海因連續(xù)水解生成海因酸及其動(dòng)力學(xué)研究

趙航宇，喬 浩，于榮華，劉存禮

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)甘氨酸的主要工藝還是以氨水和氯乙酸為原料，烏洛托品為催化劑，同時(shí)添加大量的甲醇或者乙醇的氯乙酸法，該方法雖然有效解決了氯化銨難以除去的問題，但增加了成本，并且反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、催化劑難以回收，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，在如今環(huán)保政策下，氯乙酸法無法達(dá)到政策要求，此工藝現(xiàn)已被國(guó)外所淘汰[1]。

國(guó)外生產(chǎn)甘氨酸的工藝主要是以氯化銨和氫氰酸為原料，但氫氰酸是劇毒物質(zhì)，且該工藝耗時(shí)長(zhǎng)，后處理較為復(fù)雜，操作要求苛刻[2]。

而海因法以海因、氫氧化鈉、和水為原料，通過從管式反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)樣，在氫氧化鈉用量足夠的情況下，經(jīng)歷兩步水解制得甘氨酸，過程時(shí)間短，原料無毒，反應(yīng)全程在水溶液中進(jìn)行，操作方便、安全。

目前全球采用的最有效的除草劑是草甘膦，且暫時(shí)還沒有新型除草劑可以代替草甘膦[3]。甘氨酸作為生產(chǎn)除草劑草甘膦的主要原料，保證其產(chǎn)能是十分重要的。我國(guó)草甘膦的年總產(chǎn)能可以達(dá)到56萬噸，但是在環(huán)保高壓下，廠家開工率連年下降，對(duì)于甘氨酸的供給已稍顯不足[4]，并且甘氨酸在醫(yī)藥、食品及其他方面均有使用[5]，因此，探究甘氨酸的新型生產(chǎn)工藝迫在眉睫。

本課題主要研究海因法制備甘氨酸的第一步——海因水解形成海因酸，探究了溫度、水解時(shí)間、以及堿用量對(duì)反應(yīng)的影響，并建立了水解動(dòng)力學(xué)模型。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器和試劑

儀器：管式反應(yīng)器(自制)；MP0510中壓恒流泵，上海三為科學(xué)儀器；安捷倫1260 Infinity 液相色譜儀，安捷倫儀器；MP511 pH檢測(cè)儀，三星精密儀器；SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器廠；KQ2200E超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

試劑：海因(自制)；氫氧化鈉(AR)，西隴科學(xué)股份有限公司；磷酸二氫(HPLC)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙腈(HPLC)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；甲醇(HPLC)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷酸(AR)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷酸二氫銨(GR)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本課題采用的水解方式為連續(xù)水解。在燒杯中加入8.0 g海因以及一定摩爾比例的氫氧化鈉，溶于500 mL純水中，設(shè)置不同的流速?gòu)暮懔鞅眠M(jìn)樣，流經(jīng)管式反應(yīng)器，進(jìn)樣1 h后開始取樣，每次取樣時(shí)長(zhǎng)15 min(保證取樣量足夠多，使得檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確)，共取五次，反應(yīng)液用高效液相色譜檢測(cè)[6]。

1.3 液相色譜檢測(cè)條件

液相色譜儀為安捷倫1260，采用C18液相色譜柱；室溫；檢測(cè)波長(zhǎng)為205 nm；流動(dòng)相為1:9:0.5(V/V/V)乙腈和磷酸鹽緩沖溶液和三乙胺(pH 3.0)；流速：1.2 mL/min；進(jìn)樣量20 μL。待測(cè)液配制：取1 mL反應(yīng)液用流動(dòng)相配制成25 mL待測(cè)液，用外標(biāo)法計(jì)算海因酸和海因在反應(yīng)液中的濃度。

1.4 水解過程影響因素探究

水解方程式為：

(1)海因水解生成海因酸

(2)海因水解生成N-甲羧基氨基乙腈(N-Carboxymethyl Aminoacetonitrile)

