專利名稱：甜菜堿水溶液的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及甜菜堿水溶液的制備方法。本產(chǎn)品作為動物飼料和個人保健方面的皮膚清潔劑都是有價值的。制備甜菜堿的最普通的方法是在堿金屬氫氧化物存在下，用三甲胺與α-鹵代羧酸反應(yīng)(比如見美國專利4,497,825和5,292,942)。這個方法有幾個缺點。比如，總是有氯化鈉作為副產(chǎn)品，必須除去(見美國專利3,480,665)。除此以外，還擔(dān)心原料三甲胺的鹵代羧酸鹽是污染物，因此該方法必須進行改進以達到低的三甲胺含量。
美國專利5,684,191公開了一種從單氯乙酸、三甲胺和環(huán)氧乙烷聯(lián)合合成甜菜堿和氯化膽堿的方法，即先讓三甲胺和單氯乙酸反應(yīng)，然后讓環(huán)氧乙烷與前一步的反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)。象前面敘述的方法一樣，反應(yīng)產(chǎn)生的污染物是個問題。在食品化學(xué)品月刊(日)(1991)，7(6)，112-20中敘述了制備甜菜堿的其它合成方法。
制備甜菜堿的另一路線是，用氧和膽堿氧化酶氧化膽堿[Me3NCH2CH2OH]+(見美國專利5,187,088、4,245,050和4,135,980)。對于得到的每摩爾甜菜堿，該氧化反應(yīng)產(chǎn)生2摩爾的過氧化氫。因此，這個方法不是用來制備甜菜堿，而是通過測量產(chǎn)生的過氧化氫來檢測膽堿的有用的分析技術(shù)。
在貴金屬如鈀、鉑、銠、銣、銥、鋨、錸存在下，使用堿金屬氫氧化物將伯醇氧化成為羧酸鹽的方法是公知的[見《今日催化》(Catalysis Today)19(1994),247-284]。日本專利No50-96516A公開了一種在貴金屬如鈀存在下，利用苛性堿將醇液相脫氫制備羧酸鹽的方法。該方法使用了100℃-270℃的高溫，還用了如二乙二醇的醇類。這個方法的固有缺點是必須使用高于100℃的高溫，而且生產(chǎn)出的是所需要酸的堿金屬鹽。有文獻比如《化工百科全書》(KirkOthmer Encyclopedia of Chemical Technology)第6卷，第9頁表明，在100℃，作為游離堿的膽堿濃溶液會分解，產(chǎn)生三乙胺、乙二醇和聚乙二醇。因此先有技術(shù)的專業(yè)人員將會預(yù)期，在氧化、高溫和堿性溶液的條件下，這樣的分子要分解。
我們發(fā)現(xiàn)，在有載體的貴金屬催化劑存在下，通過膽堿鹽的水溶液與氧反應(yīng)，可以制備甜菜堿的水溶液。正如在本說明書中使用的，甜菜堿指的是用化學(xué)式R3N+CH2CO2-表示的化合物，其中R獨立地是氫或C1-C4烷基。本方法適合于使用大約20℃-100℃的溫度，大氣壓至大約100psi的壓力，在間歇或連續(xù)反應(yīng)器中操作。
化合物膽堿是一種商品物質(zhì)，以鹽的水溶液的形式出售。我們發(fā)現(xiàn)，在有載體的貴金屬催化劑存在下，膽堿鹽的水溶液能夠被部分氧化，形成甜菜堿/膽堿的混合水溶液，或者被完全氧化成為甜菜堿?？梢杂萌缦碌幕瘜W(xué)方程式來表示此一般的反應(yīng)。
這里，每個R獨立地是H或C1-C4烷基，X-是可以與膽堿的陽離子形成鹽的任何陰離子。適當?shù)年庪x子的例子包括OH-、R’CO2-、(R’=H、烷基、鹵代烷基、芳基或鹵代芳基)、SO4=、NO3-、CO3=、HCO3-、HSO4-、HSO3-、PF6-、BF4-、CF3CO2-、ClO4-、CF3SO3-、Cl-、Br-、I-、F-和C4H5O6-。在許多這些陰離子的情況下，必須加入附加的堿如NaOH以使溶液具有進行氧化反應(yīng)所需的堿性。在X-=OH-或者弱酸陰離子如醋酸根或碳酸氫根的情況下，不需要附加的堿，雖然附加的堿可以增大反應(yīng)速度。
本發(fā)明制造甜菜堿化合物的方法比先有技術(shù)優(yōu)越之處在于，不產(chǎn)生鹵代羧酸胺污染物，也不像生物化學(xué)方法中那樣產(chǎn)生H2O2。此外，當使用不需要加入堿的膽堿鹽，比如氫氧化膽堿、乙酸膽堿或碳酸氫膽堿時，不產(chǎn)生堿金屬鹽。
