专利名称：回收和循环利用甲磺酸和亚磷酸的方法
技术领域：
本发明是申请号为95194515．7、申请日为1995年6月2日，题为“回收和循环利用甲磺酸和亚磷酸的方法”的专利申请的分案申请。
本发明涉及二膦酸化工艺中的废甲磺酸(MSA)和亚磷酸(H3PO3)的回收及重复用于该工艺的方法，该方法通过顺序蒸馏分离出甲磺酸和亚磷酸的混合物，并脱除其中水分。
Alendronate钠，即三水合4-氨基-1-羟基亚丁基-1-二膦酸单钠，对骨科疾病，包括骨质疏松症，特别对更年期后妇女，是一种有前途的抗骨内再吸收新药剂。该化合物的效用和制备方法公开于美国专利4，922，007和5，019，651，这两项专利均转让给Merk & Co．，Inc．。
如以上专利所述，大规模生产alendronate钠的工艺产生大量含有高浓度可溶性含磷物质(POx)的物料，这些可溶性含磷物质包括磷酸钠、亚磷酸钠、焦磷酸钠和甲磺酸／亚磷酸。
通常，废水处理工艺(WWTP)设施每天总体可处理约1-10ppm(mg／l)的磷和50-500ppm(mg／l)MSA。
但是，alendronate生产工艺每天可产生含有高达500mg／l磷和超过1000mg／l MSA的废水，这大大超过了许多废水处理和污物排放场所的允许范围。
处理上述问题的一般方法包括工业焚烧，以及在环境对POx和MSA允许的限度内长期贮存和处置废水料液。
但是，焚烧法因成本高而受限，这是由于废物体积庞大，且上述盐溶液的BTU值较低，以及它们散发酸性物质的潜在能力，这将导致酸雨的形成。通过废水处理(WWT)来处置则由于需要长期使用大量耐腐蚀贮缸，以及为提高对WWTP操作参数的控制水平需要昂贵的劳力消耗而受影响。
其他方法包括采用活性污泥生物降解甲磺酸(MSA)，和将亚磷酸(H3PO3)氧化成磷酸(H3PO4)，以便更易于除去。
但是，这些方法的缺点是，特定的生物降解循环只能处理小部分废POx／MSA。此外，对MSA有效的生物降解有可能防碍WWTP降解其他更易于氧化的物质的能力。生物降解MSA的最适宜的条件明显区别于标准的WWTP操作条件，它们因地而异，因而扰乱生产计划。
本领域需要的是，以对环境无害、高效而低成本的方式回收和循环利用甲磺酸(MSA)和亚磷酸(H3PO3)的方法，该方法对典型的WWTP操作参数的影响应当极小。
图1说明生产alendronate钠的二膦酸化工艺的总体化学过程。
图2说明生产alendronate钠的二膦酸化工艺的总体流程图。
图3说明甲磺酸／亚磷酸的回收步骤。
图4说明综合溶剂回收工艺，包括甲磺酸／亚磷酸的回收步骤。
图5说明钙沉淀／除磷的步骤。
我们已经发现，由生产alendronate钠的二膦酸化工艺产生的废甲磺酸(MSA)和亚磷酸(H3PO3)可以有效地回收，回收方法包括用HCl处理废粗母液流，将钠离子作为氯化钠除去，通过常压蒸馏从液流中回收大部分HCl-H2O，然后通过真空蒸馏从所得干燥的甲磺酸和亚磷酸的混合物中完全除去HCl-H2O。干燥的甲磺酸和亚磷酸的混合物可一起返回二膦酸化工艺重复利用。蒸馏出的HCl-H2O可收集并重复用于上述工艺。
本发明提供一种方法，它包括下列步骤(ⅰ)将含有甲磺酸钠和亚磷酸钠的pH约4-8的水介质(例如溶液)与盐酸(可以是浓HCl水溶液或HCl气)接触，使HCl浓度达到约6N或更浓，以便沉淀出氯化钠；(ⅱ)从(ⅰ)的水介质(例如溶液)中分离出氯化钠；(ⅲ)用饱和的钠盐水溶液(例如氯化钠溶液)洗涤分离出的氯化钠，以洗除残留甲磺酸，和洗涤滤液与步骤(ⅱ)的水介质合并；(ⅳ)通过常压蒸馏从步骤(ⅱ)和步骤(ⅲ)所得的混合水介质(例如滤液)中除去盐酸和水；(ⅴ)通过真空蒸馏将步骤(ⅳ)所得介质中的少量HCl和H2O从甲磺酸和亚磷酸中分离出来，得到干燥的甲磺酸／亚磷酸溶液。
