一種采用固體酸催化的反應精餾合成羥基乙酸酯的方法
【專利摘要】一種生產羥基乙酸酯的合成方法，以羥基乙酸和烷鏈醇為原料，以732型、D001型陽離子交換樹脂等為固體酸催化劑,通過由精餾段、提餾段和中間多釜氣液相串聯(lián)組成的反應精餾塔，連續(xù)制備羥基乙酸酯。通過控制進料中羥基乙酸和烷鏈醇的物質量的比，反應溫度，催化劑的用量等工藝操作條件來提高羥基乙酸酯化過程的轉化率和收率。在此反應精餾設備和操作條件：鏈烷醇/羥基乙酸的物質量的比例為5:1、各串聯(lián)反應器的反應溫度為70~80℃、塔釜溫度90~110℃、塔頂回流比0.3~0.5，可實現(xiàn)酯化轉化率（以羥基乙酸計）達91%以上，羥基乙酸酯的收率通?？蛇_90%以上。該法與常用的間歇釜式攪拌酯化裝置相比，該法具有處理能力大，操作方便的優(yōu)勢，適用于大規(guī)模化工業(yè)生產。
【專利說明】
一種采用固體酸催化的反應精餾合成羥基乙酸酯的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及到一種羥基乙酸酯的合成方法，以烷鏈醇和羥基乙酸為原料，在732 型、D001型等陽離子交換樹脂的催化作用下，在板式(或填料）塔段與多釜氣液相串聯(lián)反應 器組成的反應精餾設備中連續(xù)反應精餾合成羥基乙酸酯的方法，本領域屬于反應精餾分離 與技術領域。
【背景技術】
[0002] 羥基乙酸酯，包括羥基乙酸甲酯，羥基乙酸乙酯、羥基乙酸(異）丙酯、羥基乙酸丁 酯等，它們在精細合成領域中具有重要的應用。例如羥基乙酸甲酯，又稱羥基醋酸甲酯，甘 醇酸甲酯等，具有腐蝕性低、揮發(fā)性低、難以易燃、無臭、低毒性、生物分解性強、金屬螯合性 好、水溶性高等優(yōu)點；同時羥基乙酸酯的分子結構比較特殊，具有較多的官能團，如含有的 α -H，具有弱酸性，能在堿性條件下發(fā)生取代反應，羥基官能團-OH，可以發(fā)生取代加成消去 等多種反應，是重要的有機合成中間體。此外，羥基乙酸酯還有一個酯基官能團-coo(ch2)xCH3, U=0, 1，2, 3,…），因此在加熱條件下容易水解，在有醇類存在的情況下還會發(fā)生醇解 (或酯交換）反應生成其他的酯類物質。正是由于基乙酸酯的多種官能團，使其具有較活潑 的化學性質，容易發(fā)生各種化學反應使其具有廣泛的使用價值，特別是在抗癌方面，可用來 合成抗癌藥物，如異三尖杉酯堿和其衍生物的合成，它們在抗白血病方面具有很強的療效。 除此之外，羥基乙酸酯在其他醫(yī)藥中間體，化工原料，潤滑劑，染料，農藥等方面也有廣泛的 應用。羥基乙酸酯類在加氫條件下可以合成乙二醇，乙二醇是一種常用的有機溶劑，可以用 來制備聚酯，吸濕劑，增塑劑等，也是化妝品里必備的一種化學物質。在加熱情況下，羥基乙 酸酯類物質會發(fā)生水解反應，生成羥基乙酸和相應的鏈烷醇。羥基乙酸在加熱下還可以生 成乙交酯，進而可自聚制造聚羥基乙酸。聚羥基乙酸是生物相容性很好的高分子材料，在生 物醫(yī)學上，可以用來制作醫(yī)用降解材料，例如無需拆卸的醫(yī)用手術縫合線，骨折固定架等。 羥基乙酸酯類物質還可氨解制備甘氨酸。甘氨酸是人體所必須的一種氨基酸，不僅可用作 食品調味劑，穩(wěn)定劑，還能作為營養(yǎng)液輸送到人體；而且甘氨酸也是生產除草劑草甘膦的重 要原料之一。
[0003] 當前，羥基乙酸酯類物質的合成方法有： ①以鹵代乙酸為原料的中和酯化法。如中國專利CN89105014. 0 (1989年)中以氯乙酸 經(jīng)碳酸鈉中和后得到羥基乙酸，再與乙醇在濃硫酸為催化劑、苯或氯仿等為共沸攜水劑作 用下進行酯化反應，生成羥基乙酸乙酯。
