|
Химизм процессов лактонизации и
енолизации. Превращение гидрата диацетон-2-кето-Ь-гулоновой кислоты в
L-аскорбиновую кислоту в среде индифферентного растворителя происходит в две
основные стадии.
Как первая, так и вторая стадии состоят из двух химических
процессов, а именно: первая стадия — из этерификации и гидролиза, вторая — из
лактонизации и енолизации. Однако последовательность протекания этих процессов
до настоящего времени не изучена. Считают, что в первой стадии процесса
образования эфира превалирует процесс этерификации, а в конце — процесс
гидролиза [146]. Это обусловлено тем, что для процесса гидролиза требуется
две молекулы воды. Нов системе имеется лишь одна молекула кристаллизационной
воды и очень небольшое количество воды, внесенной с реагентами.
Следовательно, в начале процесса в реакционной массе не
содержится необходимого количества воды для обеспечения гидролиза; имеющаяся
вода удерживается газообразным хлористым водородом, растворенным в спирте.
Для этерификации же в начале процесса имеются соответствующие условия, так
как выделяемая при этой реакции вода удерживается хлористым водородом. По
мере снижения концентрации хлористого водорода в результате улетучивания и
адсорбции его осадком эфира вода освобождается, что обеспечивает процесс
гидролиза (отщепление ацетоновых групп).
Другие считают [147], что на первой стадии вначале
протекает процесс гидролиза, а затем идет процесс этерификации. Однако если
гидролиз гидрата протекает вначале, то откуда появляется вторая молекула
воды, необходимая для гидролиза гидрата?
Теоретические предпосылки позволяют высказать следующие
соображения о механизме реакций, протекающих при енолизации.
1. Спиртовой раствор хлористого водорода связывает
всю воду, находящуюся в реакционной массе. Благодаря этому создаются
благоприятные условия для процесса этерификации. Образующийся эфир
диацетон-2-кето-1- гулоновой кислоты выделяется в осадок в виде аморфного
вещества, адсорбируя значительное количество хлористого водорода.
2. Освобожденная при этерификации вода
обеспечивает гидролиз с отщеплением ацетоновых групп. В результате этого
образуется этиловый эфир 2-кето-Ь-гулоновой кислоты, который является
конечным продуктом I стадии енолизации.
Опыты показали [146], что как при большом избытке, так и
при недостатке спирта в среде енолизации снижается выход аскорбиновой
кислоты. Отмечено также, что при избытке спирта наряду со снижением выхода
аскорбиновой кислоты повышается ее качество, а при недостатке спирта или при
попадании воды в хлороформ аскорбиновая кислота получается в виде гранул и
плохо промывается. Добавление больших количеств ацетона (20%) ухудшает
процесс енолизации и снижает выход.
Концентрация хлористого водорода. Установлено, что при
концентрации НС1 более 50—60 г/кг выход аскорбиновой кислоты снижается. Низок
выход аскорбиновой кислоты при концентрации НС1 28 г/кг. Наилучшие результаты
получены при концентрации 47—50 г/кг НС1 [146].
Количество индифферентного растворителя. Уменьшение
количества хлороформа с 200 до 150 и даже до 100% к массе гидрата приводит не
к снижению, а к увеличению выхода аскорбиновой кислоты [146]. При снижении
вдвое количества растворителя — хлороформа — и при сохранении абсолютного
количества спирта, ацетона и хлористого водорода концентрация последних в
среде увеличивается в два раза, что положительно влияет на процесс
енолизации.
Ступенчатость процессов енолизации. В связи со стадийностью
процессов енолизации (этерификация, гидролиз, лактонизация и енолизация)
возникла мысль о проведении ступенчатой енолизации, которая заключается в
следующем [146]:
проводят процесс эТерификации с добавлением части
хлористого водорода в герметизированном аппарате (I ступень), чтобы сохранить
весь хлористый водород для удержания максимального количества воды,
выделяемой при этерификации;
проводят процессы лактонизации и енолизации: добавляют
вторую часть хлористого водорода (II ступень) и включают «воздушку» для
удаления части хлористого водорода из раствора.
Опыты показали, что ступенчатая енолизация позволяет
получить более высокий выход аскорбиновой кислоты, чем обычная.
Режим процесса выделения и промывки аскорбиновой кислоты.
