專利名稱：乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥基乙酸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種羥基乙酸的制備方法，具體的是一種乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥
基乙酸。
背景技術(shù)：
羥基乙酸(hydroxyacetic acid ；glycolic acid)，又稱乙醇酸或甘醇酸，是分子 結(jié)構(gòu)最簡單的〃-羥基酸。羥基乙酸廣泛應(yīng)用于化學(xué)清洗、日用化工、生物醫(yī)學(xué)材料及殺菌 劑等領(lǐng)域。羥基乙酸分子中同時(shí)含有高反應(yīng)活性的羥基和羧基，從而具有獨(dú)特的金屬螯合 能力以及有效的中和性能，并且腐蝕性小，因此工業(yè)上常用其70%的水溶液作為管道、鍋爐 等的清洗劑，以去除鈣、鎂等離子形成的沉淀；羥基乙酸水溶性好，具有強(qiáng)滲透性，能夠穿過 角質(zhì)層被皮膚吸收，促進(jìn)表皮的新陳代謝，消除皮膚皺紋，自20世紀(jì)90年代以來，羥基 酸成為高檔特殊化妝品添加劑的必然之選；羥基乙酸能夠發(fā)生自聚反應(yīng)，得到的聚羥基乙 酸(PGA)具有優(yōu)異的生物可降解性和生物相容性，是迄今研究最廣泛、應(yīng)用最多的生物可降 解材料之一。目前，世界上生產(chǎn)羥基乙酸的公司主要有美國杜邦公司、聯(lián)合碳化物公司、日本丸 和公司以及德國赫可特公司等，而國內(nèi)尚無大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)。由于羥基乙酸用途廣泛，潛 在的市場需求量大，而國內(nèi)羥基乙酸及其相關(guān)產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，因此國家“十五”規(guī)劃曾 經(jīng)把羥基乙酸列為急待開發(fā)的主要基礎(chǔ)化工產(chǎn)品之一。羥基乙酸的主要生產(chǎn)方法有(1)氰化法。以甲醛和氫氰酸為原料，經(jīng)親核加成合 成羥基乙腈，再水解得羥基乙酸，也有裝置采用氰化鈉替代氫氰酸為原料。該法工藝技術(shù)簡 單，操作穩(wěn)定，產(chǎn)量質(zhì)量較好，但由于使用劇毒的氰化物，環(huán)境污染與安全壓力較大。(2)甲 醛羰基化法。以甲醛、一氧化碳及水為原料，在高溫、高壓及酸性催化劑存在下反應(yīng)得到羥 基乙酸，收率約為90%，其中酸性催化劑為硫酸、鹽酸或磷酸。該工藝原料成本低，但技術(shù)難 度大，一次性投資大，設(shè)備需承受30. 4-91. 2MPa的壓力，這是目前國外最主要的工業(yè)化方 法。(3)氯乙酸水解法。氯乙酸與氫氧化鈉在甲醇存在下反應(yīng)得到羥基乙酸甲酯，然后水解 得到羥基乙酸。這是國內(nèi)傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，由于效率低下，僅適于小規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)氯離子 的存在對(duì)生產(chǎn)設(shè)備存在嚴(yán)重腐蝕。盡管羥基乙酸有多種合成工藝，但不管何種工藝均存在負(fù)離子雜質(zhì)難脫除導(dǎo)致的 產(chǎn)品純度難提高的問題。工業(yè)純的羥基乙酸產(chǎn)品一般是其70%的水溶液，溫度在80°C以上 就可以引發(fā)羥基乙酸分解脫水自聚，這樣通過常規(guī)的濃縮干燥等方法難于得到高純羥基乙 酸晶體。因此純度與結(jié)晶精制技術(shù)構(gòu)成了衡量羥基乙酸生產(chǎn)水平高低的核心環(huán)節(jié)。