专利名称：甜菜碱水溶液的制备方法
技术领域：
本发明涉及甜菜碱水溶液的制备方法。本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(比如见美国专利4,497,825和5,292,942)。这个方法有几个缺点。比如，总是有氯化钠作为副产品，必须除去(见美国专利3,480,665)。除此以外，还担心原料三甲胺的卤代羧酸盐是污染物，因此该方法必须进行改进以达到低的三甲胺含量。
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，反应产生的污染物是个问题。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)。对于得到的每摩尔甜菜碱，该氧化反应产生2摩尔的过氧化氢。因此，这个方法不是用来制备甜菜碱，而是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、铷、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]。日本专利No50-96516A公开了一种在贵金属如钯存在下，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，而且生产出的是所需要酸的碱金属盐。有文献比如《化工百科全书》(KirkOthmer Encyclopedia of Chemical Technology)第6卷，第9页表明，在100℃，作为游离碱的胆碱浓溶液会分解，产生三乙胺、乙二醇和聚乙二醇。因此先有技术的专业人员将会预期，在氧化、高温和碱性溶液的条件下，这样的分子要分解。
我们发现，在有载体的贵金属催化剂存在下，通过胆碱盐的水溶液与氧反应，可以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R独立地是氢或C1-C4烷基。本方法适合于使用大约20℃-100℃的温度，大气压至大约100psi的压力，在间歇或连续反应器中操作。
化合物胆碱是一种商品物质，以盐的水溶液的形式出售。我们发现，在有载体的贵金属催化剂存在下，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，或者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一般的反应。
这里，每个R独立地是H或C1-C4烷基，X-是可以与胆碱的阳离子形成盐的任何阴离子。适当的阴离子的例子包括OH-、R’CO2-、(R’=H、烷基、卤代烷基、芳基或卤代芳基)、SO4=、NO3-、CO3=、HCO3-、HSO4-、HSO3-、PF6-、BF4-、CF3CO2-、ClO4-、CF3SO3-、Cl-、Br-、I-、F-和C4H5O6-。在许多这些阴离子的情况下，必须加入附加的碱如NaOH以使溶液具有进行氧化反应所需的碱性。在X-=OH-或者弱酸阴离子如醋酸根或碳酸氢根的情况下，不需要附加的碱，虽然附加的碱可以增大反应速度。
本发明制造甜菜碱化合物的方法比先有技术优越之处在于，不产生卤代羧酸胺污染物，也不像生物化学方法中那样产生H2O2。此外，当使用不需要加入碱的胆碱盐，比如氢氧化胆碱、乙酸胆碱或碳酸氢胆碱时，不产生碱金属盐。
虽然使用其它的胆碱盐可能需要加入碱并因此产生碱金属盐副产物，但该反应仍然优于传统的三乙胺、氯乙酸和碱的反应，在后者的情况下，除了要除去盐以外，三乙胺和氯乙酸盐污染是个问题。我们意外地发现，在反应条件下，阴离子(X-)大都不会使催化剂中毒，除非在高浓度即大于大约40％的浓度下，有些阴离子如Cl-，开始显示出有害的影响。
总而言之，我们发现，在大约20℃-100℃的温度和大气压至大约100psi的压力下，用氧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，而且具有很高的转化率和/或选择性。有载体的非均相催化剂在适当的载体上含有贵金属。胆碱/贵金属摩尔比可以在约10至500之间变化。后面的实施例显示了使用碳载钯和碳载铂，但是其它的贵金属催化剂如铑、钌、铱和铼也可以使用。
任何稳定的和对反应呈惰性的载体，比如碳都可以使用，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，也适合连续的反应器，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/甜菜碱的混合物水溶液，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，比如催化剂的种类、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，以便更好地说明本发明，但并不对其构成限制。
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的。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。用甜菜碱和胆碱在其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氧化氯化胆碱为甜菜碱在一个三口烧瓶中加入23.5g的70％氯化胆碱溶液，然后加入300mL去离子水。向其中加入8.6g氢氧化钠，再加入3.3g5％的碳载铂催化剂。用氧对溶液鼓泡，并在75℃下加热4小时，然后过滤，并进行13C核磁共振分析。在室温下重复此实验18小时，结果比较如下。