Исследования показали: •
замена нутч-фильтра центрифугой способствует повышению
качества аскорбиновой кислоты, понижению потерь и сокращению расхода
растворителя на промывку (с 1500 до 700—800% к массе аскорбиновой кислоты);
температура хлороформа в пределах 20—40° С не оказывает
какого-либо существенного влияния на потери аскорбиновой кислоты в процессе
промывки хлороформом;
на результаты процесса большое влияние оказывает материал
енолизато- ра. Енолизатор должен быть изготовлен из эмалированной стали.
Обнажение стали хотя бы на небольших участках корпуса енолизатора приводит к
быстрому разрушению эмали. Соляная кислота растворяет железо; последнее
ускоряет разрушение аскорбиновой кислоты, загрязняет ее;
качество поступающих на енолизацию гидрата ДКГК и
химикалиев. Качество гидрата диацетон-2-кето-Ь-гулоновой кислоты оказывает
большое влияние на результаты процесса енолизации. Зольность гидрата не
должна превышать 0,1—0,2%, а содержание безводного вещества составлять
91,5-92,5%;
хлороформ должен быть тщательно отделен от воды и
поступать на енолизацию в сухом виде. Попадание воды с хлороформом в
результате небрежности при его регенерации может привести к порче целых
партий аскорбиновой кислоты.
Влияние различных факторов на процессы, протекающие на
стадии ено- лизации в среде дихлорэтана [21,148]:
а) при проведении процесса енолизации в среде
дихлорэтана действуют те же факторы, что и при енолизации в среде хлороформа.
В частности, весьма важно, чтобы количество спирта в среде составляло 0,22 л на 1 кг гидрата;
б) при использовании регенерированного дихлорэтана
с плотностью 1080—1150 кг/ж3 необходимо следить за тем, чтобы плотность смеси
технического и регенерированного дихлорэтана была в пределах 1150—1170.
Повышение плотности указывает на недостаток спирта в растворителе, что может
обусловить образование трудно промывающихся гранул аскорбиновой кислоты;
в) в связи с более высокой температурой кипения
азеотропных смесей дихлорэтана (70,1—70,6° С), чем хлороформа (59,4—59,9° С),
представляется возможность значительно ускорить процесс енолизации в среде
дихлорэтана при атмосферном давлении и довести продолжительность енолизации
до 13 ч [149]. Однако при этом ухудшается качество и снижается выход
аскорбиновой кислоты.
Необходимо поэтому подчеркнуть, что скоростной метод
енолизации в среде дихлорэтана требует дополнительных исследований;
г) в литературе имеются данные о деструкции
фурфурола в присутствии кислот, причиной которой является молекулярно
растворенный кислород [148а]. По-видимому, это явление может иметь место на
стадии енолизации, а следовательно, применение С02 или азота на этой стадии
должно дать положительный эффект.
Влияние различных факторов на процессы перекристаллизации
аскорбиновой кислоты [150]. 1. Повышение температуры водных растворов
аскорбиновой кислоты способствует интенсификации процесса ее распада. В связи
с этим необходимо понизить температуру: всех жидких продуктов (маточников и
промывных вод) при хранении до 0°; утфеля при фуговке до 0 минус 2° С; массы
при упаривании в утфель до 50—55° С.
2. С возрастанием количества добавляемого
активированного угля адсорбционный эффект увеличивается, но наряду с этим
повышаются потери аскорбиновой кислоты. При добавлении 5% активированного
угля к массе аскорбиновой кислоты потери ее составляют 6,6—8,7%, а при
снижении количества угля до 1,5—2,0% потери уменьшаются до 2% [150].
3. Самые низкие потери аскорбиновой кислоты
получены при продолжительности контакта угля с водным раствором аскорбиновой
кислоты 2 мин.
4. Окислительное свойство активированного угля
может быть устранено путем специальной обработки его (восстановления) по
следующему методу (В.. Букин). Уголь размешивают с десятикратным количеством
холодной (15—17° С) известковой воды. В смесь вводят 100—150 г глюкозы на 1 кг угля, подогревают до кипения и кипятят в течение 3 мин. Затем уголь отфильтровывают и промывают
горячей водой до исчезновения щелочной реакции по фенолфталеину.
