生产牛磺酸的循环方法与流程

本申请要求2016年9月16日提交的第15/268071号美国临时专利申请的优先权，其通过引用并入本文中。

本申请是申请日为2016年9月16日、申请号为201780001136.6、发明名称为《生产牛磺酸的循环方法》的分案申请，申请人为维生源知识产权有限责任公司。

本发明公开一个从羟乙基磺酸铵生产牛磺酸的循环方法，整体生产收率高(即大于90％到定量)。其特征是将羟乙基磺酸碱金属盐在二牛磺酸碱金属盐和三牛磺盐碱金属盐的混合物存在下进行氨解反应，再和羟乙基磺酸铵反应。

背景技术：

牛磺酸，别名2-氨基乙磺酸，是一种在许多动物组织中存在的氨基磺酸。由于其本身具有一定的药理效果，如解毒效果，缓解疲劳效果，滋养补益效果等，牛磺酸是一种极其有用的化合物。因此牛磺酸对于人和动物而言是一种必需的营养成分，有着广泛的应用。

目前每年有超过50,000吨的牛磺酸，由环氧乙烷和一乙醇胺这两种石油衍生化合物制备而来。目前大部分的牛磺酸是由环氧乙烷通过三步制备而来的：(1)环氧乙烷和亚硫酸氢钠的加成反应得到羟乙基磺酸钠；(2)氨解羟乙基磺酸钠得到牛磺酸钠；(3)使用盐酸，最好是硫酸中和反应，得到牛磺酸和无机盐。

尽管由环氧乙烷合成牛磺酸的方法已经建立得很完善，并被广泛地用于合成牛磺酸商业产品，但是这个方法的总产率不高，只有不超过80％。而且这个方法会产生大量的废料，不易处理。

由环氧乙烷合成牛磺酸方法的第一步是环氧乙烷和亚硫酸氢钠的加成反应，在特定的条件下，见美国专利号2,820,818，能高产率地得到羟乙基磺酸钠，实际中可以达到定量的产率。

因此，由环氧乙烷生产牛磺酸的方法的问题出现在羟乙基磺酸钠的氨解过程和牛磺酸同硫酸钠的分离过程中。

美国专利号1,932,907发现，当羟乙基磺酸钠氨解反应在摩尔比为1:6.8，温度为240到250摄氏度下反应2小时，得到牛磺酸钠的产率为80％。美国专利号1,999,614中描述，在氨解反应中加入催化剂，如硫酸钠，亚硫酸钠和碳酸钠，得到牛磺酸钠和二牛磺酸钠的混合物，产率高达97％，但是牛磺酸钠和二牛磺酸钠在混合物中的比例没有具体说明。

dd219023详细描述了羟乙基磺酸钠氨解反应产品的具体组成。当羟乙基磺酸钠和25％质量浓度的氨水的氨解反应，以1:9的摩尔比例，并用硫酸钠和氢氧化钠为催化剂，在280摄氏度下反应45分钟，得到的产品中含有71％牛磺酸钠和29％二牛磺酸钠及三牛磺酸钠。

wo01/77071中使用的方法是，在反应介质存在条件下，将牛磺酸钠水溶液加热到210摄氏度，得到牛磺酸钠和二牛磺酸钠的混合物。

由以上这些已知的合成工艺可以总结出，羟乙基磺酸钠氨解反应不可避免地会得到牛磺酸钠、二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的混合物，其中牛磺酸钠的含量不会超过80％。

美国专利号2,693,488发明了一种使用离子交换树脂，由牛磺酸钠制备牛磺酸的方法，首先使用强酸阳离子型交换树脂，然后使用碱性阴离子交换树脂。这个过程复杂，且在每个生产循环中，离子交换树脂的再生需要使用大量的酸和碱。

另一方面，中国专利cn101508657，cn10158658，cn10158659和cn101486669阐述了一种使用硫酸中和牛磺酸钠从而得到牛磺酸和硫酸钠的方法，冷却之后通过将晶体悬浊液过滤，可以很容易地得到牛磺酸粗品。但是，废弃的滤液中仍然含有牛磺酸，硫酸钠和其他有机杂质，为二牛磺酸钠和三牛磺酸钠的混合物。

美国专利号9,428,450和美国专利号9,428,451解决了现有环氧乙烷生产牛磺酸工艺的部分问题，主要是将羟乙基磺酸碱金属盐氨解反应的副产物，即二牛磺酸碱金属盐和三牛磺盐碱金属盐，转化为牛磺酸碱金属盐。从羟乙基磺酸钠生产牛磺酸的整体收率提高到从85％到几乎定量。

