專利名稱：丙二酸及其酯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及經(jīng)由氰基乙酸鈣，高收率的、高純度地獲得丙二酸及其酯的更簡單的工業(yè)化方法。
背景技術(shù)：
丙二酸及其酯是廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥和化妝品的工業(yè)原料。
丙二酸可以由氰基乙酸鈉用氫氧化鈉堿解成丙二酸鈉，所得的產(chǎn)品在強(qiáng)酸如硫酸存在下水解而制備。丙二酸酯則可以由氰基乙酸鈉用鹽酸酸化成氰基乙酸，后者在產(chǎn)生所需酯的醇存在下酸水解而制備(參見，《工業(yè)有機(jī)合成基礎(chǔ)》，第412頁，楊錦宗，中國石化出版社，1998年12月)。另外，也可以由涉及丙二酸的酯化這一常規(guī)途徑獲得。
此外，WO99/08988、JP-A-59-7135、JP-A-59-7136、JP-B-55-41227、US-A-2337858還公開了由氰基乙酸或其鹽如鈉鹽在強(qiáng)酸如硫酸、鹽酸存在下水解，生產(chǎn)出丙二酸或其酯的方法。
JP-B-53-127411公開了將氰基乙酰胺用氫氧化鈣堿水解，之后用硫酸酸化而制備丙二酸的方法。
《有機(jī)合成文集》[Organic Syntheses Collective]-第二卷(A.H.Blatt編，John Wiley，紐約，1943年)第376頁中公開了由氰基乙酸堿解，獲得丙二酸鹽，并將此鹽與氯化鈣反應(yīng)，生成丙二酸鈣。之后，將此鈣鹽通過酸解的方式并用有機(jī)溶劑提取，給出游離的鹽。
然而，這些文獻(xiàn)中公開的方法在收率、產(chǎn)品純度、酸消耗以及后處理方面仍需要改進(jìn)。因此，仍需要一種更好、更簡單的制備丙二酸及其酯的工業(yè)化方法。
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明者對生產(chǎn)丙二酸及其酯的方法進(jìn)行了潛心的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用經(jīng)由氰基乙酸鈣，可以高收率的、高純度地獲得丙二酸及其酯，并且非常適合工業(yè)化生產(chǎn)，由此完成了本發(fā)明。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供制備丙二酸和丙二酸酯的新方法。
具體地說，本發(fā)明提供一種經(jīng)由氰基乙酸鈣，獲得丙二酸及其酯的方法。
本發(fā)明提供制備丙二酸及其酯的方法a)，該方法包括如下步驟I)將氰基乙酸鈣用氫氧化鈣水溶液堿解，獲得丙二酸鈣溶液；II)將獲得的丙二酸鈣溶液在強(qiáng)無機(jī)酸(如硫酸、鹽酸)存在下酸化水解，產(chǎn)生丙二酸；III)任選的，在質(zhì)子酸催化劑存在下，將分離出的丙二酸采用醇進(jìn)行酯化，給出丙二酸酯。
其中，氰基乙酸鈣可以用以下方法制備，a) 將一氯乙酸鈣與氰化鈣或氰化鈉反應(yīng)，生成氰基乙酸鈣。
或者可以用以下方法制備，a’) 氰基乙酸與氫氧化鈣反應(yīng)，制得氰基乙酸鈣。
發(fā)明詳述具體地說，本發(fā)明制備丙二酸或其酯的方法的具體實(shí)施方案如下步驟I)在50-130℃，優(yōu)選80-110℃下，將氰基乙酸鈣與氧化鈣或氫氧化鈣按一般為低于1∶1，優(yōu)選為1∶0.6-0.95的摩爾比反應(yīng)，直到無明顯的氨氣放出，降溫至50℃以下，離心分離出固體物丙二酸鈣。
根據(jù)反應(yīng)時(shí)所采用的溫度等的不同而變化，反應(yīng)時(shí)間一般為1至20小時(shí)。
