海因連續水解生成海因酸及其動力學研究

趙航宇，喬 浩，于榮華，劉存禮

(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

目前國內生產甘氨酸的主要工藝還是以氨水和氯乙酸為原料，烏洛托品為催化劑，同時添加大量的甲醇或者乙醇的氯乙酸法，該方法雖然有效解決了氯化銨難以除去的問題，但增加了成本，并且反應時間長、催化劑難以回收，對環境污染嚴重，在如今環保政策下，氯乙酸法無法達到政策要求，此工藝現已被國外所淘汰[1]。

國外生產甘氨酸的工藝主要是以氯化銨和氫氰酸為原料，但氫氰酸是劇毒物質，且該工藝耗時長，后處理較為復雜，操作要求苛刻[2]。

而海因法以海因、氫氧化鈉、和水為原料，通過從管式反應器連續進樣，在氫氧化鈉用量足夠的情況下，經歷兩步水解制得甘氨酸，過程時間短，原料無毒，反應全程在水溶液中進行，操作方便、安全。

目前全球采用的最有效的除草劑是草甘膦，且暫時還沒有新型除草劑可以代替草甘膦[3]。甘氨酸作為生產除草劑草甘膦的主要原料，保證其產能是十分重要的。我國草甘膦的年總產能可以達到56萬噸，但是在環保高壓下，廠家開工率連年下降，對于甘氨酸的供給已稍顯不足[4]，并且甘氨酸在醫藥、食品及其他方面均有使用[5]，因此，探究甘氨酸的新型生產工藝迫在眉睫。

本課題主要研究海因法制備甘氨酸的第一步——海因水解形成海因酸，探究了溫度、水解時間、以及堿用量對反應的影響，并建立了水解動力學模型。

1 實 驗

1.1 儀器和試劑

儀器：管式反應器(自制)；MP0510中壓恒流泵，上海三為科學儀器；安捷倫1260 Infinity 液相色譜儀，安捷倫儀器；MP511 pH檢測儀，三星精密儀器；SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵，鞏義市予華儀器廠；KQ2200E超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

試劑：海因(自制)；氫氧化鈉(AR)，西隴科學股份有限公司；磷酸二氫(HPLC)，國藥集團化學試劑有限公司；乙腈(HPLC)，國藥集團化學試劑有限公司；甲醇(HPLC)，國藥集團化學試劑有限公司；磷酸(AR)，國藥集團化學試劑有限公司；磷酸二氫銨(GR)，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗步驟

本課題采用的水解方式為連續水解。在燒杯中加入8.0 g海因以及一定摩爾比例的氫氧化鈉，溶于500 mL純水中，設置不同的流速從恒流泵進樣，流經管式反應器，進樣1 h后開始取樣，每次取樣時長15 min(保證取樣量足夠多，使得檢測結果更準確)，共取五次，反應液用高效液相色譜檢測[6]。

1.3 液相色譜檢測條件

液相色譜儀為安捷倫1260，采用C18液相色譜柱；室溫；檢測波長為205 nm；流動相為1:9:0.5(V/V/V)乙腈和磷酸鹽緩沖溶液和三乙胺(pH 3.0)；流速：1.2 mL/min；進樣量20 μL。待測液配制：取1 mL反應液用流動相配制成25 mL待測液，用外標法計算海因酸和海因在反應液中的濃度。

1.4 水解過程影響因素探究

水解方程式為：

(1)海因水解生成海因酸

(2)海因水解生成N-甲羧基氨基乙腈(N-Carboxymethyl Aminoacetonitrile)

1.4.1 氫氧化鈉與海因摩爾比及停留時間對水解過程的影響

圖1 氫氧化鈉與海因的摩爾比及停留時間對海因水解的影響Fig.1 Effect of molar ratio of sodium hydroxide to Hydantoin and residence time on Hydrolyzation of Hydantoin

實驗條件為：水解溫度120 ℃，海因的濃度為0.1642 mol/L，氫氧化鈉與海因的摩爾比分別為1.0:1；1.2:1；1.4:1；1.6:1；1.8:1，停留時間分別為5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min。圖1顯示，同溫度下，在氫氧化鈉用量較低并且停留時間較短的情況下，海因的轉化率也較低，而當氫氧化鈉用量的摩爾比在1.6和1.8，停留時間達到25 min以及30 min時，海因均接近完全水解，綜合考慮，選擇氫氧化鈉與海因的摩爾比為1.6，停留時間25 min更為合適。

