CN112430182A - 一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法及应用 - Google Patents

一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法，包括如下步骤：以钴盐和一氧化碳为原料，甲醇为溶剂，硫代硫酸钠、硫化钠、金属锰为辅料，搅拌条件下低压合成羰基钴催化剂；在催化剂体系内通入一氧化碳，原位加入氯化苄、液碱，搅拌条件下低压合成苯乙酸钠；合成体系内原位曝气，沉淀钴、锰，固液分离，收集分离液，蒸馏，得到的蒸馏浓缩液；对蒸馏浓缩液进行脱色、洗盐、浓缩，得到苯乙酸钠浓缩液，可直接用于青霉素发酵。本发明合成方法操作简单，工艺单元连续，过程无反复重工艺单元，符合原子经济性，制得的苯乙酸钠纯度高、收率高。工艺处理过程不不产生酸性废水，同时也不产生含有异味的苯乙酸，废水处理成本低且工艺环保。

Description

一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法及应用
技术领域
本发明涉及苯乙酸钠合成技术领域，更具体的说是涉及一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法及应用。
背景技术
苯乙酸钠作为有机合成的中间体，主要用于青霉素生产。苯乙酸钠合成方法多达数十种，但由于大多数方法操作复杂、原料价格高，难以应用于工业化生产。此外，实际用于青霉素发酵的苯乙酸钠处理工艺都包含苯乙酸操作单元，苯乙酸异味较大，难以治理；且合成苯乙酸过程产生大量酸性废水，处理废酸水需要大量碱，工艺经济性差，容易对环境造成不良影响。
因此，如何简化苯乙酸钠合成及应用工艺，降低污染及处理成本是本领域亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明打破现有直接合成苯乙酸工艺的局限，提供了一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成工艺，产出直接用于青霉素发酵的苯乙酸钠浓缩液，工艺过程中不会产生含有异味的苯乙酸，不反复使用酸碱，符合原子经济性；废水主要为氯化钠溶液，处理简单、回收成本低。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法，包括如下步骤：
(1)苯乙酸钠的合成
11)制备羰基钴催化剂
以钴盐和一氧化碳为原料，甲醇为溶剂，硫代硫酸钠、硫化钠、金属锰为辅料，搅拌条件下低压合成羰基钴催化剂；
12)合成苯乙酸钠
在步骤11)获得的催化剂体系内通入一氧化碳，原位加入氯化苄、液碱，搅拌条件下低压合成苯乙酸钠；
(2)产物后处理
21)催化剂及甲醇的分离
在步骤12)获得的合成体系内原位曝气，沉淀钴、锰，固液分离，收集分离液；
对分离液进行蒸馏，将低沸点甲醇蒸出，得到的蒸馏浓缩液；蒸出的甲醇经过精馏重复用于制备羰基钴催化剂；
22)脱色
利用分子截留量500-2000Da纳滤膜对蒸馏浓缩液进行脱色，去除色素和有机杂质，得到纳滤滤液；
23)除盐
利用分子截留量100-1000Da纳滤膜对纳滤滤液进行纳滤分离，分离过程中补充纯化水进行洗盐，获得苯乙酸钠溶液；
24)浓缩
所得苯乙酸钠溶液经过减压蒸馏得到苯乙酸钠浓缩液，所述苯乙酸钠浓缩液满足青霉素发酵要求。
本发明制备羰基钴催化剂、合成苯乙酸钠、催化剂氧化沉淀都在合成反应釜直接原位完成，催化剂合成条件温和，使用原料价格低。合成催化剂后不经过分离，原位合成苯乙酸钠，硫化钠、硫代硫酸钠作为稳定剂可保护羰基钴催化剂稳定存在；然后原位曝气处理，可将金属离子钴、锰沉淀，分离后回收重复利用；蒸馏回收甲醇，蒸馏浓缩液通过分子量为500-2000Da纳滤膜脱色，再用分子截流量100-1000Da的纳滤膜对苯乙酸钠与氯化钠、硫代硫酸钠、硫化钠进行分离，得到的苯乙酸钠溶液减压浓缩，通过控制蒸出馏分量即可得到所需浓度的直接用于青霉素发酵使用的苯乙酸钠。
上述过程可用化学式表达如下：
CoCl2+4CO→Co(CO)4 -
Figure BDA0002737775910000031
Co(CO)4 -+O2→CoO↓+Co(OH)2↓
优选地，步骤(1)中
甲醇与钴盐摩尔比为(150-450)：1；
硫代硫酸钠与钴盐的摩尔比为(0.01-0.1)：1；
硫化钠与钴盐摩尔比为(0.05-0.5)：1；
金属锰粒度为100-400目，金属锰与钴盐摩尔比为(1-3)：1；
氯化苄与钴盐摩尔比为(10-100)：1；
液碱质量分数为40±1％，摩尔浓度为氯化苄的2倍；
优选地，步骤11)中反应温度35-70℃，维持压力在0.01-0.1Mpa，反应时间为3-5h；
步骤12)中反应温度35-70℃，维持压力在0.01-0.1Mpa，3-4h持续加入氯化苄、滴加液碱，加料后反应5-6h。
优选地，步骤21)中原位曝气时间为1-3h。
优选地，步骤21)中的蒸馏为常压蒸馏，蒸馏温度110℃，蒸馏时间3-4h。
优选地，步骤23)中洗盐时纯化水用量为纳滤滤液体积的3-8倍。
上述方法制备的苯乙酸钠浓缩液直接应用于青霉素发酵。
由上述技术方案可知，本发明合成羰基钴催化剂、合成苯乙酸钠、催化剂沉淀处理采用一套反应釜，原位合成，原位处理，操作方便；采用纳滤膜脱色、纳滤膜水洗除盐、减压浓缩组合工艺处理，将羰基化法合成的苯乙酸钠与色素杂质、盐分分离，浓缩成符合青霉素发酵使用的苯乙酸钠溶液，实现羰基化苯乙酸钠直通青霉素发酵。本发明合成方法操作简单，工艺单元连续，过程无反复重工艺单元，符合原子经济性，制得的苯乙酸钠纯度高、收率高。工艺处理过程不不产生酸性废水，同时也不产生含有异味的苯乙酸，废水处理成本低且工艺环保。
附图说明
图1所示为本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，在100L不锈钢反应釜内加入工业氯化钴(CoCl2·6H2O)476g、硫代硫酸钠(Na2S2O3)25g、金属锰(200目)222g、硫化钠(Na2S)48g、甲醇19.2L，然后使用CO气体置换3次，调节压力0.08Mpa，反应温度控制35℃，调节转速800rad/min，反应5h。
在合成催化剂的反应体系中，滴加质量分数40％的氢氧化钠溶液24kg、并添加氯化苄15.2kg，3.5h左右将氢氧化钠溶液及氯化苄加入完毕(氢氧化钠溶液与氯化苄同步添加，过程中无需严格控制pH，然后保持温度到55℃，保持压力0.08MPa，反应6h。
反应结束后，对反应釜内的产物原位曝气处理2小时；然后过滤分离，60L水洗涤滤饼，合并滤液，转移到蒸发器内110℃蒸馏3.5h，将甲醇和少量有机相蒸出，得到的蒸馏浓缩液。使用截留分子量在500-800Da的纳滤膜对蒸馏浓缩液进行脱色，脱色后的纳滤滤液选用截留分子量在100-200Da的纳滤膜进行洗盐，洗盐过程中补加5倍纳滤滤液体积的纯化水。纳滤洗盐后最终得到含微量氯化钠的苯乙酸钠溶液，检测其中苯乙酸钠含量，计算产品收率为90.9％，纯度为99.2％。
对苯乙酸钠溶液进行减压蒸馏浓缩，得到质量分数10％左右的苯乙酸钠浓缩液，进行青霉素发酵摇瓶实验：
实验组：(1)取50mL10％苯乙酸钠浓缩液，调节pH到6.9-7.1，升温至122℃灭菌；
(2)接种子瓶：将斜面菌悬液1.0mL接种子摇瓶(种子瓶培养基由67g/L玉米浆、20g/L蔗糖、5g/L碳酸钙组成，用量30mL)，在25℃下振荡培养48h；
(3)接发酵瓶：每个种子瓶接2个发酵瓶(发酵瓶培养基由15.9g/L玉米浆、104.8g/L乳糖、5g/L碳酸钙、2.5g/L硫酸铵、5.5g/L磷酸二氢钾、0.5g/L硫酸钠组成，用量25mL，接种量3mL)，在25℃下振荡培养48h后，开始用无菌补料器以0.4mL/d补加苯乙酸钠浓缩液，连续补料3天，继续振荡培养144h，摇瓶实验结束，检测青霉素效价。
对照组：(1)取5g苯乙酸(标准测试用样)用质量分数5％的氢氧化钠溶解，调节pH到6.9-7.1，定容到50mL，升温至122℃灭菌，得到苯乙酸溶液；
(2)接种子瓶：将斜面菌悬液1.0mL接种子摇瓶，在25℃下振荡培养48h；
(3)接发酵瓶：每个种子瓶接2个发酵瓶，在25℃下振荡培养48h后开始用无菌补料器以0.4mL/d补加苯乙酸溶液，连续补料3天，继续振荡培养144h摇瓶实验结束，检测青霉素效价。
实验组摇瓶效价为19800U/mL，对照组摇瓶效价为20200U/mL，相差不超过5％，符合青霉素发酵实验要求。
实施例2
苯乙酸钠合成过程基本同实施例1，区别在于将甲醇和少量有机相蒸出，得到的蒸馏浓缩液后，不进行纳滤脱色、纳滤除盐。计算收率95.9％，经检测纯度88.1％。
按照实施例1方法进行青霉素发酵摇瓶实验：
本实施例制备的苯乙酸钠摇瓶效价为15600U/mL，与实施例1对照组结果相差超过5％，不符合发酵实验要求。可见，直通合成用于青霉素发酵的苯乙酸钠必须纳滤脱色、纳滤除盐。
实施例3
苯乙酸钠合成过程同实施例1，区别在于脱色后不使用纳滤膜除盐，直接检测苯乙酸钠浓度，计算收率94.4％，经检测纯度98.1％。
按照实施例1方法进行青霉素发酵摇瓶实验：
