CN104174436A - 磺酸钡催化剂及其在合成d,l-对羟基苯海因中的应用 - Google Patents

磺酸钡催化剂及其在合成d,l-对羟基苯海因中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磺酸钡催化剂及其在合成D,L-对羟基苯海因中的应用,属于催化剂技术领域。一种磺酸钡催化剂,是将有机的两性离子型磺酸钠与氯化钡混合加入超声波反应釜中,在400W反应3小时,反应完成后经离心收集沉淀物,将沉淀物悬浮于水中,调节浓度至0.1摩尔/升,搅拌、陈化,离心、低温干燥后得到的。本发明催化剂粒度稳定,可显著提高D,L-对羟基苯海因的产率,对反应设备的腐蚀性低,易于回收,可重复使用。

Description

磺酸钡催化剂及其在合成 D,L- 对羟基苯海因中的应用
技术领域
本发明属于催化剂及其应用技术领域,涉及磺酸钡催化剂及其在合成D,L-对羟基苯海因中的应用。
背景技术
D,L-对羟基苯海因是白色粉末,微溶于水,别名为5-对羟基苯基乙内酰脲,分子式为C9H8N2O3,相对分子量为192.17。D,L-对羟基苯海因是生产D-对羟基苯甘氨酸的中间体,用于生产羟氨苄青霉素、头孢菌素等的重要医药中间体,同时是合成β - 内酰胺类半合成抗生素的侧链,用于生产广谱抗菌、方便使用的阿莫西林等抗生素药物。
在20世纪90年代前期,D,L-对羟基苯海因的需求量较少,但是随着世界医药工业的发展和市场对手性药物需求的日益增长,其用量也在逐渐增长。中国是世界上D,L-对羟基苯海因产量最大的生产国,2013年底共建成年产500吨以上规模企业16家。工业上采用乙醛酸、苯酚和尿素制备D,L-对羟基苯海因,反应温度在60 ˚C,总周期20小时,收率为60%-65%(以乙醛酸摩尔计算)。该工艺具有能耗大,蒸汽用量多,三废高,反应中产生大量挥发性酸、NOx的缺陷。同时,从20%产品浓缩成40%产品时产生1.5-2 m3浓缩水,浓缩水中含有大量的苯酚,循环利用工艺复杂。采用3%-5%盐酸、硫酸或硝酸的稀溶液作为合成D,L-对羟基苯海因的催化剂,存在催化活力低、排污严重,且催化剂重复利用的工艺复杂的缺点。
中国专利CN201010267826.6,一种合成D,L-对羟基苯海因的方法,是在反应液中加入硫酸铵作为D,L-对羟基苯海因的合成催化剂,用量为反应物总重量的5%-7%,反应时释放的气味较少,环境污染低,有效减少对操作人员的危害。但是,反应得到的D,L-对羟基苯海因产品的纯度较低,产品中混合约5% 不易拆分的外消旋对羟基苯甘氨酸;此外,催化剂难以重复利用。
催化剂选择是D,L-对羟基苯海因高效合成和降低生产成本的重要技术条件,同时,催化剂与原料的反应速率也是影响反应周期的关键制约因素。因此,开发具有催化活性高、表面性能稳定、强度大、原料亲和力高、低毒且无设备腐蚀性、易分离和重复利用的新型催化剂是工业制备D,L-对羟基苯海因亟待解决的技术热点。
发明内容
本发明的目的是提供磺酸钡催化剂及其在合成D,L-对羟基苯海因中的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种磺酸钡催化剂,是将有机的两性离子型磺酸钠与氯化钡混合加入超声波反应釜中,在400W反应3小时,反应完成后经离心收集沉淀物,将沉淀物悬浮于水中,调节浓度至0.1摩尔/升,搅拌、陈化,离心、低温干燥后得到的。
