формула изобретения

1
Изобретение относится к новому способу
конденсации цианисто-водородной кислоты с
альдегидом.
Продукт конденсации используют в синтезе метионина.
Известно (патент США № 4 518 801) получение метионина гидролизом 5-(бета-метилмеркаптоэтил)-гидантоина в присутствии
0,3-5 эквивалентов щелочного гидроксида, щелочного карбоната или их смеси, с последующим отделением полученного щелочного метионината от солей сопродуктов гидролиза, а
затем гидролизом полученной щелочной соли
до метионина. Исходный гидантоин получают
при контактировании циангидрина метилтиопропионового альдегида, аммиака и диоксида
углерода.
Также известно (патент США № 4 960 932)
получение метионина по способу, состоящему
из четырех стадий. На первой стадии получают
метилтио-α-гидроксибутиронитрил при конденсации метилтиопропионового альдегида и цианисто-водородной кислоты в присутствии триэтиламина. На второй стадии контактируют метилтио-α-гидроксибутиро-нитрил с аммиаком,
чтобы
получить
метилтио-αаминобутиронитрил, который затем гидролизуют на третьей стадии в присутствии кетона и
щелочного гидроксида, чтобы получить метилтиобутирамид, который в свою очередь гидролизуют до щелочного метионината, а потом
омыляют кислотой до метионина.
В способе получения метилтио-α-оксибутановой кислоты, называемой также оксианалогом
метионина,
метилтио-αгидроксибутиронитрил, получаемый при взаимодействии метилтиопропионового альдегида с
цианисто-водородной кислотой в среде, содержащей пиридин или амин (патент США № 2 745
745, колонка 2, строки 52-55), гидролизуют серной кислотой с образованием сначала промежуточного амида метилтио-α-оксибутановой кислоты, а затем метилтио-α-оксибутановой кислоты (европейский патент № 330 527 или патент США № 2 745 745). Однако основания,
используемые при взаимодействии метилтиопропионового альдегида с цианисто-водородной
кислотой, хотя и увеличивают скорость реакции, при этом быстро вызывают разложение
образующегося циангидрина и исходного альдегида с образованием сильно окрашенного раствора. Кроме того, эти основания являются летучими и токсичными, что создает серьезные
проблемы при промышленном осуществлении
способа, потому что их использование требует
создания условий безопасности и рециклизации,
что в любом случае является дорогостоящим.
Другой недостаток заключается в том, что из-за
того, что эти основания являются летучими, они
могут вызвать локально высокую концентрацию
и придать среде в этих местах очень высокую
000009
2
основность, что вызывает усиление окраски, с
одной стороны, за счет полимеризации цианисто-водородной кислоты, а, с другой стороны, за
счет разложения метилпропионового альдегида.
Совершенно неожиданно оказалось, что
реакции разложения могут быть уменьшены, а
реакция конденсации может благоприятно развиваться, если работать в четко определенном
интервале рН и в отсутствии аминовых оснований, всегда используемых в известном уровне
техники.
Настоящее изобретение заключается в том,
что конденсацию альдегида с цианистоводородной кислотой проводят в присутствии
буфера, позволяющего фиксировать рН раствора выше 4,0 без использования аминов. Предпочтительно рН раствора устанавливают между
4,0 и 6,0, более предпочтительно рН раствора
составляет около 5. В соответствии с лучшим
вариантом осуществления изобретения предпочитают использовать буфер, который является
нелетучим и нетоксичным, в отличие от аминов,
используемых в известном уровне техники, для
обеспечения, в частности, катализирования реакции, происходящей путем абсорбционного
поглощения, т.е. при контактировании газа, такого, как цианисто-водородная кислота, с жидкостью, такой, как метилтиопропионовый альдегид.
Среди буферов, позволяющих установить
рН в желаемом интервале предпочтительно использовать буфер, выбранный среди следующих
смесей, которые приведены в качестве примера
и не ограничивают изобретение:
- лимонная кислота и цитрат натрия или
лимонная кислота и гидроксид натрия,
- фосфорная кислота и кислый фосфат натрия или фосфорная кислота и гидроксид натрия,
- янтарная кислота и сукцинат натрия или
янтарная кислота и гидроксид натрия,
- уксусная кислота и ацетат натрия или уксусная кислота и гидроксид натрия,
- кислый фталат калия и гидроксид натрия.
В общем случае, можно использовать в качестве буфера смеси щелочных солей кислоты и
кислоты или смеси кислоты и щелочного гидроксида.
