[1]Изобретение относится к области органической химии, конкретно к способу получения аминоуксусной кислоты, которая является важнейшим продуктом органического синтеза химической промышленности. Аминоуксусная кислота (глицин) широко используется в производстве фармацевтических и витаминных препаратов, пищевых добавок, кормов, пестицидов.
[2]Наиболее распространенным способом получения аминоуксусной кислоты является аммонолиз монохлоруксусной кислоты (МХУК) аммиаком в водном растворе в присутствии гексаметилентетрамина (ГМТА).
[3]
[4]В технической литературе (Общий практикум по органической химии, М. Мир, 1965, с. 88) описан способ получения DL-α-аминокислот аммонолизом галогенкарбоновых кислот в присутствии карбоната аммония. Способ заключается в следующем. Карбонат аммония растворяют в воде при нагревании до 55°С. После охлаждения до 40°С добавляют концентрированный раствор аммиака и соответствующую галогенкарбоновую кислоту и выдерживают при температуре 40-50°С в течение 40 часов. Затем аммиак и углекислоту удаляют, упаривая раствор при 112°С. Для осаждения аминокислоты раствор смешивают с метиловым спиртом, оставляют стоять в течение 13-14 часов. Осадок отфильтровывают и промывают метиловым спиртом. Выход целевого продукта до 60%.
[5]Недостатками указанного способа являются:
[6]- Довольно низкий выход целевого продукта.
[7]- Длительность процесса аммонолиза (40 часов) и выделения (13-14 часов) продукта.
[8]В авторском свидетельстве SU 763329 A1 (С07С 101/08, 1980 г.) описан способ получения DL-α-аминокислот аммонолизом α-галогенкарбоновых кислот газообразным или жидким аммиаком в присутствии α-гексаметилентетрамина, циануровой кислоты или меламина при температуре 65-85°С и рН реакционной смеси 6,5-8 в течение 1 часа. Температуру и рН реакционной смеси регулируют скоростью подачи аммиака. После чего реакционную смесь охлаждают до 10-15°С, подают на центрифугу, отжатые кристаллы промывают водой (5-6°С), растворяют в дистиллированной воде и пропускают через анионитовый фильтр. Полученный раствор упаривают, охлаждают до 5-10°С, отжимают на центрифуге. Выход аминоуксусной кислоты составляет 86-90%, содержание основного вещества 99,7-99,9%.
[9]Недостатками указанного способа являются:
[10]- Недостаточно большой выход продукта.
[11]- Применение анионитового фильтра требует его последующей регенерации, что приводит к большому количеству сточных вод и затрат на их утилизацию.
[12]- Трудность дозирования жидкого аммиака. Жидкий аммиак имеет температуру кипения -36°С и в условиях реакции он будет мгновенно испаряться. При дозировании жидкого аммиака в реакционную зону сверху реактора значительное его количество будет испаряться, не успев прореагировать. При подаче жидкого аммиака снизу реактора реакция будет протекать в гетерогенной области и при быстром испарении аммиака будут образовываться крупные пузыри, которые будут «проскакивать» через жидкую фазу, поскольку в этом случае сложно создать эффективный барботаж. Поэтому потребуется дополнительное оборудование для улавливания и компримирования непрореагировавшего газообразного аммиака.
[13]В патенте RU 2009122 C1 (С07С 227/08, С07С 229/08, 1994 г.) предложен способ получения глицина аммонолизом монохлоруксусной кислоты газообразным аммиаком в присутствии гексаметилентетрамина и хлороформа в среде метанола, содержащего 10% масс. воды. Способ осуществляют следующим образом.
[14]Монохлоруксусную кислоту и гексаметилентетрамин, взятые в молярном соотношении (9-15):1, растворяют в метаноле, содержащем 10 мас.%, воды, добавляют хлороформ в количестве 3-5% от массы введенной монохлоруксусной кислоты и в полученную смесь барботируют газообразный аммиак при 40-70°С в течение 1,5-2 часа.