Отфильтрованный уголь помещают в герметизированный сосуд, наполненный С02.
Применение «восстановленного» угля для очистки аскорбиновой кислоты
увеличивает ее выход на стадии перекристаллизации на 1,5—2,0% к массе
введенной технической аскорбиновой кислоты [150].
5. Продолжительное хранение полупродуктов
перекристаллизации приводит к большим потерям аскорбиновой кислоты.
Следовательно, при перекристаллизации необходимо устранить задержку
полупродуктов на заводском верстате.
6. Во всех процессах перекристаллизации необходимо
строго соблюдать четкость в разделении продуктов по их качеству, т. е.
направлять на совместную переработку лишь те продукты, которые имеют
одинаковую доброкачественность и цветность.
7. Для обеспечения сохранности аскорбиновой
кислоты необходимо исключить факторы, способствующие распаду ее. К ним
относятся влага, кислород воздуха, тяжелые металлы (катализаторы).
Влажность медицинской аскорбиновой кислоты не должна
превышать 0,1%. Для предотвращения отсыревания аскорбиновой кислоты
рекомендуется при расфасовке в крупной таре снабдить ее бязевыми пакетами с
сили- кагелью. Для исключения притока кислорода воздуха тара, в которую
расфасовывают аскорбиновую кислоту, должна быть так же герметичной, как для
консервов.
Для доведения до минимума содержания железа в продукте
рационально вводить на первой кристаллизации трилон-Б (динатриевая соль
этиленди- аминтетрауксусной кислоты) в количестве 40 г на 100 кг технической аскорбиновой кислоты. Содержание железа в техническом продукте составляет
(2—5)10"®%, а в медицинском—(3—15)10~6%.
Исходя из указанных выше положений, можно следующим
образом сформулировать основные требования, предъявляемые к процессам
перекристаллизации аскорбиновой кислоты:
необходимо максимально ускорить все процессы очистки и
перекристаллизации аскорбиновой кислоты (скоростной метод);
необходимо понизить температуру на всех стадиях
производства и хранить промежуточные продукты при температуре около 0°
(холодный метод);
необходимо строго ограничить количество применяемого для
очистки активированного угля и до применения подвергать его «восстановлению»;
чистота технической аскорбиновой кислоты, поступающей на
перекристаллизацию, должна быть не ниже 98,0%, а цветность не выше 20
ед.ВНИВИ.
Получение технической аскорбиновой кислоты и ее
перекристаллизация
Сырье и химические реактивы. Эффективность процесса
енолизации гидрата диацетон-2-кето-1-гулоновой кислоты (ДКХК) во многом
зависит от качества сырья и в первую очередь гидрата ДКГК и органического
растворителя. Гидрат должен содержать 91,5—92,5% вещества и не более 0,1—
0,2% золы. Хлороформ (дихлорэтан) должны быть освобождены от воды. Плотность
(в кг!мг) растворителей, вводимых в реакцию, для хлороформа составляет
1290—1350 кг/м3, а для дихлорэтана— 1150—1170 кг!м3.
Спиртовой раствор хлороводорода получают либо
периодическим процессом путем взаимодействия концентрированных серной и
соляной кислот [53], либо синтезом из элементов. В последнем случае хлористый
водород получают в результате взаимодействия хлора с водородом в реакционном
аппарате (печь) при температуре 600—700° С. Водород и хлор из ресиверов через
ротаметры подаются в печь. Перед включением систему продувают вначале азотом
10—15 мин, а затем водородом. Включайт запальник (электроспираль) и подают в
печь хлор. Для полноты реакции необходим небольшой избыток водорода 1,1 :
1,0. При установившейся реакции выключают запальник, так как реакция идет
автотермично вследствие выделения большого количества тепла (22,1 ккал1{г
моль). Из реакционного аппарата газообразный хлороводород охлаждают и
направляют в абсорбционную колонную установку барботажно-пенного типа или в
батарею стеклянных бутылей, помещенную в баке с проточной холодной водой.
Насыщение спирта ведут до содержания НС1 250—300 г/л. На 1 кг газообразного хлористого водорода расходуют 0,98 кг жидкого хлора и 0,39—0,4 мъ водорода.
