CN111032623A - 一种纯化长链氨基酸的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在含有或不含有溶剂的有机羧酸水溶液中重结晶纯化长链氨基酸的工艺，包括：(1)通过加热将长链氨基酸溶解于有机羧酸的水溶液中；(2)冷却步骤(1)中的溶液以结晶得到长链氨基酸；(3)通过固液分离得到步骤(2)中长链氨基酸。
Description
交叉引用
本申请是专利U.S.15/686,500的延续，该专利申请于2017年8月25日，专利的内容通过引用被包含在内。
技术领域
本发明涉及一种纯化长链氨基酸的工艺，具体地，涉及在一种酸的水溶液中重结晶纯化长链氨基酸的工艺。
背景技术
长链饱和脂肪族氨基酸是一类用于生产长链尼龙的重要中间体。因为它们独特的分子结构，长链尼龙具有出色的物理性能，例如：比金属更高的机械强度、低吸湿性、出色的耐油、耐低温、耐磨和耐化学腐蚀性，非常重要的是具有易加工性。长链尼龙能够加工成多种塑料产品，也可以纺丝制成纤维或者拉伸制成薄膜。长链尼龙也应用于涂料和热熔胶领域。因此，长链尼龙在汽车、电力、电子、通信、石油化工和航空领域均有广泛用途。
长链氨基酸中尤其是9-氨基壬酸和11-氨基十一酸，均作为相应的单体用于生产尼龙9和尼龙11。此外，近期才从十二内酰胺制得的12-氨基十二酸，也可能用于生产另外一种重要的工程塑料，尼龙12。
为了将这些长链氨基酸应用于聚酰胺或尼龙材料的生产，它们需要纯化到能用于聚合的纯度级别。有一些纯化方法已经见诸报道。
第一种工艺是在水中结晶纯化长链氨基酸。US2462855提供了一种纯化11-氨基十一酸的方法，从1500份的水中得到了53份的长链氨基酸。通过浓缩母液，能够再回收4份长链氨基酸。但是这种稀溶液中的结晶纯化工艺，其经济性是比较低的，并且浓缩过程中的能耗也很高。
CN103804209A公开了一种在10倍沸水中溶解11-氨基十一酸的重结晶方法。根据US2462855中报道的11-氨基十一酸的溶解性看，用水纯化的工艺过程中，11-氨基十一酸的溶液很难完全溶清，因此在重结晶过程中难以通过过滤完全分离杂质。
US2674607提供了一种在沸水中重结晶纯化9-氨基壬酸的方法。
第二种工艺是在乙醇水溶液中重结晶纯化长链氨基酸。GB953621提供了一种在80％乙醇水溶液中重结晶纯化10-氨基葵酸的工艺。
US5498733提供了一种纯化11-氨基十一酸的方法，粗品先在水中进行重结晶，然后再在乙醇水溶液(乙醇：水＝3：1)中重结晶。重结晶所用的水和乙醇水溶液的重量分别为氨基酸重量的122倍和62倍。
US5434307和US5530148提供了一种12-氨基十二酸在乙醇水溶液(乙醇：水＝1：1)中的重结晶方法，回收率87％。
在第三种工艺中，9-氨基壬酸是在丙酮水溶液中结晶纯化。Kohlhase等人(J.Am.Oil Chemist’s Soc.,1970,Vol.47,pp183-188)提供了一种9-氨基壬酸粗品的重结晶方法，用50％丙酮水溶液结晶，回收率74％。所用溶剂总量是9-氨基壬酸重量的130倍。
Perkins等人(J.Am.Oil Chemist’s Soc.,1975,Vol.52,pp473-477)报道改进了Kohlhase等人的纯化方法，将9-氨基壬酸首先溶于热水形成10％的9-氨基壬酸溶液，然后用活性炭和硅藻土处理，过滤，得到的溶液冷却后再与等体积的丙酮混合以析出氨基酸。专利还指出从水或丙酮水溶液中得到的产品是细的亲水性氨基酸晶体，晶体包有母液。粗品氨基酸通常需要重结晶两次，得到的产品才适合用于聚合反应。
