CN109265355A - 戊二胺辛二酸盐及其晶体 - Google Patents

戊二胺辛二酸盐及其晶体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了戊二胺辛二酸盐及其晶体结构，及其制备方法。所述的戊二胺辛二酸盐是戊二胺二价阳离子与辛二酸二价阴离子以摩尔比为1:1的方式结合而成的常温下呈现固体状态的盐。其晶体结构为C13H28N2O4，单斜晶系，C2/c空间群， α＝90.00°，β＝117.673(4)°，γ＝90.00°，晶胞体积

Description

戊二胺辛二酸盐及其晶体
技术领域
本发明属于生物基材料单体结晶技术领域，具体地说，是涉及生物基尼龙58的单体戊二胺辛二酸盐，及其晶体结构、及其结晶粉末，以及其制备方法。
背景技术
尼龙58是由生物基戊二胺(1-5-Diaminopentane，又名尸胺(Cadaverine)和石油基辛二酸聚合而成的合成材料，具有良好的力学性能，关于其应用研究学术界还处于实验室阶段，有望成为推向市场的一种新的聚酰胺材料。高品质的单体是合成高品质尼龙58的关键。戊二胺在常温常压下以无色粘稠的发烟液体形式存在，具有类似氨气的恶臭刺激性气味，挥发性较强，且易吸收空气中的二氧化碳生成戊二胺碳酸盐，极大影响戊二胺的自身纯度，相对于固体原料而言，在运输和使用过程中相对不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种戊二胺与辛二酸等摩尔比的高纯度的戊二胺辛二酸盐及其晶体，并提供一种戊二胺辛二酸结晶盐的制备工艺。本发明制得的戊二胺辛二酸结晶性盐，可以作为单体直接用于尼龙58的聚合。聚合反应示意图如式III所示：
本发明意在提供一种生物基尼龙58材料的单体，戊二胺辛二酸盐，及其晶体结构，及其结晶粉末，以及制备方法。相对于传统的需要戊二胺和辛二酸两个组分才能进行的尼龙58聚合工艺，本发明提供的这种戊二胺辛二酸盐的产品，通过结晶方式获得，产品以戊二胺与辛二酸等摩尔比的晶体的方式呈现，可以直接用于聚合，在结构上具有稳定性，化学纯度高、颗粒性好，在运输、使用、储存及质量方面均有优势。
本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种固体状态的戊二胺辛二酸盐，又称尸胺辛二酸盐，所述的戊二胺辛二酸盐是戊二胺二价阳离子与辛二酸二价阴离子以摩尔比为1:1的方式结合而成的常温下呈现固体状态的盐，其分子结构如式I所示：
本发明还公开了一种戊二胺辛二酸盐的晶体，所述戊二胺辛二酸盐的分子式为C13H28N2O4，不含结晶水，分子结构式如式II所示：
本发明所述的戊二胺辛二酸盐的晶体结构属于单斜晶系，C2/c空间群， α＝90.00°，β＝117.673(4)°，γ＝90.00°，晶胞体积晶胞内最小不对称单元数Z＝4。在其最小不对称单元中，含有1个戊二胺阳离子和1个辛二酸阴离子。其晶胞的最小不对称单元图基本如图1所示，晶胞结构图基本如图2所示，晶胞堆积图基本如图3所示，其晶体结构的详细数据——键长信息基本如图9所示，键角信息基本如图10所示，二面角信息基本如图11所示，氢键信息基本如图12所示。其晶体结构测定过程中，衍射数据在298(2)K下进行收集。
本发明所述的戊二胺辛二酸盐的晶体，具有基本上如图4所示的用CuKα射线作为特征X射线进行衍射分析的衍射图谱，其X射线粉末衍射反射角2θ±0.1及其对应的d值、相对峰强度如图7所示。
本发明所得的戊二胺辛二酸盐的晶体结构的检测方法及仪器如下：