[15]Образующийся в ходе реакции продукт выпадает в виде мелкокристаллического осадка, представляющего собой смесь глицина с хлористым аммонием (NH4Cl). Реакционную смесь охлаждают до 20°С, осадок отделяют на центрифуге, промывают 90%-ным метанолом, сушат при 100°С в течение часа. Выход глицина составляет 98,5% в пересчете на монохлоруксусную кислоту. Очистку глицина проводят, промывая полученный осадок водным метанолом. Чистота продукта после очистки 99,5%.
[16]Недостатками указанного способа являются:
[17]- При температуре проведения реакции от 40°С до 56,2°С реакция будет проходить медленно, что отрицательно скажется на производительности установки. При температуре выше 56,2°С до заявленной 70°С процесс придется вести при повышенном давлении, так как хлороформ образует с водой азеотропную смесь с температурой кипения 56,2°С при содержании в ней 97,2% хлороформа (Электронный справочник: химические и физические свойства: хлороформ, http://www.chemport.ru/chemical_substance_312.html). Необходимость применения повышенного давления усложняет технологическое оборудование и удорожает производственный процесс.
[18]- При барботировании газообразного аммиака образуется гетерогенная система, скорость реакции в которой, как известно, определяется поверхностью раздела фаз. При барботаже весьма трудно создать условия для тонкодисперсной системы газ-жидкость. При этом неизбежен «проскок» газообразного аммиака. Чтобы устранить «проскок» необходимо иметь достаточно высокий реактор (так как время реакции 1,5-2 часа), что скажется на материальных затратах строительства производства.
[19]В патенте RU 2009123 C1 (G07C 227/08, С07С 229/08, 1994 г.) предложен способ получения глицина аммонолизом монохлоруксусной кислоты газообразным аммиаком в присутствии гексаметилентетрамина в среде метанола, содержащего 10 мас.% воды. Газообразный аммиак барботируют в предварительно приготовленный и подвергнутый термической обработке водно-метанольный раствор монохлоруксусной кислоты и гексаметилентетрамина. Способ осуществляют следующим образом.
[20]В 90%-ном водном метаноле растворяют при перемешивании гексаметилентетрамин, затем монохлоруксусную кислоту и нагревают при температуре 55-60°С в течение не менее чем 0,5 часа. Молярное соотношение монохлоруксусная кислота: гексаметилентетрамин составляет (5-9):1. В полученную смесь барботируют газообразный аммиак при 60-70°С в течение 1,5-2 часа.
[21]Образующийся в результате реакции глицин в смеси с хлористым аммонием (NH4Cl) выпадает в виде мелкокристаллического осадка, который после охлаждения реакционной смеси до 20°С отделяют центрифугированием, промывают 90%-ным метанолом, сушат 1 час при 100°С. Чистота очищенного глицина 99,5%. Выход очищенного глицина 99,0%.
[22]Недостатком указанного способа является многостадийность процесса (растворение твердого гигроскопического гексаметилентетрамина в 90%-ном водном метаноле, растворение монохлоруксусной кислоты в полученном растворе, предварительная термическая обработка водно-метального раствора монохлоруксусной кислоты и гексаметилентетрамина). Поскольку технологический процесс осуществляется с перемешиванием, стандартный реактор представляет собой аппарат с малым отношением его высоты и диаметра. Это означает, что в условиях гетерогенного процесса придется увеличивать время реакции для полного ее завершения и небольшой скорости подачи газообразного аммиака. Поэтому для сохранения заявленного времени реакции 1,5-2 часа необходимо устанавливать каскад реакторов, иначе производительность установки будет небольшой, что является существенным недостатком.
[23]В патенте RU 2286335 С2 (С07С 227/08, С07С 229/08, 2006 г.) предложен способ получения аминоуксусной кислоты аммонолизом монохлоруксусной кислоты газообразным аммиаком в водной среде при температуре 65-75°С и рН 6,5 в присутствии гексаметилентетрамина. Мольное соотношение монохлоруксусная кислота: гексаметилентетрамин составляет (9-15):1.
