巯基乙酸应用开发研究技术

巯基乙酸的物理性质
1862年，由L Carius首先以硫氢化钾和氯乙酸钾反应而制得。
英文名称： thioglycolic acid; mercaptoacetic acid
别 名： 硫氢基乙酸，硫代乙醇酸
分子式 ：C2H4O2S；HSCH2COOH
外观与性状 ： 一种微黄色或近于无色的液
                      体，具有特殊的硫化物的气味
蒸汽压：1.33kPa/18℃                  
闪点：>110℃             沸点：123℃/3.86kPa
熔 点 ：-16.5℃           折光率：1.5030
密 度 ：相对密度(水=1)1.33
巯基乙酸的物理性质
溶解性：可溶于水、醇、醚、氯仿和苯中，但不溶于脂肪烃类。
危险标记：20（酸性腐蚀品）

主要用途：用作测定铁的试剂及稳定剂，用于药水、烫发 水制造等
巯基乙酸的化学性质
      巯基乙酸分子中含有羧基和巯基，具有羧酸和硫醇两者的典型反应，能生成盐、酯、硫胺等化合物，以巯基乙酸为原料的系列精细化学品有着广泛的市场和前景。
稳定性：在空气中迅速氧化，少量铜、铁、锰离子的存在能加速氧化过程。质量分数小于70%的巯基乙酸水溶液，在室温下贮存是稳定的。而在高质量分数时，则会生成一定量的各种自酯化物。巯基乙酸可燃，燃烧时会分解放出剧毒的硫化氢气体。
巯基乙酸的危害
一、健康危害
　　侵入途径：吸入、食入、经皮吸收。
　　健康危害：本品的毒作用，可能是其与某些酶的巯基的特殊作用有关，本品有强烈的刺激性。眼接触可致严重损害，导致永久性失明。可致皮肤灼伤；对皮肤有致敏性，引起过敏性皮炎。能经皮肤吸收引起中毒，动物皮肤贴敷本品10%溶液（<5mL/kg）即引起死亡。

二、毒理学资料及环境行为
　　 毒性：属高毒类。其毒作用可能是与某些酶的巯基特殊作用有关。
　    危险特性：遇明火、高温或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。受热分解产生有毒的硫化物烟气。具有较强的腐蚀性。
　　燃烧(分解)产物：一氧化碳、二氧化碳、硫化物。

巯基乙酸的合成工艺
       巯基乙酸的合成一般是用含硫的亲核试剂与一氯乙酸及其盐的溶液发生取代反应而得，常用的亲核试剂有NaHS 、Na2S2O3 、 Na2S2、(NH2 )2CS 、 Na2CS3等，根据选用的巯基化剂不同而有不同的工艺路线，工业上巯基乙酸的生产方法主要有硫脲法、硫代硫酸钠法、多硫化钠法、硫氢化钠法4种。

硫脲法
   ClCH2COOH+NaOH→ClCH2COONa+H2O
   ClCH2COONa+H2NCSNH2→NH2NH2CSCH2COOH+NaCl
   2NH2NH2CSCH2COOH+Ba(OH)2→(HSCH2COO)2Ba+H2NCONH2
   (HSCH2COO)2Ba+H2SO4→2HSCH2COOH+BaSO4
            此工艺过程是先把氯乙酸与NaOH或NaCO3配成氯乙酸钠溶液，再加入到已溶解的硫脲溶液中，60℃反应1h后抽滤得异硫脲代乙酸，然后把异硫脲代乙酸加入到已溶解的氢氧化钡溶液中，80-90℃反应3-5h，抽滤即得巯基乙酸钡沉淀，用稀硫酸酸化后用乙醚或乙酸乙酯提取后再回收溶剂，即得低浓度巯基乙酸，根据不同要求用高真空减压蒸馏即得成品。在以上工艺过程中，硫脲价格昂贵，巯基化反应转化率低，一般在80%-85%，加之酸化后浓缩的损失，收率较低，但该工艺简单，生产投资小，适合小规模生产。该法是国内采用最普遍的方法，主要用于生产化妆品冷烫精，其优点是生产纯度高，操作方便，但步骤长，只适合小规模生产。
硫代硫酸钠法（ Bunte 盐法）
     ClCH2COONa+Na2S2O3→NaSO3SCH2COONa+NaCl
     NaSO3SCH2COONa+HCl→HSCH2COOH+NaCl+NaHSO4
           该法是1892年Burgotti采用的合成方法，又称Bunte法。其合成路线为配好的物质的量相等的氯乙酸钠和硫代硫酸钠水溶液，分批加入反应锅内，80℃反应2h，然后将合成物料抽到酸化锅内加入HCl，80-100℃水解3h，再加入少量锌粉还原生成的二硫化物，用乙醚提取，再蒸馏得成品。该法收率较高，可达90%以上，产品质量较好，其不足之处是要加入锌粉来还原副产物，增大了生产成本，并且操作技术难度较大，生产过程不易控制，但总的来讲，该法比较适合工业化生产。该法生产工艺复杂，由于合成过程中不但需要使用硫代硫酸钠，而且需使用昂贵的锌粉，生产成本高，目前工业化生产较少采用该工艺。
多硫化钠法
NaS+(n-1)S→NaSn
NaSn+2ClCH2COONa→NaOOCCH2SSCH2COONa+(n-2)S+2NaCl
NaOOCCH2SSCH2COONa+Zn+4HCl→2HSCH2COOH+NaCl+ZnCl2

