Способ получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты

Изобретение относится к органической химии, а именно к способу получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты взаимодействием 2-аминоэтилсерной кислоты с избытком сульфита натрия в водном растворе при кипячении в течении 20 часов с последующим отделением целевого продукта от минеральных солей электродиализом при температуре 30-45°С и постоянной плотности тока 1,2-3,0 А/дм². Технический результат - уменьшение энергоемкости процесса и интенсификация технологии при высоком выходе продукта по току.

 

Изобретение относится к органической химии, в частности касается получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты (таурина) из 2-аминоэтилсерной кислоты, которая находит широкое применение в качестве пищевой добавки, сырья для химико-фармацевтических препаратов и в других областях.

Для получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты используют либо пищевое, либо синтетическое сырье.

Известен способ получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты из петушиных гребней, включающий измельчение сырья, экстракцию в водной среде при рН 1,5-2,0 и температуре 48-100°С в течение 14-15 ч, очистку экстрактов активированным углем и последующее выделение целевого продукта водой, подкисленной до рН 3,5-4,0 [Авторское свидетельство СССР 1657491, С07С 309/14, 1989]. Недостатками этого способа являются: многостадийность процесса и использование пищевого сырья.

Известен лабораторный способ получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты путем взаимодействия 2-хлорэтиламина с сульфитом натрия с последующим отделением реакционной смеси от неорганических солей (NaCl и Na₂SO₄) электродиализом при 50°С и плотности тока 4,5 А/дм² [Заявка Японии №61-44188, С25В 3/00, 1986]. При электродиализе концентрация хлористого натрия в реакционной смеси снижается с 13,2 до 0,2%, а сульфата натрия - с 1,4 до 0,8%. При этом степень обессоливания реакционной массы от хлористого натрия составляет 98,5%, а от сульфата натрия - 42,0%.

Недостатками этого способа являются труднодоступность и высокая стоимость промежуточного продукта - 2-хлорэтиламина, а также низкая эффективность обессоливания реакционных смесей от сульфата натрия и сравнительно высокая энергоемкость процесса электродиализа.

Указанные недостатки этого способа послужили основанием для его усовершенствования. Так, использовать доступное сырье - 2-аминоэтилсерную кислоту для синтеза таурина и уменьшить энергозатраты на электродиализ предлагается в способе получения 2-амноэтансульфоновой кислоты [Патент РФ 2059614, 6 С07С 309/14, С25В 3/00, 1996], заключающемся в том, что реакционную массу 2-аминоэтансульфоновой кислоты получают длительным кипячением 2-аминоэтилсерной кислоты с избытком сульфита натрия, а затем ее подвергают электродиализному обессоливанию при ступенчатом изменении плотности тока в ходе электродиализа: на первой ступени 1,5-2,0 А/дм², а на второй ступени 0,75-1,0 А/дм², температуре 20-30°С и поддержании рН раствора в интервале 4,5-5,0. Недостатком этого способа является низкая его производительность вследствие длительного кипячения 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия (27 часов) и использование ступенчатого токового режима электродиализа с низкой плотностью тока (0,75-1,0 А/дм²), что существенно увеличивает продолжительность электродиализной очистки реакционных масс 2-аминоэтансульфоновой кислоты (15-16 часов).

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты с использованием доступного химического сырья - 2-аминоэтилсерной кислоты, и электродиализа [Патент РФ 2066312, 6 С07С 309/14, С25В 3/00, 1996]. Этот способ заключается в том, что реакционную массу 2-аминоэтансульфоновой кислоты получают также путем длительного кипячения 2-аминоэтилсерной кислоты с избытком сульфита натрия в течение 27 часов, а затем ее подвергают электродиализному обессоливанию при температуре 20-30°С и плотности тока 1,5-2,5 А/дм² до конечной суммарной концентрации солей в очищенном растворе 0,5-0,8%. Недостатком этого способа является его низкая производительность вследствие длительного кипячения 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия (27 часов) и сравнительно более низкий выход таурина по току (80-85%). Последний увеличивает продолжительность электродиализа и энергоемкость процесса очистки реакционных масс таурина. Кроме того, энергозатраты на электродиализ повышаются в результате увеличения напряжения на электродиализаторе из-за недостаточной проводимости реакционных растворов при использовании невысокой температуры (20-30°С).

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация технологии получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты.