进一步,所述的有机的两性离子型磺酸盐为对甲苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十六烷基三甲基胺对甲苯磺酸钠、或者十六烷基磺基苯氧基苯磺酸钠。
所述的有机的两性离子型磺酸盐与氯化钡的摩尔比为1:1或者2:1,有机的两性离子型磺酸盐的原始浓度为0.1摩尔/升,反应温度18~22˚C。
所述的搅拌速率为60转/分,搅拌时间为10分,陈化时间30分,重复3次,可以保证催化剂产品收率在64.08%~89.2%。
本发明还公开了上述催化剂在D,L-对羟基苯海因合成中的应用。
本发明还公开了一种上述催化剂在D,L-对羟基苯海因合成中的应用方法,步骤为:
(1)在苯酚过量的无溶剂体系中加入催化剂、尿素、乙醛酸,催化剂用量为体系总重量的6%,其中,尿素、乙醛酸和苯酚的重量比为1:1:3;
(2)在50~55℃条件下超声反应12-18h,将反应所得物装入离心罐,离心取下层沉淀物,上清液为剩余苯酚;
(3)将沉淀物加入到pH=2的硫酸溶液中酸化处理,50℃水浴加热一小时,继续离心,收集上清液,下层沉淀物为催化剂;
(4)上清液用稀氢氧化钠调到pH=5,50℃水浴加热30分钟,浓缩后低温析出白色粉末,离心、冷冻干燥即得D,L-对羟基苯海因。
进一步地,所述的超声功率为400 W,超声时间间隔为工作10秒停10秒。
所述的剩余苯酚补液、补加乙醛酸和尿素,再将催化剂重复投料,超声反应,用于制备后续批次的D,L-对羟基苯海因产品。
将通过上述方法合成的D,L-对羟基苯海因以乙醛酸的量计算,D,L-对羟基苯海因的产品收率在68.2%~91.8%。图2为D,L-对羟基苯海因的红外光谱图,从图中可以看出, 1600cm-1,1580cm-1,1500cm-1,1450cm-1为苯环的C=C骨架振动,3400~3200cm-1为-OH(缔合)的伸缩振动频率,1850~1600cm-1为-C=O的双键伸缩振动区,1050cm-1为C—N键吸收峰。
图3为D,L-对羟基苯海因的液相分析结果,从图中可以看出,峰6.90min,流出峰2.91min为苯酚,产品纯度按液相测定结果在99.1%~99.5%之间。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)依据本发明方法制得的催化剂粒度稳定,颗粒大小在0.086-0.12微米,催化剂表面特性增加了对原料的亲和力,过渡反应的活化能降低,反应速率加快;
(2)完成反应耗时少,在12-18小时内,D,L-对羟基苯海因产率提高到68.2%-91.8%,与现有产率60%-65%相比,产品转化率显著提高;
(3)本发明催化剂降低了对反应设备的腐蚀,延长了设备使用寿命;
(4)通过无溶剂体系降低了污染排放,催化剂易回收,可重复使用,且催化剂使用寿命长达150小时,可明显降低生产成本;
(5)合成D,L-对羟基苯海因时采用了超声工艺,反应温度低,能耗低,产品的合成速率快,降低了反应温度。
附图说明
图1为制备本发明催化剂的化学反应式;
图2为D,L-对羟基苯海因的红外光谱图;
图3为D,L-对羟基苯海因的液相分析结果。
具体实施方式
实施例1
将对甲苯磺酸钠、氯化钡加入超声波反应釜中,控制对甲苯磺酸钠初始浓度0.1摩尔/升,室温超声反应,冷凝水循环控制体系温度,在400W条件下反应3小时,将反应所得物装入离心罐,离心取下层沉淀物,将沉淀物悬浮于水中,调节表观浓度0.1摩尔/升,搅拌、陈化后,离心、低温干燥得催化剂1产品。