1.4.1 氫氧化鈉與海因摩爾比及停留時(shí)間對(duì)水解過程的影響

圖1 氫氧化鈉與海因的摩爾比及停留時(shí)間對(duì)海因水解的影響Fig.1 Effect of molar ratio of sodium hydroxide to Hydantoin and residence time on Hydrolyzation of Hydantoin

實(shí)驗(yàn)條件為：水解溫度120 ℃，海因的濃度為0.1642 mol/L，氫氧化鈉與海因的摩爾比分別為1.0:1；1.2:1；1.4:1；1.6:1；1.8:1，停留時(shí)間分別為5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min。圖1顯示，同溫度下，在氫氧化鈉用量較低并且停留時(shí)間較短的情況下，海因的轉(zhuǎn)化率也較低，而當(dāng)氫氧化鈉用量的摩爾比在1.6和1.8，停留時(shí)間達(dá)到25 min以及30 min時(shí)，海因均接近完全水解，綜合考慮，選擇氫氧化鈉與海因的摩爾比為1.6，停留時(shí)間25 min更為合適。

圖2 不同溫度對(duì)海因水解的影響Fig.2 Effects of different temperatures on Hydrolysis of Hydantoin

1.4.2 溫度對(duì)水解過程的影響

氫氧化鈉與海因摩爾比為1.6:1，停留時(shí)間為25 min，分別在80 ℃、90 ℃、100℃、110 ℃、120 ℃溫度下進(jìn)行水解。如圖2所示，隨著反應(yīng)溫度提高到110 ℃，海因接近完全水解，且各時(shí)刻的轉(zhuǎn)化率較之其他溫度都是最高的，如圖3所示，110 ℃時(shí)海因酸的產(chǎn)率與120 ℃時(shí)的產(chǎn)率幾乎相同。因此，選擇110 ℃為較適宜的水解溫度。

圖3 不同溫度對(duì)海因酸產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of different temperatures on the yield of Hydantoic Acid

1.5 水解條件的確定

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析，確定反應(yīng)溫度110 ℃，停留時(shí)間25 min，氫氧化鈉與海因摩爾比為1.6:1時(shí)，是海因水解生成海因酸較為適宜的條件。

2 動(dòng)力學(xué)模型的確定

2.1 水解條件的確定

(1)高效液相色譜分析

海因、海因酸、N-甲羧基氨基乙腈標(biāo)準(zhǔn)品的液相色譜圖，見圖4～圖6。

圖4 海因標(biāo)準(zhǔn)品高效液色譜Fig.4 High performance liquid chromatography of hydantoin standard

圖5 海因酸標(biāo)準(zhǔn)品高效液色譜Fig.5 High performance liquid chromatography of hydantoin acid standard

圖6 N-甲羧基氨基乙腈標(biāo)準(zhǔn)品的液相色譜圖Fig.6 High performance liquid chromatography of N-carboxymethyl aminoacetonitrile

(2)海因水解液的液相色譜檢測(cè)圖

根據(jù)液相檢測(cè)結(jié)果見圖7、圖8，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)品的出峰時(shí)間發(fā)現(xiàn)，在80 ℃和90 ℃海因水解液的液相色譜圖中只存在兩個(gè)峰——海因以及海因酸的峰，而在圖9和圖10液相色譜檢測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)此時(shí)海因水解液中開始產(chǎn)生新的甘氨酸中間體，N-甲羧基氨基乙腈。由于海因酸在120 ℃以下并不會(huì)發(fā)生水解，因此，N-甲羧基氨基乙腈只能是海因的另一個(gè)水解產(chǎn)物。且隨著溫度的升高，該中間體略有增加，但經(jīng)液相色譜測(cè)得的濃度極低，幾乎可以忽略不計(jì)，且N-甲羧基氨基乙腈并非在每個(gè)時(shí)刻都會(huì)產(chǎn)生，此因?qū)τ诟狈磻?yīng)的k值不作計(jì)算，故只需對(duì)海因水解產(chǎn)生海因酸這一主反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算即可。

反應(yīng)全程在水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)物沒有發(fā)生相變，且海因完全溶于堿液中，故認(rèn)為該水解反應(yīng)為均相反應(yīng)[7]。