Использование буфера дает то преимущество, что, с одной стороны, устраняется
разложение исходного вещества и целевого продукта, а с другой стороны, нейтрализуются кислоты, стабилизирующие цианистоводородную кислоту, такие, как серная кислота.
Среди альдегидов предпочтительно использовать алифатические альдегиды, содержащие 1-6 атомов углерода, возможно замещенные алкильной, алкокси или алкилтиогруппой,
особенно предпочтительно использовать метилтиопропионовый альдегид.
Наиболее целесообразный вариант осуществления изобретения заключается в приготов-
3
лении буфера in situ путем нейтрализования
лимонной кислоты гидроксидом натрия при
молярном
отношении
лимонная
кислота/гидроксид натрия между 0,3 и 0,7, предпочтительно около 0,5.
В соответствии с лучшим вариантом осуществления изобретения используют, согласно
первой технологии, для конденсации: газовую
смесь цианисто-водородной кислоты, содержащую по объему примерно 7% цианистоводородной кислоты, и водный раствор альдегида. Цианисто-водородную кислоту получают,
например, по способу Эндрюссова, потом ее
освобождают от аммиака, который она содержит.
Согласно второму варианту осуществления способа, водный раствор цианистоводородной кислоты в воде, содержащий примерно 20 мас.% цианисто-водородной кислоты,
вводят в контакт с альдегидом. В обоих случаях
используют молярное отношение между цианисто-водородной кислотой и альдегидом предпочтительно при небольшом избытке цианистоводородной кислоты. Предпочтительно используют молярный избыток, составляющий от 0,1
до 10%, более предпочтительно 2-5%.
Буфером, используемым в качестве катализатора конденсации и для установления рН в
определенной зоне, может быть предпочтительно, например, цитратцитратный буфер, используемый при молярном отношении к альдегиду
от 0,01 до 0,0001, предпочтительно около 0,001.
Водный раствор используют таким образом,
чтобы образующийся циангидрин имел на выходе из колонны массовую концентрацию около
50%. Реакцию можно проводить, как указывалось выше, между газом и жидкостью, тогда ее
предпочтительно проводят в аппарате для контакта газ-жидкость, таком, как:
- тарельчатая колонна,
- колонна с насадкой,
- колонна с шариковой насадкой,
- трубчатый реактор,
- капельная колонна,
- реактор с механическим перемешиванием,
- реактор с погруженными форсунками.
Согласно первому используемому устройству, которое является предпочтительным, т.е.
когда используют тарельчатую абсорбционнореакционную колонну, газовый поток, содержащий цианисто-водородную кислоту, вводят в
нижнюю часть тарельчатой колонны, а буферный водный раствор альдегида вводят в головную часть колонны. Вместо подачи водного
раствора альдегида можно вводить в головную
часть колонны независимые потоки, т.е. поток
воды, поток буферного водного раствора и поток раствора альдегида. Очевидно, что специалист в этой области подберет количество потоков к тому устройству, которое он будет использовать для осуществления изобретения.
000009
4
Целесообразно в головной части абсорбционно-реакционной колонны установить дополнительно промывочную колонну для извлечения из газов, выходящих из абсорбционной
колонны, альдегид и следы непрореагировавшей
цианисто-водородной кислоты. Эта промывочная колонна осуществляет обмен между газами,
вводимыми в нижнюю часть, и водой, вводимой
в головную часть колонны. Для этой промывки
можно использовать, например, тарельчатые
или насадочные колонны. Воду, собранную в
кубе этой колонны, целесообразно повторно
вводить в абсорбционно-реакционную колонну,
а очищенные газы направлять в печь для сжигания отходов. Если реакцию проводят между
водным раствором цианисто-водородной кислоты и альдегидом, предпочтительно ее проводят
в трубчатом реакторе, таком, как адиабатический поршневой реактор. Во всех случаях реакция является быстрой и экзотермической.
В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, реакцию предпочтительно проводят при температуре между 50 и
100°С, предпочтительно примерно при 70°С, и
атмосферном давлении, когда работают в открытой колонне. Температуру регулируют количеством воды, вводимой с буфером.
При работе в трубчатом реакторе в соответствии со вторым вариантом осуществления
изобретения предпочтительно устанавливают
температуру между 30 и 110°С, а давление находится между 1 и 10 бар.
Циангидрин исходного альдегида, полученный по любому из вариантов осуществления
изобретения, например циангидрин метилтиопропионового альдегида, или аминируют, или
обрабатывают смесью аммиака и диоксида углерода, чтобы получить потом метионин, или
непосредственно гидролизуют в метилтио-αоксимасляную кислоту.