Енолизация в среде хлороформа. Процесс енолизации
осуществляют в аппарате-енолизаторе. В реактор загружают смесь технического и
регенерированного хлороформа в таком соотношении, чтобы плотность смеси была
равна 1290—1350 кг/м3 из расчета 1,5 л хлороформа на 1 кг гидрата диаце- тон-2-кето-Ь-гулоновой кислоты. Последний загружают при непрерывном
перемешивании. Затем в реакционную массу добавляют спиртовой раствор
хлористого водорода из расчета 50 г хлористого водорода на 1 кг гидрата. Необходимо следить за тем, чтобы содержание спирта в реакционной массе составляло 0,22 л на 1 кг гидрата . Реакционную смесь нагревают в течение 2 я до 58—60° С и при этой
температуре и непрерывном помешивании (частота вращения мешалки 50 об/мин.)
выдерживают в течение 48 я. После этого процесс енолизации и лактонизации
считается законченным, реакционную массу охлаждают до 15° С и выгружают.
Для стабилизации процесса енолизации и снижения расхода
хлороформа целесообразно проводить ступенчатую енолизацию в малом объеме
хлороформа [150]. Для этой целй гидрат диацетон-2-кето-Ь-гулоновой кислоты
растворяют в 1,0—1,1 л хлороформа, в начале процесса вводят 40 г хлористого водорода, а через 24 я после начала енолизации — 15 г. Енолизатор должен быть герметизирован для сохранения хлористого водорода. Перед спуском реакционной массы
рекомендуется добавлять в енолизатор регенерированный хлороформ в количестве
около 0,5 л на 1 кг гидрата. Необходимо также предусмотреть в енолизаторе
спускной штуцер с диаметром не менее 100 мм, а в качестве запорного клапана кран вместо вентиля. Следует также подвести сжатый инертный газ к енолизатору для
продувки спускной коммуникации.
Енолизация в среде дихлорэтана. В реактор загружают смесь
технического и регенерированного дихлорэтана плотностью 1150—1170 кг/ж3
(плотность регенерированного дихлорэтана 1080—1150 кг/м3). Общее количество спирта
должно быть 0,22 л на 1 кг гидрата. Дихлорэтана вводят 1,5 л на 1 кг гидрата. Спиртового хлористого водорода добавляют из расчета 45—50 г НС1 на 1 кг гидрата ступенчато: 75% при загрузке и 25% через 24 я. Реакцию ведут при температуре 58—60° С в
течение 48 я.
Выделение технической аскорбиновой кислоты. Аскорбиновая
кислота из реакционной массы должна быть выделена центрифугированием.
Аскорбиновую кислоту отфуговывают в центрифуге от маточного раствора, затем
хорошо отжимают.
Промывку аскорбиновой кислоты осуществляют легкой фракцией
регенерированного растворителя (для хлороформа плотность 1200—1220 кг/м3, для
дихлорэтана 1080—1100 кг/м3). Промывка производится 3 раза (по 6—7 л) на
центрифугу типа ТВ-600. Необходимо тщательно следить за качеством промывки
аскорбиновой кислоты.
При необходимости аскорбиновую кислоту промывают спиртом
из расчета 0,1 л на 1 кг аскорбиновой кислоты. В качестве фильтрующего
материала применяют мешок из бельтинга.
Сушка аскорбиновой кислоты. Промытую аскорбиновую кислоту
выгружают, измельчают на кусочки и сушат в вихревой сушилке ( 44) при
температуре нагнетаемого воздуха 90—95° С (см. стр. 351).
Регенерация растворителя. Хлороформ. Хлороформовый
маточный раствор и промывные хлороформовые смеси нейтрализуют до
слабощелочной реакции (по фенолфталеину) и разгоняют по фракциям: отгон с
плотностью 1290—1350 кг/м3 используется для енолизации в смеси с техническим
хлороформом, а фракции с меньшей плотностью применяют для промывки
аскорбиновой кислоты. При необходимости фракции с пониженной плотностью
отмываются от спирта и ацетона водой до плотности их 1290—1350 кг/м3.
Разгонка хлороформа производится в перегонном аппарате из
нержавеющей стали, снабженном поверхностным конденсатором.
