純度和流動性性能提高的氨基羧酸鹽粉末的製作方法

2023-04-30 15:17:31

專利名稱：純度和流動性性能提高的氨基羧酸鹽粉末的製作方法
技術領域：
本發明涉及製備穩定的自由流動的固體螯合劑的方法。
背景技術：
螯合劑用於各種應用中，包括食品加工、肥皂、去汙劑、清潔產品、個人護理產品、藥品、紙漿和紙張加工、水處理、金屬加工和金屬電鍍液、紡織加工液、肥料、動物飼料、除草 齊U、橡膠和高分子化學、洗印照片和油田化學。可商購的螯合劑通常是具有約40到約60重量百分比的螯合劑活性的水溶液。氨基羧酸螯合劑和它們的鹽(氨基羧酸鹽)可以通過許多已知的技術製備。在工業規模上，典型的方法包括將胺與甲醛和氰化物在鹼金屬氫氧化物存在下進行反應(參見例如，Bersworth，美國專利2，407，645，其併入本文作為參考)。已知的製造方法伴有各種缺點。一個這樣的缺點是利用鹼金屬氫氧化物作為試劑的方法、包括上面描述的Bersworth方法產生的螯合劑一般是吸溼性的，當暴露於大氣時變得結塊。具有更好的大氣穩定性和固體流動性的螯合劑是工業中希望的。發明簡沭本發明提供了用於生產當暴露於大氣時吸溼性低並且保持自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑的方法。所述方法包括(a)提供包含氨基羧酸鹽螯合劑和殘留鹼金屬氫氧化物的溶液；(b)向所述溶液添加游離的或部分中和的羧酸，使得所述游離或部分中和的酸中和至少部分所述殘留的鹼金屬氫氧化物；和(C)從其中分離自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑。


圖I是顯示對含有各種NaOH濃度的EDTA粉末的流動性測量的圖。發明詳沭如上所指出，本發明提供了生產自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑的方法。包含殘留的過量鹼金屬氫氧化物(例如氫氧化鈉或氫氧化鉀)的任何氨基羧酸鹽螯合劑可以適合地用於本發明的方法。正如所述，利用鹼金屬氫氧化物作為試劑的方法所製造的螯合劑通常包含殘餘量的試劑，因而特別適合於本發明。這些製造方法的非限制性例子包括，例如，Bersworth方法和本發明第二方面的低NTA方法，其在後面更詳細地描述。在所述方法的步驟(a)中，含有殘留鹼金屬氫氧化物的完全中和的氨基羧酸鹽螯合劑作為水溶液提供。在一些實施方式中，以溶液的總重量為基準，所述溶液可以包含20和70重量百分比之間、或者30和60重量百分比之間的氨基羧酸鹽螯合劑。以溶液的總重量為基準，所述溶液可以包含大於O重量％、或者至少O. I重量％、或者至少O. 8重量％、或者至少I. 2重量％的鹼金屬氫氧化物。在一些實施方式中，以溶液的總重量為基準，所述溶液可以包含最聞達5重量％、或者最聞達2重量％的喊金屬氧氧化物。正如所述，包含殘留的鹼金屬氫氧化物的任何氨基羧酸鹽螯合劑可以用於本發明。例子包括如下的完全鹼金屬鹽乙二胺-N，N，N'，N'-四乙酸(EDTA) ;1，1，4，7，7-二亞乙基三胺五乙酸(DTPA);乙二胺-N，N' -二琥珀酸(EDDS) ; (2-羥乙基)-亞氨基-二乙酸(HEIDA) ；L-穀氨酸-N，N- 二 -(乙酸)(GLDA);乙二胺-N，N' - 二乙酸(EDDA);或羥乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)。