[0004] ②以羥基乙酸和醇為原料的直接酯化法。如陳棟梁[天然氣化工，2005， 25(5):5-7]以30〖/&02為催化劑，在實驗室?guī)嚢璧乃目跓恐羞M行羥基乙酸與甲 醇合成羥基乙酸甲酯，在醇酸摩爾比為5:1，反應6h的條件下，羥基乙酸甲酯的收率可達 89. 5%〇
[0005] ③以甲酸甲酯等和甲醛(或三聚甲醛、多聚甲醛）為原料在加壓下經(jīng)羰基化合成羥 基乙酸甲酯/甲氧基乙酸甲酯。如中國專利CN97107692. 8 (1997年）以甲酸甲酯和甲醛為 原料，以硫酸羰基化合物為催化劑，進行偶聯(lián)和醇解反應，經(jīng)分離后得到羥基乙酸甲酯。中 國專利〇戀7112201.6 (1997 年）、〇吧00510021146.5 (2005 年）、〇吧00610022389.5 (2006 年)則分別以雜多酸等、氨基磺酸、對甲苯磺酸/金屬鹵化物為催化劑，多(或三)聚甲醛和甲 醇反應合成羥基乙酸甲酯和甲氧基乙酸甲酯。美國專利US4824997 (1989年)報道以甲醛、 一氧化碳、氫氣和甲醇為原料，在硫酸和副族IB金屬化合物組成的催化劑作用下合成得到 羥基酸及其甲酯。美國專利US6376723 (2002年)報道在均相或非均相酸催化劑作用下，以 甲醛、氫氣和一氧化碳為原料，經(jīng)羰基化反應可合成得到羥基酸及其酯類化合物。美國專利 US4602102 (1986年)報道以甲醛和二甲氧基甲烷為原料，經(jīng)羰基化反應可合成羥基乙酸甲 酯或乙酯。
[0006] ④以煤基合成氣為原料，合成乙二醇的中間產物--羥基乙酸甲酯，其加氫后即 得到乙二醇。中國專利CN200910061855. 4(2009年)在合成中使用雙種催化劑Pd/ σ-Α1203和Cu-Si02/或Cu-Cr 203或Cu-Zn-Al甲醇合成催化劑上C0、氫氣、甲醇、氧氣和一氧化氮分 別進行亞硝化反應、羰基化反應、加氫反應、精餾分離等步驟得到羥基乙酸甲酯和乙二醇， 其中C0和氫氣的轉化率和選擇性可分別達到99. 9%和98%以上。
[0007] ⑤以草酸二甲酯為原料，經(jīng)加氫催化反應得到羥基乙酸酯。美國專利US4440873 (1984年)、US4585890 (1986年）分別報道了采用Si02負載的金屬銅催化劑制備羥基乙酸 酯和乙二醇。美國專利US5455372 (1995年）以Si02等負載的金屬Cu、Ag或Cu-Cr為催化 劑，草酸二甲酯加氫可得到羥基乙酸酯或乙二醇。
[0008] ⑥甲醛氫氰酸加成物羥基乙腈水解液的酯化法。甲醛和氫氰酸于低溫和催化劑作 用下加成反應生成羥基乙腈，而后羥基乙腈在硫酸/或磷酸等作用下水解生成羥基乙酸和 硫酸銨/磷酸銨；以烷鏈醇為溶劑，可實現(xiàn)羥基乙酸與硫酸銨/或磷酸銨的快速高效分離， 較好地解決了羥基乙腈酸水解液難以分離的問題，這在中國專利CN200910048806. 7 (2009 年）中已做了詳細的報道。以此醇析液為原料，在酸性催化劑作用下進行酯化反應，可制得 相應的羥基乙酸酯類物質。
[0009] 在以上羥基乙酸酯的制備方法中，方法①因使用鹵代乙酸為原料，所得的產品中 或多或少地含有一定量的鹵素物質，如氯離子，限制了其后續(xù)產物羥基乙酸的應用場合。采 用方法③甲酸甲酯和甲醛為原料的加氫反應，因使用強酸性均相或非均相催化劑，合成過 程通常是在較高的溫度(通常100~120°C )、較高的壓力（1. 0MPa~50.0 MPa)下進行的，對反 應設備的腐蝕性強、要求高，原料的轉化率與目的產物的選擇性也不是很高。方法④和方 法⑤中的原料或產物羥基乙酸酯實質是合成氣制備乙二醇的中間產物，合成原料氣的凈化 過程和設備復雜，工藝流程長，在一定程度上限制了該法的應用和發(fā)展。方法②的缺陷是純 品羥基乙酸來源較少，單程酯化反應的轉化率不是很高的。