圖7 80 ℃海因水解液液相相色譜Fig.7 High performance liquid of hydantoin hydrolysate at 80 ℃

圖8 90 ℃海因水解液液相色譜Fig.8 High performance liquid of hydantoin hydrolysate at 90 ℃

圖9 100 ℃海因水解液液相色譜Fig.9 High performance liquid of hydantoin hydrolysate at 100 ℃

圖10 110 ℃海因水解液液相色譜Fig.10 High performance liquid of hydantoin hydrolysate at 110 ℃

表1 標(biāo)準(zhǔn)品色譜檢測(cè)出峰時(shí)間表Table 1 Peak time table for standard chromatographic detection

表2 各溫度的海因水解液色譜檢測(cè)出峰時(shí)間表Table 2 Chromatographic peak time table of hydantoin hydrolysate at various temperatures

2.2 水解方程

A為海因，B為海因酸，D為N-甲羧基氨基乙腈，k為總反應(yīng)速率常數(shù)，k1為主反應(yīng)速率常數(shù)，k2為副反應(yīng)速率常數(shù)，CA為海因?qū)嶒?yàn)濃度，α為主反應(yīng)級(jí)數(shù)，β副反應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)。

建立動(dòng)力學(xué)方程：

(1)

(2)

(3)

在液相色譜檢測(cè)結(jié)果中，副產(chǎn)物的含量幾乎為0，且出現(xiàn)時(shí)段不固定，因此K2不作計(jì)算。

2.3 反應(yīng)級(jí)數(shù)和速率常數(shù)確定

2.3.1 反應(yīng)級(jí)數(shù)和速率常數(shù)的確定

表3 海因?qū)嶒?yàn)濃度Table 3 Experimental concentration of hydantoin

確定反應(yīng)級(jí)數(shù)方法通常有微分法、積分法、半衰期法[8]。但是僅用這些方法計(jì)算，工程量和誤差都很大，本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)級(jí)數(shù)采用Excel宏觀規(guī)劃求解。對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，lnc-t呈線性關(guān)系，而對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，1/c(n-1)-t稱線性關(guān)系。在Excel軟件中輸入不同溫度下的反應(yīng)時(shí)間以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的實(shí)際濃度，當(dāng)n等于1時(shí)，求解lnc-t的線性關(guān)系；當(dāng)n不等于1時(shí)，通過設(shè)定不同的n(級(jí)數(shù))值，應(yīng)用correl函數(shù)求出在不同溫度下，1/c(n-1)-t的最大r2值。

具體求解步驟：將實(shí)驗(yàn)測(cè)得濃度數(shù)據(jù)輸入Excel單元格，A1～A7輸入80 ℃各時(shí)刻濃度，B1～B7輸入90 ℃各時(shí)刻，依此方法輸入所有溫度下測(cè)得的濃度數(shù)據(jù)。在F1～F7輸入反應(yīng)時(shí)間，設(shè)置可變單元格N1，輸入初始值n值2，在G1-G7中輸入公式1/c(n-1)把n=2以及80 ℃下的各時(shí)刻濃度帶入，設(shè)置目標(biāo)單元格K1，輸入correl函數(shù)，采用宏觀規(guī)劃求解，設(shè)置約束條件：$K$1<=1，點(diǎn)擊求解，即可求得最佳n值，使得目標(biāo)單元格值最接近于1，n即為反應(yīng)級(jí)數(shù)，1/c(n-1)記作M，依此方法，求得各溫度反應(yīng)級(jí)數(shù)。結(jié)果如表4所示。

表4 各溫度下的M值以及最佳n值Table 4 M value at various temperatures and the best n value

表4顯示，不同溫度下，除了90 ℃時(shí)，反應(yīng)級(jí)數(shù)略微高于1，其他四個(gè)溫度的級(jí)數(shù)均等于1，因此認(rèn)為該反應(yīng)是總反應(yīng)級(jí)數(shù)為1的一級(jí)反應(yīng)。

