CN103408449A - 一种n-酰基氨基酸或其盐的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，包括脂肪酰氯和氨基酸在碱性条件下进行酰胺化反应，其特征在于，所述的酰胺化反应中，反应物脂肪酰氯、氨基酸和碱在静态混合器中混合反应。本发明方法可以采用间歇式反应工艺，也可以采用连续反应工艺。本发明的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，所有的混合及反应过程均在静态混合器进行，解决了传统反应方式存在的反应均一性差、换热困难的缺点，特别是高粘度体系物料混合问题，显著提高反应转化率。采用本发明的方法可以进行N-酰基氨基酸或其盐的连续化生产，是一种N-脂肪酰基氨基酸或其盐的优化的工业制备方法。

Description

一种N-酰基氨基酸或其盐的制备方法

技术领域

本发明涉及一种N-酰基氨基酸表面活性剂的制备方法，具体涉及一种N-脂肪酰基氨基酸或其盐的优化的工业制备方法。

背景技术

N-酰基氨基酸及盐是由氨基酸酰基化得到一类化合物，通常是由脂肪酰氯和氨基酸缩合而成，这类化合物具有良好的表面活性、起泡性能、清洁性能以及温和性，广泛应用于化妆品、个人清洁护理品，同时在其他领域如食品添加剂、金属加工、矿石浮选、石油开采以及农业、生物制品和药物制备领域也有广阔的应用。

N-酰基氨基酸及盐的生产工艺，通常是碱性条件下将脂肪酰氯滴加到氨基酸溶液中缩合反应而制得，溶剂为水或极性有机溶剂的水溶液，如丙酮、甲乙基酮、二氧六环、四氢呋喃等水溶液。合成工艺中酰氯和氨基酸溶液分别为油相和水相，反应过程中需有良好的混合才能有效避免酰氯水解的副反应，从而得到高的转化率。实际上，由于此类反应体系中大量泡沫存在以及反应物特性，往往体系有很高的粘度，这种情况在中性氨基酸反应体系中尤为明显，高的粘度混合效果差导致反应转化率低，又往往通过添加大量的有机溶剂改善两相反应效果，同时消泡降粘以改善反应效果，或利用高能量搅拌器提高反应转化率，这在美国专利US6008390中有所提及。

N-酰基氨基酸及盐生产中混合过程通常使用搅拌器，这种生产方式混合效果不均匀且对高粘度物料适应性差。静态混合器是相对搅拌器而言的，它是一种没有机械运动部分的流体管路结构体，具有分散效果好，结构简单，维修方便等特点。静态混合器在汽液混合、分离、反应工程等应用领域取得了较好的结果，在有机合成领域已有相关报道应用于硝化、中和、聚合等过程。美国专利US6828452132B2提及使用静态混合器解决酰基氨基酸盐生产过程中的泡沫问题，但是仍使用搅拌式反应釜为反应器，同时作为第一步混合器来混合碱液与反应中间体，酰氯与上述物料则在静态或动态混合器中混合。该专利只是提及解决生产过程的泡沫问题，未涉及解决反应均一性问题和提高反应转化率问题，该方法和釜式反应器一样也不便于连续化生产。

发明内容

本发明针对现有的N-酰基氨基酸或其盐生产工艺中存在的反应均一性差、反应体系混合不均匀、换热困难，特别是在反应后期体系粘度高的情况下，转化率不高，难以连续化生产等缺陷，提供一种酰基氨基酸或其盐的制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，包括脂肪酰氯和氨基酸在碱性条件下进行酰胺化反应，其特征在于，所述的酰胺化反应中，反应物脂肪酰氯、氨基酸和碱在静态混合器中混合反应。

本发明采用工业上常用的肖顿-鲍曼（Schotten-Baunmann）缩合法，在碱性条件下，脂肪酰氯和氨基酸反应制得N-酰基氨基酸盐，加酸中和后可得到N-酰基氨基酸。所述的方法适用于各种脂肪酰氯和不同氨基酸在碱性条件下N-酰基氨基酸或其盐的制备。

