氨基乙酸的生产、应用及其技术展望

中问体 ．2氍I1年第编 期 氨基乙酸的生产、应用及其技术展望 张林雅 赵地顺 卢义和 宫素芝 (河北科技大学 河北 050018) 撅 氨基乙酸作为一种应用广泛的重要有机化工中间体，市场前景非常广阔，其生产也在不断的推 陈出新。文中介绍了四种使用不同催化剂合成氨基乙酸的实验新方法及其各 自的影响因素和特点， 探讨 了主要产品的应用及其生物合 成新技 术前景。 -糊 氨基乙酸 生产 应用 技术展望 一 、引言 氨 基 乙 酸 又 名 甘 氨 酸 ， 分 子 式 为 NH'CH2CooH，是结构最简单的氨基酸类化合物， 它作为人体非必需的不带电的极性氨基酸，应用非常 广泛，是十分重要的有机合成中间体。例如，在医药化 工中，可用作氨基酸制剂、金霉素的缓冲剂和作为抗 巴金森氏病药物 L多巴的合成原料，亦可用作合成其 它氨基酸，如苯丙氨酸、苏氨酸、丝氨酸等的原料。在 食品方面，常作为食品添加剂添加于各种食品中，用 于调味、杀菌防腐、抗氧化、营养强化等，便于人体吸 收和在体内合成其他必需和非必需的氨基酸 i可单独 或与谷氨酸等配合用作调味剂，也可用于合成酒和酿 造制品，还可用作奶油、人造奶油和干酪等的添加剂， 以延长食品的保质期。在农药工业中，大量用作合成 草甘磷、增甘磷等的原料。近年来，我国年需求量已达 14000吨，随着人们生活水平的不断提高，食品、医 药、农药行业已成为使用氨基乙酸的最大用户，市场 潜力很大。 国内氨基乙酸的生产起始于80年代初，生产技 术水平偏低，工艺落后，产品质量亦不够理想。目前 ， 国内有20多家氨基乙酸生产厂，总生产能力达20000 Ⅱ 年，由于大都采用国外已淘汰了的氯乙酸氨解法工 l 艺，所得产品绝大多数是工业级，医药级甘氨酸产品 目前国内仅有一套年产 1000吨的装置。 长期以来，我国氨基乙酸产品一直大量依赖进 口，售价过高是氨基乙酸应用开发的最大障碍。为改 变这种状况，满足氨基乙酸需求量的不断增加，国内 甘氨酸生产厂家及一些科研机构本着优化反应条件、 降低生产成本、提高产品质量的原则，对氨基乙酸的 合成及应用进行了大量的研究工作，并取得了一定的 进展。 二、氨基乙酸的合成方法 氨基乙酸的合成方法主要有：天然蛋白质水解 法，o【一卤代酸法和Strecker法。国外多数采用以氰化 钠为主原料的Strecker法，其优点是产品易精制，可 利用其他副产物作原料，生产成本低(约为氯乙酸氨 解法的一半 )，适合大规模工业化生产 ；缺点是原料 NaCN为剧毒物，操作条件苛刻，反应后的脱盐操作 较繁杂，反应路线较长。我国均采用 oc一卤代酸法，原 料易得，反应条件温和，工业化生产已近30年，但还 存在催化剂不能回收，消耗量大，催化效率低，产品得 率低，未反应完的原料不能回用，污染环境 ，加料不方 便 ，合成反应的终点难判断等问。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2帕1年第 2蕴期 ! ： 应体系中pH值的控制。适当提高反应温度可使产率 提高，但温度过高，原料氯乙酸、产品氨基乙酸中的 氯、羧基、氨基和亚甲基等都是活泼官能团，条件适合 时它们自身及化合物之间会发生副反应 ，还会导致母 液颜色加深、循环次数减少；但温度过低，则会延长反 应时间，使反应不完全，产率降低。一般可选择合成反 应温度在 550~650~C。 反应时间与反应控制温度有关，若反应温度升高 过快，反应时间缩短，反应原料只有部分参加合成反 应，导致反应不完全。在一般选择的控制温度下，反应 时间以3h为佳，反应时间过长，对提高得率无明显帮 助，且会增加副反应。 反应体系中pH值的控制也很重要，在亲核取代 反应中要求进攻试剂 (NH，)具有未公用电子对，即 必须维持反应体系为弱碱性。pH值太高或太低均可 能促使产物分解或副反应发生。在循环反应最后一次 结束时，可调节 pH值至氨基乙酸等电点为6左右， 以使产物尽可能结晶析出。 多元混合溶剂循环法的优点是原料和催化剂可 循环利用，多元混合溶剂体系有效减少了副反应的发 生，使原料和催化剂得到充分反应和利用：采用新催 化剂活性胺，价格下降，催化性能提高，耗用量少，收 率高；反应温度的控制十分方便，能准确判断反应终 点，合理控制反应过程；另外利用电渗析膜分离技术 除去氯化铵 ，可降低能耗 50％，得到内在质量更好的 氨基乙酸，整个过程设计为绿色化工工艺。 3．催化脱氢氧化法 催化脱氢氧化法是以氨基醇、碱金属或碱土金属 为原料，以金属铜、阮内铜或铜与锆的化合物为催化 剂合成氨基乙酸。反应方程式如下： 为解决上述问题，人们研究了许多新方法，在反 应条件和催化剂方面进行了一系列改进，取得了明显 效果。这些合成方法各有其特点，下面就着重介绍其 中的几种。 1．氯乙奠氨化法 传统工艺用氨水或液氨作氮化剂对氯乙酸氨化 来制备氨基乙酸，它要求氨大大过量，不仅氨损耗大， 而且催化剂用量大且不可回收，生成氨二乙酸和氨 三乙酸的副反应明显。而以脲作氨化剂，则排除了以 上缺点，产品的纯度和产率提高很多。其化学反应式 如下 ： C1CH2C00H+NH‘}lC03— — C1CH2C00NH +C0 +H20 回流 C1CH2C00NH,+H2NC0NH2— — H2NCONHCH2C00NH,+ 水解 H2NCONHCH C00NH,+ — — — H2NCH2C00H+C02+NH~1 制备过程： 碳酸氢铵水溶液 脲的水溶液 氯乙酸 圈 圆 圃 圈 圈 图 圈 圃 圆 反应的主要影响因素是回流反应时间和反应物 摩尔比。随着反应时间的延长，产品收率增加，同时为 提高中间产物得率，必须放置一段时间。脲与氯乙酸 的摩尔比简称脲酸比，适当的脲酸比是合成的关键， 另外还要保证反应体系的pH值为弱碱性。 本方法由于脲中羰基的存在，降低了氨基的活 性，使氨基的过渡反应不易发生，最终产物不含氨二 乙酸或氨三乙酸，副反应的去除，有利于降低原料损 耗，且产品易于分离，纯度提高。以水或乙醇的水溶液 作溶剂，反应条件比较简单，大大提高了产品收率。 2．多元混合毒剂循环合成法 多元混合溶剂循环合成法，采用氯乙酸和液氨为 原料，加入多元混合溶剂(醇醚混合 )和活性胺催化 剂。其化学反应式如下： 主反应 ： C1CH2COOH+NH3 NH2CH2COOH+NH4C1 虿【J反应 ：clc c00H+mcH c0oH Ⅲ(cH c0oH) +Hcl CICHC00H+Nit(CH C00H) — (CH2COOH)。+HC1 制备过程为：⋯ 氯乙酸--I 催化剂—卜_- }．◆园垂卜_．咂亘 — 亟至司—◆厦 亟垂 —__-囹 多 剂一 l ◆ L — — — — — J 回收氯化铵 圈 产品 反应的主要影响因素是反应温度、反应时间和反 NH2CH2CH20H + Na0H —! NH2CH2C00Na + 2H2 Nit2CH2C00Na+HC1 —— NH2cH2C00H+№Cl 该反应工艺过程十分简单，经过加碱、加酸两步 即可结束，其中碱金属氢氧化物包括氢氧化锂、氢氧 化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯等。 反应的主要影响因素是反应温度和反应压力。当 温度超过2200~C时，催化剂容易失去选择性，而温度 低于 1200~C，反应速度又太1曼，一般选择在 140~ 2000~C 反应压力应尽可能低，以确保高反应速度 ，优 选为0．507~2．03MPa。 催化氧化的关键是催化剂的制备和再生，以前使 用铜或阮内铜将氨基醇转化为氨基乙酸，当重复使用 维普资讯 http://www.cqvip.com 中问体 2舶1年第2凸期 铜催化剂时，催化剂活性明显降低。通过改进催化剂， 则可显著延长铜催化剂的活性。改进的制备方法为： 使铜催化剂至少含有一种选自铬、钛、铌、钽、锆、钒、 钼、锰、钨、钴、镍、铋、锡、锑 、铅 、锗的金属(或化合 物 )，通过共沉淀、浸渍或吸附使上述金属(化合物 ) 载于铜催化剂上，或在制备中将这些金属加到阮内铜 合金中。