廖川平曾報(bào)道了在氫氧化鈉催化作用下，從乙二醛經(jīng)康尼查羅反應(yīng)合成羥基乙酸 的新方法[合成化學(xué)，2008，16 (4):470-471]，但該工藝既需要在低溫下進(jìn)行反應(yīng)，又要高 溫濃縮；同時(shí)需要用強(qiáng)酸性離子交換樹脂處理金屬陽離子，工藝過程繁瑣，生產(chǎn)成本高，經(jīng) 多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)檢測發(fā)現(xiàn)副產(chǎn)物多、產(chǎn)品純度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種乙二醛分子內(nèi) 歧化法制備羥基乙酸，該工藝過程簡單，生產(chǎn)成本低，副產(chǎn)物少，產(chǎn)品純度高。本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術(shù)方案為乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥 基乙酸，其特征在于包括有以下步驟
1)采用氫氧化鈣為歧化催化劑，配置成氫氧化鈣溶液，然后滴加質(zhì)量濃度為40%的乙 二醛水溶液進(jìn)行歧化反應(yīng)，滴加完成后繼續(xù)保溫反應(yīng)0. 5-1小時(shí)，得到懸浮態(tài)羥基乙酸鈣 沉淀混合物；
2)直接向步驟1)所得沉淀混合物中加入與氫氧化鈣等摩爾數(shù)的濃硫酸酸析或?qū)⒊恋?混合物先過濾，所得沉淀物用與氫氧化鈣等摩爾數(shù)的質(zhì)量濃度為50%硫酸酸析，均形成羥 基乙酸及硫酸鈣沉淀，過濾，濾液為初級(jí)羥基乙酸溶液，濾液濃縮至無水分后再過濾，以脫 除濾液中溶解的少量硫酸鈣；
3)步驟2)濾除硫酸鈣后得到的濾液加水稀釋至羥基乙酸的質(zhì)量濃度為5-15%，加入醋 酸鋇或氫氧化鋇徹底脫除S042—離子，同時(shí)加入木質(zhì)活性炭進(jìn)行脫色與助濾，過濾去除硫酸 鋇沉淀和活性炭，濾液濃縮，即可得到羥基乙酸溶液。按上述方案，步驟1)所述的氫氧化鈣溶液的質(zhì)量百分比濃度為5-40%，其中乙二 醛與氫氧化鈣的摩爾比為1:0. 5-1. 2。按上述方案，步驟1)所述的歧化反應(yīng)溫度為0 25°C。按上述方案，步驟3)還包括將羥基乙酸溶液深度結(jié)晶得到高純羥基乙酸晶體，所 述的深度結(jié)晶是將羥基乙酸溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至質(zhì)量百分比濃度為80-95%，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溫 度50-65°C，真空度0. 080-0. 095MPa，冷卻即可得到羥基乙酸晶體，再用質(zhì)量百分比濃度為 60%的羥基乙酸溶液作為洗滌劑洗滌結(jié)晶，經(jīng)真空干燥，得到精制的羥基乙酸晶體。按上述方案，步驟3)還包括將羥基乙酸溶液深度結(jié)晶得到高純羥基乙酸晶體，所 述的深度結(jié)晶是將羥基乙酸溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至無水分餾出，濃縮物用丙酮溶劑萃取，萃 取液脫溶后或直接冷卻結(jié)晶，得到精制的羥基乙酸晶體。經(jīng)HPLC檢測，深度結(jié)晶后的乙二醛轉(zhuǎn)化率在98%以上，羥基乙酸純度大于99. 5%， 羥基乙酸收率大于90% (見附圖1)。理論上，氫氧化鈉或氫氧化鉀等堿金屬氫氧化物都可以作為無a -H的醛的歧化 催化劑，但這類堿的堿性太強(qiáng)，易于引發(fā)副反應(yīng)，羥基乙酸作為清洗劑的主要原理是利用分 子內(nèi)同時(shí)存在的羥基和羧基與鈣、鋇等離子形成水溶性的絡(luò)合物或鹽。在一定強(qiáng)度的堿性 環(huán)境中，羥基乙酸可以和鈣、鋇等離子形成羥基乙酸鹽沉淀，將沉淀分離后酸化即可得到羥 基乙酸。其中鋇屬于重金屬離子，應(yīng)避免大量使用，因此選擇以氫氧化鈣為主催化劑，堿的 質(zhì)量百分比濃度可以在5-40%，以20%左右為宜；歧化反應(yīng)溫度控制在0 25°C之間，從成 本和反應(yīng)效率綜合考慮，反應(yīng)溫度以20 25°C為宜。