在草甘膦的生产中对n-(膦酰甲基)亚氨基二乙酸转化率的控制的制作方法
【专利说明】在草甘麟的生产中对N-(麟醜甲基）亚氨基二乙酸转化率 的控制
[0001] 本申请是中国专利申请200680019755.X的分案申请，该中国专利申请的申请日 为2006年4月3日，发明名称是"在草甘麟的生产中对N-(麟酷甲基）亚氨基二己酸转化 率的控制"。
[000引发明背景
[000引本发明总体设及从N-(麟酷甲基）亚氨基二己酸（"PMIDA")制备N-(麟酷甲基） 甘氨酸（"草甘麟"）的方法，更特别地设及控制PMIDA的转化率的方法，用于确认与PMIDA 转化有关的反应终点的方法和制备具有受控的PMIDA含量的草甘麟产品的方法。 现有技术
[0004] N-(麟酷甲基）甘氨酸在农业化学工业中称为草甘麟，是非常有效而且具有重要 商业价值的广谱除草剂，用于控制各种萌芽种子、出±秩苗、成熟的木本和草本植被W及水 生植物的生长。草甘麟用作芽后除草剂W控制在培育作物±地中的各种年生和多年生草和 宽叶杂草物质的生长（包括棉的生产），并且是在可从MonsantoCompany(SaintLouis, MO)获得的ROUNDUP类除草剂中的活性成分。
[0005] 草甘麟及其盐方便地W含水除草制剂（所述制剂通常含有一种或多种表面活性 剂）的形式施用到目标植物的叶组织上（即，叶片或其它光合作用器官）。在施用后，草甘麟 被植物的叶组织吸收，并在整个植物中迁移。草甘麟非竞争性地阻断了基本上所有植物共 有的重要生化途径。更特别地，草甘麟抑制了会导致芳族氨基酸的生物合成的莽草酸途径。 通过抑制在植物中发现的酶5-締醇丙酬基-3-麟酷莽草酸合成酶（EPSP合成酶或EPSP巧， 草甘麟抑制了麟酷締醇丙酬酸和3-麟酷莽草酸向5-締醇丙酬基-3-麟酷莽草酸的转化。
[0006] 各种工业方法可W用于制备草甘麟。例如，草甘麟可W通过在含水介质中进行 PMIDA的催化氧化来制备。该种反应可W按间歇或连续模式在通常含有颗粒状碳或负载在 碳载体上的贵金属（例如Pt)的催化剂存在下进行。所述催化剂通常在揽拌蓋反应器内在 PMIDA的水溶液中渺浆化，并且将分子氧引入反应器中用作氧化剂。该反应是放热的。反应 器的温度通常通过在间接换热器中将热量从反应混合物转移到冷却流体来控制。换热器可 W含有在反应器内浸入反应混合物中的蛇管、位于反应器外部的夹套或用于将反应混合物 从反应器循环的外部换热器。
[0007] 草甘麟产物的回收通常包括一个或多个结晶步骤。在结晶中所获得的一个或多个 母液料流可W循环到该工艺的结晶或反应步骤中。通常将一部分母液从工艺中除去W清除 副产物。结晶的草甘麟可W进行干燥，并作为固体结晶产品销售。大部分的草甘麟晶体通 常用碱例如异丙胺、K0H等在含水介质中中和，得到浓缩的盐溶液。含有该种草甘麟盐溶液 W及通常还含有其它组分（例如各种表面活性剂）的浓缩制剂是主要的商业产品。
[000引希望在反应过程中PMIDA基本完全转化成草甘麟。尽管一些未反应的PMIDA可W回收并循环到反应体系中，但是不可避免的损失会导致产率的损失。草甘麟产品的质量也 会受到在草甘麟产品回收体系中未除去的残余PMIDA的影响。
[0009] 已经建议了一些方法，其中可w有意地仅仅使反应进行到部分转化率，并且将所 得的较大比例的未反应的PMIDA从反应混合物中分离并循环到反应体系中。但是，要求高 比例PMIDA循环的方法设及大量费用的回收和循环体系，并且需要较复杂的工艺来除去杂 质。结果，经常优选将氧化反应进行到高转化率，在一些情况下进行到基本消灭PMIDA的程 度。
