基於聚乙二醇相轉移催化劑合成月桂醯胺基酸鈉的方法與流程
2023-11-05 06:04:12
本發明涉及一種月桂醯胺基酸鈉的合成方法，特別涉及一種基於聚乙二醇相轉移催化劑催化反應製備月桂醯胺基酸鈉的方法；屬於胺基酸表面活性劑製備領域。
背景技術：
月桂醯胺基酸鈉是一類胺基酸型陰離子表面活性劑，具有良好洗滌、分散、乳化、滲透、增溶等特性；其潤溼性優於脂肪醇聚氧乙烯醚(AE)；有優越的發泡性，並且泡沫細膩、持久，優於牙膏中常用的發泡劑十二烷基硫酸鈉(K12)；具有抗菌殺菌性和抗蝕、抗靜電能力；配伍性好；它的酸鹼度與人體皮膚基本一致，感覺舒服，無刺激；作肥皂的改質劑，抗垢能力好，有抗鈣、抗鎂離子的功能，使肥皂的耐硬水性提高，發泡和洗淨力增強；作為洗衣粉的添加劑，它與直鏈烷基苯磺酸鈉復配的洗衣粉，不但能緩解皮膚的刺激性，去垢能力也特別好；月桂醯胺基酸鈉生物降解性好，比直鏈烷基苯磺酸鈉(LAS)和十二烷基磺酸鈉(SDS)容易降解。隨著胺基酸類表面活性劑研究的不斷深入及生產工藝的逐步完善，除了在個人清潔劑等領域的應用不斷擴大外，在農業、生物製品和藥物製備、金屬加工、食品添加劑、礦石浮選和石油開採等一些新領域的應用也得到發展。
月桂醯胺基酸鈉的合成一般是以採用肖頓-鮑曼縮合法(Schotten-Baumann)製備得到的月桂醯胺基酸為原料，再加鹼中和得到(US3945931；US6569829；JP2923101；JP3362468；CN201210325196.2；CN201510615795.1)。鹼的添加方式一般有兩種：(1)配製成40％～50％的氫氧化鈉水溶液滴加；(2)配製成15％～20％的乙醇溶液滴加。這樣滴加帶來的不足之處有：(1)加水溶解氫氧化鈉，導致體系中水量增加，生成的月桂醯胺基酸鈉部分溶解到水中，導致產品收率降低；(2)月桂醯胺基酸鈉是一種陰離子表面活性劑，當體系中有較多水時，產品會表現出更優異的乳化性能，導致溶液粘度增加，產品過濾性能明顯下降，較難實現工業化生產；(3)氫氧化鈉在無水乙醇中溶解較慢，明顯降低了反應效率；(4)反應溫度較高時，氫氧化鈉遇無水乙醇會變黃，導致產品發黃，影響產品外觀。
技術實現要素：
針對現有的月桂醯胺基酸鈉的合成方法存在的缺陷，本發明的目的是在於提供一種低成本、對環境友好、高收率合成高品質月桂醯胺基酸鈉的方法；該方法操作簡單、滿足工業生產需求。
為了實現上述技術目的，本發明提供了一種基於聚乙二醇相轉移催化劑合成月桂醯胺基酸鈉的方法，該方法是月桂醯胺基酸和固體氫氧化鈉，在乙醇介質中，於聚乙二醇相轉移催化劑催化下反應，得到月桂醯胺基酸鈉溶液，所述月桂醯胺基酸鈉溶液依次經過冷卻結晶、過濾、乾燥，得到月桂醯胺基酸鈉晶體。
本發明的技術方案的關鍵是在於，採用聚乙二醇相轉移催化劑，以固體氫氧化鈉為製備月桂醯胺基酸鈉的反應原料。傳統的方法都避免採用固體氫氧化鈉作為反應原料，主要原因是固體氫氧化鈉在無水乙醇中溶解較慢，反應效率較低，同時反應溫度不能過高，氫氧化鈉會與無水乙醇反應，導致最終月桂醯胺基酸鈉產品發黃，影響產品品質。本發明的技術方案通過聚乙二醇相轉移催化劑，明顯增加了固體氫氧化鈉在溶劑中的溶解度，提升氫氧化鈉和月矽醯基胺基酸的反應效率。在催化反應過程中，固體氫氧化鈉先是溶解於相轉移催化劑PEG-400，PEG-400將鈉離子從固相轉移至液相乙醇中與月桂醯胺基酸接觸並反應。