Способ получения аммонийных солей фумаровой или янтарной кислоты

Способ получения аммонийных солей фумаровой или янтарной кислоты

Реферат

Изобретение относится к промышленному способу получения моно- и диаммонийных солей янтарной (ЯК) или фумаровой (ФК) кислот для изготовления биологически активных добавок или лекарственных средств, а также в ветеринарии и пищевой промышленности.

Несмотря на давнюю историю использования (янтарнокислый аммоний был известен как лекарственное противосудорожное средство еще в 19 веке. Х.О. Хагер, Руководство по фармацевтической и медико-химической практике, С-Петербург, 1889, т.1, с.164-167) аммонийные соли янтарной и фумаровой кислот в промышленном масштабе не выпускаются ("Янтарная кислота в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве", сборник статей под редакцией М.Н. Кондрашовой и др., Пущино, 1996, с.262). В этом же источнике есть информация о том, что сукцинат аммония ранее выпускался в качестве химреактива в СССР на Ереванском химическом заводе и в ГДР на предприятии VEB Laborchemie Apolda.

Известны некоторые способы препаративного получения аммонийных солей указанных кислот:

- в Beil., т.2, доп.1, с.301 указан способ получения диаммоний фумарата в горячем спиртовом растворе из фумаровой кислоты и газообразного аммиака.

Недостатком этого метода при реализации его в промышленном масштабе является использование легколетучего растворителя и газообразного аммиака, требующих определенных затрат на мероприятия по безопасному ведению процесса, аппаратов работающих под давлением, а также энергосредств и хладоагентов на регенерацию растворителя;

Способ получения солей янтарной кислоты гидрированием солей малеиновой кислоты в присутствии палладий-никелевого катализатора описан в патенте РФ №2129540. Согласно этому способу сукцинат аммония получают из малеинового ангидрида и 24%-ного водного раствора аммиака в результате гидрирования образовавшейся диаммонийной соли малеиновой кислоты под давлением водорода до 15 ати и температуре 80°С в течение 5 часов на палладий-никелевом катализаторе.

Недостатком данного способа является использование дорогостоящего катализатора, оборудования, работающего под давлением, и водорода, требующих при организации производства больших экономических затрат на безопасное проведение процесса. В патенте отсутствует описание выделения соли из водного раствора и качество полученной соли, кроме температуры плавления 161,8-162,2°С.

Известно также получение аммонийных солей карбоновых кислот, свободных от галогенов, с высоким выходом взаимодействием четвертичной аммонийной соли с щелочнометаллической солью кислоты в смеси воды и спирта с дистилляцией растворителя (см. JP 2002-179614).

Известно получение моногидрата аммоний сукцината реакцией натрийсукцината с карбонатом-бикарбонатом аммония в среде растворителя, с удалением образующегося натрий-бикарбоната (JP 57-050937).

Известен способ получения аммониевых и/или щелочных солей ди- и трикарбоновых кислот для фотографических процессов реакцией ди- или трикарбоновой кислоты или их ангидридов с аммоний и/или щелочнометаллическим бикарбонатом в твердой фазе при температуре 40-100°C с использованием полимеров (EP 1284254 A1).

Имеется также сообщение о нейтрализации оксалиновой кислоты аммоний-карбонатом смешением этих компонентов в эквивалентных частях в дистиллированной воде при выдержке при перемешивании и фильтрации с получением пасты, которую сушат(18.01.2004 г, on Line! Januvary 2004 Alt-Photo-Process-L:Re:Sodium chloropalladite…). Указанный способ является близким к предлагаемому способу получения аммониевых солей дикарбоновых кислот. Однако в указанном сообщении отсутствуют данные о качестве, выходе получаемого продукта и параметры процесса выделения и сушки. Указанный способ может быть использован только в лабораторных условиях.

