專利名稱：催化合成l-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工技術(shù)領(lǐng)域，特別是以L-谷氨酸或鹽為原料生產(chǎn)L-吡咯烷酮羧酸 (L-5-吡咯烷酮-2-羧酸)及其鹽的方法。
背景技術(shù)：
L-吡咯烷酮羧酸也稱L-焦谷氨酸，英文全名為Pyrrolidine Carboxylic
Acid (簡稱PCA)，是L-谷氨酸脫水得到的環(huán)狀氨基酸，結(jié)構(gòu)式為<formula>formula see original document page 3</formula> L-吡咯烷酮羧酸是一種白色、無氣味的結(jié)晶狀物質(zhì),分子里存在不對稱碳原子，具 有旋光性，易溶于水，難溶于低級脂肪醇，不溶于非極性有機(jī)溶劑，在常規(guī)條件下儲存時PCA 是一種穩(wěn)定的化合物。PCA是人體皮膚角質(zhì)層中存在的天然保濕因子(雨F)的主要成分。 在生物體內(nèi)，PCA可以以游離態(tài)存在，也常以鹽的形式存在。在人體里，PCA只以氨基酸的左 旋型對映體形式存在。因此存在于人體皮膚角質(zhì)層中的是L-吡咯烷酮羧酸，而且是以鈉鹽 或鉀鹽的形式存在，這就是最常見到的PCA的一類衍生物膜CA單價鹽。
L-吡咯烷酮羧酸抗病能夠有效抵抗普通流感病毒、鼻病毒等感冒病毒。美國等發(fā) 達(dá)國家將L-吡咯烷酮羧酸用于抗病毒的薄頁紙和紙巾里面，L-吡咯烷酮羧酸能夠在長時 間內(nèi)持續(xù)殺死薄頁紙或紙巾和皮膚表面的病毒,還能夠改善皮膚健康狀況并減少對皮膚的 刺激。 L-吡咯烷酮羧酸的鹽可以廣泛應(yīng)用于煙草、化妝品、紡織等領(lǐng)域。
L-吡咯烷酮羧酸的鉀、鈉鹽用于煙草能夠起到很好的保潤效果，并能夠在一定程 度上降低煙氣中一氧化碳、亞硝胺、苯并芘、自由基等有害物質(zhì)，還能夠很好的改善煙氣，能 夠使巻煙香氣豐滿,余味純凈、舒適，同時明顯降低刺激性。 L-吡咯烷酮羧酸的鈉鹽用于化妝品，能夠持久保持皮膚濕潤，并能對皮膚角質(zhì)層 的功能障礙有很好的修復(fù)作用。 L-吡咯烷酮羧酸的鈉鹽用于紡織，具有良好的吸濕透濕作用，能夠提高纖維表面 的電導(dǎo)率，起到良好的抗靜電作用。 L-吡咯烷酮羧酸的鋅鹽具有收斂、抑菌和去除異味的作用。 因此，L-吡咯烷酮羧酸及其鹽是一種重要的具有多種用途的工業(yè)產(chǎn)品，目前所報 道的L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的生產(chǎn)方法大多是在水中進(jìn)行的，通常采用高溫高壓或直接 高溫熔融的方法，通過這種工藝會導(dǎo)致反應(yīng)體系溫度不均勻，會得到部分D-異構(gòu)體,導(dǎo)致 光學(xué)純度相對較低,得到產(chǎn)品的濃度也受到限制，而且對生產(chǎn)設(shè)備的要求較高。高溫高壓生 產(chǎn)方法需要壓力容器，造價高，生產(chǎn)存在不安全隱患，而且設(shè)備管理復(fù)雜；直接高溫熔融則需要具有非常好的攪拌的設(shè)備，設(shè)備外形特殊，設(shè)備加工復(fù)雜，能耗較大，不是理想的便于 工業(yè)生產(chǎn)的方法。如下述兩個專利 (1)曰本專利(專利號JP-B-37-17959)，將L谷氨酸直接加熱到190 200。C熔 融，以除去生成的水得到L-吡咯烷酮羧酸。此方法的缺點(diǎn)是反應(yīng)體系內(nèi)局部溫度太高，反 應(yīng)物為糊狀物，反應(yīng)液溫度極易不均勻，生產(chǎn)的產(chǎn)品的顏色深、光學(xué)純度和收率低。
(2)中國專利(專利號CN 1398853A)，將L-谷氨酸加入水中，加熱到100 30(TC， 在該溫度的水蒸汽壓下反應(yīng)得L 吡咯烷酮羧酸。此方法的缺點(diǎn)是反應(yīng)過程在高溫高壓下
