以氨基磺酸为磺化剂制备樟脑磺酸的新工艺研究

2019-12-02林韦康江晓明钱程良赵蕊萍

浙江化工 2019年11期

林韦康，江晓明，钱程良，赵蕊萍

（浙江云涛生物技术股份有限公司，浙江绍兴 312369）

樟脑磺酸（Camphor sulfonic acid）是一种用途广泛的专用化学品，除可应用于心血管药物（S）-alpha-（2-氯苯基）-6，7-二氢噻吩并（3，2-c）吡啶-5（4H）-乙酸甲酯（1R）-7，7-二甲基-2-氧代双环（2.2.1）庚烷-1-甲磺酸盐（1）、卵巢癌靶向药8-氟-1，3，4，5-四氢-2-[4-[（甲基氨基）甲基]苯基]-6H-吡咯并[4，3，2-EF][2]苯并氮杂卓-6-酮樟脑磺酸盐（2）、日化领域重要原料亚苄基樟脑磺酸（3）[1]、具有光电特性的纳米薄膜或纤维[2-3]、环保型固态对称超电容器器件[4]、对映体纯分子笼[5]、海洋防腐涂料聚苯胺[6]、激活人类精子Cat Sper Ca2+通道[7]外，还可用于伏立康唑樟脑磺酸盐（4）、（-）-四氢黄连素D-樟脑磺酸盐（5）、（+）-N-去乙酰基秋水仙碱樟脑磺酸盐（6）、（2S，3S）-4-溴-顺式-2，3-环氧丁基樟脑磺酸酯（7）等活性物质的合成，上述部分樟脑磺酸下游产品的化学结构式见表1。

自Reychler[8]发现樟脑磺酸120 年来，樟脑磺酸的生产工艺并未发生大的改进与变动，仍是以合成樟脑粉或天然樟脑粉为原料，在乙酸酐或乙酸稀释的乙酸酐溶剂中，经浓硫酸或发烟硫酸或三氧化硫磺化制得，其中合成樟脑粉制得的为DL-樟脑磺酸，天然樟脑粉制得的为D-樟脑磺酸，DL-樟脑磺酸可经拆分制得D-樟脑磺酸和L-樟脑磺酸。

Bartlett P D 等[9]以合成樟脑粉为原料，在乙酸酐溶剂中经浓硫酸磺化制得DL-樟脑磺酸，收率：38%～42%，熔点：202 ℃～203 ℃。刘秀娟等[10]以天然樟脑粉为原料，经浓硫酸反应制得D-樟脑磺酸，收率：82.4%，熔点：190 ℃～192 ℃。刘晓红等[11]以合成樟脑粉为原料合成了DL-樟脑磺酸，收率：81.4%，熔点：193 ℃～197 ℃。蔡丽英[12]在震荡流反应器中进行樟脑粉磺化，收率为79.3%。

樟脑磺酸现有的生产工艺有明显缺点：工序时间长，收率低，设备腐蚀严重，易制毒品乙酸酐用量大，副产乙酸为危化品且因嗅觉阈值低导致产品分离时气味较大，强酸性的危险废物产生量多。本文为解决这些工业生产中遇到的难题，做了大量的试验，最终发现以氨基磺酸为磺化剂对合成樟脑粉进行磺化时的效果非常理想，这是相当振奋人心的。

表1 部分樟脑磺酸下游产品的化学结构式Table 1 Some structural formula of downstream products of Camphor sulfonic acid

1 实验部分

1.1 反应方程式

以合成樟脑粉为原料，正庚烷为溶剂，氨基磺酸为磺化剂的合成路线如图1 所示。

1.2 主要设备与原辅料

不锈钢反应釜（10000 L）；衬塑树脂塔（1.2 m×12 m）；搪玻璃反应釜（10000 L）；冷冻干燥机（GD 100 型，双锥回转真空干燥机（4000 L 搪玻璃）。

正庚烷（98%，常州市和时利化工有限公司）；合成樟脑粉（96.5%，SAPTAGIR CAMPHOR LIMITED）；氨基磺酸（99.5%，山东明大化学科技股份有限公司）；732 树脂（001×7FC，宁波争光树脂有限公司）；盐酸（6%，自配）。

