专利名称：羟基乙腈法制备甘氨酸的新工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种羟基乙腈直接氨解、碱解、中和、纯化获得甘氨酸的制备方法，特点是以羟基乙腈为起始原料，通过氨取代获得含氨基乙腈的氨化反应液，简便制备甘氨酸的方法。
背景技术：
甘氨酸是化工、医药、农药等工业的重要原料，具有广泛的用途。目前，有多种方法生产甘氨酸，其中，α-卤代酸法是国内主要的工业化生产方法，它是以氯乙酸、氨气为原料，在催化剂乌洛托品(六亚甲基四胺)存在下于溶剂相中反应。采用α-卤代酸法，溶剂相可以是水相，但此水相法生产甘氨酸的方法有诸多的缺陷，例如存在催化剂不能回收，消耗量大，催化效率低，未反应完的原料不能回用，且由于体系碱性强和含水等原因，易生成水解物羟基乙酸，造成浪费，污染环境；反应中产生的氯化铵等无机盐分离困难，后处理难度大，合成反应终点判断困难等等。另外，文献中还报道了溶剂为醇相的制备甘氨酸的方法，但它仍存在反应时间较长，且反应不好控制，催化剂效率较低，经NMR检测，有5％-7％的两种副产物生成，所以仍存在收率较低的缺陷，且溶剂回收困难，溶剂消耗大等缺陷，不适合工业大生产。
近年来陆续有文献报道采用羟基乙腈、氨化物和二氧化碳反应制备甘氨酸的方法。此方法又可以大致分为以下三类1)采用碱液进行后处理的方法，参见例如JP-A-06-065168、JP-A-05-320106、JP-A-53-031616、US5225592A、JP-A-02-250854、WO92/06069、JP-A-53-028115、CN1107139A。这些专利文献工艺存在产品中副产物高，亚氨基二乙酸与甘氨酸很难分离，无机盐和产品相互夹带严重，并且成品颜色较深，脱色困难；所述的工艺条件下，产品质量、生产成本难以达到用户要求。除钡盐法被生产应用外，钠盐、钙盐法等工艺尚未见工业应用。
2)采用酸液进行后处理的方法，例如JP-A-2-286651、JP-A-04-066559、JP-A-02-306946、JP-A-53-028116、US2384816A。采用无机酸或有机酸衍生物进行水解时，中和一般采用碱金属水溶液如氢氧化钠或氢氧化钾进行中和，同样存在产品纯度低，无机盐夹带、三废处理难的问题，并且得到的产品色泽较深。
3)采用强碱阳离子树脂进行后处理的方法，例如JP-A-03-190851。此方法反应收率和甘氨酸的纯度不理想。上述方法采用氨气进行反应，需要在高温高压的条件下进行，反应条件苛刻，设备投资大，且无机盐的分离问题尚未得到有效解决。
因此，探索羟基乙腈直接氨解、碱解法制备甘氨酸的简便工艺路线，找到无机盐的回收套用及提高甘氨酸的收率，抑制亚氨基二乙酸的生成和更简便的分离纯化及清洁生产方法是有价值的。
针对现有技术的不足，本发明者进行了深入的研究，发明了直接用羟基乙腈与过量的氨进行间歇或连续化反应，高收率，高选择性获得氨基乙腈的工业方法，所得的氨解液本发明者已经成功进行了酸解工艺的产业化试验，并取得成功。在此基础上，我们又发明了高转化率，高选择性地获得甘氨酸的碱法工艺路线，通过不同的循环套用流程可以很好的解决降低成本，减少物耗能耗，清洁生产，三废资源化，提高产品的收率和品质。本工艺方法可以很好的解决氨基乙腈的热解聚合，氨的回收利用，氨及无机盐的回收利用，甘氨酸对羟基乙腈的原位转化率可达95％左右。其中的副产物羟基乙酸、亚氨基二乙酸和氨基三乙酸的生成量很少，并找到了可回收利用的有效方法，因此本碱法工艺完全可以应用于工业化生产。本工艺发明了除氢氧化钠外还可以广泛选用的廉价的碱，如石灰等。本工艺研发中发现甘氨酸的铵盐可以在80℃以上的温度条件下分解出氨和甘氨酸，因此通过无机铵盐与甘氨酸盐的复分解反应中和甘氨酸盐是本工艺一项有价值的发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种将氨基乙腈或内酰脲混合物直接碱解、中和获得甘氨酸的制备方法。
优选的是，本发明提供一种采用羟基乙腈或可产生羟基乙腈的混合物和氨类化合物为初始原料，经氨化，碱解，中和步骤，高收率、高纯度地制备甘氨酸的方法。
具体地说，本发明提供一种制备甘氨酸的方法，该方法包括如下步骤1)将氨基乙腈与无机碱反应，得到含甘氨酸盐的碱解液；2)将上述碱解液用无机酸中和，得到中和液(主要含甘氨酸和无机盐)；3)后处理中和液，得到甘氨酸产品。
