一种由甘油催化转化制备羟基乙酸的方法

1.本发明涉及一种由甘油催化转化制备羟基乙酸的催化剂的制备及其催化甘油反应生成羟基乙酸的方法。


背景技术：

2.羟基乙酸(ga)是目前已知的最简单的α-羟基羧酸，作为一种重要的大宗精细化工中间体，可用于合成乙二醇、甘氨酸，以及薄荷脑和奎宁等药物中间体，被广泛应用于精细化工、制药、化妆品、生物医学工程等行业。近年来，随着人们对生态环境问题的日益关注，传统塑料因其难降解而形成“白色污染”，对环境造成越来越大的危害，寻求可生物降解塑料成为当代热点研究课题之一。其中，聚羟基乙酸(pga)因其具有优异的气体阻隔性、生物兼容性和可生物降解性，可在自然界中完全分解为无毒无害的水和二氧化碳，广泛应用于药物控释系统，以及用于人体或动物骨折的内固定、骨缺损的修复、肌腱的修补、人体或动物血管、肌肉及其它组织的缝合等方面，被认为是替代石油基塑料最有前景的候选材料之一。此外，最近研究表明，在生物体内ga具有诱导胶原合成细胞增殖的能力，还可以作为牙釉质和牙本质的表面腐蚀剂，在生物医学工程中的应用也越来越广泛。另外，将ga与乳酸(laa)共聚得到的乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)通过了美国食品和药物管理局(fda)认证，被正式作为药用辅料收录进美国药典。与pga和pla(聚乳酸)相比，plga降解速度更可控，具有更优良的溶解性和更高的机械强度；因而具有更广泛的应用潜能。
3.plga的优良性能使其需求量快速增长。有研究报道，其全球需求量将从2017年的3亿美元增长到2023年的4.06亿美元。因此亟需开发出能够经济有效地生产ga的新策略。目前羟基乙酸的生产方法有传统化学合成法、酶催化法、微生物氧化乙二醇法。美国杜邦公司一直致力于羟基乙酸的开发和工艺优化。1939年，他们提出了一种化学连续生产方法，以甲醛、水和过量一氧化碳为原料，硫酸为催化剂制备羟基乙酸。该过程工艺复杂，能耗高，生产效率也相对低下，限制了其大规模的工业应用。此外，以氯乙酸为原料，在naoh溶液中发生水解反应，也可获得羟基乙酸；但该过程用到了大量的碱液，造成设备腐蚀。2004年，杜邦公司发展了酶催化法。首先，在90-150℃下，甲醛和氰化氢流动反应生成高纯度的乙腈。随后，乙腈进一步酶催化得到羟基乙酸铵的水溶液，最后用离子交换法从羟基乙酸铵水溶液中回收纯度为99.9％的ga。采用这种酶催化工艺降低了能耗，具有一定的经济优势；但该过程使用剧毒的乙腈，对环境会造成一定污染，且所采用的化学酶依赖于某些已知的刺激性和致癌性化学物质，大大限制了其工业化发展。微生物氧化乙二醇法可高选择性地得到羟基乙酸，但该方法要维持体系的ph约等于7.0，因此需要不断加入碱中和生成的羟基乙酸，造成后续的分离困难。
4.近年来，化学催化法制备羟基乙酸因其生产周期短，生产原料广泛(可食性糖、多元醇、纤维素和原生生物质等)受到越来越多研究者的关注。例如，feng shi等人(angewandte chemie international edition,2019,58(16):5251-5255)以二羟基丙酮为原料，cu/al2o3为催化剂，在等摩尔h2o2存在下25℃反应8h，得到85％收率的羟基乙酸。
raghunath v.chaudhari等人(industrial&engineering chemistry research,2019,58,18561-18568)以乙二醇为原料，pt-fe/ceo2为催化剂，在1atm的o2气氛下，70℃反应12h，可选择性得到～60％的羟基乙酸。yi tang等人(acs sustainable chemistry&engineering,2019,7,17559-17564)以乙二醇为原料，[cp*ir(bpyo)]oh-为催化剂，在等摩尔的naoh存在下，100℃反应10h时，可选择性得到～70％的羟基乙酸。e.skrzy
ń
ska等人(catalysis science&technology,2016,6(9):3182-3196)以甘油为原料，ag/al2o3为固体催化剂，在与甘油等摩尔的naoh存在下，0.5mpa的氧气气氛中，于100℃反应3小时，得到～24％收率的羟基乙酸。fangming jin等人(industrial&engineering chemistry research,2014,53(19):7939-7946)以纤维素为原料，cuo为催化剂，1mol/l naoh作用下，300℃反应5min,可以得到14.9％收率的羟基乙酸；yu han等人(acs catalysis,2012,2(8):1698-1702)以纤维素和甘蔗渣为原料，磷钼杂多酸为催化剂，在0.6mpa的氧气气氛下180℃反应1h，分别可以得到49％和30％收率的羟基乙酸。
[0005]
甘油作为生产生物柴油的副产物目前产能过剩，相比于二羟基丙酮和乙二醇等原料而言，甘油具有更大的经济优势；虽然目前已有报道生物质原料也可以催化制备羟基乙酸，但是由于其结构的复杂性往往难以高选择性地得到羟基乙酸，增加了后处理的难度。综合以上情况来看，甘油结构简单、反应过程可控、且价格低廉，是一种理想的制备羟基乙酸的原料。
[0006]
由此可见，化学催化法制备羟基乙酸具有良好的应用前景，但在其制备过程中仍然存在以下两个问题：(1)绝大多数反应过程需要引入naoh作为反应助剂，而naoh的引入会腐蚀反应设备；(2)当以廉价易得的生物质原料或者生物柴油副产物甘油为反应底物时，所获得的羟基乙酸收率较低。针对以上两个问题，本发明选用廉价的甘油为底物，铜镁氧化物为催化剂，水为溶剂，不需要额外添加naoh助剂，在较温和的反应温度下获得羟基乙酸；且催化剂可通过减压抽滤直接与液相产物分离，便于产物的后续分离以及催化剂的循环利用。


技术实现要素：

[0007]
本发明制备了一种廉价的铜镁氧化物催化剂，用于催化甘油转化制备羟基乙酸和甲酸；本方法克服了传统化学法过程复杂，能耗高，生产效率低下的缺陷；克服了酶催化法过程中使用对环境对人体有害的物质；克服了微生物氧化乙二醇法周期长、不能连续生产等缺点；本方法以水作为溶剂，不需要额外添加naoh助剂，生产过程绿色环保；本方法使用廉价的铜镁氧化物为催化剂，具有催化活性高、可回收、可重复利用的特点。
[0008]
发明要点：将一定量的醋酸铜和醋酸镁加入100ml无水乙醇中，于密闭高压釜反应器中40℃条件下反应2h，得到蓝色透明液；将蓝色透明液转移至烧杯中，加入基于铜镁摩尔量1.1倍的lioh水溶液10ml，于冰水浴中反应20min，转速为400prm(磁力搅拌)，得到蓝色胶体；将蓝色胶体进行离心，洗涤三次(乙醇洗一次，水洗两次)，转速为4000rpm，得到蓝色沉淀；将蓝色沉淀于80℃烘箱中干燥12h得到灰黑色固体；将灰黑色固体研磨后放入马弗炉中400℃煅烧4h，升温速率为5℃/min，冷却得到铜镁氧化物。
[0009]
向50ml水中加入甘油反应物，加入上述制备的铜镁催化剂，1.0mpa初始氧气气氛下于密闭高压釜反应器中加热反应，其中催化剂中铜镁摩尔量比为1：8，1：4，1：1，4：1，8：1；
催化剂与底物质量比为0.5～2.5，反应时间为1～12h，反应温度为140～220℃。反应完成后，将反应体系自然冷却至室温，抽滤分离催化剂，将此沉淀在400℃焙烧后用作下一次催化反应。用hplc对溶液中的小分子化合物进行检测。
[0010]
本发明中，催化剂铜镁比优选为1：8～1：1。当铜含量过低时，甘油的转化率较低，羟基乙酸的收率也较低；随着铜含量的增加，甘油的转化率、羟基乙酸的收率都明显增加。但是当铜含量超过1：1后，羟基乙酸的收率明显降低，副产物增多。
[0011]
本发明中，催化剂与底物的质量比优选1.5～2.5。当催化剂的量太低时，甘油转化率和产物羟基乙酸的选择性都比较低，随着催化剂量的增加，甘油转化率和产物羟基乙酸的收率都明显增加；当催化剂与底物的质量比到达2.0时，继续加大比例，甘油转化率和产物羟基乙酸的收率都增加不明显。
[0012]
本发明中，反应时间优选6～10小时。反应时间过短，甘油转化率过低，羟基乙酸的收率不高。随着反应时间的增加，甘油转化率和产物羟基乙酸的收率都增加；但是当反应时间超过8小时后，甘油转化率和产物羟基乙酸的收率都增加不明显。
[0013]
本发明中，反应温度优选160～220℃。反应温度过低，甘油转化率和产物羟基乙酸的收率都较低。随着反应温度的增加，甘油转化率和产物羟基乙酸的收率都增加；但当反应温度超过200℃，羟基乙酸的收率反而降低。
[0014]
本发明的有益效果：
[0015]
1)本发明用生物柴油副产物甘油作原料，采用化学催化的方法制备羟基乙酸。该方法克服了传统化学法、酶催化法和微生物氧化乙二醇法的诸多缺点，如：能耗高、生产效率低、引入有害物质等。
[0016]
2)本发明未引入naoh等可溶性无机强碱为反应助剂，反应过程中不会对设备造成腐蚀。
[0017]
3)本发明使用的催化剂为铜镁氧化物，其制备过程简单，价格便宜，对羟基乙酸的制备具有较高的催化活性，反应完后以固体形式存在、易分离和重复利用。
具体实施方式
