CN109608365B - 一种牛磺酸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种牛磺酸的制备方法。该方法包括以下步骤：(1)乙烯与SO2加成反应，得到1,1‑二氧化环硫乙烷；(2)1,1‑二氧化环硫乙烷、氨和水进行氨解反应，得到牛磺酸。所用原料乙烯、SO2、氨均为较为廉价易得原料，所用乙烯也并无环氧乙烷的安全隐患。此外，本发明提供的牛磺酸合成方法还具有工艺绿色环保、操作方便、成本低廉、收率较高、易工业化生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及有机合成领域，具体地说是涉及一种牛磺酸的制备方法。
技术背景
牛磺酸又称牛胆酸，化学名称为2-氨基乙磺酸(NH2CH2CH2SO3H)，是一种天然存在的含硫氨基酸，随着对牛磺酸的生理作用、营养价值的深入研究，其应用也越来越广，在医药、食品、表面活性剂、pH缓冲剂等方面都有重要的应用。牛磺酸广泛存在于人及哺乳动物的脏器中，是最重要的氨基酸之一，它具有特殊的药理作用和生理功能。此外，牛磺酸还可应用于医药、保健、食品、洗涤剂、荧光增白剂、pH缓冲剂等领域，也可用作生化试剂和其他有机合成的中间体。
当人们认识到牛磺酸的价值后一直在探索其化学合成方法。至今，牛磺酸的主要合成方法有乙醇胺法、环氧乙烷法、乙醇胺硫酸酯还原法等几十种合成方法。有价值的约十几种，而形成产业的大多集中在乙醇胺法和环氧乙烷法。CN101100449A公开了一种牛磺酸的合成方法，其是以亚硫酸铵盐为还原剂对乙醇胺的酯化物进行还原反应，经分离得到粗品，再重结晶，得到成品牛磺酸。
乙醇胺法反应周期长，磺化反应需要30h以上，而且乙醇胺法成本偏高，已经逐渐被环氧乙烷法替代。
US2820818、CN101486669公开一种牛磺酸的合成方法，其是以环氧乙烷和亚硫酸氢钠加成生成羟乙基磺酸钠，羟乙基磺酸钠再与液氨反应生成牛磺酸钠，牛磺酸钠经酸化提纯等步骤制成牛磺酸成品。
环氧乙烷法虽然原料成本比乙醇胺法低。国内工业化已达到一定规模。但工业装置造价高，能耗高，原料运输、储存和生产过程不安全因素以及受到限制较多，后期产品分离操作复杂，提纯困难等缺点。
发明内容
本发明涉及一种牛磺酸的制备方法，其目的在于解决现有的乙醇胺法反应周期长成本高等问题；环氧乙烷工艺的方法存在的安全隐患、能耗高等问题。本发明所用原料乙烯、SO2、氨均为较为廉价易得原料，所用乙烯也并无环氧乙烷的安全隐患。此外，本发明提供的牛磺酸制备方法还具有工艺绿色环保、操作方便、成本低廉、收率较高、易工业化生产等优点。
为达到以上技术目的，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种牛磺酸的制备方法，包括以下步骤：
(1)乙烯与SO2加成反应，得到1,1-二氧化环硫乙烷；
(2)1,1-二氧化环硫乙烷、氨和水进行氨解反应，得到牛磺酸
反应式如下：
本发明所述步骤(1)中，乙烯与SO2的摩尔比为1：1～1：1.5，优选1：1～1：1.3，更优选1：1.05～1：1.1。
本发明所述步骤(1)中，反应温度为70～100℃，优选75～85℃，更优选75～80℃。
本发明所述步骤(1)中，反应相对压力为6～10MPa，优选6～9MPa，更优选7～8MPa。
本发明所述步骤(1)的反应时间为0.5-2h，优选0.5-1h，更优选0.6-1h。
本发明所述步骤(1)中，所述加成反应优选在溶剂中进行，所述溶剂为水。所述溶剂的用量为乙烯与SO2总重的20wt％～100wt％，优选30wt％～80wt％，更优选50wt％～80wt％。
本发明所述步骤(1)中，所述加成反应在催化剂的催化下进行，所述催化剂为改性R-MCM-41分子筛，其中，R为金属离子，所述金属离子优选为Al3+和/或Ni2+。
本发明所述步骤(1)中，所述催化剂的用量为乙烯的0.5～5wt％，优选0.7～3wt％，更优选1～2wt％。