進(jìn)行，存在不安全因素，而且對設(shè)備要求較高，因?yàn)橛兴嬖诜磻?yīng)溫度均勻，水超過i()(rc會 變成水蒸汽，使環(huán)化脫水效率降低,得到產(chǎn)品的濃度也受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種常壓催化合成L吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，合成 條件更溫和、反應(yīng)速度更快、光學(xué)純度和收率更高的吡咯烷酮羧酸及鹽的生產(chǎn)方法，工業(yè)生 產(chǎn)易于操作、設(shè)備簡單。 本發(fā)明所述的一種通過常壓催化合成得到高收率、高光學(xué)純度L-吡咯烷酮羧酸 及其鹽的方法，采用二甲基硅油或白油作為導(dǎo)熱介質(zhì),優(yōu)選一種或多種催化劑得到收率和 光學(xué)純度更高的L-吡咯烷酮羧酸或鹽。 本發(fā)明所述的催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法包括下述步驟 (1)將谷氨酸或谷氨酸單價鹽、催化劑加入到硅油或白油中，L-谷氨酸與白油或
硅油的質(zhì)量比優(yōu)選在i : 2 2 : i，加熱到15(rc 25(rc，進(jìn)行環(huán)化脫水，反應(yīng)結(jié)束后，降
溫到12(TC,加入去離子水，整個過程在常壓下進(jìn)行，得到高收率、高光學(xué)純度的L-吡咯烷 酮羧酸或其單價鹽； (2)在(1)的反應(yīng)時間達(dá)到30分到6小時后，加入去離子水溶解反應(yīng)中的L-吡咯 垸酮羧酸或其單價鹽，經(jīng)油水分離后得到L-吡咯烷酮羧酸或其單價鹽的水溶液；
(3)將(2)得到的L-吡咯烷酮羧酸的水溶液中，加入相應(yīng)的堿溶液與L-吡咯烷酮 羧酸進(jìn)行中和反應(yīng)，攪拌冷卻，得到L-吡咯烷酮羧酸多價鹽的水溶液，經(jīng)結(jié)晶千燥分離后 得到相應(yīng)的L-吡咯烷酮羧酸多價鹽。 上述白油，通常是指白色礦物油。它是經(jīng)過特殊的深度精制后的礦物油。白油無 色、無味、化學(xué)惰性、光安定性能好,基本組成為飽和烴結(jié)構(gòu)，芳香烴、含氮、氧、硫等物質(zhì)近 似于零。由于這種超級的精制深度，在實(shí)際制造工藝中，難以對重質(zhì)餾份實(shí)施，所以白油的 分子量通常都在250-450范圍之內(nèi)。具有良好的氧化安定性,化學(xué)穩(wěn)定性，光安定性,無色、 無味，不腐蝕纖維紡織物。 步驟(1)所述的谷氨酸為L-異構(gòu)體，即L-谷氨酸，其光學(xué)純度不小于80% 。
步驟(1)所述的催化劑為無水硫酸鈉或亞硫酸鈉或分子篩中的一種或幾種。
所述分子篩,又稱泡沸石或沸石，是一種結(jié)晶型的鋁硅酸鹽,其晶體結(jié)構(gòu)中有規(guī)整 而均勻的孔道，孔徑為分子大小的數(shù)量級，它只允許直徑比孔徑小的分子進(jìn)入，因此能將混 合物中的分子按大小加以篩分。 歩驟(1)所述的硅油為二甲基硅油、苯基硅油或環(huán)狀硅油，最好是二甲基硅油。
步驟(1)溫度范圍最好是170 19CTC 。
步驟(1)中，L-谷氨酸與白油或硅油的質(zhì)量比優(yōu)選在1 : 1.5 1 : l，最優(yōu)選
i : i. 2 i : i。 步驟(1)所述的谷氨酸單價鹽為谷氨酸的鈉、鉀、三乙醇胺、單乙醇胺、鋰、銣、銫
步驟(2)反應(yīng)時間，最優(yōu)選1 3小時。 歩驟(3)中所述的L-吡咯烷酮羧酸多價鹽為L-吡咯烷酮羧酸的鈣、鋅、鎂、鋁鹽。
步驟(3)中所述的相應(yīng)的堿溶液為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化^、氫氧化鋅、氫 氧化鎂或氫氧化鋁。 1.本發(fā)明引入無水硫酸鈉或亞硫酸鈉或分子篩作為催化劑，能夠有效的縮短反應(yīng) 時間，提高收率,生產(chǎn)的L-吡咯烷酮羧酸及其鹽具有更高的光學(xué)純度。 使用上述催化劑縮短了反應(yīng)時間，降低能耗，降低反應(yīng)溫度，提高單位收率，催化 劑可使化學(xué)反應(yīng)物在不改變的情形下，經(jīng)由只需較少活化能(activation energy)的路徑 來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。而通常在這種能量F，分子不是無法完成化學(xué)反應(yīng)，不然就是需要較長時 間來完成化學(xué)反應(yīng)。但在有催化劑的環(huán)境下，分子只需較少的能量即可完成化學(xué)反應(yīng)。
