CN1123588C

CN1123588C - 聚天门冬氨酸的合成方法

Info

Publication number: CN1123588C
Application number: CN 01141663
Authority: CN
Inventors: 谭天伟; 方莉; 曹辉
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2001-10-08
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2003-10-08
Anticipated expiration: 2021-10-08
Also published as: CN1341676A

Abstract

本发明聚天门冬氨酸的合成方法是以天门冬氨酸为原料，在酸性催化剂存在下，在聚合反应器中通入氮气、常压或真空条件下，在聚合反应器中，在150～350℃范围内，恒温0.5～6小时制得的粉末经水洗、干燥得到聚琥珀酰亚胺，再经水解、沉淀、过滤和干燥得到聚天门冬氨酸。酸性催化剂的加入量是天门冬氨酸的0.05～0.7(摩尔比)。聚合反应器为卧式双轴捏合机，两轴的旋转方向相反，主轴转速为：15～45转/分钟。聚合反应在真空条件下进行时，真空度为0.01～0.1MPa。克服了反应过程中因反应物结块阻碍系统正常运转的问题，原料转化率可达99.9%，产品分子量可达1000～180000，产品颜色浅，质量高。

Description

聚天门冬氨酸的合成方法

(一)技术领域

本发明涉及以天门冬氨酸为原料经固相聚合反应由中间产物聚琥珀酰亚胺制备聚天门冬氨酸的合成方法。

(二)背景技术

聚天门冬氨酸是一种用途十分广泛的环境友好型生物高分子材料，除具有水溶性羧酸的性质外，还有极易降解的特性，分子量不同的聚天门冬氨酸产品可广泛地用于水处理剂、洗涤剂、化妆品、抑菌剂、分散剂、螯合剂、制革、制药、水凝胶等领域，是一种用途极为广泛的，无毒、无污染、易降解的环境友好型化学品。产品合成过程中原料易得，成本较低。目前聚天门冬氨酸的合成主要采用化学合成法，该方法可分为三个步骤：第一步是以天门冬氨酸为原料制取中间体聚琥珀酰亚胺；第二步是聚琥珀酰亚胺水解制取聚天门冬氨酸盐及其盐酸化制取聚天门冬氨酸；第三步是聚天门冬氨酸及其盐的分离纯化。第一步是决定目的产物聚天门冬氨酸分子量及其使用特性的关键步骤。采用不同的路线及方法合成聚天门冬氨酸所得到的产品的性质也有所差异。一般说来，合成聚天门冬氨酸所采用的反应器有流化床、螺杆挤出机、浅盘式反应器、高压搅拌釜，平板干燥器等，流化床可以用CO₂及空气等载气除去反应生成的水，可以得到较高分子量(800～100000)产品，而且转化率较高，但操作较复杂。螺杆挤出机可实现连续化，适用固态反应，可以不用有机溶剂，但产品分子量较小。浅盘反应器、平板干燥器得到产品的分子量较高(浅盘最高可达40000，平板干燥器达35000)，但都属薄层多级反应，操作比较复杂，且对温度场均匀程度要求较高，一旦局部超温，反应物极易于结焦，生产规模难于放大。高压搅拌釜操作简单，从反应体系上又分为有溶剂体系和无溶剂体系，无溶剂体系后续处理工艺简单，成本较低，但搅拌不容易均匀，产品质量不容易控制，且在反应过程中易发生产品结块而阻碍搅拌；有溶剂体系比较容易实现，但产品批次之间的质量也不容易保持一致，且溶剂成本较高，后处理工序繁琐。