Дихлорэтан. Дихлорэтановый маточный раствор и промывные
дихлорэтановые смеси регенерируют таким же образом, как и хлороформо- вые. В
связи со способностью дихлорэтана образовывать с водой более стойкие
эмульсии, чем хлороформ, вследствие меньшей разницы в плотности растворителя
и воды целесообразно для разделения смесей применять систему флорентийских
сосудов. На 45 приведена схема непрерывно действующей водоотделительной
установки для регенерации дихлорэтана или хлороформа. Из выпарного
перегонного аппарата 1 пары растворителя поступают в конденсатор 2, а
конденсат в сборник 3 для расслаивания, а затем в сборник 4, охлаждаемый
рассолом (для лучшего расслоения дихлорэтана и воды). Дихлорэтан поступает в
сборник сухого растворителя 5, откуда насосом 6 подается в енолизатор 7, где
смешивается с техническим дихлорэтаном, поступающим из сборника 8.
Регенерированный дихлорэтан из сборника 5 поступает также в центрифугу 9 для
промывки аскорбиновой кислоты. Маточный раствор из центрифуги поступает в
сборник 10, откуда насосом 11 перекачивается в перегонный аппарат 1. Сборники
снабжены воздушниками, присоединенными к конденсатору 12, охлаждаемому
рассолом. Конденсат из последнего поступает в делительную воронку 13.
Отстоявшаяся в флорентийских сосудах вода непрерывно выводится сверху в
контрольный сборник.
Для обеспечения низкого расхода растворителя необходимо
обеспечить полную герметизацию всех сборников, коммуникации и фильтрующих
аппаратов. Уплотняющие прокладки должны быть изготовлены из клингери- та или
паранита, прогретого в олифе и смазанного свинцовым суриком на олифе или на
свинцовых белилах. Для сальников применяется прографи- ченная пеньковая
набивка.
Другие перспективные методы енолизации
диацетон-2-кето-Ь-гулоновой кислоты.
1. Предложено смесь расплавленного гидрата
диацетон-2-кето-1-гуло- новой кислоты в присутствии каталитического
количества концентрированной соляной кислоты нагревать при температуре 70—75°
С с одновременной отгонкой отщепляющегося ацетона [150а]. Это позволяет
исключить из производства токсические органические растворители и сократить
продолжительность процесса.
2. Процесс енолизации проводят в присутствии
ионообменных смол. Вначале осуществляют этерификацию
диацетон-2-кето-£-гулоновой кислоты в спиртовом растворе в присутствии
катионита в Н-форме. Реакционную массу без выделения эфира подвергают
енолизации в присутствии анионо- обменных смол при температуре около 60° С.
Аскорбиновая кислота адсорбируется на смоле и выделяется обычным методом .
Приводится один из следующих примеров [1506]. 30 г диацетон-2-кето-Ь-гулоновой кислоты растворяют в 200 мл метанола, добавляют 8 г Амберлита 200 (Н-формы) и при перемешивании нагревают 1 ч с обратным холодильником. После отгонки
растворителя (постепенно в течение 4 ч) удаляют смолу, вводят анио- нит
Амберлит 1RA-410 (100 мл) и проводят реакцию енолизации. Аскорбиновую кислоту
элюируют из смолы 4%-ным водным раствором едкого натра. Получают 15,9 г аскорбиновой кислоты. Выход составляет 88%.
Перекристаллизация аскорбиновой кислоты. В результате
лабораторных исследований доказано, что аскорбиновая кислота в водных
растворах при рН ниже 7 распадается по следующей схеме: аскорбиновая кислота
-> де- гидроаскорбиновая кислота дикето-Ь-гулоновая кислота фурфурол + +
С02 —продукты конденсации фурфурола-осмола (см. стр. 240). Эта реакция протекает
при рН <7,0, и при этом чем ниже рН, тем интенсивнее идет процесс распада.
Распад аскорбиновой кислоты ускоряется при повышении
температуры, увеличении времени воздействия температуры и увеличении
количества активированного угля.
Исходя из этих теоретических соображений, выявляется
необходимость:
ускорения всех процессов очистки и перекристаллизации
аскорбиновой кислоты (скоростной процесс);
понижения температуры на всех стадиях производства
медицинской аскорбиновой кислоты и хранения всех промежуточных продуктов при
температуре около 0° (холодный процесс);
строгого ограничения количества применяемого для очистки
активированного угля.
