氢氧化胆碱的改进方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种生产浓缩水性氨氧化胆碱溶液的方法。更具体地说，本发明设及 一种方法，该方法可避免与作为反应物的环氧乙烧相关的一些安全风险，并且产生含有较 少副产物的较低的有色产物。
【背景技术】
[0002] 氨氧化胆碱、胆碱（cholinebase),W及也简称的"cbase"是在本文中可交换地 使用的术语。氨氧化胆碱或胆碱也被称为2-(径乙基甲基锭氨氧化物或根据IUPAC命 名规则为2-径基-N，N，N-S甲基乙锭。该物质是一种强有机碱，运是在许多最终使用应用 中选择它的重要因素。氨氧化胆碱例如通过与适当的酸进行中和而应用于其它胆碱盐的生 产中，并且应用于需要含有非常低含量或者仅可耐受非常低含量的无机离子的强碱的应用 中。氨氧化胆碱在诸如制造电子器件的应用范围中很重要。
[0003] 氨氧化胆碱可WW多种不同的方式来生产。例如，氨氧化胆碱可由面化胆碱（例 如氯化胆碱）来生产，氨氧化胆碱可通过用Ba(OH)2处理胆碱硫酸盐来形成，或者氨氧化胆 碱可由直接反应来生产。
[0004] 氨氧化胆碱也可通过=甲胺灯MA)、水和环氧乙烧巧0)的直接反应来生产。美国 专利US2774759公开：在实施例2中，236份25%水性TMA溶液与40份EO的反应。揽拌混 合物直到反应基本完成，同时保持反应溫度低于约30°C。根据US2774759,在约45~55°C 和真空下除去未反应的TMA，将Cbase留在40~45%水性溶液。假定在反应中和在TMA除 去中理想的100%的选择性，人们可计算在水中含有40. 65%WtCbase的产物。申请人重 复此实验，发现该反应在运些条件下非常缓慢，并且难W从反应产物中除去过量的TMA。申 请人得到含有38. 5%Wt氨氧化胆碱和2. 2%Wt较高级乙氧基化副产物的Cbase溶液。 阳〇化]与诸如设及面化胆碱起始原料的其它方法相比，直接方法具有更加原子有效的优 点。然而，在没有强酸（例如H讶的情况下EO和TMA的直接反应也具有一些缺点。
[0006] 通常W批次模式进行TMA的乙氧基化。典型的是使用所谓的环管反应器，又名累 围绕反应器，其中，为了有效地除去反应热并保持低反应溫度，将反应混合物连续从反应容 器中累出围绕热交换器。为了避免过多的EO分压，通常随着反应进行逐渐添加E0。为了使 TMA的消耗趋向完成，通常提供整体摩尔过量的E0。然而，任何过量的EO将在0-乙氧基化 中消耗并且形成较少的所需的0-乙氧基化物作为副产物。当反应接近完成时，为了额外1 摩尔TMA，它可能需要多达10摩尔E0。
[0007] 此反应路径的第一个问题主要由于=甲胺（TMA)反应物的性质。首先，它是易挥 发性的，具有约：TC的常压沸点。TMA具有强烈且使人不愉快的鱼腥味，并且它在空气中的 气味阔值低至2份每十亿（ppb，10 9)。因此，含有TMA的蒸气副产物流必须在释放前焚烧， 并且运应在高溫下完成W避免形成亚硝胺。当该方法设及真空条件时，运会造成特殊问题。 TMA的运些属性进一步影响胆碱产物应W基本上不含未反应的TMA反应物结束。通过用惰 性气体汽提从反应产物中除去任何剩余的TM由于它的低大气沸点而不实用的，运意味着 非常难W用惰性气体从混合物中冷凝。
[0008]TM的性质的另一个问题是它在水中的溶解度有限。TM的过量存在将导致形成 分开的液体相，而不会导致TM反应物的更高存在于发生反应的水相中。因此，它面对它与 Cbase产物争夺添加的EO分子的缺点。
[0009] TMA乙氧基化产生胆碱的第二个问题是由于环氧乙烧巧0)反应物的性质。EO是 高反应性的、极易燃且有毒，而且它是易挥发的，具有约irc的常压沸点。EO将自身的氧气 供应用于燃烧。即使在惰性气氛中，具有大量能量释放的自聚合也可易于被多种多样的因 素触发。该反应通常与爆炸相关，极不可能控制。因此，优选避免含有EO的分开的气相，作 为该方法的一部分。由于爆炸风险，应绝对避免EO在运样的汽相中的高分压。
