(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210218869.8
(22)申请日 2022.03.08
(66)本国优先权数据
202111537367.3 2021.12.16 CN
(71)申请人 青岛科技大学
地址 266042 山东省青岛市市北区郑州路
53号
(72)发明人 岳涛 肖正光 王艳 杨旭 张晨
吴耀寰 冯维春
(74)专利代理机构 北京中济纬天专利代理有限
公司 11429
专利代理师 卜娟
(51)Int.Cl.
C07C 303/02(2006.01)
C07C 309/14(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提供一种由丙烯腈制备牛磺酸的方
法，将丙烯腈磺化后再利用生物水解法得到中间
体，将中间体进行霍夫曼降解后经过中和、结晶
分离等步骤得到成品牛磺酸。相较传统的制备牛
能耗较低且环保压力较小，显著提高了牛磺酸的
收率。权利要求书1页 说明书4页CN 114671784 A 2022.06.28
C N 114671784
A
1.一种由丙烯腈制备牛磺酸的方法，其特征在于，
具体工艺流程如下：
。
2.如权利要求1所述的由丙烯腈制备牛磺酸的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（a）在35～90℃下，将丙烯腈滴加入磺化试剂水溶液中，保温反应1h，获得3‑腈基丙磺酸钠水溶液；
（b ）将生物催化剂加入到步骤（a）所得溶液中，保温在30～40℃，搅拌2h，获得3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸
钠中间体；
（c ）将中间体3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠溶于水中，控温在‑10～30℃下，将次氯酸钠水溶液滴加入到3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠中间体水溶液中，滴加完毕后，待用；
（d ）将液碱加入到步骤（c ）获得的水溶液中，并加热至60～90℃，保温1 h～3 h；
（e）将（d）中获得的反应液加入盐酸调节pH至3.0～5.3，将反应液经过高温浓缩过滤，低温结晶，溶解后经过电渗析获得纯品牛磺酸。
3.如权利要求2所述的由丙烯腈制备牛磺酸的方法，其特征在于，所述的步骤（a）中所选磺化试剂为亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、焦亚硫酸钠、硫代硫酸钠或二氧化硫与碱体系中的一种或多种组合。
4.如权利要求2所述的由丙烯腈制备牛磺酸的方法，其特征在于，所述的步骤（b ）中生物催化剂具体制备如下：
将购买的腈水解酶，nitrilase recombinant , expressed in E. coli , ≥2.0 U/mg，进行产酶细胞的培养，在基础培养基中加入葡萄糖2%，蛋白胨0.9%，3‑腈基丙磺酸钠浓度0.4%，pH 7.0，发酵液经离心分离后得含酶细胞生物催化剂为腈水解酶。
5.如权利要求2所述的由丙烯腈制备牛磺酸的方法，其特征在于，所述的步骤（c）中次氯酸钠有效氯为6%～12%，用量为3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠摩尔量的1.0‑1.2倍。
6.如权利要求2所述的由丙烯腈制备牛磺酸的方法，其特征在于，所述的步骤（d）中液碱浓度为32%，用量为3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠摩尔量的1.0～3.0倍。
7.如权利要求2所述的由丙烯腈制备牛磺酸的方法，其特征在于，所述的步骤（d）中液碱浓度为32%，用量为3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠摩尔量的1.2～2.2倍。
8.如权利要求3所述的由丙烯腈制备牛磺酸的方法，其特征在于，所述的二氧化硫与碱体系具体为二氧化硫通入到碳酸钠溶液、氢氧化钠溶液或三乙胺溶液中而制备的体系。
权 利 要 求 书1/1页CN 114671784 A
一种由丙烯腈制备牛磺酸的方法
技术领域
[0001]本申请属于化工领域，具体涉及一种由丙烯腈制备牛磺酸的方法。
背景技术
[0002]牛磺酸(Taurine)又称β‑氨基乙磺酸，最早由牛黄中分离出来，故得名。纯品为无或白斜状晶体，无臭。牛磺酸是人体必需的氨基酸，对胎儿、婴儿神经 系统的发育有重要作用。牛磺酸可广泛应用于医药、食品添加剂、荧光增白剂、有机合成等领域，也可用作生化试剂、湿润剂、pH 缓冲剂等。牛磺酸的化学合成方法根据原料和工艺不同，目前有20多种。但由于受到原料来源、生产成本、产品收率及合成工艺条件和设备要求等限制，真正能用于工业化生产的有两种方法：