所用的反應(yīng)溫度與氰基乙酸鈣和氧化鈣或是氫氧化鈣的摩爾比是相關(guān)的并且決定反應(yīng)的時(shí)間長度。因此，在較低的溫度下，例如50℃下，反應(yīng)時(shí)間會較長，或者采用氧化鈣或氫氧化鈣的用量相對于氰基乙酸鈣的摩爾比微大些。相反，對于較高的反應(yīng)溫度，可能會使用較少的氧化鈣或氫氧化鈣和較短的反應(yīng)時(shí)間。
步驟II)將步驟I)中得到的丙二酸鈣制成水溶液，在攪拌稍冷卻條件下與強(qiáng)無機(jī)酸水溶液，例如稀硫酸或濃鹽酸水溶液反應(yīng)，產(chǎn)生丙二酸及副產(chǎn)物無機(jī)酸鈣鹽，將鈣鹽濾出或離心去除，得到所需產(chǎn)品丙二酸。
反應(yīng)時(shí)，加入足夠量的強(qiáng)酸，優(yōu)選稍微過量的硫酸，使在反應(yīng)容器中的鈣離子均與無機(jī)酸反應(yīng)生成無機(jī)酸鈣鹽。
根據(jù)反應(yīng)時(shí)所采用的溫度等的不同而變化，反應(yīng)時(shí)間一般為1至10小時(shí)。
所用的反應(yīng)溫度和反應(yīng)容器中存在的鈣離子與強(qiáng)無機(jī)酸的摩爾比是相關(guān)的且確定反應(yīng)的時(shí)間。
如果需要，步驟II)中得到的丙二酸可以進(jìn)行如下步驟III)來得到丙二酸酯。
步驟III)在質(zhì)子酸催化劑，例如，氯代磺酸、甲磺酸、對甲苯磺酸、鹽酸、硫酸和其它質(zhì)子酸，優(yōu)選在硫酸存在下，在加熱下，將分離出的丙二酸采用醇進(jìn)行酯化，給出丙二酸酯。步驟III)的操作條件可參見WO99/8988中的丙二酸酯化方法。
在本發(fā)明方法中酯化用的醇是C1-C10的伯或仲醇，例如甲醇、乙醇、異丙醇，特別是乙醇。
上述反應(yīng)中采用的起始原料氰基乙酸鈣可以用以下步驟制備，a)將一氯乙酸鈣與氰化鈣反應(yīng)，生成氰基乙酸鈣。
步驟a)是在30-120℃，優(yōu)選50-110℃下，將氯乙酸鈣與氰化鈣按一般為至少1∶1摩爾，優(yōu)選為1∶1.0-3.0，最優(yōu)選為稍微過量(例如(例如1.01-1.50)的摩爾比反應(yīng)。
根據(jù)反應(yīng)時(shí)所采用的溫度等的不同而變化，反應(yīng)時(shí)間一般為1至10小時(shí)。
所用的反應(yīng)溫度和氯乙酸鈣與氰化鈣的摩爾比是相關(guān)的且確定反應(yīng)的時(shí)間。因此，在較低的溫度下，例如40℃下，反應(yīng)時(shí)間會較長，或者采用氰化鈣的用量相對于氯乙酸鈣要稍微大些過量。相反，對于較高的反應(yīng)溫度，可能會使用較少的氰化鈣和較短的反應(yīng)時(shí)間。
或者可以用以下步驟制備，a’) 氰基乙酸與氫氧化鈣反應(yīng)，制得氰基乙酸鈣。
本發(fā)明步驟a)中所采用的起始原料一氯乙酸鈣是已知的物質(zhì)，或者可以用本身已知的方法制備，例如，一氯乙酸鈣采用一氯乙酸與氫氧化鈣反應(yīng)來制備。
本發(fā)明步驟a)中所采用的另一種起始原料氰化鈣也是已知的物質(zhì)，或者可以用本身已知的方法制備，例如，氰化鈣采用氰化氫與氫氧化鈣反應(yīng)來制備。
在考慮采用更基本的化學(xué)原料一氯乙酸或氰化氫來進(jìn)行本發(fā)明方法時(shí)，本發(fā)明方法中，也可以在步驟a)之前，增加以更基本的化學(xué)原料一氯乙酸或氰化氫與氫氧化鈣(或鈉)來制備一氯乙酸鈣或氰化鈣(鈉)的步驟。
本發(fā)明步驟a’)中所采用的起始原料氰基乙酸是有機(jī)合成上已知的物質(zhì)，或者可以用本身已知的方法制備。
此外，在考慮采用更基本的化學(xué)原料一氯乙酸或氰化氫來進(jìn)行本發(fā)明方法時(shí)，本發(fā)明還可以采用由一氯乙酸、氰化氫和氧化鈣或氫氧化鈣直接原位制備丙二酸鈣。