[0010] 第=个问题是由于氨氧化胆碱产物的性质。由于氨氧化胆碱的强碱性质，该分子 易于经由0-乙氧基化而形成副产物并且易于例如由合成期间的霍夫曼消除反应而形成颜 色和降解。 1] 因为氨氧化胆碱具有与化OH类似的碱强度，所W能够激活其自身的径基，从而产 生在N-乙氧基化和0-乙氧基化之间的重要竞争。在N-乙氧基化的情况下，TMA与环氧乙 烧分子反应，从而产生所期望的胆碱分子。在0-乙氧基化的情况下，胆碱分子的径基与一 种或多种其它EO分子反应，从而产生具有较高乙氧基化程度的类似胆碱的分子。0-乙氧基 化副产物仍表现为碱性，但具有较低的强度和较高的分子量。在许多应用中，它们代表最终 产物中的杂质。此外，在诸如生产胆碱盐的许多应用中，氨氧根离子的摩尔浓度（通常W摩 尔/升表示）很重要，因此耗费在0-乙氧基化上的每个EO分子代表经济损失。在氨氧化 胆碱合成期间所观察到的0-乙氧基化产物的形成程度可取决于溶液的碱强度，并由此取 决于氨氧化物（运里主要为氨氧化胆碱）的浓度。除了浓度之外，不希望的0-乙氧基化也 通过较高的反应溫度而增加。
[0012] 此外，已知的是，氨氧化胆碱是不稳定的并且由于分解而在合成和胆存期间显色。 分解可W经由所谓的霍夫曼消除反应而发生，从而导致TMA和乙醒的形成。释放的TMA导 致异味问题，诸如上面对留在胆碱产物中未反应的TMA所解释的。乙醒最终产生深度着色 的缩合产物，从而导致浓缩的氨氧化胆碱溶液在室溫下在约几天内变成栋色和黑色。较高 的溫度有利于霍夫曼消除反应，因此，为了不在制备之后立即得到已经深度着色的产物，在 合成氨氧化胆碱期间优选保持低溫。
[0013] 往往通过使用至低0°C~30°C的低方法溫度来阻止颜色形成。虽然TMA和环氧乙 烧之间的反应是强烈放热的，释放的反应热可在运样的低溫下未被有效地且经济地回收。 此外，保持此放热反应的反应溫度低于40°C带来大规模方法中的挑战，由于周围冷却水的 溫度通常为未充分低，并且将需要使用强力且昂贵的冷却设备。因此，使用较低反应溫度需 要额外输入能量，而不是回收反应热。而且，为了在胆存期间保证可接受颜色持续很长一段 时间，在生产后，常常将稳定剂添加到氨氧化胆碱溶液。
[0014] 孤241596A1设及避免反应器压力的闪回到EO轨道车容器中。该文件公开了：如 何通过使用累围绕反应器，在第一反应步骤中，在50~60°C的溫度下使选自类似电池的容 器的一个特定容器中的25%、40%或50%水性TMA溶液与逐渐添加的主反应环中的EO反 应，在此期间，TMA浓度降低而Cbase浓度升高，直到已施用80~95 %的所需的E0。通过在 二次反应环中循环同一容器的内容物来进行剩余的TM的进一步转化，其中，在进一步添 加EO的情况下，使溫度保持在10~15°C、优选12°C。随后通过短暂应用真空来除去可少 量存在的过量E0。DD241596A1的反应W至少25%重量TMA溶液开始，在第一步骤中的反 应后形成至少35. 7%Wt的Cbase溶液，并且在第二步骤后形成在除去过量EO后至少40% Wt的Cbase溶液。就在运两个步骤所实践的高Cbase浓度下副产物和颜色形成而言，并且 就反应体积和能量的有效利用而言，此两步分批方法留下所需物质。
[0015]因而，仍然需要一种具有高效且低成本的热量控制和高效热回收的、用于生产氨 氧化胆碱而无所不期望的副产物和颜色形成的有效且高效的方法。
【发明内容】
[0016] 本发明包括一种用于生产氨氧化胆碱的方法和由此方法得到的产物。例如，本发 明设及在经济上可W接受的条件下能大规模、连续生产优质的浓缩水性氨氧化胆碱溶液的 方法。具体地，所述方法可包括合成优质氨氧化胆碱的连续方法。
[0017] 一种生产氨氧化胆碱的方法，包括：