一种制备本发明所述的Al-MCM-41或Ni-MCM-41的方法：包括以下步骤：将氨水和模板剂十六烷基三甲基溴化铵混合溶解，加入NaAlO2或Ni(NO3)2，混合均匀后，再滴加正硅酸乙酯；得到凝胶后搅拌2h～3h，在120℃～125℃下晶化4～7天，滤出固体，洗涤，然后在105℃～110℃下干燥，800～850℃下焙烧5～8h，压片、研磨、过筛，得到40-70目的催化剂Al或Ni-MCM-41；其中，十六烷基三甲基溴化铵与正硅酸乙酯的摩尔比为0.2-0.3：1；NaAlO2或Ni(NO3)2与正硅酸乙酯的摩尔比为1.2：100～1.3：100；NH3与正硅酸乙酯的摩尔比为5:1～10:1。
一种制备Ni/Al-MCM-41的方法，包括以下步骤：把Al-MCM-41加入到NH4NO3溶液中，回流1.5～2h进行离子交换，然后过滤，洗涤，然后在120℃～150℃下干燥lh～2h，再以560～580℃焙烧3h～5h，冷却；将所得固体加入到Ni(NO3)2溶液中，回流进行离子交换，然后过滤，洗涤，在120～150℃干燥l～2h，然后在560～580℃焙烧3～5h，冷却，得到Ni/Al-MCM-41。
本发明所述的制备Ni/Al-MCM-41的方法中，所述NH4NO3溶液的浓度为0.05～0.10mol/L。
本发明所述的制备Ni/Al-MCM-41的方法中，所述NH4NO3溶液中的NH4NO3与Al-MCM-41的质量比为1:40～1:60。
本发明所述的制备Ni/Al-MCM-41的方法中，所述Ni(NO3)2溶液的浓度为0.05mol/L～0.10mol/L。
本发明所述的制备Ni/Al-MCM-41的方法中，所述Ni(NO3)2溶液中的Ni(NO3)2与Al-MCM-41的质量比为1:15～1:50。
本发明所述步骤(2)中，1,1-二氧化环硫乙烷与NH3的摩尔比为1:1～1:10，优选1:2～1:8，更优选1:5～1:6。
本发明所述步骤(2)的反应温度为120～180℃，优选120～150℃，更优选120～130℃。
本发明所述步骤(2)的反应相对压力为6～15Mpa，优选8～12Mpa，更优选8～10Mpa。
本发明所述步骤(2)的反应时间为0.5～2h，优选0.5～1h。
本发明所述方法解决了乙醇胺法反应周期长成本高的问题；环氧乙烷工艺的方法存在的安全隐患、能耗高的问题。本方法具有成本低廉、低能耗，原料安全可靠、原料转化率高，合成过程操作简单，生产周期短，工艺绿色安全环保、收率较高、非常适用于工业化生产。
具体实施例
产物牛磺酸检测条件：
牛磺酸均通过配备有紫外检测器的液相色谱进行分析，液相色谱为安捷伦公司1200系列，配备有C18液相色谱柱，柱温设定40℃，以乙腈和0.05mol/L的NaH2PO4溶液为流动相，流速为1.0mL/min，紫外检测器360nm波长处进行检测，外标法进行定量。样品在进样前，先用超纯水适当稀释，加入过量二硝基氟苯溶液充分衍生化后，再进样分析。
核磁共振仪型号为Bruker 400。
实施例1
以10wt％氨水50ml溶解十六烷基溴化铵4.29g，搅拌溶解后加入NaAlO20.058g，在强烈搅拌下，缓慢滴加正硅酸乙酯12.3g，搅拌3h，得到溶胶凝胶液，在120℃～125℃下晶化7天，滤出固体，洗涤至中性，然后在105℃～110℃下干燥，800～850℃下焙烧8h，压片、研磨、过筛，取40-70目颗粒催化剂Al-MCM-41约8.3g待用。
以N2置换压力釜后，向釜内加入水95.2g，Al-MCM-41型分子筛催化剂0.3g，向反应釜内加入乙烯56.0g，泵入134.4g二氧化硫，开启搅拌，升温至75℃，N2充压至7Mpa，反应1h后降温，核磁定量1,1-二氧化环硫乙烷159.2g。加成反应中乙烯转化率为99.2％，选择性为87.2％。
1HNMR(CDCl3,400MHz)δppm 3.97(s,4H)，
13CNMR(CDCl3,100MHz)δppm 44.2
将加成反应液转移至氨解反应釜内，N2置换三次，加入液氨147.1g升温至120℃，以N2将压力调节至8Mpa，反应1h后降温。LC外标法定量牛磺酸190.3g。氨解反应转化率99.8％，选择性为88.2％。
1HNMR(CDCl3,400MHz)δppm 5.11(s,2H),3.67(t,J＝7.1Hz,2H)，3.21(t,J＝7.1Hz,2H)
实施例2
N2置换压力釜后，向釜内加入水78.6g，实施例1中的Al-MCM-41型分子筛催化剂0.50g，向反应釜内加入乙烯42.0g，隔膜泵泵入115.0g二氧化硫，开启搅拌，升温至80℃，N2充压至7.5Mpa，反应40min后降温，核磁定量1,1-二氧化环硫乙烷107.7g。加成乙烯转化率为95.9％，选择性为81.3％。