美国专利号8,609,890公开了一种使用羟乙基磺酸或二氧化硫来中和牛磺酸碱金属盐以生产牛磺酸并再生羟乙基磺酸盐的方法。美国专利9,108,907号还公开了一种使用由乙醇制备的羟乙基磺酸来中和牛磺酸碱金属盐再生羟乙基磺酸碱金属盐的方法。目的是减少或消除在生产牛磺酸中使用硫酸作为酸化剂。

美国专利号9,061,976公开了通过使用二氧化硫作为酸并通过将氨解反应的副产物，二牛磺酸碱金属盐和三牛磺盐碱金属盐，转化为牛磺酸碱金属盐的综合生产方案。总产量提高到90％以上，并且从生产过程中消除了硫酸碱金属盐。该方法的一个缺点是使用气态的二氧化硫并且产品带有轻微异味。另一个显著的缺点是来自该方法的牛磺酸产品可能含有痕量的亚硫酸碱金属盐，这可能是某些人的过敏原。

美国专利申请号15/238,621公开了一种以大于90％至几乎定量的高总产率从羟乙基磺酸生产牛磺酸的循环方法，而不产生无机盐作为副产物。然而，起始原料羟乙基磺酸难以在商业上获得，并且是通过羟乙基磺酸碱金属盐的双极膜电渗析的昂贵工艺生产的。

cn101717353a描述了一个制备牛磺酸的方法：(1)环氧乙烷与亚硫酸铵反应产生羟乙基磺酸铵和氨；(2)将得到的产物氨解为牛磺酸铵；(3)用硫酸酸化，得到牛磺酸。然而，反复的尝试在公开的条件下不能产生任何牛磺酸。

本发明的一个目标是克服现有的生产牛磺酸方法的缺点，并且还提供了从以下描述中将变得显而易见的优点。

本发明的另一个目标是公开一种高总产率(即大于90％至几乎定量)从羟乙基磺酸铵生产牛磺酸的方法，而且不产生任何无机盐作为副产物。

原料羟乙基磺酸铵可以根据现有技术使环氧乙烷与亚硫酸氢铵反应而容易且经济地制备，例如美国专利号5,646,320和美国专利号5,739,365。

根据本发明的方法，将羟乙基磺酸碱金属盐或再生的羟乙基磺酸碱金属盐，二牛磺酸和三牛磺酸碱金属盐和过量氨混合，在一种或多种催化剂的存在下，连续进行氨解反应，形成牛磺酸碱金属盐，二牛磺酸碱金属盐，和三牛磺酸碱金属盐。在氨解溶液中加入羟乙基磺酸铵后，除去过量的氨，得到结晶牛磺酸和羟乙基磺酸碱金属盐，二牛磺酸和三牛磺酸碱金属盐溶液。在牛磺酸的固液分离后，将母液直接循环至氨解步骤。

使用羟乙基磺酸铵作为起始原料的优点变得明显，因为在分离出结晶牛磺酸后不需要分离作为副产物的碱金属盐，母液中只含有羟乙基磺酸碱金属盐、二牛磺酸碱金属盐和三牛磺酸碱金属盐。

技术实现要素：

本发明公开一种从羟乙基磺酸铵生产牛磺酸的循环方法，其整体总产率大于90％至接近定量，而且不产生任何无机盐副产物。

原料羟乙基磺酸铵是通过环氧乙烷与亚硫酸氢铵按下面的反应制得：

在溶液中生产的羟乙基磺酸铵可直接用于生产牛磺酸。优选地，通过将溶液浓缩以获得结晶原料来纯化羟乙基磺酸铵。当固体羟乙基磺酸铵用于生产牛磺酸时，产生的牛磺酸的质量得到改善，并且循环过程几乎不需要母液的排放。

根据本发明的方法，将羟乙基磺酸碱金属盐或再生的羟乙基磺酸碱金盐，二牛磺酸碱金属盐，和三牛磺酸碱金属盐与过量的氨混合。在反应溶液中加入二牛磺酸碱金属盐，和三牛磺酸碱金属盐可抑制副产物的形成，提高生产产率，并大幅减少或消除生产过程中的废物排放。碱金属是锂，钠或钾。

氨解反应是在160℃至260℃的温度下，在自生至260巴的压力下进行1-6小时。

氨解反应后，向氨解溶液中加入羟乙基磺酸铵，与牛磺酸碱金属盐反应。过量的氨从反应溶液中排出并回收再利用。浓缩冷却后得到牛磺酸的结晶悬浮液，溶液则含有二牛磺酸碱金属盐，三牛磺酸碱金属盐，痕量的未反应的羟乙基磺酸碱金属盐。