表5 -lnCA的值Table 5 Value of -lnCA

圖11 -lnc對(duì)t的關(guān)系及其線性擬合結(jié)果Fig.11 The relationship between -lnc and t and its linear fitting results

不同溫度下的-lnCA-t作圖，各斜率即為反應(yīng)速率常數(shù)，見圖11。

表6 速率常數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results of rate constants

相同溫度下，比較兩種水解方式的反應(yīng)速率常數(shù)，我們可以發(fā)現(xiàn)，管式連續(xù)水解速率常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于釜式水解，表明在相同溫度下，管式連續(xù)水解速度要快于釜式水解。

表7 相同溫度下文獻(xiàn)報(bào)道的海因釜式水解[9]與實(shí)驗(yàn)測(cè)得管式連續(xù)水解速率常數(shù)比較Table 7 Comparisons between tubular hydrolysis rate constants and caldron hydrolysis rate constants

2.3.2 線性擬合分析

表8 線性擬合結(jié)果Table 8 Result of linear fitting

皮爾森相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式:

殘差平方和SSR計(jì)算公式:

從圖11中可以看出，五組數(shù)據(jù)皆呈直線關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式為-lnc=kt+b，而表8的擬合結(jié)果顯示， 五組SSR的值均接近于0，且無論是皮爾森相關(guān)系數(shù)，還是R2值以及校正后的R2值均接近于1，表明擬合結(jié)果良好。

2.3.3 模型顯著性分析

為驗(yàn)證該動(dòng)力學(xué)模型的適用性，采用Origin軟件中樣本t檢驗(yàn)和方差分析，對(duì)模型回歸系數(shù)以及整體顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 9 Test result of model saliency

根據(jù)表9顯示，t檢驗(yàn)樣本結(jié)果中P1遠(yuǎn)小于0.01，方差分析中P2遠(yuǎn)小于0.01，表明回歸系數(shù)顯著性以及模型整體顯著性都極好。證明該動(dòng)力學(xué)模型在此溫度區(qū)間內(nèi)是較為合適的。

2.3.4 活化能計(jì)算[10]

根據(jù)阿倫尼烏斯方程k=A0exp[-Ea/(RT)]，得

lnk=InA0[-Ea/(RT)]，以lnk-T-1作圖，得圖12。

圖12 lnk與T-1的關(guān)系圖Fig.12 Relationship between lnk and T-1

根據(jù)圖12，由線性擬合得到直線斜率γ，且R2=0.99126，擬合結(jié)果較好。把γ代入阿倫尼烏斯推導(dǎo)公式lnk=lnA0-Ea/(RT)得：

Ea/R=γ

Ea=R×γ=2.9307×104J·mol-1

海因水解反應(yīng)活化能E為2.9307×104J·mol-1，指前因子A0為7.92×102。

3 結(jié) 論

(1)本課題通過實(shí)驗(yàn)考察了溫度、堿用量、反應(yīng)時(shí)間對(duì)于海因水解制備海因酸過程的影響，確定了110 ℃，堿用量1.6，反應(yīng)時(shí)間25 min為最適反應(yīng)條件，并且確定海因水解制備海因酸的反應(yīng)是總反應(yīng)為一級(jí)的平行反應(yīng)，通過速率常數(shù)求得活化能E為2.9307×104J·mol-1，指前因子A0為7.92×102，同時(shí)建立了水解動(dòng)力學(xué)模型。

(2)隨著反應(yīng)溫度的升高，速率常數(shù)開始增大。管式連續(xù)水解速率常數(shù)比一般的釜式水解速率常數(shù)大上許多，且管式水解的活化能較低，這表明管式連續(xù)水解，除了能有效解決釜式水解耗時(shí)長(zhǎng)這個(gè)問題之外，其反應(yīng)本身所耗能更低，且不影響海因水解率及產(chǎn)物的產(chǎn)率，使得海因法生產(chǎn)甘氨酸這一工藝的時(shí)間和成本降低，為將來管式連續(xù)化生產(chǎn)甘氨酸的中試工藝以及產(chǎn)業(yè)化提供了一個(gè)可行性的依據(jù)。