牛磺酸与乙醇胺法和磺化化学反应

1引言

牛磺酸(Taurine)化学名称为2-氨基乙磺酸，分子式为H2NCH2CH2SO3H，是一种含硫的非蛋白质氨基酸，也是人体生长发育必需的一种β-硫氨基酸，不参与体内蛋白合成，在体内以游离状态存在。在许多生理机能中，牛磺酸起着非常重要的作用，包括胆酸形成、视网膜和神经发展、渗透调节、细胞中钙水平的调节以及免疫等。目前它被广泛应用于医药、食品添加剂、洗涤剂、荧光增白剂、pH缓冲剂等领域[1]，其应用市场前景十分广阔，仅从天然物中获取牛磺酸很难满足市场需求。文献报道的牛磺酸合成工艺多达10条[2]，目前，国内外多采用乙醇胺酯化法生产牛磺酸，该法包括酯化反应和磺化反应。但乙醇胺法生产牛磺酸存在反应时间过长和产率低等不足[3~5]。其原因在于磺化反应的反应进程比较缓慢，需要十几甚至二十几个小时才能达到反应平衡，且反应转化率较低。因此不断完善现行的生产工艺具有重要的经济意义和良好的社会效益。本文在前期研究的基础上[6]，用亚硫酸铵作为磺化剂，考察各因素对磺化反应的影响。并对牛磺酸的结晶条件进行了研究。与文献报道[6]相比，该工艺成本低，后续分离较容易。

2实验部分

2.1制备过程牛磺酸合成分两步进行(反应见式(1)和式(2))：第一步酯化反应，具体合成操作过程参见文献[6]，其乙醇胺的转化率达到98%以上。第二步磺化反应，在装有冷凝回流装置的250mL四口烧瓶中加入100mL煮沸过的蒸馏水，在搅拌状态下加入亚硫酸铵。待亚硫酸铵完全溶解后加入2-氨基乙醇硫酸酯，通入氨气形成保护，然后油浴加热到105℃，反应一定时间后，停止加热。反应液进行浓缩后，抽滤反应液，冷却结晶分离得到的固体即为牛磺酸粗品。

2.2溶解度和超溶解度的测定方法实验仪器与装置以及测定方法，见文献[7~11]。

2.3实验原料合成过程用原料：甲苯(AR，烟台市双双化工有限公司)，硫酸(AR，中国安徽宿州化学试剂有限公司)，硫代硫酸钠(AR，焦作市化工三厂)，碘(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)，可溶性淀粉(AR，北京红星化工厂)，乙醇胺、乙醇、碘化钾、硫酸铵(AR，天津市风船化学试剂科技有限公司)，亚硫酸铵(工业级，铜陵富德化工有限公司)结晶介稳定区测定用原料：溶解度作为基础热力学数据，必须要求具有较高的纯度，否则会对溶解度数据有所影响。实验所用牛磺酸纯品为分析纯(由郑州福润德生物科技发展有限公司生产)，2-氨基乙醇硫酸酯由第一步酯化反应制得，其粗品经乙醇水溶解，重结晶后得到，经热重分析其纯度可达99%以上，实验用水为实验室自制去离子二次蒸馏水。

2.4分析方法采用硫代硫酸钠返滴定法，通过分析体系中反应物亚硫酸铵的剩余含量来示踪反应进行程度和计算2-氨基乙醇硫酸酯的转化率。亚硫酸铵含量测定原理如下：配置三种溶液：(1)碘标准溶液；(2)碘标准溶液+一定量的2-氨基乙醇硫酸酯+一定量的牛磺酸；(3)碘标准溶液+一定量亚硫酸铵(碘标准液过量)。用硫代硫酸钠返滴定法进行分析，结果表明利用硫代硫酸钠返滴定法来测定反应的进行程度是可行的和准确的。

3结果与讨论

3.1磺化反应的合成条件的优化

3.1.1单因素实验结果以2-氨基乙醇硫酸酯(在物料配比中下标用AES代替)的转化率为考察指标，用单因素试验法考察反应时间，反应温度，物料配比(n(NH4)2SO3:nAES)对磺化反应的影响。结果如表1所示。从表1可以看出，当固定物料配比(n(NH4)2SO3:nAES)为1.3，反应温度为105℃时，随着反应时间的延长，酯的转化率逐渐提高，但当反应时间达到11h以后酯的转化率变化不大。在反应时间取11h，n(NH4)2SO3:nAES=1.3的条件下，随着反应温度的升高，2-氨基乙醇硫酸酯的转化率逐渐提高，尤其在75~95℃温度区间内2-氨基乙醇硫酸酯的转化率变化最大，在95℃以后酯的转化率变化不大，在105℃达到最大。考察物料比对磺化反应的影响时，反应时间为11h，随着反应配料比的增加，2-氨基乙醇硫酸酯的转化率逐渐提高，在配料比为1.75时达到最大。