羟乙基磺酸铵和氨解液中牛磺酸碱金属盐的的摩尔比为0.1～10。优选的摩尔比为0.5～1.5，更优选为0.9～1.1，最优选为0.95～1.05。当该比例低于当量时，除去氨后的最终ph高于7，并且在溶液中将残留更多的牛磺酸。当该比例大于当量时，最终ph在5至6的期望范围内，但在氨解阶段期间将消耗额外的碱金属氢氧化物。

在氨解阶段形成的牛磺酸碱金属盐与羟乙基磺酸铵的反应按照下面方程式进行：

从上述反应释放出的氨和过量的氨除去可以通过加热或用蒸汽汽提来进行。完全除去氨后，强碱性溶液变为中性，生成结晶牛磺酸和含有羟乙基磺酸碱金属盐，二牛磺酸碱金属盐，三牛磺酸碱金属盐，痕量的未反应的羟乙基磺酸碱金属盐的溶液。初始悬浮液可以先浓缩，然后冷却以使牛磺酸结晶。牛磺酸通过固液分离得到。

在牛磺酸分离后，含有羟乙基磺酸碱金属盐，二牛磺酸碱金属盐，三牛磺酸碱金属盐的母液用氨饱和并进行氨解反应。

显然，反应体系中的碱金属在该生产过程中连续循环使用，只有羟乙磺酸铵转化为牛磺酸。循环过程的净反应是：

在氢氧化物，碳酸盐，碳酸氢盐，硫酸氢盐，硫酸盐，亚硫酸氢盐，亚硫酸盐，硝酸盐，磷酸盐，氯酸盐和高氯酸盐的碱金属盐中发现氨解反应的有用和有效的催化剂。这些盐是氢氧化钠，氢氧化锂，氢氧化钾，碳酸锂，碳酸氢锂，碳酸氢钠，碳酸氢钠，碳酸氢钾，碳酸锂，碳酸钠，碳酸钾，硫酸锂，硫酸钠，硫酸钾，磷酸锂，磷酸钠，磷酸钾，亚硫酸锂，亚硫酸钠和亚硫酸钾。

在二牛磺酸碱金属盐和三牛磺酸碱金属盐存在下，羟乙基磺酸碱金属盐的氨解反应催化剂可以是一种组分或两种或更多种组分的组合。优选的催化剂是碱金属氢氧化物，最优选的催化剂是氢氧化钠。

所使用的催化剂的量没有限制，但催化剂对羟乙基磺酸碱金属盐的摩尔比通常为0.01～10。该比例优选为0.01～1，更优选为0.1～0.5，最优选为0.2～0.3。本领域技术人员可以选择合适量的催化剂使得氨解反应在期望的时间内完成。

作为催化剂，将碱金属氢氧化物引入反应体系中，需要额外的羟乙基磺酸铵来中和。结果是循环过程中碱金属的积累增加。因此优选在生产过程内产生碱金属氢氧化物。一种方便的方法是通过使用双极膜电渗析法将母液中的二牛磺酸碱金属盐分解成酸组分，二牛磺酸和碱金属氢氧化物组分。在使用碱金属氢氧化物作为氨解反应的催化剂，使用二牛磺酸溶液作为酸。

根据本发明的循环过程，牛磺酸的产率大于90％到几乎定量，并且不产生除了循环系统的少量排杂之外的任何废物。

根据本发明的方法可以不连续地，半连续地和连续地进行。

附图说明

图1描述了由羟乙基磺酸铵生产牛磺酸的流程图的一个实施方案。

实施例

以下实施例说明了本发明的实施，但并不旨在限制本发明的范围。

实施例1

向2l高压釜中加入1200ml24％氨溶液，296g羟乙基磺酸钠和2g氢氧化钠。将溶液在自生压力下加热至260℃2小时。冷却后，加入286.2g羟乙基磺酸铵，通过煮沸除去氨，使溶液的ph达到ph6.5。加热除去过量的氨后，浓缩并冷却至室温，得到结晶牛磺酸的悬浮液。通过过滤回收牛磺酸并干燥至189.3g。牛磺酸回收率为75.7％。

实施例2

向实施例1的母液中加入340g气态氨，用去离子水将总体积调节至1500ml，然后加入12.4g氢氧化钠。将溶液置于2l高压釜中，并如实施例1所述进行氨解反应和用羟乙基磺酸铵处理。

基于所用的羟乙基磺酸铵，干燥后得到241.2g的牛磺酸，收率为96.2％。

实施例3～8

牛磺酸分离后的母液在用氨饱和后，在15g氢氧化钠的存在下反复进行5次的氨解反应，基于所用的羟乙基磺酸铵，总牛磺酸的产率为96.4％。

应当理解，前述实施例，附图和说明仅用于说明的目的，并且本发明的各种改进对于本领域技术人员将是不言而喻的。这些改进将被包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。