乙醛酸一水合物的制備

劉超 吳彥資 吳鑫萍

[摘 要]本文以20%新制乙醛酸水溶液為原料，經(jīng)降溫除草酸、活性炭脫色、濃縮、降溫結(jié)晶、離心分離等工序，得到乙醛酸一水合物固體，項(xiàng)目研究過程考察了草酸析晶時(shí)間、濃縮濃度、產(chǎn)品析晶溫度、干燥溫度等條件對(duì)反應(yīng)的影響。

[關(guān)鍵詞]乙醛酸一水合物;合成

[中圖分類號(hào)]TQ216

乙醛酸一水合物，又稱為固體乙醛酸，熔點(diǎn)50-52℃[1]，具有較強(qiáng)腐蝕性，極易吸潮，是最簡單的含有醛基的羧酸化合物，廣泛存在于自然界中[2]，因其結(jié)構(gòu)特殊，分子活性較高，被廣泛作為醫(yī)藥化工原料和有機(jī)化學(xué)合成中間體，涵蓋精細(xì)化學(xué)品、農(nóng)藥、醫(yī)藥等領(lǐng)域[3]，可用于泛解酸內(nèi)酯、扁桃酸、對(duì)羥基苯乙酸、對(duì)羥基苯甘氨酸、香蘭素、尿囊素等化合物的合成。目前，國內(nèi)市場(chǎng)使用和銷售的乙醛酸產(chǎn)品多為質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的乙醛酸水溶液[4]，該類產(chǎn)品水溶液中不可避免的引入水的存在，對(duì)其在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用造成諸多限制，使對(duì)水敏感又必須采用乙醛酸作為原料的生產(chǎn)過程增加額外預(yù)處理方式，反應(yīng)效果無法達(dá)到預(yù)期要求，因此開發(fā)一種固體乙醛酸，減少水的引入在其工業(yè)應(yīng)用中需求迫切。

目前，乙醛酸的生產(chǎn)主要采用乙二醛硝酸氧化法，得到的乙醛酸產(chǎn)品濃度為15-25%。隨著市場(chǎng)需求的增加，一些特殊的市場(chǎng)需求對(duì)乙醛酸產(chǎn)品提出了新的要求，一些化學(xué)品和醫(yī)藥產(chǎn)品生產(chǎn)過程需要非水溶劑或更高純度的乙醛酸作為原料，水溶液產(chǎn)品已無法滿足全部市場(chǎng)需求，因此研究開發(fā)一種固體高純度乙醛酸產(chǎn)品已成為迫切需求。

乙醛酸一水合物相關(guān)研究報(bào)道相對(duì)較少，相關(guān)報(bào)道描述的技術(shù)方案產(chǎn)品純度低、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，并不適用于工業(yè)生產(chǎn)。據(jù)估算，國內(nèi)乙醛酸總產(chǎn)能超過20萬噸，產(chǎn)品主要以水溶液為主，高純度固體生產(chǎn)尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前，尚無采用直接結(jié)晶法生產(chǎn)乙醛酸的相關(guān)報(bào)道，因此開發(fā)一種高效 固體乙醛酸一水合物生產(chǎn)工藝，對(duì)提升國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)水平、滿足國內(nèi)外市場(chǎng)需求，具有重要意義。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?試劑與儀器

主要試劑：乙醛酸水溶液（20%）、活性炭。

主要儀器：磁力加熱攪拌器（河南予華儀器有限公司）;圓盤分析天平（奧豪斯儀器有限公司）;真空干燥箱（上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司）;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（河南予華儀器有限公司）;低溫浴槽（河南予華儀器有限公司）;200mm平板式實(shí)驗(yàn)室離心機(jī)（江蘇賽德力機(jī)械制造有限公司）。

1.2 ?乙醛酸一水合物的制備

在三口瓶中加入乙醛酸水溶液（20%），投入活性炭（加入量為溶液重量0.5%），攪拌脫色1小時(shí)，脫色完畢使用抽濾漏斗抽濾，將濾液降溫至0℃，攪拌條件下析晶2h，待草酸固體析出完畢后，使用抽濾漏斗濾除草酸。將濾液減壓濃縮至濃度為55%，加入少量乙醛酸一水合物作為晶種，于5℃攪拌析晶5h，待溶液粘稠，使用離心機(jī)分離至干，所得固體經(jīng)30℃減壓烘干即得乙醛酸一水合物固體。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?草酸析晶時(shí)間對(duì)產(chǎn)品含量的影響