将加成反应液转移至氨解反应釜内，N2置换三次，加入液氨109.4g(6.44mol)升温至120℃，以N2将压力调节至10Mpa，反应50min后降温。LC外标定量牛磺酸130.2g。1,1-二氧化环硫乙烷转化率99.2％，选择性为89.7％。
实施例3
以10wt％氨水50ml溶解十六烷基溴化铵3.2g，溶解后加入Ni(NO3)2 0.07g，在强烈搅拌下，缓慢滴加正硅酸乙酯6.1g，搅拌3h，得到溶胶凝胶液，在120℃～125℃下晶化6天，滤出固体，洗涤至中性，然后在105℃～110℃下干燥，800～850℃下焙烧7h，压片、研磨、过筛，取40-70目颗粒催化剂3.4g的Ni-MCM-41待用。
N2置换压力釜后，向釜内分别加入水275g，Ni-MCM-41型分子筛催化剂1.6g，向反应釜内加入乙烯156.8g，隔膜泵泵入394.2g二氧化硫，开启搅拌，升温至80℃，N2升压至8Mpa，反应40min后降温，经检测1,1-二氧化环硫乙烷463.7g。加成乙烯转化率为97.7％，选择性为92.1％。
将加成反应液转移至氨解反应釜内，N2置换三次，加入液氨514.1g升温至120℃，以N2将压力调节至10Mpa，反应1h后降温。LC外标定量牛磺酸603.2g；氨解反应1,1-二氧化环硫乙烷转化率96.9％，选择性为98.7％。
实施例4
向实施例1方法制备的40.3g的Al-MCM-41中加入100ml的0.10mol/L NH4NO3溶液，回流2h进行离子交换，然后过滤，以150ml水洗涤3次洗涤，在120℃干燥2h，然后在560～580℃焙烧5h，冷却；所得固体中加入100ml的0.10mol/L的Ni(NO3)2溶液，回流1h，进行离子交换，然后过滤，洗涤，在120～130℃干燥2h，然后在560～580℃焙烧3h，冷却，得到Ni/Al-MCM-41约得35.7g。
N2置换压力釜后，向釜内分别加入水162.3g，Ni/Al-MCM-41型催化剂0.9g，向反应釜内加入乙烯92.4g，隔膜泵泵入232.3g二氧化硫，开启搅拌，升温至80℃，N2升压至8Mpa，反应1h后降温，经检测1,1-二氧化环硫乙烷289.0g。乙烯转化率为98.7％，选择性为96.5％。
将加成反应液转移至氨解反应釜内，N2置换三次，加入液氨267.0g，升温至130℃，以N2将压力调节至9Mpa，反应1h后降温。LC外标定量牛磺酸377.0g。氨解反应的转化率99.6％，选择性为96.4％。
实施例5
向釜内分别加入水192.8g，Ni/Al-MCM-41型分子筛催化剂1.9g，N2置换压力釜后，向反应釜内加入乙烯112g，隔膜泵泵入273.9g二氧化硫，开启搅拌，升温至78℃，N2升压至7.5Mpa，反应1h后降温，检测1,1-二氧化环硫乙烷343.7g。反应过程中乙烯转化率为98.5％，选择性为94.8％。
将加成反应液转移至氨解反应釜内，N2置换三次，加入液氨101.6g升温至130℃，以N2将压力调节至10Mpa，反应50min后降温。LC外标定量氨解反应牛磺酸439.0g。氨解反应转化率约为99.4％，选择性为94.5％。
对比例1
将740g羟乙基磺酸钠溶液(20.0wt％)置于1L高压反应器中，通入一定量液氨，使液氨浓度达到22wt％，随后加入0.296g(0.2wt％)Na2CO3催化剂，将反应体系加热至160℃，体系压力为10.5MPa，反应40min，该步反应获得的牛磺酸钠收率60.3％。反应液在100℃闪蒸除氨后，再浓缩闪蒸液，将牛磺酸钠浓度提浓至36.1wt％，随后在70℃条件下加入浓硫酸调节体系pH至8，随后降温至25℃冷却结晶，结晶后牛磺酸单程一次为58.7％，母液可再次套用至氨解反应，套用后牛磺酸总收率为72.6％。
Claims (18)
1.一种牛磺酸的制备方法，包括以下步骤：
(1)乙烯与SO2加成反应，得到1,1-二氧化环硫乙烷；