3.1.2正交试验为了考察反应温度，反应时间和物料配比各个影响因素之间的相互影响，判断出哪些因素影响显著，进而抓住主要矛盾，确定磺化反应的工艺条件，根据单因素实验结果，设计正交试验的水平，选用四因素三水平(L934)正交表进行正交试验。实验方案和正交试验结果如表2所示。从表2的结果可以看出，前3列的极差分别为0.088、0.024和0.134，第三列的因素的极差0.134最大，这说明因素C(反应温度)的水平改变时对实验指标的影响最大，故因素C是我们要考虑的主要因素。从表2的实验指标结果对比可以分析出最佳制备方案为A3B2C2,在已做过的9次实验中没有出现。实验按照A3B2C2的最佳因素制备牛磺酸，并在此优化条件下进行三次平行实验得到2-氨基乙醇硫酸酯的平均转化率为70.43%，实验结果见表3。高于之前单因素试验和正交试验中所能达到的最佳效果。与文献[6]相比，其转化率提高了近14个百分点。因此，用亚硫酸铵合成牛磺酸的最佳工艺条件为：反应温度为105℃，反应时间为12h，物料配比(n(NH4)2SO3:nAES)为1.65。选择信度α=0.05，得到的方差分析如表4所示。对空列来说三个因素在空列中的三个位级中均等出现，它们的三个位级和应该相等，极差为零，但在实验中，总是有误差存在的，极差不能恰巧为零。极差的数值大小反映了误差的大小。反应时间和反应温度的极差比空列的极差大说明这两个因素的影响是比较显著的，而物料配比的极差比空列的极差小说明该因素的影响不如前两个显著。根据方差分析，得信度α=0.05时，各因素的影响程度如下：反应时间：显著；反应温度：很显著；物料配比：不显著。

3.2牛磺酸的结晶条件初步研究用结晶的方法对牛磺酸进行分离提纯。结晶母液中主要成分为硫酸铵，牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯。硫酸铵通过加碱形成硫酸盐沉淀的方法除去，母液中剩余盐浓度在1%以下，并且硫酸铵与牛磺酸的溶解度相差较大，可以排除结晶中盐的影响，故结晶母液的主要成分仅为牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯。本文对牛磺酸结晶的介稳区宽度及其影响因素进行了初步研究，为牛磺酸的结晶提纯过程提供依据。

3.2.1结晶介稳区的测定在固定搅拌转速(中速)、固定pH值(pH=5.5)，不加晶种，降温速度约1℃/15min的情况下，测定牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯在100mL10%乙醇水溶液中的介稳区宽度。由图1和图2可以看出，在此结晶条件下，牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯各自的溶解度曲线和超溶解度曲线大致平行，且温度越高，超溶解度越大，介稳区宽度也逐渐增大。在较高温度下，牛磺酸的介稳区宽度Δe为15~16℃，2-氨基乙醇硫酸酯的介稳区宽度Δe为8~9℃。鉴于在低温条件下，牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯的溶解度相差比较小，试图将结晶分离条件控制在牛磺酸的介稳区内较为困难，可选择在较高温度(大于350.15K)下进行。

3.2.2搅拌转速对介稳区宽度的影响溶析结晶过程中，溶液的有效均匀混合是晶核形成和生长的前提，因此搅拌强度是影响结晶介稳区宽度的重要因素之一。Melia等人[12]的研究表明搅拌强度本质上与溶剂体积和结晶器的构造有密切关系。本文在其他外界条件相同时，考察了不同搅拌转速对牛磺酸介稳区宽度的影响，结果如图3所示。由图3可知，搅拌速度增大，结晶介稳区变窄。文中定义：磁力搅拌器无极调速刻度的1/2处，转速大致为450~550r?min?1，为中速搅拌；将调速旋钮置于无极调速刻度的1/4处，转速大致为350~450r?min?1，为低速搅拌。值得注意的是由于实验室的实验测定装置较小，且采用磁力搅拌，而工业生产中的结晶器较大，一般不采用磁力搅拌，况且在放大过程中存在着放大效应，因此实验室得到的结果可能会与工业生产之间存在较大偏差。

3.2.3pH值对介稳区宽度的影响结晶过程中，pH值通常是影响产品纯度和收率的重要因素之一。从分子结构来分析，牛磺酸为氨基酸类物质，含有氨基和磺酸基，等电点为4.1~5.6，同时2-氨基乙醇硫酸酯的溶解度也受溶液pH的影响，这就有必要考察体系酸碱度对两者溶解度和超溶解度的影响。在相同的实验条件下，分别测定pH为3、4、5、6时牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯的溶解度。如图4所示。结果发现，两种物质在不同的pH条件下，各自的溶解度曲线大致平行。在25℃下比较pH对牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯的溶解度的影响，见图5所示。由图5可以看出：(a)2-氨基乙醇硫酸酯在pH=4.5~5.0之间溶解度达到最小，而牛磺酸恰好在此区域达到最大溶解度，且两者溶解度的差值较小;(b)在低pH区域或pH=6时，两物质的溶解度相差逐渐增大。欲要得到高纯度的牛磺酸，可在pH=6附近进行分离操作。在此pH值下浓缩结晶首先析出来的晶体是牛磺酸，剩余的母液中主要成分为2-氨基乙醇硫酸酯，可用于物料循环，继续进行磺化反应。

4结论

(1)本文以亚硫酸铵为磺化剂，优化出乙醇胺法合成牛磺酸的关键反应步骤磺化过程的工艺条件为：反应温度为105℃，反应时间为12h，物料配比(n(NH4)2SO3:nAES)为1.65。在此条件下2-氨基乙醇硫酸酯的平均转化率为70.43%。相比于传统工艺采用的亚硫酸钠，本工艺采用的亚硫酸铵具有来源广泛、成本低，而且反应后生成的硫酸铵易于除去等优点。(2)分别测定牛磺酸和2-氨基乙醇硫酸酯的溶解度曲线和超溶解度曲线，得到两者的介稳区宽度：在较高的温度条件下，牛磺酸的介稳区宽度Δe为15~16℃，2-氨基乙醇硫酸酯的介稳区宽度Δe为8~9℃。(3)搅拌速度快慢、溶液pH值大小对牛磺酸的结晶过程具有影响。搅拌转速越大介稳区宽度越窄；pH=6时，两物质的溶解度的相对差值最大，结晶分离操作可考虑在pH=6下进行。