CN105636988B

CN105636988B - 酰化方法

Info

Publication number: CN105636988B
Application number: CN201480055711.7A
Authority: CN
Inventors: A.胡梅尔; H-J.埃雷特
Original assignee: Solvay Acetow GmbH
Current assignee: Cerdia Produktions GmbH
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: EP3055334B1; US10889654B2; EP3055334A1; WO2015052255A1; US20160237172A1; JP2016534167A; JP6529967B2; MX2016004511A; CN105636988A

Abstract

本发明涉及用于制造酰化多糖的方法，该方法包括(a)使多糖与酰化剂反应以产生酰化多糖并且(b)用含有从0.05mg/l至15mg/l的Ca²⁺离子的水洗涤该酰化多糖，(c)回收来自步骤(b)的该经洗涤的酰化多糖以及含有羧酸的水相。

Description

酰化方法

本申请要求欧洲申请号13188120.3的优先权，出于所有的目的将此申请的全部内容通过引用结合在此。

酰化多糖，像乙酰化的纤维素或淀粉，是可以在广泛范围的工业应用的聚合物中使用的重要的经处理的可再生原料，用于例如过滤器制造(例如WO 2010017989)、药物(例如WO 9702018)以及光电模块用的聚合物层(例如WO 2012084898)。

用于酰化多糖的常用方法是多糖与酰化剂(例如羧酸酐)的反应，该酰化剂与多糖的羟基官能团反应以形成多糖酯，即酰化多糖。适当地去除在此反应中由该羧酸酐形成的游离酸、以及其他反应物、催化剂、任选使用的溶剂以及所形成的副产物，以便回收该酰化多糖。本发明的目的是提供改进的多糖酰化方法。

WO 01/05839描述了使用表面活性剂、特别地木素磺酸盐从含有乙酸衍生物的溶液中去除有机杂质像半纤维素。这些表面活性剂防止了杂质在膜的浓缩侧的团聚，因此避免滤膜在从水性废物流(来自获得纤维素乙酸酯的过程)中回收乙酸衍生物的过程中积垢。

现在发现，在过滤(例如纳滤或反渗透)来自多糖酰化过程、特别地用乙酸酐乙酰化纤维素的水性废物流以便去除有机杂质例如半纤维素之前，加入木素硫酸盐(lignosulfate)或其他表面活性剂不是必需的，如果在该过程中使用具有低Ca²⁺离子含量的水。因此，本发明涉及用于制造酰化多糖的方法，该方法包括

(a)使多糖与酰化剂反应以产生酰化多糖并且

(b)用含有从0.05mg/l至15mg/l的Ca²⁺离子的水洗涤该酰化多糖，

(c)回收来自步骤(b)的该经洗涤的酰化多糖以及含有羧酸的水相。

根据本发明的方法总体上在基本上或完全不存在表面活性剂下运行。此类表面活性剂试剂可以包括阴离子表面活性剂像木素磺酸盐或烷基(醚)磷酸酯、非离子表面活性剂诸如醇乙氧基化物像辛基苯酚乙氧基化物或十四烷基硫酸钠、阳离子表面活性剂诸如季铵化合物、或两性表面活性剂像亚氨基二丙酸酯。特别地，基本上或完全不存在于根据本发明的方法中的表面活性试剂是木素磺酸盐。

如果使用具有根据本发明的Ca²⁺离子含量的洗涤水，来自该酰化多糖后处理的水溶液可以经受纳滤或反渗透而没有堵塞该纳滤或反渗透膜、或者阻塞用于进一步的过程的其他设备的残留物。溶剂、过量反应物或有价值的副产物如羧酸可以以所希望的纯度(允许值得注意地鉴于其再循环至该酰化过程)被有效地回收。在优选的方法中，含有从10wt.％至40wt.％的乙酸的水溶液(产生自洗涤该纤维素乙酸酯并且经受进一步再循环)可以在进一步使用前被过滤以便去除有机杂质而不堵塞该滤膜，甚至以最高达99％的高体积减小。

术语“多糖的酰化”旨在表示多糖(PS)的游离羟基与酰化剂A形成对应的酰化多糖的反应。具体的多糖对应于式PS(OH)₃并且与酰化剂反应至具有式PS(OH)_3-x(OCOR)_x的酰化多糖。在式PS(OH)_3-x(OCOR)_x中，x表示该多糖中的羟基的DS(取代度)。DS是每单糖团体的酰化羟基的平均量。DS通常是从0.5至3。