最后，Miller等(Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Develop.,1971,Vol.10,pp442-447)详细研究了9-氨基壬酸的纯化，对比了氨基酸分别在丙酮、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺水溶液中的结晶过程。9-氨基壬酸的结晶均需要大量的有机溶剂。
综上所述，现在仍需要找到一种合适的重结晶溶剂，以用于纯化长链氨基酸并且使纯化得到的氨基酸能适合于聚合反应制备聚酰胺或尼龙。由于长链氨基酸在水和有机溶剂中的溶解度比较小，为了溶解氨基酸就必须消耗大量的水或者有机溶剂水溶液。因此，按照现有纯化技术纯化氨基酸，需要消耗大量的能源来浓缩母液和回收溶剂，经济性比较差。
本发明的目的是克服现有长链氨基酸纯化技术的缺陷并具有更多其他优势，这些优势在下列描述中能够显而易见。
在本发明工艺过程中，重结晶纯化长链氨基酸能够在高浓度进行，得到的产品具有高的纯度，并且结晶过程简单，工业经济性好。
发明内容
本发明涉及一种纯化长链氨基酸的工艺，在一种酸的水溶液中重结晶纯化长链氨基酸。长链氨基酸具有如下结构：
其中：m是6-20的整数；R1和R2分别是H或者C1-C12的烷基。长链氨基酸可以是单一化合物，也可以是两种及以上的异构体组成的混合物。
本发明的具体实施例之一，是将长链氨基酸在有机羧酸水溶液中重结晶进行纯化。合适的有机羧酸包括：甲酸，乙酸，丙酸，丁酸，乙醇酸，乳酸，苹果酸，酒石酸，柠檬酸，以及上述酸中两种及以上的混合酸。优先地是乙酸或丙酸。最优选的是乙酸。
令人意外的发现是长链氨基酸在稀乙酸水溶液中具有非常大的溶解度，因此重结晶能够在高浓度下进行。图1和图2分别是11-氨基十一酸和12-氨基十二酸在水和两种不同浓度乙酸水溶液(5％wt/wt和10％wt/wt)中的溶解度曲线。明显地，在水中几乎不溶的长链氨基酸在稀乙酸溶液中能够溶解，比如，在80℃时，11-氨基十一酸在10％乙酸水溶液中的浓度可以达到45％。根据本发明工艺，这种高浓度下的重结晶能够让纯化工艺操作简单且工业经济性好。
尽管乙酸能够显著提高长链氨基酸在水中的溶解度，但它没有与长链氨基酸形成乙酸盐。当11-氨基十一酸和12-氨基十二酸分别从去离子水和10％乙酸水溶液中结晶出来时，所得到的产品具有相同的熔点，熔点数据见表1。经过充分干燥之后，通过气相分析，产品几乎没有乙酸残留。将乙酸水溶液中结晶得到的产品在水中溶解，其溶液是中性的，不需要用碱性试剂(比如碱性氢氧化物或氨水)调节溶液的pH。
表1 11-氨基十一酸和12-氨基十二酸乙酸盐熔点
在本发明中，长链氨基酸粗品是在乙酸水溶液中结晶纯化。乙酸水溶液的浓度可以是1-95％(wt/wt)，优选地是2-80％(wt/wt)，更优选地是2-50％(wt/wt)，最优选地是5-15％(wt/wt)。当乙酸的浓度过高，产品的回收率可能会降低。
乙酸水溶液的量要足够溶解长链氨基酸粗品，技术人员可以通过溶解度曲线可以选择合适的量。因此乙酸水溶液的量可以是长链氨基酸粗品重量的1-10倍，优选地2-8倍，更优选地是3-5倍。当乙酸水溶液用量过大时，产品的回收率可能会降低。
在乙酸水溶液中溶解长链氨基酸粗品的温度可以是从室温到溶液的沸点温度，优选地是50-100℃，更优选地是60-95℃，最优选地是80-90℃。
在长链氨基酸粗品溶解后，可以加入活性炭或过滤助剂以脱去色素和吸附杂质。在优选的温度下过滤之后，可以得到澄清的溶液。
降温结晶的方法是众所周知的，将含长链氨基酸的乙酸水溶液降温，晶体开始析出，再进一步将悬浮溶液降温至室温或者更低温度，完成结晶过程。
析出的长链氨基酸晶体通过固液分离(比如过滤或离心)得到产品。得到的固体用乙酸水溶液或者去离子水洗涤以得到高纯度长链氨基酸产品。