對所述鹽適合的鹼金屬包括鈉和鉀，其中鈉是優選的。在所述方法的步驟(b)中，向溶液添加含有游離或部分中和的羧酸的分子。使用足夠的游離或部分中和的羧酸，使得所述酸與至少部分所述殘留的鹼金屬氫氧化物反應，從而減少所述金屬氫氧化物的水平。應該使用的游離或部分中和的羧酸量能夠由本技術領域普通技術人員容易地確定，並將取決於例如存在多少鹼金屬氫氧化物、游離或部分中和的羧酸中可用的酸基團數目、和想要中和多少氫氧化物。舉例來說，在EDTA的情況下，I摩爾乙二胺-N，N, N'，N'-四乙酸(EDTA)可用來中和4摩爾殘留的氫氧化鈉(NaOH)。 在一些實施方式中，希望添加足夠的游離或部分中和的羧酸，以便以溶液的總重量為基準將鹼金屬鹽的水平降低到5重量％或更低，或者2重量％或更低，或者I. 2重量％或更低，或者O. 8重量％或更低,或者O. 5重量％或更低,或者O. I重量％或更低。還優選如上所述添加足夠的游離或部分中和酸，但是不明顯酸化溶液中的氨基羧酸鹽螯合劑。在一些實施方式中，使用的游離或部分中和酸的量使得不超過5重量％，或者不超過2重量％ ,或者不超過I重量％ ,或者不超過O. I重量％的氨基羧酸鹽被酸化。還優選添加羧酸期間和之後，溶液的PH沒有降到低於7 ( S卩，pH是7或更高)。用於步驟(b)的適合的羧酸的例子包括但是不限於草酸、羥基乙酸和甲酸。適合的還有游離或部分中和的氨基羧酸螯合劑，例如如下的游離或部分中和酸乙二胺-N，N,N' ,N'-四乙酸(EDTA) ;1，1，4，7，7_ 二亞乙基三胺五乙酸(DTPA);乙二胺-N，N' -二琥珀酸(EDDS) ;(2_羥乙基)-亞氨基-二乙酸(HEIDA)山-穀氨酸4，^二 (乙酸)(GLDA)；乙二胺_N，N' - 二乙酸(EDDA);或羥乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)。其中所述材料是部分中和的，適合的鹽包括鈉和鉀鹽，其中優選鈉。在特定的實施方式中，用於步驟(b)的氨基羧酸是(即相當於)待處理的氨基羧酸鹽的游離酸或部分中和鹽。因此，例如，如果所述氨基羧酸鹽是EDTA四鈉，那麼在這個實施方式下適合的氨基羧酸可以是EDTA或Na2EDTA。然而，在本發明下不要求游離或部分中和的氨基羧酸與氨基羧酸鹽相對應，並且在一些實施方式中，可能優選它們不對應。例如，如果氨基羧酸鹽是相對昂貴的材料，使用成本較少的不同的游離或部分中和酸可能是優選的。含有所述游離或部分中和酸、氨基羧酸鹽和鹼金屬氫氧化物的混合物可以被加熱到例如45°C和100°C之間，以便促進中和反應。然而，加熱並不是要求的。所述混合物也可以被攪拌，同樣為了促進所述反應。在所述方法的步驟(C)中，一旦對於中和鹼金屬氫氧化物的足夠時間已經過去，該時間在一些實施方式中可以在5分鐘和4小時之間，就可以從混合物中分離出作為自由流動固體的純化的氨基羧酸鹽螯合劑。可以使用各種分離技術和技術組合，例如結晶或乾燥。在結晶中，通常使氨基羧酸鹽溶液蒸發到超過它的飽和點，以讓部分氨基羧酸鹽結晶成能夠回收的固體形式。這通常通過加熱氨基羧酸鹽溶液來驅除水而實現。氨基羧酸鹽溶液的乾燥可以通過任何常規的乾燥法實行。例如，所述乾燥可以在適當升高溫度的真空爐中或通過將氨基羧酸鹽螯合劑溶液噴灑到常規的逆流或並流噴霧乾燥塔中而方便地實行。在噴霧乾燥塔中，水被熱氣體、通常是熱空氣蒸發到獲得粉末或粒狀形態的固體氨基羧酸鹽螯合劑這樣的程度。可以使用的其他乾燥技術的例子包括轉盤乾燥、轉鼓乾燥或冷凍乾燥。