Настоящее изобретение будет более полно
описано с помощью следующих примеров, которые не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение.
Пример 1. Используют колонку А, тип
ОЛДЭШОУ, диаметром 50 мм, снабженную 20
тарелками с отверстиями, высотой 1 м, и насадочную колонку В, такого же диаметра, но высотой 20 см, снабженную многоволокнистой
насадкой. Схема этого устройства дана на фиг. 1
и 2.
В колонку А по трубопроводу 30 подают
1556,2 г/ч сырой синтезированной цианистоводородной кислоты, содержащей по массе:
HCN
109,12
СН4
0,77
СО
88,45
СO2
33,02
Н2
18,12
N2
895,46
402,75
Н2O
Разное
8,52
5
В колонку А по трубопроводу 35 подают
метилтиопропионовый альдегид с расходом
408,36 г/ч, по трубопроводу 41 подают в головную часть колонки В 150 г/ч воды и по трубопроводу 36 подают 4,89 г/ч смеси 1,13 г лимонной кислоты и 0,49 г/гидроксида натрия.
В кубе колонки А собирают 1013 г/ч водного раствора, содержащего:
2-Оксиметилтиобутиронитрил
514,25
HCN
1,54
Метилтиопропионовый альдегид
0,04
Н 2O
495,85
Лимонная кислота
1,13
Гидроксид натрия
0,49
Газы, выходящие из колонки А, направляют в колонку В с расходом 1531 г/ч и отводят из
колонки В с расходом 1106 г/ч, они состоят из:
HCN
1,65
СН4
0,77
СО
88,45
СO2
33,02
Н2
18,12
N2
895,46
Н 2O
60,68
Разное
8,52
Эти газы направляют в печь для сжигания.
В колонку В подают на рефлюкс (орошение) (по
трубопроводу 44) в направлении к кубу упомянутой колонки охлаждающий водный раствор с
расходом 11181,91 г/ч, содержащий:
HCN
3,90
N2
7,72
Н 2O
10434,91
Метилтиопропионовый альдегид 0,09
Оксиметилтиобутиронитрил
703,59
Лимонная кислота
22,12
Гидроксид натрия
9,59
На выходе (поток 45) из колонки В водный
раствор, имеющий тот же состав, что и раствор
рефлюкса колонки В, направляют в колонку А с
расходом 580,06 г/ч.
Пример 2. Изменение молярного отношения NaOH / лимонная кислота.
Работают так же, как в примере 1, но при
разной величине рН. Измеряют на различных
тарелках колонки степень превращения метилтиопропионового альдегида в зависимости от
величины рН (табл. 1).
Растворы гидроксиметилтиобутиронитрила, полученные по окончании реакции, вводят в
сушильную камеру, поддерживаемую при 70°С,
чтобы изучить разложение указанного нитрила
в зависимости от времени. Разложение оценивают путем измерения окраски АРНА в соответствии с международной нормой ISO 2211-1973
(табл. 2)
Пример 3. Получение 2-гидроксиметилтиобутиронитрила.
Загружают при перемешивании в стеклянный реактор с рубашкой емкостью 150 мл:
Метилтиопропионовый альдегид 47,43 г
Вода
30,97 г
000009
6
Среда является гетерогенной (2 жидкие
несмешивающиеся фазы). Прибавляют 0,6669 г
каталитического раствора. Каталитический раствор получают при смешивании:
NaOH
9г
Лимонная кислота
20,77 г
Вода
70,30 г
Температура среды устанавливается около
20°С. Устанавливают рН с помощью каталитической системы около 5.
Через загрузочную воронку вводят по возможности быстро 42,37 г водного раствора цианисто-водородной кислоты концентрацией 30,70
мас.%. Сразу же температура реакционной среды повышается до 70°С. При этом выделяется
реакционное тепло. Уровень температуры
(70°С) поддерживают в реакционной массе в
течение 5 мин с помощью циркуляции горячей
жидкости в рубашке реактора.
Во время реакции рН остается равным
около 5. По окончании указанного времени реакции при 70° С определяют, что выход реакции
получения метилтиобутиронитрила по отношению к метилтиопропионовому альдегиду составляет 100%.
Реакционная среда становится гомогенной,
как только температура и уровень превращения
метилтиопропионового альдегида достигают
достаточного уровня.
Пример 4. Использование способа согласно изобретению в синтезе метионина.
