一种牛磺酸钠的制备方法与流程

本发明涉及化学中间体制备领域，具体涉及一种牛磺酸钠的制备方法。

背景技术：

牛磺酸，又名2-氨基乙磺酸，是人及动物的重要营养物质之一，具有重要的生理作用，而且还具有消炎、解热、镇痛、抗病毒等功效，因此被广泛应用于功能饮料、食品、饲料、医药等领域。

牛磺酸的制备方法分为天然提取法和化学合成法，其中化学合成法占全部产能的95％以上。已经报道的化学合成法有硝基甲烷法(如cn103613517a所公开)、乙醇胺法(如cn105152985a所公开)和环氧乙烷法(如cn101486669a所公开)。前两者因为原料价格较高，目前仅有少量厂家采用，主流的合成方法为环氧乙烷法，占牛磺酸全部产能的85％以上。

典型的环氧乙烷法中，首先环氧乙烷与亚硫酸氢钠反应生成羟乙基磺酸钠，羟乙基磺酸钠在高温高压(260℃、20mpa)下与氨进行氨解反应生成牛磺酸钠，然后经过中和、结晶等操作获得牛磺酸，其中氨解反应的主产物牛磺酸钠的选择性仅为71％，同时产生副产物二牛磺酸钠和三牛磺酸钠(如德国专利dd219023a3所公开)，而且原料羟乙基磺酸钠的转化率<97％，导致反应的单程收率<69％。由此可见，环氧乙烷法中，牛磺酸钠是制备牛磺酸的重要中间体，羟乙基磺酸钠的氨解反应工艺决定着牛磺酸钠的产率和纯度。

羟乙基磺酸钠的氨解反应机理如图1所示，采用“一锅法”，原料羟乙基磺酸钠、氨、产物牛磺酸钠、副产物水、二牛磺酸钠和三牛磺酸钠之间存在着多种可逆的化学平衡关系，例如，羟乙基磺酸钠氨解产生副产物水，牛磺酸钠、二牛磺酸钠和三牛磺酸钠又会与水发生水解反应。基于氨解反应过程的复杂性，目前的牛磺酸钠制备工艺存在着羟乙基磺酸钠转化率低、牛磺酸钠产率低、氨使用量大、副产物二牛磺酸钠和三牛磺酸钠含量较多且难以分离等缺点。

通常，打破可逆平衡反应的方法是将副产物及时从反应体系中移除，而对于图1中描述的氨解反应却难以实现，难点主要在于：1)副产物水的沸点为100℃，远高于原料氨，移除副产物水的同时必然会将反应原料氨也移除，导致正常的氨解反应无法进行；2)副产物二牛磺酸钠和三牛磺酸钠与产物牛磺酸钠的性质非常相似，难以在反应过程中在线分离。

因此，基于现有技术的缺陷，急需寻找一种新的牛磺酸钠制备方法，以提高羟乙基磺酸钠的转化率，并提高牛磺酸钠产物的产率和纯度。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种牛磺酸钠的制备方法。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法包括以下步骤：

s1：将羟乙基磺酸钠和原料牛磺酸钠溶解于含胍基的离子液体中，在60～240℃的温度和1～10kpa的压力下进行反应，得到含有二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的混合产物的离子液体溶液；