氫氧化鈉以固體形式添加，避免了傳統方法採用氫氧化鈉溶液帶入水分，大大降低了因醯基胺基酸鹽溶於水導致的收率損失。另外，醯基胺基酸鹽在水溶液中會呈現出一定的表面活性，當在水溶液中的濃度超過臨界膠束濃度時(CMC)，即會形成膠束，親油基朝內，親水基朝外，大幅降低了產品在溶劑中的表面張力，增加了其在溶劑中的溶解，導致反應液粘度增加，過濾性能差，難以分離，影響工業化生產，而以固體方式添加氫氧化鈉，除反應生成的少量水份外，避免了外部水份的加入，大幅降低了產品在溶劑中的表面活性，解決了產品不好過濾的問題。PEG-400的加入在提高氫氧化鈉溶解度的同時，可明顯提升氫氧化鈉和醯基胺基酸的中和反應效率，不同於一般的強酸強鹼反應，醯基胺基酸是弱酸，和生成的產品醯基胺基酸鹽會形成緩衝體系，反應速度較慢，PEG-400的加入，可促進化學平衡往正方向移動，明顯提升了反應效率，同時，可有效抑制副反應的發生。所以採用本發明的氫氧化鈉以固體形式添加，PEG-400做相轉移催化劑，有效解決了現有技術中氫氧化鈉以液體形式添加所帶來的收率不夠高、反應速度慢、產品過濾性能不好以及單雜較高等問題。
優選的方案，月桂醯胺基酸、固體氫氧化鈉與聚乙二醇的摩爾比為1:1～1.5:0.02～0.10。最優選的比例為1:1～1.3:0.02～0.05；在優選的比例下，可獲得較高的反應效率和產品收率。
較優選的方案，月桂醯胺基酸為月桂醯穀氨酸、月桂醯丙氨酸、月桂醯甘氨酸、月桂醯纈氨酸、月桂醯絲氨酸或月桂醯肌氨酸。
較優選的方案，聚乙二醇優選為分子量在2000以內，最優選為PEG-400。
較優選的方案，反應的條件為：溫度為20℃～80℃，時間為20～120分鐘。最優選在50℃～70℃反應20～30分鐘。在優選的溫度下，能有效抑制副反應的發生，降低產品中雜質的含量。
優選的方案，固體氫氧化鈉為尺寸在20目～60目的顆粒。最優選的比例為40～60目。在優選的尺寸下，能有效提高固體氫氧化鈉的比表面積，增加其與聚乙二醇相轉移催化劑的接觸概率，從而提高固體氫氧化鈉的溶解速度，利於反應速度的提升。
優選的方案，所述乙醇介質的用量為月桂醯胺基酸質量的1～5倍，最優選為2～3倍。
優選的方案，月桂醯胺基酸鈉溶液依次經過冷卻結晶、過濾，濾液採用分子篩脫水，得到含聚乙二醇相轉移催化劑的乙醇溶液，通過蒸餾分離回收乙醇和聚乙二醇相轉移催化劑。
優選的方案，分子篩為4A型分子篩。濾液通過分子篩脫水處理後，經過濾、烘乾回收分子篩；乙醇採用常壓蒸餾，控制溫度80℃～90℃，收集得到的乙醇和聚乙二醇相轉移催化劑返回至上一工段回用。
本發明技術方案中涉及的反應方程式為：
相對於現有技術，本發明的技術方案的優點在於：
1)本發明的技術方案以固體氫氧化鈉作為製備月桂醯胺基酸鈉的反應原料，避免了水分的帶入，大大提高了產品收率，月桂醯胺基酸鈉的收率達到99％以上。克服了傳統的製備月桂醯胺基酸鈉的方法採用氫氧化鈉溶液為原料，因醯基胺基酸鹽溶於水導致的收率損失等缺陷。
2、本發明的技術方案首次將聚乙二醇作為相轉移催化劑用於製備胺基酸表面活性劑，聚乙二醇作為相轉移催化劑的使用是成功將固體氫氧化鈉作為反應原料的前提條件，使反應變得溫和、高效，與現有方法相比，獲得的產品收率更高，產品過濾性能更好，且產品不發黃，產品品質更好。
具體實施方式