本发明方法可以采用例如如下具体实施方案1)将氨基乙腈、无机碱混合，反应物料的摩尔比为氨基乙腈∶无机碱＝1∶0.7-3.0，优选为1∶1.0-1.5，反应温度控制不超过100℃，优选为20-80℃，反应1-8小时，得到含甘氨酸盐的碱解液；无机碱可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氧化钙、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠(钾)或碳酸钠(钾)的混合物，优选的碱为氢氧化钠、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠的混合物。
2)将步骤1)得到的碱解液脱氨后用无机酸中和，无机酸的用量为中和无机碱的用量，例如，反应时采用的摩尔比为甘氨酸盐∶无机酸＝1∶0.7-3.0，优选为1∶1.0-1.5，得到中和液；无机酸为硫酸、盐酸、硝酸、碳酸(通入二氧化碳)、磷酸、路易斯酸(硫酸铵、氯化铵等)等，优选为硫酸、盐酸、碳酸、路易斯酸(硫酸铵、氯化铵等)。
3)预处理步骤2)得到的中和液，脱色、除盐、脱水、结晶，烘干，得到白色甘氨酸固体。
上述方法中，氨基乙腈采用将羟基乙腈或可产生羟基乙腈的混合物氨化的方法制备氨化反应液，直接进行碱解。
因此，本发明方法优选的是采用羟基乙腈或可产生羟基乙腈的混合物和氨类化合物为初始原料，经氨化，碱解，中和步骤来制备甘氨酸，所述方法包括如下步骤1)将羟基乙腈溶液或可产生羟基乙腈的混合物与氨类化合物混合，得到含氨基乙腈的氨化反应液；2)将步骤1)得到的氨化反应液与无机碱混合，得到含甘氨酸盐的碱解液；3)将上述碱解液用无机酸中和，得到中和液；4)后处理步骤3)得到的中和液，得到甘氨酸。
实施上述优选方法时，在步骤1)中，羟基乙腈溶液或可产生羟基乙腈的混合物与氨类化合物的反应控制温度不高于100℃，例如，0-90℃，反应0.2-3小时；反应时采用的摩尔比为羟基乙腈∶氨类化合物＝1∶0.5-12.0，优选为1∶1.0-8.5。
在步骤2)中，反应时采用的摩尔比为氨基乙腈∶无机碱＝1∶0.7-3.0，优选为1∶1.0-1.5，控制反应温度不超过100℃，例如在20-80℃下，反应1-8小时，无机碱可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氧化钙、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠(钾)或碳酸钠(钾)的混合物，优选的碱为氢氧化钠、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠的混合物。
在步骤3)中，反应时采用的摩尔比为甘氨酸盐∶无机酸＝1∶0.7-3.0，优选为1∶1.0-1.5，无机酸为硫酸、盐酸、硝酸、碳酸、磷酸、路易斯酸(硫酸铵、氯化铵等)等，优选为硫酸、盐酸、碳酸、路易斯酸(硫酸铵、氯化铵等)。
本发明优选方法可以采用例如如下具体实施方案1)在-10℃至100℃下，例如在0-90℃下，将羟基乙腈溶液或可产生羟基乙腈的混合物和氨类化合物混合，反应0.2-3小时，反应物料的摩尔比为羟基乙腈∶氨类化合物＝1∶1.0-8.5，优选1∶1.2-5.5，得到含氨基乙腈的氨化反应液；2)将上述氨化反应液、无机碱混合，反应物料的摩尔比为氨基乙腈∶无机碱＝1∶0.7-3，优选为1∶1.0-1.5，控制反应温度不超过100℃，例如在20-80℃下，反应1-8小时，得到甘氨酸盐；无机碱可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氧化钙、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠(钾)或碳酸钠(钾)的混合物，优选的碱为氢氧化钠、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠的混合物。
3)将步骤2)得到的碱解液脱氨后用无机酸中和，无机酸的用量为中和无机碱的用量，例如，反应时采用的摩尔比为甘氨酸盐∶无机酸＝1∶0.7-3.0，优选为1∶1.0-1.5，得到中和液，无机酸为硫酸、盐酸、硝酸、碳酸(通入二氧化碳)、磷酸、路易斯酸(硫酸铵、氯化铵等)等，优选为硫酸、盐酸、碳酸、路易斯酸(硫酸铵、氯化铵等)。