【發(fā)明內容】

[0010] 本發(fā)明的目的是利用催化反應精餾技術，針對羥基乙腈的水解液分離后得到的醇 析液，在由板式塔段(或填料塔段）與多個汽液相串聯(lián)反應釜組成的反應精餾設備中，將醇 析液進行酯化，得到純凈的羥基乙酸酯類物質，其水解后可制得高純度的羥基乙酸，為進一 步加工成其二聚物（乙交酯）提供原料來源和技術方法。
[0011]
【附圖說明】： 附圖、固體超強酸催化反應精餾裝置簡圖 圖中，1-塔釜（四口燒瓶）；2_電加熱套；3-塔釜出料儲存瓶；4-塔釜料液出料冷卻 器；5-水銀溫度計；6, 17-篩板精餾塔段；7.超級水浴恒溫槽；8, 9, 10, 11，12-150mL夾套 釜式反應器；13-塔間分水器/出料口；14-塔中部出料貯槽；15-塔上部原料液進料儲罐； 16-塔上部進料計量泵；18-塔頂冷凝器；19-回流比調節(jié)控制器；20-塔頂出料收集器； 20-塔下部原料液進料儲罐；16-塔下部進料計量泵；23-進出料調節(jié)考克。
[0012] 本發(fā)明的技術解決方案如下： 本發(fā)明所述的反應是在板式塔段(或填料塔段）和反應釜串聯(lián)的反應精餾設備中連續(xù) 進行的，參見附圖，其中該塔的塔身溫度由循環(huán)水溫度控制，通常在75-80°C，烷鏈醇和羥基 乙酸在醇析液中的摩爾比5: 1，進料量2mL/min，催化劑為732型、201型陽離子交換樹脂 等，其中的裝載量為反應釜體積的5%~50%，最好是20%~30%。
[0013] 本發(fā)明的特點是使用的反應精餾設備結構新穎，連續(xù)化操作，能應用于大規(guī)模生 產。催化劑采用732型、D001型陽離子交換樹脂等催化劑，易與反應產物分離，對設備的腐 蝕性小，過程的轉化率（以羥基乙酸計）和羥基乙酸酯的收率均很高。
[0014]
【具體實施方式】
[0015] 以下實施例中定義的羥基乙酸轉化率和羥基乙酸酯的收率分別為：
氣相色譜分析甲醇和水分的條件：色譜儀GC1102(上海分析儀器廠）；色譜柱為 Φ3πιπιΧ2πι不銹鋼柱，內填充60~80目401有機白色硅烷化單體，預先在250°C下老化24h ; 檢測器為熱導池（T⑶），橋電流150mA ;載氣H2，流量30mL/min ;爐溫70°C ;汽化室溫度 160。。。
[0016] 酯化液中羥基乙酸酯的分析方法：采用皂化法分析羥基乙酸酯的濃度【陳雙莉 等.食用油的碘值，酸值，皂化值的測定及健康評價.遼寧化工.2011，（5) :2~4.】。 [0017] 實施例1 將500mL的純甲醇溶液加入1000mL塔釜（四口燒瓶1)中，在5個150mL的夾套反應器 (8、9、10、11、12)中分別加入100mL羥基乙酸甲醇醇析液，其中甲醇/羥基乙酸摩爾比例為 5:1，再在5個反應器中分別加入經(jīng)處理與干燥后的732型陽離子交換樹脂(處理方法可參 見離子交換樹脂通用的常規(guī)酸堿處理方法)50g作為固體酸催化劑。開啟塔頂冷凝器18的 冷凝水閥門，通入冷卻水；打開塔釜電熱套2加熱電源，進行塔釜1料液升溫；開啟超級水 浴恒溫槽7電源進行加熱，調解水浴槽溫度并恒定在80°C左右。實驗中可先使得整個反應 精餾塔間歇反應3h左右，塔頂回流比由電磁閥19控制的回流比分配器調節(jié)，本實施例1設 定為0. 3。塔上部的含水甲醇由塔間分水器13和出料口 23采出，并儲存于出料貯瓶14中， 其中的含水量可由氣相色譜儀或卡爾費休水分測定儀檢測。塔頂冷凝液經(jīng)氣相色譜分析基 本上為純甲醇，塔頂出料收集于收集器20中，可通過開啟考克直接返回塔釜1繼續(xù)作為原 料循環(huán)使用，補充的新鮮甲醇可由甲醇儲槽21進料計量泵22從塔的提餾段上方進料口進 入塔中。