[0010] 但是，不希望延长反应时间W致使产物草甘麟不必要地暴露于含水反应体系的酸 性和氧化性条件。草甘麟本身进行氧化反应，形成副产物氨基甲基麟酸（"AMPA")。较长 的和/或严格的反应条件可W有效地驱动PMIDA向草甘麟的转化，但是也会由于草甘麟进 一步转化成AMPA而导致草甘麟产率的损失。延长反应周期也在通过副产物甲醒或甲醒和 甲酸与草甘麟反应而形成N-甲基草甘麟（"NMG")的过程中潜在地增加了产率损失。也形 成了其它杂质，例如N-甲酯基草甘麟（"NFG")、N-甲基氨基甲基麟酸（"MAMPA")和甘氨 酸。所有该些杂质和副产物也潜在地损害了草甘麟产品的品质。
[OCm] 所W，在本领域中需要监控PMIDA向草甘麟的转化率的方法，更特别地需要确认 已经达到目标转化率（目标残余PMIDA浓度）时的终点或停留时间的方法。基于在最终草 甘麟产物中的草甘麟计，最多约eOOOppm重量的PMIDA含量对于工业生产而言是典型的。在 包括草甘麟结晶的产物回收工艺中，例如US申请公开US2005/0059840A1所述（将其全部 内容引入本文供参考），如果产物反应溶液的PMIDA含量基于草甘麟计不大于约2500ppm， 则草甘麟产物的PMIDA含量可W保持小于eOOOppm。
[001引发明概述
[0013] 本发明提供了通过PMIDA的催化氧化制备草甘麟的方法中的多个改变和改进。公 开了能提供具有较低PMIDA含量的草甘麟产物的改进的制备方法。某些该些改进方法包括 选择和控制反应条件W生产草甘麟的产物反应溶液，其具有比通常实践中达到的PMIDA含 量更低的PMIDA含量。进一步根据本发明，公开了各种监控PMIDA在催化氧化反应中的转 化率的方法，检测间歇氧化反应的终点的方法，确定在连续氧化反应中的合适停留时间的 方法，和/或选择和控制用于生产具有较低残余PMIDA含量的反应产物的反应条件的方法。
[0014] 所W，简单地说，在本发明的许多方面中，本发明设及一种制备草甘麟的方法，包 括氧化PMIDA或其盐。该方法包括使PMIDA与氧化剂在含水反应介质中在氧化反应区内在 用于氧化的催化剂存在下接触，从而进行PMIDA的氧化并得到含有草甘麟或其它能转化成 草甘麟的中间体的反应溶液。
[0015] 在各种实施方案中，所述反应溶液进一步加工得到含有不超过约6(K)ppm PMIDA或 其盐的草甘麟产物；和在某些该些实施方案中，PMIDA在含水反应介质中的氧化反应继续 直到PMIDA在反应介质中的浓度已经降低到终点浓度，使得产物的回收或其它进一步加工 得到基于草甘麟计含有不超过约60化pm重量的PMIDA的草甘麟产物。
[0016] 本发明进一步设及一种提供用于其中希望草甘麟产物的PMIDA含量总是保持在 基于草甘麟计小于约0. 06重量％的草甘麟产物的方法。根据该方法，在生产设备中通过包 括使PMIDA在含水介质中在氧化反应区内在用于氧化的催化剂存在下进行催化氧化的方 法来制备草甘麟。在该设备内设计的操作期间，该方法在能有效持续生产具有基于草甘麟 计PMIDA含量小于约0. 06重量％的草甘麟产物的条件下进行。将在该种设计的操作期间 所获得的产物从在其它操作期间获得的其它草甘麟产物中分离出来，其中其它草甘麟产物 具有基于草甘麟计大于约0. 06重量％的PMIDA含量。
[0017] 本发明进一步设及各种在PMIDA在含水反应介质中在氧化反应区内进行催化氧 化期间监控或检测PMIDA向草甘麟或其它草甘麟中间体的转化率的方法。