根据有关用天门冬氨酸为原料经过固相聚合反应制备聚天门冬氨酸的技术报道，“聚琥珀酰亚胺的制备方法”[ポリスクシンィミドの制造方法，JP 0931196(1997)]是以天门冬氨酸为原料，以卧式混炼机为反应器，在酸性催化剂(主要为磷酸)存在条件下，于150～300℃聚合制备聚琥珀酰亚胺，该聚合反应既可连续操作也可分批操作，连续操作时，平均停留时间为1～360分钟；可常压、减压或在有惰性气体(如N₂)存在条件下进行反应；催化剂加入量为原料总量的0.001～0.3(摩尔比)。制备聚琥珀酰亚胺时，先在一个搅拌器中，将原料与催化剂在有或没有溶剂存在条件下，混合均匀，再将混合物加入卧式混炼机进行聚合反应。该过程所制得的聚琥珀酰亚胺分子量为14900～19000，原料转化率达99.9％。该卧式混炼机水平方向上有两个转轴，每个转轴上有多级搅拌桨叶。两轴转速比1∶2，搅拌桨为多级结构复杂，搅拌强度不足，产品分子量较小不足两万，产品颜色较深。在“聚琥珀酰亚胺的制备方法”[ポリスクシンィミドの制造方法JP 0931197(1997)]所用原料和工艺条件与JP 0931196相同，只是所采用的反应器不同，聚合反应在连续挤出式混炼机中进行，混炼机的长径比为1～20，反应过程中反应物停留时间较短。用该方法制得的聚琥珀酰亚胺分子量为1500～17500，原料转化率达99.9％。该方法仍然存在与JP 0931196共同的不足之处，如：聚合前原料与催化剂需进行预混合；催化剂加入量受限制，当催化剂加入量超过0.3(摩尔比)时，会出现反应物结块阻碍反应器无法正常运转；产品颜色深，分子量范围小等等。

聚天门冬氨酸的制备[US 5830985 Preparation of polyaspartic acid(1998)]，公开了以天门冬氨酸为原料，以流化床干燥器为反应器，以CO₂、N₂为载气，在酸性催化剂(主要为磷酸)存在条件下，于150℃～200℃，聚合制备聚琥珀酰亚胺，聚琥珀酰亚胺经NaOH水解，得到聚天门冬氨酸钠盐，分子量为800～100000。反应器属于流态化反应器，由于反应在流化状态下进行，对原料粒径有苛刻要求，对控制系统要求较高，工艺条件的控制较困难，实现工业化较困难。

(三)发明内容

本发明聚天门冬氨酸的合成方法提出一种可以获得分子量范围宽、转化率高、颜色好的固相聚合反应合成聚天门冬氨酸的方法。

本发明是以天门冬氨酸为原料，在酸性催化剂存在下，在聚合反应器中通入氮气、常压或真空条件下，在150～350℃范围内，恒温0.5～6小时制得的粉末经水洗、干燥得到聚琥珀酰亚胺，再经水解、沉淀、过滤和干燥得到聚天冬氨酸。本发明的技术要点在于：酸性催化剂的加入量是天门冬氨酸的0.05～0.7(摩尔比)；聚合反应在真空条件下进行时真空度为0.01～0.1Mpa。聚合反应器为卧式双轴捏合机，双轴捏合机的两轴的旋转方向相反，主轴转速为：15～45转/分钟。双轴捏合机的两轴的搅拌桨为切线排列时，转速比为1∶1.5～3。双轴捏合机的两轴的搅拌桨为重叠排列时，转速比为1∶1或1∶2。双轴捏合机的桨叶为∑型、鱼尾型、分散式、单曲线型或多段切割型。

普通捏合机是一种用于高粘度物质混炼的机械设备，一般用于橡胶、油墨、胶粘剂的混炼、捏合。通用的捏合机是两个转动方向相反的轴上安装有桨叶，通过桨叶的作用，使物料翻滚完成混合过程。两桨叶可以是切线排列，两轴转速比为(1∶1.7)；两桨叶也可以是重叠排列，两轴转速比为(1∶1)。桨叶有∑型、鱼尾型、分散式、单曲线型或多段切割型。本发明采用的卧式双轴捏合机是在普通捏合机的基础上对转轴参数和操作真空度方面进行了改进，以适合于天门冬氨酸聚合反应过程的特殊要求。在天门冬氨酸聚合反应过程中，反应原料天门冬氨酸是粉末状物料，催化剂是液体物料，在反应初期经搅拌混合呈粘稠状混合物，反应一段时间后由于天门冬氨酸高度聚合脱水，反应物凝聚硬化形成坚硬的固体，要求搅拌装置能迅速将它粉碎成粉末状，否则会形成大块固体，并导致搅拌无法正常运行。本发明所用的卧式双轴捏合机的由于两转轴的反方向旋转；具有合适的转速和转速比；主轴转速可以随着反应的进程而变化。由于搅拌桨搅拌强度大，混合效果好，反应物混合均匀，克服了局部超温易于结焦的问题。聚合前原料与催化剂不需进行预混合，由于搅拌桨剪切力大，成功解决了反应过程中反应物结块阻碍搅拌的问题，所以提高催化剂加入量，即使催化剂加入量与原料总量之比大于0.6(摩尔比)，系统仍能顺利运转，本发明得到的产品分子量范围可以达到1000～180000，转化率高达99.9％，颜色较浅，质量好。

