本发明涉及一种制备牛磺酸的方法。
背景技术：
牛磺酸又名牛胆酸、牛胆素，化学名称2-氨基乙磺酸，是一种人体必需的非蛋白质氨基酸，以游离形式存在于人及哺乳动物的几乎所有脏器中。牛磺酸的作用与其它氨基酸不同，它可以促进神经系统的生长发育，保护大脑，改善记忆，也可以提高视神经传导和视觉机能，同时也能保护心脏、防治心脑血管疾病等多种重要的功能。牛磺酸具有较高的药用价值，是重要的营养物质，广泛应用于功能性饮料、宠物食品、保健食品、饲料、医药等领域，也可用作生化试剂和其他有机合成中间体，是一种具有广泛应用价值的精细化学品。
牛磺酸的化学合成方法主要包括乙醇胺法和环氧乙烷法。乙醇胺法反应周期很长，其中磺化反应需要30h以上，而且成本偏高，现已逐渐被淘汰。环氧乙烷法采用环氧乙烷和液氨作为原料，成本比乙醇胺法大幅度低，同时反应收率也要略高于乙醇胺法。在此优势的激励下，目前环氧乙烷法已经成为牛磺酸生产的主流工艺。
环氧乙烷法的关键合成步骤就是羟乙基磺酸钠与液氨反应制备牛磺酸钠，在最初的研究中，由于不加入催化剂，需要200-280℃高温以及14-21mpa高压的苛刻反应条件，这就造成了反应过程能耗高，生产成本较高。
中国专利cn105732440a公开了在含母液套用的氨解反应过程中，可加入碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐(含酸式碳酸盐)、铁系/铝系金属盐、nio/ceo2、稀土氧化物中的任意一种或其组合作为催化剂，牛磺酸钠收率可提高至90-95％，但反应仍需要255-265℃的高温和19-20mpa的压力，条件仍较为苛刻。
中国专利cn107056659a中公开了在氨解反应过程中选择氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂中的任意一种或者任意两种或多种的混合物作为催化剂，此时氨解反应可在250-270℃、10-15mpa下进行，该专利的条件与专利cn105732440a相比仅略微温和。
美国专利us20160355470a1中公开了在羟乙基磺酸钠氨解反应中，添加naoh能催化氨解反应向生成牛磺酸钠的方向进行，氨解反应可获得90％以上的牛磺酸钠收率，氨解反应的收率较高，但仍需要160-260℃的高温以及自升温压力到26mpa的高压。
综上所述，现行牛磺酸制备工艺的氨解反应条件仍较为苛刻，而且由于加成反应产生乙二醇等副产，导致母液在套用过程中无法完全套用，因此工艺条件需改进，以降低生产过程能耗，减少生产成本，增加母液套用量，提高牛磺酸产品收率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种制备牛磺酸钠的方法，该方法的工艺条件较为温和(温度低、压力低)、反应时间短、收率高(加成反应中羟乙基磺酸钠收率可达99％以上，氨解反应中牛磺酸钠的收率可达89.0～95.0％，牛磺酸单程结晶收率可达70.0-75.0％，结晶套用后，牛磺酸总收率可达90.0～95.0％)。
为达到以上发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种制备牛磺酸的方法，环氧乙烷与亚硫酸氢钠在非均相催化剂作用下反应制备得到羟乙基磺酸钠，而后羟乙基磺酸钠与氨在铋酸盐催化剂催化下反应制备得到牛磺酸。
上述方法中，环氧乙烷与亚硫酸氢钠的摩尔比可以为0.9:1～1.5:1，优选为0.95:1～1.2:1，更优选为0.99:1～1.01:1。所述非均相催化剂为分子筛催化剂，分子筛催化剂加入量为亚硫酸氢钠加入量的0.5-5wt％，优选为1.0-3.0wt％，更优选为1.0-2.5wt％。羟乙基磺酸钠与氨的质量比可以为1：0.2～5，优选1：0.5～2，更优选1：0.7-1.5。铋酸盐催化剂的用量可以为羟乙基磺酸钠的0.01-10wt％，优选为0.05-5.0wt％，更优选在0.05-0.5wt％。分子筛催化剂优选为h-beta(12.5)分子筛、脱铝de-al-beta(12.5)分子筛及锡改性的sn-beta(12.5)分子筛中的一种或多种。铋酸盐催化剂可以为铋酸钠、铋酸铵、铋酸钾、铋酸锂或铋酸钙中的一种或多种，优选铋酸钠、铋酸铵、铋酸钾或铋酸锂中的一种。
作为一种优选的方案，一种制备牛磺酸的方法，包括以下步骤：
(1)环氧乙烷与亚硫酸氢钠水溶液在非均相催化剂催化下反应，得到羟乙基磺酸钠水溶液；
(2)向羟乙基磺酸钠水溶液中通入液氨；