雖然使用其它的膽堿鹽可能需要加入堿并因此產(chǎn)生堿金屬鹽副產(chǎn)物，但該反應(yīng)仍然優(yōu)于傳統(tǒng)的三乙胺、氯乙酸和堿的反應(yīng)，在后者的情況下，除了要除去鹽以外，三乙胺和氯乙酸鹽污染是個問題。我們意外地發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)條件下，陰離子(X-)大都不會使催化劑中毒，除非在高濃度即大于大約40％的濃度下，有些陰離子如Cl-，開始顯示出有害的影響。
總而言之，我們發(fā)現(xiàn)，在大約20℃-100℃的溫度和大氣壓至大約100psi的壓力下，用氧和有載體的非均相催化劑，可以將膽堿鹽的水溶液氧化成為甜菜堿，而且具有很高的轉(zhuǎn)化率和/或選擇性。有載體的非均相催化劑在適當?shù)妮d體上含有貴金屬。膽堿/貴金屬摩爾比可以在約10至500之間變化。后面的實施例顯示了使用碳載鈀和碳載鉑，但是其它的貴金屬催化劑如銠、釕、銥和錸也可以使用。
任何穩(wěn)定的和對反應(yīng)呈惰性的載體，比如碳都可以使用，也可以使用促進劑如鎘、鉍或鉛。本專利要求保護的方法既適合于間歇反應(yīng)器，也適合連續(xù)的反應(yīng)器，它們都在不高于100℃的溫度和不高于100psi的壓力下操作。
根據(jù)最終用途和涉及的經(jīng)濟狀況不同，可能希望只氧化一部分膽堿，得到膽堿/甜菜堿的混合物水溶液，或者是可能希望將膽堿完全氧化為甜菜堿。通過調(diào)節(jié)各個參數(shù)，比如催化劑的種類、催化劑的濃度、陰離子、膽堿的濃度、反應(yīng)時間，可以控制膽堿氧化的數(shù)量。
介紹下面的實施例，以便更好地說明本發(fā)明，但并不對其構(gòu)成限制。
所有的實驗都是在裝有氧鼓泡器、水冷冷凝器和溫度計的三口玻璃燒瓶中進行的。該燒瓶通過與熱量表相連的加熱套加熱，以保持溫度。用電磁攪拌器攪拌水溶液。用甜菜堿和膽堿在其13C核磁共振波譜上的相對積分來計算它們的量。
實施例1在兩種不同的溫度下氧化氯化膽堿為甜菜堿在一個三口燒瓶中加入23.5g的70％氯化膽堿溶液，然后加入300mL去離子水。向其中加入8.6g氫氧化鈉，再加入3.3g5％的碳載鉑催化劑。用氧對溶液鼓泡，并在75℃下加熱4小時，然后過濾，并進行13C核磁共振分析。在室溫下重復(fù)此實驗18小時，結(jié)果比較如下。
溫度℃ 時間(小時) 膽堿 甜菜堿轉(zhuǎn)化率(％) 選擇性(％)25 18 7 ～10075 4 35 85結(jié)果顯示，室溫氧化比在高溫下要慢，雖然兩種反應(yīng)對甜菜堿都表現(xiàn)出高選擇性。
實施例2氫氧化膽堿與氯化膽堿氧化的比較在一個三口燒瓶中加入200mL去離子水，然后加入2.1g5％的碳載鉑催化劑。向其中加入25mL50％的氫氧化膽堿溶液(Aldrich公司出品)，用氧對混合物鼓泡，在78℃下攪拌并加熱3小時，然后過濾和分析。用15.45g氯化膽堿溶解于275mL水中，加入4.4g氫氧化鈉，重復(fù)此實驗。結(jié)果顯示如下。
試樣 催化劑 膽堿甜菜堿(g) 轉(zhuǎn)化率(％) 選擇性(％)氫氧化膽堿 5％碳載鉑(2.1)14.2 70氯化膽堿 5％碳載鉑(2.1)17.5 60結(jié)果表明，對于氫氧化物和氯化物氧化反應(yīng)進行得相似。
實施例3用接近6％(重量)的稀溶液和不同數(shù)量的碳載鈀催化劑進行氧化將大約15.5g氯化膽堿溶解于275mL水中。在其中加入4.4g氫氧化鈉，再加入4.2g5％的碳載鈀。氧鼓泡通過混合物，在78℃下攪拌3小時，然后過濾溶液，進行分析。用不同數(shù)量的催化劑重復(fù)此實驗，結(jié)果表示如下。
催化劑 膽堿/鈀 膽堿甜菜堿重量(g) 摩爾比 轉(zhuǎn)化率(％) 選擇性(％)2.1 113 33 604.2 56 28 636.3 38 47 8310 24 55 73結(jié)果表明，雖然轉(zhuǎn)化率不是隨催化劑的數(shù)量呈線性增長，但一般趨勢是，催化劑越多，轉(zhuǎn)化率越高。
實施例4用14％的氯化膽堿溶液以高轉(zhuǎn)化率和高選擇性制備甜菜堿的反應(yīng)在100mL水中加入15.5g氯化膽堿，然后加入4.5g氫氧化鈉和10g5％的碳載鈀催化劑。氧在78℃下鼓泡通過溶液5.5小時，然后過濾和分析。結(jié)果顯示如下。