[24]Для выделения глицина в 80%-ный изопропиловый спирт при перемешивании добавляют реакционную массу со стадии аммонолиза. Масса сначала самоохлаждается до 25°С, затем ее охлаждают рассолом через баню до 5°С. Осадок хлористого аммония и глицина отфильтровывают. Далее проводят спиртовую и водную очистку. Для проведения спиртовой очистки смесь фильтрата с водной очистки и 87% изопропиловый спирт нагревают при перемешивании в течение часа, по окончании выдержки охлаждают до 20°С. Полученный осадок отфильтровывают и передают на водную очистку. Водную очистку проводят дистиллированной водой. При перемешивании в воду загружают осадок со спиртовой очистки. Массу нагревают до 95°С и оставляют на самоохлаждение до 45°С. По окончании выдержки дополнительно охлаждают до 10°С. Полученную суспензию отфильтровывают. Осадок сушат. Получают продукт, соответствующий фармацевтическим требованиям, с выходом 92-97%.
[25]Недостатками указанного способа являются:
[26]- Процесс самоохлаждения длителен, что резко уменьшает производительность единицы оборудования.
[27]- Необходимость проведения двойной очистки, вначале спиртовой, затем водной.
[28]- Много циклов охлаждение - нагревание, что отрицательно скажется на энергетических затратах и приведет к удорожанию целевого продукта.
[29]В патентной заявке CN 112592285 А (С07С 227/08, 2021 г.) предложен непрерывный производственный способ получения аминоуксусной кислоты, который включает стадию получения хлоруксусной кислоты, стадию получения аминоуксусной кислоты и стадию получения хлористого аммония.
[30]На стадии получения аминоуксусной кислоты в реактор загружают определенное количество твердой хлоруксусной кислоты, определенное количество твердого уротропина (гексаметилентетрамина) и в начале реакции определенное количество метанола для растворения реагентов. Жидкий аммиак преобразуется в газообразный аммиак через устройство испарения, и определенное его количество медленно поступает в реактор, чтобы поддерживать значение рН реакции на уровне около 7. Температура поддерживается на уровне 60-90°С. В присутствии катализатора уротропина хлоруксусная кислота вступает в реакцию с аммиаком с образованием аминоуксусной кислоты. После охлаждения реакционную жидкость центрифугируют для разделения твердой и жидкой сред. Твердое вещество, отделенное центрифугированием, поступает в аппарат для растворения в горячей воде. В полученный раствор подается метанол для кристаллизации продукта. Образующуюся суспензию центрифугируют и влажный твердый осадок высушивают для получения промышленного продукта аминоуксусной кислоты.
[31]Недостатки стадии получения аминоуксусной кислоты:
[32]- Промывка твердого вещества после центрифугирования горячей водой приводит к потерям целевого продукта ввиду хорошей растворимости аминоуксусной кислоты в воде и увеличивает энергетические затраты.
[33]- Необходимость преобразования жидкого аммиака в газообразный требует дополнительного оборудования.
[34]- Медленный ввод аммиака в реактор для синтеза аминоуксусной кислоты снижает производительность процесса.
[35]В патентной заявке CN 113185420 А (С07С 227/08, С07С229/08, 2021 г.) предложен способ получения глицина, включающий следующие этапы.
[36]1. Растворяют 98%-ную хлоруксусную кислоту в метаноле и пропускают аммиак при температуре 10-30°С до значения рН 9.
[37]2. Добавляют катализатор уротропин (гексаметилентетрамин), повышают температуру до 65-70°С, добавляют по каплям органический амин в течение 1 часа, выдерживают реакционную массу в течение 0,5 часа для завершения реакции.
[38]3. Температуру понижают до 20-30°С, реакционную массу фильтруют, осадок промывают 90-92% метанолом, фильтруют и сушат.
