CN117043139A - 制备2-羟基-4-甲硫基丁腈或其硒等价物的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由氢氰酸和3‑甲硫基丙醛(MTP)或相应的硒醛(MSeP)制备2‑羟基‑4‑甲硫基丁腈(HMTBN)或其硒等价物(HMSeBN)的方法，包括以下步骤：将HCN与MTP或与MSeP的摩尔比调节至大于或等于1的值，并将pH调节并保持在大于或等于3.5的值，以获得其中形成HMTBN或HMSeBN的反应介质，然后将反应介质的pH降低至小于或等于2.5的值并从反应介质中提取HCN，以及回收HMTBN或HMSeBN。本发明还涉及该方法的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种分别由3-甲硫基丙醛(MTP)或3-甲硒基丙醛(MSeP)与氢氰酸(HCN)生产2-羟基-4-甲硫基丁腈(HMTBN)或2-羟基-4-甲硒基丁腈(HMSeBN)的方法的改进。
背景技术
HMTBN和HMSeBN是合成蛋氨酸及其硒等价物(硒代蛋氨酸)的前体。作为说明，文献WO01/60790A1中描述了由HMTBN合成甲硫氨酸。通过与氨反应，将HMTBN转化为2-氨基-4-甲硫基丁腈(AMTBN)，继而在碱性介质中与丙酮反应形成2-氨基-4-甲硫基丁酰胺(AMTBM)。AMTBM催化水解生成蛋氨酸铵，从中回收蛋氨酸。
HMTBN也是生产蛋氨酸的羟基类似物(2-羟基-4-甲硫基丁酸(HMTBA))中的中间体。例如，根据文献US2001/0001105A1，已知一种由2-羟基-4-甲硫基丁腈(HMTBN)合成2-羟基-4-甲硫基丁酸(HMTBA)的连续方法，该方法由以下组成：在第一步中，在无机酸(如硫酸)的水溶液存在下，将HMTBN水合为2-羟基-4-甲硫基丁酰胺(HMTBM)，然后在第二步中，将HMTBM水解为HMTBA。在硒系列中可以进行类似的合成，得到2-羟基-4-甲硒基丁酸(HMSeBA)。
蛋氨酸市场的规模不再需要介绍，特别是在动物营养领域，其生产方法仍然是众多发展的主题。
2-羟基-4-甲硫基丁酸(HMTBA)，为蛋氨酸的液体等价物，其盐，其螯合物，特别是金属螯合物(Ca、Zn、Co、Mn、Cu、Fe、Mg…)以及其酯，如HMTBA的异丙酯和叔丁酯，也广泛应用于动物营养领域。同样，这种酸、这些盐、这些螯合物和这些酯的硒衍生物在动物营养中具有重要意义。
由氢氰酸(HCN)和3-甲硫基丙醛(MTP)制备HMTBN是众所周知的并且在工业规模上广泛使用，例如文献US2012/215022A1中公开的方法。该方法包括以下步骤：
MTP与HCN在选自胺的催化剂的存在下,在多区反应器中反应，以产生含有形成的HMTBN以及试剂(MTP和HCN)和催化剂的反应混合物，和
未反应的HCN从反应介质中提取至含有MTP和催化剂的吸收区，在吸收区中再次反应。
根据该方法，获得了大于99mol％的HMTBN产率。
MTP与HCN生成HMTBN的反应是平衡的，除了HMTBN之外，反应介质总是含有残余的HCN和MTP。
根据US2012/215022A1的方法通过使用接近1的HCN/MTP比并通过从反应介质中提取残余的HCN，使得可以改善该方法的收益性。此外，与其它碱性催化剂相比，使用胺类催化剂使得可以限制MTP的副产物的形成。
这些方法的缺点是在获得的HMTBN中HCN和MTP的残余浓度很高。
HMTBN中残余HCN的存在导致在下游步骤中形成甲酸，导致最终产品质量下降和/或水性流出物的化学需氧量(COD)增加，使其处理费用昂贵。
根据EP0601195A1，在由HMTBN生产2-羟基-4-甲硫基丁酸(HMTBA)的背景下，说明了由MTP和HCN制备HMTBN的步骤。该反应在NaOH的存在下,以1.1的HCN：MTP摩尔比进行，然后加入硫酸将pH降低至3。通过加压蒸馏提取未反应的HCN，使得可以限制上述甲酸的形成。尽管如此，MTP含量仍然很高，并影响下游形成的产品(特别是HMTB)的纯度。
反应介质中MTP的存在确实同样有害，因为这种醛导致由MTP的低聚反应产生的羟醛型降解产物、crotomer和衍生物的形成，这与HCN一样导致蛋氨酸或HMTBA产率的降低，并且如果不提取这些产物，可能会降低最终产物的质量。
发明内容
本发明提供了一种能够降低反应介质中MTP和HCN的含量并因此减少与它们的存在相关的缺点的解决方案，其结果是增加了合成产率、避免了对该方法流出物进行昂贵处理并改进了最终产物的质量。
本发明提供一种分别由3-甲硫基丙醛(MTP)或3-甲硒基丙醛(MSeP)与氢氰酸(HCN)制备2-羟基-4-甲硫基丁腈(HMTBN)或2-羟基-4-甲硒基丁腈(HMSeBN)的方法，该方法至少包括以下步骤：
将HCN与MTP或与MSeP的摩尔比调节至大于或等于1的值，并将pH调节并保持在大于或等于3.5的值，以获得其中形成HMTBN或HMSeBN的反应介质，
然后将反应介质的pH降低至小于或等于2.5的值，并从反应介质中提取HCN，
以及回收HMTBN或HMSeBN。
已经发现，根据上述方法，通过结合分别在HCN的合成和提取中的确定的HCN与MTP比值和确定的反应介质的pH值，设法促进反应介质中MTP的消耗，这使得可以回收不含或含很少量醛和HCN的HMTBN或HMSeBN料流。这种方法的另一个主要优点在于，在实施时，可以适应传统的生产线而无需进行实质性改造。
在该方法的第一步中，需要分别调节HCN与MTP的比值和反应介质的pH值，以促进HMTBN或HMSeBN的形成并且残余MTP浓度尽可能低。
关于HCN与MTP的比率，已知当其大于1时，反应的平衡导致低的MTP残余浓度。根据本发明，该HCN与MTP的比率被确定为至少1的值；有利地，该值保持接近1，特别地可以在1至2之间变化，2的值必须被认为是最大值，因为超过该值，过量的HCN在经济上非常有害。反应介质的pH确定为至少3.5的值，但对于最佳反应，优选至少4，甚至更好至少5，这是在工业规模上实施该合成过程中的重要参数。
具体实施方式
在详细讨论本发明之前，定义了本文中使用的某些术语和表达。
“大于或等于…的值”或“至少...的值”是指上限显然不是无限的。如前所述，MTP与HCN的反应是本领域技术人员已知的，并且由他们的常识来估计该值，超过该值就不能再进行相关步骤。因此，在第一步时，HCN/醛的比率通常不超过2；类似地，反应介质的pH不会超过8。
此外，“小于或等于…的值”或“至多…的值”，本领域技术人员可以理解，低于下限时，相关步骤不能再进行。因此，当反应介质的pH值降低至3.5或更低的值时，可以理解其不能低于0。
本文中的醛是指MTP(对于甲巯基丙醛也相当于MMP，对于甲硫基丙醛也相当于AMTP)和MSeP。
本发明方法的优选特征如下所述，它们可以单独或组合考虑。
根据本发明的优选实施，将HCN与MTP的摩尔比调节至大于或等于1.02的值。低于时，观察到该方法的性能趋于降低。但有利地，该值不超过1.5，提取HCN所需的能量与预期收益相比变得太高。
本发明方法的另一个优点在于它可以在非常宽的温度范围内进行。优选的范围是50℃至110℃。HCN取决于温度而呈液态或气态。在一个实施方案中，HCN以气态形式供应到反应介质中，并且所述介质的温度保持在30℃以上，更好50℃以上，或者甚至60℃以上。
反应介质中的压力条件在1至1.5bara(绝对巴)的范围内。
通常通过缓冲溶液来确保将pH调节至至少3.5的值并保持在该值。这可以选自本领域技术人员可以利用的所有合适的对中选择，例如柠檬酸/柠檬酸钠、柠檬酸/苛性钠、柠檬酸钠/磷酸。
根据本发明方法的主要特征，在第二步中，将所述反应介质的pH降低至小于或等于2.2的值，特别是小于或等于2的值，或者甚至是小于或等于1.5的值。
通过酸将反应介质的pH降至低于或等于2.5的值，该酸是本领域技术人员基于其技能能够选择的。该酸特别地选自无机酸，例如硫酸、硝酸、盐酸及其任何混合物。
可以通过任何合适的技术从反应介质中提取HCN，该技术例如汽提(使用载气，例如蒸汽、氮气、空气、CO2及其任何混合物)、蒸发、蒸馏、膜方法。在本发明的优选变型中，使用蒸发。
HCN的提取使其可以在与醛反应的步骤中再循环。它可以直接再循环，也可以在重新引入反应介质之前通过一个或多个操作进行处理。
本发明的方法可以连续进行，这也是使用该方法的优选模式。
如前所述，本发明方法的应用包括蛋氨酸、硒代蛋氨酸、2-羟基-4-甲硫基丁酸(HMTBA)和2-羟基-4-甲硒基丁酸(HMSeBA)的生产，
因此，本发明提供了一种分别由2-羟基-4-甲硫基丁腈(HMTBN)或2-羟基-4-甲硒基丁腈(HMSeBN)开始生产蛋氨酸或硒代蛋氨酸的方法，该方法至少包括以下步骤：
通常通过上述的方法或其任何一种变型来制备HMTBN或HMSeBN，和
将所述HMTBN或HMSeBN通过以下方式之一分别转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸：
a)将HMTBN或HMSeBN直接转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸；举例来说，该转化可以在至少水和包含氧化铝、二氧化钛和氧化锆中至少一种的催化剂的存在下进行，并且任选地，甚至优选在氨的存在下进行，或者
b)将HMTBN与NH3和CO2反应生成蛋氨酸乙内酰脲，用碱如NaOH、K2CO3皂化蛋氨酸乙内酰脲，生成蛋氨酸钠或蛋氨酸钾；然后将这种蛋氨酸盐酸化形成蛋氨酸，
例如在US5990349A中所述，或者
c)将HMTBN或HMSeBN转化为2-氨基-4-甲硫基丁腈(AMTBN)或2-氨基-4-甲硒基丁腈(AMSeBN)，
将AMTBN或AMSeBN转化为2-氨基-4-甲硫基丁酰胺(AMTBM)或2-氨基-4-甲硒基丁酰胺(AMSeBM)，
将所述AMTBM或AMSeBM水解成蛋氨酸或硒代蛋氨酸，
例如在WO01/60790A1中所述，或者
d)将HMTBN或HMSeBN转化为2-氨基-4-甲硫基丁腈(AMTBN)或2-氨基-4-甲硒基丁腈(AMSeBN)，
将AMTBN或HMSeBN转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸；
举例来说，根据方式d)将AMTBN或AMSeBN分别转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸是在至少水和包含氧化铝、二氧化钛和氧化锆中的至少一种的催化剂的存在下进行的，并且任选地在氨的存在下进行。
本发明还提供一种分别由2-羟基-4-甲硫基丁腈(HMTBN)或2-羟基-4-甲硒基丁腈(HMSeBN)生产2-羟基-4-甲硫基丁酸(HMTBA)或2-羟基-4-甲硒基丁酸(HMSeBA)的方法，该方法至少包括以下步骤：
通过通常如上所述的方法或其任何一种变型制备HMTBN或HMSeBN，和将HMTBN或HMSeBN转换为HMTBA或HMSeBA。
例如，在至少水、弱酸(如乙酸、甲酸和丙酸)以及包含氧化铝、二氧化钛、氧化锆中的至少一种的催化剂存在下，将HMTBN或HMSeBN转化为HMTBA或HMSeBA。
本发明及其优点在以下实施例中说明。
实施例1：HCN∶MTP摩尔比为1.1:1的根据本发明的HMTBN的合成
通过将含有10％HCN、61％N2、1％CO2、4％CO和24％水(以质量百分比表示)的气态HCN流与液态MTP接触进行HMTBN合成。摩尔比为1.1:1。用柠檬酸/柠檬酸钠混合物将介质缓冲至pH＝5，反应在70℃下进行。
获得的HMTBN溶液含有70.5％(质量)的HMTBN、4000ppm的HCN、1000ppm的MTP和29％(质量)的水。