用这种方法制备的催化剂可重复使用并可再 生。催化剂再生的方法为：在回流的情况下用甲酸处 理用过的催化剂，经过滤，然后用氢氧化钠水溶液洗 涤，直至洗液达到微碱性。 这种方法的优点是催化效率高，反应速度快，生 产路线简单，产品的纯度理想。 4．相转移催化合成 相转移催化是 70年代发展起来的一项有机合成 新技术，与传统的合成方法比较，具有简化生产工艺、 降低成本、产率高、条件温和、后处理简单及减少污染 等一系列优点，它为不具有共同溶剂(非均相反应 ) 的反应物找到了反应场所，而且反应速度快，副反应 少，选择性强，操作简便，可节省常法中所需的无水溶 剂或极性非质子性溶剂，在有机合成上已得到了广泛 利用，如各种类型的取代反应、加成反应、氧化还原反 应、卡宾的制备和应用等等。研究在有机合成中应用 相转移催化反应，筛选价廉、无毒、理想的相转移催化 剂对提高产率有现实意义。 利用相转移催化合成法在常温、常压下进行氨基 乙酸的合成反应，排除了我国目前合成氨基乙酸工艺 操作中的某些复杂条件 (如水作介质、用液氨、操作 压力在 10kPa以上等 )，产品外观洁白，纯度与层析试 剂的纸层析结果 值完全一致，红外谱图亦同 文献一致，产品收率较好。 以氨水、氯乙酸为原料 ，以六亚甲基四胺为相转 移催化剂，在常温、常压下合成氨基乙酸。其化学反应 式如下： c H。0 C1+2NH。．H 0—! !! 兰 c H 0 N+NH C1+H 0 制备过程分三步： 匮 匮圃 一 匾囹 反应的主要影响因素是温度与催化剂。氨基乙酸 的合成反应是放热反应，整个合成反应勿需加热。采 用甲醇作为转移相，达到了相转移的目的，并有利于 降低温度，防止氨气逸出，保证了反应体系温度均匀、 产率提高。六亚甲基四胺的加入，使反应易于发生，大 大加快了反应速度。 相转移催化法化法的主要特点是用简单的办法 提供了活性很高的负离子，为亲核取代反应等找到了 一 个理想的场所。由于在常温、常压下操作，对设备要 求不高，原料易得，无三废污染，便于投资，故有一定 开发利用价值。可以预料，随着相转移催化机理及理 论的进一步研究，其运用前景将会更为广阔。 三、国内氨基乙酸产品的应用现状 氨基乙酸作为重要的精细化工中间体，主要应用 于农药、医药、食品等领域。 1．农药 在国内，由于绝大部分氨基乙酸生产企业生产工 艺水平落后，所得产品纯度低、含杂质多而无法满足 食品、医药行业生产的使用要求，故主要被用作生产 农药中间体。 氨基乙酸可作为生产除草剂草甘膦和叶面施用 的植物生长调节剂增甘膦等的原料，在国内草甘膦消 耗的氨基乙酸占80％以上，再加上用于生产拟除虫菊 酯类农药中间体、甘膦、亚氨基二乙酸等，使其在农药 行业的消费十分可观。 自美国 Monsanto公司开发 了新型除草剂 Gly- hosato(草甘膦 )以来，草甘膦一直是世界上发展最 快 ，销量最大的除草剂，它使得氨基乙酸的需要量大 增。目前，全球草甘膦原药生产能力已达到 16万Ⅱ 年，我国约为3万吨年 ，是我国除草剂中产量最大的 品种。如浙江新安江化工集团公司3000Ⅱ电年氨基乙 酸装置所生产的产品，全部用于生产草甘膦，其草甘 膦生产能力达 5000Ⅱ电年 ，居亚洲之首。 国产草甘膦的销售 已趋向国际化，出口量逐年增 多，已成为我国农药出口创汇的主要品种之一；与此 同时，国外一些大的草甘膦厂家也看好我国市场，一 些高浓度草甘膦水剂 [如美国孟山都公司生产的 41％草甘膦(Roundup水剂 )]亦已打入我国市场，并 以优良的性能受到用户青睐。 同国外同类产品相比，国内的草甘膦存在很大的 技术差距，产品质量不高，造成价格低廉。以 1996年 为例，日本草甘膦原药的平均最终用户价是77000美 元砘，而中国只有9000美元砘，尚不足日本的馏。国 内外市场的相互渗透，使得草甘膦的市场面临着激烈 的国际竞争，高成本低价格的国产草甘膦所面临的形 势十分严峻。