根据本发明，R是含有1至18个碳原子的脂肪族或脂环族基团、含有7至12个碳原子的芳代脂肪族基团、含有6至12个碳原子的芳香族基团。R可以任选地被一个或多个卤素，优选地氟，NO₂，苯基，COOR¹，OR¹或被C_1-6脂肪族基团取代的含有从1至12个碳原子的芳香族基团取代。R¹是C₁-C₄烷基，该基团可以任选地被一个或多个卤素、优选氟取代。

本发明还涉及混合的酰化多糖的形成，其中“混合的”旨在表示多于一种酰化剂A存在于该反应中，或者羧酸R’COOH存在于使用(R”CO)₂O的酰化反应中。在一个实施例中，该酰化是用酰化剂(R”CO)₂O在R’COOH的存在下进行的以给出PS(OH)_3-x-y(OCOR’)_x(OCOR”)_y。此外，DS(x+y)通常是从0.5至3。R’和R”彼此独立地表示与以上R相同。

酰化剂A旨在表示能够与该多糖的单糖单元的羟基反应的反应物，由此转移酰基–C(O)R以形成酰化多糖。酰化剂可以是例如羧酸酐(RCO)₂O，其中R是如以上定义的。优选地，R是-C₂H₅、-CH₂CH₂F、-CH₂CHF₂或-CH₂CF₃，意味着这些羧酸酐选自包括以下各项的组：乙酸酐、二氟乙酸酐以及三氟乙酸酐。最优选地，该酰化剂是乙酸酐。其他合适的酰化剂A包括羧酸卤化物或羰基咪唑。该反应可以在至少一种酸性化合物存在下进行。在优选的实施例中，该反应在一种或两种酸性化合物存在下进行。在最优选的实施例中，该反应在两种酸性化合物存在下进行。

这些酸性化合物可以选自下组，该组由有机和无机酸性化合物组成。优选地，这些酸性化合物包括羧酸和无机酸。更优选地，这些酸性化合物包括乙酸、以及优选地选自硫酸、盐酸和硝酸的无机酸。最优选地，该酰化反应在乙酸和硫酸的存在下进行。

在本发明中，术语“多糖”总体上旨在表示包含多个通过糖苷键彼此连接的单糖单元的聚合物。适合的多糖的实例选自葡聚糖，诸如纤维素，纤维素的各种衍生物，诸如甲基纤维素，或混合纤维素醚，诸如甲基羟乙基纤维素、羧甲基纤维素，其与钠、钾、钙或铵离子(特别季铵离子)的不同的盐；含有不同抗衡离子，例如钠、钾、钙、铵和季铵基团的硫酸纤维素；淀粉、糊精、糖原；聚果糖(polyfructosan)，如菊粉和裸麦果糖胶；聚甘露糖(polymannosan)，聚半乳糖(polygalactosan)；混合的多糖，诸如半纤维素、还有聚木糖(polyxylosan)和聚脱水阿拉伯糖(polyarabinosan)以及还有杂多糖，诸如胞外多糖、黄原胶和普鲁兰多糖。优选的起始材料是纤维素和纤维素衍生物、淀粉和糊精，特别优选的起始材料是纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟甲基纤维素以及其盐和淀粉。优选地，该起始材料是纤维素或淀粉。最优选地，该起始材料是纤维素。

在本发明中，该酰化多糖是在包括用水洗涤该酰化多糖的步骤的方法中制造。在此洗涤步骤中，适当地减少杂质、溶剂、过量反应物、过量试剂、副产物以及包含在该酰化多糖中的其他组分的含量。在此步骤中从该酰化多糖中分离出来的杂质包括例如羧酸、无机酸、半纤维素和低级糖如单糖和二糖。在最优选的实施例中，用水洗涤通过使纤维素与乙酸酐在乙酸和硫酸存在下反应制备的纤维素乙酸酯以便去除乙酸、硫酸、半纤维素和任选的其他杂质。在本发明的某一方面，在根据本发明的洗涤步骤中使用的水含有从等于或大于0.5mg/l的Ca²⁺离子。在本发明的另一个方面，该Ca²⁺离子含量是等于或大于0.1mg/l。在本发明的优选的方面，该Ca²⁺离子含量是等于或大于0.05mg/l。总体上，存在于水相中的Ca²⁺离子浓度是等于或低于15mg/l。优选地，存在于水相中的Ca²⁺离子浓度是等于或低于10mg/l。甚至更优选地，在该洗涤水中的Ca²⁺离子含量是等于或低于8mg/l。在最优选的实施例中，在该洗涤水中的Ca²⁺离子含量是从0.05mg/l至5mg/l。根据本发明的方法允许避免钙盐、例如CaSO₄在由该洗涤步骤产生的水相中沉淀。已经发现，通过避免这些沉淀物，在纳滤或反渗透中的水相的进一步处理是有可能的而没有显著的膜堵塞，这样木素硫酸盐或如在WO01/05839中描述的其他表面活性剂的加入不是必需的。