乙醇胺法: 以乙醇胺为原料，两步合成牛磺酸，合成路线以酯化法收率较高且原料较易得，此合成路线以乙醇胺、硫酸和亚硫酸钠为反应原料，首先乙醇胺和硫酸发生酯化反应生成中间体2‑氨基‑乙基硫酸酯，然后中间体再和亚硫酸钠发生磺化反应合成牛磺酸。[0003]然而，酯化和磺化反应为可逆反应，导致乙醇胺的转化率和反应收率偏低，只有70%；合成过程中生成大量硫酸钠废盐，影响产品收率和质量，环保压力大；反应温度较高、反应周期长，导致能耗极大；因此，乙醇胺法现已逐渐被淘汰。
[0004]环氧乙烷法：首先环氧乙烷和亚硫酸氢钠发生开环加成生成羟乙基磺酸钠，然后在高温高压的条件下与液氨反应生成牛磺酸钠，再酸化生成牛磺酸。
[0005]然而，环氧乙烷易燃易爆且有毒，致使操作过程中存在安全隐患；第二步生成牛磺酸钠的过程需要高温高压；液氨用量较高；环氧乙烷在水中发生副反应产生乙二醇、乙醇胺等难以除去的有机杂质，影响母液回收利用率。
[0006]中国专利CN105732440A提到在氨解反应过程中，可加入含碱金属、过渡金属或者含稀土金属的催化剂，可以提高牛磺酸钠收率，但反应仍需要高温高压，条件仍较为苛刻。[0007]中国专利CN107056659A提到在氨解反应过程中同样加入含碱金属、过渡金属或者含稀土金属的催化剂，然而氨解反应仍需要高温高压，其所需压力仅比专利CN105732440A 低5MPa，该专利的条件与专利CN105732440A相比仅略微温和。
[0008]美国专利US20160355470A1提到在氨解反应中添加NaOH作为催化剂能提高牛磺酸钠的收率至90%以上，但仍需高温高压。
[0009]综上所述，现行牛磺酸制备工艺中，乙醇胺法收率低、能耗高、产生的废盐多环保压力大，环氧乙烷法反应条件较为苛刻，因此制备工艺需改进，以提高收率、降低生产过程能耗、减少生产成本。
[0010]发明内容：
针对上述问题，本发明提供由丙烯腈磺化并利用生物酶催化水合得到3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠，再制备牛磺酸，该制备工艺的收率较乙醇胺法高且反应条件较乙醇胺法温和、能耗较低，相比环氧乙烷法，该法原料较为安全、反应杂质较少、环保压力较小。[0011]为了实现上述目的，本申请采取的技术方案如下：
一种由丙烯腈制备牛磺酸的方法，具体工艺流程如下：
一种由丙烯腈制备牛磺酸的方法，具体步骤如下：
（a）在35～90℃下，将丙烯腈滴加入磺化试剂水溶液中，获得3‑腈基丙磺酸钠；
（b）将3‑腈基丙磺酸钠在生物水解酶的作用下，保温在30～40℃，通过生物水解的方式获得3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠中间体；
（c）将次氯酸钠在‑10～30℃下，加入到3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠中间体水溶液中；
（d）将液碱加入到步骤（c）获得的水溶液中，并加热至60～90℃，保温1 h～3 h；
（e）将（d）中获得的反应液加入盐酸调节ph至3.0～5.3，将（e）中获得的反应液经过高温浓缩过滤，低温结晶，溶解后经过电渗析获得纯品牛磺酸。
[0012]所述的步骤（a）中所选磺化试剂为亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、焦亚硫酸钠、硫代硫酸钠和二氧化硫与碱体系中的一种或多种组合；
所述的二氧化硫与碱体系具体为二氧化硫与碳酸钠体系、二氧化硫与氢氧化钠体系或二氧化硫与三乙胺体系。
[0013]所述的步骤（b）中生物水解酶为腈水解酶，购自Sigma Aldrich，优选的为经过3‑腈基丙磺酸钠作为选择性培养基培养的水解酶。
[0014]所述的步骤（c）中次氯酸钠有效氯为6%～12%，用量为3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠摩尔量的1.0‑1.2倍；
所述的步骤（d）中液碱浓度为32%，用量为3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠摩尔量的1.0～3.0倍，优选的为1.2～2.2倍。
[0015]由于丙烯酰胺磺化过程收率较低，为了避免其磺化过程损失，丙烯腈作为该发明的原料底物。利用磺化试剂可以做到99%的收率。
[0016]在腈转化到酰胺的步骤中，利用腈水解酶水解磺化产物继而生成3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠中间体，由于腈水解酶的选择性差异，本发明将购买的腈水解酶（nitrilase recombinant, expressed in E. coli, ≥2.