2.本發(fā)明使用二甲基硅油或白油作為導(dǎo)熱介質(zhì)，使反應(yīng)液受熱更均勻，避免了局 部高溫造成的碳化，使產(chǎn)品的顏色更淺，過程在常壓下進(jìn)行，操作更簡便、安全,對設(shè)備要求 降低，白油或硅油能夠重復(fù)使用，成本相對降低。 3.本發(fā)明提到的常壓催化生產(chǎn)L吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，未見相關(guān)報道。直 接生產(chǎn)谷氨酸然后中和得到相應(yīng)的鹽，生產(chǎn)靈活性更強(qiáng)，原料易得。 本發(fā)明合成條件更溫和、反應(yīng)速度更快、光學(xué)純度和收率更高的L吡咯垸酮羧酸 及鹽的生產(chǎn)方法，將反應(yīng)導(dǎo)熱介質(zhì)白油或硅油和催化劑同時引入反應(yīng)，使以L谷氨酸或鹽 為原料生產(chǎn)L吡咯烷酮羧酸或鹽的反應(yīng)溫度降低，時間縮短，反應(yīng)體系溫度均勻并便于控 制，產(chǎn)品的收率和光學(xué)純度提高,產(chǎn)品的顏色變淺。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的催化合成L吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法包括下述步驟 (1)將谷氨酸或谷氨酸單價鹽、催化劑加入到硅油或白油中，L-谷氨酸與白油或
硅油的質(zhì)量比優(yōu)選在l : 2 2 : 1,攪拌加熱到15(TC 25(TC之間，進(jìn)行環(huán)化脫水，反應(yīng) 結(jié)束后，降溫到12(TC時加入去離子水，整個過程在常壓F進(jìn)行，得到高收率、高光學(xué)純度的 L吡咯烷酮羧酸或其單價鹽； (2)在(1)的反應(yīng)時間達(dá)到30分到6小時后，加入去離子水溶解反應(yīng)中的L-吡咯
烷酮羧酸或其單價鹽，經(jīng)油水分離后得到L-吡咯烷酮羧酸或其單價鹽的水溶液； (3)將(2)得到的L-吡咯烷酮羧酸或其單價鹽的水溶液中，加入相應(yīng)的堿溶液與
L 吡咯烷酮羧酸進(jìn)行中和反應(yīng),攪拌冷卻，得到L-吡咯烷酮羧酸鹽溶液的水溶液，經(jīng)結(jié)晶
干燥分離后得到相應(yīng)的L-吡咯垸酮羧酸鹽。 步驟(1)反應(yīng)設(shè)備可選擇搪瓷反應(yīng)釜。 為了能使反應(yīng)更好的進(jìn)行，步驟(1)中的催化劑選擇無水硫酸鈉或亞硫酸鈉或分 子篩中的一種或幾種。
步驟(1)中的L-谷氨酸單價鹽采用L-谷氨酸與單價的堿中和得到，中和后的pH 值范圍為6 8。 步驟(1)中所用的導(dǎo)熱介質(zhì)是白油或硅油，如果希望能夠多次重復(fù)使用、導(dǎo)熱均 勻，最優(yōu)選是硅油。硅油分多種，二甲基硅油、苯基硅油、環(huán)狀硅油等，為了導(dǎo)熱介質(zhì)穩(wěn)定優(yōu) 選二甲基硅油。 歩驟(1)中的溫度直接影響到L-吡咯烷酮羧酸或其單價鹽的光學(xué)純度，溫度過低 則反應(yīng)不能進(jìn)行，溫度過高會產(chǎn)生外消旋化,并使產(chǎn)品顏色變深。為了使反應(yīng)穩(wěn)定、產(chǎn)品的
顏色淺，而且不產(chǎn)生外消旋化，溫度優(yōu)選在ls(rc 25(rc,更優(yōu)選le(rc 2()(rc,最優(yōu)選
170 190 。C。 只要反應(yīng)能夠進(jìn)行，第一步對L-谷氨酸或L-谷氨酸單價鹽與硅油或白油的比例
沒有特殊要求，通常L-谷氨酸與硅油或白油的質(zhì)量比為i : 2 2 : i，當(dāng)硅油或白油用
量過高時生產(chǎn)成本高，而且單位生產(chǎn)時間長，當(dāng)硅油或白油用量過低時，體系內(nèi)溫度不易控
制，會降低L吡咯烷酮羧酸的質(zhì)量。為了能夠得到光學(xué)純度更高的L-吡咯烷酮羧酸，L-谷