s2：向所述混合产物的离子液体溶液中通入液氨进行反应，得到产物牛磺酸钠的离子液体溶液；以及

s3：将所述产物牛磺酸钠的离子液体溶液加入至醇类溶剂中进行溶析，分离出析出的固体即得到产物牛磺酸钠。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法将原有的氨解工艺由“一锅法”变为分步工艺，工艺路线如图2所示。具体来说，步骤s1中，以羟乙基磺酸钠1为起始原料、原料牛磺酸钠2’作为氨源、含胍基的离子液体作为溶剂(图中未标示)，整个反应体系中的原料、溶剂和产物的沸点均高于水，因此，在一定的反应温度和压力下，反应生成的副产物水很容易实现在线脱除，原先的可逆反应由此转变为不可逆反应，羟乙基磺酸钠的转化率大大提高(≥99％)；步骤s2中，含有二牛磺酸钠3和三牛磺酸钠4的混合产物与液氨进行氨解反应，此步骤无水产生，本身即为不可逆反应，二牛磺酸钠3和三牛磺酸钠4亦可充分转化，不仅可以高产率地得到产物牛磺酸钠2，而且还避免了存在大量的二牛磺酸钠和三牛磺酸钠副产物，产物纯度也得到的明显提高；步骤s3中，将含有产物的离子液体加入至醇类溶剂之中，通过溶析法析出大量的固体牛磺酸钠产物，经过简单的固液分离即可得到最终产品，离子液体溶剂和醇类溶剂经过简单的蒸馏分离即可套用。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，原料牛磺酸钠可来自本发明制备方法所得的产物，也可以来自其他来源，如商业购买或参照其他文献合成。在一些优选的实施方式中，原料牛磺酸钠可来自本发明制备方法所得的产物，即本发明制备方法所得的产物牛磺酸钠部分用于下游牛磺酸的生产，部分用作后续批次的制备原料，由此可保证连续生产。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s1中的反应温度和反应压力可由本领域技术人员进行选择或适当调整，只要能够使反应进行并及时移除副产物水即可，其中的反应压力是指绝对压力。在一些优选的实施方式中，反应温度可以为180～220℃，包括但不限于180℃、190℃、200℃、210℃、220℃等温度值或任意的温度区间组合。在另一些优选的实施方式中，绝对压力可以为2～5kpa，包括但不限于2kpa、3kpa、4kpa、5kpa等压力值或任意的压力区间组合。在另一些优选的实施方式中，步骤s1的反应时间可以为1～10h；在一些更优选的实施方式中，步骤s1的反应时间可以为2～5h，包括但不限于2h、3h、4h、5h等时间值或任意的时间区间组合。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，含胍基的离子液体可以为对反应物料溶解度大且易与醇类溶剂互溶的含胍基衍生物，具有式(1)所示结构：

