制备乳酸甲酯的方法与流程

制备乳酸甲酯的方法本发明涉及一种制备乳酸甲酯的方法，和涉及一种制备丙烯酸甲酯的方法。乳酸甲酯为具有多种应用的化合物。它可以用作溶剂、用作制备聚乳酸的初始物料或用作多种其它反应的初始物料。例如，它可以用作乳酸纯化的中间体，和用作合成手性组分如杀虫剂的基础材料，和用作乳胶制备的初始物料。乳酸甲酯的一个重要用途是用于制备丙烯酸甲酯，丙烯酸甲酯为制备丙烯酸酯聚合物的初始物料。此外，丙烯酸甲酯为丙烯酸和其它酯如丙烯酸乙酯和丙烯酸丁酯的适合的初始物料。乳酸甲酯可以由通过发酵获得的乳酸来制备。鉴于乳酸甲酯的各种用途，本领域中需要一种有效和以高收率提供乳酸甲酯的制备乳酸甲酯的方法。本发明提供了这样一种方法。本发明涉及一种制备乳酸甲酯的方法，所述方法包括如下步骤：-将含乳酸、甲醇和至少5wt％的溶解的盐酸盐的含水液体引入反应条件，由此获得乳酸甲酯，所述盐酸盐选自氯化镁、氯化钙和氯化锌，其中提取剂在形成乳酸甲酯之前、期间和/或之后提供至反应混合物,-使反应混合物经历液-液分离步骤，其中将含乳酸甲酯和提取剂的有机相与含溶解的盐酸盐的含水相分离。wt％以含水液体的重量计算。已经发现本发明方法可以有效地和以高收率制备乳酸甲酯。更具体地，已经发现，相比于不存在所规定的盐的情况，在反应混合物中存在溶解的盐酸盐(选自氯化镁、氯化钙和氯化锌)导致酯化反应的反应速率和产物收率的提高。此外，已经发现，至少5wt％的这些盐的存在改进了从含水介质中分离乳酸甲酯和提取剂。已经发现，与其中在第一步骤中制备和从盐溶液中分离乳酸和在第二步骤中发生酯化以形成乳酸甲酯的方法相比，本发明方法还具有许多优势。在本发明方法中，其中在盐存在下发生酯化，不需要使乳酸经历纯化步骤。因此，降低了乳酸和乳酸甲酯的总纯化努力。此外，如上所示，盐的存在改进了分离过程。因此，本发明方法可以在比在盐不存在下分离乳酸甲酯或从含水溶液中分离乳酸时更高的水含量下进行。因此，只须脱除较少的水，和这是经济上的优势。本发明和它的具体实施方案的另外优势将由进一步的说明变得清晰。对于反应速率的提高，不希望受到理论约束，据信在反应混合物中存在溶解的盐酸盐(选自氯化镁、氯化钙和氯化锌)导致pH的降低，这导致了反应速率提高。进一步据信存在至少5wt％的溶解的盐酸盐(选自氯化镁、氯化钙和氯化锌)导致改进的相分离和提取过程，而相分离和提取过程特别适用于从含水液体中分离酯。本发明方法利用含乳酸、甲醇和至少5wt％的溶解的盐酸盐的含水液体开始，所述盐酸盐选自氯化镁、氯化钙和氯化锌，所述含量以所述液体重量计。含水液体中的乳酸浓度可以在宽范围内变化。可以提到50wt％的值作为最大值。可以提到1wt％的值作为最小值。低于所述最小值，经济操作可能是困难的。优选乳酸浓度为5-40wt％，特别是10-40wt％，更特别是15-35wt％。20-35wt％的范围可能是特别有利的。存在于含水液体中的甲醇量通过存在于系统中的乳酸量来确定。乳酸与甲醇的摩尔比通常为1:1-1:10，优选为1:1-1:5。除了乳酸和甲醇以外，含水液体还包含以其重量计至少5wt％的溶解的盐酸盐，所述盐酸盐选自氯化镁、氯化钙和氯化锌。如果溶解的盐的量低于5wt％，将不能获得本发明的有利效果。