采用本发明所制备的聚天门冬氨酸产品分子量在2万以上主要用于制备吸水性凝胶、树脂、化妆品及卫生保健用品，产品分子量在2万以下主要用于制备缓蚀剂、阻垢剂、分散剂、水处理剂、植物生长促进剂及油田化学助剂等。

(四)具体实施方式

本发明采用凝胶过滤色谱法测定聚天门冬氨酸分子量，所用的分离柱：Pharmacia公司产Superose12，1×30cm；流动相：0.02M的磷酸缓冲溶液(PH7.0)；检测器：UV206nm；标准品：Pharmacia公司产葡聚糖。本发明原料转化率的测算方法如下：由于反应中间体聚琥珀酰亚胺溶于DMF(N，N-二甲基甲酰胺)，而原料天门冬氨酸不溶，在合成反应结束后，称取一定量反应生成物溶于DMF中，12小时以后，将DMF不溶分过滤、干燥、称重，用下式计算原料转化率。原料转化率％＝100-反应生成物中天门冬氨酸(DMF不溶分)的含有率。

实施例1：

常压条件下，将0.5Kg(3.76mol)L-天门冬氨酸，0.018Kg(0.19mol，相当于原料加入量的0.05)85％磷酸直接加入5升卧式双轴捏合机(搅拌桨为分散式，双桨排列方式为切线型，转速比为1∶15，主轴转速15转/分钟)，搅拌升温至160℃，恒温1小时制得白色粉末。将该产物用水洗至中性，40℃条件下减压干燥，即制得0.413Kg聚琥珀酰亚胺，然后在70℃条件下，用25％NaOH溶液水解聚琥珀酰亚胺再加入甲醇，沉淀，过滤，在45℃条件下减压干燥，制得白色聚天门冬氨酸成品，聚天门冬氨酸分子量为1000，原料转化率95.8％。

实施例2：

常压条件下，将05Kg(3.76mol)L-天门冬氨酸，0.258Kg(2.632mol，相当于原料加入量的0.70)85％磷酸直接加入5升卧式双轴捏合机(搅拌桨为分散式，双桨排列方式为切线型，转速比为1∶15，主轴转速15转/分钟)，搅拌升温至190℃，恒温2小时制得浅黄色粉末。将该产物用水洗至中性，40℃条件下减压干燥，即制得0.401Kg聚琥珀酰亚胺，然后在70℃条件下，25％NaOH溶液水解聚琥珀酰亚胺，再加入甲醇，沉淀，过滤，在45℃条件下减压干燥，制得浅黄色聚天门冬氨酸成品，聚天门冬氨酸分子量为8000，原料转化率97.6％。

实施例3：

将0.5Kg(3.76mol) L-天门冬氨酸，0.037Kg(0.376mol，相当于原料加入量的0.10)85％磷酸直接加入5升卧式双轴捏合机(搅拌桨为多段切割型，双桨排列方式为重叠型，转速比为1∶2，主轴转速30转/分钟)，通入N₂，搅拌升温至180℃，恒温2小时制得白色粉末。将该产物用水洗至中性，40℃条件下减压干燥，即制得0.395Kg聚琥珀酰亚胺，然后在70℃条件下，用25％NaOH溶液水解聚琥珀酰亚胺，再加入甲醇，沉淀，过滤，在45℃条件下减压干燥，制得白色聚天门冬氨酸成品，聚天门冬氨酸分子量为35000，原料转化率98.2％。

实施例4：

将0.5Kg(3.76mol)L-天门冬氨酸，0.111Kg(1.128mol，相当于原料加入量的0.30)85％磷酸直接加入5升卧式双轴捏合机(搅拌桨为多段切割型，双桨排列方式为重叠型，转速比为1∶2，主轴转速30转/分钟)，通入N₂，搅拌升温至240℃，恒温4小时制得浅黄色粉末。将该产物用水洗至中性，40℃条件下减压干燥，即制得0.35Kg聚琥珀酰亚胺，然后在70℃条件下，用25％NaOH溶液水解聚琥珀酰亚胺，再加入甲醇，沉淀，过滤，在45℃条件下减压干燥，制得浅黄色聚天门冬氨酸成品，聚天门冬氨酸分子量为80000，原料转化率99.1％。

