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工业母液中回收N-羟基丁二酰亚胺的研究

发布时间:2021-05-21

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     N-羟基丁二酰亚胺简称NHS或HOSU,是一种含氮杂环类化合物,在药物领域有着**的应用。常用于制备活性酯,如苄基-N-丁二酰亚胺碳酸酯,9-芴甲酰基-N-丁二酰亚胺碳酸酯等,它们用于多肽的合成可以防止氨基酸或多肽发生外消旋。但是,在多肽的合成中使用的这些活性酯在反应以后又返回到NHS而存在于水相反应废液中含量约为1.5-3kg/100L。目前这些废水中含有的NHS均没有回收,每年这些大量的NHS都被浪费了,也给废水处理增加了负担。NHS在废水中没有回收的原因是因为缺少合适的回收方法,虽然NHS的用量每年在上升,但并很少有文献报道NHS在这些多肽合成废水中的回收方法。

     可逆络合反应萃取分离,又称络合萃取法,是指溶液中待分离的物质与含有络合剂的萃取体系通过物理过程混合在一起,然后络合剂与待分离物质反应通过化学作用结合在一起,使其从原溶液转移到萃取相中实现分离的目的。然后通过温度、pH值等的变化,逆向萃取溶质回收,实现萃取剂的循环再生。但是若待分离的溶质极性较大时,其络合萃取的机理会很复杂。络合剂与待分离物质之间、络合剂分子之间、络合剂与稀释剂之间、络合剂与水分子之间都可能出现氢键的作用,这也是萃合物的组成很复杂。而且萃取分离过程中由于溶质、萃取剂、稀释剂都是有机化合物,它们所拥有的特殊官能团会带来诱导效应、共轭效应、空间位阻效应等都可以影响萃合物成键。

     络合萃取分离适用的对象主要有下列几个特征:

①待分离物质含有路易斯碱或路易斯酸官能团的极性有机物,如有机梭酸、有机磺酸、酚类、有机胺类、醇类等可以和络合剂发生反应。

②分离体系为稀溶液,即一般待分离物质的浓度小于5%,此时络合萃取可达到一个相对较高的分配系数。

③待分离物质有极强的亲水性,在水中有较小活度系数,亲油性差。络合剂与溶质之间的络合作用能给溶质提供低的有机相活度系数,使分配系数达到较高数值分配得以完成。

④待分离溶质的挥发性低不能通过蒸汽提馏分离。

     胺类萃取剂可以看作是氨的烷基取代物。烷基依次取代氨分子里的三个氢,生成三种不同的胺作为萃取剂(伯胺、仲胺、叔胺、季铵盐)。用于萃取剂的有机胺分子量一般为250-600,分子量小于250的烷基胺易溶于水,而分子量大于600的烷基胺是固体状态,而且通常难溶于有机溶剂,而且偶尔出现分相困难的情况。

叔胺类萃取剂有伯胺、仲胺、叔胺三种。伯胺、仲胺一般不用作萃取剂,由于伯胺仲胺中的基团-NH:或=NH具有较高的亲水性,所以在水中的溶解度比等量级的叔胺大。但是含有很多支链的伯胺、仲胺的水溶性比较差可用作萃取剂。虽然胺类萃取剂的发展较晚,但是胺类萃取剂的选择性好、稳定性强,能用于多种体系的萃取分离。

     考虑到NHS具有弱酸性质,而不少文献报道了从水溶液中成功提取有机酸的研究。参考有关文献,针对NHS水溶液的特点,本文建立了以三辛胺(TOA)为络合剂萃取分离的方法,研究了几种稀释剂,考察油水两相体积比、萃取温度、盐析剂等工艺条件对萃取过程的影响以及多级错流萃取下的萃取率,讨论了相应的萃取机理,根据络合萃取过程的数学模型,对25℃下NHS在油水两相中的萃取相平衡实验数据进行模拟,模拟结果与实验数据吻合,研究结果可为工业萃取分离提取NHS的装置和操作提供理论基础和设计数据。