因此，根据本发明的方法总体上在不存在或基本上不存在表面活性剂、特别地木素硫酸盐下运行。

“基本不存在表面活性试剂”应理解为具体地表示该水相中的表面活性试剂的浓度等于或小于150ppm、优选地等于或小于100ppm、并且最优选地等于或低于50ppm。

应注意以沉淀物的形式与Ca²⁺离子形成Ca盐的趋势也是(但不是唯一地)取决于该水相中所存在的与这些Ca²⁺-离子形成盐的阴离子的量。总体上，存在于根据本发明的水相中的阴离子的量是使得不超过由Ca²⁺离子和阴离子构成的一种或多种Ca盐在该水相中的溶度积。

总体上，存在于该水相中的阴离子浓度是等于或大于10mg/l。经常地，这个浓度是等于或大于100mg/l。优选地，这个浓度是等于或大于1000mg/l。

总体上，存在于该水相中的阴离子浓度是等于或低于20000mg/l。经常地，这个浓度是等于或低于18000mg/l。优选地，这个浓度是等于或低于16000mg/l。

上述存在于该水相中与Ca²⁺离子形成盐的阴离子可以产生自总体上存在于该酰化过程中的酸性化合物。优选地，这些阴离子包含SO₄ ^2-、OH^-、CO₃ ^2-、HCO₃ ^2-、PO₄ ^3-。更优选地，存在于该水相中的阴离子是SO₄ ^2-。

在本发明的优选实施例中，从该洗涤步骤中回收的水相经常包括羧酸RCOOH、R’COOH和/或R”COOH。R、R’和R”是如以上定义的。最优选地，纤维素是用乙酸酐在硫酸和乙酸存在下乙酰化的，并且因此，该水相包含乙酸。在该水相包含羧酸RCOOH、R’COOH和/或R”COOH的情况下，这些羧酸RCOOH、R’COOH和/或R”COOH在回收自根据本发明的洗涤步骤的水相中的浓度总体上相对于该水相的总重量是从1wt.％至70wt.％。优选地，这些羧酸在所述水相中的浓度是从5wt.％至50wt.％。从10wt.％至40wt.％的在该水相中的羧酸RCOOH、R’COOH和/或R”COOH浓度是更特别优选的。

其他溶剂，反应物或试剂也可以用于根据本发明的酰化方法中，诸如有机溶剂像二氯甲烷或甲苯。

在本发明的优选实施例中，该水相经受至少一个纳滤或反渗透步骤。在该纳滤或反渗透步骤中使用的膜通常具有对于有机分子的特定的截留能力。

“特定的截留能力”在本发明的意义上，以g/mol表示，应理解为是指被通过纳滤或反渗透基本上截留的有机分子的分子量下限。“基本上截留的”在此上下文中应理解为是指至少90wt.％、优选地至少95wt.％、更优选地至少99wt.％。尽管99.5％的具有高于该特定截留能力的分子量的有机分子被纳滤或反渗透膜截留。

在本发明中，所使用的纳滤或反渗透膜的特定的截留能力是从大于100g/mol至大于300g/mol。因此，在纳滤或反渗透后具有从大于100g/mol至大于300g/mol的分子量的分子的量在该纯化的水相(又称为“渗透物”)中显著降低。具有从等于或低于100g/mol至等于或低于300g/mol的分子量的有机分子总体上通过该纳滤或反渗透膜。

