CN109897003B - 一种连续快速合成5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种合成5‑（β‑甲硫基乙基）‑乙内酰脲的方法，包括：将2‑羟基‑4‑甲硫基丁腈（或3‑甲硫基丙醛、氰化物）与碳铵水溶液经计量泵加入负载催化剂的微通道反应器中进行反应，控制反应温度为60℃～120℃，压力为0.5MPa～1.0MPa，反应物在微通道内的停留时间为1～10min，直接得到适用后段工艺的5‑（β‑甲硫基乙基）‑乙内酰脲水溶液。本发明通过一种负载催化剂的微通道反应器制备5‑（β‑甲硫基乙基）‑乙内酰脲，减少30~50%碳铵溶液使用，工艺无需氨、二氧化碳循环，产物无需汽提除氨，原子利用率高，高效清洁；不需阶段升温，大大缩短了环化反应时间，减少了2‑羟基‑4‑甲硫基丁腈热解聚合及其副产物的生成，产物收率提高至99%以上。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域，特别涉及一种合成5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的方法。
技术背景
5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲，简称海因，是化学法合成DL-蛋氨酸的重要中间体。目前制备5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的方法主要有两种：第一种是“三组分”反应合成法，即以氢氰酸或者氢氰酸的碱金属盐与甲硫基丙醛、碳铵按照投料摩尔比为：氢氰酸:甲硫基丙醛:氨:二氧化碳=1.0～1.1:1.0:2.0～2.6:1.5～2.0，大量的碳铵过量，在经过三段升温，分别为58℃、90℃和138℃，反应压力在0.8MPa～2.0MPa，总反应时间在15～30min，经过汽提多余的未参与反应的氨和二氧化碳，得到海因水溶液，海因的收率只有92%左右；第二种是“两组分”反应合成法，及以2-羟基-4-甲硫基丁腈（简称氰醇）和碳铵水溶液为原料，经过高温高压反应，2-羟基-4-甲硫基丁腈、氨、二氧化碳的投料摩尔比为1.0:1.8～2.5:1.5～2.0，反应经过两段升温反应，第一段反应温度控制在80℃左右，第二段反应控制温度在120℃左右，反应压力在1.2MPa～3.0MPa，总反应时间在20～60min，经过汽提多余的未参与反应的氨和二氧化碳，得到海因水溶液，海因的收率高达98%左右；以上两种方法虽然在合成上都有所区别，但是不难发现有共同之处，即都是高温反应，温度高达110℃以上，碳铵大量过量，反应结束后都需要进行汽提多余的未参与反应的氨和二氧化碳，反应时间较长，反应压力过高。
出现上述共同的特点的主要原因是原料2-羟基-4-甲硫基丁腈、氨、二氧化碳的自身的性质决定的。2-羟基-4-甲硫基丁腈虽然溶于水，但是在水中的溶解度不大，而碳铵水溶液再加热时候溶液挥发出二氧化碳和氨，为了使其三者在同一水相中反应，最佳的办法是升高反应温度，或者是使其氨和二氧化碳在水相中溶解度加大，只有采用过高的压力，并且为了使其反应快速进行以及让2-羟基-4-甲硫基丁腈充分反应，减少2-羟基-4-甲硫基丁腈分解聚合，采用碳铵过量、高温、高压进行是合适的，因此高温高压、碳铵过量可以适当减小不能够充分搅拌对反应带来的不利影响，然而这些实施需选择合适的反应器，目前主要采用的反应器是管式反应器和塔式反应器。
虽然上述方法能够较高收率获得5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲，但是存在的缺点是显而易见的，高温高压、大量碳铵过量，这些都对反应设备要求过高，防腐是首要的，因为在温度高于110℃，二氧化碳和氨对钢铁设备的腐蚀是非常严重的，因此往往选择特殊设备，如钛材或者锆材的设备，这些设备往往是比较昂贵的，高温高压对操作要求较高；过量的碳铵这后续需要进行去除，往往采用通入蒸汽方式进行汽提，然后回收多余的氨和二氧化碳，这是需要消耗大量的蒸汽，造成能耗增加；另外一点，反应长时间停留，在不影响产能的情况下，势必需要反应的设备比较大，设备投资较高。
因此，可以说目前文献公开的5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲合成方法不具备原子经济性的，造成资源浪费，不绿色环保等。
发明内容
