L-2-氨基丙醇的綠色合成新工藝研究

葉增芳 嚴(yán)間浪 李 滔 嚴(yán)新煥 許響生

（1.浙江工業(yè)大學(xué)精細(xì)化工研究所，浙江 杭州 310014；2.上虞市眾昌化工有限公司，浙江 上虞 312369）

L-2-氨基丙醇的英文名為L(zhǎng)-2-amino-1-propanol，CAS登錄號(hào)為2749-11-3，它被應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥和飼料添加劑等領(lǐng)域，特別是合成左旋氧氟沙星的關(guān)鍵中間體［1］。左旋氧氟沙星由于療效確切，價(jià)格合理，其用量在逐年增長(zhǎng)，也帶動(dòng)L-2-氨基丙醇的需求量同步增長(zhǎng)。

目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的L-2-氨基丙醇合成方法主要有：①L-2-丙氨酸經(jīng)氯化亞砜-乙醇酯化，生成L-2-丙氨酸乙酯，再用硼氫化鉀還原成L-2-氨基丙醇［2］，該方法因硼氫化鉀價(jià)格昂貴導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高，并產(chǎn)生大量的SO2和HCl的酸性氣體；②羥基丙酮經(jīng)氨化、氫化還原和化學(xué)拆分后得到L-2-氨基丙醇。但原料羥基丙酮制備復(fù)雜，價(jià)格昂貴；③硝基乙烷與甲醛反應(yīng)生成硝基丙醇，再經(jīng)氫化還原和化學(xué)拆分后得到目標(biāo)產(chǎn)物。但硝基乙烷需要進(jìn)口，價(jià)格高［3］；④L-2-丙氨酸催化加氫還原一步法制備L-2-氨基丙醇［4］，該方法步驟少，三廢少，成本低，是典型的綠色化學(xué)技術(shù)，但使用高溫高壓，易發(fā)生消旋、氨基脫除和聚合等副反應(yīng)。

本文以催化加氫法作為研究重點(diǎn)，制備高活性、高選擇性的納米催化劑，從而降低反應(yīng)壓力和溫度，提高收率，降低能耗，減少或抑制L-2-氨基丙醇消旋副反應(yīng)的發(fā)生等，為工業(yè)化生產(chǎn)作準(zhǔn)備。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要藥品及儀器

L-丙氨酸（工業(yè)品），氫氣（工業(yè)品），活性炭（杭州木材廠），磷酸（分析純），硫酸（分析純），Ru2（dba）3（化學(xué)純），碳酸丙二醇酯（分析純）。鈦合金高壓反應(yīng)釜，氣相色譜儀（GC-14B），透射電鏡（Tecnai G2 F30 S-Twin，工作電壓130kV）。

1.2 催化工藝路線

1.3 操作步驟

1.3.1 催化劑的制備

（1）活性炭預(yù)處理

原料活性炭經(jīng)過硝酸處理，再研磨至150目左右后備用。

（2）Ru納米顆粒及組合型Ru/C催化劑的制備

將計(jì)量的Ru2（dba）3加入到100mL溶有碳酸丙二醇酯（Propylene carbonate）的水溶液中，獲得的棕色溶液置于500mL的電動(dòng)磁力攪拌釜中，用氫氣置換釜內(nèi)空氣6次并通入氫氣至2.0MPa。在室溫下開動(dòng)攪拌進(jìn)行反應(yīng)，2h后停止攪拌并取出，獲得含有一定粒徑的Ru納米顆粒的棕褐色溶液。再向該溶液中加入一定量活性炭，磁力攪拌過夜。過濾分離該混合液，得到澄清的濾液，表明活性炭完全吸附了溶液中Ru納米顆粒。分別用去離子水、丙酮洗數(shù)次，真空干燥后得到組合型Ru/C催化劑。

1.3.2 催化劑的表征

采用透射電鏡（TEM）表征催化劑表面分布形態(tài)和顆粒大小。用毛細(xì)管吸附少量含有Ru納米顆粒的溶液后，滴加在超薄碳膜上。干燥后進(jìn)行TEM觀察。

1.3.3 催化加氫還原L-2-丙氨酸

檢查高壓反應(yīng)釜?dú)饷苄?，正常情況下開啟高壓反應(yīng)釜冷卻系統(tǒng)和攪拌，開夾套電加熱。當(dāng)內(nèi)溫升至80℃后關(guān)蒸汽，內(nèi)溫會(huì)繼續(xù)升至90℃，于100℃左右進(jìn)行加氫反應(yīng)。觀察反應(yīng)吸氫速度，間歇補(bǔ)氫，保持氫氣壓力在規(guī)定范圍。反應(yīng)至基本不吸氫時(shí)可視為反應(yīng)結(jié)束。反應(yīng)畢，高壓反應(yīng)釜盤管通水冷卻，冷至內(nèi)溫40℃以下。