根据本发明可以使用的膜的实例包括Filmtec BW30(陶氏化学公司(DowChemical))、ESPA1(海德能公司(Hydranautics))、XLE(Filmtec)、ACM4TSA(Trisep)、DesalDK(莫尼斯德萨尔公司(Osmonics DESAL))、Desal DL(莫尼斯德萨尔公司)、以及AK1(莫尼斯德萨尔公司)。最优选地，这些膜选自Filmtec BW30(陶氏化学公司)、ESPA1(海德能公司)、XLE(Filmtec)、Desal DK(莫尼斯德萨尔公司)、Desal DL(莫尼斯德萨尔公司)和AK1(莫尼斯德萨尔公司)。

在根据本发明的纳滤或反渗透步骤中，具有从大于100g/mol至大于300g/mol的分子量的有机分子的含量，取决于所使用的膜以及截留的分子的离子电荷，在该渗透物中降低。优选地，具有从大于100g/mol至大于300g/mol的分子量的杂质的量，取决于所使用的膜，降低了等于或大于90wt.％。更优选地，该降低等于或大于95wt.％。最优选地，该降低等于或大于99wt.％、尽管99.5wt.％。颗粒杂质也可以通过纳滤或反渗透膜截留。其含量在该水相中降低的有机分子可以包括例如半纤维素和酰化的纤维素片段。具有从等于或小于100g/mol至等于或小于300g/mol的分子量的有机分子，取决于使用的膜以及截留的分子的离子电荷，总体上通过该滤膜。渗透物，因此除水之外主要含有该酰化过程的副产物、过量的试剂或反应物，它们具有从等于或小于100g/mol至等于或小于300g/mol的分子量，取决于所使用的膜和截留的分子的离子电荷。优选地，该副产物、溶剂或过量试剂包括RCOOH、R’COOH和/或R”COOH，其中R、R’和R”是如以上定义的。更优选地，在该渗透物中的所希望的副产物、溶剂或过量试剂包括乙酸、二氟乙酸、三氟乙酸。最优选地，在该渗透物中的所希望的副产物、溶剂或过量试剂是乙酸。

适合地，用于该纳滤或反渗透的过滤条件如流量、压力和温度是根据制造商的使用说明书选择的。应该选择这些膜使得所使用的膜在给定的过滤参数如温度下对于包含在该给定的水相中的组分是惰性的。

在该纳滤或反渗透步骤前，该水相可以经受“粗”过滤步骤以去除大颗粒，如砂床过滤、用特殊滤布或烛式过滤元件的深层过滤。在纳滤或反渗透后包含在该水相中的希望的副产物、溶剂或过量试剂可以通过多种方法来回收，如萃取、过滤、干燥或蒸馏、或其他回收和/或纯化方法。优选地，在纳滤或反渗透后包含在该水相中的希望的副产物、溶剂或过量试剂通过萃取和/或蒸馏来回收。出人意料地，可以进行根据本发明的从该渗透物回收和/或纯化副产物、溶剂或过量试剂而不显著堵塞或积垢在该回收和/或纯化过程中使用的设备。

从含有杂质的水相中分离出来的渗透物的体积比率被表示为“体积减小”(缩写为VR)，以vol.％表示。例如，60vol.％的VR表示60％的该水相已经作为渗透物通过该膜。根据本发明，在该过滤步骤中的VR是从40vol.％至99.5vol.％。优选地，该VR是从60vol.％至99.5vol.％。最优选地，该VR是从70vol.％至98vol.％。

在本发明的该优选实施例的具体方面，从该渗透物中以纯化的形式回收羧酸RCOOH、R’COOH和/或R”COOH。这些羧酸的回收可以通过以上描述的技术、特别地通过萃取和/或蒸馏进行。在本发明的该优选实施例的另一个具体方面中，从该渗透物中以纯化的形式回收的羧酸RCOOH、R’COOH和/或R”COOH然后被转化为酰化剂，例如像对应的羧酸酐、羧酰氯或羰基咪唑。可以进行成为酰化剂的转化，例如通过与氯化剂如SO₂Cl的反应，或者优选地通过热裂解为烯酮并且进一步反应为羧酸酐。更优选地，这些羧酸RCOOH、R’COOH和/或R”COOH被转化为对应的羧酸酐(RCO)₂O、(R’CO)₂O和/或(R”CO)₂O。甚至更优选地，这些回收的羧酸包括乙酸、二氟乙酸和/或三氟乙酸，其被转化成对应的酸酐。最优选地，这些回收的羧酸是乙酸，其被转化成乙酸酐。