可能优选溶解的盐酸盐的存在量为至少10wt％，特别是至少15wt％。盐酸盐量的最大值对本发明方法来说不是关键的。该最大值取决于所讨论的盐在介质中的溶解度。作为通常值，可以提到40wt％的最大值。可能优选含水液体包含10-30wt％的溶解的盐酸盐，特别是15-25wt％。盐酸盐可以选自氯化镁、氯化钙和氯化锌。当然也可以使用盐的混合物。优选使用氯化镁，这是由于据信它在确保高分离效率和可能提高反应速率方面特别有效。此外，氯化镁的使用允许通过使用热分解步骤的有利集成过程。这将在下文更详细地讨论。含乳酸、甲醇和盐酸盐的含水液体可以以各种方式获得。在一个实施方案中，乳酸、甲醇和盐酸盐在水中组合。但存在多种特别有利的可能性。在一个实施方案中，通过如下步骤制备含乳酸、甲醇和盐酸盐的含水液体：提供含乳酸的钙、镁或锌盐的含水液体，通过加入HCl使所述含水液体酸化，和在加入HCl之前、之后或同时加入甲醇。酸化步骤导致乳酸镁、钙或锌转化为乳酸，同时形成相应的盐酸盐。通过选择乳酸盐和HCl的浓度，可以获得含上述范围内的乳酸和盐酸盐的液体。如果希望如此，可以以各种方式增加这些组分的浓度，例如，通过加入乳酸或盐酸盐，或通过进行从系统中脱除水的浓缩步骤。HCl的存在可能进一步提高了反应速率。因此，在一个实施方案中反应混合物包含额外的HCl，例如，0.5-5wt％的量，以羧酸的量计。尽管可以将HCl单独加入反应混合物中，但在本发明的一个实施方案中，使用相比于中和乳酸盐所需的HCl量过量的HCl进行酸化过程。在该实施方案中，加入的过量HCl可以例如为0.5-5wt％的量，以乳酸盐转化为乳酸所加的HCl量计。将含乳酸、甲醇和盐酸盐的含水液体引入反应条件，形成乳酸甲酯。反应条件通常包括20-150℃的温度，特别是30-130℃，更特别是50-100℃。反应期间的压力不是关键的，只要含水液体保持液体形式。通常，反应在1-5bar的压力、优选在常压条件下进行。将含乳酸、甲醇和盐酸盐的含水液体引入反应条件由此获得乳酸甲酯的步骤可以针对最终液体进行。但它也可以针对形成期间例如如上所讨论的酸化反应期间的液体进行。以相同的方式，以下所讨论的分离步骤可以在完成酯化反应之后、但也可以在酯化步骤期间或在一些实施方案中在组合的酸化/酯化步骤期间进行。各种实施方案讨论如下。在本发明方法中，将提取试剂(也称为提取剂)提供至在形成乳酸甲酯之前、期间和/或之后提供的反应混合物。提取剂的存在导致形成包括含提取试剂和乳酸甲酯的液体有机层和含溶解的盐酸盐的含水层的两相系统。该系统通常包括过量的甲醇，取决于提取剂的特性，过量的甲醇可以存在于水层和/或有机层。取决于提取剂的特性，任何剩余的乳酸可以存在于水层和/或有机层。两相系统可以经历液-液分离步骤，其中将含乳酸甲酯和提取剂的有机相与含溶解的盐酸盐的含水溶液分离。当完成乳酸甲酯的形成时，可以将提取剂加入反应混合物。还可以在反应开始或期间加入提取剂。当然，组合也是可能的。其中提取试剂在酯化反应前提供至反应介质的实施方案具有优势：任何乳酸甲酯一旦形成，则被转移至提取剂层。由于乳酸甲酯随后由此有效地从反应混合物脱除，这导致提高的酯化率。