4)后处理步骤3)得到的中和液，脱色、除盐、脱水、结晶、烘干，得到白色甘氨酸固体。
在本发明中，所述的羟基乙腈溶液或可产生羟基乙腈的混合物，例如后者可以是氢氰酸和甲醛的混合液、碱土金属氰化物和甲醛的混合物、氰化铵和甲醛的混合物，优选是羟基乙腈。反应中采用的羟基乙腈的摩尔量，当只采用羟基乙腈时，以羟基乙腈的摩尔量计，当采用混合物时，以混合物中甲醛的摩尔量计。
在本发明中，所述的氨类化合物是指氨气或可产生氨的化合物，例如可以是氨气，氨水，硝酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵等无机铵盐等，优选是氨气和碳酸铵。反应中采用的氨类化合物的摩尔量，当只采用氨气时，以氨气的摩尔量计，当采用可产生氨的化合物时，以化合物中可产生氨的摩尔当量计。
在本发明中，所述的无机碱可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氧化钙、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠(钾)或碳酸钠(钾)的混合物，优选的碱为氢氧化钠、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠的混合物。反应中采用碱的摩尔量，当采用氢氧化钠时，以氢氧化钠的摩尔量计，当采用混合物时，以混合物中氢氧根离子的摩尔当量计。
在本发明中，所述的无机酸可以是硫酸、盐酸、硝酸、碳酸(通入二氧化碳)、磷酸、路易斯酸(硫酸铵、氯化铵等)等。优选是硫酸、盐酸、碳酸、路易斯酸(硫酸铵、氯化铵等)。
采用上述反应方法可以通过控制反应原料、反应条件有效控制反应，高选择性地得到甘氨酸。
本发明方法具有如下优点其一，在采用羟基乙腈类和氨类为起始原料的方法时，可以有效减少乙内酰脲及肽的生成，更易于产品中间体水解。
其二，在采用羟基乙腈类和氨类为起始原料的方法中，可直接将氨化反应液碱解，既可以保证水解彻底，又避免了氨化液在脱氨过程中的副反应。
其三，中和步骤使用较便宜的无机酸或无机酸铵盐为原料，不但可以有效降低生产成本，而且可以实现产品与副产品的循环利用。由于所提供的优化工艺条件使得甘氨酸的选择性和转化率大大提高，加之本工艺巧妙的利用了甘氨酸与无机盐的溶解度差异可以有效分离，并获得高收率、高品质的甘氨酸。
第四，采用本发明方法除了可以制备产品纯度＞99％的精制甘氨酸外，根据酸根的不同可以选择性地控制氯离子以及其它阴离子，还可以根据客户需求一次性高收率地制备含一定无机盐的粗品甘氨酸。此外，本发明方法整个反应条件温和，容易控制，后处理简单，很好地提高反应的选择性、收率和品质。NMR过程检测表明，本工艺方法可以使副产物羟基乙酸、亚氨基二乙酸和氨三乙酸的生成得到有效抑制，因而更适合进行工业化生产。
具体实施例本发明可用下文中的非限定性实施例作进一步的说明。
实施例1甘氨酸的制备在室温下向反应器中加入400克50％羟基乙腈溶液，通入237克氨水，反应30分钟后，再往氨化反应液中加入526g32％氢氧化钠溶液，于40-80℃保温4-5h得到甘氨酸钠盐的氨溶液，脱氨得到甘氨酸钠盐溶液，随后加入210g98％硫酸中和酸化得到甘氨酸与无机盐硫酸钠的混合溶液。加入20g活性炭脱色后冷却至10℃，结晶，离心除去硫酸钠晶体，滤液按常规方法结晶纯化可得甘氨酸固体235～250g，纯度可达98.5％以上，折百收率90～95％。
实施例2甘氨酸的制备在室温下向反应器中加入400克50％羟基乙腈溶液，通入237克氨水，反应30分钟后，再往氨化反应液中加入299gNa2SO4和156gCa(OH)2组成的混合溶液，于40-60℃保温4-5h得到甘氨酸盐的氨溶液，脱氨得到甘氨酸盐溶液。随后加入210g98％硫酸中和酸化得到甘氨酸与无机盐硫酸钠、硫酸钙的混合溶液。过滤除去硫酸钙沉淀后，加入20g活性炭脱色后冷却至10℃，结晶，离心除去硫酸钠晶体，滤液加热浓缩后降至室温析出甘氨酸晶体，经纯化干燥后称重220g，纯度98.5％，收率82.35％。