以一氯乙酸钠与多硫化钠在室温下反应，用酸酸化，过滤除去硫磺，得二硫撑二乙酸，然后用电解还原或锌粉还原得巯基乙酸粗产品，粗产品用乙酸丁酯进行萃取，减压蒸馏得成品，收率在75%以上。该法生产成本比硫脲法低，产品质量较好，适合于小规模生产高质量的巯基乙酸及其盐类，其主要缺点是在酸化还原时不仅需要消耗大量锌粉，而且还会有大量有毒气体硫化氢放出，污染环境。
硫氢化钠法
（一） 氯乙酸钠-硫氢化钠法
                ClCH2COONa+NaHS→HSCH2COONa+NaCl HSCH2COONa+HCl→HSCH2COOH+NaCl

            把配好的氯乙酸钠溶液加入到硫氢化钠溶液中，20℃反应2h，再用盐酸酸化生成的巯基乙酸钠，用乙醚提取，蒸馏得产品。该法存在着氯乙酸钠与巯基乙酸钠之间的副反应，使得收率降低，只有50%左右，如通过增加压力可使收率提高。

（二）氯乙酸-硫氢化钠法

          ClCH2COOH+2NaHS→HSCH2COONa+NaCl+H2S
      HSCH2COONa+2HCl→HSCH2COOH+NaCl

            该工艺是把配好的氯乙酸溶液加入到配好的硫氢化钠溶液中去，混合温度为10℃，1h内滴完，自然升温至35℃，反应2h，将上述反应液用盐酸酸化至pH=2，然后用乙醚或乙酸乙酯提取。该法减少了副反应的发生，使收率提高，一般可达90%。
      
          硫氢化钠法该法是生产巯基乙酸的主要方法，与其他方法相比，硫氢化钠价廉易得，并且收率高(92%)，因此生产成本仅为硫脲法的1/2左右，目前该工艺方法为世界各国普遍采用。但硫氢化钠工艺较为复杂，一次性投资大，适合大规模工业化生产。但硫氢化钠法投资大，工艺过程复杂，较难操作，反应过程中产生的硫化氢气体会造成环境污染。抑制副反 应的发生，是合成工艺的关键。
巯基乙酸选择性研究
热力学基础
           硫氢化钠法合成巯基乙酸中各物质吉布斯自由能及主、副反应的吉布斯自由能变见表1和表2。

热力学基础
           表2表明：氯原子（氯乙酸钠）容易被硫原子（HS-,S2-和-SCH2COO-）取代，主反应（1）或副反应（3）和（6）为热力学上能自发进行的不可逆反应。根据吉布斯自由能与温度及压力的关系，压力对溶液中进行的反应，其吉布斯自由能变影响很小，当热力学温度为273-373K时，对绝对值较大的吉布斯自由能变影响很小，且不改变吉布斯自由能变的符号与反应发生的方向；而ClCH2COO-为主、副反应的反应物，因此，防止副反应（3）和（6）的关键是尽可能减少溶液中-SCH2COO-和S2-的浓度。
动力学基础——温度
        温度升高，一方面反应速度加快，主反应（1）可在更短的时间内反应完全，减少ClCH2COO- 在水溶液中的停留时间，阻止了副反应（3）的发生；另一方面，溶解的H2S浓度减少，可使反应（4）和（2）向正方向移动，促进-SCH2COO-的生成和副反应（3）的发生。
         

动力学基础——压力
           H2S气体分压增大，使可逆反应（4）和（5）逆向移动，溶解的硫化氢增加，HS-和H+浓度增大。一方面，溶液pH值降低（H+ 浓度增大），可逆反应（2）逆向移动,-SCH2COO-浓度减小，阻止了副反应（3）的发生，提高了巯基乙酸的收率；另一方面，水溶液HS-的绝对浓度增加，使主反应（1）的反应速度相对加快，反应选择性提高，也提高了巯基乙酸的收率。         