在示例性的實施方式中，本發明的方法用來生產自由流動的固體乙二胺-N，N,N'，N'-四乙酸四鈉鹽(Na4EDTA)15所述方法包括(a)提供包含乙二胺-N，N，N'，N'-四乙酸四鈉鹽和氫氧化鈉的溶液；(b)向所述溶液添加乙二胺-N，N，N'，N'-四乙酸或其部分鹽(partial salt)的溶液，使得至少部分氫氧化鈉被中和；和(C)通過結晶或噴霧乾燥從其中分離自由流動的固體乙二胺-N，N，N' ,Ni -四乙酸四鈉鹽。在另一種實施方式中， 步驟(b)的酸或鹽包括乙二胺-N，N，N' ,N'-四乙酸、或者乙二胺-N，N，N'，N'-四乙酸單鈉鹽、或者乙二胺-N，N，N' ,N'-四乙酸二鈉鹽、或者乙二胺-N，N，N' ,N'-四乙酸三鈉鹽、或前述的兩種或更多種的混合物。在第二方面，本發明提供了製備含有低水平次氮基三乙酸的氨基羧酸或其鹽(氨基羧酸鹽)螯合劑的方法。通過利用氰化物和甲醛的常規方法、包括如上所述的Bersworth方法生產的螯合劑可能被次氮基三乙酸或其鹽(NTA)汙染。NTA是最終產品中不希望有的雜質並且在一些地區它的水平逐漸受到政府的管制。因此，希望有幾乎不含或不含NTA的螯合劑。本發明通過提供所需氨基羧酸的胺前體在鹼存在下並且在形成螯合劑的條件下與足量的甲醛和氰化物反應的方法，解決了 NTA汙染的問題。氰化物、甲醛和前體胺之間的反應在導致NTA或其鹽形成明顯減少的各種方案下進行。在一個這樣的方案下，甲醛和氰化物在基本上整個反應期間(反應進行到基本完成所需要的時間)添加。在一些實施方式中，甲醛和氰化物在4和24小時之間的期間內添力口。此外，可以利用甲醛和氰化物的有規律的(profiled)添加速率，使得反應前半段的速率平均大於反應後半段的速率。例如，在一些實施方式中，在反應時間大約六個小時的反應中，大約一半的甲醛和氰化物在反應前半段用2小時添加，其餘在反應的後半段用4小時添加。減少螯合劑產物中NTA水平的另一種方案是將副產物氨基本在其形成時就從反應中連續地除去。各種技術可以用於氨除去，包括例如蒸餾或氣提(例如空氣或蒸汽)。在一些實施方式中，可以使用I至50mol氣體比mol胺的氣體胺吹洗速率。因為在所述反應中能夠形成氰化物和甲醛副產物，將改變氰化物/甲醛與胺的準確比。氰化物/甲醛與胺的一般比與所述胺和鹼濃度的反應性有關。胺反應性越慢和苛性水平越高通常產生更多的羥乙酸鹽或甲酸鹽副產物。例如，在一些實施方式中，反應性氰化物/甲醛(定義為沒有在反應中被還原成羥乙酸鹽或甲酸鹽的任何氰化物/甲醛)與胺基的比為1.60-2. O、或者1.90-2. O、或者2.0可以用於形成低NTA水平的EDTA。當製造GLDA時，因為許多的氰化物/甲醛損失成為羥乙酸鹽和甲酸鹽副產物，所以氰化物/甲醛與胺的比為2. 5-3、或者2. 7是適合的。所述方法可以作為分批或連續過程進行，後者利用例如連續攪拌反應釜(CSTR)。已經發現，本發明的方法製備的螯合劑包含的NTA水平比常規方法製備的材料低。在一些實施方式中，可以製備出例如通過HPLC測定的，以NTA和螯合劑的總重量為基準的，包含5. 5百分比或更少、或者3百分比或更少、或者2百分比或更少、或者I. 5百分比或更少、或者I百分比或更少的NTA (或其鹽)的螯合劑。作為例證說明，含有低水平NTA的EDTA產物可以適當地以如下的分批法獲得。一摩爾乙二胺可以在升高至例如60-100°C、或者70°C的溫度下與O. 1-0. 3、或者O. 16摩爾氫氧化鈉(例如以50% NaOH溶液形式)混合。I. 9至2. O摩爾、或者I. 95摩爾的氰化物和
