以氨基磺酸為磺化劑制備樟腦磺酸的新工藝研究

林韋康，江曉明，錢程良，趙蕊萍

（浙江云濤生物技術(shù)股份有限公司，浙江 紹興 312369）

樟腦磺酸（Camphor sulfonic acid）是一種用途廣泛的專用化學(xué)品，除可應(yīng)用于心血管藥物（S）-alpha-（2-氯苯基）-6，7-二氫噻吩并（3，2-c）吡啶-5（4H）-乙酸甲酯（1R）-7，7-二甲基-2-氧代雙環(huán)（2.2.1）庚烷-1-甲磺酸鹽（1）、卵巢癌靶向藥8-氟-1，3，4，5-四氫-2-[4-[（甲基氨基）甲基]苯基]-6H-吡咯并[4，3，2-EF][2]苯并氮雜卓-6-酮樟腦磺酸鹽（2）、日化領(lǐng)域重要原料亞芐基樟腦磺酸（3）[1]、具有光電特性的納米薄膜或纖維[2-3]、環(huán)保型固態(tài)對(duì)稱超電容器器件[4]、對(duì)映體純分子籠[5]、海洋防腐涂料聚苯胺[6]、激活人類精子Cat Sper Ca2+通道[7]外，還可用于伏立康唑樟腦磺酸鹽（4）、（-）-四氫黃連素D-樟腦磺酸鹽（5）、（+）-N-去乙酰基秋水仙堿樟腦磺酸鹽（6）、（2S，3S）-4-溴-順式-2，3-環(huán)氧丁基樟腦磺酸酯（7）等活性物質(zhì)的合成，上述部分樟腦磺酸下游產(chǎn)品的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見表1。

自Reychler[8]發(fā)現(xiàn)樟腦磺酸120 年來(lái)，樟腦磺酸的生產(chǎn)工藝并未發(fā)生大的改進(jìn)與變動(dòng)，仍是以合成樟腦粉或天然樟腦粉為原料，在乙酸酐或乙酸稀釋的乙酸酐溶劑中，經(jīng)濃硫酸或發(fā)煙硫酸或三氧化硫磺化制得，其中合成樟腦粉制得的為DL-樟腦磺酸，天然樟腦粉制得的為D-樟腦磺酸，DL-樟腦磺酸可經(jīng)拆分制得D-樟腦磺酸和L-樟腦磺酸。

Bartlett P D 等[9]以合成樟腦粉為原料，在乙酸酐溶劑中經(jīng)濃硫酸磺化制得DL-樟腦磺酸，收率：38%～42%，熔點(diǎn)：202 ℃～203 ℃。劉秀娟等[10]以天然樟腦粉為原料，經(jīng)濃硫酸反應(yīng)制得D-樟腦磺酸，收率：82.4%，熔點(diǎn)：190 ℃～192 ℃。劉曉紅等[11]以合成樟腦粉為原料合成了DL-樟腦磺酸，收率：81.4%，熔點(diǎn)：193 ℃～197 ℃。蔡麗英[12]在震蕩流反應(yīng)器中進(jìn)行樟腦粉磺化，收率為79.3%。

樟腦磺酸現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝有明顯缺點(diǎn)：工序時(shí)間長(zhǎng)，收率低，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，易制毒品乙酸酐用量大，副產(chǎn)乙酸為?；非乙蛐嵊X(jué)閾值低導(dǎo)致產(chǎn)品分離時(shí)氣味較大，強(qiáng)酸性的危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量多。本文為解決這些工業(yè)生產(chǎn)中遇到的難題，做了大量的試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)以氨基磺酸為磺化劑對(duì)合成樟腦粉進(jìn)行磺化時(shí)的效果非常理想，這是相當(dāng)振奮人心的。

表1 部分樟腦磺酸下游產(chǎn)品的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Table 1 Some structural formula of downstream products of Camphor sulfonic acid

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 反應(yīng)方程式

以合成樟腦粉為原料，正庚烷為溶劑，氨基磺酸為磺化劑的合成路線如圖1 所示。

1.2 主要設(shè)備與原輔料

不銹鋼反應(yīng)釜（10000 L）；襯塑樹脂塔（1.2 m×12 m）；搪玻璃反應(yīng)釜（10000 L）；冷凍干燥機(jī)（GD 100 型，雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥機(jī)（4000 L 搪玻璃）。

正庚烷（98%，常州市和時(shí)利化工有限公司）；合成樟腦粉（96.5%，SAPTAGIR CAMPHOR LIMITED）；氨基磺酸（99.5%，山東明大化學(xué)科技股份有限公司）；732 樹脂（001×7FC，寧波爭(zhēng)光樹脂有限公司）；鹽酸（6%，自配）。