所述的脂肪酰氯碳链长度为C6-C22，或是它们的任意的混合物。脂肪酰氯可由脂肪酸按公知的方法制备得到，脂肪酸的碳链长度为6-22，其中取代基包括线性或支链化烷基，饱和或含有一重或多重双键，可以采用单一脂肪酸或混合脂肪酸制备得到所述的脂肪酰氯。所述的脂肪酸包括但不限于，C6-C22饱和脂肪酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、异辛酸、异硬脂酸、椰油酸、棕榈油酸、豆油酸、芥酸等，优选C8-C22脂肪酸，更优选为C8-C18脂肪酸。

本发明所述的氨基酸指肌氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蛋氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸或谷氨酸。

脂肪酰氯和氨基酸需在碱性条件下进行酰胺化反应，提及的碱性条件指pH不小于7，优选条件不小于8。将碱加入反应体系中作为pH调节剂提供碱性条件，所述的碱选自碱金属氢氧化物、碱金属盐或铵盐，包括但不限于氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸钾、碳酸铵、氢氧化铵，优选为氢氧化钠、氢氧化钾。

有关脂肪酰氯和氨基酸缩合反应条件，在公开文献多有报道，脂肪酰氯和氨基酸的摩尔比为0.7~1.2：1，反应温度0~35℃，反应pH值控制在8-13。具体可参见US20100273879A1、US6060613A、EP0857717A1等。

本发明方法可以采用间歇式反应工艺，也可以采用连续反应工艺。

实现本发明方法的一个具体过程是采用间歇式工艺流程，氨基酸自氨基酸储罐连续送入一级和二级静态混合器串联组成的混合反应装置中，按照一定的流量比将碱和脂肪酰氯分别连续加入一级和二级静态混合器中，反应物料经冷却器冷却后，返回氨基酸储罐，循环进行反应。

上述方法中，二级静态混合器出口物料温度维持在10-35℃，pH值维持在9-13。

冷却器冷却后物料温度为5-30℃。

氨基酸和脂肪酰氯的流量比为2~200:1，碱液流量以维持pH在9-13为合适。

所述的方法中，反应至氨基酸储罐中反应混合物氨基酸转化率≥80%，优选≥85%。

实现本发明方法的另一个具体过程是采用连续工艺流程，氨基酸连续送入2个以上串联的混合反应单元，所述的混合反应单元由一级静态混合器、二级静态混合器和冷却器串联组成；按照一定的流量比将碱和脂肪酰氯分别连续加入各混合反应单元的一级和二级静态混合器中，反应物料经冷却器冷却后进入下一级混合反应单元；经各级混合反应单元混合反应所得到的反应产物送入储罐中陈化。

上述方法中，根据要求的工艺条件，可以通过碱和脂肪酰氯的流量控制反应混合物的温度和pH值。本领域技术人员易于理解，混合反应单元的数量也可以根据工艺要求设置，数量较多则反应条件均一性较好，且换热效果更好，其增加不受限制。

优选地，

物料进入第一个混合反应单元温度为0-30℃，随着反应逐步进行，放出的热量被冷却介质带走，各混合反应单元出口物料温度控制在10-35℃。

所述的混合反应单元的二级静态混合器出口物料pH值维持在9-13。

所述的混合反应单元中，氨基酸和脂肪酰氯的流量比为2~200:1，碱液流量以维持pH在9-13为合适。

所述的方法中，反应产物中氨基酸转化率≥80%，优选≥85%。

本发明中，所述的一级和二级静态混合器可以是两台独立的混合器，也可以是一台混合器中设立的分隔的混合区。所述的静态混合器优选通冷却介质进行换热。

本发明使用静态混合器代替传统的搅拌式反应釜，在脂肪酰氯和氨基酸缩合反应过程中起到关键作用。静态混合器就是在管路中放置一系列结构相似、 按一定规则排列的静止元件，使用这些元件并借助流体的自身动能，实现流体的不断分割、变形、位移和汇合，达到流体的充分混合，来完成各种工艺操作。和搅拌器相比，静态混合器优点为：分散效果好、结构紧凑、占地面积小、操作成本低、维修简单等。由于静态混合器可以大大地提高单位能耗下的物料接触面积，成倍地提高传质速率，因此静态混合器已被广泛应用于混合、分离和反应工程方面。静态混合器生产厂商有 Kenics、Sulzer、Ross、Hi 等型的产品。产品类型可以适应不同粘度，不同应用范围，能够充分满足本发明方法用于N-酰基氨基酸及盐的生产需要。