本发明中，重结晶所用乙酸溶液也可以含有其他溶剂。可含有的溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮、丁酮、四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮，或者是两种或多种上述溶剂的混合物。在乙酸水溶液中加入这些溶剂可能有助于去除杂质，提高产品质量。
本发明另一实施例中，长链氨基酸在无机酸水溶液中形成相应的无机酸盐中间体，从而通过中间体纯化长链氨基酸。合适的酸可以是硫酸、盐酸、氢溴酸、硝酸、磷酸，以及两种及多种上述酸的混合物。优选地无机酸是硫酸。
当11-氨基十一酸和12-氨基十二酸在硫酸、盐酸和硝酸溶液中结晶时，形成的盐分别分离出来。这些盐具有它们特征的熔点，见表1。这些盐溶于水中时具有强酸性，用碱性试剂进行中和后才能得到中性的氨基酸。
图3是11-氨基十一酸和12-氨基十二酸在1M硫酸溶液中所成硫酸氢盐的溶解度曲线。在低于40℃时，这两种长链氨基酸的硫酸氢盐几乎不溶，但是当温度从60℃升至80℃或更高时，它们的溶解度迅速变大。硫酸氢盐的这一溶解度性质提供了一种简单和经济的方法，通过硫酸氢盐中间体来纯化长链氨基酸粗品，并且具有很高的产品回收率。
在本发明工艺中，长链氨基酸粗品在无机酸水溶液中通过与无机酸形成无机酸盐中间体进行重结晶纯化，优选地无机酸是硫酸。硫酸和长链氨基酸的摩尔比可以是0.1-10，优选地是0.5-5，更优选地是0.5-2，最优选地是0.9-1.1。不必使用过量的硫酸，以减少或避免产生废酸溶液。
硫酸溶液的量可以是长链氨基酸粗品重量的1-10倍，优选地2-5倍，更优选地是3-4倍。过多的硫酸溶液会降低产品的回收率。技术人员可以通过相应盐的溶解度优化溶液的用量。
长链氨基酸粗品溶解于硫酸水溶液的温度可以是从50℃到溶液的沸点温度，优选地是60-95℃，最优选地是80-90℃，可以加入活性炭或过滤助剂以脱去色素和吸附杂质。在优选的温度下过滤之后，可以得到澄清的溶液。
另外，长链氨基酸粗品的硫酸溶液可以用有机溶剂萃取以除去杂质。同时，几乎所有的色素物质都进入了萃取相，水相几乎无色。
合适的萃取溶剂是非水溶性的，可以是酯类、脂肪族类、芳香族类、醚类、C4-C10醇类和C4-C10酮类溶剂。可用的溶剂包括但不仅限于：甲酸丁酯、甲酸异丁酯、乙酸丁酯、乙酸异丁酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸辛酯、苯、甲苯、二甲苯、异丙苯、苯甲醚、乙醚、异丙醚、丁醚、甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、甲基四氢呋喃、石油醚、环己烷、二氯乙烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、三氟甲基苯、正丁醇、异丁醇、戊醇、异戊醇、己醇、环己醇、2-乙基己醇、异辛醇、仲辛醇、丁酮、戊酮、己酮、环己酮、甲基异丁基酮。上述一种或两种及以上溶剂的混合物都可以作为萃取溶剂。
优选地，萃取溶剂用甲苯。
用活性炭或过滤助剂处理过或者萃取处理后的澄清溶液用碱性试剂中和至pH 5-9，优选地pH 6-8。中和操作的温度可以是室温至溶液沸点温度，优选地50-90℃，更优选地是70-80℃。在优选温度下得到的产品晶体颗粒更大，更有利于过滤分离，并且更重要的是产品纯度更高。
本发明进一步实施例中，用活性炭或过滤助剂处理过或者萃取处理后所得到的澄清溶液，将溶液冷却以析出长链氨基酸的盐的晶体，这一溶液的冷却析晶过程属于公知技术。结晶悬浮液进一步降低到室温或者更低温度以完成结晶。得到的长链氨基酸的盐的晶体通过固液分离(比如过滤或离心)得到产品，用水洗涤产品。