I.9至2. I摩爾、或者I. 99摩爾的甲醛在I至3小時、或者2小時內恆速添加，這可以導致混合物加熱至沸點溫度。另外的I. 9至2. O摩爾、或者I. 95摩爾的氰化物和I. 9至2. I摩爾、或者I. 99摩爾的甲醛在3至5小時內、或者4小時基本恆速地添加，以完成反應。在開 始時和整個反應期間，氨通過例如蒸汽蒸餾被基本除去。在完成添加甲醛和氰化物後，可以將反應另行沸騰一段時間，例如I至3小時，或者2小時，以除去剩下的氨。可以使用典型的處理(workup)來分離低NTA產品。通過這種方法製備的EDTA，以NTA和EDTA或它們的鹽的總重量為基準，可以包含2百分比或更少、或者I. 5百分比或更少、或者I百分比或更少的NTA(或其鹽)。所述方法不限於形成含有低量NTA的EDTA，並且確實能夠用於其他螯合劑。所述方法中任何具體螯合劑的胺前體能夠由本技術領域的普通技術人員容易地確定。適合的前體包括伯或仲胺(環狀的或非環狀的)，例如二胺、三胺、更高級胺、氨基醇、胺基酸、氨基硫醇、氨基琥珀酸鹽、多羧酸胺、氨基醚、取代和未取代的胍、多氨基醚、氨基糖和殼聚糖。在反應條件下水解為胺的材料也是適合的，例如醯胺，環醯胺，亞胺和醯亞胺。反應中使用的氰化物可以是氰化物鹽(例如氰化鈉)或氰化氫的形式。另外，乙醇腈用作氰化物和甲醛的替代(乙醇腈是氰化物與甲醛混合在一起時獲得的反應產物)。術語「羧酸」、「酸」、「氨基羧酸」和它們的衍生物在本文中作為簡寫用來代表含有這些官能團的分子。以下實施例說明本發明，但是不打算限制它的範圍。除非另外指出，在本文中使用的比、百分比、份數等都按重量計。
實施例實施例IEDTA的分批合成Imol乙二胺(60. Og)與O. 18mol氫氧化鈉(14. 7g的50% NaOH)混合併升高至70°C。用4. 5小時恆速添加4. 47mol氰化鈉(729. 6g的30%水溶液)和4. 55mol甲醛(273. 2g的50%水溶液),並讓反應迅速達到沸點溫度(材料可以在Sigma-Aldrich得到)。前半段添加時，從反應逸出的任何蒸氣逆流回到反應器。前半段添加之後，蒸氣不再逆流，而是從反應器蒸餾掉。在完成添加後，將反應沸騰2小時以除去任何過量的氨。將222. 2mol水(151. 3g)添加回反應並將反應冷卻到室溫。所得的產物通過HPLC分析確定(參見下面的方法)，包含39. 90-wt%乙二胺四乙酸四鈉(Na4EDTA)和2. 5_wt%次氮基三乙酸三鈉(Na3NTA)。實施例2含有低水平NTA的EDTA的分批合成Imol乙二胺(60. Og)與O. 16mol氫氧化鈉(12. 8g的50% NaOH)混合併升高至70°C。用2小時恆速添加I. 95摩爾氰化鈉(318. 4g的30%水溶液)和I. 99mol甲醛(119. 2g的50%水溶液)，迅速讓混合物加熱到沸點溫度。在添加開始時和整個反應期間，蒸汽用來蒸餾出氨。用4小時恆速添加另外的I. 95mol氰化鈉(318. 4g的30%水溶液)和I. 99mol甲醛(119. 2g的50%水溶液)，以完成反應。在完成添加後，將反應沸騰2小時以除去任何過量的氨。將222. 2mol水(151. 3g)添加回反應並將反應冷卻到室溫。所得的產物通過HPLC 分析確定，包含 39. 24-wt% Na4EDTA 和 O. 4-wt% Na3NTA。