鉴于以上所述的现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种合成5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的方法，该方法具备原子经济性，用于解决现有技术中合成5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲时反应时间长、碳铵大量过量、原料氰醇易聚合并且容易产生副产物，反应速率较慢、导致有色杂质生成、反应不充分、不具备经济经济性，造成资源浪费，不绿色环保等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种合成5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的方法，包括：将2-羟基-4-甲硫基丁腈（或3-甲硫基丙醛、氰化物）与碳铵水溶液经计量泵加入负载催化剂的微通道反应器中进行反应，控制反应温度为60℃～120℃，压力为0.5MPa～1.0MPa，反应物在微通道内的停留时间为1～10min，直接得到适用后段工艺的5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液。在本发明的一些实施例中，控制反应的温度为75℃～90℃。
在本发明的一些实施例中，控制反应的压力为0.5MPa～0.8MPa。
在本发明的一些实施例中，反应物在微通道内的停留时间为3～7min。
在本发明的一些实施例中，所述负载催化剂的微通道反应器为分离再结合型、内交叉指型、T型或Y型微通道反应器。
在本发明的一些实施例中，所述负载催化剂为主活性成分为Ni的固相催化剂，余量成分为Al、Fe、Mo、Ti、Cr、Cu、C等元素中的两种及以上。
在本发明的一些实施例中，所述的2-羟基-4-甲硫基丁腈选择质量百分含量为60wt%～99.9wt%。
在本发明的一些实施例中，所述碳铵水溶液中，氨的质量百分含量为6wt%～12wt%，二氧化碳的质量百分含量为16wt%～31wt%。
在本发明的一些实施例中，所述2-羟基-4-甲硫基丁腈、氨和二氧化碳的投料摩尔比为1:1.05～1.20:1.0～1.14；甲硫基丙醛与氰根、氨、二氧化碳的投料摩尔比为1:1.0～1.01:1.1～1.4:1.05～1.1。
在本发明的一些实施例中，所述5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液中，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲质量百分含量为18wt%～45wt%。
本发明第二方面提供上述方法合成得到5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液。
如上所述，本发明的一种连续快速合成5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的方法，具有以下有益效果：
（1）本发明采用负载的催化剂的微通道反应器替代传统管式反应器，实现了反应物料的充分混合，大大增加分子间的碰撞，大大缩短了氰醇与碳铵的反应时间，混合度好反应效率高，不需阶段升温（传统“三组分”反应合成法，需经过三段升温；“两组分”反应合成法，需经过两段升温反应），减小了控制系统的复杂程度，降低了成本；反应时间从20~40min缩短为0.5～5min；
（2）通过精准控制进入微通道反应器的氰醇、二氧化碳、氨的比例，避免传统方式加入过量的氰化物和碳铵，降低了30~50%碳铵的使用量；不必在反应结束后进行汽提多余的未参与反应的氨和二氧化碳，进一步降低了后续汽提的能耗，节约物料资源，节约了成本；
（3）采用微通道反应器充分的混合使反应高效高选择的进行，大大减少了氰醇的热解聚合及其副产物的生成，使海因收率提升至99%以上（传统的方式一般在98%左右）；
（4）负载于微通道内部的固体催化剂不污染物料且可重复使用，清洁可循环。
综上所述本发明采用微通道反应器，实现了反应物料的充分混合，大大增加分子间的碰撞，混合度好反应效率高，不需阶段升温，大大缩短了环化反应（氰醇与碳铵的反应）时间；减少了在反应过程中副产物的产生，增加了氰醇的利用率，加快了反应的速率，大大降低了碳铵使用量，避免后续汽提多余氨和二氧化碳而消耗大量的蒸汽，得到反应物料无需进行汽提可直接进行水解反应，降低了能耗，提高了产物的收率，降低了生产成本，具备经济经济性，节省资源，绿色环保等优点。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
以下实施例中采用的微通道反应器的生产商为德国美因茨微技术研究所IMM，型号SIMM-V2-SS，微通道内径为50μm.