用硫酸将该混合物的pH降至2。通过在250mbar下将所述混合物加热至65℃，通过蒸发从混合物中提取HCN。最终介质仅含有65ppm的HCN和1200ppm的MTP、72％(质量)的HMTBN和27.9％(质量)的水。
将蒸汽部分冷凝。由75％(质量)HCN、9％(质量)空气和16％(质量)水组成的剩余气体随HCN流返回到合成中。
由97％(质量)水、0.2％(质量)MTP和2.8％(质量)HCN组成的液体随MTP返回到合成中。
实施例2：HCN:MTP摩尔比为1.05:1的根据本发明的HMTBN的合成
通过将含有10％HCN、61％N2、1％CO2、4％CO和24％水(以质量百分比表示)的HCN气体流与液态MTP接触进行HMTBN合成。摩尔比为1.05:1。用柠檬酸/柠檬酸钠混合物将介质缓冲至pH＝5，反应在70℃下进行。
获得的HMTBN溶液含有70.5％(质量)的HMTBN、2000ppm的HCN、1900ppm的MTP和29.1％(质量)的水。
用硫酸将该混合物的pH降至2。通过在250mbar下将所述混合物加热至65℃，通过蒸发从混合物中提取HCN。最终介质仅含有50ppm的HCN、2100ppm的MTP、72％(质量)的HMTBN和27.8％(质量)的水。
将蒸汽部分冷凝。由66重量％HCN、18重量％空气和16重量％HCN组成的剩余压缩气体随HCN流返回到合成中。
由97％(质量)HCN、0.5％(质量)MTP和2.5％(质量)HCN组成的液体随MTP返回到合成中。
实施例3：不同pH下HMTBN的合成
在上述实施例1的条件下进行HMTBN的合成，不同之处在于，一旦获得HMTBN，将pH分别降低至3.4(用于比较)、2.2、2和1.5(根据本发明)。加入硫酸降低该pH。对于每个测试，测量在从反应介质中除去HCN之前(A)和之后(B)由形成的HMTBN水合产生的HMTBN、HCN、MTP和HMTBM的含量。HMTBN、MTP和HMTBM的含量通过HPLC测定，HCN的含量通过拉曼分析测定。通过用流量为0.5L/min的氮气汽提除去HCN，并收集在含有氢氧化钠的收集器(trap)中，还测定了收集器的HCN含量(C)，所述HCN含量(C)基本上对应于提取的HCN。
下表显示了获得的结果。
表
nd表示未确定
这些结果表明，当反应介质的pH降低至小于或等于2.5，特别是pH为2.2、2或1.5时，MTP含量的增加显著降低，从而限制了MTP降解产物的形成并导致高质量的HMTBN。
进一步观察到，在根据本发明将反应介质降低到的pH值下，收集的HCN量(C)基本上对应于提取的HCN量，而当pH仅降低至3.4时，该收集的HCN量高得多，这意味着HCN正在以HMTBN为代价进行重整。这一观察结果也与MTP的测量量相一致。
Claims (15)
1.一种分别由3-甲硫基丙醛(MTP)或3-甲硒基丙醛(MSeP)与氢氰酸(HCN)制备2-羟基-4-甲硫基丁腈(HMTBN)或2-羟基-4-甲硒基丁腈(HMSeBN)的方法，其特征在于，
将HCN与MTP或与MSeP的摩尔比调节至大于或等于1的值，并将pH调节并保持在大于或等于3.5的值，以获得其中形成HMTBN或HMSeBN的反应介质，
然后将反应介质的pH降低至小于或等于2.5的值，并从反应介质中提取HCN，
以及回收HMTBN或HMSeBN。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将HCN与MTP的摩尔比调节至大于或等于1.02的值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于将pH调节并保持在大于或等于4，优选大于或等于5的值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述方法在50至110℃范围内的温度下进行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于通过选自柠檬酸/柠檬酸钠、柠檬酸/苛性钠、柠檬酸钠/磷酸对的缓冲溶液来调节并保持pH。