本发明主要特征在于将酰氯和氨基酸溶液及调节pH的碱液保持流动状态，主要通过静态混合器进行混合和反应，从而获得更好的混合效果以改善反应转化率，并适用于粘度高的反应体系中。各反应物料保持流动状态的方法可以使用重力自流、泵输送、加压力等方法，实际过程中采用泵输送更方便。

通常釜式反应器进行混合均匀性较差，而对于N-酰基氨基酸（或盐）的生产，一方面存在两相反应，混合效果不好影响反应转化率，一般转化率低于80%，另一方面反应过程同时伴随放热，如果传热效果不好造成局部过热引起反应均匀性问题，也会导致反应效果变差；同时因为酰氯和氨基酸盐的反应体系多数情况下粘度比较高，随着酰氯碳链长度增大粘度会上升，超过10000cp甚至更高，普通的搅拌混合效果差会导致转化率更低，特别是反应后期随着转化率的增加粘度上升，甚至物料无法进行搅拌混合。本发明利用静态混合器作为混合器和反应器则可以克服或改善这些缺点，在物料体系粘度低时，能够加强混合效果提高转化率，物料粘度高时选用适合高粘度物料混合的静态混合器，可以大幅改善混合均一性问题，同时强化换热效果，提高反应均匀性，使反应能够正常进行。使用静态混合器可以满足体系粘度高达10万cp，优选体系粘度低于5万cp，更优选低于2万cp。反应转化率最高可达90%以上，同时能够避免使用溶剂或减少使用溶剂的量，降低成本，降低生产安全风险，具有很大的优势。

釜式反应器一般用于间歇（批次）反应过程，不能应用在连续化的生产过程，这在大规模生产方面受到限制。使用静态混合器还可以实现连续化生产，利用本发明的方法将所有物料混合过程在静态混合器中进行，从而在各物料按一定比例连续加入进行反应实现连续化工艺，为解决连续化工艺过程放热问题，混合器本身需要通冷却介质进行换热，或将静态混合器和换热器作为单元的组合使用，以提供尽量大的换热面积，保证体系温度在要求的工艺条件下，由静态混合器和冷却器组合成的单个或多个单元，就可以满足实现连续化生产需要。

本发明提供的N-酰基氨基酸或其盐为液体形态，非常方便使用；并且反应转化率高，主要活性成分含量就高，因此泡沫丰富性能会更好。产品可以直接应用于个人护理品如洗面奶、沐浴露、牙膏、洗发水、清洁皂等的主要或辅助表面活性剂，以及作为工业领域使用表面活性剂的用途。也可以作为中间体经过精致、干燥或衍生化反应制备成预期特性的产品。

本发明的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，所有的混合及反应过程均在静态混合器进行，很好的解决了传统反应方式存在混合不均匀的缺点，具有广泛的实用性，可用于各种脂肪酰氯和各种的氨基酸的反应，并能够解决高粘度体系物料混合问题，提高反应转化率。本发明的制备方法，还解决了传统釜搅拌器换热差、规模放大比较难的问题，同时利用本发明的方法可以进行N-酰基氨基酸或其盐的连续化生产，是一种N-脂肪酰基氨基酸或其盐的优化的工业制备方法。

附图说明

图1 本发明方法的间歇工艺流程图。

其中：1-氨基酸储罐；2-一级静态混合器；3-二级静态混合器；4-冷却器。

图2本发明方法的连续工艺流程图。

其中：1-氨基酸储罐；第一级混合反应单元中，1-2-一级静态混合器；1-3-二级静态混合器；1-4-冷却器；第二级混合反应单元中，2-2-一级静态混合器；2-3-二级静态混合器；2-4-冷却器；5-产品储罐。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明所述的技术方案给予进一步详细的说明，但有必要指出以下实施例只用于对发明内容的描述，并不构成对本发明保护范围的限制，本发明的保护范围由权利要求加以限定。