Для решения этой задачи предложен способ, в котором реакционную массу 2-аминоэтансульфоновой кислоты получают взаимодействием 2-аминоэтилсерной кислоты с избытком сульфита натрия при кипячении в течение 20-21 часов и подвергают ее электродиализу при температуре 30-45°С и постоянной плотности тока 1,2-3,0 А/дм², а выделение 2-аминоэтансульфоновой кислоты из обессоленного раствора проводят его упариванием до 1/5 от исходного объема, фильтрацией выпавшего при охлаждении осадка и промывкой его на фильтре захоложенной дистиллированной водой. При соблюдении указанных условий продолжительность синтеза 2-аминоэтансульфоновой кислоты на стадиях кипячения 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфита натрия и электродиализа реакционных масс таурина составляет 24,5-29,5 часов против 33-36 часов по прототипу, выход 2-аминоэтансульфоновой кислоты - 90,3-93,3%, считая на прореагированную 2-аминоэтилсерную кислоту, а степень очистки реакционных растворов от неорганических солей - 97,0-98,5%.

Процесс получения реакционной массы 2-аминоэтансульфоновой кислоты осуществляют кипячением растворов 2-аминоэтилсерной кислоты и сульфита натрия в течение 20-21 часа, так как вольтамперометрическим методом установлено, что через 20-21 час концентрация сульфита натрия резко снижается с 250 до 32 г/л, а дальнейшее протекание реакции приводит лишь к незначительному уменьшению концентрации сульфита натрия до 28 г/л. Кроме того, методом ТСХ показано, что после 20-21 часа взаимодействия 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия не наблюдается заметное увеличение концентрации 2-аминоэтансульфоновой кислоты.

Установлено, что с лучшей эффективностью электродиализ протекает при температуре 30-45°С. Неожиданным оказалась стабильная работа анионообменных мембран МА-40 в условиях длительных промышленных испытаний при этом температурном режиме, близком к предельной термической устойчивости анионообменных мембран (до 50°С). При более высокой температуре снижается срок службы анионообменных мембран, а при низкой температуре уменьшается подвижность ионов неорганических солей и органических примесей, а также возможна кристаллизация минеральных солей и целевого продукта в электродиализаторе, что уменьшает эффективность использования тока и затрудняет электродиализ.

Рекомендуемый токовый режим (1,2-3,0 А/дм²) очистки реакционных масс 2-аминоэтансульфоновой кислоты определяется производительностью процесса электродиализа и эффективностью использования тока (выходом таурина по току). Дальнейшее повышение плотности тока нецелесообразно, так как это приводит к уменьшению выхода по току, а следовательно, к увеличению продолжительности очистки и расхода электроэнергии на электродиализ. Кроме того, при высоких плотностях тока осложняется поддержание температурного режима. С увеличением плотности тока от 1,2 до 3,0 А/дм² выход по току снижается с 92,3 до 88,5%, но остается достаточно высоким вследствие увеличения подвижности переносимых неорганических ионов через ионоселективные мембраны за счет повышения температуры электродиализа до 30-45°С. В рекомендуемом диапазоне плотностей тока энергоемкость электродиализа увеличивается с 1,13 до 2,9 кВт·ч/кг, но остается заметно более низкой по сравнению с прототипом при изменении плотности тока от 1,5 до 2,5 А/дм² (1,6→3,5 кВт·ч/кг).

Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемое изобретение.

Пример 1 (сравнительный). В 40-литровый реактор загружают 18,5 л дистиллированной воды, 4,68 кг сульфита натрия безводного и перемешивают 30 мин до полного растворения. К раствору прибавляют 4,0 кг 2-аминоэтилсерной кислоты и нагревают реакционную массу до кипения. Реакционный раствор кипятят 27 ч, в результате чего после самопроизвольного охлаждения раствора до 18-20°С получают 20,5 л реакционной массы с плотностью раствора 1,28 г/см³, которую порциями передают на электродиализное обессоливание после корректировки дистиллированной водой до плотности раствора 1,24 г/см³.

Реакционную массу с плотностью раствора 1,24 г/см³ в количестве 1 л, содержащую 14,7% сульфата натрия и 3,1% сульфита натрия, подвергают электродиализному обессоливанию в многокамерном аппарате - электродиализаторе фильтр-прессного типа, состоящего из чередующихся мембран типа МА-40 и МК-40 с промежуточными рамками из паронита и сепараторами-турбулизаторами. Катодом служит пластина из нержавеющей стали марки Х18Н10Т с рабочей поверхностью 4 дм², анодом - платинированный титан с той же поверхностью. Электродиализатор состоял из 8 анионообменных мембран и 7 катионообменных мембран, образующих 7 камер обессоливания и 8 камер концентрирования, а также двух электродных камер. Рабочая поверхность каждой мембраны 4 дм², а расстояние между ними 1,5 мм.

Реакционную массу 2-аминоэтансульфоновой кислоты с неорганическими солями насосом пропускают через камеры обессоливания электродиализатора с линейной скоростью 2 см/с, одновременно через камеры «концентрирования» и электродные камеры насосом прокачивают 0,1%-ный раствор сульфата натрия по замкнутому циклу.

При 20°С через электродиализатор пропускают постоянный ток, сила которого соответствует плотности тока 2,5 А/дм². В ходе электродиализа поддерживают постоянный объем реакционной массы добавлением дистиллированной воды в количестве 0,24 л и 30%-ного раствора серной кислоты в количестве 0,02 л. Процесс считают законченным при достижении в обессоленном растворе концентрации сульфата натрия 0,4%, а сульфита натрия 0,2%.