以下实施例中所负载催化剂N10为主活性成分为Ni的固相催化剂，余量成分为Al、Fe、Mo、Ti、Cr、Cu、C等元素中的两种及以上。
以下实施例的反应物形态为液态，需要说明的是，反应物不受形态的限制，也可以为气态等其他形态，能够使2-羟基-4-甲硫基丁腈（或3-甲硫基丙醛、氰化物）与碳铵水溶液在微通道反应器中顺利发生反应即可。
实施例1 氰醇-碳铵水液两组分反应
将质量百分含量为70wt%的2-羟基-4-甲硫基丁腈水溶液（氰醇）93.711克（0.5摩尔）与氨和二氧化碳含量分别为7.5wt%和18.53wt%的碳铵水溶液124.667克（氰醇:氨:二氧化碳=1.0:1.10:1.05）同时经过计量泵泵入负载了催化剂N10的微通道反应器中，氰醇在微通道中的流速为2.5ml/min，碳铵水溶液在微通道内的流速为3.33ml/min，控制反应的温度为80℃、压力为0.55MPa，停留时间为3min（即反应液流经微通道的时间），流出的液体为澄清无色透明的5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液（海因）218.218克，其中5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲含量为39.91wt%，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲收率大于99.9%（以氰醇计）。
将上述得到的5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液无需进行脱氨和二氧化碳处理，直接加入1.6当量的氢氧化钠（以海因计）在178℃条件下水解，海因完全水解转化为蛋氨酸钠。
1、温度对反应的影响
在停留时间、反应压力相同的条件下，考察温度对反应的影响，实验数据如下表所示。
表1 温度对反应效果的影响情况表
从表1可以看出，随着温度的升高，反应效果呈上升趋势，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲（海因）的收率有所提高，当温度为80℃，氰醇几乎完全转化为5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲。因此，反应的最佳温度为80℃～90℃。值得注意的是，氰醇的浓度、碳铵的浓度对反应没有影响。
2、反应停留时间对反应效果的影响
在反应温度为80℃、压力为0.55MPa条件下，考察反应液在微通道内的停留时间对反应的影响，实验结果如下：
表2 微通道内停留时间对反应效果的影响情况表
从表2中看出，当反应时间少于3分钟时候，反应不够充分，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲（海因）的收率只有80%～89%。当停留时间在3分钟以上，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲（海因）的收率几乎是定量了，2-羟基-4-甲硫基丁腈完全能够转化为5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲。由于5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲比较稳定，时间的延长对其不存在影响，同时过多延长时间，对反应效果没有影响，因此最佳停留反应时间为3～7min。
3、反应压力对反应效果的影响
在反应温度为80℃、反应液在微通道内的停留时间4min的条件下，考察反应压力对反应的影响，实验结果如下：
表3 微通道内反应压力对反应效果的影响情况表
从表3中看出，随着反应压力的升高，反应效果呈上升趋势，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲（海因）的收率有所提高，当反应压力为0.50MPa及以上时，氰醇几乎完全转化为5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲。但是考虑设备的要求，压力过高对反应没有好处，因此，反应的最佳压力为0.5～0.8MPa。
现有制备5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的工艺：2-羟基-4-甲硫基丁腈、氨、二氧化碳的投料摩尔比为1.0:1.8～2.5:1.5～2.0，反应经过两段升温反应，第一段反应温度控制在80℃左右，第二段反应控制温度在120℃左右，反应压力在1.2MPa～3.0MPa，总反应时间在20～60min，经过汽提多余的未参与反应的氨和二氧化碳，得到5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的收率为95%～98%。
实施例2 甲硫基丙醛、氰化钠、碳铵水溶液三组分反应
将质量百分含量为99.5wt%的甲硫基丙醛52.3473克（0.5摩尔）、质量百分含量为30wt%的氰化钠水溶液82.4833克（0.505摩尔）与氨和二氧化碳含量分别为7.5wt%和18.53wt%的碳铵水溶液124.667克（甲硫基丙醛:氰化钠:氨:二氧化碳=1.0:1.01:1.10:1.05）同时经过计量泵泵入负载了催化剂N10的微通道反应器中，甲硫基丙醛在微通道中的流速为2.5ml/min，氰化钠水溶液在微通道中的流速为3.9393ml/min，碳铵水溶液在微通道内的流速为5.954ml/min，控制反应的温度为100℃、压力为1.10MPa，停留时间为3min（即反应液流经微通道的时间），流出的液体为澄清无色透明的5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲钠盐水溶液（海因钠盐）259.4976克，其中5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲钠含量为37.804wt%，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲钠盐收率大于99.9%（以甲硫基丙醛计）。