本发明还提供一种方法，它包括下列步骤a)在约室温下，将含有ω氨基C2-C6亚烷基-1-羟基-1，1-二膦酸、甲磺酸、亚磷酸和磷酸的盐(例如钠盐)的pH为4-8的水介质与氯化钙化合物接触，其量为2-10分(重量)无水氯化钙100分(体积)水介质；b)将步骤(a)所得溶液与足量氧化钙接触，使pH升至11-12，以便沉淀出含钙／磷的盐；c)将步骤(b)所得混合物与酸(例如盐酸)接触，将混合物溶液部分的pH调节至约6-8，进一步沉淀含钙／磷的盐；d)从步骤(c)的水介质中分离沉淀出的含钙／磷的盐的混合物；e)将步骤(d)中含甲磺酸钠和亚磷酸钠的水介质与盐酸接触，使HCl浓度达到约6N或更浓，以便沉淀出氯化钠；f)从(e)介质中分离出氯化钠；g)用饱和的钠盐水溶液洗涤分离出的NaCl，以洗除残留甲磺酸；h)通过常压蒸馏从步骤(g)所得介质中除去大部分盐酸和水；i)通过真空蒸馏从步骤(h)所得介质中分离出甲磺酸和亚磷酸，得到基本干燥无水的甲磺酸／亚磷酸混合物。
图1所示alendronate钠生产工艺总体化学过程包括三个步骤二膦酸化反应、在pH控制下浸水冷却和水解／粗结晶步骤。该工艺可采用标准设备，以间歇方式或连续方式进行。
在二膦酸化反应中(参见美国专利4，922，007)，γ-氨基丁酸(GABA)与三氯化磷(PCl3)和亚磷酸(H3PO3)在甲磺酸(MSA)溶剂中于回流温度(如80-100℃)下反应约0．5-3小时。该反应通常可在常压下进行。如图1所示，最初的反应产物为焦膦酸(PP)和多种alendronate前体(未列出)。
然后，在用苛性碱液控制pH，保持pH为4-7的条件下将反应混合物注入水中冷却。随后将pH调至4-5(例如4．3-4．7)，并将该混合物在压力(如1-10个大气压，可取1-4个大气压)下于约100-150℃(可取135-145℃)下加热约2-30小时(可取20-24小时)，将焦膦酸和多种前体充分转化为alendronate钠。少量未转化的alendronate钠残余部分称作“alendronate副产物”。
粗结晶的实施包括，将上述水解混合物冷却至约0-60℃(例如约50℃)，然后通过添加苛性碱液或盐酸将pH调节至约4-5(可取4．2-4．7)，从而生成结晶状alendronate钠(三水合)，该结晶产物经过滤、收集、纯化然后加工处理。
Alendronate钠生产总体工艺流程示于图2。
如图所示，GABA进料由GABA、MSA、和H3PO3的混合物配制，然后与PCl3一起输入二膦酸化反应器，形成焦膦酸(PP)。
二膦酸化步骤之后，在冷却步骤中，反应混合物在控制pH为4-7的条件下与苛性碱液反应，形成焦膦酸钠(其他焦膦酸盐未列出)，然后，在后续水解步骤中，在高压高温条件下加热反应混合物，形成alendronate钠。
冷却水解混合物，将pH调节至4-5，使三水合alendronate单钠作为粗结晶物沉淀出来。
粗结晶的alendronate钠经过滤从粗母液中分离出来，用最小体积的冷软化(DM)水洗涤，然后从软化(DM)水中精结晶。
纯度为制药所接受的精结晶的alendronate钠经收集和研磨制成纯净而疏松磨细的alendronate钠，它可进一步加工用于药物制剂。
二膦酸化反应的气体副产物主要由HCl和PCl3组成，在冷却水解和粗结晶步骤所用容器中产生的蒸气含有痕量二甲基二硫化物(DMDS)，上述气体副产物和蒸气通过含有水、苛性钠和次氯酸钠的气体洗涤器，形成废水工艺液流，该液流主要含有Na2HPO3、Na2HpO4、Na3PO3、Na3PO4、和氯化钠的混合物，它可在受控条件下排放处理。粗母液(MLs)可通过活性碳床除去二甲基二硫化物(DMDS)，然后收集入罐，供MSA／H3PO3回收。在MSA／H3PO3回收工艺之前，POx(PO4和PO3形式)和alendronate可通过下述CaCl2／CaO沉淀步骤部分或全部除去。