[39]В качестве органического амина используют триэтиламин или трипропиламин. Молярное соотношение органического амина к реагенту хлоруксусной кислоте составляет 1-1,05:1. Масса растворителя метанола в 4 раза превышает массу хлоруксусной кислоты, а катализатор уротропин составляет 9% метанола по массе.
[40]Получают глицин с выходом 96,0-98,6% в пересчете на хлоруксусную кислоту и чистотой 97,8%-98,8%.
[41]Недостатками указанного способа являются:
[42]- В технологическом процессе требуется ступенчатое повышение температуры с 30°С до 65°С, что делает невозможным осуществление синтеза по более производительной непрерывной технологической схеме.
[43]- Многостадийность процесса.
[44]1) На первой стадии получают аммониевую соль монохлоруксусной кислоты.
[45]2) Введение в процесс дополнительного реагента - органического амина - помимо аммиака усложняет технологию. В результате образуется все тот же хлористый аммоний, как и в процессе прямого аминирования монохлоруксусной кислоты.
[46]3) Дробная кристаллизация гидрохлорида органического аммония для его отделения от уротропина усложняет процесс, что отрицательно влияет на его экономичность.
[47]4) Регенерация органического амина из его гидрохлорида также усложняет процесс, так как последний необходимо растворить в воде и пропустить через раствор газообразный аммиак с последующим отделением органического амина и фильтрацией хлористого аммония.
[48]Технической задачей изобретения является устранение недостатков известного уровня техники, упрощение технологического процесса получения аминоуксусной кислоты, увеличение производительности технологического оборудования.
[49]Поставленная задача решена разработанным способом получения аминоуксусной кислоты, который осуществляют взаимодействием водно-метанольного раствора, содержащего монохлоруксусную кислоту и формалин, с водным раствором аммиака, поддерживая рН реакционной смеси на уровне 6,5-7,5 и температуру реакции 72-85°С в течение 30-120 минут. Содержание метанола в реакционной смеси составляет 23-70% массовых. Для выделения целевого продукта реакционную массу охлаждают, смешивают с метанолом в массовом соотношении 1:3,5-4,0. Выпавший осадок отфильтровывают, сушат.
[50]Отличительными признаками предлагаемого способа получения аминоуксусной кислоты являются.
[51]Исходные реагенты для синтеза: водно-метанольный раствор монохлоруксусной кислоты и формалина, водный раствор аммиака.
[52]Реакция протекает в водно-метальном растворе при содержании метанола в реакционной смеси в количестве 23-70% массовых. При конкретных концентрациях водно-метанольной смеси в реакционной массе обеспечивается режим самопроизвольного поддержания стабильной температуры реакции в интервале 72-85°С.
[53]Сущность изобретения заключается в следующем.
[54]В реактор одновременно дозируют водно-метанольный раствор определенной концентрации, содержащий монохлоруксусную кислоту, метанол, формалин, и водный раствор аммиака, поддерживая рН реакционной смеси на уровне 6,5-7,5 и температуру реакции 72-85°С. При взаимодействии формалина с аммиаком образуется гексаметилентетрамин, который в момент его образования является катализатором в синтезе аминоуксусной кислоты. По окончании дозирования компонентов реакционную массу выдерживают в течение 30-120 минут. Для выделения целевого продукта реакционную массу охлаждают, смешивают с метанолом в массовом соотношении 1:3,5-4,0. Выпавший осадок отфильтровывают, сушат.
[55]В литературном источнике известна температура кипения водно-метанольных растворов при атмосферном давлении при содержании мольных процентов метанола в смеси. Данные приведены в таблице 1.
[56]
[57]https://www.chem21.info/page/12510702102011313915903418911912415516
[58]Для пересчета из мольных процентов в массовые проценты используют круглую номограмму Бэра, которая обеспечивает быстрое и надежное получение результата (https://chem21.info/page/-253100042074089-00424413221400623311850270501).