可以使用由这些回收的羧酸RCOOH、R’COOH和/或R”COOH制造的酰化剂，例如作为优选地如在此以上描述的多糖的酰化过程中的酰化剂。

若任何通过引用结合在此的专利、专利申请以及公开物的披露内容与本申请的描述相冲突的程度到了可能导致术语不清楚，则本说明应该优先。

以下实例旨在以一种非限制性的方式说明本发明。

实例1

如在A.Hummel，“工业方法(Industrial processes)”，大分子研讨会文集(Macromolecular Symposia)，2004年，卷208(1)，第61-80页中描述的，在乙酸中用硫酸预处理纤维素。然后使该活化的纤维素与乙酸和乙酸酐的混合物在45℃-85℃的温度下反应。在完成反应后，用在水中的60wt.％的乙酸溶液猝灭该反应混合物。用于该水性酸溶液的水的Ca²⁺含量是4.6mg/l。然后将该反应混合物倾倒入含有4.6mg/l的Ca²⁺离子以及16wt.％的乙酸的水中，并且使该纤维素乙酸酯沉淀。用含有4.6mg/l的Ca²⁺离子的水洗涤该沉淀的纤维素乙酸酯并且干燥。来自猝灭、沉淀和洗涤的组合的水相含有约30％的乙酸。用5μm的过滤器过滤该水相并且然后使其经受使用AK4040膜(莫尼斯德萨尔公司)的批式反渗透。实现了96.3％的VR，同时没有观察到渗透物的品质的降低或者该5μm的过滤器的操作压力或者压差的增加，这些将表明膜或过滤器的阻塞。进行了泡沫实验来控制该反渗透的效率：用4份的水稀释1份的渗透物并且摇动。在所有的VR值下在整个反渗透步骤的渗透物的泡沫停留时间是5秒，而在反渗透前该水相的泡沫停留时间是大于300秒，表明有机杂质的有效去除。使该渗透物经受用二乙醚的液/液萃取以及随后的蒸馏来产生冰乙酸。在该萃取和蒸馏过程中，没有观察到该设备堵塞、结壳或积垢。

Claims

1.一种用于制造酰化多糖的方法，该方法包括

(a)使多糖与酰化剂反应以产生酰化多糖，

(b)用含有从0.05 mg/l至15 mg/l的Ca²⁺离子的水淬灭、沉淀并洗涤该酰化多糖，并且

(c)回收来自步骤 (b) 的该经洗涤的酰化多糖以及来自所述淬灭、沉淀和洗涤的合并的含有羧酸的水相，

其中该水相通过纳滤或反渗透处理以回收含有羧酸的渗透物，其中该方法是在基本上不存在表面活性物质下进行的，其中该多糖是纤维素并且其中过滤前该水相含有从5 wt.%至40 wt.%的乙酸、从0.05 mg/l至15 mg/l的Ca²⁺离子以及从10 mg/1至20000 mg/1的SO₄ ^2--离子。

2.如权利要求1所述的方法，其中该酰化剂是乙酸酐。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中步骤 (a) 在至少一种酸性化合物存在下进行。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中步骤 (a) 在至少一种选自由乙酸和硫酸组成的组的酸性化合物存在下进行。

5.根据权利要求1所述的方法，其中该水相进一步包含具有从大于100 g/mol至大于300 g/mol的最小分子量的有机杂质。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中该纳滤或反渗透过滤使用膜来进行，该膜具有过滤具有从大于100 g/mol至大于300 g/mol的分子量的有机杂质的能力。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中体积减小是从50%至99%，其中“体积减小”是指从含有杂质的水相中分离出来的渗透物的体积比率。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述纳滤或反渗透处理在等于或低于150ppm表面活性物质存在下进行。

9.一种用于回收羧酸的方法，该方法包括

(a)进行根据权利要求1至8中任一项所述的方法以提供纯化的含有羧酸的水相

(b)使该纯化的水相经受至少一个进一步的纯化步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其中步骤（b）中的至少一个进一步的纯化步骤选自萃取、干燥、洗涤、蒸馏。

11.一种用于乙酰化多糖的方法，其中该来自权利要求9的羧酸是乙酸并且其中该用于乙酰化纤维素的方法包括以下步骤：(a)，使该通过权利要求9获得的乙酸转化为乙酸酐并且 (b) 使纤维素与该通过步骤 (a) 获得的乙酸酐反应。

12.如权利要求11所述的方法，其中该乙酰化在至少一种选自由乙酸和硫酸组成的组的酸性化合物存在下进一步进行。