一种5-氨基水杨酸的制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机合成方法,特别涉及一种5-氨基水杨酸的制备方法。
背景技术
5-氨基水杨酸(5-ASA,药物名称为美沙拉嗪,又名马沙拉嗪)是一种治疗慢性结肠炎、溃疡性结肠炎的药物柳氮磺吡啶的主要原料和活性成分。其通过抑制引起炎症的前列腺素的合成和炎性介质白三烯的形成,从而对肠黏膜的炎症起显著抑制作用,减少PGE2在人结肠黏膜的释放。
另一方面,5-氨基水杨酸由于环上具有氨基、羟基和羧基三个活泼的反应性基团,可以进行多种反应,因此在染料工业中,它可以用来制造多种质量优异的活性染料。
但目前5-氨基水杨酸的合成方法中存在以下缺陷:1、硝化反应放热剧烈,工业大规模生产中存在一定的安全生产隐患;2、反应过程中会产生大量的构造异构体,目标产物与构造异构体的比例接近1:1,二者化学性质极为相似使得纯化困难,收率降低,反应的总收率低于30%;3、现有技术中5-氨基水杨酸的合成还会使用铁粉加浓盐酸,从而产生大量的废酸及铁粉,带来环境污染等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种5-氨基水杨酸的制备方法,该方法操作简单、放热可控、生产周期短、区域选择性好、环保安全,且所得产品的收率高、纯度高。
为了实现上述发明目的,申请人提供了以下技术方案:
一种5-氨基水杨酸的制备方法,包括以下步骤:
1、5-硝基水杨酸的制备:
将作为物料1的水杨酸溶液、作为物料2的浓硝酸溶液和作为物料3的浓硫酸预保温至反应温度后,按照水杨酸和硝酸的摩尔比为1:1.0~1:3.0、硝酸和硫酸的摩尔比为1:1.0~1:3.0的方式将物料1、物料2和物料3进行混合,在反应温度为80~140℃、反应压力为0~0.5MPa的条件下进行反应,之后进行后处理得到5-硝基水杨酸精制品;
2、5-氨基水杨酸的制备
将步骤1所得5-硝基水杨酸精制品溶解于溶剂中,并加入Na2CO3和催化剂Pd/C,得到物料4;预保温后催化加氢将5-硝基水杨酸还原为5-氨基水杨酸;其中5-硝基水杨酸与所加入Na2CO3的摩尔比为1:0.5~0.01,5-硝基水杨酸与氢气的摩尔比为1:2.0~1:3.0,5-硝基水杨酸与催化剂Pd/C的质量比为1:0.1~1:0.01,在反应温度为30℃~50℃、反应压力为0.5~1.5MPa的条件下进行反应。
其合成路线如下:
上述技术方案在另一种实施方式中,步骤1中所述反应温度优选为120℃,所述反应压力优选为0.4MPa;所述水杨酸溶液为水杨酸的乙酸溶液,其中水杨酸的浓度为0.5~1.0mol/L,优选0.72~0.75mol/L;所述水杨酸和硝酸的摩尔比优选为1:2.0,硝酸和硫酸的摩尔比优选为1:1.5。
上述技术方案在另一种实施方式中,步骤1中所述后处理为将反应后的反应液降温,优选为降温至25℃,加入大量碎冰并搅拌析晶,过滤后得到5-硝基水杨酸粗品,随后用60%的乙醇水溶液,优选在20℃的条件下重结晶得到5-硝基水杨酸精制品。
上述技术方案在另一种实施方式中,步骤2中所述溶剂为甲醇,其中:5-硝基水杨酸溶解于甲醇中的摩尔浓度为0.2mol/L~1.0mol/L,优选0.6mol/L;所述Na2CO3以Na2CO3溶液的形式加入,优选20%Na2CO3溶液;所述催化剂Pd/C为10%Pd/C;所述H2为高纯氢气;所述5-硝基水杨酸与氢气的摩尔比优选为1:2.5,所述5-硝基水杨酸与催化剂Pd/C的质量比优选为1:0.05;所述反应温度优选为50℃,所述反应压力优选为1.0MPa。