[59]С помощью номограммы Бэра осуществлен пересчет мольных процентов метанола в массовые проценты для определения оптимальных условий проведения синтеза.
[60]Для определения массовых процентов метанола вычисляют отношение молекулярной массы метанола к молекулярной массе воды, которое откладывают на горизонтальной оси номограммы. Через эту точку и точку количества мольных процентов вверху диаграммы проводят прямую линию и в нижней части номограммы фиксируют количество массовых процентов.
[61]Краткое описание чертежей.
[62]Фиг. 1 представляет собой номограмму Бэра для пересчета 30 мольных процентов метанола в массовые проценты.
[63]Молекулярная масса метанола 32,04. Молекулярная масса воды 18,015. Отношение метанол : вода равно 1,778. На номограмме сверху указаны мольные проценты, внизу - массовые проценты. На номограмме 30% мольных соответствует 44% массовым. Температура кипения такой водно-метанольной смеси соответствует 78,2°С.
[64]Фиг. 2 представляет собой номограмму Бэра для пересчета 40 мольных процентов метанола в массовые проценты.
[65]Молекулярная масса метанола 32,04. Молекулярная масса воды 18,015. Отношение метанол : вода равно 1,778. На номограмме сверху указаны мольные проценты, внизу - массовые проценты. На номограмме 40% мольных соответствует 55% массовым. Температура кипения такой водно-метанольной смеси соответствует 75,6°С.
[66]Фиг. 3 представляет собой номограмму Бэра для пересчета 55 мольных процентов метанола в массовые проценты.
[67]Молекулярная масса метанола 32,04. Молекулярная масса воды 18,015. Отношение метанол : вода равно 1,778. На номограмме сверху указаны мольные проценты, внизу - массовые проценты. На номограмме 55% мольных соответствует 70% массовым. Температура кипения такой водно-метанольной смеси соответствует 72,4°С.
[68]Аналогичным образом находят массовое содержание метанола в водных растворах при других мольных процентах метанола.
[69]Так 20% мольных соответствует 30% массовым. Температура кипения такой водно-метанольной смеси соответствует 82,0°С.
[70]12% Мольных соответствует 20% массовым. Температура кипения такой водно-метанольной смеси соответствует 86,5°С.
[71]Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
[73]Реактор представляет собой кругло донную колбу объемом 500 мл, снабженную перемешивающим устройством, рН-метром, обратным холодильником, термометром, двумя штуцерами для загрузки реагентов и баней для нагрева и охлаждения.
[74]В реактор при перемешивании одновременно дозируют раствор, содержащий 100 г монохлоруксусной кислоты (МХУК) в 45 г 37%-ного водного раствора формальдегида (формалина), и 25%-ный водный раствор аммиака, таким образом, чтобы рН среды поддерживать на уровне 6,5-7,5 и температуру в реакционной массе 60°С. Температура поддерживается с помощью термостата с точностью ± 0,2°С. Реакционную массу выдерживают при указанной температуре в течение 45 минут, охлаждают до комнатной температуры и сливают в подходящую емкость, куда предварительно наливают метанол в массовом соотношении к реакционной массе 3,5:1.
[75]При перемешивании выпадает белый осадок, который отфильтровывают и высушивают.
[76]После сушки получают 82,69 г продукта с содержанием основного вещества 85,6%. Выход аминоуксусной кислоты в пересчете на МХУК составляет 89,1%.
[78]Синтез проводят в реакторе в условиях, аналогичных примеру 1. Выделение аминоуксусной кислоты осуществляют смешиванием реакционной массы и метанола в массовом соотношении 1:4. После выпадения осадка его отфильтровывают и высушивают. После сушки получают 82,07 г продукта с содержанием основного вещества 87,3%. Выход аминоуксусной кислоты составляет 90,2% в пересчете на МХУК.
[80]Синтез аминоуксусной кислоты проводят при температуре 70°С в реакторе и условиях, описанных в примере 1.