按照1.2中所述反應(yīng)條件，將20%乙醛酸水溶液降溫析晶濾除草酸，濃縮至濃度為55%，經(jīng)低溫結(jié)晶、離心分離、減壓干燥得到產(chǎn)品，研究過程考察草酸析晶時(shí)間對(duì)收率的影響，結(jié)果見表 1。

由表 1 可知，隨著草酸析晶時(shí)間的延長，收率下降，但是產(chǎn)品含量有升高趨勢(shì)，當(dāng)析晶時(shí)間達(dá)到3小時(shí)后，產(chǎn)品含量達(dá)到最高并趨于穩(wěn)定。其原因?yàn)椋菟嵩诜磻?yīng)體系中析晶效果越好，草酸析出越徹底，后經(jīng)過濾從反應(yīng)體系中優(yōu)先除去;草酸去除效果好的反應(yīng)條件下，草酸會(huì)更少的隨產(chǎn)品析出，得到產(chǎn)品總產(chǎn)出量減少，收率降低，但是獲得含量更高的產(chǎn)品。因此，最佳的析晶時(shí)間為3小時(shí)。

2.2 ?濃縮濃度對(duì)收率的影響

按照1.2中所述反應(yīng)條件，將20%乙醛酸水溶液降溫析晶3h，濾除析出的草酸，濃縮至濃度為45-65%，經(jīng)低溫結(jié)晶、離心分離、減壓干燥得到產(chǎn)品，研究過程考察了濃縮濃度對(duì)收率的影響，結(jié)果見表 2。

由表 2 可知，當(dāng)濃縮濃度為45%時(shí)，無產(chǎn)品析出;隨著濃縮濃度的增加，產(chǎn)品收率同時(shí)升高，當(dāng)濃縮濃度達(dá)到65%時(shí)，產(chǎn)品析出過多無法攪拌，造成后處理困難，因此不宜進(jìn)一步提高濃縮濃度。通過以上數(shù)據(jù)分析得知，乙醛酸一水合物在水中的溶解度較大，產(chǎn)品產(chǎn)量隨濃縮比例變化也比較大，因此選擇合適的濃縮比例對(duì)產(chǎn)品收率和后處理都至關(guān)重要，最佳的濃縮濃度應(yīng)為60%。

2.3 ?產(chǎn)品析晶溫度對(duì)收率的影響。

按照1.2中所述反應(yīng)條件，將20%乙醛酸水溶液降溫析晶3h，濾除析出的草酸，濃縮至濃度為60%，經(jīng)低溫結(jié)晶、離心分離、減壓干燥得到產(chǎn)品，研究過程考察了產(chǎn)品析晶溫度對(duì)收率的影響，結(jié)果見表 2。

由表 3 可知，乙醛酸一水合物在溶液中析晶過程隨著析晶溫度升高收率逐步降低，產(chǎn)品在體系中溶解度受溫度影響較大，溫度越低產(chǎn)品收率越高。經(jīng)分析，乙醛酸一水合物在低于5℃條件下析晶收率相對(duì)穩(wěn)定，因此選擇的最佳結(jié)晶溫度范圍為0-5℃。

2.4 ?干燥溫度對(duì)干燥時(shí)間的影響

按照1.2中所述反應(yīng)條件，將20%乙醛酸水溶液降溫析晶3h，濾除析出的草酸，濃縮至濃度為60%，將反應(yīng)液降溫至0-5℃攪拌結(jié)晶、離心分離、減壓干燥得到產(chǎn)品，研究過程考察了干燥溫度對(duì)減壓干燥時(shí)間對(duì)收率的影響，結(jié)果見表 2。

由表 4 可知，隨著減壓干燥溫度升高，干燥時(shí)間逐步縮短，當(dāng)干燥溫度達(dá)到40℃時(shí)，產(chǎn)品在烘干過程中融化，無法進(jìn)行產(chǎn)品干燥。經(jīng)過文獻(xiàn)查閱，得知乙醛酸一水合物固體熔點(diǎn)為50-52℃，在溫度較高條件下干燥初期即變成液體，無法得到晶體產(chǎn)品。因此，確定的最佳減壓干燥溫度為35℃。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表征

通過對(duì)合成得到的乙醛酸一水合物固體進(jìn)行傅立葉變換紅外光譜、核磁共振氫譜、核磁共振碳譜及熔點(diǎn)的分析測(cè)定，進(jìn)一步確定了乙醛酸一水合物的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。采用紅外光譜儀可以確定了乙醛酸一水合物中含有的主要官能團(tuán)，核磁共振氫譜、核磁共振碳譜確定分子中的碳、氫關(guān)系和個(gè)數(shù)，通過熔點(diǎn)檢測(cè)與文獻(xiàn)值比對(duì)，評(píng)價(jià)表征數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的一致性，通過以上分析手段，可以進(jìn)一步佐證產(chǎn)品符合預(yù)期結(jié)構(gòu)。

