专利名称：甜菜碱溶液的制备方法
这是美国专利顺序号09/016,549，的部分继续申请。
本发明涉及甜菜碱水溶液的制备方法。该产品作为动物饲料和个人保健方面的皮肤清洁剂都是有价值的。制备甜菜碱的最普通的方法是在碱金属氢氧化物存在下，用三甲胺与α-卤代羧酸反应(例如见美国专利4,947,825和5,292,942)。这种方法有几个缺点。例如，总会生成必须除去的副产品氯化钠(见美国专利3,480,665)。除此以外，还担心产生原料三甲胺的卤代羧酸盐的杂质，而且该方法必须进行改进以降低三甲胺的量。
美国专利5,684,191公开了一种从单氯乙酸、三甲胺和环氧乙烷联合合成甜菜碱和氯化胆碱的方法，即先让三甲胺和单氯乙酸反应，然后让环氧乙烷与前一步的反应产物反应。象前面叙述的方法一样，反应产生的杂质仍是个问题。在食品化学品月刊(日)(1991)，7(6)，112-20中叙述了制备甜菜碱的其它合成方法。
制备甜菜碱的另一路线是，用氧和胆碱氧化酶氧化胆碱[Me3NCH2CH2OH]+(见美国专利5,187,088、4,245,050和4,135,980)。该氧化反应每制得1摩尔甜菜碱，会产生2摩尔的过氧化氢。因此，这个方法不用来制备甜菜碱，而成为一种通过测量产生的过氧化氢来检测胆碱的有用的分析技术。
在贵金属如钯、铂、铑、钌、铱、锇、铼存在下，使用碱金属氢氧化物将伯醇氧化成为羧酸盐的方法是公知的[见《今日催化》(Catalysis Today)19(1994)，247-284，Mallat，et al.，“在水溶液中，金属铂催化剂存在下，用分子氧氧化醇”(Oxidation ofAlcohols With Molecular Oxygen on Platinum Metal Catalystsin Aqueous Solutions)。日本专利No50-96516A公开了一种在贵金属如钯的存在下，利用苛性碱将醇液相脱氢制备羧酸盐的方法。该方法使用了100℃-270℃的高温，还用了如二乙二醇的醇类。这个方法的固有缺点是必须使用高于100℃的高温，而且生产成了所需要酸的碱金属盐。有文献比如《化工百科全书》(Krik OthmerEncyclopedia of Chemical Technology)第6卷，第9页表明，在100℃时，作为游离态的胆碱浓溶液会分解，产生三甲胺乙二醇和聚乙二醇。因此，专业人员将会料想到，在氧化、高温和碱性溶液的条件下，这样的分子将会分解。
我们发现，在有载体的贵金属催化剂和附加碱的存在下，通过胆碱盐水溶液和氧反应，可制备甜菜碱的水溶液。正如在本说明书中使用的，甜菜碱指的是用化学式R3N+CH2CO2-表示的化合物，其中每个R分别是氢或C1-C4的烷基。本方法适合于使用大约20℃-100℃的温度，常压至大约100psi的压力，在间歇或连续反应器中操作。
化合物胆碱是一种可购买的商品，以盐的水溶液形式出售。我们发现，在有载体的贵金属催化剂的存在下，胆碱盐的水溶液能够被部分氧化，形成甜菜碱/胆碱的混合水溶液，或被完全氧化成为甜菜碱。可以用如下的化学方程式来表示此反应的通式。
其中每个R分别是氢或C1-C4的烷基，X-是能够与胆碱阳离子生成盐的任何阴离子。适当的阴离子例子包括OH-、R’CO2-、(R’＝H、烷基、卤代烷基、芳基或卤代芳基)、SO42-、NO3-、CO32-、HCO3-、HSO4-、HSO3-、PF6-、BF4-、CF3CO2-、ClO4-、CF3SO3-、Cl-、Br-、I-、F-、和C4H5O6-。在使用这许多阴离子的情况下，必须加入附加的碱如NaOH，使溶液具有进行氧化反应所需的碱性。当X-＝OH-或是弱酸的阴离子如醋酸根或碳酸氢根时，不需要附加的碱，尽管附加的碱可以加快反应速度。