实施例3甘氨酸的制备在室温下向反应器中加入400克50％羟基乙腈溶液，通入237克氨水，反应30分钟后，再往氨化反应液中加入526g32％氢氧化钠溶液，于40-60℃保温4-5h得到甘氨酸钠盐的氨溶液，脱氨得到甘氨酸钠盐溶液，随后加入426.6g36％盐酸中和酸化，得到甘氨酸与无机盐氯化钠的混合溶液。加入20g活性炭脱色后，升温至90℃，减压浓缩至晶体析出，趁热过滤除去无机盐氯化钠，滤液按常规方法结晶纯化可以得到甘氨酸固体230～250g，纯度98.5～99.5％，折百收率85～95％。
实施例4甘氨酸的制备在室温下向反应器中加入400克50％羟基乙腈溶液，通入237克氨水，反应30分钟后，再往氨化反应液中加入526g32％氢氧化钠溶液，于40-60℃保温4-5h得到甘氨酸钠盐的氨溶液，脱氨得到甘氨酸钠盐溶液，降至10℃后往料液中通CO2气体，当出现大量固体沉淀后，离心除去碳酸氢钠盐，滤液按常规方法结晶纯化可以得到甘氨酸固体220～240g，纯度99％，折百收率83-91％。
实施例5甘氨酸的制备在室温下向反应器中加入400克50％羟基乙腈溶液，通入237克氨水，反应30分钟后，再往氨化反应液中加入526g32％氢氧化钠溶液，于40-60℃保温4-5h得到甘氨酸钠盐的氨溶液，脱氨得到甘氨酸钠盐溶液，随后加入硫酸铵280g，得到甘氨酸氨与硫酸钠的混合溶液，加入20g活性炭脱色后降温至10℃，结晶，离心除去硫酸钠晶体，滤液加热浓缩蒸出氨水，得到甘氨酸溶液，氨水回收套用，甘氨酸溶液按常规方法结晶纯化可以得到甘氨酸固体210～230g，纯度98.5％，折百收率78.6-86.1％。
实施例6甘氨酸的制备在室温下向反应器中加入400克50％羟基乙腈溶液，通入237克氨水，反应30分钟后，再往氨化反应液中加入526g32％氢氧化钠溶液，于40-60℃保温4-5h得到甘氨酸钠盐的氨溶液，脱氨得到甘氨酸钠盐溶液，随后加入氯化铵230g，得到甘氨酸氨与氯化钠的混合溶液，加入20g活性炭脱色后加热至90-100℃蒸出氨水，趁热离心除去氯化钠晶体，滤液按常规方法结晶纯化可以得到甘氨酸固体220～235g，纯度98.5％，折百收率82.5-88％。
权利要求
1.一种制备甘氨酸的新工艺方法，该方法包括如下步骤1)将羟基乙腈与过量的氨水混合，在一定温度条件下反应得到含氨基乙腈与氨水的氨化液；2)在上述得到的氨化液中直接加入碱，在适当的温度和时间条件下进行碱解得到甘氨酸钠的氨水溶液；3)后处理步骤2)得到的甘氨酸钠的氨水溶液通过脱氨，酸化，得到甘氨酸及无机盐混合物；4)再利用甘氨酸与无机盐的溶解度差别，通过分步结晶和重结晶，可分别得到含盐的甘氨酸和高纯度甘氨酸，并副产无机盐。
2.根据权利要求1的方法，它包括如下步骤1)将羟基乙腈、氨水混合，控制反应温度和反应时间，得到氨基乙腈的氨水溶液。2)将步骤1)得到的氨化液与无机碱混合，反应1-8小时，得到含甘氨酸盐的碱解液。3)将步骤2)得到的碱解液脱氨后用无机酸中和，得到甘氨酸和无机盐。
3.根据权利要求2的方法，其中，羟基乙腈和氨的摩尔比为1∶2～10。
4.根据权利要求2的方法，其中，步骤1)的反应温度为20-60℃。
5.根据权利要求2的方法，其中，氨基乙腈和无机碱的摩尔比为1∶0.7-3.0。
6.根据权利要求2的方法，其中，反应温度控制不超过100℃。
7.根据权利要求2的方法，其中，无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氧化钙、氢氧化钙或氢氧化钙与硫酸钠(钾)或碳酸钠(钾)的混合物。
8.根据权利要求7所述，其中，优选的无机碱为氢氧化钠、氢氧化钙和硫酸钠的混合物。
9.根据权利要求2的方法，其中，无机酸为硫酸、盐酸、硝酸、碳酸、磷酸、路易斯酸。
10.根据权利要求9所述，其中，优选的无机酸为硫酸、盐酸、碳酸、路易斯酸。
11.根据权利要求2的方法，其中，无机酸添加量为中和无机碱用量。
全文摘要
本发明开发了一种通过羟基乙腈氨解，碱解，脱氨，酸化和分离纯化制备甘氨酸的新工艺，提供了有效控制副产物的生成，简便分离纯化甘氨酸的优化工艺条件，为大规模，低成本，清洁生产甘氨酸及其衍生物提供了新的工艺制备方法。
文档编号C07C229/08GK1990459SQ20051013549
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月31日 优先权日2005年12月31日
发明者谢增勇, 顾爱宏, 黄仁才, 杨立雯, 查正炯, 袁可, 尹应武 申请人:重庆三峡英力化工有限公司