(3)向通入液氨后的羟乙基磺酸水溶液中加入铋酸盐均相催化剂，获得原料液；
(4)原料液经加热后，进入高压反应器中进行反应得到反应液；
(5)反应液除氨后，中和，结晶，获得牛磺酸产品。
进一步地，本发明步骤(1)中亚硫酸氢钠在水溶液中的浓度为10-40wt％，优选为15-35wt％，更优选为25-35wt％。
进一步地，本发明步骤(1)中环氧乙烷与亚硫酸氢钠的摩尔比为0.9:1～1.5:1，优选为0.95:1～1.2:1，更优选为0.99:1～1.01:1。
本发明步骤(1)中非均相催化剂为分子筛催化剂，优选为h-beta(12.5)分子筛、脱铝de-al-beta(12.5)分子筛及锡改性的sn-beta(12.5)分子筛中的一种或多种，优选为h-beta(12.5)分子筛和sn-beta(12.5)分子筛，更优选为sn-beta(12.5)分子筛。
本发明步骤(1)中非均相催化剂的加入量可以为亚硫酸氢钠加入量的0.5-5wt％，优选为1.0-3.0wt％，更优选为1.0-2.5wt％。
本发明步骤(2)中液氨在羟乙基磺酸钠水溶液中的浓度可以为10-30wt％，优选为15-28wt％，更优选为18-26wt％。
优选地，本发明步骤(3)中铋酸盐均相金属催化剂为铋酸钠、铋酸铵、铋酸钾、铋酸锂或铋酸钙中的一种或多种，更优选铋酸钠、铋酸铵、铋酸钾或铋酸锂中的一种。
本发明步骤(3)中铋酸盐均相金属催化剂的用量可以为羟乙基磺酸钠的0.01-10wt％，优选为0.05-5.0wt％，更优选在0.05-0.5wt％。
本发明步骤(3)中羟乙基磺酸钠与氨的反应可以使用或不使用助催化剂，优选使用助催化剂；助催化剂为氯化亚铜、氯化铵、亚硫酸氢铵中的一种或多种，优选氯化亚铜。
本发明中步骤(3)中助催化剂与铋酸盐催化剂的质量比可以为0.1:1～1.5:1，优选为0.3:1～1.0:1，更优选在0.5:1～1.0:1。
本发明中步骤(4)的反应温度可以为50-220℃，优选为80-200℃，更优选为120-160℃；步骤(3)的反应压力为0.1-12mpa，优选为1-10mpa，更优选为5-10mpa(表压)；步骤(3)中的反应时间为5-120min，优选为10-80min，更优选为20-60min。
本发明步骤(5)中反应液除氨后，可以用浓硫酸在50-90℃下中和将体系ph调节至7-9之间。
进一步地，本发明优选步骤(5)中加硫酸将体系ph调节至7-9之间；和/或，结晶通过将体系冷却至20-40℃来进行。
进一步地，步骤(5)中结晶后母液可完全套用至氨解反应中。
本发明加成反应体系所选用的分子筛催化剂能使环氧乙烷加成反应的工艺条件大幅降低，可以将中间产物羟乙基磺酸钠的收率提高至99％以上，减少工艺中乙二醇的生成，其原理如下：在加成反应中选用的分子筛催化剂中的合适的路易斯酸性位能够诱导环氧乙烷与亚硫酸氢根离子之间形成稳定的中间过渡态，从而促进环氧乙烷更易于生成羟乙基磺酸钠。
本发明氨解反应的催化剂体系能够大幅改进羟乙基磺酸钠制备牛磺酸工艺条件的原理如下：在羟乙基磺酸钠的氨解反应中，对比专利中常规naoh等碱性催化剂的作用机理是利用oh-促进羟乙基磺酸钠中羟基上铵根离子的脱除，从而促进氨解反应的进行；而本发明采用的铋酸盐催化剂则是利用铋酸根与羟乙基磺酸钠上羟基的亲和性，提高羟基碳的亲电特性，同时助催化剂的存在能提高氨的亲核性，从而更好地促进氨亲核进攻羟基碳，且不会生成碱性催化时形成的高能态四元环中间体，因而所需要的反应温度和压力条件更加温和，同时反应时间也缩短。
本发明的积极效果在于：
(1)降低环氧乙烷与亚硫酸氢钠加成反应的温度至24-40℃；
(2)提高加成反应中羟乙基磺酸钠的收率至99％以上；
(3)降低羟乙基磺酸钠氨解反应的温度条件至120-160℃；
(4)降低羟乙基磺酸钠氨解反应的压力条件至5-10mpa；
(5)缩短羟乙基磺酸钠氨解反应的时间至20-60min；
(6)氨解反应中牛磺酸钠的收率可达85.0～90.0％，结晶后牛磺酸总收率可达90.0～95.0％(含母液套用)。
具体实施方式
以下实施例并非用来限定本发明的实施范围，如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。
二硝基氟苯和cucl购自西格玛奥德里奇(sigma-aldrich)贸易有限公司；nabio3、nh4bio3、libio3和kbio3购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；环氧乙烷购自国药集团化学试剂有限公司；亚硫酸氢钠购自上海西陇化工有限公司；分子筛催化剂购自南开催化剂工厂。