[0018] 待反應進行3h后，整個反應精饋塔操作漸趨穩(wěn)定，此時開啟醇析液計量泵16,以 2mL/min的速率從塔間分水器13下方進料口將醇析液泵入精餾塔中。待塔釜液達到或超 過其容積量的2/3位置處，緩慢開啟塔釜出料考克，料液經(jīng)塔釜冷卻器4冷卻后收集于釜液 儲存瓶3中；同時在整個實驗過程中需保持塔釜液面穩(wěn)定，釜溫宜維持在85°C ~90°C，并每 隔30min抽取塔釜液和塔間分水器13料液進行氣相色譜分析。反應精餾塔在醇析液初始 進料中羥基乙酸含量3. 85mol/L、醇酸摩爾比5 : 1、回流比0. 3,進料量2mL/min時達到穩(wěn) 定操作后的5h內連續(xù)實驗結果列于實施例1附表1。
[0019] 實施例1表1、反應精餾塔達到穩(wěn)定操作后5h連續(xù)實驗結果*
*穩(wěn)態(tài)操作：初始進料中羥基乙酸含量3. 85mol/L、醇酸摩爾比5 : 1、回流比0.3,進料 量 2mL/min 反應結束后，料液總進料量為600mL，其中含羥基乙酸的質量175. 8g。塔釜總出料量 522. 4g (體積481mL)，其中含有羥基乙酸0. 2106mol/L，羥基乙酸甲酯4. 543mol/L，以此來 計算可得羥基乙酸的轉化率為95. 62%，羥基乙酸甲酯的收率為94. 48%。
[0020] 將塔釜產物經(jīng)蒸餾并收集150°c的餾分，可得到純凈的羥基乙酸甲酯，經(jīng)密度瓶法 準確測定其密度為1. 165g/L，與文獻值1. 167g/L數(shù)值非常接近。
[0021] 實施例2 實驗原料和實驗條件與實施例1相同，將催化劑改為D001型陽離子交換樹脂，反應結 束后，料液總進料量為600mL，其中含羥基乙酸的質量175. 8g。塔釜總出料量514. 5g(體積 490mL)，其中含有羥基乙酸0· 3677mol/L，羥基乙酸甲酯4. 227mol/L，以此來計算可得羥基 乙酸的轉化率為92. 21%，羥基乙酸甲酯的收率為89. 56%。
[0022] 實施例3 所用催化劑為732型陽離子交換樹脂，實驗原料為乙醇醇析液，其他實驗條件與實施 例1相仿，反應結束后，料液總進料量為600mL，其中含羥基乙酸的質量163. 2g。塔釜總出 料量520. 8g (體積496mL)，其中含有羥基乙酸0· 2913mol/L，羥基乙酸乙酯4. 032mol/L，以 此來計算可得羥基乙酸的轉化率為93. 27%，羥基乙酸乙酯的收率為93. 15%。
[0023] 實施例4 所用催化劑為D001型離子交換樹脂，實驗原料為乙醇醇析液，其他實驗條件與實施例 3相同，反應結束后，料液總進料量為600mL，其中含羥基乙酸的質量163. 2g。塔釜總出料量 530. 3g (體積505mL)，其中含有羥基乙酸0. 3707mol/L，羥基乙酸乙酯3. 712mol/L，以此來 計算可得羥基乙酸的轉化率為91. 28%，羥基乙酸乙酯的收率為87. 31%。