實施例3 自由流動的固體EDTA含有39_wt% Na4EDTA的四種水溶液被調整到不同的過量苛性水平，使得所述溶液包含O. 0-wtO. 4-wt%,0. 81七％和I. 3-wt%過量的氫氧化鈉。O. 0_wt%過量的苛性溶液通過將50. 5g的EDTA酸溶解在2134. 8g含有39_wt% Na4EDTA和I. 30_wt%過量NaOH的溶液中、然後用101. 9g水稀釋來製備。0.4-wt%過量的NaOH通過將155.8g的0.0-wt%NaOH溶液與76. 9g的I. 3-wt% NaOH溶液混合而製備。O. 8_wt%過量的NaOH溶液通過將160g的I. 3-wt% NaOH溶液與85. 2g的O. 0-wt% NaOH溶液混合而製備。所述溶液在Buchi臺式噴霧乾燥器上利用兩個各自條件相同的流體噴頭霧化器(3. lmL/min液體速率，24mL/hr氣體速率，200°C進入空氣，和580L/hr噴嘴空氣)進行噴霧乾燥。由此產生的粉末具有相似的粒徑和初始水分含量(7-被％水)。利用RST-Control95SX剪切盒試驗器，其測量樣品在不同程度固結應力下所獲得的屈服強度，來檢測四種粉末的流動性。過量苛性水平更高的粉末有流動阻力更高的清晰趨勢(獲得更大的屈服強度)，這在較高的應力水平下變得更顯著。圖I是顯示材料在各種負荷下的流動性曲線的圖。雖然本發明已經在上面按照它的優選實施方式進行了描述，但它能夠在本公開的精神與範圍內進行修改。本申請因此旨在涵蓋利用在此公開的一般原理，對本發明的任何變化、應用、或改進。此外，本申請旨在涵蓋這種偏離本公開然而仍在本發明所屬技術領域的已知或慣常實踐範圍內並落於以下權利要求的限制內的部分。
權利要求
1.一種用於生產自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑的方法，所述方法包括 (a)提供包含氨基羧酸鹽螯合劑和殘留鹼金屬氫氧化物的溶液； (b)向所述溶液添加游離的或部分中和的羧酸，使得所述游離或部分中和的酸中和至少部分所述殘留鹼金屬氫氧化物；和 (c)從其中分離自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑。
2.根據權利要求I的方法，其中所述自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑在步驟(c)中通過結晶分離。
3.根據權利要求1-2任一項的方法，其中所述自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑在步驟(C)中通過乾燥分離。
4.根據權利要求1-3任一項的方法，其中所述自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑在步驟(c)中通過噴霧乾燥、轉盤乾燥、轉鼓乾燥、冷凍乾燥或真空爐乾燥進行分離。
5.根據權利要求1-4任一項的方法，其中添加足夠的游離或部分中和的羧酸，使得殘留的鹼金屬氫氧化物的濃度以溶液的總重量為基準在2重量％或更低。
6.根據權利要求1-5任一項的方法，其中步驟(b)中添加的游離或部分中和的羧酸的量應使得不超過5重量％的氨基羧酸鹽螯合劑被酸化。
7.根據權利要求1-6任一項的方法，其中所述氨基羧酸鹽螯合劑是乙二胺-N，N，N'，N'-四乙酸四鈉鹽，1，1，4，7，7-二亞乙基三胺五乙酸五鈉鹽，乙二胺-N，N' -二琥珀酸二鈉鹽，(2-羥乙基)-亞氨基-二乙酸二鈉鹽，L-穀氨酸-N，N-二-(乙酸)四鈉鹽，乙二胺-N，N' - 二乙酸二鈉鹽，或羥乙基乙二胺三乙酸三鈉鹽。