В процессе электродиализной очистки получают 1 л обессоленного раствора 2-аминоэтансульфоновой кислоты, из которого при атмосферном давлении отгоняют 0,8 л воды, а сконцентрированный раствор охлаждают до комнатной температуры. При этом выпавший осадок 2-аминоэтансульфоновой кислоты отфильтровывают и промывают дистиллированной водой.

Получают 105,8 г 2-аминоэтансульфоновой кислоты с содержанием основного вещества 95,0%. Продолжительность синтеза 2-аминоэтансульфоновой кислоты на стадиях кипячения 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия и электродиализа составляет 33 часа, выход целевого продукта - 90% от теории, считая на прореагированную 2-аминоэтилсерную кислоту, выход по току - 80% и энергоемкость электродиализа - 3,5 кВт·ч/кг.

Пример 2. Реакционную массу 2-аминоэтансульфоновой кислоты, полученную аналогично примеру 1, но при кипячении растворов 2-аминоэтилсерной кислоты и сульфита натрия в течение 20 часов, подвергают электродиализному обессоливанию подобно примеру 1, но при постоянной плотности тока 1,2 А/дм² в ходе электродиализа и температуре 30°С.

В процессе электродиализной очистки получают 1 л обессоленного раствора 2-аминоэтансульфоновой кислоты с содержанием сульфата натрия 0,4% и сульфита натрия 0,2%. Выделение целевого продукта из раствора - аналогично примеру 1. Получают 105 г 2-аминоэтансульфоновой кислоты с содержанием основного вещества 95,2%. Продолжительность синтеза 2-аминоэтансульфоновой кислоты на стадиях кипячения 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия и электродиализа составляет 29,5 часов, выход целевого продукта - 94,3% от теории, считая на прореагированную 2-аминоэтилсерную кислоту, выход по току - 92,3% и энергоемкость электродиализа - 1,13 кВт·ч/кг.

Пример 3. Реакционную массу 2-аминоэтансульфоновой кислоты, полученную аналогично примеру 2, подвергают электродиализному обессоливанию подобно примеру 1, но при постоянной плотности тока 3 А/дм² в ходе электродиализа и температуре 45°С.

В процессе электродиализной очистки получают 1 л обессоленного раствора 2-аминоэтансульфоновой кислоты с содержанием сульфата натрия 0,35%, а сульфита натрия 0,15%. Выделение целевого продукта из раствора - аналогично примеру 1. Получают 101,5 г 2-аминоэтансульфоновой кислоты с содержанием основного вещества 94,8%. Продолжительность синтеза 2-аминоэтансульфоновой кислоты на стадиях кипячения 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия и электродиализа составляет 24,5 часа, выход целевого продукта - 93,3% от теории, считая на прореагированную 2-аминоэтилсерную кислоту, а выход по току - 88,5% и энергоемкость электродиализа - 2,9 кВт·ч/кг.

Пример 4. Реакционную массу 2-аминоэтансульфоновой кислоты, полученную аналогично примеру 2, подвергают электродиализному обессоливанию подобно примеру 1, но при плотности тока 1 А/дм² и температуре 30°С.

В процессе электродиализной очистки получают 1 л обессоленного раствора 2-аминоэтансульфоновой кислоты с содержанием сульфата натрия 0,25% и сульфита натрия 0,27%. Выделение целевого продукта из раствора - аналогично примеру 1.

Получают 104 г 2-аминоэтансульфоновой кислоты с содержанием основного вещества 95,0%. Продолжительность синтеза 2-аминоэтансульфоновой кислоты на стадиях кипячения 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия и электродиализа составляет 35,4 часа, выход целевого продукта - 93,5% от теории, считая на прореагированную 2-аминоэтилсерную кислоту, выход по току - 92,0% и энергоемкость электродиализа - 0,96 кВт·ч/кг.

Таким образом, предложенный способ получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты позволяет получать продукт с достаточно высоким выходом по току и меньшей энергоемкостью при существенной интенсификации технологии синтеза за счет сокращения продолжительности реакции взаимодействия 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия и электродиализа.

Способ получения 2-аминоэтансульфоновой кислоты взаимодействием 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия в водном растворе при кипячении с последующим отделением целевого продукта от минеральных солей электродиализом и ее выделением из обессоленного раствора упариванием до 1/5 исходного объема и фильтрацией, отличающийся тем, что взаимодействие 2-аминоэтилсерной кислоты с сульфитом натрия в водном растворе при кипячении проводят в течение 20 ч, а электродиализ реакционных масс 2-аминоэтансульфоновой кислоты осуществляют при температуре 30-45°С и постоянной плотности тока 1,2-3,0 А/дм².