[0024] 實施例5 所用催化劑為732型陽離子交換樹脂，實驗原料為異丙醇醇析液，其他實驗條件與實 施例1相仿，反應結束后，料液總進料量為620mL，其中含羥基乙酸的質量173. 2g。塔釜總 出料量581. 4g (體積570mL)，其中含有羥基乙酸0· 2823mol/L，羥基乙酸異丙酯3. 669mol/ L，以此來計算可得羥基乙酸的轉化率為92. 94%，羥基乙酸異丙酯的收率為91. 76%。
[0025] 實施例6 所用催化劑為D001型離子交換樹脂，實驗原料為異丙醇醇析液，其他實驗條件與實施 例5相同，反應結束后，料液總進料量為620mL，其中含羥基乙酸的質量173. 2g。塔釜總出 料量598. 7g (體積587mL)，其中含有羥基乙酸0· 3836mol/L，羥基乙酸異丙酯3. 833mol/L， 以此來計算可得羥基乙酸的轉化率為90. 12%，羥基乙酸異丙酯的收率為89. 72%。
[0026] 實施例7 所用催化劑為732型陽離子交換樹脂，實驗原料為正丁醇醇析液，其他實驗條件與實 施例1相仿，反應結束后，料液總進料量為630mL，其中含羥基乙酸的質量165. 7g。塔釜總 出料量581. 5g (體積580mL)，其中含有羥基乙酸0· 2326mol/L，羥基乙酸正丁酯3. 460mol/ L，以此來計算可得羥基乙酸的轉化率為93. 81%，羥基乙酸正丁酯的收率為92. 07%。
[0027] 實施例8 所用催化劑為D001型離子交換樹脂，實驗原料為正丁醇醇析液，其他實驗條件與實施 例7相同，反應結束后，料液總進料量為630mL，其中含羥基乙酸的質量165. 7g。塔釜總出 料量598. lg (體積592mL)，其中含有羥基乙酸0· 3600mol/L，羥基乙酸正丁酯3. 283mol/L， 以此來計算可得羥基乙酸的轉化率為90. 23%，羥基乙酸正丁酯的收率為89. 14%。
【主權項】
1. 本發(fā)明涉及到一種羥基乙酸酯的合成方法，以烷鏈醇和羥基乙酸為原料，在732型、 D001型等陽離子交換樹脂的催化作用下，在板式(或填料)塔段與多釜氣液相串聯(lián)反應器組 成的反應精餾設備中連續(xù)合成羥基乙酸酯酯的方法。2. 權利要求1中所說的催化劑，主要為732型、D001型等陽離子交換樹脂等固體酸催 化劑，在酯化反應中可連續(xù)使用，壽命長，其與反應原料和產物分離容易，其裝載量為各串 聯(lián)釜體積的5%~50%，優(yōu)選量為20%~30%，而塔釜不裝載催化劑。3. 權利要求1中的原料烷鏈醇(主要指甲醇、無水乙醇、丙醇/異丙醇、丁醇等)和羥基 乙酸，主要來源是羥基乙腈硫酸/或其他礦物酸(如磷酸、鹽酸或硝酸)水解后產物，經(jīng)脫水、 烷鏈醇洗滌脫除副產物硫酸銨(或磷酸銨、氯化銨、硝酸銨等）后的醇析液。4. 權利要求1中的連續(xù)反應精餾設備為板式(或填料）塔段與多釜氣液相串聯(lián)反應器 組合的反應精餾塔，或是多段鼓泡塔組成的精餾塔。5. 權利要求1中的連續(xù)反應精餾塔的操作條件和工藝參數(shù)為：鏈烷醇/羥基乙酸的物 質量的比列為5:1、各串聯(lián)反應器的反應溫度為70~80°C、塔釜溫度90~11(TC、塔頂回流比 0. 1~1. 0左右，優(yōu)選為0. 3~0. 5,在此條件下操作，以羥基乙酸計的反應轉化率可達91%以 上，羥基乙酸酯的收率通常可達90%以上。
【文檔編號】C07C67/08GK105837436SQ201510012358
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月12日
【發(fā)明人】施云海, 周忠雄, 梁善, 艾臻
【申請人】華東理工大學