上述技术方案在另一种实施方式中,步骤1和步骤2中的预保温、反应步骤均是在微通道反应器系统中进行的,所述微通道反应器系统包括预保温模块和第一反应模块,预保温模块后串联有第一反应模块。预保温模块的设置可以是仅有一个预保温模块,也可以是多个预保温模块并联后再与第一反应模块串联,取决于反应底物的数量和需求,第一反应模块后按物料流动方向还可以串联一个或多个第二反应模块。
上述技术方案在另一种实施方式中,所述预保温模块可根据反应需要对入口数进行调整,如单进单出和多进单出,单进单出即预保温模块中的物料为一个入口进、一个出口出,多进单出即预保温模块中的物料为多个入口进、一个出口出,多个入口可以通入相同的物料,也可以通入不同的物料;预保温模块物料流通管道的形状可根据预保温的不同需求进行设计,如:直通管道或串联的心形管道;所述第一反应模块为多进单出,如:两进一出,即不同的物料从两个入口进入第一反应模块后混合,并从同一个出口排出,入口的数量可以由待混合物料的数量和种类来决定,多种待混合物料从第一反应模块的多个入口进。
上述技术方案在另一种实施方式中,所述第二反应模块为单进单出,多种物料经过第一反应模块混合和反应后由同一个入口进入第二反应模块,设置一个或多个第二反应模块可以用于延长反应的停留时间,反应模块的多少具体由反应的停留时间决定。物料从最后一个第二反应模块的出口排出。
上述技术方案在另一种实施方式中,步骤1采用的微通道反应器系统中还包括降温模块,降温模块为单进单出,其作用是对从第一反应模块或最后一个第二反应模块出口流出的、已完成反应步骤的反应液进行降温。
预保温模块、第一反应模块、第二反应模块和降温模块中物料流通管道的形状可根据需求进行设计,如图1-图3所示,如不需要混合的预保温模块可选择直通管道,需要混合的预保温模块、第一反应模块、第二反应模块和降温模块按照使多种物料更充分接触混合的原则进行设计,优选在物料流通管道中将管道设置成串联的心形管道。
上述技术方案在另一种实施方式中,步骤1或2中采用的预保温模块、第一反应模块、第二反应模块或降温模块的材质为有机玻璃。反应系统可抗腐蚀,反应的最大安全压力为1.5~1.8MPa。
上述技术方案在另一种实施方式中,步骤1)在反应模块的总停留时间为20s~60s;步骤2)在反应模块的总停留时间为30s~90s。其中,反应模块是指第一反应模块和第二反应模块的总和,即没有第二反应模块时,以第一反应模块中的停留时间计,有第二反应模块时,以第一反应模块和所有第二反应模块中的总停留时间计。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、5-硝基水杨酸的制备反应中放热剧烈,如在反应釜中操作,浓硝酸和浓硫酸的混合配制及滴加需要控制滴加速度,同时还需要准确调整反应温度,而随着反应釜体积的增加,这样的操作难度会逐步加大,稍有不慎滴加过快或局部浓度过大都有飞温或者爆炸的危险,有很大的安全及生产隐患。而该步反应在本申请中使用微通道反应器进行该步反应有以下优势:
1)浓硝酸和浓硫酸的混合配制可以在反应模块内完成,实现了少量混酸现混现用的模式,混酸在配置完毕后直接进入下个模块进行反应,避免了在反应釜中大量浓硝酸和浓硫酸混合时放出的大量热;
2)5-硝基水杨酸的制备反应中放热剧烈,但微通道反应器换热能力强,且瞬时反应持液量小,因此物料的反应温度可以准确控制,即便在很高的反应温度下也能保证连续安全生产;
3)5-硝基水杨酸与构造异构体3-硝基水杨酸的比例由传统釜式操作中的1:1提高至现在的10:1左右,大大提高了反应的收率;
4)放热可控,混酸配置与反应的连续合成,操作效率较间歇式搅拌反应釜有了大幅度的提升,大大缩短了反应的操作周期;
2、在5-氨基水杨酸的制备过程中存在气-液-固三相的反应,如在反应釜中操作,为保证三相之间充分接触,通常需要高温高压和长时间的反应,而由于H2的易燃易爆属性,生产中若发生泄露则安全隐患极大。在本申请中使用微通道反应器进行该步反应有以下优势:
1)心形结构可以使气-液-固三相在反应过程中充分的接触,大大缩短了反应时间;
2)反应持液量小且通过物料流速的控制能够保证H2按照理论1:1的摩尔比进料,不存在大量未参加的反应H2泄漏的可能性,反应的安全性有了很大的提高;同时,多余的H2也能够通过管道设计回收利用,提高了H2的利用率;
3、在微通道反应器系统中,本申请通过对反应过程中原料种类、浓度及摩尔配比,溶剂种类和用量,反应温度、反应时间和反应压力等关键参数的特殊搭配,两步反应在微通道反应器上操作的最终摩尔总收率大于80%,纯度≥99.0%。
附图说明
图1是微通道反应器中,物料流通管道形状为心形的、单进单出的模块结构示意图;
图2是微通道反应器中,物料流通管道形状为心形的、两进一出的模块结构示意图;
图3是微通道反应器中,物料流通管道形状为直通的、单进单出的模块结构示意图;
图4是本发明实施例1-3中制备5-硝基水杨酸所用的微通道反应器的结构示意图;
图5是本发明实施例1-3中制备5-氨基水杨酸所用的微通道反应器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
以下实施例所使用的微通道反应器型号为康宁玻璃G1系列。实验中所用试剂均为工业级。
实施例1:
(1)称取80g水杨酸溶解于800ml的乙酸中作为物料1,物料1中水杨酸的摩尔浓度为0.72mol/L;称取120g的浓硝酸溶解于300ml的乙酸中作为物料2,物料2中硝酸的摩尔浓度为3.2mol/L;量取100ml的浓硫酸为物料3,浓硫酸为常规市售浓硫酸,摩尔浓度为18mol/L;
控制物料1流速为22ml/min;控制物料2流速为12ml/min;控制物料3流速为6ml/min,物料1在第一预保温模块11预热至反应温度,物料2和物料3在第二预保温模块12混合并预热至反应温度;之后物料1、物料2和物料3流入第一反应模块13,在第一反应模块13中混合均匀并进行反应,之后混合液流经2个第二反应模块14延长反应停留时间,该步反应中水杨酸和硝酸的摩尔比是1:2.4;硝酸和硫酸的摩尔比是1:2.8,反应温度为120℃,反应压力0.4MPa,反应的停留时间(即反应时间)为45s,反应完成后混合液流入降温模块15降温至25℃;
当微通道反应器内各股物料达到稳定状态后,收集从反应器降温模块出口流出的反应液,以通入30min的物料1(即660ml,66g水杨酸)对应的反应液为例,加入2.15L的冰水混合物中,过滤,水洗后得到5-硝基水杨酸粗品,加入到2.2L的60%无水乙醇中于20℃下重结晶,过滤、干燥后得到黄色结晶粉末77.60g,摩尔收率88.66%。
(2)称取步骤(1)中所得5-硝基水杨酸50g加入到600ml无水甲醇中溶解,加入30g的20%Na2CO3溶液和1.5g的10%Pd/C作为物料4,物料4在第一预保温模块11预热至反应温度后在第一反应模块13中与来自H2通入管道16的H2混合均匀并反应,之后气液固混合物流经3个第二反应模块14延长反应停留时间,物料4的流速为13.5g/min,调节H2气体流量计使5-硝基水杨酸与H2的摩尔比为1:2.0,反应温度为50℃,反应压力1.0MPa,反应的停留时间(即反应时间)为75s;
当反应器内各股物料达到稳定状态后,收集从最后一个第二反应模块出口流出的反应液,以通入44g的5-硝基水杨酸对应的反应液为例,加入20%Na2CO3至pH值为10.0,过滤除去Pd/C,滤液重新加入10%稀盐酸调节pH值为3.0,25℃下搅拌1小时,过滤、干燥后得到类白色结晶性粉末34.10g,摩尔收率92.70%;两步反应总收率82.19%,产品经液相色谱检测纯度99.1%。
实施例2:
(1)称取100g水杨酸溶解于1000ml的乙酸中作为物料1,物料1中水杨酸的摩尔浓度为0.72mol/L;称取150g的浓硝酸溶解于375ml的乙酸中作为物料2,物料2中硝酸的摩尔浓度为3.2mol/L;量取120ml的浓硫酸为物料3,浓硫酸为常规市售浓硫酸,摩尔浓度为18mol/L;
控制物料1流速为20ml/min;控制物料2流速为10ml/min;控制物料3流速为5ml/min,物料1在第一预保温模块11预热至反应温度,物料2和物料3在第二预保温模块12混合并预热至反应温度;之后物料1、物料2和物料3流入第一反应模块13,在第一反应模块混合均匀并进行反应,之后混合液流经2个第二反应模块14延长反应停留时间,该步反应中水杨酸和硝酸的摩尔比是1:2.2;硝酸和硫酸的摩尔比是1:2.8,反应温度为110℃,反应压力0.5MPa,反应的停留时间(即反应时间)为50s,反应完成后混合液流入降温模块15降温至25℃;
当反应器内各股物料达到稳定状态后,收集从反应器降温模块出口流出的反应液,以通入45min的物料1(即900ml,90g水杨酸)对应的反应液为例,加入3L的冰水混合物中,过滤,水洗后得到5-硝基水杨酸粗品,加入到3L的60%的无水乙醇中于20℃重结晶,过滤、干燥后得到黄色结晶粉末104.91g,摩尔收率87.92%。
(2)称取步骤(1)中所得5-硝基水杨酸80g加入到1000ml无水甲醇中溶解,加入50g的20%Na2CO3溶液和2.4g的10%Pd/C作为物料1,物料4在第一预保温模块11预热至反应温度后在第一反应模块13中与来自H2通入管道16的H2混合均匀并反应,之后气液固混合物流经3个第二反应模块14延长反应停留时间,物料4的流速为15.0g/min,调节H2气体流量计流速使5-硝基水杨酸与H2的摩尔比为1:2.0,反应温度为40℃,反应压力1.0MPa,反应的停留时间(即反应时间)为60s;
当反应器内各股物料达到稳定状态后,收集从最后一个第二反应模块出口流出的反应液,以通入68g 5-硝基水杨酸对应的反应液为例,加入20%Na2CO3溶液至pH值为10.0,过滤除去Pd/C,滤液重新加入10%稀盐酸调节pH值为3.0,25℃下搅拌1小时,过滤、干燥后得到类白色结晶性粉末52.06g,摩尔收率91.57%;两步反应总收率80.51%,产品经液相色谱检测纯度99.3%。
实施例3:
(1)称取90g水杨酸溶解于900ml的乙酸中作为物料1,物料1中水杨酸的摩尔浓度为0.72mol/L;称取150g的浓硝酸溶解于375ml的乙酸中作为物料2,物料2中硝酸的摩尔浓度为3.2mol/L;量取120ml的浓硫酸为物料3,浓硫酸为常规市售浓硫酸,摩尔浓度为18mol/L;
控制物料1流速为25ml/min;控制物料2流速为12ml/min;控制原料3流速为6ml/min,物料1在第一预保温模块11预热至反应温度,物料2和物料3在第二预保温模块12混合并预热至反应温度;之后物料1、物料2和物料3流入第一反应模块13,在第一反应模块混合均匀并进行反应,之后混合液流经2个第二反应模块14延长反应停留时间,该步反应中水杨酸和浓硝酸的摩尔比是1:2.1;浓硝酸和浓硫酸的摩尔比是1:2.8,反应温度为120℃,反应压力0.5MPa,反应的停留时间(即反应时间)为48s,反应完成后混合液流入降温模块15降温至25℃;
当微通道反应器内各股物料达到稳定状态后,收集从反应器降温模块出口流出的反应液,以通入30min的物料1(即750ml,75g水杨酸)对应的反应液为例,加入2.7L的冰水混合物中,过滤,水洗后得到5-硝基水杨酸粗品,加入到3L 60%的无水乙醇中于20℃重结晶,过滤、干燥后得到黄色结晶粉末88.05g,摩尔收率88.55%。