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在第二步中，将所述反应介质的pH降低至小于或等于2.2，特别是小于或等于2的值，或者甚至是小于或等于1.5的值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于通过选自硫酸、硝酸、盐酸及其任意混合物的酸来降低反应介质的pH。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于通过蒸发、汽提、蒸馏或膜方法从反应介质中提取HCN。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在所述方法中将提取的HCN再循环。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述方法连续进行。
11.一种分别由2-羟基-4-甲硫基丁腈(HMTBN)或2-羟基-4-甲硒基丁腈(HMSeBN)生产蛋氨酸或硒代蛋氨酸的方法，其特征在于
通过权利要求1至10中任一项所述的方法制备HMTBN或HMSeBN，以及
将所述HMTBN或HMSeBN通过以下方式之一分别转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸：
a)将所述HMTBN或HMSeBN直接转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸，或者
b)将所述HMTBN与NH3和CO2反应生成蛋氨酸乙内酰脲，用碱如NaOH、K2CO3皂化蛋氨酸乙内酰脲，生成蛋氨酸钠或蛋氨酸钾；然后将这种蛋氨酸盐酸化形成蛋氨酸，或者
c)将所述HMTBN或HMSeBN转化为2-氨基-4-甲硫基丁腈(AMTBN)或2-氨基-4-甲硒基丁腈(AMSeBN)，
将所述AMTBN或AMSeBN转化为2-氨基-4-甲硫基丁酰胺(AMTBM)或2-氨基-4-甲硒基丁酰胺(AMSeBM)，然后
将所述AMTBN或AMSeBM水解成蛋氨酸或硒代蛋氨酸，或者
d)将所述HMTBN或HMSeBN转化为2-氨基-4-甲硫基丁腈(AMTBN)或2-氨基-4-甲硒基丁腈(AMSeBN)，
将所述AMTBN或AMSeBN转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于根据方式a)，将所述HMTBN或HMSeBN分别转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸是在至少水和包含氧化铝、二氧化钛和氧化锆中的至少一种的催化剂的存在下，并且任选地在氨的存在下进行的。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于根据方式d)，将所述AMTBN或AMSeBN分别转化为蛋氨酸或硒代蛋氨酸是在至少水和包含氧化铝、二氧化钛和氧化锆中的至少一种的催化剂的存在下，并且任选地在氨的存在下进行的。
14.一种分别从2-羟基-4-甲硫基丁腈(HMTBN)或2-羟基-4-甲硒基丁腈(HMSeBN)开始生产2-羟基-4-甲硫基丁酸(HMTBA)或2-羟基-4-甲硒基丁酸(HMSeBA)的方法，其特征在于
通过权利要求1至10中任一项所述的方法制备HMTBN或HMSeBN，以及将所述HMTBN或HMSeBN转化为HMTBA或HMSeBA。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于在至少水、弱酸和包含氧化铝、二氧化钛和氧化锆中的至少一种的催化剂的存在下，将所述HMTBN或HMSeBN分别转化为HMTBA或HMSeBA。
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