 

实施例1 

椰油酰基甘氨酸钠间歇式制备方法

来自储罐的2500Kg甘氨酸钠水溶液（甘氨酸钠含量10wt%，pH值为9.0，温度20℃）及30%的氢氧化钠溶液用齿轮泵（适用粘度30Pa.s）分别以15M³/h和0-0.5M³/h流量泵入Sulzer 的SMX型一级静态混合器，而椰油酰氯500Kg，以0.50M³/h流量用耐酸泵泵入二级静态混合器，一级和二级静态混合器外壳用冷媒冷却，二级静态混合器出口物料温度维持在20-30℃，pH值维持在9-10，通过调整氢氧化钠溶液流量调节pH值，物料再流经冷却器降温至20℃，回到甘氨酸储罐，进行循环反应，约1.2h酰氯和碱液滴加结束，保持25-35℃循环20min，反应结束。测定物料中甘氨酸钠含量0.5%，转化率为93.3%。物料粘度为2000 mPa·s，粘度测定条件为Brookfield型粘度计，测定温度20℃，以下粘度测定条件均与此相同。

比较例1

椰油酰基甘氨酸钠间歇式制备方法

在5000L反应釜中加入2500Kg甘氨酸钠溶液（甘氨酸钠含量10 wt %，pH值为9，温度20℃）搅拌形式为锚式，转速80rpm，在搅拌下分别滴加椰油酰氯500Kg和30%氢氧化钠溶液，夹套通低温水降温，保持釜内温度为20-30℃，pH值9-10，2h物料滴加完毕，在此温度下保温0.5h，反应结束。测定物料中甘氨酸钠含量1.6%，转化率为78.5%。物料粘度为3500 mPa·s。

比较例 2

椰油酰基甘氨酸钠间歇式制备方法

来自5000L反应釜的2500Kg甘氨酸钠水溶液（甘氨酸钠含量10wt%，pH值为9.0，温度20℃）用齿轮泵（适用粘度30Pa.s）以15M³/h流量泵入Sulzer 的SMX型静态混合器，椰油酰氯500Kg，以0.50M³/h流量用耐酸泵同时泵入静态混合器，30%氢氧化钠溶液则从反应釜滴加进物料，维持在反应釜内物料pH值在9-10。静态混合器进口物料温度维持在15-20℃，出口物料温度保持在25-35℃。混合器出口物料回到反应釜内，进行循环反应，约1.2h酰氯和碱液滴加结束，保持25-35℃循环20min，反应结束。测定物料中甘氨酸钠含量1.0%，转化率为87%。

实施例2

椰油酰基甘氨酸钠连续式制备

8%甘氨酸钠水溶液，25%氢氧化钠溶液，椰油酰氯分别按照流量比5:0.35:0.4（重量）分别进入两级SMX静态混合器和冷却器组成的第一个混合反应单元，静态混合器通冷冻液降温。混合物料和25%氢氧化钠溶液，椰油酰氯分别按照流量比5.7:0.3:0.4（重量）再进入第二个混合反应单元，该单元同样由两级SMX静态混合器和冷却器组成。物料进入第一个混合反应单元温度为15-20℃，随着反应逐步进行，放出的热量被冷却介质带走，第二个混合反应单元冷却器出口温度控制在25-35℃，pH通过调节氢氧化钠流量控制在8-10。物料在各静态混合器中充分混合反应后，进入产品储罐陈化40min，得到的产品检测甘氨酸钠含量0.9%，转化率87.0%，物料粘度2000 mPa·s。

实施例3

C12酰基甘氨酸钠间歇式制备方法

采用与实施例1相同的条件，由C12酰氯取代椰油酰氯并保持与甘氨酸1:1摩尔配比，用KOH代替氢氧化钠。反应物检测结果为甘氨酸钾0.7%，转化率90%，物料粘度3600 mPa·s。