1.3 樟腦磺酸的制備

1.3.1 樟腦磺酸銨的制備

圖1 樟腦磺酸的合成路線圖Fig.1 The ROS of Camphor Sulfonic Acid

將正庚烷3000 L、合成樟腦粉（2500 kg，15.87 kmol）依次投入10000 L 不銹鋼反應(yīng)釜，攪拌溶清，隨后再向反應(yīng)釜一次性投入氨基磺酸（1550 kg，15.89 kmol），攪拌均勻。向反應(yīng)釜夾套通入蒸汽，升溫至100 ℃～105 ℃，此時(shí)反應(yīng)釜內(nèi)壓力約為0.10 MPa（壓力不足補(bǔ)氮?dú)饧訅海?，保溫保?5 h。保溫保壓畢，向反應(yīng)釜夾套通入循環(huán)水降溫，當(dāng)反應(yīng)釜溫度降至60 ℃以下時(shí)，向反應(yīng)釜加入3500 L 自來(lái)水，攪拌30 min 后靜置分層，上層為正庚烷層，去回收工序，可回收正庚烷約2800 L 并產(chǎn)生黑色焦油狀釜?dú)?00 kg；下層為樟腦磺酸銨水溶液，約6500 L，呈淺棕色，去樟腦磺酸制備工序。

1.3.2 樟腦磺酸的制備

將1.3.1 制得的樟腦磺酸銨水溶液用25 kg活性炭脫色處理，得到約30 kg 廢活性炭和約6600 L 淺黃色脫色液，向脫色液中加入自來(lái)水稀釋至12000 L，稀釋液去預(yù)處理好的樹脂塔進(jìn)行離子交換，得到約18000 L 交換液，交換液分批泵入帶有真空系統(tǒng)的10000 L 搪玻璃反應(yīng)釜，在-0.08 MPa、80 ℃條件下初步濃縮至7000 L 左右，濃縮液趁熱放料至GD100 型冷凍干燥機(jī)托盤中自然冷卻，待冷卻至35 ℃以下時(shí)進(jìn)行冷凍干燥處理10 h，得到白色蓬松的顆粒狀固體，固體轉(zhuǎn)至4000 L 雙錐回轉(zhuǎn)干燥機(jī)，在-0.08 MPa、90 ℃條件下干燥5 h，得到3326 kg 白色顆粒狀樟腦磺酸固體，摩爾收率為90.33%，質(zhì)量分析結(jié)果如下：

外觀：亮白色顆粒狀固體；熔點(diǎn)：201.2 ℃～201.5 ℃；含量：99.92%；硫酸鹽含量≤0.20%；鐵離子含量≤10 mg/kg 水分含量：0.25%。

樹脂塔用6%鹽酸再生，產(chǎn)生約20000 L 可生化廢水，再生后的樹脂塔可繼續(xù)進(jìn)行離子交換。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑對(duì)磺化效果的影響

在投料比、反應(yīng)壓力和反應(yīng)時(shí)間不變的情況下，小試階段嘗試了甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、乙酸、乙酸酐、乙腈、正己烷、石油醚、正庚烷等溶劑，其中沸點(diǎn)不超過(guò)100 ℃的溶劑溫度升至反應(yīng)體系微回流狀態(tài)，保溫保壓畢，反應(yīng)液用氣相外標(biāo)法測(cè)合成樟腦粉殘留量，再換算成轉(zhuǎn)化率，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同溶劑對(duì)合成樟腦粉磺化效果的影響Table 2 Influence of different solvents on sulfonation of synthetic Camphor powder

據(jù)表2 分析，選取N，N-二甲基甲酰胺或正庚烷為溶劑時(shí)，磺化效果最佳，考慮到正庚烷可以與水分層且能萃取絕大多數(shù)小極性雜質(zhì)，故正庚烷為該工藝的最佳溶劑。

2.2 溫度和壓力對(duì)磺化效果的影響

在以正庚烷為溶劑，投料比不變的情況下，考察了不同溫度和壓力下合成樟腦粉的磺化效果，當(dāng)反應(yīng)體系壓力不足預(yù)設(shè)值時(shí)，向反應(yīng)釜通入氮?dú)饧訅海Y(jié)果見表3。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度不足100 ℃時(shí)，提高反應(yīng)壓力也無(wú)法提高合成樟腦粉轉(zhuǎn)化率；當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，提高反應(yīng)壓力有助于提高合成樟腦粉轉(zhuǎn)化率，但當(dāng)反應(yīng)壓力超過(guò)0.10 MPa 時(shí)，再提高反應(yīng)壓力收效甚微；當(dāng)反應(yīng)壓力一定時(shí)，若溫度超過(guò)110 ℃，合成樟腦粉轉(zhuǎn)化率下降。故選用溫度為100 ℃～105 ℃，壓力為0.10 MPa 為反應(yīng)條件。

3 結(jié)論

以正庚烷為溶劑，由合成樟腦粉與氨基磺酸進(jìn)行反應(yīng)的最佳工藝條件為：n（氨基磺酸）：n（合成樟腦粉）=1.00，反應(yīng)溫度=100 ℃～105 ℃，反應(yīng)壓力=0.10 MPa。本文所述的樟腦磺酸制備工藝顯著優(yōu)點(diǎn)有：廢氣和固廢產(chǎn)生量少，溶劑可回收利用，摩爾收率為90.33%，制得的產(chǎn)品外觀為亮白色結(jié)晶，含量為99.92%，熔點(diǎn)達(dá)到201.2 ℃～201.5 ℃，質(zhì)量水平較高。另外，如果目標(biāo)產(chǎn)物為D-樟腦磺酸或L-樟腦磺酸，交換液可以濃縮到合適體積加入拆分劑直接拆分，省去了現(xiàn)有工藝中DL-樟腦磺酸的分離工序。

表3 不同溫度和壓力對(duì)合成樟腦粉磺化效果的影響Table 3 Influence of different temperature and pressure on sulfonation of synthetic Camphor powder