单晶X-ray衍射测定晶体结构与解析方法：取培养出的质量较好的戊二胺辛二酸盐单晶，切割成约0.12×0.21×0.45mm3大小的块状，经布鲁克APEX-II CCD衍射仪Mo Kα放射源(石墨单色器，)对样品进行照射，并收集衍射数据，衍射数据经SAINT进行还原后用SHELXL-97软件直接法进行结构解析，并基于F2的全矩阵最小二乘法精修，所有的非氢原子通过各向异性精修。最终数据通过Mercury 3.3或MaterialsStudio 7.0软件作图。
粉末X-ray衍射：研磨后的样品，取约0.1g，通过粉末X射线衍射仪(日本理学Smartlab或Bruker D8Advance)在室温下进行衍射数据收集，光源为CuKα射线 扫描步长为0.02°，设定扫描电压40kV，电流40mA，扫描速率0.2s/0.02°，扫描范围2θ为5～50°，数据通过JADE 6.5软件处理作图。
热重分析(Thermogravimetric Analysis，TG或TGA)：取约5mg的样品放置于热重分析仪(TGA Q500V20.13Build 39)的铝坩埚里进行加热分析，设定加热温度从室温-350℃，加热速率为10k/min，吹扫载气为N2和空气，平衡载气为氮气，吹扫速率40ml/min；样品载气为氮气，吹扫速率60ml/min。
差示扫描量热法(Differential Scanning calorimeter，DSC)：取约5mg的样品放置于DSC分析仪(DSC Q2000V24.11Build 124)的铝坩埚里进行加热分析，设定加热温度从室温-350℃，加热速率为10k/min，吹扫载气1和2均为N2，吹扫速率均为50ml/min。
上述戊二胺辛二酸盐的结晶粉末，呈白色。
上述晶体形成的结晶粉末，具有大于0.22g/mL的堆积密度，优选大于0.30g/mL，更优选大于0.36g/mL的堆积密度。
上述晶体形成的结晶粉末，具有大于0.25g/mL的振实密度，优选大于0.33g/mL，更优选大于0.40g/mL。
上述晶体形成的结晶粉末，具有大于30μm的d50，优选大于40μm，更优选大于45μm。
上述晶体形成的结晶粉末，具有大于11μm的d10，优选大于15μm，更优选大于18μm。
本发明所述的d50和d10是用于表明粒度分布的通常的量。所述的d50是用于粒度的值，使得50vol.％的晶体具有小于这个值的尺寸。所述的d10是用于粒度的值，使得10vol.％的晶体具有低于这个值的尺寸。
所述的堆积密度和振实密度是与粉末的流动特性相关的量。总体上，希望高的堆密度和振实密度值。堆密度指出在预定条件下每体积单位粉末的重量，表示为通常以g/mL计的每体积单位的重量。振实密度也表明了每体积单位粉末的重量，在该粉末的保持器中，经受在预定条件下的拍打或振动。振实密度表示为通常以g/mL计的每体积单位的重量。通过拍打或振动，更多的粉末可以供给到该保持器中。因此，对于同一粉末，其振实密度高于堆密度。
堆积密度与振实密度大的粉末，其比重往往较大，可以反映出晶体产品比较厚实，有质感，其稳定性也会相对较好；从另一个角度讲，堆积密度大的产品，颗粒的流动性一般较好，也便于储存和运输。
那么具体地，所述晶体粉末颗粒尺寸分布、堆积密度、振实密度的测量方法如下：
使用Microtrac S3500颗粒粒度分析仪确定来自混合器的样品的颗粒尺寸分布(包括d10和d50)，湿法测定；
颗粒的堆积密度按USP方法II(第1914页)来测定；
颗粒的振实密度依据GB/T 5162-2006，通过FZS4-4经济型振实密度测定仪进行测定。具体地，测定条件为：拍实装置的振动冲程为3±0.1MM，振动频率为每分钟250±15次。