      萃取实验在带夹套保温的500mL烧杯和250mL分液漏斗中进行,采用超级恒温槽(河南予华仪器)控制温度,温度变化范围为士0.10℃。

     实验中,根据研究内容配制一定浓度的含有NHS的水相和含有萃取剂TOA的有机相,通常取20mL水相和相应体积的有机相于1 00mL烧杯中,将此100mL小烧杯置于夹套保温的500mL大烧杯中控制温度,为保证传热速度,大烧杯中预先放置少量水作为水浴。在100mL小烧杯中预先置有一磁力搅拌子,用磁力搅拌器搅拌0.5hr,保证其中的水相和有机相完全混合,搅拌完毕,将小烧杯中两相一同转移到带保温夹套的250mL的分液漏斗中,静置15min以上,等水相和有机相完全分离。分别量取两相体积,取水相样品5mL,并用电位滴定法滴定水相中的NHS的浓度,然后依据物料衡算的方法求得有机相中NHS的浓度。

对负载NHS的萃取相及稀释剂(正丁醇)萃取相与空白萃取相,分别用Nicolet 6700红外光谱仪测定它们的红外光谱图,根据谱图它们各自特征峰的情况,分析三辛胺与NHS之间的作用机制。

       本章针对含低浓度NHS废水的特点,通过对不同萃取体系的考察,选择以三辛胺为萃取剂,正丁醇为稀释剂的萃取体系,且三辛胺:正丁醇(v/v ) =22.5 : 77.5为**。实验研究了相比(有机相水相体积比)、萃取温度对NHS在油水两相分配系数的影响。详细分析了盐析对NHS分配作用的机理,并测出了两级错流萃取为**的萃取级数。通过对不同萃取相的红外光谱图,研究了三辛胺与NHS缔合作用机理,采用质量作用定律的方法,建立了NHS与三辛胺界面反应的络合萃取模型,并用*小二乘法得到了模型参数。并通过25℃下不同浓度的NHS在油水两相中的分配对此模型检测,结果发现:分配系数的实验值与计算值十分吻合。

N-羟基丁二酰亚胺(NHS )**应用于多肽合成工业,目前已经实现了工业化生产。中国是世界上NHS*主要的生产国,国内NHS的生产方法通常采用赵红亮研究开发的方法。主要以硫酸羟胺和丁二酸酐为原料。

      NHS的熔点为95-98℃,NHS合成的**一步脱水反应一般控制在125-130℃之间,真空度在0.09MPa以上,当体系中不再有水产生,反应结束。体系温度高于NHS的熔点,此时NHS呈液态,**在体系中加入正丁醇,利用50℃以上NHS全溶于正丁醇而硫酸钠难溶于正丁醇的特性,除去反应中产生的硫酸钠固体,此后将正丁醇-NHS溶液冷却到100C以下,离心分离析出的NHS,得到了NHS的粗品,NHS粗品采用乙酸乙酯精制后,即可获得商品NHS。

      但是,依据目前NHS的工业生产情况,NHS的收率约为60%左右,分析NHS生产过程,导致其收率不高主要有多方面的原因。其中之一是在离心分离粗品NHS时,大量正丁醇母液挟带在固体滤饼中间。这部分正丁醇母液在**的洗涤阶段,用乙酸乙酯进行洗涤,不但除去了NHS粗品中如丁二酸之类的杂质,也可以除掉正丁醇,以免挟带的正丁醇在精制过程中进入乙酸乙酯循环母液而影响NHS的精制。为了保证生产NHS的质量,生产中往往采用较多的乙酸乙酯来洗涤NHS粗品。生产厂家不得不重视这些正丁醇-NHS母液的处理方式。这部分NHS-正丁醇-乙酸乙酯母液*简单的处理方式是交由三废处理公司进行燃烧处理,但产生的处理费用也不少。从环保与经济角度来看,如果可以有效分离上述废液中的NHS,同时将正丁醇与乙酸乙酯采用精馏的方式进行分离,就可以减少三废的数量为生产厂家带来可观的经济效益。