牛磺酸通过配备有紫外检测器的液相色谱进行分析，液相色谱为安捷伦公司1200系列，配备有c18液相色谱柱，柱温设定40℃，以乙腈和0.05mol/l的nah2po4溶液为流动相，流速为1.0ml/min，紫外检测器360nm波长处进行检测，外标法进行定量。样品在进样前，先用超纯水适当稀释，加入过量二硝基氟苯溶液充分衍生化后，再进样分析。
实施例1
将2808.8g25wt％亚硫酸氢钠溶液置于10l反应釜中，维持反应釜内温度在25℃，并向釜内加入7gsn-beta催化剂，混合均匀，而后缓慢向反应釜内通入300g环氧乙烷，通完环氧乙烷后，再继续反应15min，取样分析，该步反应的收率为99.5％；随后向反应釜内加入一定量纯水，将体系中羟乙基磺酸钠浓度稀释至15.0wt％附近，随后通入一定量液氨，使液氨浓度达到24.0wt％，随后加入1.0g(0.1wt％)nabio3催化剂和1.0gcucl助催化剂，将反应体系升温至160℃，体系压力为9.8mpa，反应30min，氨解反应获得的牛磺酸钠收率92.5％。反应液在100℃闪蒸除氨后，经过蒸发浓缩，将牛磺酸钠浓度提浓至40wt％，随后在80℃条件下加入一定量浓硫酸将体系ph调节至7.8，随后冷却至20℃结晶，结晶后牛磺酸单程收率为75.0％，母液可完全套用至氨解反应，套用后牛磺酸总收率为95.0％。
实施例2
将2006.3g35wt％亚硫酸氢钠溶液置于10l反应釜中，维持反应釜内温度在40℃，并向釜内加入10.5gsn-beta催化剂，混合均匀，而后缓慢向反应釜内通入300g环氧乙烷，通完环氧乙烷后，再继续反应30min，取样分析，该步反应的收率为99.7％；随后向反应釜内加入一定量纯水，将体系中羟乙基磺酸钠浓度稀释至15.0wt％附近，随后通入一定量液氨，使液氨浓度达到21.0wt％，随后加入2.0g(0.2wt％)nh4bio3催化剂和和1.0gcucl助催化剂，将反应体系加热至140℃，体系压力为7.2mpa，反应20min，该步反应可获得的牛磺酸钠收率89.0％。反应液在100℃闪蒸除氨后，经过蒸发浓缩，将牛磺酸钠浓度提浓至38wt％，随后在60℃条件下加入一定量浓硫酸将体系ph调节至8.2，随后冷却至30℃结晶，结晶后牛磺酸单程收率为70.0％，母液可再次套用至氨解反应，套用后牛磺酸总收率为90.9％。
实施例3
将2340.6g30wt％亚硫酸氢钠溶液置于10l反应釜中，维持反应釜内温度在30℃，并向釜内加入17.5gsn-beta催化剂，混合均匀，而后缓慢向反应釜内通入300g环氧乙烷，通完环氧乙烷后，再继续反应30min，取样分析，该步反应的收率为99.4％；随后向反应釜内加入一定量纯水，将体系中羟乙基磺酸钠浓度稀释至15.0wt％附近，随后通入一定量液氨，使液氨浓度达到18.0wt％，随后加入0.5g(0.05wt％)libio3催化剂和0.4gcucl助催化剂，将反应体系加热至120℃，体系压力为5.1mpa，反应60min，该步反应可获得的牛磺酸钠收率95.0％。反应液在100℃闪蒸除氨后，经过蒸发浓缩，将牛磺酸钠浓度提浓至35wt％，随后在90℃条件下加入一定量浓硫酸将体系ph调节至7，随后冷却至20℃结晶，结晶后牛磺酸单程收率为73.2％，母液可再次套用至氨解反应，套用后牛磺酸总收率为93.5％。
实施例4
将2340.2g30wt％亚硫酸氢钠溶液置于10l反应釜中，维持反应釜内温度在35℃，并向釜内加入14.0gsn-beta催化剂，混合均匀，而后缓慢向反应釜内通入300g环氧乙烷，通完环氧乙烷后，再继续反应30min，取样分析，该步反应的收率为99.6％；随后向反应釜内加入一定量纯水，将体系中羟乙基磺酸钠浓度稀释至15.0wt％附近，随后通入一定量液氨，使液氨浓度达到22.0wt％，随后加入0.5g(0.5wt％)kbio3催化剂和0.45gcucl助催化剂，将反应体系加热至150℃，体系压力为8.0mpa，反应40min，该步反应可获得的牛磺酸钠收率93.0％。反应液在100℃闪蒸除氨后，经过蒸发浓缩，将牛磺酸钠浓度提浓至40wt％，随后在50℃条件下加入一定量浓硫酸将体系ph调节至7.1，随后冷却至40℃结晶，结晶后牛磺酸单程收率为71.9％，母液可再次套用至氨解反应，套用后牛磺酸总收率为92.3％。