温度℃ 时间(小时) 胆碱 甜菜碱转化率(％) 选择性(％)25 18 7 ～10075 4 35 85结果显示，室温氧化比在高温下要慢，虽然两种反应对甜菜碱都表现出高选择性。
实施例2氢氧化胆碱与氯化胆碱氧化的比较在一个三口烧瓶中加入200mL去离子水，然后加入2.1g5％的碳载铂催化剂。向其中加入25mL50％的氢氧化胆碱溶液(Aldrich公司出品)，用氧对混合物鼓泡，在78℃下搅拌并加热3小时，然后过滤和分析。用15.45g氯化胆碱溶解于275mL水中，加入4.4g氢氧化钠，重复此实验。结果显示如下。
试样 催化剂 胆碱甜菜碱(g) 转化率(％) 选择性(％)氢氧化胆碱 5％碳载铂(2.1)14.2 70氯化胆碱 5％碳载铂(2.1)17.5 60结果表明，对于氢氧化物和氯化物氧化反应进行得相似。
实施例3用接近6％(重量)的稀溶液和不同数量的碳载钯催化剂进行氧化将大约15.5g氯化胆碱溶解于275mL水中。在其中加入4.4g氢氧化钠，再加入4.2g5％的碳载钯。氧鼓泡通过混合物，在78℃下搅拌3小时，然后过滤溶液，进行分析。用不同数量的催化剂重复此实验，结果表示如下。
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结果表明，虽然转化率不是随催化剂的数量呈线性增长，但一般趋势是，催化剂越多，转化率越高。
实施例4用14％的氯化胆碱溶液以高转化率和高选择性制备甜菜碱的反应在100mL水中加入15.5g氯化胆碱，然后加入4.5g氢氧化钠和10g5％的碳载钯催化剂。氧在78℃下鼓泡通过溶液5.5小时，然后过滤和分析。结果显示如下。
催化剂胆碱/钯胆碱甜菜碱重量(g) 摩尔比 转化率(％) 选择性(％)1024 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的反应在100mL水中加入50g氯化胆碱，然后加入14.3g氢氧化钠和10g5％的碳载钯催化剂。氧在78℃下鼓泡通过溶液5.5小时，然后过滤和分析。用81mL氢氧化胆碱制备的溶液重复此实验，然后加入10mL水，再加入10g5％的碳载钯。结果显示如下表。
试样 胆碱/钯 胆碱 甜菜碱摩尔比 转化率(％) 选择性(％)氯化胆碱 76 28 72氢氧化胆碱 76 89 87结果表明，在高浓度下，氢氧化胆碱的情况比氯化胆碱好，这说明在高浓度下氯化物具有毒化作用。
实施例6使用高浓度(47％)的碳酸氢胆碱溶液制备甜菜碱的反应用42mL水稀释大约63mL75％的碳酸氢胆碱，然后与10g5％的碳载钯混合。在78下，氧鼓泡5小时，然后过滤和分析产物。结果显示如下。
试样胆碱/钯胆碱 甜菜碱摩尔比转化率(％) 选择性(％)碳酸氢胆碱761485结果表明，碳酸氢胆碱没有氢氧化胆碱好。
刚才叙述了本发明，对于专利文件现在应陈述下面的权利要求。
权利要求
1．制备甜菜碱水溶液的方法，该方法包括在有载体的贵金属催化剂存在下，在大约20℃-100℃的温度下，将选自氢氧化胆碱、乙酸胆碱、和碳酸氢胆碱的胆碱盐水溶液与氧反应。
2．权利要求1的方法，它在从大约大气压至100psi的压力下进行。
3．权利要求1的方法，其中所述胆碱盐用结构式[R3NCH2CH2OH]+X-表示，其中R独立地表示H或C1-C4烷基；X-是OH-、CH3COO-或HCO3-。
4．权利要求1的方法，其中所述甜菜碱用结构式R3N+CH2CO2-表示，其中每个R独立地是H或C1-C4烷基。
5．权利要求1的方法，其中所述催化剂包括在载体上的铂或钯。
6．权利要求5的方法，其中所述催化剂载体是碳。
7．权利要求1的方法，其中在反应中加入促进剂。
8．权利要求7的方法，其中所述促进剂是镉、铋或铅。
9．权利要求1的方法，其中胆碱/贵金属的摩尔比为10-500。
10．制备甜菜碱水溶液的方法，该方法包括，在有载体的贵金属催化剂存在下，在大约20℃-100℃的温度下，将胆碱盐水溶液与氧反应，其中所述胆碱盐由通式[R3NCH2CH2OH]+X-表示，其中各R独立地表示H或C1-C4烷基；X-是能够形成水溶性胆碱盐的任何阴离子。
11．权利要求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，这里R’是H、烷基、卤代烷基、芳基或卤代芳基。
12．权利要求10的方法，其中所述甜菜碱用结构式R3N+CH2CO2-表示，其中每个R独立地是H或C1-C4烷基。
13．权利要求10的方法，它在大约100psi的压力下进行。
14．权利要求10的方法，其中所述催化剂包括在载体上的铂或钯。
15．权利要求14的方法，其中所述催化剂载体是碳。
16．权利要求10的方法，其中在反应中加入促进剂。
17．权利要求16的方法，其中促进剂是镉、铋或铅。
18．权利要求10的方法，其中胆碱/贵金属的摩尔比为从10至500。
全文摘要
在有载体的贵金属催化剂存在下，在大约20℃—100℃的温度和在从大气压至大约100psi的压力下,将胆碱盐氧化制备甜菜碱。与先有技术中制备甜菜碱的方法相比,该方法的优点是,使用该反应不产生卤代羧酸胺污染物。
文档编号B01J23/42GK1228415SQ9910171
公开日1999年9月15日 申请日期1999年1月29日 优先权日1998年1月30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