将上述晶体配制成质量分数为5％的水溶液时，体系pH值在4.1～10.0之间，优选5.5～9.0，更优选6.0～8.0。
本发明所述的固体或固体粉末是物质的一种聚集状态，包括无定形和晶体。
本发明所述的结晶粉末，指具有一定结晶度的粉末，是相对于无定形而言。
本发明所述的晶体是对X射线有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。
本发明还公开了一种组合物，包含
(i)本发明所述的戊二胺辛二酸盐的晶体和
(ii)(a)辛二酸；或
(b)戊二胺。
上述组合物使得混合物中戊二胺与辛二酸的摩尔数之比不等于1:1。
本发明最后公开了上述戊二胺辛二酸盐的晶体的制备方法，包括，从含有溶解的戊二胺和辛二酸的溶液中结晶出戊二胺辛二酸盐；从所述溶液中分离出晶体；干燥所分离的晶体。
其中，包括在干燥过程中或干燥后对晶体进行机械冲压。
其中，所述的含有溶解的戊二胺和辛二酸的溶液按照下述任一种方式制备得到：
(i)将辛二酸和戊二胺同时加入溶剂中；
(ii)将辛二酸和戊二胺先后加入溶剂中；
(iii)将戊二胺加入溶剂中形成戊二胺溶液；将辛二酸加入溶剂中形成辛二酸溶液或形成含有部分未溶解辛二酸固体的辛二酸溶液，而后将两者混合；其中，溶解戊二胺的溶剂和溶解辛二酸的溶剂可以相同也可以不同。
其中，所述的溶剂包括甲醇、乙醇、水、正丙醇、乙酸乙酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、异丙醇、丙酮、丁酮、石油醚、四氢呋喃和DMSO的一种或几种。
其中，辛二酸的加入方式可以多种多样，比如以固体的方式一次性直接加入到溶剂之中，或者以固体的方式多次缓慢加入溶剂之中，或者先将辛二酸用所述溶剂溶解，而后一次性加入或者分多次加入到尸胺溶液之中。优选先将辛二酸用所述溶剂溶解后再加入到尸胺溶液之中的操作方式。
上述戊二胺辛二酸盐的晶体的制备方法，具体地，比如将戊二胺加入到有机溶剂中，或水与有机溶剂的二元溶剂中，或水与多种有机溶剂的混合溶剂中，或者水相之中，充分混匀后，加入辛二酸，在温度10～60℃范围内，在搅拌状态下缓慢析晶，1～72h小时后有白色晶体析出，晶浆经过抽滤或离心进行固液分离，所得固体在35～80℃下真空干燥，即得戊二胺辛二酸盐结晶粉末，或本发明所述的组合物。
其中，晶体制备过程中戊二胺的重量g与溶剂的体积mL的比可以为1:0.5～20；辛二酸的加入量，其与戊二胺的摩尔比可以为0.4～2.0，优选等摩尔比。
需要指出的是，戊二胺与辛二酸以等摩尔比的形式进行反应结晶，那么所获得的固体产品就更容易形成以戊二胺阳离子和辛二酸阴离子等摩尔比的戊二胺辛二酸盐结晶体，其5wt％水溶液的pH值在6.0～8.0之间，优选6.5～7.5之间。如果晶体制备过程中所加入的辛二酸的总摩尔数大于或小于初始加入戊二胺的摩尔数，那么所得固体产品就更容易形成本发明所述的组合物，其产品的5wt％水溶液的pH将显示非中性。
具体地，当所加入的辛二酸的摩尔数大于初始戊二胺的摩尔数时，所得粉末将显示弱酸性或酸性；当所加入的辛二酸的摩尔数小于初始戊二胺的摩尔数时，所得粉末将显示弱碱性或碱性。
需要指出的是，在本发明所述的制备方法里，在固液分离后，需要用到洗涤剂洗涤固体，以除去固体表面携带的结晶母液中的杂质，洗涤剂可以为结晶制备过程中使用的所述溶剂。
需要指出的是，在本发明所述制备方法里，干燥的过程对戊二胺辛二酸盐粉末的品质有一定影响，较低的干燥温度可能引起干燥不充分导致溶剂残留超标或者结块的现象；过高的干燥温度容易使得产品发黄。在本发明所述的制备方法下，干燥方式优选真空干燥和鼓风干燥，干燥温度可以从35～80℃，优选40～70℃，真空度低于300mbar，优选低于100mbar，更优选低于50mbar。