提取剂应该满足以下的要求：它应该能够形成两相系统和它不应该与乳酸、甲醇或乳酸甲酯反应至明显程度(例如如果存在的话则小于2％)。优选提取剂的沸点使得它可以通过蒸发脱除，例如小于200℃。适合的提取剂的例子为脂肪烃和芳烃，例如烷烃和芳族化合物、酮和醚。还可以使用各种化合物的混合物。已经发现选择特定组的提取剂是本发明优选的实施方案，因为它们组合了高反应速率与高乳酸甲酯收率和有效分离乳酸甲酯与乳酸以及提取剂中高的乳酸甲酯浓度，这允许有效的进一步处理。因此，优选提取剂包括选自C5+酮、C3-C10醚和C6-C10芳族化合物的一种或多种化合物。在一个实施方案中，提取剂包括C5+酮，其中C5+代表具有至少5个碳原子的酮。C9+酮的使用是较不优选的，因为乳酸甲酯在这种类型化合物中的溶解度是有限的。因此，优选使用C5-C8酮。已经发现使用甲基-异丁基-酮(MIBK)是特别有利的。适合的C3-C10醚的例子为C3-C6醚，例如甲基叔丁基醚(MTBE)和二乙基醚(DEE)。适合的C6-C10芳族化合物的例子包括甲苯、二甲苯和乙苯。包含选自C5+酮和C3-C10醚、特别是C5-C8酮的一种或多种化合物的提取剂被认为是特别优选的，因为已经发现使用这些化合物获得有效的过程，因为可以获得具有高乳酸甲酯浓度的提取剂。为了获得一系列指定化合物的益处，优选提取剂包含至少50wt％的上述化合物作为适合或优选的提取剂，特别是至少80wt％、更特别是至少90wt％。本发明所用的提取剂的量通常不是关键的。通过确保有效分离过程所需的量来确定最小量。通过工业操作来确定最大量，此时加入另外的提取剂不能导致改进的分离而仅能导致反应器体积增加。作为通常的范围，可以提到(水+乳酸+甲醇+盐+乳酸甲酯):提取剂的体积比为1:0.01-1:10，特别是1:0.1-1:10。优选存在于系统中的至少80％的羧酸酯存在于液体有机层，特别是至少90％，更特别是至少95％，仍更特别是至少98％。液体有机层通常包含小于20wt％的水，更特别是小于10wt％的水，仍更特别是小于5wt％的水。有机相和含水相中的酯之间的有效分离可以例如通过进行多级逆流操作进行。含水层包含如上所述的溶解的盐酸盐，和优选小于5wt％的乳酸甲酯，更优选小于2wt％的乳酸甲酯，和甚至更优选小于1wt％的乳酸甲酯。含水层优选包含小于提供至系统的乳酸总量的5wt％，更优选小于2wt％，仍更优选小于1wt％。本发明方法优选显示出至少90％的转化率，表示为转化的乳酸的量，以初始提供至系统的乳酸的量计。更优选转化率为至少95％，仍更优选至少99％。可以操作本发明方法至至少90％的收率，表示为由该方法基于理论收率计算所得的乳酸甲酯的量，由初始提供至系统的乳酸量计。优选收率为至少95％，更优选至少98％，仍更优选至少99％。已经发现，本发明方法可以给出这种高收率，尤其是当确保将恰当的循环步骤引入方法设计中时。如上所示，在酯化反应期间溶解的盐酸盐的存在导致反应速率增加。进一步发现，溶解的盐酸盐的存在强化通过提取分离乳酸甲酯。更具体地，溶解的盐酸盐的浓度增加可能导致乳酸甲酯在有机层和含水层之间的分配系数更高，导致在有机层中改进的乳酸甲酯收率和含水层较低的有机物含量。因此，优选盐酸盐溶液具有相对较高的浓度。