本发明制造甜菜碱化合物的方法与先有技术相比，其优点在于不产生卤代羧酸胺杂质，也不象生物化学方法中那样产生H2O2。尽管本方法需要附加碱并由此产生副产品碱金属盐，它仍然优于传统的三甲胺、氯乙酸和碱反应，后者不仅需要除去盐，三甲胺和氯乙酸杂质也是一个问题。我们意外的发现，在反应条件下，阴离子(X-)大都不会使催化剂中毒，除非是在高浓度即大于大约40％的浓度下，某些阴离子如Cl-开始显示出不利的影响。
总之，我们发现，在大约20℃-100℃的温度和常压至大约100psi的压力下，用氧、附加碱和有载体的非均相催化剂，可以将胆碱盐的水溶液氧化成为甜菜碱，并具有高转化率和/或选择性。有载体的非均相催化剂是指在适当的载体上含有贵金属。胆碱/贵金属的摩尔比可在大约10至500之间变动。后面的实施例显示了使用碳载钯和碳载铂，但是其他贵金属催化剂如铑、钌、铱、铼也可以使用。任何稳定的和对反应呈惰性的载体，如碳都可以使用，也可以使用促进剂如镉、铋或铅。本专利要求保护的方法既适合于间歇反应器，也适合于连续反应器。它们都在不高于100℃的温度和不高于100psi的压力下操作。
根据最终用途和涉及的经济状况不同，可能希望只氧化一部分胆碱，得到胆碱/甜菜碱的混合水溶液，或者是可能希望将胆碱完全氧化为甜菜碱。通过调节各个参数，如催化剂的种类、催化剂的浓度、阴离子、胆碱的浓度、反应时间，可以控制胆碱氧化的数量。
介绍下面的实施例，以便更好的说明本发明，但并不意味着对其构成限制。
所有的实验都是在装有氧鼓泡器、水冷冷凝器和温度计的三口玻璃烧瓶中进行。该烧瓶通过与热量表相连的加热套加热，以保持温度。用电磁搅拌器搅拌水溶液。用甜菜碱和胆碱在13C核磁共振波谱上的相对积分来计算它们的量。
实施例1在两种不同的温度下将氯化胆碱氧化为甜菜碱在一个三口烧瓶中加入23.5g的70％的氯化胆碱溶液，然后加入300ml去离子水。向其中加入8.6g的NaOH，再加入3.3g 5％的碳载铂催化剂。用氧对该溶液鼓泡，并在75℃下加热4小时，然后过滤并利用13C核磁共振进行分析。在室温、反应时间18小时的条件下重复该实验，结果比较如下温度℃时间(小时)胆碱 甜菜碱转化率(％) 选择性(％)2518 7～10075 4 35 85结果显示，虽然两种反应都表现出了对甜菜碱的高选择性，但与高温反应相比，室温下氧化慢。
实施例2氢氧化胆碱与氯化胆碱氧化反应的比较在一个三口烧瓶中加入200ml去离子水，然后加入2.1g 5％的碳载铂催化剂。向其中加入25ml 50％的氢氧化胆碱溶液(Aldrich公司出品)，用氧对该混合溶液鼓泡，并在78℃下搅拌加热3小时，然后过滤并利用13C核磁共振进行分析。将15.45g氯化胆碱溶解在275ml去离子水中，向其中加入4.4gNaOH，重复该实验。结果比较如下试样 催化剂 胆碱 甜菜碱g转化率(％) 选择性(％)氢氧化胆 5％碳载铂(2.1)14.270氯化胆碱 5％碳载铂(2.1)17.560结果显示，对于氢氧化物与氯化物，氧化反应很近似。
实施例3使用约6％(重量)的稀溶液和不同量的碳载钯催化剂进行氧化将大约15.5g氯化胆碱溶解在275ml去离子水中，向其中加入4.4g NaOH，再加入4.2 g 5％的碳载钯催化剂。用氧对该混合溶液鼓泡，并在78℃下搅拌加热3小时，然后过滤并对其进行分析。使用不同量的催化剂重复该实验。结果比较如下催化剂 胆碱/钯 胆碱 甜菜碱重量(g)摩尔比转化率(％) 选择性(％)2.1 113 33 604.2 56 28 636.3 38 47 8310 24 55 73结果显示，尽管转化率不随催化剂的量呈线性增长，但一般的趋势是，催化剂越多，转化率越高。