需要指出的是，在本发明所述的制备方法里，工艺中戊二胺的来源，可以是单一组分的戊二胺，也可以是生物法制备戊二胺过程中在分离后期的含有戊二胺的溶液。
需要指出的是，结晶过程可以间歇或者连续地进行。当该工艺过程间歇进行时，优选向结晶体系中添加晶种。优选结晶连续地进行。
另外，本发明所涉及的戊二胺辛二酸盐晶体结构的更加详细的信息，在说明书附图中给出。
有益效果：相对于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明使得戊二胺与辛二酸直接结合形成固体盐，不仅改变了戊二胺的存在形态，提高了产品的稳定性，而且极大地降低了原有的恶臭气味，有利于改善聚合工段工人的工作环境；(2)本发明提供的尼龙58晶体盐，不仅方便储藏和运输，而且改善了后续聚合工艺的可操作性；(3)本发明提供的尼龙58单体盐，以高度结晶的状态存在，纯度高，可以直接用于尼龙58的聚合。
附图说明
图1戊二胺辛二酸盐的最小不对成单元的分子椭球图；
图2戊二胺辛二酸盐的沿b轴方向的晶胞结构图；
图3戊二胺辛二酸盐的沿b轴方向的晶胞堆积图；
图4戊二胺辛二酸盐的X-ray粉末衍射图谱；
图5戊二胺辛二酸盐的TG分析图谱；
图6戊二胺辛二酸盐的DSC分析图谱；
图7戊二胺辛二酸盐X-ray粉末衍射的特征谱线；
图8戊二胺辛二酸盐晶体及其结构相关信息；
图9戊二胺辛二酸盐结构中的键长信息(Angstrom)；
图10戊二胺辛二酸盐结构中的键角信息(Deg)；
图11戊二胺辛二酸盐结构中的二面角信息(Deg)；
图12戊二胺辛二酸盐结构中的氢键信息(Angstrom,Deg)；
图13产品的表征；
图14稳定性实验。
具体实施方式
本发明涉及的戊二胺辛二酸盐结晶粉末以及本发明所述的组合物的制备方法，通过下面非限制性的实施例将进一步阐明，以下实施例只是描述性的，不是限制性的，不能以限定本发明的保护范围。
实施例1：
将15.00g戊二胺加入到100mL 95％乙醇水溶液中(乙醇体积分数为95％)，充分搅匀，形成戊二胺乙醇水溶液。将27.00g辛二酸固体加入到350mL无水乙醇水溶液中，形成辛二酸的乙醇溶液，而后将二者混合于500mL结晶器中，控制温度在25℃，搅拌48h，出现白色晶体物质，下罐，抽滤的方式进行固液分离，用150mL 95％的乙醇洗涤固体，而后鼓风干燥固体3h，维持温度60～80℃，即得戊二胺辛二酸盐结晶粉末，其晶体结构如图2、图3所示，详细的晶体学数据如图8所示，晶体结构为C13H28N2O4，单斜晶系，C2/c空间群，α＝90.00°，β＝117.673(4)°,γ＝90.00°，晶胞体积晶胞内最小不对称单元数Z＝4，不含结晶水，在其最小不对称单元中，含有1个戊二胺阳离子和1个辛二酸阴离子，如图1所示。其晶体结构的详细数据——键长信息如图9所示，键角信息如图10所示，二面角信息如图11所示，氢键信息如图12所示。此结晶粉末的热重分析图谱如图5、图6所示：在99.34℃时有一个吸热峰，且伴随有一个小的失重台阶，在此时开始失去晶体粉末表面的水分或者残留溶剂；在142.65℃后产品开始熔融并分解。此结晶粉末对CuKα射线作为特征X射线的衍射图谱如图4所示，具体衍射数据如图7所示。将其配制成质量分数为5％的水溶液时，体系pH值为5.4。该粉末具有良好的颗粒性、流动性、稳定性。
实施例2：