式(1)中，x^-可以表示rcoo^-，r1～r6以及r可以各自独立地表示c1～c10烷基。

在一些优选的实施方式中，r1～r6以及r可以各自独立地表示c1～c6烷基，包括但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、新戊基、叔戊基等；在一些更优选的实施方式中，r1～r6以及r可以各自独立地表示c1～c4烷基，包括但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基等。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s1中，羟乙基磺酸钠与含胍基的离子液体的质量比可以为1:1～5；在一些优选的实施方式中，羟乙基磺酸钠与含胍基的离子液体的质量比可以为1:1.5～3。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s1所得的混合产物中的二牛磺酸钠和三牛磺酸钠可以为任意比例，不会影响后续氨解反应，因此，原料牛磺酸钠的加入量为能够使羟乙基磺酸钠尽可能充分转化为二牛磺酸钠和三牛磺酸钠即可。在一些优选的实施方式中，步骤s1中，原料牛磺酸钠与羟乙基磺酸钠的质量比可以为1:1.1～2；在一些更优选的实施方式中，原料牛磺酸钠与羟乙基磺酸钠的质量比可以为1:1.5～1.8。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s1中由于打破了化学平衡，羟乙基磺酸钠的转化率明显提高，不仅有利于提高产物牛磺酸钠的产率，也能避免残留的未反应羟乙基磺酸钠对步骤s2造成影响。在一些优选的实施方式中，步骤s1所得的混合产物的离子液体溶液中，未反应的羟乙基磺酸钠的质量可以为所述二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的总质量的0.2％以下；在一些更优选的实施方式中，未反应的羟乙基磺酸钠的质量可以为所述二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的总质量的0.1％以下；在一些最优选的实施方式中，未反应的羟乙基磺酸钠的质量可以为所述二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的总质量的0.05％以下，例如，可以为约0.01％、约0.02％、约0.03％、约0.04％或约0.05％。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s1中通过一定的温度和压力尽可能及时移除了产生的副产物水，不仅有利于羟乙基磺酸钠的转化率提高，也能避免残留水分对步骤s2造成影响。在一些优选的实施方式中，步骤s1所得的混合产物的离子液体溶液中水分含量≤0.1wt％；在一些更优选的实施方式中，混合产物的离子液体溶液中水分含量≤0.05wt％，例如，可以为约0.01wt％、约0.02wt％、约0.03wt％、约0.04wt％或约0.05wt％。在一些最优选的实施方式中，混合产物的离子液体溶液中水分含量≤0.02wt％。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s2中由于是对二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的混合产物进行氨解反应，因此液氨的用量可大幅减少，液氨的利用率也显著提高。在一些优选的实施方式中，二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的总质量与液氨的质量比可以为2～10:1；在一些更优选的实施方式中，二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的总质量与液氨的质量比可以为4～8:1。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s2中由于是对二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的混合产物进行氨解反应，故氨解反应的温度和压力也能有显著地下降(传统氨解反应的温度通常为160～260℃、压力通常为10～20mpa，甚至可高达26mpa)，反应过程更加温和、更加容易控制。在一些优选的实施方式中，步骤s2的反应温度可以为60～240℃；在一些更优选的实施方式中，步骤s2的反应温度可以为180～220℃，包括但不限于180℃、190℃、200℃、210℃、220℃等温度值或任意的温度区间组合。在另一些优选的实施方式中，步骤s2的反应压力无需特别控制，在常规操作下的反应压力即可，例如，氨解反应的反应装置密闭操作下的压力。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s2的反应时间可以为1～8h；在一些优选的实施方式中，步骤s2的反应时间可以为1～5h，包括但不限于1h、2h、3h、4h、5h等时间值或任意的时间区间组合。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s3中所使用的醇类溶剂可以为与含胍基的离子液体互溶的常见溶剂。在一些优选的实施方式中，步骤s3中所使用的醇类溶剂可以为沸点小于160℃的低分子醇类溶剂，以便于回收套用，包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇等；在一些更优选的实施方式中，步骤s3中所使用的醇类溶剂可以为甲醇或乙醇。在另一些优选的实施方式中，醇类溶剂与含胍基的离子液体的质量比可以为2～10:1；在一些更优选的实施方式中，醇类溶剂与含胍基的离子液体的质量比可以为3～5:1。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法中，步骤s3中分离出的产物牛磺酸钠具有较高的产率(≥98％)和纯度(≥99.5％)，因此通过简便的酸化过程即可得到高质量的牛磺酸产品。在一些优选的实施方式中，可通过以下过程由本发明制备的牛磺酸钠产品来制备牛磺酸：将牛磺酸钠在30～40℃下溶于水配成30～40wt％的水溶液，加酸(如浓硫酸)调节至ph＝7～9，将析出的固体过滤后得牛磺酸粗品，通常纯度≥95％。牛磺酸粗品也可进一步通过结晶过程进行提纯，由于牛磺酸粗品纯度已较高，故一次结晶过程即可将牛磺酸的纯度提高至99％以上，无需多次、反复结晶提纯。在一些优选的实施方式中，将牛磺酸粗品在80～100℃下溶于水配成30～40wt％的水溶液，2～5h内降温至5～15℃析出晶体，过滤得牛磺酸纯品，纯度≥99.0％，收率≥95.0％(基于牛磺酸钠)。

本发明提供的牛磺酸钠制备方法具有以下优点：

(1)本发明的制备方法通过分步工艺并借助离子液体的优良特性实现了副产物水的在线脱除，将传统的氨解工艺由可逆反应变为不可逆反应，由此使羟乙基磺酸钠的转化率显著提高，牛磺酸钠产品的收率也明显提高。

(2)本发明的制备方法还大幅减少了液氨的用量，反应过程的温度和体系压力也有明显下降，反应过程更加温和、更加易于控制，而且，后处理工艺也得到了明显地简化，通过溶析过程即可容易地析出固体牛磺酸钠产品。

(3)本发明的制备方法制得的牛磺酸钠产品纯度也较高，通过简单的中和、结晶工艺即可得到高纯度的牛磺酸产品，避免了繁琐的提纯工艺，进一步提高了生产效率。

综上所述，本发明的牛磺酸钠制备方法目标产物收率高、纯度好，原料利用率高，工艺简便，反应温和，可极大提高牛磺酸钠的生产效率，降低生产成本，因而非常具有工业化应用前景。

附图说明

图1为传统氨解反应的工艺路线图；

图2为本发明的牛磺酸钠制备方法的工艺路线图；

其中，附图标记如下：

1、羟乙基磺酸钠；2、产物牛磺酸钠；3、二牛磺酸钠；4、三牛磺酸钠；2’、原料牛磺酸钠。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明的实施例和对比例中，原料规格和来源如下：