Непрерывно конденсируют в адиабатическом реакторе метилтиопропионовый альдегид
с водным 20%-ным раствором цианистоводородной кислоты. Этот раствор готовят из
100%-ной жидкой цианисто-водородной кислоты и воды. Катализатор реакции вводят по трубопроводу в воду. Согласно схеме на фиг. 2/2
вводят воду с расходом 1941 кг/ч (1), катализатор : лимонная кислота (цитрат натрия) с расходом 10 кг/ч (2) 20%-ный раствор цианистоводородной кислоты с расходом 398 кг/ч (3) и
метилтиопропионовый альдегид (4) с расходом
1444 кг/ч.
Каталитический раствор (2) готовят при
добавлении 390 г 50%-ного водного гидроксида
натрия и 450 г безводной лимонной кислоты в
1340 г воды. Устанавливают рН раствора равным 5,0±0,2 при добавлении того или другого
реагента.
Образовавшийся оксиметилтиобутиронитрил вводят в реакцию с аммиачными водами 5,
который вводят с расходом 840 кг/ч. Эти аммиачные воды содержат 13,7 мас.% диоксида углерода, 9,7 мас.% аммиака и воду. Образовавшийся гидантоин гидролизуют 50%-ным водным
раствором гидроксида натрия, который вводят с
расходом 2310 кг/ч (6). Полученный метионинат
натрия гидролизуют до метионин при добавлении 98%-ной серной кислоты, которую вводят
по (7) с расходом 2890 кг/ч. Собирают в (8) водный раствор, содержащий 15% метионина по
7
000009
массе с расходом 1986 кг/ч. Выход метионина
по отношению к метилтиопропионовому альдегиду составляет 96,0%.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1.
Способ
конденсации
цианистоводородной кислоты с альдегидом, отличающийся тем, что реакцию осуществляют в присутствии буфера, устанавливающего рН раствора 4,0-6,0 в отсутствии аминов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что
рН раствора предпочтительно устанавливают
около 5.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что
буфер является нелетучим.
4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем,
что буферы выбирают из следующих систем:
лимонная кислота и цитрат натрия или лимонная кислота и гидроксид натрия, фосфорная кислота и кислый фосфат натрия или фосфорная
кислота и гидроксид натрия, янтарная кислота и
сукцинат натрия или янтарная кислота и гидроксид натрия, уксусная кислота и ацетат натрия
или уксусная кислота и гидроксид натрия, кислый фталат калия и гидроксид натрия.
5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем,
что в качестве альдегида используют алифатический альдегид, содержащий 1-6 атомов угле-
2-я тарелка
4-я тарелка
7-я тарелка
9-я тарелка
11-я тарелка
13-я тарелка
15-я тарелка
17-я тарелка
19-я тарелка
рН 5,6
50,32
95,74
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
рН буфера
рН нитрила
длительность прогрева, ч
окраска АРНА перед прогревом в камере
окраска АРНА после прогрева в камере
рН 4,7
38,81
53,48
96,15
99,86
99,94
99,96
99 ,98
100,00
100,00
8
рода, возможно замещенный алкильной, алкокси или алкилтиогруппой.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что
альдегидом является метилтиопропионовый
альдегид.
7. Способ по пп.1-6, отличающийся тем,
что конденсацию между жидким альдегидом и
газообразной цианисто-водородной кислотой
осуществляют в условиях абсорбции газжидкость.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что
абсорбцию газ - жидкость осуществляют в реакторе для контактирования типа газ - жидкость,
выбранном из: тарельчатой колонны, насадочной колонны, колонны с шариковой насадкой,
трубчатого реактора, капельной колонны, реактора с механическим перемешиванием, реактора
с погруженными форсунками.
9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем,
что
в
головной
части
реакционноабсорбционной колонны установлена промывочная колонна.
10. Способ по пп.1-6, отличающийся тем,
что конденсацию осуществляют между жидким
альдегидом и водным раствором цианисто-водородной кислоты.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что
реакцию проводят в адиабатическом поршневом
реакторе.
рН 3,6
39,00
47,17
70,09
75,76
84,21
90,84
98,94
98,30
99,27
РН 4/5
47,29
49,82
69,86
73,92
84,17
99,63
99,93
99,95
99,87
рН 5,6
7,2
4
966
РН 4,7
5,2
48
190
рН 3,6
3,8
48
300
рН 4,5
4,7
48/72
238
17380
1071
1642
333/2837
Таблица 1
рН 5,2
73,92
82,21
98,79
99,95
99,99
100,00
100,00
100,00
100,00
Таблица 2
рН 5,2
6,6
72
881
8769
9
000009
10
Фиг. 2
Фиг. 1
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, Москва, ГСП 103621, М. Черкасский пер., 2/6