实施例4

椰油酰基谷氨酸钠连续式制备方法

20%的谷氨酸单钠水溶液(pH 值11)，30%氢氧化钠溶液，椰油酰氯分别按照流量比10:0.4:0.7（重量）分别进入两级SMX静态混合器和冷却器组成的第一个混合反应单元，混合器通冷冻液降温。混合物料和30%氢氧化钠溶液，椰油酰氯分别按照流量比11.1:0.4:0.7（重量）再进入第二个混合反应单元。混合物料再次和氢氧化钠、椰油酰氯分别按照流量比12.2:0.4:0.6（重量）再进入第三个混合反应单元。第二、第三个混合反应单元结构与第一个单元相同。物料进入第一个混合反应单元温度为10-20℃，随着反应逐步进行，放出的热量被冷却介质带走，第三个混合反应单元冷却器出口温度控制在15-30℃。各混合反应单元的二级静态混合器出口物料pH通过调节氢氧化钠流量控制在9-11。物料在各级混合反应单元中经充分混合反应后，进入储罐陈化70min，检测谷氨酸钠含量2.5%，转化率81.5%。

实施例5

C12-C14烷酰基β-丙氨酸钠间歇式制备方法

采用与实施例1相同的方法，由C12-C14酰氯取代椰油酰氯，α -丙氨酸取代甘氨酸，酰氯和丙氨酸摩尔比保持为1:1。酰氯和反应物检测结果为丙氨酸1.1%，转化率85.0%，物料粘度1700 mPa·s。

实施例6

油酰基肌氨酸钠间歇式制备方法

采用与实施例1相同的方法，由油酰氯取代椰油酰氯，肌氨酸取代甘氨酸，酰氯和肌氨酸摩尔比保持为1:1。反应物检测结果为肌氨酸0.7%，转化率90.5%。

Claims (10)

1.一种N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，包括脂肪酰氯和氨基酸在碱性条件下进行酰胺化反应，其特征在于，所述的酰胺化反应中，反应物脂肪酰氯、氨基酸和碱在静态混合器中混合反应。

2.根据权利要求1所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，所述的酰胺化反应，脂肪酰氯和氨基酸的摩尔比为0.7~1.2：1，反应温度0~35℃，反应pH值控制在8-13。

3.根据权利要求1或2所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，所述的脂肪酰氯碳链长度为C6-C22，或是它们的任意的混合物。

4.根据权利要求1或2所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，所述的方法采用间歇式工艺流程，氨基酸自氨基酸储罐连续送入一级和二级静态混合器串联组成的混合反应装置中，按照一定的流量比将碱和脂肪酰氯分别连续加入一级和二级静态混合器中，反应物料经冷却器冷却后，返回氨基酸储罐，循环进行反应。

5.根据权利要求4所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，所述的氨基酸和脂肪酰氯的流量比为2~200:1，二级静态混合器出口物料温度维持在10-35℃，pH值维持在9-13。

6.根据权利要求4所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，所述的方法中，反应至氨基酸储罐中反应混合物氨基酸转化率≥80%。

7.根据权利要求1或2所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，所述的方法采用连续工艺流程，氨基酸连续送入2个以上串联的混合反应单元，所述的混合反应单元由一级静态混合器、二级静态混合器和冷却器串联组成；按照一定的流量比将碱和脂肪酰氯分别连续加入各混合反应单元的一级和二级静态混合器中，反应物料经冷却器冷却后进入下一级混合反应单元；经各级混合反应单元混合反应所得到的反应产物送入储罐中陈化。

8.根据权利要求7所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，物料进入第一个混合反应单元温度为0-30℃，各混合反应单元出口物料温度控制在10-35℃。

9.根据权利要求7所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，所述的混合反应单元中，氨基酸和脂肪酰氯的流量比为2~200:1，混合反应单元的二级静态混合器出口物料pH值维持在9-13。

10.根据权利要求7所述的N-酰基氨基酸或其盐的制备方法，其特征在于，所述的方法中，反应产物中氨基酸转化率≥80%。

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