氨酸與硅油或白油的質(zhì)量比優(yōu)選在i : 2 2 : i，更優(yōu)選i : i.5 i.5 : i，最優(yōu)選 i : i. 2 i : i。 只要環(huán)化反應(yīng)能夠進(jìn)行，步驟(2)對反應(yīng)時間沒有特殊要求，從30分鐘到6小時 不等。反應(yīng)時間過短則反應(yīng)進(jìn)行不完全，反應(yīng)時間過長則會增加能耗，降低生產(chǎn)效率，而且 會使產(chǎn)品的光學(xué)純度降低。反應(yīng)時間優(yōu)選在30分鐘 6小時，更優(yōu)選1小時 5小時，最 優(yōu)選1 3小時。 為制得L-吡咯烷酮羧酸多價鹽時,進(jìn)行步驟(3)反應(yīng)。 步驟(3)反應(yīng)的原料之--來源于步驟(2)反應(yīng)的L-吡咯烷酮羧酸水溶液，中和的 堿可用氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鋅、氫氧化鎂和氫氧化鋁。
下面描述由L-谷氨酸生成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的過程
從L-谷氨酸生成L-吡咯烷酮羧酸 將谷氨酸、催化劑加入到硅油中，L-谷氨酸與硅油的質(zhì)量比1 : l,攪拌加熱到 17(TC之間，進(jìn)行環(huán)化脫水，反應(yīng)時間達(dá)到2小時后，，降溫到12(TC時加入去離子水，整個過 程在常壓下進(jìn)行，加入去離子水溶解反應(yīng)中的L-吡咯烷酮羧酸，經(jīng)油水分離后得到L-吡咯 烷酮羧酸的水溶液； 從L-谷氨酸一鈉鹽生成L-吡咯烷酮羧酸鈉 將谷氨酸一鈉、催化劑加入到硅油中，L-谷氨酸與硅油的質(zhì)量比1 : 1.2，攪拌加 熱到165。C，進(jìn)行環(huán)化脫水，反應(yīng)時間達(dá)到1小時后，，降溫到12(TC時加入去離子水，整個過
程在常壓下進(jìn)行，加入去離子水溶解反應(yīng)中的L-吡咯垸酮羧酸鈉，經(jīng)油水分離后得到吡
咯烷酮羧酸鈉的水溶液； 從L谷氨酸生成L-吡咯烷酮羧酸鉀 將氫氧化鉀溶液加入到谷氨酸水溶液中，生成L-谷氨酸一鉀鹽，結(jié)晶干燥后， 加入到硅油中，L-谷氨酸與硅油的質(zhì)量比1 : 1.2，攪拌加熱到184。C，進(jìn)行環(huán)化脫水，反應(yīng) 時間達(dá)到1. 5小時后，，降溫到12(TC時加入去離子水，整個過程在常壓下進(jìn)行，加入去離子 水溶解反應(yīng)中的L-吡咯烷酮羧酸鉀，經(jīng)油水分離后得到L-吡咯烷酮羧酸鉀的水溶液；
從L-吡咯烷酮羧酸生成L-吡咯烷酮羧酸鈣
將氫氧化鈣加入到已得到的L-吡咯烷酮羧酸水溶液中，攪拌冷卻，得到L-吡咯垸 酮羧酸鈣的水溶液，結(jié)晶千燥后得到L-吡咯烷酮羧酸鈣。
從L-吡咯烷酮羧酸生成L-吡咯烷酮羧酸鋅 將氫氧化鋅加入到已得到的L-吡咯烷酮羧酸水溶液中，攪拌冷卻，得到L-吡咯垸 酮羧酸鋅的水溶液，結(jié)晶干燥后得到L-吡咯烷酮羧酸鋅。 由上述兩種分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在所述制備的固體中包含大于98wt^的L-吡咯烷酮 羧酸和小于lwtX的未反應(yīng)的谷氨酸丄-吡咯烷酮羧酸的光學(xué)純度以L/D比率表示為96/4。 即，制備的L-吡咯烷酮羧酸的光學(xué)純度是92%。
權(quán)利要求
一種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征是包括下述步驟(1)將谷氨酸或谷氨酸單價鹽、催化劑加入到硅油或白油中，谷氨酸或谷氨酸單價鹽與白油或硅油的質(zhì)量比優(yōu)選在1∶2～2∶1，加熱到150℃～250℃之間，進(jìn)行環(huán)化脫水，反應(yīng)結(jié)束后，降溫到120℃時加入去離子水，整個過程在常壓下進(jìn)行，得到高收率、高光學(xué)純度的L-吡咯烷酮羧酸或其單價鹽；(2)在(1)的反應(yīng)時間達(dá)到30分到6小時后，加入去離子水溶解反應(yīng)中的L-吡咯烷酮羧酸或其單價鹽，經(jīng)油水分離后得到L-吡咯烷酮羧酸或其單價鹽的水溶液。