实施例4使用14％的氯化胆碱溶液以高转化率和高选择性制备甜菜碱将15.5g氯化胆碱溶解在100ml水中，向其中加入4.5g NaOH，再加入10g 5％的碳载钯催化剂。用氧对该混合溶液鼓泡，并在78℃下加热5.5小时，然后过滤并对其进行分析。结果如下催化剂 胆碱/钯 胆碱 甜菜碱重量(g)摩尔比转化率(％) 选择性(％)10 24 88 85
实施例5用高浓度(40％)的氯化胆碱或氢氧化胆碱制备甜菜碱将50g氯化胆碱溶解在100ml水中，向其中加入14.3g NaOH和10g 5％的碳载钯催化剂。用氧对该溶液鼓泡，并在78℃下加热5.5小时，然后过滤并对其进行分析。在81ml氢氧化胆碱中加入10ml水，向其中加入10g 5％的碳载钯催化剂，重复该实验。结果如下试样 胆碱/钯胆碱 甜菜碱摩尔比 转化率(％)选择性(％)氯化胆碱7628 72氢氧化胆碱 7689 87结果显示，在高浓度的情况下，氢氧化胆碱比氯化胆碱好，说明在高浓度下氯化物有毒化作用。
实施例6用高浓度(47％)的碳酸氢胆碱制备甜菜碱用42ml的水稀释大约63ml 75％的碳酸氢胆碱，然后与10g 5％的碳载钯混合。用氧对该溶液鼓泡，并在78℃下加热5小时，然后过滤并分析产物。结果如下试样 胆碱/钯胆碱 甜菜碱摩尔比转化率(％)选择性(％)碳酸氢胆碱 7614 85结果显示，在没有附加碱的情况下，碳酸氢化物没有氢氧化物好。
实施例7在有碱的情况下氧化碳酸氢胆碱将大约13.2g氢氧化钠溶解在100ml水中，与63ml 75％的碳酸氢胆碱混合，向其中加入10g 5％的碳载钯催化剂。用氧对该溶液鼓泡，并在78℃下加热5小时，然后过滤并行分析产物。结果如下试样 胆碱/钯 胆碱 甜菜碱摩尔比转化率(％)选择性(％)碳酸氢胆碱和碱76 33 80结果显示，在氧化反应中附加碱可以显著的提高胆碱的转化率。
以上叙述了本发明，现陈述本专利文件的如下权利要求。
权利要求
1.一种甜菜碱水溶液的制备方法，该方法包括在有载体的贵金属催化剂和附加碱存在下，在大约20℃-100℃温度的情况下，将胆碱盐水溶液氧化。
2.根据权利要求1的方法，其中所述胆碱盐用如下结构式表示[R3NCH2CH2OH]+X-其中每个R分别是氢或C1-C4的烷基，X-是能够生成水溶性胆碱盐的任何阴离子。
3.根据权利要求2的方法，其中X-是OH-，CH3CO2-，SO42-，NO3-，CO32-，HCO3-，HSO4-，HSO3-，PF6-，BF4-，CF3CO2-，ClO4-，CF3SO3-，Cl-，Br-，I-，F-，C4H5O6-，或R’CO2-，这里R’是H，烷基，卤代烷基，芳基或卤代芳基。
4.根据权利要求1的方法，其中所述甜菜碱用如下结构式表示R3N+CH2CO2-其中每个R分别是氢或C1-C4的烷基。
5.根据权利要求1的方法，该方法在大约常压至100psi的压力下进行。
6.根据权利要求1的方法，其中所述催化剂包括有载体的铂或钯。
7.根据权利要求6的方法，其中所述催化剂载体是碳。
8.根据权利要求1的方法，该方法反应中添加了促进剂。
9.根据权利要求8的方法，其中所述促进剂是镉、铋或铅。
10.根据权利要求1的方法，其中胆碱/贵金属的摩尔比是10至500。
全文摘要
在有载体的贵金属催化剂和附加碱存在下,在温度约为20℃—100℃、压力约为常压至100psi的情况下,将胆碱盐氧化,以此来制备甜菜碱。该方法优于传统方法之处在于,反应中没有产生卤代羧酸胺杂质。
文档编号B01J23/44GK1270164SQ0010385
公开日2000年10月18日 申请日期2000年3月3日 优先权日1999年3月5日
发明者D·拉普拉萨德, W·E·卡罗尔, F·J·沃勒 申请人:气体产品与化学公司