其中溫度超過25°C易導(dǎo)致氧化或聚 合等副反應(yīng)，反應(yīng)物顏色加深，組分復(fù)雜。歧化反應(yīng)時(shí)間以滴加時(shí)反應(yīng)溫度不超過25°C為標(biāo) 準(zhǔn)，一般滴加時(shí)間約1小時(shí)，滴加完成后繼續(xù)保溫反應(yīng)0. 5-1小時(shí)。從副產(chǎn)物鹽可易通過沉淀分離、可綜合利用兩個(gè)因素考慮，實(shí)驗(yàn)室分別用硫酸、磷 酸進(jìn)行了堿中和實(shí)驗(yàn)。鈣和鋇的硫酸鹽、磷酸鹽均可形成沉淀，但從成本因素考慮，實(shí)驗(yàn)最 后選擇硫酸作為中和酸，產(chǎn)品對(duì)氯離子要求低時(shí)也可用鹽酸中和。
中和酸的濃度與用量為減少濃縮量，用濃硫酸中和，或?qū)⒘u基乙酸鈣過濾分離后 再用50%硫酸中和。中和時(shí)應(yīng)控制反應(yīng)溫度不超過25°C。硫酸的用量與歧化堿用量摩爾數(shù) 相同。硫酸根陰離子的去除常溫下硫酸鈣在水中的溶解度約為0. 2g，因此用硫酸解析 (形成羥基乙酸和硫酸鈣沉淀)后的羥基乙酸溶液中仍然存在少量的so42-離子，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于終產(chǎn)品中S042-離子濃度小于30ppm的要求，需要精脫除。一般使用能與S042—離子形成 溶度積較低的硫酸鹽沉淀的堿或鹽。這里需要尋求一種既能使S042—離子不超標(biāo)，又要避免 過量鹽的引入而導(dǎo)致羥基乙酸因絡(luò)合而降低產(chǎn)品收率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用醋酸鋇或氫氧 化鋇可達(dá)到目的，脫除S042_離子后的溶液真空濃縮即可得到質(zhì)量百分比70%的羥基乙酸溶 液。本發(fā)明的反應(yīng)原理是無a-H的醛在一定強(qiáng)度的堿的作用下發(fā)生分子內(nèi)的氧化 還原，結(jié)果一分子醛被氧化成酸，另一分子醛被還原成醇，即分子內(nèi)的歧化反應(yīng)。首先氫氧 根負(fù)離子和醛的羰基進(jìn)行親核加成，形成羥基氧負(fù)離子；在催化劑作用下，羥基氧負(fù)離子中 帶有負(fù)電荷的氧原子強(qiáng)化了鄰位碳原子排斥電子能力，使得碳上的氫帶著一對(duì)電子以負(fù)氫 離子形式轉(zhuǎn)移到另一分子醛基的羰基碳原子上。其中，給出負(fù)氫離子的醛是授體(被氧化成 酸)；接受負(fù)氫離子離子的醛是受體(被還原成醇)。對(duì)于乙二醛而言，是分子內(nèi)的自身氧化 還原反應(yīng)，一個(gè)醛基被氧化，另一個(gè)醛基被還原，乙二醛經(jīng)過分子內(nèi)催化歧化得到羥基乙酸 鹽，酸化后得到羥基乙酸。從歧化反應(yīng)原理分析，在催化劑存在下，使用一定強(qiáng)度的堿可以 完成歧化反應(yīng)。羥基乙酸不僅可以與引入的堿金屬成鹽，而且還會(huì)與金屬離子形成絡(luò)合物 而消耗羥基乙酸。在完成歧化反應(yīng)后的酸化步驟中，使用的酸如果能夠和歧化的堿形成容 度積較小的鹽，就可以同時(shí)解決酸化和去除引入的陰離子問題，因此可以對(duì)歧化堿和中和 酸進(jìn)行有針對(duì)性的選擇。本發(fā)明的有益效果在于
1)用氫氧化鈣對(duì)乙二醛進(jìn)行分子內(nèi)歧化反應(yīng)制備羥基乙酸反應(yīng)收率高，環(huán)境污染少， 可克服傳統(tǒng)氰化法或氯乙酸水解生產(chǎn)工藝的不足，符合綠色化學(xué)發(fā)展的要求；
2)在常溫常壓下進(jìn)行歧化反應(yīng)，對(duì)設(shè)備沒有特殊要求，操作簡單，副產(chǎn)物能夠綜合利 用，可實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)；