圖2 不同溫度對海因水解的影響Fig.2 Effects of different temperatures on Hydrolysis of Hydantoin

1.4.2 溫度對水解過程的影響

氫氧化鈉與海因摩爾比為1.6:1，停留時間為25 min，分別在80 ℃、90 ℃、100℃、110 ℃、120 ℃溫度下進行水解。如圖2所示，隨著反應溫度提高到110 ℃，海因接近完全水解，且各時刻的轉化率較之其他溫度都是最高的，如圖3所示，110 ℃時海因酸的產率與120 ℃時的產率幾乎相同。因此，選擇110 ℃為較適宜的水解溫度。

圖3 不同溫度對海因酸產率的影響Fig.3 Effect of different temperatures on the yield of Hydantoic Acid

1.5 水解條件的確定

由上述實驗結果綜合分析，確定反應溫度110 ℃，停留時間25 min，氫氧化鈉與海因摩爾比為1.6:1時，是海因水解生成海因酸較為適宜的條件。

2 動力學模型的確定

2.1 水解條件的確定

(1)高效液相色譜分析

海因、海因酸、N-甲羧基氨基乙腈標準品的液相色譜圖，見圖4～圖6。

圖4 海因標準品高效液色譜Fig.4 High performance liquid chromatography of hydantoin standard

圖5 海因酸標準品高效液色譜Fig.5 High performance liquid chromatography of hydantoin acid standard

圖6 N-甲羧基氨基乙腈標準品的液相色譜圖Fig.6 High performance liquid chromatography of N-carboxymethyl aminoacetonitrile

(2)海因水解液的液相色譜檢測圖

根據液相檢測結果見圖7、圖8，對照標準品的出峰時間發現，在80 ℃和90 ℃海因水解液的液相色譜圖中只存在兩個峰——海因以及海因酸的峰，而在圖9和圖10液相色譜檢測結果中發現此時海因水解液中開始產生新的甘氨酸中間體，N-甲羧基氨基乙腈。由于海因酸在120 ℃以下并不會發生水解，因此，N-甲羧基氨基乙腈只能是海因的另一個水解產物。且隨著溫度的升高，該中間體略有增加，但經液相色譜測得的濃度極低，幾乎可以忽略不計，且N-甲羧基氨基乙腈并非在每個時刻都會產生，此因對于副反應的k值不作計算，故只需對海因水解產生海因酸這一主反應進行動力學參數計算即可。

反應全程在水溶液中進行，反應物沒有發生相變，且海因完全溶于堿液中，故認為該水解反應為均相反應[7]。

圖7 80 ℃海因水解液液相相色譜Fig.7 High performance liquid of hydantoin hydrolysate at 80 ℃

圖8 90 ℃海因水解液液相色譜Fig.8 High performance liquid of hydantoin hydrolysate at 90 ℃

圖9 100 ℃海因水解液液相色譜Fig.9 High performance liquid of hydantoin hydrolysate at 100 ℃

圖10 110 ℃海因水解液液相色譜Fig.10 High performance liquid of hydantoin hydrolysate at 110 ℃

表1 標準品色譜檢測出峰時間表Table 1 Peak time table for standard chromatographic detection

表2 各溫度的海因水解液色譜檢測出峰時間表Table 2 Chromatographic peak time table of hydantoin hydrolysate at various temperatures

2.2 水解方程

A為海因，B為海因酸，D為N-甲羧基氨基乙腈，k為總反應速率常數，k1為主反應速率常數，k2為副反應速率常數，CA為海因實驗濃度，α為主反應級數，β副反應反應級數。

建立動力學方程：

(1)

(2)

(3)

在液相色譜檢測結果中，副產物的含量幾乎為0，且出現時段不固定，因此K2不作計算。

2.3 反應級數和速率常數確定

2.3.1 反應級數和速率常數的確定

表3 海因實驗濃度Table 3 Experimental concentration of hydantoin

確定反應級數方法通常有微分法、積分法、半衰期法[8]。但是僅用這些方法計算，工程量和誤差都很大，本實驗的反應級數采用Excel宏觀規劃求解。對于一級反應，lnc-t呈線性關系，而對于非一級反應，1/c(n-1)-t稱線性關系。在Excel軟件中輸入不同溫度下的反應時間以及對應時刻的實際濃度，當n等于1時，求解lnc-t的線性關系；當n不等于1時，通過設定不同的n(級數)值，應用correl函數求出在不同溫度下，1/c(n-1)-t的最大r2值。