将30.00g的戊二胺加入到100g甲醇中，充分搅匀，形成戊二胺甲醇溶液。将51.15g的辛二酸置于500g甲醇中，在25℃下，以2mL/min的流速滴入戊二胺甲醇溶液中，在搅拌状态下进行结晶，并监测过程pH变化，在pH 11.0左右，加入0.15g晶种，暂停流加，养晶3h后，以0.5mL/min的流速将辛二酸甲醇溶液滴入结晶体系，待完全流加结束后，继续搅拌2h，下罐，通过抽滤进行晶桨的固液分离，而后用80～100mL乙醇洗涤，而后于45℃下真空干燥8h，获得戊二胺辛二酸盐结晶粉末，其粉末X射线衍射图谱基本如图4所示。将其配制成质量分数为5％的水溶液时，体系pH值为7.5。该粉末具有良好的颗粒性、流动性、稳定性。
实施例3：
将50.00g辛二酸溶解于500g的异丙醇之中，呈均一的辛二酸异丙醇溶液，而后移入1000mL的结晶器中。将35.00g的戊二胺溶于300mL 95％的丙酮水(丙酮体积分数占95％)溶液之中，形成戊二胺丙酮水溶液。而后用泵将戊二胺丙酮水溶液以2mL/min的方式滴入辛二酸异丙醇溶液之中，当加入的戊二胺的物质的量为辛二酸物质的量的15％时，加入0.3g晶种，以0.2mL/min加入剩余戊二胺丙酮水溶液，整个过程在搅拌状态下进行，转速控制在250～400rpm，温度控制在15℃，当完全流加结束时，结晶结束，下罐进行固液分离，而后用100mL异丙醇洗涤滤饼，并置于35～45℃下真空干燥4h，即获得戊二胺辛二酸盐结晶粉末，其粉末X射线衍射图谱基本如图4所示。将其配制成质量分数为5％的水溶液时，体系pH值为9.0。该粉末具有良好的颗粒性、流动性、稳定性。
实施例4：
含有50g/L的戊二胺水溶液中，使用薄膜蒸发器或者旋蒸浓缩器，将此水溶液浓缩8倍，即浓缩后体积为原有体积的1/8，而后置于结晶器中，搅拌状态下降温至15℃，而后加入3倍于料液体积的15℃下的无水乙醇，充分混匀后，加入辛二酸固体，加入的量与体系中戊二胺的摩尔数相当，搅拌结晶72h，下罐进行固液分离，用2倍于料液体积的95％的丙酮进行洗涤，而后60℃下真空干燥10h，即得戊二胺辛二酸结晶粉末，其粉末X射线衍射图谱基本如图4所示。粉末含水量为0，将其配制成质量分数为5％的水溶液时，体系pH值为6.8。该粉末具有良好的颗粒性、流动性、稳定性，无恶臭气味。
实施例5：
将68.20g辛二酸溶解于550g的正丙醇之中，呈均一的辛二酸正丙醇溶液，然后再加入乙酸乙酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、异丙醇中的一种或几种的混合液，添加量为250mL，而后移入2000mL的结晶器中。将20.00g的戊二胺溶于350mL的甲酸乙酯中，形成戊二胺甲酸乙酯溶液。而后用泵将戊二胺甲酸乙酯溶液以1mL/min的方式滴入辛二酸溶液之中，当加入的戊二胺的物质的量为辛二酸物质的量的15％时，加入0.4g晶种，温度控制在40℃，当完全流加结束时，继续搅拌8h，结晶结束，下罐进行固液分离，而后用200mL无水甲醇洗涤滤饼，并置于70℃下真空干燥2h，即获得戊二胺辛二酸盐结晶粉末，其粉末X射线衍射图谱基本如图4所示。将其配制成质量分数为5％的水溶液时，体系pH值为4.1～6.5。
实施例6：
将42.63g辛二酸溶解于400g的正丙醇-DMSO溶液之中(正丙醇与DMSO的体积比为4：1)，呈均一的辛二酸溶液，然后再加入丁酮、石油醚、四氢呋喃中的一种或几种的混合液，添加量为100mL，而后移入1000mL的结晶器中。将50.00g的戊二胺溶于300mL的丁酮，形成戊二胺丁酮溶液。而后在搅拌状态下，将戊二胺丁酮溶液直接倒入辛二酸溶液之中，维持体系温度30℃，转速350r/min，搅拌1.0h，结晶结束，下罐进行固液分离，而后用100mL无水丁酮洗涤滤饼，并于35～50℃下真空干燥5h，即获得戊二胺辛二酸盐结晶粉末，其粉末X射线衍射图谱基本如图4所示。粉末含水量为0，将其配制成质量分数为5％的水溶液时，体系pH值为7.5～10.0。