氨基乙酸的技术改革已迫在眉睫，它作 为生产草甘膦的主要原料，其生产成本的高低对草甘 膦的竞争力有着重要影响，而草甘膦市场的活跃亦将 维普资讯 http://www.cqvip.com 2-髓年第2铝期 中问体 刺激低成本氨基乙酸生产的发展。 2．医药 在医药领域，氨基乙酸除可用作氨基酸输液、保 健品及生化试剂外，还可作为金霉素的缓冲剂、抗巴 金森氏病药物 L一多巴(L—Dopa)等医药制剂的合成 原料。 氨基乙酸单独使用可治疗重症肌无力等营养失 调症，与 CaCO。合用可治胃溃疡，其铝盐可用作阿司 匹林的胃肠道障碍缓冲症，注射用氨基乙酸阿司匹林 钙是避免胃肠反应的注射用解热镇痛药，又有抗血栓 作用。 医药用甘氨酸产品质量要求较高，而国内医药 级氨基乙酸生产技术仍十分落后，产品质量不高， 比如津北生化制药厂用氯乙酸胺化法生产，得率仅 为60％，与此相对应的日本制药厂收率可达80％以 上 ，且产品纯度高，因此国内医药领域的应用还有 待开发。 3．食品 氨基乙酸在食品中主要用作添加剂，能起到改善 食品风味，提高食品质量的作用。同时还是生产其它 食品添加剂的原料，如用作生产苏氨酸、苯丙氨酸等 的原料之一。 氨基乙酸本身能提供清甜美味，减少苦味，除去 食物中令人不悦的口味，它具有氨基和羧基的两性离 子，故有很强的缓冲性 ，对食盐、食醋等的味感能起缓 冲作用，减轻对味感的刺激。其杀菌和防腐作用能抑 制枯草杆菌、大肠杆菌的生长。若在油脂类食品；0n-v 中添加氨基乙酸后，金属离子与甘氨酸螯合而失去活 性，可抑制油脂的氧化。 氨基乙酸还可用于配制运动员营养饮料及其它 氨基酸食品，添加氨基乙酸可调节胃液酸度、提高肌 肉活力。它的铁盐络合物具补血功能，氨基乙酸的钠 盐、锌盐、铝盐和铜盐均为营养保健品的添加剂。 目前，国内生产的氨基乙酸产品质量大多达不到 食品级，因而在这方面的应用尚未有大的发展； 而在国外，尤其是日本 ，食品行业已是氨基乙酸的消 费大户。 4．其他领域 氨基乙酸在饲料工业中可作为饲料抗氧剂和营 养保鲜剂，国内在此领域的应用有待进一步开发。在 表面活性剂和金属表面处理剂中也有很大的潜在市 场，国内这方面的应用刚刚起步。 四、生物合成法技术展望 90年代以来，国外注重将催化、生物、幅射等高 新技术用于氨基乙酸合成工艺的研究，其中生物合成 法最为引人瞩目。 21世纪是生物科学的世纪，生物合成氨基乙酸 是十分重要、潜力极大的工艺路线。美国、日本、欧洲 长期致力于生物法的研究和开拓，以前由于存在酶的 活性低、合成氨基乙酸的微生物菌需要量大、氨基乙 酸的产率较低等因素，生物合成法的工业化受到一定 限制。 80年代后期，日本三菱公司等花大力气在数 目 众多的菌种中筛选适宜合成氨基乙酸的优势菌种。经 过多年的努力，三菱公司等把经过筛选的好氧土壤杆 菌属、短杆菌属、棒状杆菌属等微生物菌株加入到含 有碳源、氮源及无机营养液的介质中进行培植 ，然后 将该类菌种在一定条件下，使乙醇胺转化为氨基乙 酸，用浓缩、中和、离子交换处理得到氨基乙酸 。 1991年以后，国外生物合成氨基乙酸的技术有 了新的进展。日本 Nitto化学工业公司将培植的假细 胞菌属、酪蛋白菌属、产碱杆菌属等菌种以0．5％(质 量分数、干重 )加入到含甘氨酰胺基质中，在300~C， pH值 7．9-8．1的情况下，反应 45小时，几乎所有的甘 氨酰胺均水解生成氨基乙酸，转化率达99％以上。 国内科研机构和企业除对传统的氨解法加以改 进外，正在借鉴国外的研究思路，从参与国际竞争和 可持续发展的高度出发，加强各种催化制备、生物合 成、幅射等新技术的开拓 ，不断提高氨基乙酸的转化 率及产品质量，满足各行业对氨基乙酸的需求，使其 应用更为广泛。 工中同体：II半月刊 丰富 信息及时 2004年将更贴近读者需求，欢 迎化工中间体和精细化工生产、设 计、科研、管理单位和个人订阅。全 年 24期，订价 288元，编辑部自办 发行。 维普资讯 http://www.cqvip.com