(2)称取步骤(1)中所得5-硝基水杨酸60g加入到750ml无水甲醇中溶解,加入40g的20%Na2CO3溶液和2.0g的10%Pd/C作为物料1,物料4在第一预保温模块11预热至反应温度后在第一反应模块13中与来自H2通入管道16的H2混合均匀并反应,之后气液固混合物流经3个第二反应模块14延长反应停留时间,物料4的流速为18.0g/min,调节H2气体流量计流速使5-硝基水杨酸与H2的摩尔比为1:2.2,反应温度为50℃,反应压力为1.0MPa,反应的停留时间(即反应时间)为52s;
当反应器内各股物料达到稳定状态后,收集从反应器出口流出的反应液,以通入54g 5-硝基水杨酸对应的反应液为例,加入20%Na2CO3至pH值为10.0,过滤除去Pd/C,滤液重新加入10%稀盐酸调节pH值为3.0,25℃下搅拌1小时,过滤、干燥后得到类白色结晶性粉末41.54g,摩尔收率91.98%;两步反应总收率81.45%,产品经液相色谱检测纯度99.2%。
对比例
称取200g的水杨酸溶解于到2L的无水乙酸中,配置540ml的浓硝酸与480ml浓硫酸的混酸室温下缓慢滴入反应体系,控制反应的内温不超过50℃,大约滴加4小时,滴加完毕50℃保温搅拌1小时,将反应体系加入到6L冰水混合物中,0℃保温搅拌1小时,过滤,水洗得到5-硝基水杨酸粗品,粗品中3-硝基水杨酸与5-硝基水杨酸的比例为1:1.2,将粗品干燥后加入60%的乙醇水溶液重结晶两次得到72.9g的5-硝基水杨酸,摩尔收率27.50%。
将精制后的5-硝基水杨68.0g溶解于680ml的甲醇中,加入25.0g的20%Na2CO3溶液,搅拌溶解后加入6.8g的Pd/C,升温至50℃后搅拌反应,反应48小时原料几乎完全转化,加入20%Na2CO3至pH值为10.0,过滤除去Pd/C,滤液重新加入10%稀盐酸调节pH值为3.0,25℃下搅拌1小时,过滤、干燥后得到类白色结晶性粉末32.83g,摩尔收率57.80%;两步反应总收率15.90%,产品经液相色谱检测纯度97.8%。
本申请使用微通道反应器与对比例相比,5-硝基水杨酸的收率和总收率大大提高,纯度也提高到了99%以上。
实施例4
本实施例是对实施例1-3中5-硝基水杨酸的制备过程所用微通道反应器进行说明。
如图4所示,该过程所用微通道反应器中第一预保温模块11和第二预保温模块12分别与第一反应模块13的两个入口相连通,第一反应模块后按物料流动方向还可以串联有若干个第二反应模块14,本申请实施例1-3根据总反应停留时间使用了2个第二反应模块,但本领域技术人员应当明白,当选择更大持液量的第一反应模块时,第二反应模块的添加不是必须的,当选择不同持液量的第二反应模块时,在同一反应中的第二反应模块的个数也是可调整的;最后一个第二反应模块出口处还串联有降温模块15;第一预保温模块11中的物料流通管道为直通管道,其余的第二预保温模块12、第一反应模块13、第二反应模块14和降温模块的物料流通管道均为多个心形串联形成的管道。
实施例5
本实施例是对实施例1-3中5-氨基水杨酸的制备的制备过程所用微通道反应器进行说明。
如图5所示,该过程所用微通道反应器中第一预保温模块11和H2通入管道16分别与第一反应模块13的两个入口相连通,第一反应模块后按物料流动方向还可以串联有若干个第二反应模块14,本申请实施例1-3根据总反应停留时间使用了3个第二反应模块;但本领域技术人员应当明白,当选择更大持液量的第一反应模块时,第二反应模块的添加不是必须的,当选择不同持液量的第二反应模块时,在同一反应中的第二反应模块的个数也是可调整的;第一预保温模块11中的物料流通管道和H2通入管道16为直通管道,其余的第一反应模块13和第二反应模块14的物料流通管道均为多个心形串联形成的管道。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。