在该实施方案中，可能优选在含水液体中盐酸盐浓度为至少10wt％，更优选至少15wt％，甚至更优选至少20wt％。进行其中将含乳酸甲酯和提取剂的有机相与含溶解的盐酸盐的含水溶液分离的液-液分离的步骤可以通过本领域已知的液-液分离方法进行。对于液-液分离的适合的设备和方法的例子包括倾析、沉降、离心分离、板式分离器的使用、凝聚过滤器的使用和水力旋流器的使用。还可以使用不同方法和设备的组合。本发明方法可以进一步包括在酯化之前或期间的水脱除步骤。例如，水可以在加入甲醇之前、但在加入氯化氢之后脱除。这一步骤可以允许较高浓度的盐酸盐和/或较高浓度的乳酸。这可以提高酯化反应速率和/或增加提取剂中乳酸甲酯的量。优选可以浓缩到的乳酸浓度为上文针对含水混合物所述的。上限可以源自盐酸盐在溶液中的溶解度，因为沉淀盐的存在不能提供额外的好处，但可能导致处理问题。如上所示，优选用于本发明的盐酸盐为氯化镁。优选该盐的一个原因在于它允许盐酸盐溶液的有利处理方法，即通过热分解进行。因此，在本发明的一个实施方案中，将由分离步骤所得的氯化镁溶液提供至热分解步骤，其中它转化成氧化镁和氯化氢。热分解的过程还被称为热水解。热分解通常在至少300℃的温度下进行。优选地，热分解在至少350℃的温度下进行。由于能量成本，该温度优选低于1000℃，更优选低于800℃。例如，进行热分解的温度可以为350-600或400-450℃。优选地，氯化镁溶液的氯化镁浓度为15-40wt％，更优选25-35wt％。存在于溶液中的氯化镁量太高可能导致在进入热水解装置时氯化镁沉淀。对于本发明方法中回收的氯化氢溶液，可以向其中加入水或从其中脱除水以获得希望的氯化镁浓度。进行热分解的适合设备在本领域中已知。例如，可以使用喷雾焙烧炉或流化床焙烧炉。这些设备可以例如获自SMSSiemag，Andritz.Tenova，CMI，和Chemline。热分解中获得的氧化镁为固体形式。如果希望如此，它可以循环用于发酵过程，特别是作为中和剂。MgO可以直接使用，但也可以通过与水反应转化为氢氧化镁。如果希望如此，热分解获得的氯化氢可以用于酸化步骤。在一个实施方案中，本发明涉及包括从通过发酵步骤制备乳酸到形成乳酸甲酯的所有步骤的集成方法。这使得有效集成各步骤和高乳酸甲酯收率。如果希望如此，还可以提供将乳酸甲酯转化为丙烯酸甲酯的步骤。因此，在一个实施方案中，本发明方法进一步包括发酵步骤，其中形成包含乳酸盐的含水进料。该步骤通常包括以下子步骤：通过微生物使碳源发酵以形成含乳酸的发酵介质，和通过加入中和剂来(部分地)中和发酵介质以达到希望的pH，在这种情况下优选钙碱、锌碱或镁碱，更特别是镁碱，从而形成对应的乳酸盐。随后，如果希望如此，可以从发酵介质中分离生物质，例如通过生物质的(超)过滤、离心分离或倾析。已经发现，通常生物质脱除导致具有包括较低污染物含量的较好特性的最终产物。较低污染物含量还导致较好的产物颜色，这是由于污染物通常导致形成难以脱除的有色化合物。因此，优选实施生物质脱除步骤。由于生物质的存在还可能影响所谓的杂质形成(导致产物损失和限制液/液分离)，就更是如此了。如上所述，热分解步骤中获得的氧化镁可以在沉淀步骤中循环作为中和剂或其前体。