(2)1,1-二氧化环硫乙烷、氨和水进行氨解反应，得到牛磺酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，乙烯与SO2的摩尔比为1：1～1：1.5。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，乙烯与SO2的摩尔比为1：1～1：1.3。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，乙烯与SO2的摩尔比为1：1.05～1：1.1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，反应温度为70～100℃；反应压力为6～10MPa。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，反应温度为75～85℃；反应压力为6～9MPa。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，反应温度为75～80℃；反应压力为7～8MPa。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述加成反应在催化剂的催化下进行，所述催化剂选自Al-MCM-41、Ni-MCM-41和Ni/Al-MCM-41中的一种。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述Al-MCM-41或Ni-MCM-41的制备方法，包括以下步骤：将氨水和十六烷基三甲基溴化铵混合溶解，加入NaAlO2或Ni(NO3)2，混合均匀后，再滴加正硅酸乙酯；得到凝胶后搅拌2h～3h，在120℃～125℃下晶化4～7天，滤出固体，洗涤，然后在105℃～110℃下干燥，800～850℃下焙烧5～8h，压片、研磨、过筛，得到40-70目的催化剂Al-MCM-41或Ni-MCM-41。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述十六烷基三甲基溴化铵与正硅酸乙酯的摩尔比为0.2-0.3：1；NaAlO2或Ni(NO3)2与正硅酸乙酯的摩尔比为1.2：100～1.3：100；NH3与正硅酸乙酯的摩尔比为5:1～10:1。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述Ni/Al-MCM-41的制备方法，包括以下步骤：将Al-MCM-41加入到NH4NO3溶液中，回流1.5～2h进行离子交换，然后过滤，洗涤，然后在120℃～150℃下干燥lh～2h，再以560～580℃焙烧3h～5h，冷却；将所得固体加入到Ni(NO3)2溶液中，回流进行离子交换，然后过滤，洗涤，在120～150℃干燥l～2h，然后在560～580℃焙烧3～5h，冷却，得到Ni/Al-MCM-41。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述NH4NO3溶液中的NH4NO3与Al-MCM-41的质量比为1:40～1:60；所述Ni(NO3)2溶液中的Ni(NO3)2与Al-MCM-41的质量比为1:15～1:50。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，1,1-二氧化环硫乙烷与NH3的摩尔比为1:1～1:10。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，1,1-二氧化环硫乙烷与NH3的摩尔比为1:2～1:8。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，1,1-二氧化环硫乙烷与NH3的摩尔比为1:5～1:6。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的反应温度为120～180℃；反应压力为6～15Mpa。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的反应温度为120～150℃；反应压力为8～12Mpa。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的反应温度为120～130℃；反应压力为8～10Mpa。
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