为了回收长链氨基酸，将长链氨基酸的盐溶解或分散于水中，然后用碱性试剂中和调节pH值5-9，优选地pH值6-8。中和过程的温度可以从室温到溶液的沸点温度，优选地是50-90℃，更优选地是70-80℃。在优选温度下得到的产品晶体颗粒更大，更有利于过滤分离，并且产品纯度更高。
所选用的碱性试剂包括碱性氢氧化物、氨水和铵的碳酸氢盐、碳酸盐、亚硫酸氢盐、亚硫酸盐或者是两种及其以上的混合物。优选地，碱性试剂是氨或者氨水。
中和完成后，晶体悬浮溶液冷却至室温使产品充分析出。中性的长链氨基酸通过固液分离形式回收，用去离子水洗涤产品。
附图说明
图1为11-氨基十一酸在水和两种不同浓度乙酸水溶液(5％wt/wt和10％wt/wt)中的溶解度曲线；
图2为12-氨基十二酸在水和两种不同浓度乙酸水溶液(5％wt/wt和10％wt/wt)中的溶解度曲线；
图3为11-氨基十一酸和12-氨基十二酸在1M硫酸溶液中所成硫酸氢盐的溶解度曲线。
具体实施方式
下列实施例为本发明的具体操作过程，但本发明不仅限于具体实施例的操作范围。
实施例1
将40g 11-氨基十一酸加入到100mL 10％(wt/wt)的乙酸水溶液中，上述悬浮液升温至90℃，得到轻微浑浊的溶液，然后加入1g活性炭。将溶液在90℃搅拌1小时，然后趁热过滤，得到澄清无色的溶液。再将溶液缓慢降温至室温，析出大量晶体，过滤，产品用去离子水洗涤3次。干燥，得到36g 11-氨基十一酸产品，纯度99.6％。
实施例2
将30g 12-氨基十二酸加入到100mL 10％(wt/wt)的乙酸水溶液中，上述悬浮液升温至90℃，得到轻微浑浊的溶液，然后加入0.75g活性炭。将溶液在90℃搅拌1小时，然后趁热过滤，得到澄清无色的溶液。再将溶液缓慢降温至室温，析出大量晶体，过滤，产品用去离子水洗涤3次。干燥，得到28g12-氨基十二酸产品，纯度99.7％。
实施例3
将40g混合物(11-氨基十一酸：10-氨基葵酸＝80％：20％(wt/wt))加入到100mL10％(wt/wt)的乙酸水溶液中，上述悬浮液升温至90℃，得到轻微浑浊的溶液，然后加入1g活性炭。将溶液在90℃搅拌1小时，然后趁热过滤，得到澄清无色的溶液。再将溶液缓慢降温至室温，析出大量晶体，过滤，产品用去离子水洗涤3次。干燥，得到35g混合物(11-氨基十一酸：10-氨基葵酸＝83％：17％(wt/wt))产品。
实施例4
将40g 11-氨基十一酸粗品加入到100mL 1M的硫酸水溶液中，上述悬浮液升温至90℃，得到轻微浑浊的溶液。将50mL甲苯加入到上述溶液并强烈搅拌1小时。静置分相，水相趁热过滤，得到澄清无色的溶液。降温，析出大量硫酸氢盐晶体，悬浮液降温至室温。
将上述晶体过滤，用去离子水洗涤，然后把晶体加入到100mL的去离子水中，将所得到的悬浮液升温至80℃，缓慢滴加25％氨水调节悬浮液pH至6.8。然后将溶液冷却至室温，得到大量11-氨基十一酸晶体。过滤，用去离子水洗涤3次。干燥，得到35g白色11-氨基十一酸产品，纯度99.7％。
上述所有实施例、解释和图例仅仅是出于举例的目的。基于本发明技术的各种修饰对于具有熟练化学技术的人员来说是不证自明的，这些修饰都应该包含在本申请的权限和权利要求的范围之内。
Claims (19)
1.一种纯化长链氨基酸的工艺，长链氨基酸具有以下结构：
其中m是6-20的整数；R1和R2分别是H或者C1-C12的烷基基团，在含有或不含有溶剂的有机羧酸水溶液中重结晶，工艺包含以下特征：
(1)通过加热有机羧酸水溶液溶解长链氨基酸；
(2)冷却步骤(1)的溶液以结晶长链氨基酸；
(3)通过固液分离方法分离步骤(2)得到的长链氨基酸。
2.一种纯化长链氨基酸的工艺，长链氨基酸具有以下结构：