实施例5：

将0.8Kg(6.02mol)L-天门冬氨酸，0.295Kg(3.01mol，相当于原料加入量的0.50)85％磷酸直接加入5升卧式双轴捏合机(搅拌桨为多段切割型，双桨排列方式为重叠型，转速比为1∶2，主轴转速30转／分钟)，通入N₂，搅拌升温至320℃，恒温6小时制得浅褐色粉末。将该产物用水洗至中性，40℃条件下减压干燥，即制得0.536Kg聚琥珀酰亚胺，然后在70℃条件下，用25％NaOH溶液水解聚琥珀酰亚胺，再加入甲醇，沉淀，过滤，在45℃条件下减压干燥，制得浅褐色聚天门冬氨酸成品，聚天门冬氨酸分子量为160000，原料转化率99.9％。

实施例6：

在真空度为0.01MPa条件下，将0.5Kg(3.76mol) L-天门冬氨酸，0.018Kg(0.19mol，相当于原料加入量的0.05)85％磷酸，直接加入5升卧式双轴捏合机(搅拌桨为鱼尾型，双桨排列方式为切线型，转速比为1∶3，主轴转速45转/分钟)，搅拌升温至150℃，恒温4小时，制得白色粉末。将该产物用水洗至中性，40℃条件下减压干燥，即制得0.301Kg聚琥珀酰亚胺，然后在70℃条件下，用NaOH溶液水解聚琥珀酰亚胺，再加入甲醇，沉淀，过滤，在40℃条件下减压干燥，制得白色聚天门冬氨酸成品，聚天门冬氨酸分子量为35000，原料转化率99％。

实施例7：

在真空度为0.1MPa条件下，将1Kg(7.52mol)L-天门冬氨酸，0.147Kg(1.504mol，相当于原料加入量的020)85％磷酸，直接加入5升卧式双轴捏合机(搅拌桨为∑型，双桨排列方式为切线型，转速比为1∶1.5，主轴转速30转/分钟)，搅拌升温至280℃，恒温2小时，制得白色粉末。将该产物用水洗至中性，40℃条件下减压干燥，即制得0.650Kg聚琥珀酰亚胺，然后在70℃条件下，用25％NaOH溶液水解聚琥珀酰亚胺，再加入甲醇，沉淀，过滤，在45℃条件下减压干燥，制得白色聚天门冬氨酸成品，聚天门冬氨酸分子量为180000，原料转化率99.9％。

实施例8：

在真空度为0.05MPa条件下，将1Kg(752mol)L-天门冬氨酸，0.516Kg(5.264mol，相当于原料加入量的0.70)85％磷酸，直接加入5升卧式双轴捏合机(搅拌桨为鱼尾型，双桨排列方式为切线型，转速比为1∶3，主轴转速在反应半小时内为45转/分钟；以后降到22.5转/分钟)，搅拌升温至350℃，恒温0.5小时，制得白色粉末。将该产物用水洗至中性，40℃条件下减压干燥，即制得0.700Kg聚琥珀酰亚氨，然后在冰浴条件下，用25％NaOH溶液水解聚琥珀酰亚胺，再加入甲醇，沉淀，过滤，在40℃条件下减压干燥，制得白色聚天门冬氨酸成品，聚天门冬氨酸分子量为56000，原料转化率99.6％。

Claims

1、聚天门冬氨酸的合成方法，是以天门冬氨酸为原料，在酸性催化剂存在下，在聚合反应器中通入氮气、常压或真空条件下，在150～350℃范围内，恒温0.5～6小时制得的粉末经水洗、干燥得到聚琥珀酰亚胺，再经水解、沉淀、过滤和干燥得到聚天冬氨酸，其特征在于：(1)酸性催化剂的加入量是天门冬氨酸的0.05～0.7(摩尔比)；(2)聚合反应器为卧式双轴捏合机，双轴捏合机的两轴的旋转方向相反，主轴转速为：15～45转/分钟。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：聚合反应在真空条件下进行时，真空度为0.01～0.1Mpa。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：双轴捏合机的两轴的搅拌桨为切线排列，转速比为1∶1.5～3。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：双轴捏合机的两轴的搅拌桨为重叠排列，转速比为1∶1或1∶2。

5、根据权利要求1、3或4所述的方法，其特征在于：双轴捏合机的桨叶为∑型、鱼尾型、分散式、单曲线型或多段切割型。