[81]Выделение аминоуксусной кислоты осуществляют путем смешивания реакционной массы с метанолом в массовом соотношении 1:4 соответственно. После фильтрации и сушки получают 81,12 г продукта, в котором содержание основного вещества составляет 85,0%. Выход аминоуксусной кислоты в пересчете на МХУК составляет 86,8%.
[83]Синтез аминоуксусной кислоты проводят при температуре 80°С в реакторе и условиях, описанных в примере 1.
[84]Выделяют аминоуксусную кислоту, смешивая реакционную массу с метанолом при массовом соотношении 1:4 соответственно. После фильтрации и сушки получают 82,75 г продукта с содержанием основного вещества 81,6%. Выход аминоуксусной кислоты в пересчете на МХУК составляет 85,0%.
[85]Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение температуры в зоне реакции до 80°С приводит к снижению выхода продукта за счет возрастающей скорости реакции гидролиза МХУК с образованием оксиуксусной кислоты. Кроме того, чистота получаемой аминоуксусной кислоты также ухудшается.
[87]В реактор объемом 1 000 мл одновременно дозируют водно-метанольный раствор, содержащий 100 г МХУК в определенном количестве формалина, и водный раствор аммиака, поддерживая рН на уровне 6,5-7,5. При этом в составе реакционной массы содержание метанола остается всегда постоянным и равным 55 мас.%. За счет кипения реакционной массы и возврата из обратного холодильника конденсирующихся паров метанола, самопроизвольно устанавливается стабильный температурный режим синтеза аминоуксусной кислоты с температурой 75,6°С.
[88]После окончания дозирования компонентов реакционную массу выдерживают при установленной температуре в течение 30 минут. Затем реакционную массу охлаждают и переносят в аппарат с перемешивающим устройством, куда наливают метанол в массовом соотношении реакционная масса: метанол, равном 1:3,5. Выпавший осадок отфильтровывают и после сушки получают 78,23 г продукта с содержанием основного вещества 98,2%. Выход аминоуксусной кислоты в пересчете на МХУК составляет 96,7%.
[90]Синтез аминоуксусной кислоты проводят аналогичным способом, описанном в примере 5, при температуре 75,6°С, которая устанавливается самопроизвольно за счет кипения реакционной массы и возврата сконденсированных паров метанола в обратном холодильнике.
[91]В любой момент времени содержание метанола в реакционной массе остается постоянным и равным 55 мас.%.
[92]После окончания реакции реакционную массу охлаждают до комнатной температуры и для выделения аминоуксусной кислоты смешивают с метанолом с таким расчетом, чтобы массовое соотношение реакционная масса: метанол было равно 1:4.
[93]Выпавший осадок отфильтровывают и высушивают. После сушки получают 77,91 г продукта, содержащего 98,5% основного вещества. Выход аминоуксусной кислоты в пересчете на МХУК составляет 96,6%.
[94]Примеры 7-19 проводят аналогичным образом. Результаты опытов сведены в таблицы 2, 3.
[95]
[96]
[97]Преимуществами предложенного способа получения аминоуксусной кислоты являются:
[98]1. Применение специально подобранной водно-метанольной среды для синтеза аминоуксусной кислоты при содержании метанола в реакционной массе в количестве 23-70% обеспечивает режим самопроизвольного поддержания стабильной температуры в реакционной массе.
[99]2. Саморегулируемый температурный режим синтеза не требует применения дорогостоящего регулирующего оборудования и гарантирует стабильное качество получаемой аминоуксусной кислоты за счет подавления гидролиза МХУК и меньшего образования оксиуксусной кислоты.
[100]3. В технологическом процессе не используется газообразный токсичный и взрывоопасный аммиак, что повышает уровень безопасности процесса.
[101]4. Исключено использование твердого гексаметилентетрамина, который необходимо получать предварительно. Кроме того, устраняются трудности при дозировании твердого продукта, которое требует специальных дозирующих устройств.