其中m是6-20的整数；R1和R2分别是H或者C1-C12的烷基基团，在无机酸的水溶液中重结晶，工艺包含以下特征：
(1)通过加热无机酸水溶液溶解长链氨基酸；
(2)在步骤(1)中的溶液中加入活性炭或过滤助剂或萃取溶剂进行处理；
(3)冷却步骤(2)的溶液来结晶长链氨基酸的盐；
(4)通过固液分离方法分离步骤(3)得到的长链氨基酸的盐；
(5)用碱性试剂中和步骤(4)的长链氨基酸的盐，得到长链氨基酸。
3.一种纯化长链氨基酸的工艺，长链氨基酸具有以下结构：
其中m是6-20的整数；R1和R2分别是H或者C1-C12的烷基基团，在无机酸的水溶液中形成长链氨基酸的盐，工艺包含以下特征：
(1)通过加热无机酸水溶液溶解长链氨基酸以形成长链氨基酸的盐；
(2)在步骤(1)中的溶液中加入活性炭或过滤助剂或萃取溶剂进行处理；
(3)用碱性试剂中和步骤(2)的溶液以得到长链氨基酸。
4.如权利要求1所述的工艺，有机羧酸包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乙醇酸、乳酸、苹果酸、酒石酸或柠檬酸，或者两种或多种上述有机羧酸的混合酸。
5.如权利要求1所述的工艺，有机羧酸为乙酸。
6.如权利要求1所述的工艺，乙酸水溶液的浓度是2-95wt％。
7.如权利要求1所述的工艺，长链氨基酸粗品的乙酸水溶液用活性炭或过滤助剂处理以去除杂质。
8.如权利要求1所述的工艺，有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮、丁酮、四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮，或者两种或多种上述有机溶剂的混合物。
9.如权利要求1所述的工艺，长链氨基酸包括9-氨基壬酸、10-氨基十一酸、11-氨基十一酸、12-氨基十二酸、9-氨基葵酸或10-氨基葵酸，或者两种或多种上述长链氨基酸的混合物。
10.如权利要求2所述的工艺，无机酸包括硫酸、盐酸、氢溴酸、硝酸或磷酸，以及两种或多种上述酸的混合物。
11.如权利要求2所述的工艺，无机酸是硫酸。
12.如权利要求2所述的工艺，无机酸和长链氨基酸的摩尔比是0.1-10。
13.如权利要求2所述的工艺，无机酸和长链氨基酸的摩尔比是0.9-1.1。
14.如权利要求2所述的工艺，长链氨基酸粗品的盐的水溶液用活性炭或过滤助剂处理以去除杂质。
15.如权利要求2所述的工艺，长链氨基酸粗品的盐的水溶液用萃取溶剂处理处理以去除杂质。
16.如权利要求2所述的工艺，萃取剂包括甲酸丁酯、甲酸异丁酯、乙酸丁酯、乙酸异丁酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸辛酯、苯、甲苯、二甲苯、异丙苯、苯甲醚、乙醚、异丙醚、丁醚、甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、甲基四氢呋喃、石油醚、环己烷、二氯乙烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、三氟甲基苯、正丁醇、异丁醇、戊醇、异戊醇、己醇、环己醇、2-乙基己醇、异辛醇、仲辛醇、丁酮、戊酮、己酮、环己酮或甲基异丁基酮，或者两种或多种上述萃取剂的混合物。
17.如权利要求2所述的工艺，萃取溶剂是甲苯。
18.如权利要求2所述的工艺，碱性试剂包括碱性氢氧化物、氨水和铵的碳酸氢盐、碳酸盐、亚硫酸氢盐或亚硫酸盐，或者两种或多种上述碱性试剂的混合物。
19.如权利要求2所述的工艺，碱性试剂是氨或者氨水。
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