本实施例制备的苯乙酸钠摇瓶效价为18000U/mL，与实施例1对照组结果相差超过5％，不符合发酵实验要求。可见，直通合成用于青霉素发酵的苯乙酸钠必须纳滤除盐。
实施例4
苯乙酸钠合成过程同实施例1，区别在于不进行纳滤脱色，直接用纳滤膜除盐，直接检测苯乙酸钠浓度，计算收率92.3％，经检测纯度95.1％。
按照实施例1方法进行青霉素发酵摇瓶实验：
不进行纳滤膜脱色组苯乙酸钠摇瓶效价为16800U/mL。与实施例1对照组结果相差超过5％，不符合发酵实验要求。可见利用纳滤膜脱色可降低色素杂质，必须增加纳滤脱色过程去处色素杂质。
实施例5
苯乙酸合成步骤同实施例1。
反应结束后，对反应釜内的产物原位曝气处理2小时；然后过滤分离，60L水洗涤滤饼，合并滤液，转移到蒸发器内110℃蒸馏3.5h，将甲醇和少量有机相蒸出，得到的蒸馏浓缩液。使用活性炭对蒸馏浓缩液进行脱色，得到的脱色液用20％盐酸进行酸化调pH1.5，过滤，蒸干得固体苯乙酸。称重计算产品收率86％，经检测纯度99.1％。
称取所制备苯乙酸用于青霉素发酵摇瓶实验：过程同实施例1对照组。
本实施例苯乙酸碱化苯乙酸钠摇瓶效价为20100U/mL，相差不超过5％，符合青霉素发酵实验要求。通过与实施例1、2、3对比可知使用组合工艺纳滤膜进行脱色、纳滤除盐、减压浓缩工艺可代替传统制备苯乙酸工艺。
综合对比可以说明直通液体苯乙酸钠用于青霉素发酵的工艺可代替传统酸化结晶再碱化用于青霉素发酵的工艺，纳滤脱色可代替传统活性炭脱色。
本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在
其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)苯乙酸钠的合成
11)制备羰基钴催化剂
以钴盐和一氧化碳为原料，甲醇为溶剂，硫代硫酸钠、硫化钠、金属锰为辅料，搅拌条件下低压合成羰基钴催化剂；
12)合成苯乙酸钠
在步骤11)获得的催化剂体系内通入一氧化碳，原位加入氯化苄、液碱，搅拌条件下低压合成苯乙酸钠；
(2)产物后处理
21)催化剂及甲醇的分离
在步骤12)获得的合成体系内原位曝气，沉淀钴、锰，固液分离，收集分离液；
对分离液进行蒸馏，将低沸点甲醇蒸出，得到的蒸馏浓缩液；蒸出的甲醇经过精馏重复用于制备羰基钴催化剂；
22)脱色
利用分子截留量500-2000Da纳滤膜对蒸馏浓缩液进行脱色，去除色素和有机杂质，得到纳滤滤液；
23)除盐
利用分子截留量100-1000Da纳滤膜对纳滤滤液进行纳滤分离，分离过程中补充纯化水进行洗盐，获得苯乙酸钠溶液；
24)浓缩
所得苯乙酸钠溶液经过减压蒸馏得到苯乙酸钠浓缩液，所述苯乙酸钠浓缩液满足青霉素发酵要求。
2.根据权利要求1所述的一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法，其特征在于，
所述步骤(1)中
甲醇与钴盐摩尔比为(150-450)：1；
硫代硫酸钠与钴盐的摩尔比为(0.01-0.1)：1；
硫化钠与钴盐摩尔比为(0.05-0.5)：1；
金属锰粒度为100-400目，金属锰与钴盐摩尔比为(1-3)：1；
氯化苄与钴盐摩尔比为(10-100)：1；
液碱质量分数为40±1％，摩尔浓度为氯化苄的2倍。
3.根据权利要求1所述的一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法，其特征在于，
所述步骤11)中反应温度35-70℃，维持压力在0.01-0.1Mpa，反应时间为3-5h；
所述步骤12)中反应温度35-70℃，维持压力在0.01-0.1Mpa，3-4h持续加入氯化苄、滴加液碱，加料后反应5-6h。
4.根据权利要求1所述的一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法，其特征在于，
所述步骤21)中原位曝气时间为1-3h。
5.根据权利要求1所述的一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法，其特征在于，
所述步骤21)中的蒸馏为常压蒸馏，蒸馏温度110℃。
6.根据权利要求1所述的一种原位羰基化法直通液体苯乙酸钠的合成方法，其特征在于，
所述步骤23)中洗盐时纯化水用量为纳滤滤液体积的3-8倍。
7.根据权利要求1-6任意项所述方法制备的苯乙酸钠浓缩液在青霉素发酵中的应用。
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