因此，本發(fā)明的制備丙二酸或其酯的方法還可以按如下方式(方法b)進(jìn)行I’)在一個反應(yīng)容器中，控制溫度低于50℃下，優(yōu)選低于40℃下，向氫氧化鈣水溶液中慢慢加入一氯乙酸，產(chǎn)生一氯乙酸鈣；隨后通入氰化氫氣體，至氰化氫不再反應(yīng)，再投入氧化鈣或氫氧化鈣堿解，將反應(yīng)溫度升至85℃以上，優(yōu)選在90-120℃之間，反應(yīng)2-20小時(shí)，獲得丙二酸鈣溶液。
接著采用本發(fā)明方法的步驟II)和III)來制備丙二酸或其酯。
本發(fā)明方法的反應(yīng)過程通常是在常壓下進(jìn)行，但也可以采用加壓或減壓的方式-例如在0.1-10巴下進(jìn)行。
本發(fā)明方法制備出的丙二酸或丙二酸酯的后處理可以采用常規(guī)的方法來進(jìn)行，例如采用洗滌、脫色、重結(jié)晶、色譜、減壓蒸餾等。
本發(fā)明的采用經(jīng)由氰基乙酸鈣的方法與目前廣泛工業(yè)化應(yīng)用的經(jīng)由氰基乙酸鈉來制備丙二酸及其酯的方法相比較，前者具備以下優(yōu)點(diǎn)一、由于Ca2+電場強(qiáng)于Na+，從反應(yīng)機(jī)理角度來看，前者較容易反應(yīng)，產(chǎn)生的氫氧化鈣溶解度小，微量的氫氧化鈣降低了堿解反應(yīng)，引入鈣離子，用硫酸沉淀，可達(dá)到很好的分離效果。因此，反應(yīng)過程中采用氫氧化鈣來代替氫氧化鈉，后處理時(shí)，易于將鈣離子除去。
二、制備氰基乙酸鈣的反應(yīng)，相對于制備氰基乙酸鈉的反應(yīng)，前者反應(yīng)更溫和且分解少。
三、采用含氰基乙酸鈣和氫氧化鈣來代替氰基乙酸鈉和氫氧化鈉，生產(chǎn)成本更低廉。
四、對于生產(chǎn)丙二酸而言，避免使用有機(jī)溶劑，降低后處理時(shí)環(huán)境污染，且方法簡便易行，固液分離大幅提高，從而增加產(chǎn)品純度。
五、反應(yīng)條件溫和，工藝過程的總收率高。
應(yīng)當(dāng)理解，雖然本發(fā)明只對丙二酸及其酯的制備作為詳細(xì)說明，但同樣的原理也會適合用于制備其它的烷二羧酸，例如，丁二酸或戊二酸及其商業(yè)上有用的酯。
實(shí)施例下文中，本發(fā)明將通過實(shí)施例的方式作更詳細(xì)的非限定性的說明。
實(shí)施例1向反應(yīng)釜中投入氯乙酸97.4g(1mol)，加水150ml溶解，35℃下加40g氫氧化鈣(95％)中和至pH＝7，加入含CN-110g/L的氰化鈣溶液236ml，加熱至50℃，使其自然反應(yīng)，升溫至100℃時(shí)，降溫至50℃再加入氫氧化鈣56g(95％)，升溫至102℃，回流反應(yīng)8小時(shí)，無明顯氨氣溢出，降溫至50℃，過濾、洗滌制得丙二酸鈣185.0g(Ca2+24.00％)。
將丙二酸鈣投入反應(yīng)釜中，加水400ml，打漿30分鐘，于60℃下滴加30％H2SO4375g，時(shí)間3小時(shí)，過濾、洗滌、脫色、濃縮、除硫酸根，再濃縮結(jié)晶得丙二酸85.6g(99％)，收率81.48％。
將得到的丙二酸投入反應(yīng)釜，直接加入95％乙醇47.2g，攪拌升溫至75℃，于75℃±2℃下滴加96％的硫酸20.5g，滴完后于85℃±2℃下反應(yīng)3小時(shí)。反應(yīng)完成后降溫至60℃，攪拌下加水100ml，凈置。分出上層液，用20％碳酸鈉中和至中性，減壓蒸餾得丙二酸二乙酯119.3g(98.5％)，收率90％(以丙二酸為基準(zhǔn))。
實(shí)施例2向反應(yīng)釜中投入氯乙酸97.4g(1mol)，加水150ml溶解，35℃下加入40g氫氧化鈣(95％)中和至pH＝7，加入含CN-110g/L的氰化鈣溶液236ml，加熱至50℃，使其自發(fā)反應(yīng)，升溫至105℃時(shí)，降溫至50℃，再加入氫氧化鈣56g(95％)，升溫至105℃，回流反應(yīng)8小時(shí)，無明顯氨氣溢出，降溫至50℃，過濾，洗滌得丙二酸鈣185.5g(Ca2+24.30％)。