3.1 ?產(chǎn)品的紅外光譜測(cè)定結(jié)果

對(duì)乙醛酸一水合物進(jìn)行紅外表征結(jié)果如下圖。

通過圖譜解析，由上圖可知，圖中 3278.67cm-1處吸收峰為-OH 的伸縮振動(dòng)峰，圖中2926.52cm-1處吸收峰為醛基中 C-H 的伸縮振動(dòng)峰，圖中1740.23cm-1與1629.68cm-1處吸收峰為兩個(gè)羰基偶合產(chǎn)生的伸縮振動(dòng)峰，圖中1244.46cm-1處吸收峰為羧酸基團(tuán) C-O 單健的伸縮振動(dòng)吸收峰，圖中1058.48cm-1與1098.56cm-1吸收峰為羧酸中O-H的振動(dòng)吸收峰。紅外譜圖中的吸收峰與乙醛酸一水合物中含有的醛基、羥基、羧酸等官能團(tuán)的實(shí)際信息一致。

3.2 ?核磁共振氫譜、核磁共振碳譜的測(cè)定結(jié)果

以氘水為溶劑，乙醛酸一水合物的1HNMR 結(jié)果為：1H NMR （600 MHz， D2O） δ 5.21（m， 1H）。其中，化學(xué)位移 5.21ppm 處為醛基中氫氣質(zhì)子峰，羧基中含有的活潑氫未出峰。

以氘水為溶劑，乙醛酸一水合物的13CNMR 結(jié)果為：13C NMR （151 MHz， D2O） δ 172.86， 85.57。其中，化學(xué)位移85.57ppm 處為羰基碳峰，173.02ppm 處為羧基碳峰?？膳卸▓D譜結(jié)果與化合物結(jié)構(gòu)相符。

3.3 ?熔點(diǎn)的測(cè)定結(jié)果

采用中國藥典（2020年版）熔點(diǎn)測(cè)定法第一法對(duì)制備的乙醛酸一水合物進(jìn)行了熔點(diǎn)測(cè)定，具體的實(shí)驗(yàn)操作為：將干燥的乙醛酸一水合物研磨成粉末，放入熔點(diǎn)測(cè)定毛細(xì)管中，將全自動(dòng)熔點(diǎn)儀升溫至40℃后緩慢升溫，升溫速率為1℃/分鐘，自動(dòng)記錄熔點(diǎn)，測(cè)得該樣品熔程為51.2-51.9℃，與文獻(xiàn)報(bào)道相符。

4結(jié)論

由以上分析可見，確定的最佳草酸析晶時(shí)間為3小時(shí)，乙醛酸水溶液析晶前的最佳濃縮濃度為60%，最佳析晶溫度為0-5℃，最佳干燥溫度為35℃，干燥時(shí)間為18小時(shí)。

在三口瓶種加入乙醛酸水溶液（濃度為20%），投入活性炭（加入量為溶液重量0.5%），攪拌脫色1小時(shí)，脫色完畢使用抽濾漏斗抽濾。將濾液降溫至0℃，攪拌條件下析晶3小時(shí)，待草酸固體析出完畢后，使用抽濾漏斗濾除草酸。將濾液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓濃縮至濃度為60%，濃縮液使用低溫浴槽降溫至0-5℃，加入少量乙醛酸一水合物作為晶種，并于0-5℃繼續(xù)攪拌析晶5h，溶液逐漸粘稠，使用離心機(jī)離心至干，所得固體經(jīng)35℃減壓干燥18小時(shí)，即得乙醛酸一水合物固體產(chǎn)品，收率可達(dá)75.2%。

參考文獻(xiàn)

[1] ?李建生，董廣前，宋海燕.固體乙醛酸清潔生產(chǎn)工藝[J].精細(xì)與專用化學(xué)品， 2003，19（2）： 21-22.

[2] ?張友恭，張昭，樊國棟.低壓氧化乙醛酸的改進(jìn)[J].精細(xì)化工中間體，2003，19（2）： 21-22.

[3] ?周智明，徐巧，樓軍軍. 一種催化氧氣氧化乙二醛制備乙醛酸的新方法[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，4（5）：451-453.

[4] ?宋克，蔡文吉，劉永慶.乙醛酸生產(chǎn)工藝及技術(shù)進(jìn)展[J].化工科技，2007，15（5）： 73-77.