化学反应式如图1为所示,催化剂1产品收率89.2%,分子式C14H14O6S2Ba1,白色球形颗粒、粒径0.1 ± 0.02微米,不溶于水、苯酚,元素分析:C 35.03%,H 2.92%,O 20.06%。
实施例2
将十二烷基苯磺酸钠和氯化钡,加入超声波反应釜中,加水调制十二烷基苯磺酸钠的初始浓度0.1摩尔/升,20˚C下超声反应,冷凝水循环控制体系温度,在400W超声的条件下反应3小时,将反应所得物装入离心罐,离心取下层沉淀物,将沉淀物悬浮于水中,调节表观浓度0.1摩尔/升,搅拌、陈化后,离心、低温干燥得催化剂2产品,称重计算收率。
催化剂2产品收率86.7%,分子式C36H58O6S2Ba1,白色球形颗粒、粒径0.098 ± 0.003微米,不溶于水、苯酚,元素分析:C 54.82%,H 7.48%,O 12.22%。
实施例3
将十六烷基磺酸钠和氯化钡,加入超声波反应釜中,加水调节十六烷基磺酸钠的初始浓度为0.1摩尔/升,超声反应,冷凝水循环,控制体系温度,反应3小时后将反应所得物装入离心罐,离心取下层沉淀物,将沉淀物悬浮于水中,调节表观浓度0.1摩尔/升,搅拌、陈化后,离心、低温干燥得催化剂3产品,称重并计算收率。
催化剂3产品收率76.74%,分子式C32H66O6S2Ba1,白色球形颗粒、粒径0.088 ± 0.013微米,不溶于水、苯酚,元素分析:C 51.16%,H 8.92%,O 12.88%。
实施例4
将十六烷基三甲基胺对甲苯磺酸钠和氯化钡,加入超声波反应釜中,加水调节使十六烷基三甲基胺对甲苯磺酸钠的初始浓度达到0.1摩尔/升,超声反应,冷凝水循环,控制体系温度,400W超声(超10秒停10秒)条件下反应3小时,将反应所得物装入离心罐,离心取下层沉淀物,将沉淀物悬浮于水中,调节浓度,搅拌、陈化后,离心后低温干燥得催化剂4产品,称重并计算收率。
催化剂4产品收率74.46%,分子式C52H98O6N2S2Ba1,白色球形颗粒、粒径0.086 ± 0.01微米,不溶于水、苯酚,元素分析:C 59.35%,H 9.28%,O 9.18%, N 2.56%。
实施例5
将十六烷基磺基苯氧基苯磺酸钠、氯化钡加入超声波反应釜中,控制十六烷基磺基苯氧基苯磺酸钠初始浓度等于0.1摩尔/升,室温超声反应,冷凝水循环控制体系温度,在400W条件下反应3小时,将反应所得物装入离心罐,离心取下层沉淀物,将沉淀物悬浮于水中,调节表观浓度0.1摩尔/升,搅拌、陈化后,离心、低温干燥得催化剂5产品。
催化剂5产品收率64.08%,分子式C28H42O7S2Ba1,白色球形颗粒、粒径0.12 ± 0.02微米,不溶于水、苯酚,元素分析:C 48.53%,H 6.12%,O 16.16%。
实施例6
由尿素、乙醛酸、苯酚 “一锅法”合成D,L-对羟基苯海因,在苯酚过量的无溶剂体系中加入催化剂,催化剂用量为体系总重量的6%,其中,尿素、乙醛酸和苯酚的重量比为1:1:3。
取20克尿素、20克固体乙醛酸、6克催化剂、60毫升苯酚溶液在50-55℃、超声反应12-18h,间断取样,用高效液相色谱仪测定,反应结束后处理产品,并计算催化剂的初始活力;将反应所得物装入离心罐,离心取下层沉淀物,上清液为剩余苯酚。将沉淀物加入到pH=2的硫酸溶液中酸化处理,水浴加热一小时(50℃),继续离心,收集上清液,下层沉淀物为催化剂。上清液用稀氢氧化钠调到pH=5,水浴加热30分钟(50℃),浓缩后低温析出白色粉末,即为D,L-对羟基苯海因,离心、冷冻干燥得D,L-对羟基苯海因产品。剩余苯酚补液、补加乙醛酸和尿素,再将催化剂重复投料,超声反应,用于制备后续批次的D,L-对羟基苯海因产品。
