[发明专利]一种3-羟基丙酸的制备方法

说明书

本发明涉及一种3‑羟基丙酸的制备方法，反应原料为含有催化剂的丙烯酸、水及阻聚剂混合物，经水合反应过程得到主产物3‑羟基丙酸，所述催化剂为一种碳数不大于3的饱和有机酸。与现有技术相比，本发明具有反应产物的成分简单、催化剂性能好且易于回收、操作成本低等优点。

技术领域

本发明属于化学工程技术领域，涉及一种3-羟基丙酸的制备方法，具体为均相催化丙烯酸水合制备3-羟基丙酸。

背景技术

3-羟基丙酸(3-hydroxypropionic acid，简称3-HP)，分子式为C₃H₆O₃，分子量为90.08，是一种具有三个碳原子的非手性有机酸，酸解离常数(pKa)为4.5，常温下为无色液体(也有部分产品呈现淡黄色)，几乎无臭，可溶于水、乙醇、乙醚，该分子带有两个官能团-羟基和羧基，是很多光学活性物质的前体。3-HP涉及多种反应：与醇发生酯化反应生成酯，氧化生成丙二酸，脱水生成丙烯酸，还原可得1,3-丙二醇；其中1,3-丙二醇是聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维(PTT)的主要单体，还可用于生产涂料、胶粘剂、水处理化学品和个人护理用品。3-HP单体本身可作为食品或饲料的添加剂和防腐剂，还可作为高性能聚酯的原料。聚3-羟基丙酸(P3HP)作为可降解热塑性材料，相比于聚乳酸(PLA)等主流可降解材料具有更优越的物理特性，例如其延展性和拉伸性能更高，水气阻隔性更强，应用前景更广泛，因此，P3HP将成为可降解材料领域研究和开发的一个热点。

目前，3-HP的制备方法主要是化学法和微生物发酵法。其中微生物法产量低，成本高昂，分离提纯工艺繁琐，不适合大规模生产。化学法主要包括3-羟基丙腈水解，3-羟基丙醛氧化，Reformatsky反应和丙烯酸水合，其中丙烯酸水合法工艺条件简单、生产成本低、环境友好性相对较高，极具工业化价值。

丙烯酸水合制备3-羟基丙酸的反应表示如下：

丙烯酸水合制备3-羟基丙酸的报道较少，仅有的文献专利制备过程复杂，难以实现工业化生产。

专利CN1753858A公开了以二氧化碳、二氧化硫、氧化氮及pKa7的有机碱或无机碱为催化剂，采用丙烯酸水合法制备3-羟基丙酸的方法，在170℃下反应18h，3-羟基丙酸收率为68.7％，醚二聚体收率为13.1％，该法反应后得到的是3-羟基丙酸盐，产物需要进行酸化、萃取等步骤，回收与分离复杂。

专利CN102746141A公开了以无机质子酸、路易斯酸或固体酸为催化剂，反应温度为90～250℃，反应时间3～18小时，丙烯酸转化率为86.67％，3-羟基丙酸选择性为80.45％，该法提高了收率，但反应时间长、产物分离需要高温精馏，反应原料和溶剂难以回收，成本偏高。

专利CN110981718A公开了以酸性改性分子筛为催化剂，丙烯酸连续水合制备3-羟基丙酸，该反应在固定床反应器中进行，液时空速1h^-1，反应温度为100℃，丙烯酸转化率为97.26％，3-羟基丙酸选择性为89.41％，该法实现在温和条件下提高反应转化率和选择性，抑制了丙烯酸的自聚副反应，但催化剂分子筛会因脱铝而失活，再生困难，使用寿命短。

因此，现有技术存在收率低、催化剂分离困难和寿命短的问题。

发明内容

针对现有技术中反应产物成分复杂、催化剂性能不佳、后续分离困难，特别是催化剂难以循环的问题，本发明提出了一种高效、低成本制备3-羟基丙酸的方法，该方法具有非常高的选择性，且后续分离措施简单，物料循环易建立，适于工业化生产。

本发明的技术方案如下：

一种3-羟基丙酸的制备方法，以丙烯酸和水为反应原料，在催化剂作用下，丙烯酸发生水合反应生成3-羟基丙酸，所述催化剂为一种碳数不大于3的饱和有机酸，以克服无机酸催化剂的缺陷；