动力学基础——pH
          

     溶液中-SCH2COO-和S2- 的量可通过控制溶液的pH值调节,pH值越小，它们所占摩尔数分数越小,当pH≤7时，-SCH2COO-所占摩尔数分数低于1×10-3，S2-的摩尔数分数低于4×10-8，因此，副反应（3）特别是副反应（6）能得到有效控制。但随着pH值降低，平衡反应（4）和（5）向正方向移动，溶液中HS-的摩尔数分数减少，加上pH值低时溶液中总硫浓度较小，HS- 的绝对浓度也很小，远远达不到工业化生产巯基乙酸的经济技术要求。因此，降低溶液pH值，只能得到低浓度的巯基乙酸产品；要得到较高含量的巯基乙酸产品，必需提高反应压力。
动力学基础——反应时间
            反应时间以12min为宜，反应时间过短，则主反应（1）反应未完全；反应时间若若过长，则以副反应（3）为主， 因为随着反应时间的延长，生成产物HSCH2COO-增大，其电离的-SCH2COO-浓度也增大，副反应（3）反应加快，巯基乙酸收率下降。
动力学基础——原料量比
         
总结
HS- ，S2- 和-SCH2COO- 中硫原子取代氯乙酸中氯原子的反应是能自发进行的不可逆反应
降低溶液pH值可减少溶液中的S2- 和-SCH2COO-的量，提高硫氢化钠法合成巯基乙酸选择性；
增大反应体系中硫化氢气体的分压，有利于降低溶液pH 值，并可提高反应产物巯基乙酸的收率与浓度。
硫氢化钠法合成巯基乙酸的适宜工艺条件为
              氯乙酸钠和硫氢化钠的量比为1:(1.2~1.3)
              反应压力为0.8MPa
              反应温度为（55±1）℃
              反应时间为12min
      此时巯基乙酸的收率在91%以上。

巯基乙酸的应用领域
功能性化妆品：
     用于制备卷发剂和脱毛剂。
            巯基乙酸的钠盐、钙盐或铵盐在碱性作用下，能对皮肤快速脱毛，与传统的碱金属或碱土金属的硫化物做脱毛剂相比，对皮肤刺激温和，几乎无臭，赋香容易，脱毛时间短，效果好。巯基乙酸盐还可以使头发中角朊的多肽链上侧链的二硫化物链断裂，使头发柔软，可形成所需的发型，然后再用氧化剂使头发二硫化物键重新键合，形成固定的发型。同时将头发用巯基乙酸盐处理，使巯基键合到头发上的蛋白质上，能够使头发 接受某些活性染料的染色，可使头发得到较强的光泽，因而是性能优异的头发调节保护剂
巯基乙酸的应用领域
PVC加工热稳定剂：
                              传统的聚氯乙烯稳定剂多为单独或复合的重金属盐类，致使加工成品有毒，无法用作食品、药物及其它与人类生活密切相关的塑料制品中。目前国外发达国家己经限制或禁用传统的重金属盐稳定剂，而多采用新开发的巯基乙酸醋稳定剂，如巯基乙酸-2-乙酸己酯、双巯基乙酸-2-乙基己酯二丁基锡、二辛基锡、二甲基锡己是国际公认的无毒PVC加工用热稳定剂，广泛应用于聚氯乙烯水管、食品及医药包装等行业，该类稳定剂不仅无毒，而且可以增加产品透明度、热稳定性及加工适应性。该类热稳定剂在聚氯乙烯加工业中，应用正在不断增加和推广之中。　
巯基乙酸的应用领域
有机合成原料：巯基乙酸可作聚合反应的催化剂，而且可以作为原料合成许多精细化工产品。如合成医药中间体芬那露，与乙醇反应生产测定铁的分析试剂巯基乙酸乙酯等。

缓蚀剂：在石油勘探中，钻井时为了保护油气层，减少对地层的伤害，需使用溴化物做为无固相完井液，但这些盐类具有很强的腐蚀性，实验证明能够抑制盐水腐蚀的缓蚀剂主要为含硫化合物，由于该类化合物在一定的温度下与金属化学反应形成一种致密的保护膜，而巯基乙酸盐就是一种可作为溴盐完井的优良缓蚀剂。

防锈清洗剂：添加少量的巯基乙酸能明显改进金属清洗剂和浸渍液的清洗效果，能抑制被处理金属表面的腐蚀，故常作为金属精密加工中的防锈剂。由巯基乙酸和亚硫酸钠组成的溶液，可作为不同金属的清洗剂溶液，洗去多种金属及其合金的表面氧化层。含巯基乙酸的多组分清洗防锈液可用于汽车冷却系统的清洗；巯基乙酸十六烷基酯可抛光或清洗银制品。