[001引一种该种方法包括在反应期间获得含水反应介质或其样品的PMIDA含量的一系 列傅里叶变换红外（"FTIR")分析结果。确认用于将PMIDA氧化成草甘麟或其它草甘麟 中间体的PMIDA目标转化率，和/或通过目标残余N-(麟酷甲基）亚氨基二己酸含量来确 认。从多个FTIR分析结果，在预计在氧化反应区内将达到目标转化率或终点时的间歇反应 时间或连续氧化停留时间。
[0019] 在另一种估计PMIDA转化率或残余PMIDA含量的方法中，在工作电极和另一个浸 入含水反应介质或其样品中的电极之间施加电位。作为在保持选择的电流密度时所消耗的 能量或在电极之间的选定电位差的函数进行检测。
[0020] 根据另一种监控或检测在PMIDA在含水反应介质中在氧化反应区内的催化氧化 期间PMIDA向草甘麟或其它草甘麟的中间体的转化率的方法，检测氧化反应中产生的放 热；并且，通过一种方法估计在反应区中已经转化成草甘麟或其它中间体的PMIDA比例，该 方法包括将反应区中产生的热量与加入反应区中的PMIDA的质量和用于将PMIDA氧化成草 甘麟或其它草甘麟中间体的反应的放热进行比较。
[0021] 在具体应用中，在PMIDA向草甘麟或其它草甘麟中间体的转化期间监控在氧化反 应区中产生的放热的瞬时速率；并且通过一种方法估计在含水反应介质中在反应区中的 PMIDA残余浓度，该方法包括将产生放热的速率与含有已经加入反应区的PMIDA的含水介 质的质量或其函数进行比较。在该方法的具体应用中，在PMIDA向草甘麟的非零级氧化反 应的条件下检测产生热量的速率。
[0022]另一种监控或检测在PMIDA在含水反应介质中在氧化反应区内的催化氧化期间 PMIDA向草甘麟或其它草甘麟中间体的转化率的方法包括检测在反应区内产生的二氧化 碳；并且通过一种方法估计在反应区内已被转化成草甘麟或其它中间体的PMIDA的比例， 该方法包括将在反应区内产生的二氧化碳与加入反应区的PMIDA的质量和从PMIDA向草甘 麟或其它草甘麟中间体的氧化反应中获得的单位二氧化碳产生量进行比较。转化率的估算 是基于累积C〇2产生量、瞬时CO2产生量或其组合进行的。在具体应用中，在非零级反应条 件下检测瞬时C〇2产生速率。
[0023] 在其中氧化剂包含分子氧的PMIDA氧化反应中，PMIDA向草甘麟的转化率和残余 PMIDA浓度也可W从在反应期间氧气的累积消耗或氧气消耗的瞬时速率估计。在某些有利 的实施方案中，在非零级反应条件下检测耗氧的瞬时速率。
[0024] 在各种其中跟踪氧气消耗的方法的应用中，该方法与上述对于FTIR所述的方法 相似或基本相同。
[0025] 在本发明的进一步实施方案中，残余PMIDA浓度或转化程度可W通过跟踪发生 PMIDA氧化反应的含水反应介质中的溶解氧含量或氧化/还原电位或者跟踪来自反应区的 排气中的二氧化碳含量来监控。当氧化剂包含分子氧时，转化的进程或残余PMIDA浓度可 W由排气中的〇2含量测定。高转化率和/或反应终点通常通过排气中0 2含量的增加或二 氧化碳含量的降低来指示；或通过含水介质中的溶解氧含量的增加来指示。
[0026] 在本发明的进一步实施方案中，在氧化反应过程中获得含水反应介质的PMIDA含 量的一系列色谱分析结果，并且确认由目标残余PMIDA浓度限定的PMIDA目标转化率和/ 或目标终点，并且一系列色谱分析结果用于预计将达到目标转化率或终点时的间歇反应时 间或连续氧化停留时间。在PMIDA在含水反应介质中在氧化反应区内的催化氧化期间监控 或检测PMIDA向草甘麟或其它草甘麟中间体的转化率的另一个实施方案中，对含水反应介 质的氨基甲基麟酸含量进行监控并用于测定PMIDA的转化率或确认氧化反应的终点。