实施例3 甲硫基丙醛、氰化钾、碳铵水溶液三组分反应
将质量百分含量为99.5wt%的甲硫基丙醛52.3473克（0.5摩尔）、质量百分含量为35wt%的氰化钾水溶液93.9531克（0.505摩尔）与氨和二氧化碳含量分别为7.5wt%和18.53wt%的碳铵水溶液124.667克（甲硫基丙醛:氰化钾:氨:二氧化碳=1.0:1.01:1.10:1.05）同时经过计量泵泵入负载了催化剂N10的微通道反应器中，甲硫基丙醛在微通道中的流速为2.5ml/min，氰化钾水溶液在微通道中的流速为4.487ml/min，碳铵水溶液在微通道内的流速为5.954ml/min，控制反应的温度为90℃、压力为1.0MPa，停留时间为1.5min（即反应液流经微通道的时间），流出的液体为澄清无色透明的5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲钾盐水溶液（海因钾盐）270.9675克，其中5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲钠含量为39.176wt%，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲钾盐收率大于99.9%（以甲硫基丙醛计）。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种合成5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲的方法，其特征在于，将2-羟基-4-甲硫基丁腈（或3-甲硫基丙醛、氰化物）与碳铵水溶液经计量泵加入负载催化剂的微通道反应器中进行反应，控制反应温度为60℃～120℃，压力为0.5MPa～1.0MPa，反应物在微通道内的停留时间为1～10min，直接得到适用后段工艺的5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液；
所述负载催化剂为主活性成分为Ni的固相催化剂，余量成分为Al、Fe、Mo、Ti、Cr、Cu、C元素中的两种及以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：控制反应的温度为75℃～90℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：控制反应的压力为0.5MPa～0.8MPa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反应物在微通道内的停留时间为3～7min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述负载催化剂的微通道反应器为分离再结合型、内交叉指型、T型或Y型微通道反应器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的2-羟基-4-甲硫基丁腈选择质量百分含量为60wt%～99.9wt%；所述碳铵水溶液中，氨的质量百分含量为6wt%～12wt%，二氧化碳的质量百分含量为16wt%～31wt%。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的氰化物选自液态氢氰酸、氰化钠水溶液、氰化钾水溶液中的至少一种，所述的液体氢氰酸的浓度为20wt%～99.9wt%，氰化钠或者氰化钾水溶液的浓度为20wt%～45wt%。
8.根据权利要求1、6、7任一项所述的方法，其特征在于：所述2-羟基-4-甲硫基丁腈、氨和二氧化碳的投料摩尔比为1:1.05～1.20:1.0～1.14；对三组分甲硫基丙醛与氰根、氨、二氧化碳的投料摩尔比为1:1.0～1.01:1.1～1.4:1.05～1.1。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲水溶液中，5-（β-甲硫基乙基）-乙内酰脲质量百分含量为18wt%～45wt%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 675000 salon village, Qinfeng Town, Lufeng County, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province Applicant after: Tianbao Animal Nutrition Technology Co.,Ltd. Address before: 675000 salon village, Qinfeng Town, Lufeng County, Chuxiong Yi Autonomous Prefecture, Yunnan Province Applicant before: LUFENG TIANBAO PHOSPHORUS CHEMICAL Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |