加入甲醇，产物固液分层，过滤，滤饼用甲醇洗涤并烘干得到甘油锌产品，经检测纯度为98.79％，液体经气相检测，甘油碳酸酯含量为82.37％。

实例十

取5.00g固体氧化锌于三口烧瓶中，加入0.82g苯甲酸钠作为催化剂，180g甘油，180g尿素，在145℃，300r/min搅拌下反应2小时。反应结束后在拉真空至4kpa，继续反应4小时，得到深黄色澄清透明黏状液体。反应结束后自然冷却至室温，加入丙酮，产物固液分层，过滤，滤饼用甲醇和丙酮洗涤并烘干得到甘油锌产品，经检测纯度为97.87％，液体经气相检测，甘油碳酸酯含量为56.37％。

实例十一

第二步反应混合液经加入甲醇沉淀剂及固液分离操作后的甲醇液体混合物，加入二氯甲烷，配置成体积比甲醇∶二氯甲烷＝1∶4的溶液体系，并以硅胶为柱材料，体积比甲醇∶二氯甲烷＝1∶4为洗脱剂，过柱分离。收集前3个柱体积的柱液，回收溶剂，得到甘油碳酸酯，经气相检测纯度为99.1％。

实例十二

第二步反应混合液经加入丙酮沉淀剂及固液分离操作后的丙酮液体混合物，加入环己烷，配置成体积比丙酮∶环己烷＝2∶1的溶液体系，并以硅胶为柱材料，体积比丙酮∶环己烷＝2∶1为洗脱剂，过柱分离。收集前2个柱体积的柱液，回收溶剂，得到甘油碳酸酯，经气相检测纯度为97.3％。

实例十三

取50.0g固体氧化锌于三口烧瓶中，加入6g无水碳酸钠作为催化剂，300g甘油，在150℃，300r/min搅拌下反应3小时。反应结束后取样测定甘油锌含量，此时粗甘油锌纯度为88.62％；在原反应容器中再加入1800g甘油，1500g尿素，在300r/min，140℃，3kpa下继续反应4小时，得到淡黄色澄清透明黏状液体。加入5000mL丙酮，2500mL环己烷，产物固液分层。过滤，滤饼用乙醇洗涤并烘干得到甘油锌产品，经检测纯度为98.46％，洗涤液回收乙醇得到尿素和碳酸钠，继续作为原料投入下一批次的反应。滤液打入模拟移动床色谱分离体系中，以丙酮∶环己烷体积比2∶1为洗脱剂，收集前2个柱体积的柱液，回收溶剂，得到甘油碳酸酯，经气相检测纯度为98.6％。收集第3～4柱体积柱液，回收溶剂重复循环利用。加入2倍柱体积甲醇冲洗模拟移动床色谱柱，回收甲醇得到未反应的甘油，继续作为原料投入下一批次的反应。

Claims (4)

1.一种可实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺，该工艺由下列步骤组成：

1)先添加氧化锌、路易斯碱和甘油，亦或是先添加氧化锌、路易斯碱和部分甘油，让混合物中的甘油和氧化锌在路易斯碱催化下进行反应，生成甘油锌和水，形成第一步反应混合物；待第一步反应结束后再将尿素加入或待第一步反应结束后再将尿素和其余部分的甘油加入；让混合物中的甘油和尿素在甘油锌催化下进行反应，并将所生成的氨，连同第一步反应中所生成的水，及时移除，单独收集，得到含有甘油碳酸酯、甘油锌、甘油、尿素、路易斯碱及其他副产物的第二步反应混合物；所述的路易斯碱为碳酸钠；所述混合物的组成为：氧化锌:甘油:尿素:路易斯碱＝1:3～49:26～40:0～0.12；第一步反应在常压，130～160℃的条件下进行，反应时间应控制在1.5～3.5hrs；第二步反应在0～10kPa，130～160℃，的条件下进行，反应时间应控制在3～5hrs；

2)向第二步反应混合物中加入沉淀剂，使其中所含的尿素、甘油锌和路易斯碱析出，经固液分离，得到由甘油碳酸酯、甘油及其它副产物组成的液体混合物和由甘油锌、尿素和路易斯碱组成的固体混合物；所述的沉淀剂选自甲醇、乙醇、丙酮、环己烷中的一种或几种的组合；

3)固体混合物在脱除沉淀剂后，用去除剂进行处理，去除路易斯碱和尿素，然后脱除去除剂，得到甘油锌产品；所述的去除剂选自水、甲醇、乙醇、丙酮或其他任何可以溶解所述的路易斯碱和尿素，但不会溶解甘油锌的溶剂；

4)含有路易斯碱和尿素的去除剂溶液回收去除剂，循环回用，所得路易斯碱和尿素也循环回用；

5)液体混合物经常减压多塔精馏或模拟移动床色谱分离处理，回收沉淀剂，得到甘油碳酸酯、甘油和其他副产物，沉淀剂和甘油循环使用，甘油碳酸酯和其他副产物作为产品出售。

2.如权利要求1所述的可实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺，其特征在于固液分离以过滤、离心分离或是沉降方式进行，过滤用加压过滤机、真空过滤机类目下中的任何一种过滤机械进行，离心分离用间歇式过滤离心机、连续式过滤离心机、管式离心机、碟片式离心机类目下中的任何一种离心机械进行，沉降用三足式沉降离心机、螺旋卸料沉降离心机中的任何一种沉降机械进行。

3.如权利要求1所述的可实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺，其特征在于所述的模拟移动床色谱分离所使用的吸附剂为硅胶、活性炭或离子交换树脂，所使用的洗脱剂选自甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、二氯甲烷、环己烷或正己烷中的一种或几种的组合。

4.如权利要求1所述的可实现甘油碳酸酯与高纯度甘油锌联产的生产工艺，其特征在于回收溶剂过程选自蒸发、蒸馏、精馏、闪蒸或任何其他回收溶剂的工艺过程。