本发明的新颖之处包括处理／循环利用／处置产生的并主要在粗母液中存在的废弃／过剩的甲磺酸／亚磷酸的新方法。
首先，采用如实施例1所述的CaCl2／CaO沉淀步骤将过剩的P(作为PO4和PO3)和残存alendronate钠从粗母液中基本除去。然后，通过添加浓HCl或无水HCl，直至混合物的HCl浓度至少为6N或更浓，将钠作为氯化钠从粗母液中除去。适用的HCl浓度为6N-10N，特另适用的HCl浓度为8N。在HCl存在下，NaCl在酸性介质中的溶解度很低。在水解和粗结晶步骤之前，由于各种酸在冷却步骤和pH调节过程中被NaOH中和，这就提供了可通过添加高浓度HCl选择性地将钠从其他阴离子中除去的途径。当HCl浓度高于6N时，NaCl的溶解度低于5g／l，结果可除去90-95％以上的NaCl。这样就剩下在钙沉淀步骤中未除去的质子化形式的其他阴离子。此刻，滤液由小于5g／l的NaCl加上全部MSA、适当比例的H3PO3、杂质和高浓度HCl组成。其后的步骤包括除去残存HCl和水，然后真空蒸馏，制得干燥(例如基本无水)的MSA／H3PO3，以供重复用于二膦酸化反应步骤。随后的HCl回收和循环利用可使该方法更经济。
HCl的去除通过常压蒸馏，随后用水洗涤蒸馏残渣来完成。常压下，在108-110℃下存在HCl和水的高沸共沸混合物。一般而言，存在的约80-90％的HCl和H2O可通过常压蒸馏除去，剩余10-20％的HCl／H2O存在于含MSA／H3PO3的残渣中，可在真空蒸馏中除去。因此，为了从MSA／H3PO4残渣中完全去除HCl，必须用水洗涤，或者必须在随后的真空脱水步骤中完全除去HCl。
最后，通过用釜或薄膜(降膜或涂膜)蒸发器真空蒸馏进行MSA／H3PO3脱水。实施脱水的典型设备在美国专利4，450，047和4，938，846中作了介绍。由于MSA在其常压沸点265℃下的热不稳定性，脱水步骤必需在真空下进行。在10mmHg下，MSA的沸点为167℃。通常，真空蒸馏在80-110℃、减压为3-7mmHg的条件下进行。实用条件为约100℃，15mmHg。需要采用切实可行的最低减压，以最大限度地降低MSA的沸点。应当避免较高的温度，以防止MSA发生不希望的化学反应。由MSA／水混合物生产无水MSA的技术经充分研究，得到商业规模的广泛应用(参见美国专利4，450，047和4，938，846)。
如果需要，可进行除杂，包括处理0-50％，优选20％的回收物(MSA／H3PO3)的步骤，以避免杂质，例如2-膦羧基吡咯烷酮的过多积累。
所得MSA／H3PO3混合物含有约60-90％(重量)的MSA和30-40％(重量)的H3PO3，MSA/H3PO3的重量比一般为约4∶1。该混合物为均相溶液，“基本上干燥”，含有少于1％(重量)的水。添加恰好与残存的水反应的适量PCl3，得到可供循环利用的无水MSA/H3PO3混合物。
MSA回收工艺的经济价值直接联系到将全部钠载质子化，和将生产工艺液流饱和至最少为6N所需要的HCl。将钠作为NaCl除去之后，必须除去全部HCl，而处理这些HCl则必须通过添加NaOH进行中和。这样，以一次操作计算，即需要极大量的HCl和NaOH，以完成除钠步骤。考虑到上述费用，研究了回收稀HCl的方法，该方法注意到通常工业上浓缩稀HCl的惯例。首先，按一般方法在多塔板柱中蒸去H2O，得到高沸常压共沸物。然后，将CaCl2加入蒸浓后的HCl中，以便在随后的常压蒸馏中分解HCl和水的高沸共沸物。添加大于75mM的CaCl2可全部消除上述共沸物。实施这一工序需要单级蒸馏，用于含有高浓度CaCl2的最初阶段。可以获得极高蒸气压的HCl。然后，调节部分回流的频度，使馏出物的HCl达～50％(重量)，该HCl随后可重复用于氯化钠沉淀步骤，该步骤需要非常浓的HCl，以使HCl浓度达到6N或更浓。