[0027] 本发明用于监控转化率、检测或预计反应终点和/或检测残余PMIDA浓度的各种 方法可W组合使用。可W组合任何两种或更多种所公开的方法。例如，具体的方法可W提 供一种或更多种其它方法的交叉核查，或提供用于使从另一种方法或其它方法组合获得的 估算值精确化的基础。
[002引如在该里进一步所公开的，各种监控转化率的方法可W整合到基于算法的程序化 工艺控制流程中，其中所述算法可W基于历史操作和分析数据，其可W通过在线或离线分 析数据与各种工艺参数的目前或历史检测值组合来更新，该些工艺参数包括但不限于形成 用于估算转化率的特定基础的那些。
[0029] 附图简述
[0030] 图1是显示从PMIDA生产草甘麟的连续方法的流程示意图，其中可W实施本发明 生产低PMIDA含量的草甘麟产品的改进方法；
[0031] 图2是显示图1所示方法的另一个实施方案的流程示意图，其中在产物回收区域 中累积的PMIDA可W按照受控的方式从工艺中除去，更特别地按照在固体草甘麟酸产物、 浓缩草甘麟盐溶液和清除料流之间分配PMIDA脱除操作的方式进行；
[0032]图3是显示可W与图1或2所示的草甘麟生产工艺结合的示例性离子交换体系的 示意性流程图；
[0033] 图4是显示蒸发结晶系统的流程示意图，该系统经过改进W供应在进料溶液中的 低PMIDA含量，且不会导致换热表面的过度结垢，该系统可W与图1或2所示的草甘麟生产 工艺结合使用；
[0034] 图5是残余反应物浓度与在间歇反应器中的时间（或与在活塞流反应器中的距 离）的一组关系曲线，其中各曲线分别代表零级、一级和二级动力学，其中在任何给定时间 或位置的各曲线的第一导数代表在该时间或位置的瞬时反应速率；
[0035] 图6是log(反应速率）与在间歇反应器中的log(残余反应物浓度）（或与在活 塞流反应器中的距离）的一组关系曲线，其中各曲线分别代表零级、一级和二级动力学；
[0036] 图7是对工艺控制图的跟踪，包括在电化学氧化方法中在恒定电流下电压与时 间的关系曲线，所述电化学氧化方法用于估计在PMIDA向草甘麟的催化氧化期间的残余 PMIDA含量和/或催化氧化反应的终点；
[0037] 图8包括与图7相似的电压与时间的关系曲线，但是显示在不同选定电流下的电 压与时间曲线；
[003引图9是电流和电压与时间的关系图，说明选定电压方法的原则，该方法用于估计 在PMIDA向草甘麟的催化氧化期间的残余PMIDA含量和/或催化氧化反应的终点；
[0039] 图10是说明用于实施选定电压方法的控制体系的操作的功能方框图，该方法用 于估计在PMIDA向草甘麟的催化氧化期间的残余PMIDA含量和/或催化氧化反应的终点；
[0040] 图11是可W用于携带安装在工艺料流中并用于检测电化学氧化电位的电极的探 针的侧视图；
[0041] 图12是图11的探针的前视图；
[0042] 图13是管道系统截面图，在该管道系统中可朗f入图11和12的探针；
[004引图14是显示用于控制在图1和2所示类型反应体系中的PMIDA转化率的工艺方 框图；
[0044] 图15是用于间歇氧化反应器的流程图和说明图，用于说明可W实施本发明累积 生热实施方案的对比例和检测值；