將高壓反應(yīng)釜內(nèi)液體放入抽濾瓶中過濾：濾液為含L-2-氨基丙醇的水溶液；濾餅為催化劑，可套用于下批反應(yīng)，經(jīng)高真空精餾后最終得到產(chǎn)品L-2-氨基丙醇。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的表征結(jié)果

圖1a為溶于碳酸丙二醇酯中的Ru納米顆粒的TEM照片；圖3b為被吸附到活性碳上Ru納米顆粒負(fù)載在活性炭上的TEM照片。a、b兩幅照片對(duì)比顯示，Ru納米顆粒在負(fù)載到活性炭上后，仍然保持了均勻分散的特點(diǎn)，而且也沒有出現(xiàn)納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖1 Rua以及Ru/C催化劑b納米顆粒的TEM照片

根據(jù)TEM表征結(jié)果及分析知道：負(fù)載前、后的Ru納米顆粒尺寸基本在3～6nm。而且納米顆粒粒徑分布是相一致，表明用活性炭直接吸附Ru納米顆粒制備得到負(fù)載型催化劑的前后粒徑基本上保持不變。

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)L-2-氨基丙醇收率的影響

在5.5MPa及100℃下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)L-2-氨基丙醇收率和純度的影響，見表1。

表1 5.5MPa氫氣壓力下反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)收率的影響

從表1可知，在5.5MPa氫氣壓力，100℃條件下，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，吸氫量增加，12h后吸氫量增幅無顯著變化，產(chǎn)品摩爾收率達(dá)到85％。

2.3 反應(yīng)壓力對(duì)L-2-氨基丙醇收率的影響

在12h及100℃下，考察反應(yīng)壓力對(duì)L-2-氨基丙醇收率和純度的影響，見表2。

表2 100℃催化加氫反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)收率的影響

從表2可知，在100℃及固定反應(yīng)時(shí)間條件下，隨著反應(yīng)壓力升高，吸氫量增加，當(dāng)反應(yīng)壓力達(dá)到5.5MPa以上后吸氫量無顯著變化，產(chǎn)品摩爾收率達(dá)到84％左右。

2.4 催化劑套用對(duì)L-2-氨基丙醇收率的影響

固定反應(yīng)溫度在100℃，反應(yīng)時(shí)間在12h，反應(yīng)壓力在5.5MPa時(shí)，考察催化劑的套用次數(shù)，見表3和圖2。

表3 催化劑套用次數(shù)對(duì)L-2-氨基丙醇收率的影響

圖2 催化劑套用次數(shù)對(duì)L-2-氨基丙醇收率影響

從表3和圖2看出，催化劑套用10次時(shí)，活性基本沒有改變。

2.5 催化加氫工藝與化學(xué)還原工藝的比較

表4為催化加氫最優(yōu)條件下與酯化-KBH4工藝條件的比較，從中可見，催化加氫工藝不論在生產(chǎn)周期，收率還是產(chǎn)品純度方面都優(yōu)于酯化-KBH4工藝。

表4 100℃、6.0MPa氫氣壓力下催化工藝與酯化-KBH4工藝比較

3 結(jié)論

L-2-丙氨酸催化加氫一步法制備L-2-氨基丙醇，反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低；反應(yīng)中用水作溶劑，催化劑回收套用，三廢排放大大減少；反應(yīng)中物耗及能耗大大降低；用催化反應(yīng)替代了當(dāng)量反應(yīng)，是原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，經(jīng)濟(jì)效益高，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

［1］王偉強(qiáng)，顧海寧，李小玲.2-氨基丙醇的合成研究［J］.浙江化工，2010，41（1）：15-17.

［2］陸宏國(guó)，朱宏林，周春紅，等.（S）-（+）-2-氨基丙醇合成工藝研究［J］.中國(guó)新藥雜志，2000，9（1）：33.

［3］王菊仙，郭強(qiáng)，郭慧元.2-氨基丙醇的制備［J］.中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志，2007，38（8）：551，566.

［4］嚴(yán)間浪，陳超明.一種以α-氨基酸為原料制備α-氨基醇的方法及所用催化劑的制備方法：CN，100528347［P］.2008-07-07.