图4列出了包括下列关键工艺单元的流程图(1)通过HCl饱和除Na，(2)通过釜式蒸馏回收HCl，(3)通过降膜蒸发使MSA/亚磷酸脱水，和(4)通过CaCl2柱式蒸馏回收／蒸浓稀HCl。该工艺可以连续的方式进行，以将各段液流的体积减至最小。该工艺可与二膦酸化反应步骤同时进行，从而基本定量地回收MSA，并重复利用25％以上的总磷(作为PO3)。由上述工艺回收的MSA和H3PO3已成功地用于二膦酸化反应。结果表明回收的MSA和H3PO3可重复利用，而无任何产量或质量损失。
如图5所示，在MSA／H3PO3回收前的钙沉淀步骤中，将粗母液输入沉淀罐进行CaCl2／石灰／pH调节。
粗母液(MLs)最初含有约5-10％(重量)的磷酸盐和亚磷酸盐(作为POx)、22-25％的MSA、5％的NaCl、1-2％的GABA、0-0．05％的alendronate钠和副产物，以及60-65％的水。
通过CaO沉淀除去部分POx之后，就在进入本发明的MSA／H3PO3回收工艺之前，上述处理后的母液含有约0-3％(重量)的磷酸盐或亚磷酸盐(作为POx)、12-25％的MSA、4-6％的NaCl、1-2％的GABA、0-0．05％的alendronate钠和副产物，以及60-80％的水。
在最初阶段，CaCl2加入量为约2-10％(重量／母液体积)，以无水CaCl2计通常为2-4％(W／V)。虽然也可以采用较贵的无水氯化钙，但为方便起见，一般采用六水合氯化钙。在该工艺中首先添加CaCl2的目的是为提高液体介质的离子强度，以及盐析随后形成的钙／磷盐。
然后，添加足量的CaO(石灰)，通常为3-7％(重量／体积)，更通常为约5％(W／V)，使pH为约10-12，以促进随后沉淀各种POx。
之后，通过添加例如盐酸，使pH降至约6-8(例如7)，以中和上述混合物。将所得浆液搅拌约2-4小时，以保证最大可能地沉淀母液中的所有POx。
如果取消添加CaCl2或中和步骤，均导致POx的回收下降。采用本发明公开的方法可回收约90-95％以上的POx。但是，只采用CaO步骤回收约60％的POx。此外，采用添加CaCl2／CaO而无中和步骤的方法，回收约88％的POx。
这种除POx方法的另一个优点是，作为活性药物组分的alendronate钠残留物以及alendronate副产物也可以被选择性地从POx滤饼中定量除去，从而解决环境所关心的问题。
CaO沉淀步骤之后，将浆液过滤，然后用水〔采用软化(DM)水〕洗涤。滤液循环进入废水处理厂(WWTP)，或进入溶剂回收工序，若滤液中POx的含量足够低，则可在进入WWTP之前转入单独的细菌生物降解步骤处理MSA。
可采用微生物生物降解步骤，该步骤包括适当的污泥培养，以供生物降解MSA，在该步骤中，将废水中的提浓MSA注入污泥中，同时保持pH、BOD、液压滞留时间和污泥密度均在最佳工艺范围内。
沉淀出的POx滤饼主要含有CaHPO3、CaHPO4和alendronate钙，将该滤饼干燥，用来填坑、焚烧，或在化肥厂中重复利用，提取其中可用的磷。
对于中等规模的生产，除磷工艺可以间歇方式进行。不过，对大规模生产的连续运转，上述POx消减工艺也非常适合。
在上述工艺中，POx的去除效率随采用的试剂和pH而变。可用于沉淀POx的另一种试剂是Al(OH)3，但这只不过给已很复杂的废液流增添一种新的阳离子。同时，发现在从废液流中去除POx时，Al+++的作用比Cl++差。