[0018] a)在高于30. (TC的溫度下，使包含环氧乙烧、=甲胺和水的主反应物在水性介质 的存在下反应W形成氨氧化胆碱浓度小于40wt%的稀释氨氧化胆碱溶液，W及
[0019] b)从所述稀释氨氧化胆碱溶液中除去至少一部分所述水性介质，W形成浓缩水性 氨氧化胆碱溶液，所述浓缩水性氨氧化胆碱溶液的氨氧化胆碱浓度为所述稀释氨氧化胆碱 溶液的氨氧化胆碱浓度的至少1.05倍。
[0020] 申请人已发现：在指定的低浓度的氨氧化胆碱或"cbase"下进行步骤a)反应， 大大地降低0-乙氧基化副产物的形成，有利于所需的TMA的N-乙氧基化，并同时也降低 Cbase产物经受降解反应的趋势，从而降低显色的趋势，尽管运是在指定的相对高的溫度下 进行该反应。在高于30. (TC的较高溫度下进行步骤a)的反应带来较高反应速率的优点，运 能更加在体积上有效地利用可用的反应器体积，从而使预定尺寸的反应设备具有更高处理 量。
[0021] 根据本发明的方法与US2774759的实施例2的第一个区别是：反应步骤形成氨氧 化胆碱浓度小于40wt%的稀释氨氧化胆碱溶液。申请人已发现，运种较低的浓度大大地减 少形成0-乙氧基化副产物，而运有利于所需的TMA的N-乙氧基化。
[0022] 申请人进一步发现，即使在高于30. (TC的溫度下进行反应步骤时，也可保持较高 选择性的运种优点。运带来根据本发明的方法与US2774759的实施例2的第二区别，即， 在显著较高溫度下进行反应步骤。运带来较高反应速率的额外优点。申请人已发现，高于 30. (TC的反应溫度减小维持所需的反应溫度的挑战性。较高的反应溫度能使用更常规的方 法冷却反应混合物，在许多位置中，可能通过用周围空气或开放的水冷却系统进行冷却，从 而降低甚至可能避免对任何复杂冷却系统的需要，其投资和运行成本相当高。在甚至更高 的反应溫度下，根据本发明的方法提出在可能需要适当加热的应用中有效地再利用反应热 的机会。因此，此优点可表示其它来源提供的整体加热负荷的下降，因此表示整体能量效率 的上升。因此，尤其是当与US2774759中公开的方法比较时，本发明还表现出就安装和操作 该方法的复杂性和成本而言的显著优点。
[0023] 申请人已发现，由于在较高溫度下TMA在水中的溶解度较高，根据本发明的方法 的较高反应溫度也能W较高过量的TMA进行反应，而没有使反应混合物冒着分离成不同液 相的风险。申请人已发现，在较高过量的TMA下有效地操作该反应的运种可能性表现出就 反应速率和对所需的N-乙氧基化的选择性而言的另一优点，从而进一步增强更加在体积 上有效地利用反应体积的优点W及实现原料使用的较高效率和较高的产物纯度。
[0024]根据本发明的方法可提供例如在高于约50°C的溫度下制备含有小于40%Wt Cbase的稀释水性氨氧化胆碱溶液，随后将稀释水性氨氧化胆碱溶液浓缩（例如，浓缩成约 40 %~50 %浓缩水性氨氧化胆碱溶液），其中，所有方法步骤可提供有高效且低成本的热 量控制W及高效热回收进行。按照本发明的实施方式，0-乙氧基化产物也可W被保持在低 于10 %，低于5 %或低于1 %的含量（相对于氨氧化胆碱），W得到经济上有利的环氧乙烧 的消耗因素。此外，例如，当使用高于约50°C的处理溫度时，按照本发明的方法可W保持新 鲜合成的40%至50%的浓缩水性氨氧化胆碱溶液的颜色低于例如约200APHA。
[00巧]根据本发明的一个方面，一种生产氨氧化胆碱的方法包括：在水性介质的存在下， 使包含环氧乙烧、=甲胺和水的主反应剂首先反应形成稀释氨氧化胆碱溶液。随后，从稀释 氨氧化胆碱溶液中除去一部分水性介质，W形成浓缩水性氨氧化胆碱溶液。在一个实施方 式中，水性介质包含过量的水W及可选的过量的=甲胺。
[00%] 本发明的各方面也可包括氨氧化胆碱溶液和/或稳定的氨氧化胆碱溶液的生产， 所述氨氧化胆碱溶液在室溫下具有例如小于约200的低AP