[0045] 图16是与图12相似的电极探针的后视图，但是仅仅显示在用于测定残余PMIDA 或Cl副产物的电化学氧化方法中所用的两个电极（即，工作电极和对电极）；
[0046] 图17是电压和时间在恒定电流下的工艺控制跟踪，显示在PMIDA向草甘麟的间歇 氧化中在低转化率和高转化率下的极性周期反转和特征痕量；
[0047] 图18显示在PMIDA向草甘麟的间歇氧化期间在检测电化学终点的选定电流方法 中为了保持恒定电流所需要的溶解的氧含量、氧气流量和电压的图形；
[0048] 图19示意性地说明在PMIDA向草甘麟的间歇氧化期间用于PMIDA浓度和反应终 点的逐级电压电化学监控和检测方法；
[0049] 图20显示在PMIDA向草甘麟的间歇氧化期间在反应器排气中的氧气和二氧化碳 含量与时间的关系曲线；
[0050] 图21显示在PMIDA向草甘麟的间歇氧化期间氧化/还原电位的图形；
[CK)5U 图22是在PMIDA向草甘麟的间歇氧化期间的log(反应速率）与log(残余PMIDA 浓度）的典型关系图，显示该反应是假零级直到达到高转化率，然后基本上是一级。
[0化2] 优选实施方案的描述
[0化引在用于生产草甘麟的优选方法中，N-(麟酷甲基）亚氨基二己酸（"PMIDA"的水溶 液与氧化剂在催化剂存在下接触。催化剂可W是例如化OU的美国专利4, 624, 937所述的颗 粒状活性碳，在化ner等人的美国专利6, 417, 133中所述的贵金属/碳催化剂，或在美国申 请公开US2004/0010160A1、国际公开W0 2005/016519A1 和US共同申请 11/357,900(2006 年2月17日递交，题目是"含过渡金属的催化剂和包含含过渡金属的催化剂的催化剂组合 物W及它们的制备方法和作为氧化催化剂的用途"，律师文件号MTC6887.501)中所述的过 渡金属/氮组合物/碳催化剂，将它们的全部内容引入本文供参考。
[0化4] 一般，氧化反应在一个或多个揽拌蓋反应器中进行，其中催化剂在PMIDA的水溶 液中渺浆化。反应器可间歇或连续模式操作。当反应按照连续模式进行时，可W使含水 反应介质流过包含氧化催化剂的固定床，或流过串联的多个连续揽拌蓋反应器（"CSTR")。 氧化剂优选是分子氧，但是也可W使用其它氧化剂，例如过氧化氨或臭氧。当使用分子氧 时，该反应方便地在约70-140°C的温度下进行，更通常是约80-120°C。当使用颗粒贵金属 催化剂时，该催化剂通常在反应溶液中W约0. 5-5重量％的浓度渺浆化。
[0化5] 在一组CSTR中，每个反应器的温度独立地控制，但是通常每个反应器W基本彼此 相同的温度范围操作。优选，温度控制在能保持草甘麟处于溶液中并实现副产物甲醒和甲 酸的基本氧化的水平，且不会过度形成副产物亚氨基二己酸（"IDA"，通常来自PMIDA的氧 化）或副产物氨基甲基麟酸（"AMPA"，通常来自草甘麟的氧化）。各种该些副产物的形成通 常导致温度增加，其中IDA的形成主要出现在PMIDA浓度最高的第一或第二反应器中，AMPA 主要在草甘麟浓度较高的最后或倒数第二个反应器中形成。当氧化剂是分子氧时，其可w独立地引入一个或多个、优选全部的系列CSTR中。通常，氧气压力可W在约15-300psig范 围内，更通常在约40-150psig范围内。当CSTR排列用于级联流动且没有中间转移累时，每 个依次CSTR中的压力优选低于与之相邻的前一个CSTR中的压力，W确保正偏差，从而促进 向前流动。通常，在一组CSTR中的第一个CSTR中的氧气压力在大约其压力容器评级的水 平