0 U/mg）进行产酶细胞的培养，在基础培养基中加入3‑腈基丙磺酸钠作为选择性培养基（葡萄糖2%，蛋白胨0.9%，3‑腈基丙磺酸钠浓度0.4%，pH 7.0），发酵液经离心分离后得含酶细胞生物催化剂，收率可达99%。
[0017]霍夫曼重排工艺经细节改进，目前可以达到98%收率，使得总体收率可以达到96%。但由于次氯酸钠的使用，不可避免会引入氯化钠，而高温过滤后牛磺酸结晶中的氯化钠较难除去，本发明通过使用电渗析的方式，使得氯化钠可以被分离，获得牛磺酸纯品。
具体实施方式
[0018]以下将通过实施例对本发明所述牛磺酸中间体3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠及牛磺酸
的制备方法作进一步的说明。
[0019]实施例1
将亚硫酸氢钠104.0 g（1 mol）溶于300 mL水中制成磺化试剂水溶液，将丙烯腈53.0 g（1 mol）滴入加热至35摄氏度的亚硫酸氢钠水溶液中，滴加1小时，滴加完毕后保温反应一小时，获得3‑腈基丙磺酸钠水溶液，液相收率92%。将购买的腈水解酶（nitrilase recombinant, expressed in E. coli, ≥2.0 U/mg）进行产酶细胞的培养，在基础培养基中加入3‑腈基丙磺酸钠作为选择性培养基（葡萄糖2%，蛋白胨0.9
%，3‑腈基丙磺酸钠浓度0.4%，pH 7.0），发酵液经离心分离后得含酶细胞生物催化剂。将该催化剂100mg加入到反应液中，加热至40摄氏度，搅拌2小时，获得3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠溶液，经浓缩重结晶后获得3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠中间体159.3 g（0.91 mol）， 收率以3‑腈基丙磺酸钠计99%，以丙烯腈计91%。而后将中间体3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠159.3 g（0.91 mol）溶于400 mL水中，在0摄氏度情况下加入807.4 g （0.91 mol） 8.0%有效氯的次氯酸钠溶液，滴加完毕后，滴加227.4g （1.82 mol）32%液碱，而后升温至70摄氏度，保温一小时，并且加入盐酸，调节pH至3.5。经过浓缩、热过滤、低温结晶获得牛磺酸粗品，将牛磺酸粗品溶于水中经过电渗析装置除去氯化钠后，浓缩结晶，获得牛磺酸104.6 g（0.84 mol），收率92%，以丙烯腈计90.1%。[0020]实施例2
将亚硫酸钠126.0 g（1 mol）溶于300 mL水中制成磺化试剂水溶液，将丙烯腈53.0 g（1 mol）滴入加热至50摄氏度的亚硫酸钠水溶液中，滴加1小时，滴加完毕后保温反应一小时，获得3‑腈基丙磺酸钠水溶液，液相收率为95%。将购买的腈水解酶（nitrila se recombinant, expressed in E. coli, ≥2.0 U/mg）进行产酶细胞的培养，在基础培养基中加入3‑腈基丙磺酸钠作为选择性培养基（葡萄糖2%，蛋白胨0.9%，3‑腈基丙磺酸钠浓度0.4%，pH 7.0），发酵液经离心分离后得含酶细胞生物催化剂。将该催化剂100mg加入到反应液中，加热至40摄氏度，搅拌2小时，获得3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠溶液，经浓缩重结晶后获得3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠中间体164.6 g（0.94mol）， 收率以3‑腈基丙磺酸钠计99%，以丙烯腈计94%。而后将中间体3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠164.6 g（0.94 mol）溶于400 mL水中，在0摄氏度情况下
加入976.3 g （1.03 mol） 8.0%有效氯的次氯酸钠溶液，滴加完毕后，滴加234.9 g（1.88 mol）32%液碱，而后升温至70摄氏度，保温一小时，调节ph至4.0。经过浓缩、热过滤、低温结晶获得牛磺酸粗品，将牛磺酸粗品溶于水中经过电渗析装置除去氯化钠后，浓缩结晶，获得牛磺酸108.1 g（0.89 mol），收率98%，以丙烯腈计93.1%。
[0021]实施例3
将碳酸钠53.0 g（0.5mol）溶于300 mL水，通入二氧化硫至pH值为7制成磺化试剂水溶液，将丙烯腈53.0 g（1 mol）滴入加热至70摄氏度的pH值为7的二氧化硫与碳酸钠水溶液中，滴加1小时，同时通入二氧化硫控制反应pH值保持在6‑8之间，滴加完毕后保温反应一小时，获得3‑腈基丙磺酸钠水溶液，液相收率为99%。将购买的腈水解酶（nitrilase recombinant, expressed in E. coli, ≥2.0 U/mg）进行产酶细胞的培养，在基础培养基中加入3‑腈基丙磺酸钠作为选择性培养基（葡萄糖2%，蛋白胨0.9%，3‑腈基丙磺酸钠浓度0.4%，pH 7.0），发酵液经离心分离后得含酶细胞生物催化剂。将该催化剂100mg加入到反应液中，加热至40摄氏度，搅拌2小时，获得3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠溶液，经浓缩重结晶后获得3‑胺基‑3‑酮‑丙磺酸钠中间体171.5 g（0.98 mol）， 收率以3‑腈基丙磺酸钠计99%，以丙烯
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