8.根據權利要求1-7任一項的方法，其中所述游離或部分中和的羧酸是草酸、羥基乙酸或甲酸。
9.根據權利要求1-8任一項的方法，其中所述游離或部分中和的羧酸包括乙二胺-N，N，N'，N'-四乙酸(EDTA)，1，1，4，7，7-二亞乙基三胺五乙酸(DTPA);乙二胺-N，N' -二琥珀酸(EDDS)，(2-羥乙基)-亞氨基-二乙酸(HEIDA)，L-穀氨酸-N，N- 二 -(乙酸)(GLDA)，乙二胺-N，N' - 二乙酸(EDDA)，羥乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)，或前述任一種羧酸的部分鹽。
10.—種用於生產自由流動的固體乙二胺_N，N，N'，N'-四乙酸四鈉鹽(Na4EDTA)的方法，所述方法包括 (a)提供包含乙二胺-N，N，N'，N'-四乙酸四鈉鹽和殘留氫氧化鈉的溶液； (b)向所述溶液添加乙二胺-N，N，N'，N'-四乙酸或其部分鹽，使得至少部分殘留氫氧化鈉被中和；和 (c)通過結晶或噴霧乾燥從其中分離自由流動的固體乙二胺-N，N,Ni，Ni -四乙酸四鈉鹽。
11.一種由權利要求ι- ο任一項的方法製備的自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑。
12.一種用於製備含有低水平次氮基三乙酸的氨基羧酸或其鹽螯合劑的方法，所述方法包括提供氨基羧酸的胺前體，以及在鹼存在下和在使得所述胺發生形成所述氨基羧酸或其鹽的反應基本上完成的條件下，向其中添加足量的甲醛和氰化物，其中 (a)所述甲醛和氰化物基本上在整個反應期間添加； (b)反應前半段的添加速率平均大於反應的後半段；和(C)副產物氨基本在其形成時即從所述反應中連續地除去。
13.根據權利要求12的方法，其中所述甲醛作為甲醛水溶液或低聚甲醛應用。
14.根據權利要求12-13任一項的方法，其中所述氰化物作為氰化氫或其鹽應用。
15.根據權利要求12的方法，其中所述甲醛和氰化物作為乙醇腈應用。
16.根據權利要求12-15任一項的方法，其中所述鹼是氫氧化鈉。
17.根據權利要求12-16任一項的用於製備含有低水平次氮基三乙酸的EDTA或其鹽的方法，所述方法包括將乙二胺與O. 1-0. 3當量的氫氧化鈉混合，溫度升高至60-100°C ;在I至3小時內以恆速添加I. 9至2. O摩爾的氰化物和I. 9至2. I摩爾的甲醛；在3至5小時內基本恆速地添加另外的I. 9至2. O摩爾氰化物和I. 9至2. I摩爾甲醛以完成反應，其中副產物氨在整個反應期間基本在它形成時即被連續地除去。
18.由權利要求12-17任一項的方法製備的含有低水平次氮基三乙酸的氨基羧酸或其鹽螯合劑。
全文摘要
本發明提供了用於製備穩定的自由流動的固體氨基羧酸鹽螯合劑的方法，其通過向包含殘留鹼金屬氫氧化物的螯合劑添加游離或部分中和的羧酸，使得所述游離或部分中和的酸中和至少部分所述鹼金屬氫氧化物；和從其中分離出自由流動的固體螯合劑。
文檔編號C07C227/26GK102906062SQ201180025150
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月18日 優先權日2010年5月21日
發明者J·W·小穆爾, S·T·布思, R·O·利恩豪斯 申請人:陶氏環球技術有限責任公司