[0018]
1.反应条件优化
[0019]
实施例1：
[0020]
1)在100ml的密闭高压釜反应器中加入0.20g甘油和0.20g铜镁催化剂(铜：镁＝1：4)，再加入50ml高纯水。密封高压釜后，通入氧气3分钟，将釜内的空气排出，并加压到1mpa。搅拌升温至180℃后反应8小时，将高压釜抬出加热装置，自然冷却至室温。打开高压釜，将产物全部倾出，釜内用高纯水洗3遍，洗涤液合并到反应产物中，产物经微孔滤膜过滤后，得到固体残渣和滤液。
[0021]
2)将收集后的滤渣用去离子水冲洗，然后放入马弗炉中400℃焙烧4h，用作下一次反应的催化剂。水相小分子采用hplc检测，结果如表1。(表中除注明的转化率外都为摩尔收率％，*代表摩尔碳收率，表中比例为摩尔比)。
[0022]
表1
[0023]
实施案例甘油转化率羟基乙酸乳酸羟基丙二酸甲酸*草酸170.147.05.61.718.80.9
[0024]
实施例2—5：
[0025]
按实施例1的步骤操作，区别在于催化剂中铜镁比不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表2中。(表中除注明的转化率外都为摩尔收率％，*代表摩尔碳收率，表中比例为摩尔比)。
[0026]
表2
[0027]
实施案例cu:mg甘油转化率羟基乙酸乳酸羟基丙二酸甲酸*草酸21：851.731.92.30.412.50.331：173.143.84.81.916.71.144：168.933.93.31.213.41.158：157.223.13.91.311.01.4
[0028]
实施例6—9：
[0029]
按实施例1的步骤操作，区别在于反应温度不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表3中。(表中除注明的转化率外都为摩尔收率％，*代表摩尔碳收率，表中比例为摩尔比)。
[0030]
表3
[0031]
实施案例反应温度甘油转化率羟基乙酸乳酸羟基丙二酸甲酸*草酸6140℃8.44.90.7
‑‑
1.3
‑‑
7160℃45.232.53.80.310.60.58200℃84.752.27.42.423.91.39220℃98.850.17.22.624.50.8
[0032]
实施例10—13：
[0033]
按实施例8的步骤操作，区别在于催化剂与底物的质量比不同，其他反应条件与实施例8相同，具体结果列在表4中。(表中除注明的转化率外都为摩尔收率％，*代表摩尔碳收率，表中比例为摩尔比)。
[0034]
表4
[0035][0036]
实施例14—19：
[0037]
按实施例12的步骤操作，区别在于反应时间不同，其他反应条件与实施例12相同，具体hplc结果列在表5中。(表中除注明的转化率外都为摩尔收率％，*代表摩尔碳收率，表中比例为摩尔比)。
[0038]
表5
[0039][0040]
实施例20—22：
[0041]
催化剂的循环使用
[0042]
按实施例1的步骤操作，区别在于催化剂的使用次数不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表6中。
[0043]
表6
[0044]
实施案例次数羟基乙酸收率(％)20258.821357.522458.9