以下以具體的實施例來進一步說明本發明的技術方案，但本發明權利要求的保護範圍不僅限於此。
實施例1
往帶溫度計和攪拌的1000mL三口燒瓶中加入月桂醯穀氨酸329.5g(1mol)，無水乙醇659g，升溫至50～60℃溶解完全，加入相轉移催化劑PEG-400 8g，加入粒狀氫氧化鈉固體40g，50～70℃下反應20～30min，冷卻-5～5℃，析出白色片狀晶體，抽濾，烘乾後，得到月桂醯穀氨酸鈉350g，含量98％，收率99％。
濾液經4A型分子篩脫水、過濾後進行常壓蒸餾，蒸餾溫度80℃～90℃，獲得餾分為無水乙醇，剩餘液體為聚乙二醇，均返回至初始工段進行回收再利用。吸水後的分子篩經烘乾活化後，反覆使用。
對比實施例1
往帶溫度計和攪拌的1000mL三口燒瓶中加入月桂醯穀氨酸329.5g(1mol)，無水乙醇659g，升溫至50～60℃溶解完全，加入粒狀氫氧化鈉固體40g，50～70℃下反應20～30min，冷卻-5～5℃，析出黃色片狀晶體，抽濾，烘乾後，得到固體359g，含量49％，收率50％。經檢測，產品中有氫氧化鈉固體殘留，原料月桂醯穀氨酸未反應完全。
對比實施例2
往帶溫度計和攪拌的1000mL三口燒瓶中加入月桂醯穀氨酸329.5g(1mol)，無水乙醇659g，升溫至50～60℃溶解完全，緩慢滴加50％質量分數的氫氧化鈉水溶液80g，滴加完成，50～70℃下反應20～30min，冷卻-5～5℃，析出白色片狀晶體，產品發粘，不好抽濾，烘乾後，得到月桂醯穀氨酸鈉316g，含量90％，收率81％。
實施例2
往帶溫度計和攪拌的1000mL三口燒瓶中加入月桂醯甘氨酸257g(1mol)，無水乙醇514g，升溫至50～60℃溶解完全，加入相轉移催化劑PEG-400 8g，加入粒狀氫氧化鈉固體40g，50～70℃下反應20～30min，冷卻-5～5℃，析出白色片狀晶體，抽濾，烘乾後，得到月桂醯甘氨酸鈉278g，含量98％，收率99％。
催化劑、乙醇和分子篩的回收同實施例1。
實施例3
往帶溫度計和攪拌的1000mL三口燒瓶中加入月桂醯丙氨酸271g(1mol)，無水乙醇542g，升溫至50～60℃溶解完全，加入相轉移催化劑PEG-400 8g，加入粒狀氫氧化鈉固體40g，50～70℃下反應20～30min，冷卻-5～5℃，析出白色片狀晶體，抽濾，烘乾後，得到月桂醯丙氨酸鈉292g，含量98％，收率99％。
催化劑、乙醇和分子篩的回收同實施例1。
實施例4
往帶溫度計和攪拌的1000mL三口燒瓶中加入月桂醯肌氨酸271g(1mol)，無水乙醇542g，升溫至50～60℃溶解完全，加入相轉移催化劑PEG-400 8g，加入粒狀氫氧化鈉固體40g，50～70℃下反應20～30min，冷卻-5～5℃，析出白色片狀晶體，抽濾，烘乾後，得到月桂醯肌氨酸鈉292g，含量98％，收率99％。
催化劑、乙醇和分子篩的回收同實施例1。
實施例5
往帶溫度計和攪拌的1000mL三口燒瓶中加入月桂醯纈氨酸299g(1mol)，無水乙醇599g，升溫至50～60℃溶解完全，加入相轉移催化劑PEG-400 8g，加入粒狀氫氧化鈉固體40g，50～70℃下反應20～30min，冷卻-5～5℃，析出白色片狀晶體，抽濾，烘乾後，得到月桂醯纈氨酸鈉320g，含量98％，收率99％。
催化劑、乙醇和分子篩的回收同實施例1。