Наиболее близким к предлагаемому способу является известный способ получения водного раствора диаммонийной соли янтарной кислоты, описанный Х. Кларком и Л. Бергом при синтезе сукцинимида (Синтезы органических препаратов, сб. 2, редакция БЛЭТТа, Издание иностранной литературы, М, 1949, с.439). Способ включает следующие стадии:

в 1 л колбу Вюрца с боковым отводом помещают 236 г (2 мол) янтарной кислоты и при охлаждении и взбалтывании медленно приливают 270 мл (243 г, 4 мол) 28%-ного водного аммиака (уд. в. 0,90). При этом большая часть кислоты растворяется, образуя прозрачный раствор диаммонийной соли. Далее раствор подвергают перегонке и разложению с получением сукцинимида в результате разложения соли. Однако в данной публикации отсутствуют данные, показывающие - температурный режим реакции; - скорость добавления аммиачного раствора; способ выделения соли; - параметры сушки соли; - качество получаемой диаммонийной соли янтарной кислоты. Термическая нестабильность сукцината аммония (см. РЖХим, 1989, 4Б3110; Thermochim. acta - 1988 - 132. - С.229-233, англ) - разлагается при 360°K или 87°C, диктует необходимость организации многоступенчатой вакуумной выпарки при выделении соли из ее водного раствора. При получении соли из янтарной кислоты и 20-28% водного раствора аммиака, образующаяся соль находится в виде ~45%-ного водного раствора при 0°C, для ее выделения требуется многоступенчатая упарка солевого раствора под вакуумом, так как при температуре выше 80°C возможно образование сукцинимида, сопровождающегося смолообразованием, вследствие этого выделенная соль имеет бежевый оттенок. Кроме этого организация и обслуживание выпарной установки требует затрат энергоресурсов и хладоагентов. В описании способа не приводится данных о выходе солевого продукта. Таким образом, указанный известный способ получения сукцината аммония пригоден сугубо для лабораторного использования.

Задачей настоящего изобретения является разработка более совершенного способа получения аммонийных солей янтарной и фумаровой кислот, осуществимого в условиях промышленного производства, по которому возможно получать экологически чистые соли с содержанием основного вещества не менее 99,0% масс и выходом не ниже 98%. При этом увеличивается выход целевых продуктов и обеспечивается их стабильно высокое качество.

Поставленная задача достигается способом получения аммонийных солей фумаровой или янтарной кислоты нейтрализацией соответствующей кислоты нейтрализующим соединением в водной, среде. Отличием предлагаемого способа от известного является использование в качестве нейтрализующего соединения карбоната или бикарбоната аммония, при мольном стехиометрическом или превышающим стехиометрию на 4-5% соотношении кислоты и карбоната или бикарбоната аммония, и проведение нейтрализации в насыщенном водном растворе синтезируемой соли, при температуре не более 40°C, с последующим выделением продукта и его сушкой при температуре не более 70°C. Образующийся после выделения аммонийных солей фильтрат может быть рециркулирован.

Выделение продукта осуществляют обычно охлаждением реакционной массы до температуре 15-18^оC с получением продукта преимущественно в кристаллическом виде.

Насыщенный водный раствор синтезируемой соли готовят взаимодействием карбоната или бикарбоната аммония с соответствующей кислотой при температуре не более 40^оC.

Более подробно способ осуществляют следующим образом:

- моноаммонийные соли (фумарат или сукцинат) получают из карбоната или бикарбоната аммония и соответствующей кислоты при мольном соотношении соответственно 0,52÷0,5:1 или 1,04÷1:1;

- диаммонийные соли (фумарат или сукцинат) получают из карбоната или бикарбоната аммония и соответствующей кислоты при мольном соотношении соответственно 1,04÷4:1 или 2,1÷2:1;

- реакцию нейтрализации проводят в насыщенном при температуре как правило при 18-20°С растворе синтезируемой соли;

- оптимальная температура реакции нейтрализации 40°C;

- оптимальное время дозировки янтарной или фумаровой кислот (или карбоната и бикарбоната аммония) определяется подъемом пены над уровнем суспензии в реакторе (не более 1/3 объема суспензии) и составляет не более 2 часов;

- оптимальное время выдержки после дозировки - 1-2,5 час при температуре 40°C и зависит от объема аппарата (чем больше объем, тем больше выдержка);

- окончательная кристаллизация осадка проводится до температуры 18-15°C;

- температура сушки осадка не более 70°C;

- использование в качестве нейтрализующего агента бикарбоната аммония предпочтительнее, т.к. в сравнении с карбонатом аммония он имеет более высокую температуру разложения;