羟乙基磺酸钠、原料牛磺酸钠均购自sigma-aldrich；

液氨，含量≥99.99％，购自济南德洋公司；

离子液体均购自兰州化学物理研究所；

其他原料如无特别说明，均为市售产品。

本发明的实施例和对比例中，分析方法如下：

中间产物中，羟乙基磺酸钠采用离子色谱法进行分析：离子色谱仪为瑞士万通离子色谱881，配备有metrosepasupp7-250/4.0色谱柱，柱温45℃，84mg/lnahco3和106mg/lna2co3混合溶液为流动相，流速为0.7ml/min。二牛磺酸钠和三牛磺酸钠采用lc-ms进行分析。

目标产物牛磺酸钠采用质谱和核磁共振氢谱进行分析。

水含量分析使用万通915水分滴定仪以及卡尔·费休试剂。

如无特别说明，本发明的实施例和对比例中所使用的百分数均为质量百分数。

实施例1牛磺酸钠的制备

本实施例所使用的离子液体结构式为：

在0.5l反应釜中，加入100g上述离子液体，随后加入50g牛磺酸钠和55g羟乙基磺酸钠，升温至60℃，控制反应体系压力为2kpa，保温搅拌2h，自然降至室温，得二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液。

色谱分析显示，羟乙基磺酸钠、(二牛磺酸钠+三牛磺酸钠)的质量比为0.09:99.8，即未反应的羟乙基磺酸钠的质量为产物二牛磺酸钠和三牛磺酸钠总质量的0.09％。

水含量分析测试离子液体溶液中的水含量为0.03％。

质谱分析结果：

二牛磺酸钠hrms(esi)m/z[m]^2-:[c2h9no6s2]^2-的计算值为230.9882，实测值为231.0485。

三牛磺酸钠hrms(esi)m/z[m]^3-:[c6h12no9s3]^3-的计算值为337.9691，实测值为337.9705。

向上述二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液(其中，二牛磺酸钠+三牛磺酸钠的总质量为99g)中通入20g液氨，保持反应釜体系密闭，升温至60℃，保温2h，随后真空脱除过量的氨，自然降至室温得牛磺酸钠的离子液体溶液。

将上述牛磺酸钠的离子液体溶液加入至400g甲醇中，有大量白色固体产生，过滤、干燥后得到牛磺酸钠产品，纯度为99.5％，收率为98.1％(基于羟乙基磺酸钠的用量)。

牛磺酸钠的¹hnmr核磁分析数据：(d2o为溶剂，tms为内标)：2.976(t，2h，-ch2-)，2.942(t，2h，-ch2-)。高分辨质谱分析结果：hrms(esi)m/z[m]^-:[c2h6no3s]^-的计算值为124.0074，实测值为124.0078。

实施例2牛磺酸钠的制备

本实施例所使用的离子液体结构式为：

在1l反应釜中，加入200g上述离子液体，随后加入50g牛磺酸钠和75g羟乙基磺酸钠，升温至180℃，控制反应体系压力为5kpa，保温搅拌2h，自然降至室温，得二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液。

色谱分析显示，羟乙基磺酸钠、(二牛磺酸钠+三牛磺酸钠)的质量比为0.08:99.91，即未反应的羟乙基磺酸钠的质量为产物二牛磺酸钠和三牛磺酸钠总质量的0.08％。

水含量分析测试离子液体溶液中的水含量为0.02％。

向上述二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液(其中，二牛磺酸钠+三牛磺酸钠的总质量为119g)中通入23g液氨，保持反应釜体系密闭，升温至200℃，保温1h，随后脱除过量的氨，自然降至室温得牛磺酸钠的离子液体溶液。

将上述牛磺酸钠的离子液体溶液加入至600g乙醇中，有大量白色固体产生，过滤、干燥后得到牛磺酸钠产品，纯度为99.7％，收率为98.6％(基于羟乙基磺酸钠的用量)。

实施例3牛磺酸钠的制备

本实施例所使用的离子液体结构式为：

在1l反应釜中，加入250g上述离子液体，随后加入50g牛磺酸钠和90g羟乙基磺酸钠，升温至220℃，控制反应体系压力为5kpa，保温搅拌4h，自然降至室温，得二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液。