將丙二酸鈣投入反應(yīng)釜中，加水200ml制成漿狀物，然后于60℃下，滴加30％HCl 270g酸化制得丙二酸溶液，用乙醚提取再將提取液濃縮，過濾，干燥，得到丙二酸79.5g(99％)，收率75.5％，得到得丙二酸按實(shí)施例1得酯化方法，可得丙二酸酯。
對照實(shí)施例1向反應(yīng)釜中投入含氰基乙酸鈉107g的溶液356.7g加入氫氧化鈉41.0g于95℃保溫3小時(shí)，制得丙二酸鈉，向丙二酸鈉溶液中加入1.05molHCl酸化，經(jīng)乙醚反復(fù)提取，去除乙醚得丙二酸80.1g(99.5％)，收率76.62％。
權(quán)利要求
1.一種制備丙二酸及其酯的方法，該方法包括I) 將氰基乙酸鈣用氫氧化鈣水溶液堿解，獲得丙二酸鈣溶液；II) 將獲得的丙二酸鈣溶液在強(qiáng)無機(jī)酸存在下酸化水解，產(chǎn)生丙二酸；III)任選的，在質(zhì)子酸催化劑存在下，將分離出的丙二酸采用醇進(jìn)行酯化，給出丙二酸酯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中I)在50-130℃，將氰基乙酸鈣與氧化鈣或氫氧化鈣按1∶0.6-0.95的摩爾比反應(yīng)，直到無明顯的氨氣放出，降溫至50℃以下，離心分離出固體物丙二酸鈣；II)將步驟I)中得到的丙二酸鈣制成水溶液，在攪拌稍冷卻條件下與足以使反應(yīng)容器中的鈣離子均與硫酸反應(yīng)的硫酸量反應(yīng)，產(chǎn)生丙二酸及副產(chǎn)物鈣鹽，將鈣鹽濾出或離心去除，得到丙二酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中I)在80-110℃，氰基乙酸鈣與氧化鈣或氫氧化鈣按1∶0.6-0.95的摩爾比反應(yīng)，直到無明顯的氨氣放出，降溫至50℃以下，離心分離出固體物丙二酸鈣；II)將步驟I)中得到的丙二酸鈣制成水溶液，在攪拌稍冷卻條件下與足以使反應(yīng)容器中的鈣離子均與硫酸反應(yīng)的硫酸量反應(yīng)，產(chǎn)生丙二酸及副產(chǎn)物硫酸鈣鹽，將硫酸鈣鹽濾出或離心去除，得到丙二酸。
4.根據(jù)1-3的方法，其中氰基乙酸鈣是采用如下步驟制備的a)將一氯乙酸鈣與氰化鈣反應(yīng)，生成氰基乙酸鈣；或者a’)將氰基乙酸與氫氧化鈣的反應(yīng)，生成氰基乙酸鈣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中步驟a)是如下進(jìn)行的a)在30-90℃下，將一氯乙酸鈣與氰化鈣按1∶1.0-3.0摩爾比反應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中步驟a)是如下進(jìn)行的a)在40-70℃下，將一氯乙酸鈣與氰化鈣按1∶1.0-1.50摩爾比反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及經(jīng)由氰基乙酸鈣，高收率的、高純度地獲得丙二酸及其酯的更簡單的工業(yè)化方法。該方法包括如下步驟I)將氰基乙酸鈣用氫氧化鈣水溶液堿解，獲得丙二酸鈣溶液；II)將獲得的丙二酸鈣溶液在強(qiáng)無機(jī)酸存在下酸化水解，產(chǎn)生丙二酸；III)任選的，在質(zhì)子酸催化劑存在下，將分離出的丙二酸采用醇進(jìn)行酯化，給出丙二酸酯。
文檔編號C07C67/08GK1410409SQ0114140
公開日2003年4月16日 申請日期2001年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月24日
發(fā)明者雷洪, 尹應(yīng)武, 羅必奎, 呂兆林, 趙碧, 馮倩 申請人:北京清華紫光英力化工技術(shù)有限責(zé)任公司