催化劑膽堿/鈀膽堿甜菜堿重量(g) 摩爾比 轉(zhuǎn)化率(％) 選擇性(％)1024 88 85實施例 5用高濃度(40％)的氯化膽堿或氫氧化膽堿制備甜菜堿的反應(yīng)在100mL水中加入50g氯化膽堿，然后加入14.3g氫氧化鈉和10g5％的碳載鈀催化劑。氧在78℃下鼓泡通過溶液5.5小時，然后過濾和分析。用81mL氫氧化膽堿制備的溶液重復(fù)此實驗，然后加入10mL水，再加入10g5％的碳載鈀。結(jié)果顯示如下表。
試樣 膽堿/鈀 膽堿 甜菜堿摩爾比 轉(zhuǎn)化率(％) 選擇性(％)氯化膽堿 76 28 72氫氧化膽堿 76 89 87結(jié)果表明，在高濃度下，氫氧化膽堿的情況比氯化膽堿好，這說明在高濃度下氯化物具有毒化作用。
實施例6使用高濃度(47％)的碳酸氫膽堿溶液制備甜菜堿的反應(yīng)用42mL水稀釋大約63mL75％的碳酸氫膽堿，然后與10g5％的碳載鈀混合。在78下，氧鼓泡5小時，然后過濾和分析產(chǎn)物。結(jié)果顯示如下。
試樣膽堿/鈀膽堿 甜菜堿摩爾比轉(zhuǎn)化率(％) 選擇性(％)碳酸氫膽堿761485結(jié)果表明，碳酸氫膽堿沒有氫氧化膽堿好。
剛才敘述了本發(fā)明，對于專利文件現(xiàn)在應(yīng)陳述下面的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1．制備甜菜堿水溶液的方法，該方法包括在有載體的貴金屬催化劑存在下，在大約20℃-100℃的溫度下，將選自氫氧化膽堿、乙酸膽堿、和碳酸氫膽堿的膽堿鹽水溶液與氧反應(yīng)。
2．權(quán)利要求1的方法，它在從大約大氣壓至100psi的壓力下進行。
3．權(quán)利要求1的方法，其中所述膽堿鹽用結(jié)構(gòu)式[R3NCH2CH2OH]+X-表示，其中R獨立地表示H或C1-C4烷基；X-是OH-、CH3COO-或HCO3-。
4．權(quán)利要求1的方法，其中所述甜菜堿用結(jié)構(gòu)式R3N+CH2CO2-表示，其中每個R獨立地是H或C1-C4烷基。
5．權(quán)利要求1的方法，其中所述催化劑包括在載體上的鉑或鈀。
6．權(quán)利要求5的方法，其中所述催化劑載體是碳。
7．權(quán)利要求1的方法，其中在反應(yīng)中加入促進劑。
8．權(quán)利要求7的方法，其中所述促進劑是鎘、鉍或鉛。
9．權(quán)利要求1的方法，其中膽堿/貴金屬的摩爾比為10-500。
10．制備甜菜堿水溶液的方法，該方法包括，在有載體的貴金屬催化劑存在下，在大約20℃-100℃的溫度下，將膽堿鹽水溶液與氧反應(yīng)，其中所述膽堿鹽由通式[R3NCH2CH2OH]+X-表示，其中各R獨立地表示H或C1-C4烷基；X-是能夠形成水溶性膽堿鹽的任何陰離子。
11．權(quán)利要求10的方法，其中X-是OH-、CH3CO2-、SO4=、NO3-、CO3-、HCO3-、HSO4-、HSO3-、PF6-、BF4-、CF3CO2-、ClO4-、CF3SO3-、Cl-、Br-、I-、F-、C4H5O6-，或者R’CO2，這里R’是H、烷基、鹵代烷基、芳基或鹵代芳基。
12．權(quán)利要求10的方法，其中所述甜菜堿用結(jié)構(gòu)式R3N+CH2CO2-表示，其中每個R獨立地是H或C1-C4烷基。
13．權(quán)利要求10的方法，它在大約100psi的壓力下進行。
14．權(quán)利要求10的方法，其中所述催化劑包括在載體上的鉑或鈀。
15．權(quán)利要求14的方法，其中所述催化劑載體是碳。
16．權(quán)利要求10的方法，其中在反應(yīng)中加入促進劑。
17．權(quán)利要求16的方法，其中促進劑是鎘、鉍或鉛。
18．權(quán)利要求10的方法，其中膽堿/貴金屬的摩爾比為從10至500。
全文摘要
在有載體的貴金屬催化劑存在下，在大約20℃—100℃的溫度和在從大氣壓至大約100psi的壓力下,將膽堿鹽氧化制備甜菜堿。與先有技術(shù)中制備甜菜堿的方法相比,該方法的優(yōu)點是,使用該反應(yīng)不產(chǎn)生鹵代羧酸胺污染物。
文檔編號B01J23/42GK1228415SQ9910171
公開日1999年9月15日 申請日期1999年1月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月30日
發(fā)明者D·拉普拉薩德, W·E·卡羅爾, F·J·沃勒 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司