- фильтрацию проводят на вакуумном фильтре;

- полученный фильтрат возвращают в рецикл.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом:

при температуре до 40°C, в насыщенный (при t 18-20°C) раствор синтезируемой соли загружают карбоновую соль аммония и в суспензию дозируют дикарбоновую кислоту (при получении моноаммонийных солей бикарбонат или карбонат аммония дозируют в суспензию карбоновой кислоты) в течение 2 часов, с последующей выдержкой в течение 1-2,5 часа при температуре не более 40°C и охлаждении суспензии до температуры 15-18°С. Осадок отфильтровывают на вакуумном фильтре и сушат при температуре не более 70°C до отсутствия запаха аммиака, фильтрат рециркулируют. Целевые соли получают с выходом 98-100% теор., содержание основного вещества не менее 99% масс. Продукты отвечают требованиям к биологически активным добавкам к пище по содержанию вредных примесей, а именно:

- массовая доля свинца (Рb), %, не более	5,0-10-4
- массовая доля мышьяка (As), %, не более	3,0-10-4
- массовая доля кадмия (Cd), %, не более	1,0-10-4
- массовая доля ртути (Hg), %, не более	1,0-10-4

Методом ИК-спектроскопии подтверждено строение солей и установлена их высокая степень чистоты. Отнесение полос в ИК-спектрах основным структурным элементам проведено в соответствии с литературными данными (Л. Беллами. Инфракрасные спектры сложных молекул. М., ИЛ, 1963, 592 с; К. Наканиси. Инфракрасные спектры и строение органических соединений. М., МИР, 1985, 216 с).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример №1:

Синтез диаммонийной соли фумаровой кислоты (C₄H₁₀N₂O₄).

Реакцию проводят в насыщенном солью водном растворе, для этого в 3,43 л воды загружают при перемешивании 13,91 M (1,1 кг) бикарбоната или 7 M (0,672 кг) карбоната аммония и при температуре не более 40°С дозируют 6,72 M (0,78 кг) фумаровой кислоты, не допуская подъема пены в реакторе более чем на 1/3 первоначального объема реакционной массы. Получают 4,7 кг (~4 л) -21% раствора диаммоний фумарата.

В полученный раствор загружают 19,46 M (1,54 кг) бикарбоната или 10 M (0,960 кг) карбоната аммония и при температуре не более 40°С дозируют в течение 2-х часов 9,73 M (1,129 кг) фумаровой кислоты. Реакция протекает с поглощением тепла и выделением углекислого газа, поэтому реакционную массу подогревают (оптимальная температура 40°С) и не допускают подъема пены более чем на 1/3 первоначального реакционного объема. После дозировки фумаровой кислоты при температуре 40°С делают выдержку в течение 1 часа, затем смесь охлаждают до температуры 15-18°С. Получают 1,6 кг влажного кристаллического осадка и 4,7 кг фильтрата. Фильтрат возвращают на повторное использование, осадок сушат при температуре не более 70°С. После сушки получают 1,46 кг фумарата аммония, с содержанием основного вещества 99,0% масс, содержанием воды 0,98% масс, выход соли от теории составляет 99%.

Содержание вредных примесей:

- массовая доля свинца (Рb), %, не более 4,5-10^-4

- массовая доля мышьяка (As), %, не более 2,5-10^-4

- массовая доля кадмия (Cd), %, не более 0,7-10^-4

- массовая доля ртути (Hg), %, не более не обнаружено

Пример №2:

Синтез моноаммонийной соли фумаровой кислоты (C₄H₇NO₄).

Реакцию проводят в условиях примера №1, однако для приготовления насыщенного раствора соли берут 3,5 л воды; 7,52 M (0,594 кг) бикарбоната аммония или 3,91 M (0,375 кг) карбоната аммония и 7,52 M (0,872 кг) фумаровой кислоты. Получают - 4 л насыщенного раствора соли.

Для получения 1,85 кг соли берут ~4 л насыщенного раствора, 13,91 M (1,614 кг) фумаровой кислоты и дозируют 13,91 M (1,099 кг) бикарбоната аммония или 7,09 М (0,681 кг) карбоната аммония. Выход соли от теории составляет 100%. Содержание основного вещества - 100% масс.