在一个实施方案中，本发明方法还包括其中乳酸甲酯在催化剂存在下经历脱水反应以形成丙烯酸甲酯的步骤。该方法适合地在气相中进行。反应温度为例如300～500℃。反应压力为例如0.5-3bar和适合地为常压。可以加入惰性气体以通过稀释降低分压。适合的催化剂包括本领域已知的脱氢催化剂。例子包括基于硫酸钙、磷酸钙、焦磷酸钙及它们的组合的催化剂。适合的促进剂包括硫酸钠、硫酸铜、硫酸锰、硫酸铁、硫酸镁、硫酸铝、硝酸钠、磷酸钠和磷酸钾。图1描述了并入集成方法中的本发明方法。发酵过程在发酵反应器(1)中进行，产生乳酸。在发酵(未显示)期间加入碱，形成乳酸盐。优选碱为钙碱如氧化钙、氢氧化钙或碳酸钙，镁碱如氧化镁、氢氧化镁或碳酸镁，或锌碱如氧化锌、氢氧化锌或碳酸锌。优选使用镁碱。将含乳酸盐(优选乳酸钙、乳酸镁或乳酸锌，特别是乳酸镁)的产物物流(2)从发酵反应器中抽出，和提供至酸化/酯化反应器。如果希望如此，可以以本领域已知的方式进行中间纯化步骤如生物质脱除。在酸化/酯化反应器(3)中，通过管线(14)加入甲醇，和通过管线(9)加入氯化氢。氯化氢可以在气相中或在水溶液中。可以在加入甲醇之前、加入甲醇的同时或在加入甲醇之后加入氯化氢。通过管线(16)提供提取剂。将反应器引入酯化条件。之后，进行分离步骤。在该图中，这作为单独的步骤(5)给出，但它可以在酯化反应器中进行。分离步骤包括液-液分离步骤，产生含盐酸盐的含水物流(6)和含提取剂和乳酸甲酯的有机相。如果盐酸盐为氯化镁，可以将物流(6)提供至热分解步骤(7)，其中将含水氯化镁溶液分解以形成通过管线(8)脱除的氧化镁和通过管线(9)脱除的氯化氢。如图所示，氯化氢可以作为气体或吸收在含水液体中形成溶液之后循环至酸化步骤。氧化镁可以直接或在转化为氢氧化镁或碳酸镁之后循环至发酵步骤(1)(管线未示出)。从分离步骤(5)脱除的产物物流(10)包含在提取剂中的乳酸甲酯。它通常还包含甲醇，这是由于酯化反应通常在过量甲醇的存在下进行。可以将产物物流(10)提供至分离步骤(11)，其中将甲醇和提取剂与乳酸甲酯分离。分离步骤产生含乳酸甲酯的产物物流(12)和可以提供至甲醇进料(14)的甲醇物流(13)及提取剂循环物流(16)。可以存在可包含乳酸和任选的缩合产物的底部物流(15)。如果存在，该物流可以循环至酯化步骤或以另外的方式处置。图2提供了图1方法的变体。在图2的方法中，酸化步骤和酯化步骤是分开的，酸化步骤在酸化反应器(31)中进行，其中通过管线(9)提供盐酸。将酸化的产物(含乳酸甲酯和盐酸盐的含水液体)通过管线(32)提供至酯化反应器(33)，其中通过管线(14)提供甲醇。在本发明的一个实施方案中，酯化步骤和液-液分离步骤在单个反应器中在单个步骤中组合。在一个实施方案中，该反应器以逆流操作运行，其中以含盐酸盐的溶液的形式将乳酸提供至反应器的顶部，如上所述。将甲醇和提取剂在相同或不同的物流中提供至反应器的底部。将乳酸甲酯和提取剂从反应器的顶部抽出。将含溶解的盐酸盐的含水溶液从反应器的底部抽出。已经发现，该实施方案允许获得高转化率与高收率的组合，如上所述。该实施方案在图3中进行了描述，但不限于此或不受其限制。