选矿助剂：巯基乙酸钠具有两个极性基因：羧基与巯基，具有与硫化矿强烈作用的特性，在选取钼矿中是代替氰化钠的理想药剂，因而开创了“无氰选钼”的利于环保的新工艺，社会和经济效益明显。

其他：巯基乙酸可与多种金属离子形成络合物，显示特别颜色，常被用作分光光度分析试剂；还可用作羊毛处理剂；聚丙烯加工成型时的结晶成核剂；涂料、纤维改性剂；润滑油添加剂等

巯基乙酸的市场分析
（一）生产现状
            巯基乙酸于1862年被发现，20世纪30年代开始得到发展，至20世纪末，全球巯基乙酸的产量已逾2万t/a ，主要分布在日本和欧美等国。
           我国从20世纪70 年代开始研究巯基乙酸的合成方法并进行工业化生产，工业化初期，巯基乙酸的年产量只有数十吨，随着巯基乙酸的广泛应用，经过数年的发展，目前产量已增加到约2000t/a 左右。目前国内主要生产厂家有：北京恒业中远化工公司、淄博惠华化工有限公司、上海金锦乐实业有限公司、上海试剂三厂、天津津东化工厂、成都化工研究所、沈阳矿冶研究所等单位，每年的实际产量约有2000t，而目前我国市场实际需求量约为5000t左右，市场缺口在3000t以上，产需矛盾突出。其主要原因是：目前我国巯基乙酸的生产规模较小，生产技术落后，从而导致产品质量较差，主要表现在产品主含量较低，如国内产品的主含量一般小于99%，而国外巯基乙酸的纯度可高达99.5%以上。因此，我国目前市场上所需高纯度的巯基乙酸，基本上都是从日本等发达国家进口。

（二）市场前景
             我国过去相当长一段时间内，大约有90%的巯基乙酸用于冷烫剂，其余10%用作金属加工用的防锈剂。经过多年的发展，巯基乙酸的应用领域不断扩展，其用量在不同的领域也发生了较大的变化。由于巯基乙酸的酯基锡类化合物具有无毒、透明性好、对光及热稳定性好等特点，目前我国已有相当数量的巯基乙酸（主要是其酯基锡类）应用于PVC行业用作热稳定剂，用量占国内巯基乙酸总耗量的30%左右。同时，随着我国石油及石油加工业的快速发展，巯基乙酸的用量也会有较大的发展，其它如涂料、纤维工业、石油钻探等行业中的用量也会有一定的增长；目前国外发达国家已经限制或禁用传统的重金属盐稳定剂，而多采用新开发的巯基乙酸酯稳定剂，无毒高效，广泛应用于聚氯乙烯加工业中；巯基乙酸可作聚合反应的催化剂、油井缓蚀剂、金属防锈清洗剂、选矿助剂、羊毛处理剂、分析试剂、涂料与纤维改性剂、润滑油添加剂、聚合物结晶成核剂等；巯基乙酸还可以合成许多精细化工产品，如芬那露、巯基乙酸乙酯等。因此，巯基乙酸在我国有着广阔发展前景。

巯基乙酸的发展建议
(一)加大对该产品生产技术的研究和开发力度。
             一方面，要积极对巯基乙酸的生产工艺等进行改进、完善，力争开发出适合我国国情的生产技术；另外，也要积极同国外一些公司进行交流、学习，吸收他们先进的生产技术及管理经验，并逐渐应用于国内的生产企业，有条件的企业可直接和外商进行合资、合作，建立装置规模在2000-3000t/a 以上的生产装置，生产出低成本、高质量的巯基乙酸，以取代部分进口产品，满足国内某些行业对高品质巯基乙酸的需求。
(二) 努力提高产品质量，对产品的生产技术、精制技术进行攻关。
            目前国内产品质量存在的主要问题，产品的纯度达不到国外同类产品的质量标准。这在一定程度上限制了我国巯基乙酸的发展，也使得国内每年进口数千吨高纯度的巯基乙酸。因此，提高产品纯度，改进产品质量对发展巯基乙酸生产很有必要。
(三)在条件成熟时，积极扩大生产规模，降低生产成本。
            目前，国内企业普遍存在单一装置生产规模较小，导致生产成本较高。因此，在条件成熟时，建立3000t/a以上的工业装置，以降低生产成本，增强企业的竞争力，满足国内市场日益增加的需求。