3)反應(yīng)選擇性高，產(chǎn)品雜質(zhì)少，純度高，克服了因雜質(zhì)導(dǎo)致的高純晶體難于形成的困 難，為高純羥基乙酸晶體的制備創(chuàng)造了便利條件。


圖1為羥基乙酸的HPLC譜圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例1
在1000ml三口反應(yīng)瓶中加入40g氫氧化鈣和500ml水(氫氧化鈣溶液的質(zhì)量百分比 濃度為7. 4%)，水浴，機(jī)械攪拌，從滴液漏斗中滴加145g質(zhì)量濃度為40%的乙二醛溶液，滴 加速度以控制反應(yīng)溫度不超過25°C為宜，滴加完成后在20-25°C保溫反應(yīng)1小時(shí)，得到懸浮
5態(tài)羥基乙酸鈣沉淀混合物。邊攪拌邊通過滴液漏斗向懸浮態(tài)羥基乙酸鈣沉淀混合物中加入 55g濃硫酸(0. 54mol)進(jìn)行酸化，濾除硫酸鈣沉淀，濾液真空濃縮至無水分時(shí)，溶解在濾液 中的少量硫酸鈣析出，過濾分離，濾液用去離子水稀釋至羥基乙酸質(zhì)量濃度為12%，用質(zhì)量 百分比濃度10%的醋酸鋇溶液脫除微量S042_離子，直到無新的白色BaS04沉淀出現(xiàn)為止，加 入lg具有脫色與助濾作用的木質(zhì)活性炭，50-60°C加熱5分鐘，過濾，濾液減壓濃縮，可得到 濃度為70%的羥基乙酸溶液。HPLC檢測，樣品中羥基乙酸純度> 98%，羥基乙酸收率> 92%。實(shí)施例2
在1000ml三口反應(yīng)瓶中加入40g氫氧化鈣和300ml水(質(zhì)量百分比濃度為11. 8%)，水 浴，機(jī)械攪拌，從滴液漏斗中滴加145g質(zhì)量濃度為40%的乙二醛溶液，滴加速度以控制反應(yīng) 溫度不超過25°C為宜，滴加完成后在20-25°C保溫反應(yīng)1小時(shí)，得到懸浮態(tài)羥基乙酸鈣沉淀 混合物。反應(yīng)混合物過濾，濾餅用去離子水洗滌，得到羥基乙酸鈣的沉淀。沉淀物用108g質(zhì) 量濃度為50%的硫酸溶液進(jìn)行酸化，濾除硫酸鈣沉淀，濾液用質(zhì)量濃度10%的醋酸鋇溶液脫 除微量S042—離子，直到無新的BaS04沉淀出現(xiàn)為止。加入lg粉狀木質(zhì)活性炭脫色并過濾， 濾液減壓濃縮，可得到質(zhì)量濃度為70%的羥基乙酸溶液。羥基乙酸HPLC檢測，樣品中羥基 乙酸純度> 98%，羥基乙酸收率> 90%。實(shí)施例3
將實(shí)施例1得到的羥基乙酸溶液繼續(xù)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至羥基乙酸質(zhì)量濃度85%以上，旋 轉(zhuǎn)蒸發(fā)溫度50-65°C，真空度0. 080-0. 095MPa，冷卻至室溫，即有粗羥基乙酸晶體析出。過 濾，用質(zhì)量濃度為60%的羥基乙酸溶液作為洗滌劑洗滌晶體二次，減壓真空干燥，得到精制 的羥基乙酸晶體。HPLC檢測，羥基乙酸含量純度> 99%，晶體羥基乙酸收率> 75%。實(shí)施例4
將實(shí)施例2得到的羥基乙酸溶液繼續(xù)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至無水分餾出。濃縮物用丙酮萃 取，冷卻至室溫，過濾干燥，即得到精制的羥基乙酸晶體；或?qū)⒈腿∥飶氐酌摮軇┖螅?用去離子水溶解，并使羥基乙酸質(zhì)量濃度在85%以上，冷卻結(jié)晶，過濾減壓干燥，也可得到 精制的羥基乙酸晶體。HPLC檢測，羥基乙酸含量純度> 99. 5%，晶體羥基乙酸收率> 70%。
權(quán)利要求
乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥基乙酸，其特征在于包括有以下步驟1)采用氫氧化鈣為歧化催化劑，配置成氫氧化鈣溶液，然后滴加質(zhì)量濃度為40%的乙二醛水溶液進(jìn)行歧化反應(yīng)，滴加完成后繼續(xù)保溫反應(yīng)0.5 1小時(shí)，得到懸浮態(tài)羥基乙酸鈣沉淀混合物；2)直接向步驟1)所得沉淀混合物中加入與氫氧化鈣等摩爾數(shù)的濃硫酸酸析或?qū)⒊恋砘旌衔锵冗^濾，所得沉淀物用與氫氧化鈣等摩爾數(shù)的質(zhì)量濃度為50%硫酸酸析，均形成羥基乙酸及硫酸鈣沉淀，過濾，濾液為初級(jí)羥基乙酸溶液，濾液濃縮至無水分后再過濾，以脫除濾液中溶解的少量硫酸鈣；3)步驟2)濾除硫酸鈣后得到的濾液加水稀釋至羥基乙酸的質(zhì)量濃度為5 15%，加入醋酸鋇或氫氧化鋇徹底脫除SO42 離子，同時(shí)加入木質(zhì)活性炭進(jìn)行脫色與助濾，過濾去除硫酸鋇沉淀和活性炭，濾液濃縮，即可得到羥基乙酸溶液。
2.按權(quán)利要求1所述的乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥基乙酸，其特征在于步驟1)所述的 氫氧化鈣溶液的質(zhì)量百分比濃度為5-40%，其中乙二醛與氫氧化鈣的摩爾比為1:0. 5-1. 2。
3.按權(quán)利要求1或2所述的乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥基乙酸，其特征在于步驟1)所 述的歧化反應(yīng)溫度為0 25°C。
4.按權(quán)利要求1或2所述的乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥基乙酸，其特征在于步 驟3)還包括將羥基乙酸溶液深度結(jié)晶得到高純羥基乙酸晶體，所述的深度結(jié)晶是將羥 基乙酸溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至質(zhì)量百分比濃度為80-95%，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溫度50-65°C，真空度 0. 080-0. 095MPa，冷卻即可得到羥基乙酸晶體，再用質(zhì)量百分比濃度為60%的羥基乙酸溶 液作為洗滌劑洗滌結(jié)晶，經(jīng)真空干燥，得到精制的羥基乙酸晶體。
5.按權(quán)利要求1或2所述的乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥基乙酸，其特征在于步驟3)還 包括將羥基乙酸溶液深度結(jié)晶得到高純羥基乙酸晶體，所述的深度結(jié)晶是將羥基乙酸溶液 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至無水分餾出，濃縮物用丙酮溶劑萃取，萃取液脫溶后或直接冷卻結(jié)晶，得到 精制的羥基乙酸晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種乙二醛分子內(nèi)歧化法制備羥基乙酸，包括有以下步驟1)氫氧化鈣溶液與乙二醛水溶液進(jìn)行歧化反應(yīng)，保溫反應(yīng)，得到懸浮態(tài)羥基乙酸鈣沉淀混合物；2)硫酸酸析形成羥基乙酸及硫酸鈣沉淀，過濾，濾液濃縮至無水分后再過濾；3)步驟2)的濾液加水稀釋，加入醋酸鋇或氫氧化鋇徹底脫除SO42-離子，過濾去除硫酸鋇沉淀和活性炭，濾液濃縮，即可得到羥基乙酸溶液。本發(fā)明的有益效果在于1)環(huán)境污染少；2)在常溫常壓下進(jìn)行歧化反應(yīng)，對(duì)設(shè)備沒有特殊要求，操作簡單，副產(chǎn)物能夠綜合利用，可實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)；3)反應(yīng)選擇性高，產(chǎn)品雜質(zhì)少，純度高，為高純羥基乙酸晶體的制備創(chuàng)造了便利條件。
文檔編號(hào)C07C51/02GK101973870SQ20101052998
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者丁一剛, 吳元欣, 杜治平, 王維華, 袁華, 趙林林, 馬彥 申請(qǐng)人:武漢工程大學(xué)