图3给出了在顶部配有入口(2)的反应器(1)，其中将含水液体如含乳酸和可溶的盐酸盐的溶液提供至反应器。将甲醇和提取剂通过管线3提供至反应器的底部。反应器在如上所讨论的酯化条件下。将顶部物流通过管线(4)从反应器抽出。顶部物流包含乳酸甲酯和提取剂。含盐酸盐的底部物流通过管线(5)抽出。对于关于各种液体中的组分、处理条件和所得产物的处理的信息，参见上文的总体描述。对于本领域技术人员来说，很明显可以组合在上文不同段落中描述的本发明的各个方面。尽管附图描述了各种集成方法，但将该方法的各种元素以适合的方法组合在本领域技术人员的能力范围内。本发明和本发明的某些实施方案通过下文的实施例和/或实施方案进行描述，但本发明不限于此或不受其限制。实施例1通用程序反应容器填充有乳酸、水和任选的MgCl2和/或提取剂。将混合物加热至60℃。必要时，即对于己烷和甲基-叔丁基醚，反应在高压釜中进行以防止提取剂蒸发。其它实验在玻璃容器中进行。下表1提供了测试的组合物：表1:对于所有的实验，乳酸与甲醇的摩尔比为1:3。乳酸与氯化镁(如果使用)的摩尔比为1:2。在反应开始时有机相和含水相的体积比为1:1。反应时间为24小时，除了实验4和5，二者在高压釜中进行7小时。在所有的实验中，乳酸在含水介质(无甲醇和提取剂)中的初始浓度为25wt％。在t＝0时加入甲醇。在加入甲醇后，温度在几分钟内恢复至60℃。使用磁力搅拌的速率使得在两相系统的情况下形成微细乳液，以防止混合成为限制因素。在具体时刻取样分析。在两相系统的情况下使混合物沉降。然后，将四滴(约0.05ml)混合物或上层在1.5ml作为溶剂的丁醇中稀释。动力学实验的结果通过GLC(面积)分析样品。未使用响应因子，因此结果是半定量的。MeL和MeOH的GC面积相加和基于100％归一化。结果在图4中给出。图4显示出在60℃下在有机层中形成乳酸甲酯，表示为有机层中乳酸甲酯的量，以有机层中乳酸甲酯和甲醇总量计(MeOH+MeL＝100％)。由图4可以得到以下结论。-加入氯化镁导致增加的反应速率(将MgCl2(对比B)与空白(对比A)相比)。但这些系统在不存在提取剂下不发生相分离。-在MgCl2不存在下使用MIBK不能影响反应速率(将空白MIBK(对比C)与空白(对比A)相比)。-使用MgCl2和2-丁烷、甲苯、MTBE和MIBK组合(实验1、2、3和5)均导致在有机层中存在乳酸甲酯。[注意，由于数据按乳酸甲酯+甲醇的量计算表示，因此得不到有关乳酸甲酯的绝对量的结论。]-对于己烷(实验4)，有机相中不存在乳酸甲酯或存在非常大量的甲醇。己烷可能为不太适合的提取剂。分析有机层和含水层对于实验1和3，更详细地分析了24小时后有机层和含水层的组成。结果在表2中给出。表2*MeLL＝甲基乳酰乳酸酯由上表可以看出，相比于甲醇及乳酸和水，实验3中的甲苯为乳酸甲酯的选择性提取剂。甲苯层仅包含乳酸甲酯。另一方面，在实验中，相对大量的乳酸甲酯保留在含水相中。这表明完全提取乳酸甲酯需要大量甲苯。这可以例如通过多步骤提取来解决。可以看出，当使用MIBK作为提取剂时，在有机相中获得较大的浓度，这表明需要较少的提取剂来提取乳酸甲酯。另一方面，有机层包含较高量的乳酸和甲醇，表明提取不太具有选择性。