具體求解步驟：將實驗測得濃度數據輸入Excel單元格，A1～A7輸入80 ℃各時刻濃度，B1～B7輸入90 ℃各時刻，依此方法輸入所有溫度下測得的濃度數據。在F1～F7輸入反應時間，設置可變單元格N1，輸入初始值n值2，在G1-G7中輸入公式1/c(n-1)把n=2以及80 ℃下的各時刻濃度帶入，設置目標單元格K1，輸入correl函數，采用宏觀規劃求解，設置約束條件：$K$1<=1，點擊求解，即可求得最佳n值，使得目標單元格值最接近于1，n即為反應級數，1/c(n-1)記作M，依此方法，求得各溫度反應級數。結果如表4所示。

表4 各溫度下的M值以及最佳n值Table 4 M value at various temperatures and the best n value

表4顯示，不同溫度下，除了90 ℃時，反應級數略微高于1，其他四個溫度的級數均等于1，因此認為該反應是總反應級數為1的一級反應。

表5 -lnCA的值Table 5 Value of -lnCA

圖11 -lnc對t的關系及其線性擬合結果Fig.11 The relationship between -lnc and t and its linear fitting results

不同溫度下的-lnCA-t作圖，各斜率即為反應速率常數，見圖11。

表6 速率常數計算結果Table 6 Calculation results of rate constants

相同溫度下，比較兩種水解方式的反應速率常數，我們可以發現，管式連續水解速率常數遠遠大于釜式水解，表明在相同溫度下，管式連續水解速度要快于釜式水解。

表7 相同溫度下文獻報道的海因釜式水解[9]與實驗測得管式連續水解速率常數比較Table 7 Comparisons between tubular hydrolysis rate constants and caldron hydrolysis rate constants

2.3.2 線性擬合分析

表8 線性擬合結果Table 8 Result of linear fitting

皮爾森相關系數計算公式:

殘差平方和SSR計算公式:

從圖11中可以看出，五組數據皆呈直線關系，關系表達式為-lnc=kt+b，而表8的擬合結果顯示， 五組SSR的值均接近于0，且無論是皮爾森相關系數，還是R2值以及校正后的R2值均接近于1，表明擬合結果良好。

2.3.3 模型顯著性分析

為驗證該動力學模型的適用性，采用Origin軟件中樣本t檢驗和方差分析，對模型回歸系數以及整體顯著性進行檢驗。統計檢驗結果如表9所示。

表9 模型顯著性檢驗結果Table 9 Test result of model saliency

根據表9顯示，t檢驗樣本結果中P1遠小于0.01，方差分析中P2遠小于0.01，表明回歸系數顯著性以及模型整體顯著性都極好。證明該動力學模型在此溫度區間內是較為合適的。

2.3.4 活化能計算[10]

根據阿倫尼烏斯方程k=A0exp[-Ea/(RT)]，得

lnk=InA0[-Ea/(RT)]，以lnk-T-1作圖，得圖12。

圖12 lnk與T-1的關系圖Fig.12 Relationship between lnk and T-1

根據圖12，由線性擬合得到直線斜率γ，且R2=0.99126，擬合結果較好。把γ代入阿倫尼烏斯推導公式lnk=lnA0-Ea/(RT)得：

Ea/R=γ

Ea=R×γ=2.9307×104J·mol-1

海因水解反應活化能E為2.9307×104J·mol-1，指前因子A0為7.92×102。

3 結 論

(1)本課題通過實驗考察了溫度、堿用量、反應時間對于海因水解制備海因酸過程的影響，確定了110 ℃，堿用量1.6，反應時間25 min為最適反應條件，并且確定海因水解制備海因酸的反應是總反應為一級的平行反應，通過速率常數求得活化能E為2.9307×104J·mol-1，指前因子A0為7.92×102，同時建立了水解動力學模型。

(2)隨著反應溫度的升高，速率常數開始增大。管式連續水解速率常數比一般的釜式水解速率常數大上許多，且管式水解的活化能較低，這表明管式連續水解，除了能有效解決釜式水解耗時長這個問題之外，其反應本身所耗能更低，且不影響海因水解率及產物的產率，使得海因法生產甘氨酸這一工藝的時間和成本降低，為將來管式連續化生產甘氨酸的中試工藝以及產業化提供了一個可行性的依據。