1.3 樟脑磺酸的制备

1.3.1 樟脑磺酸铵的制备

图1 樟脑磺酸的合成路线图Fig.1 The ROS of Camphor Sulfonic Acid

将正庚烷3000 L、合成樟脑粉（2500 kg，15.87 kmol）依次投入10000 L 不锈钢反应釜，搅拌溶清，随后再向反应釜一次性投入氨基磺酸（1550 kg，15.89 kmol），搅拌均匀。向反应釜夹套通入蒸汽，升温至100 ℃～105 ℃，此时反应釜内压力约为0.10 MPa（压力不足补氮气加压），保温保压15 h。保温保压毕，向反应釜夹套通入循环水降温，当反应釜温度降至60 ℃以下时，向反应釜加入3500 L 自来水，搅拌30 min 后静置分层，上层为正庚烷层，去回收工序，可回收正庚烷约2800 L 并产生黑色焦油状釜残200 kg；下层为樟脑磺酸铵水溶液，约6500 L，呈浅棕色，去樟脑磺酸制备工序。

1.3.2 樟脑磺酸的制备

将1.3.1 制得的樟脑磺酸铵水溶液用25 kg活性炭脱色处理，得到约30 kg 废活性炭和约6600 L 浅黄色脱色液，向脱色液中加入自来水稀释至12000 L，稀释液去预处理好的树脂塔进行离子交换，得到约18000 L 交换液，交换液分批泵入带有真空系统的10000 L 搪玻璃反应釜，在-0.08 MPa、80 ℃条件下初步浓缩至7000 L 左右，浓缩液趁热放料至GD100 型冷冻干燥机托盘中自然冷却，待冷却至35 ℃以下时进行冷冻干燥处理10 h，得到白色蓬松的颗粒状固体，固体转至4000 L 双锥回转干燥机，在-0.08 MPa、90 ℃条件下干燥5 h，得到3326 kg 白色颗粒状樟脑磺酸固体，摩尔收率为90.33%，质量分析结果如下：

外观：亮白色颗粒状固体；熔点：201.2 ℃～201.5 ℃；含量：99.92%；硫酸盐含量≤0.20%；铁离子含量≤10 mg/kg 水分含量：0.25%。

树脂塔用6%盐酸再生，产生约20000 L 可生化废水，再生后的树脂塔可继续进行离子交换。

2 结果与讨论

2.1 溶剂对磺化效果的影响

在投料比、反应压力和反应时间不变的情况下，小试阶段尝试了甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、乙酸、乙酸酐、乙腈、正己烷、石油醚、正庚烷等溶剂，其中沸点不超过100 ℃的溶剂温度升至反应体系微回流状态，保温保压毕，反应液用气相外标法测合成樟脑粉残留量，再换算成转化率，结果如表2 所示。

表2 不同溶剂对合成樟脑粉磺化效果的影响Table 2 Influence of different solvents on sulfonation of synthetic Camphor powder

据表2 分析，选取N，N-二甲基甲酰胺或正庚烷为溶剂时，磺化效果最佳，考虑到正庚烷可以与水分层且能萃取绝大多数小极性杂质，故正庚烷为该工艺的最佳溶剂。

2.2 温度和压力对磺化效果的影响

在以正庚烷为溶剂，投料比不变的情况下，考察了不同温度和压力下合成樟脑粉的磺化效果，当反应体系压力不足预设值时，向反应釜通入氮气加压，结果见表3。

试验发现，当温度不足100 ℃时，提高反应压力也无法提高合成樟脑粉转化率；当温度达到100 ℃时，提高反应压力有助于提高合成樟脑粉转化率，但当反应压力超过0.10 MPa 时，再提高反应压力收效甚微；当反应压力一定时，若温度超过110 ℃，合成樟脑粉转化率下降。故选用温度为100 ℃～105 ℃，压力为0.10 MPa 为反应条件。

3 结论

以正庚烷为溶剂，由合成樟脑粉与氨基磺酸进行反应的最佳工艺条件为：n（氨基磺酸）：n（合成樟脑粉）=1.00，反应温度=100 ℃～105 ℃，反应压力=0.10 MPa。本文所述的樟脑磺酸制备工艺显著优点有：废气和固废产生量少，溶剂可回收利用，摩尔收率为90.33%，制得的产品外观为亮白色结晶，含量为99.92%，熔点达到201.2 ℃～201.5 ℃，质量水平较高。另外，如果目标产物为D-樟脑磺酸或L-樟脑磺酸，交换液可以浓缩到合适体积加入拆分剂直接拆分，省去了现有工艺中DL-樟脑磺酸的分离工序。