实施例7：
取实施例1至6中所得的样品，分别测试其d10，d50，堆积密度，振实密度及溶剂残留，以说明本发明所述工艺所得戊二胺辛二酸盐产品具有良好的颗粒性和流动性，而且产品的有机溶剂残留几乎检测不到，结果如图13所示。
取实施例1至6中所得的样品，将其放置于60℃下进行稳定性实验，间隔48h分别测试其在430nm下的透光，并用初始样品做对照，结果如图14所示，发现六种实施例中所得样品，颜色均没有发生变化，T430nm没有明显下降，说明所得样品稳定性良好。

Claims (13)

1.一种戊二胺辛二酸盐，其特征在于，所述的戊二胺辛二酸盐是戊二胺二价阳离子与辛二酸二价阴离子以摩尔比为1:1的方式结合而成的常温下呈现固体状态的盐，其分子结构如式I所示：
2.一种戊二胺辛二酸盐的晶体，其特征在于，所述戊二胺辛二酸盐的分子式为C13H28N2O4，不含结晶水，分子结构式如式II所示：
3.根据权利要求2所述的戊二胺辛二酸盐的晶体，其特征在于，其晶体结构属于单斜晶系，C2/c空间群，α＝90.00°，β＝117.673(4)°，γ＝90.00°，晶胞体积晶胞内最小不对称单元数Z＝4，在其最小不对称单元中，含有1个戊二胺阳离子和1个辛二酸阴离子。
4.根据权利要求2所述的戊二胺辛二酸盐的晶体，其特征在于，具有基本上如图4所示的用CuKα射线作为特征X射线进行衍射分析的衍射图谱。
5.根据权利要求2～4中任意一项所述的戊二胺辛二酸盐的晶体，其特征在于，其结晶粉末具有大于0.22g/mL的堆积密度。
6.根据权利要求2～4中任意一项所述的戊二胺辛二酸盐的晶体，其特征在于，结晶粉末具有大于0.25g/mL的振实密度。
7.根据权利要求2～4中任意一项所述的戊二胺辛二酸盐的晶体，其特征在于，结晶粉末具有大于30μm的d50。
8.根据权利要求2～4中任意一项所述的戊二胺辛二酸盐的晶体，其特征在于，结晶粉末具有大于11μm的d10。
9.根据权利要求2～4中任意一项所述的戊二胺辛二酸盐的晶体，其特征在于，将所述晶体配制成质量分数为5％的水溶液时，体系pH值在4.1～10.0之间。
10.一种组合物，包含
(i)根据权利要求2～4中任一项所述的晶体，和
(ii)(a)辛二酸；或
(b)戊二胺。
11.权利要求2～4中任意一项所述的戊二胺辛二酸盐的晶体的制备方法，其特征在于，从含有溶解的戊二胺和辛二酸的溶液中结晶出戊二胺辛二酸盐；从所述溶液中分离出晶体；干燥所分离的晶体。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述的含有溶解的戊二胺和辛二酸的溶液按照下述任一种方式制备得到：
(i)将辛二酸和戊二胺同时加入溶剂中；
(ii)将辛二酸和戊二胺先后加入溶剂中；
(iii)将戊二胺加入溶剂中形成戊二胺溶液；将辛二酸加入溶剂中形成辛二酸溶液或形成含有部分未溶解的辛二酸固体的溶液；而后将两者混合。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的溶剂包括甲醇、乙醇、水、正丙醇、乙酸乙酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、异丙醇、丙酮、丁酮、石油醚和DMSO的一种或几种。
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