以乙醛酸的量计算,D,L-对羟基苯海因的产品收率在68.2%-91.8%,其中以对甲苯磺酸钠为催化剂,催化D,L-对羟基苯海因的收率为88.4%,以十二烷基苯磺酸钠为催化剂,催化D,L-对羟基苯海因的收率为91.8%,以十六烷基磺酸钠为催化剂,催化D,L-对羟基苯海因的收率为68.2%2,以十六烷基三甲基胺对甲苯磺酸钠为催化剂,催化D,L-对羟基苯海因的的收率为77.0%,以十六烷基磺基苯氧基苯磺酸钠为催化剂,催化D,L-对羟基苯海因的收率为86.5%。
D,L-对羟基苯海因的红外吸收谱图:1600cm-1,1580cm-1,1500cm-1,1450cm-1为苯环的C=C骨架振动,3400~3200cm-1为-OH(缔合)的伸缩振动频率,1850~1600cm-1为-C=O的双键伸缩振动区,1050cm-1为C—N键吸收峰。
以对甲苯磺酸钠为原料制备的催化剂的活力U(微摩尔/克·小时)为3316.5,以十二烷基苯磺酸钠为原料制备的催化剂的活力U(微摩尔/克·小时)为3061.4,以十六烷基磺酸钠为原料制备的催化剂的活力U(微摩尔/克·小时)为2093.2,以十六烷基三甲基胺对甲苯磺酸钠为原料制备的催化剂的活力U(微摩尔/克·小时)为2311.1,以十六烷基磺基苯氧基苯磺酸钠为原料制备的催化剂的活力U(微摩尔/克·小时)为2163.5。

Claims (7)

1.一种磺酸钡催化剂,其特征在于,是将有机的两性离子型磺酸钠与氯化钡混合加入超声波反应釜中,在400W反应3小时,反应完成后经离心收集沉淀物,将沉淀物悬浮于水中,调节浓度至0.1摩尔/升,搅拌、陈化,离心、低温干燥后得到的。
2.根据权利要求1所述的催化剂,其特征在于,所述的有机的两性离子型磺酸盐为对甲苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十六烷基三甲基胺对甲苯磺酸钠、或者十六烷基磺基苯氧基苯磺酸钠。
3.根据权利要求1或2所述的催化剂,其特征在于,所述的有机的两性离子型磺酸盐与氯化钡的摩尔比为1:1或者2:1,有机的两性离子型磺酸盐的原始浓度为0.1摩尔/升,反应温度18~22˚C。
4.根据权利要求1或2所述的催化剂,其特征在于,所述的搅拌速率为60转/分,搅拌时间为10分,陈化时间30分,重复3次。
5.权利要求1所述的催化剂在D,L-对羟基苯海因合成中的应用。
6.一种权利要求1所述的催化剂在D,L-对羟基苯海因合成中的应用方法,其特征在于,步骤为:
(1)在苯酚过量的无溶剂体系中加入催化剂、尿素、乙醛酸,催化剂用量为体系总重量的6%,尿素、乙醛酸和苯酚的重量比为1:1:3;
(2)在50~55℃条件下超声反应12-18h,将反应所得物装入离心罐,离心取下层沉淀物,上清液为剩余苯酚;
(3)将沉淀物加入到pH=2的硫酸溶液中酸化处理,50℃水浴加热一小时,继续离心,收集上清液,下层沉淀物为催化剂;
(4)上清液用稀氢氧化钠调到pH=5,50℃水浴加热30分钟,浓缩后低温析出白色粉末,离心、冷冻干燥即得D,L-对羟基苯海因。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述的超声功率为400 W,超声时间间隔为工作10秒停10秒。
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