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征是還包括 步驟(3)，將(2)得到的L-吡咯垸酮羧酸的水溶液中，加入相應(yīng)的堿溶液與L-吡咯垸酮羧 酸進(jìn)行中和反應(yīng)，攪拌冷卻，得到L-吡咯烷酮羧酸多價鹽的水溶液，經(jīng)結(jié)晶干燥分離后得 到相應(yīng)的L-吡咯烷酮羧酸多價鹽。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征是步 驟(1)所述的催化劑為無水硫酸鈉或亞硫酸鈉或分子篩中的一種或幾種。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的--種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征是步 驟(1)所述的硅油為二甲基硅油或苯基硅油或環(huán)狀硅油。
5. 如權(quán)利要求1或2任一所述的一種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征 是步驟(1)所述的谷氨酸為L-異構(gòu)體,光學(xué)純度不小于8()%。
6. 如權(quán)利要求1或2任一所述的一種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征 是步驟(1)溫度范圍是170-190°C。
7. 如權(quán)利要求1或2任一所述的一種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征 是步驟(1)中，L-谷氨酸與白油或硅油的質(zhì)量比l : 1.2 1 : 1。
8. 如權(quán)利要求1或2任一所述的一種催化合成L吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征 是歩驟(1)所述的L-谷氨酸單價鹽為L-谷氨酸的鈉、鉀、三乙醇胺、單乙醇胺、鋰、銣或銫
9. 如權(quán)利要求1所述的一種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征是步驟 (2)反應(yīng)時間為1 3小時。
10. 如權(quán)利要求2任一所述的一種催化合成L-吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法，其特征是 步驟(3)中所述的L-吡咯烷酮羧酸多價鹽為L-吡咯烷酮羧酸的鈣、鋅、鎂和鋁鹽；所述的 相應(yīng)的堿溶液為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鋅、氫氧化鎂或氫氧化鋁。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種吡咯烷酮羧酸及其鹽的生產(chǎn)方法，將谷氨酸或谷氨酸單價鹽、催化劑加入到硅油或白油中，加熱到150℃～250℃之間，進(jìn)行環(huán)化脫水，整個過程在常壓下進(jìn)行，得到高收率、高光學(xué)純度的L-吡咯烷酮羧酸或單價鹽；反應(yīng)時間為30分到6小時，加入去離子水溶解反應(yīng)液中的L-吡咯烷酮羧酸，分離后得到目的產(chǎn)物；加入相應(yīng)的堿溶液與L-吡咯烷酮羧酸進(jìn)行中和反應(yīng)，分離后得到相應(yīng)的L-吡咯烷酮羧酸鹽溶液。本發(fā)明在反應(yīng)體系中使用催化劑，使反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，可提高產(chǎn)品的收率和光學(xué)純度，縮短反應(yīng)時間；引入白油或硅油作為導(dǎo)熱介質(zhì)，使反應(yīng)液傳熱更均勻，反應(yīng)溫度更易控制。本發(fā)明提供了有效地從L-谷氨酸及單價鹽生產(chǎn)吡咯烷酮羧酸及其鹽的方法。
文檔編號C07D207/277GK101698656SQ20091030932
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者徐增功, 楊曉玲, 陳剛 申請人:青島成功精細(xì)化工有限公司;徐增功;楊曉玲;陳剛