色谱分析显示，羟乙基磺酸钠、(二牛磺酸钠+三牛磺酸钠)的质量比为0.05:99.92，即未反应的羟乙基磺酸钠的质量为产物二牛磺酸钠和三牛磺酸钠总质量的0.05％。

水含量分析测试离子液体溶液中的水含量为0.02％。

向上述二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液(其中，二牛磺酸钠+三牛磺酸钠的总质量为134g)中通入17.5g液氨，保持反应釜体系密闭，升温至180℃，保温2h，随后脱除过量的氨，自然降至室温得牛磺酸钠的离子液体溶液。

将上述牛磺酸钠的离子液体溶液加入至1250g丙醇中，有大量白色固体产生，过滤、干燥后得到牛磺酸钠产品，纯度为99.6％，收率为98.4％(基于羟乙基磺酸钠的用量)。

实施例4牛磺酸钠的制备

本实施例所使用的离子液体结构式为：

在1l反应釜中，加入500g上述离子液体，随后加入50g牛磺酸钠和100g羟乙基磺酸钠，升温至240℃，控制反应体系压力为10kpa，保温搅拌5h，自然降至室温，得二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液。

色谱分析显示，羟乙基磺酸钠、(二牛磺酸钠+三牛磺酸钠)的质量比为0.01:99.95，即未反应的羟乙基磺酸钠的质量为产物二牛磺酸钠和三牛磺酸钠总质量的0.01％。

水含量分析测试离子液体溶液中的水含量为0.01％。

向上述二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液(其中，二牛磺酸钠+三牛磺酸钠的总质量为144g)中通入56g液氨，保持反应釜体系密闭，升温至240℃，保温3h，随后脱除过量的氨，自然降至室温得牛磺酸钠的离子液体溶液。

将上述牛磺酸钠的离子液体溶液加入至1000g甲醇中，有大量白色固体产生，过滤、干燥后得到牛磺酸钠产品，纯度为99.9％，收率为98.0％(基于羟乙基磺酸钠的用量)。

实施例5牛磺酸钠的制备

本实施例所使用的离子液体结构式为：

在1l反应釜中，加入200g上述离子液体，随后加入50g牛磺酸钠和80g羟乙基磺酸钠，升温至200℃，控制反应体系压力为4kpa，保温搅拌3h，自然降至室温，得二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液。

色谱分析显示，羟乙基磺酸钠、(二牛磺酸钠+三牛磺酸钠)相对质量比为0.02:99.96，即未反应的羟乙基磺酸钠的质量为产物二牛磺酸钠和三牛磺酸钠总质量的0.02％。

水含量分析测试离子液体溶液中的水含量为0.01％。

向上述二牛磺酸钠/三牛磺酸钠的离子液体溶液(其中，二牛磺酸钠+三牛磺酸钠的总质量为124g)中通入32g液氨，保持反应釜体系密闭，升温至220℃，保温3h，随后脱除过量的氨，自然降至室温得牛磺酸钠的离子液体溶液。

将上述牛磺酸钠的离子液体溶液加入至2000g甲醇中，有大量白色固体产生，过滤、干燥后得到牛磺酸钠产品，纯度为99.8％，收率为98.3％(基于羟乙基磺酸钠的用量)。

对比例1传统氨解反应制备牛磺酸钠

在0.8l反应釜中加入羟乙基磺酸钠100g、水480g以及液氨184g，升温至260℃，反应釜压力升至18mpa，搅拌反应2h，冷却至室温后，取样分析。

色谱分析显示，羟乙基磺酸钠:牛磺酸钠:(二牛磺酸钠+三牛磺酸钠)＝4.9:66.2:28.9(w/w)，对应的牛磺酸钠选择性为70％，单程反应收率为66.5％(基于羟乙基磺酸钠的用量)。

通过实施例以及对比例可以看出，本发明的制备方法具有以下特点：1)目标产物的纯度更高、收率也更高；2)氨解过程中反应温度更低，无需加压，液氨的使用量大幅减少。由此可见，本发明的制备方法非常具有工业实用性。

除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。

本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。