Первая кристаллизация. Техническая аскорбиновая кислота,
поступающая на перекристаллизацию, должна иметь чистоту не ниже 98,0% и
цветность не выше 20 ед. ВНИВИ.
В реактор-смеситель 1 ( 46) подают воду из сборника 2,
исходя из расхода 1,1 л воды на 1,0 кг аскорбиновой кислоты, и подогревают ее до 85—90° С. Затем в горячую воду подают техническую аскорбиновую кислоту,
которую быстро растворяют при температуре 70—75° С. Далее в смеси
тель вводят «восстановленный» активированный уголь из
расчета 1,5—2,5% к массе технической аскорбиновой кислоты и раствор с углем
выдерживают 2 мин, потом быстро фильтруют (7—8 мин) через нутч-фильтр 3.
Фильтрованный раствор направляют в кристаллизатор 4, где он кристаллизуется
6—8 ч. Конечная температура кристаллизации 0 минус 2° С. Затем утфель подают
в центрифугу 5, где аскорбиновую кислоту отфуговывают от маточного раствора,
промывают сначала ледяной водой из расчета 6—10 л на 100 кг технической аскорбиновой кислоты, затем 96%-ным спиртом из расчета б—10 л на 100 кг кислоты.
Промытую кислоту под вакуумом сушат в сушилке 6. Выход
перекристаллизованной аскорбиновой кислоты I составляет 65—70% к массе
введенной кислоты.
Вторая кристаллизация. Маточный раствор, поступающий в
сборник 7 из центрифуги, насосом 8 направляют в аппарат-смеситель 9, где при
температуре 50° С его обрабатывают в течение 2 мин восстановленным
активированным углем в количестве 1,5—2,5% к массе введенной аскорбиновой
кислоты.
В этот же смеситель направляют угольные промывные воды из
сборника 10, в который их подают из нутч-фильтра 3 насосом 8. Из смесителя 9
маточный раствор поступает в нутч-фильтр 11, затем в сборник 12, откуда его
засасывают в вакуум-аппарат 13, в котором выпаривание воды ведется под
вакуумом 675—700 мм рт. ст. до содержания 80—82% сухих веществ .
Утфель спускают в кристаллизатор 14, где он
кристаллизуется в течение 12 ч при температуре около 0°. Затем утфель
поступает в центрифугу 15, в которой его после отфуговки маточника промывают
ледяной водой и 50%-ным спиртом. Кристаллы аскорбиновой кислоты II направляют
для перекристаллизации в аппарат-смеситель 1 и выпускают ее в качестве
готового продукта.
Третья кристаллизация. Маточный раствор II из центрифуги
15 направляют в сборник 16, из которого насосом 17 его подают в ап-
парат-смеситель 18. Туда же поступают угольные промывные II из сборника 19,
подаваемые в него из нутч-фильтра 11 насосом 17.
Раствор при температуре 50° С обрабатывают в течение 2 мин
активированным углем в количестве 1,5% к массе введенной аскорбиновой
кислоты. Затем маточный раствор II поступает в нутч-фильтр 20, из него в
сборник 21, вакуум-аппарат 22, кристаллизатор 23, центрифугу 24.
Продолжительность кристаллизации 24 ч. Кристаллы аскорбиновой кислоты III
после промывки ледяной водой вместе с маточным раствором I направляют на перекристаллизацию
в аппарат-смеситель 9.
Четвертая кристаллизация. Маточный раствор III из
центрифуги 24 поступает в сборник 25. В этот же сборник поступают угольные
промывные воды III из нутч-фильтра 20. Далее раствор идет в вакуум- аппарат
26, где его упаривают до содержания 70% сухих веществ. Затем утфель спускают
в кристаллизатор 27. Процесс кристаллизации продолжается 48—72 ч. Перед
фуговкой при необходимости утфель раскачивают этиловым спиртом или маточным
раствором III для облегчения фуговки утфеля в центрифуге 28.
Кристаллы аскорбиновой кислоты IV направляют для
перекристаллизации в аппарат-смеситель 18. Маточный раствор IV, поступающий в
сборник 29 из центрифуги 28, является отходом производства.
Выход 100%-ной аскорбиновой кислоты при перекристаллизации
технической аскорбиновой кислоты составляет 92—94%.
|