Пример №3:

Синтез диаммонийной соли янтарной кислоты (C₄H₁₂N₂O₄).

Первоначально проводят операцию по приготовлению насыщенного раствора соли янтарной кислоты. В реактор объемом 1 м³ загружают 106 л воды, включают перемешивание и загружают 129,6 кг (1640,5 M) бикарбоната аммония, одновременно через рубашку аппарата реакционную массу нагревают паром до температуры 40-38°С. Дозировку янтарной кислоты (96 кг или 813,56 M) проводят при температуре 32-38°С в течение 2-х часов. Получают -200 л насыщенного водного раствора соли.

В полученный раствор при температуре 28-30°С загружают 155 кг (1962,0 М) бикарбоната аммония, реакционную массу нагревают до температуры 34-40°С и в течение 2-х часов дозируют 115 кг (974,6 М) янтарной кислоты. Выдержку реакционной массы ведут при температуре 38-40°С в течение 2,5 часов. Реакционную массу охлаждают до 16°С и фильтруют на нутч-фильтре. Получают 191,4 кг влажного осадка практически полностью в кристаллическом виде и 180 л фильтрата, который используют в следующей операции синтеза соли. Влажный осадок сушат при температуре 50-70°С до отсутствия запаха аммиака, получают 145 кг сухого осадка, с содержанием основного вещества 100% масс. Выход соли от теории составляет 98%.

Содержание вредных примесей:

- массовая доля свинца (Рb), %, не более 4,5-10^-4

- массовая доля мышьяка (As), %, не более 2,0-10^-4

- массовая доля кадмия (Cd), %, не более 0,5-10^-4

- массовая доля ртути (Hg), %, не более 0,3-10^-4

Методом ИК-спектроскопии было установлено отсутствие в спектрах соли полос характерных для янтарной кислоты (1310 и 1200 см") и бикарбоната аммония (700 см"¹), что характеризует высокую чистоту соли.

Пример №4:

Синтез диаммонийной соли янтарной кислоты (C_-4H₁₂N₂O₄).

Синтез проводят в условиях примера 3, однако вместо свежеприготовленного насыщенного раствора соли, используют возвратный (180 л) фильтрат, получают 148 кг сукцината аммония с содержанием основного вещества 99,8% масс. Выход соли от теории составляет 100%.

Пример №5:

Синтез моноаммонийной соли янтарной кислоты (C₄H₉NO₄).

Первоначально готовят 2 л насыщенного раствора соли в воде, для этого берут 1 л воды, 0,65 кг (8,23 M) бикарбоната аммония и дозируют при перемешивании в течение 1 часа 0,971 кг (8,23 M) янтарной кислоты, поддерживая температуру 38-40°С. В полученный раствор при температуре 38°С загружают 1,157 кг (9,81 M) янтарной кислоты и дозируют 0,775 кг (9,81 M) бикарбоната аммония в течение 1 часа при температуре 35-40°С. Реакционную массу выдерживают при температуре 38-40°C в течение 1 часа, затем охлаждают до 16°C и фильтруют на нутч-фильтре, осадок сушат при температуре 70°C, фильтрат возвращают на повторное использование.

Получают 1,3 кг моноаммонийной соли, с содержанием основного вещества 99,5% масс. Выход соли от теории составляет 98,5%.

1. Способ получения аммонийных солей фумаровой или янтарной кислоты нейтрализацией соответствующей кислоты нейтрализующим соединением в водной среде, отличающийся тем, что в качестве нейтрализующего соединения используют карбонат или бикарбонат аммония при мольном стехиометрическом или превышающим стехиометрию на 4-5% соотношении кислоты и карбоната или бикарбоната аммония, а нейтрализацию проводят в насыщенном водном растворе синтезируемой соли при температуре не более 40°C с последующим выделением продукта и его сушкой при температуре не более 70°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образующийся после выделения аммонийных солей фильтрат рециркулируют.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выделение продукта осуществляют охлаждением реакционной массы до температуры 15-18°C и отделением полученного осадка в виде кристаллов.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что используют насыщенный водный раствор синтезируемой соли, приготовленный взаимодействием карбоната или бикарбоната аммония с соответствующей кислотой при температуре не более 40°C.