所述POx回收工艺也可以用于其他二膦酸化工艺，其中适当的氨基酸原料可用来生产下列ω氨基C2-C6亚烷基-1，1-二膦酸2-氨基-1-羟基亚异丁基-1，1-二膦酸、3-氨基-1-羟基-亚丙基-1，1-二膦酸、5-氨基-1-羟基亚戊基-1，1-二膦酸和6-氨基-1-羟基亚己基-1，1-二膦酸。本文所用术语“ω氨基”是指在与二膦酸碳原子相对的亚烷链的末端碳原子上存在的氨基。
发明人期望用下列实施例阐述实施本发明。
实施例1CaCl2／CaO／中和室温下(20-25℃)，将70g氯化钙(CaCl2)加入1升alendronate钠粗母液(Crude MLs)中(pH～4．5)，然后搅拌15分钟(pH～4，T=20-25℃)。
然后，加入50g石灰(CaO)，并快速搅拌30分钟(pH12)。通常，pH升至约12，温度升至～45℃。
随后，加入浓HCl(36％)，将混合物的pH调节至约7。可能需要数次添加HCl，以将pH稳定至7。大约需要75ml 36％的HCl。当pH在约7处稳定至少10分钟后，即完成中和。温度的升高通常很少(≤5℃)。
将上述混合物搅拌5分钟，然后在布氏漏斗(Buchner Funnel)中用瓦特曼(Whatman)4号滤纸真空过滤。用2-5体积的DM水洗涤滤饼，将残留MSA从CaHPOx滤饼中洗除。洗涤液与滤液合并，用于MSA回收。过滤所用全部时间一般为约≤1小时。
可以通过上述活性污泥体系处理滤液。保留滤饼待最后处理。
POx的去除效率为96-98％。
去除POx的总体工艺可写作粗母液+70g／l CaCl2(搅拌)+50g／l石灰(搅拌)+用HCl将pH调节至～7，然后过滤，并用DM水洗涤。
在不添加CaCl2和无中和步骤的情况下重复上述工艺，结果仅回收约60％的POx。
在无最后pH中和步骤的情况下重复上述工艺，结果仅回收约88％的POx。
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权利要求
1．一种方法，该方法包括下列步骤a)将含有ω氨基C2-C6亚烷基-1-羟基-1，1-二膦酸，甲磺酸、亚磷酸和磷酸的盐的水介质与氯化钙化合物接触，其量为2-10份(重量)无水氯化钙100份(体积)水介质；b)将步骤(a)所得溶液与足量氧化钙接触，以便沉淀出含钙／磷的盐；c)将步骤(b)所得混合物与酸接触，将混合物溶液部分的pH调节至约6-8，以便基本上完全沉淀出上述含钙和磷的盐；d)从水介质中分离上述沉淀出的含钙／磷的盐的混合物；e)将步骤(d)中含甲磺酸盐和亚磷酸盐的水介质与盐酸接触，使HCl浓度达到约6N或更浓，以便沉淀出氯化钠；f)从(e)介质中分离出氯化钠；g)用饱和的钠盐水溶液洗涤分离出的氯化钠，以洗除残留甲磺酸；h)通过常压蒸馏从步骤(g)所得介质中除去盐酸和水；i)通过真空蒸馏从步骤(h)所得介质中分离出甲磺酸和亚磷酸，得到基本干燥无水的甲磺酸／亚磷酸混合物。
2．权利要求1的方法，其中所述ω氨基C2-C6亚烷基-1，1-二膦酸选自4-氨基-1-羟基亚丁基-1，1-二膦酸、2-氨基-1-羟基亚异丁基-1，1-二膦基、3-氨基-1-羟基亚丙基-1，1-二膦酸、5-氨基-1-羟基亚戊基-1，1-二膦酸和6-氨基-1-羟基亚己基-1，1-二膦酸。
3．权利要求2的方法，其中所述ω氨基C2-C6亚烷基-1，1-二膦酸为4-氨基-1-羟基亚丁基-1，1-二膦酸。
全文摘要
本发明公开了二膦酸化工艺中的废甲磺酸(MSA)和亚磷酸(H
文档编号C07F9/38GK1291607SQ99126470
公开日2001年4月18日 申请日期1995年6月2日 优先权日1994年6月6日
发明者E·S·文卡塔拉曼尼, A·L·福曼, 小R·J·马利埃特, W·A·沃恩, R·R·多尔 申请人:麦克公司