一種氧化三甲胺的製備方法
2023-06-01 16:09:11
專利名稱：一種氧化三甲胺的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種製備氧化三甲胺的方法。
背景技術：
氧化三甲胺，又稱三甲胺氧化物、三甲基-N-氧化物，是三甲胺形成的N-氧化物，化學式(CH3) 3N0,英文名Tri metlyl amine oxide,簡稱TMA0。氧化三甲胺是一種無色針狀晶體，一般以二水合物的形式出現。易吸溼，溶於水，不溶於乙醚。氧化三甲胺在自然界中廣泛存在，是水產品體內自然存在的內源性物質，也是水產品區別於其他動物的特徵物質。氧化三甲胺二水合物作為一種新型、天然、安全的動物飼料添加劑，對動物具有明顯的誘食、促生長等作用，在水產業和畜牧業中具有廣闊應用前景。其主要用途1)飼料添加劑；主要功能有①促進肌肉細胞的增殖來促進肌肉組織的生長級增加膽汁體積，減少脂肪沉積；③參與水生動物滲透壓調節；④穩定蛋白質結構提高飼料轉化率；⑥提高瘦肉率(通過降低酮體脂肪含量)；⑦特殊的鮮味和爽口的甜味，有誘食作用；2)洗滌助劑；氧化三甲胺具有季銨鹽的結構，具有表面活性劑的特性，可用作洗衣粉的洗滌助劑，具有不傷手的特徵，還具有一定的漂白作用，目前在國外的洗滌劑配方中使用較多；3)弱的氧化劑；氧化三甲胺作為一種弱的氧化劑，用在化學反應中用作醛的合成、有機硼烷的氧化、從鐵羰基化合物中釋放有機配體。工業上生產的氧化三甲胺，分為二水合氧化三甲胺和無水氧化三甲胺兩種二水合氧化三甲胺(Trimethylamine oxide, dihydrate), CAS :62637-93-8,分子式=C3H9NO 2H20，分子量111. 14 ；無水氧化三甲胺(anhydrousTrimethylamine N-oxide), CAS :1184-78-7,分子式C3H9N0，分子量75. 11。二水合氧化三甲胺為針狀透明晶體，二水合物的熔點93°C 95°C (另據《默克索弓I》第14版，2006年，1668頁9711條記載，氧化三甲胺二水合物熔點96°C )。易溶於水(45. 4g/100ml)、甲醇，微溶於乙醇，不溶於乙醚、苯，其水溶液呈強鹼性，與酸形成結晶鹽。無水氧化三甲胺的白色結晶，熔點220°C 222°C (另據《默克索引》第14版，2006年，1668頁9711條記載，無水氧化三甲胺熔點225°C 227°C)，溶於苯、四氫呋喃，無水乙醇中溶解度大於0. 5%。氧化三甲胺的製備方法一般為三甲胺的水溶液經雙氧水氧化，得到氧化三甲胺的水溶液，然後經濃縮、結晶，得到二水合氧化三甲胺。二水合氧化三甲胺在中高溫溶劑中加熱脫水、結晶，或真空乾燥脫水、噴霧乾燥脫水，即得到無水氧化三甲胺。《默克索引》(《MerckIndex)),Merk&Co, Inc. 1989，1528 頁 9625 條)記載的方法為(CH3) 3N+H202+HC1 — (CH3)3N=O HC1+H202 (CH3) 3N=0 HCl+3H20+Ag20 — 2 (CH3) 3N=0 2H20+2AgCl
該方法缺點是反應所需反應器體積較大，後工序濃縮、結晶操作能耗高，分離、提純工序需消耗氧化銀；另輔料鹽酸腐蝕性強，需耐腐蝕性設備；分離提純工藝複雜，需消耗乙醇、甲醇等有機溶劑，造成對環境的嚴重汙染，成本高。中國專利公開號CN1456072A，
公開日2003年11月19日，發明創造名稱為「一種三甲基-N-氧化物飼料添加劑的製備方法」，該申請公開了以三甲胺和等摩爾過氧化氫水溶液為原料製備三甲基-N-氧化物(即二水合氧化三甲胺)的方法，反應溫度20°C 45°C，保溫數小時，再濃縮、結晶，濾餅在60°C 105°C常壓或真空乾燥，得到三甲基-N-氧化物，再與流動性改進劑混合、研磨，在三甲基-N-氧化物表面形成疏水性防潮層。其不足之處是①水合物(二水合氧化三甲胺)熔點96°C左右，該方法乾燥溫度60°C 105°C超過了水合物熔點，使產物熔融，破壞了結晶結構，使產品性質改變該方法使用的30%過氧化氫水溶液，儘管濃度不高，但過氧化氫本身是一種揮發性很強的原料，隨反應溫度升高等進程，易分解成氧氣和水，如果以三甲胺和等摩爾過氧化氫反應容易造成三甲胺反應不完全
發明內容
本發明克服現有技術的不足，提供一種改進的氧化三甲胺的製備方法，該方法穩定性更佳、更高效。水生動物體內存在的、自然環境中常使用氧化三甲胺(TMAO)均為二水合的氧化三甲胺，本發明所述氧化三甲胺除特殊標註外，一般指水合的氧化三甲胺。方案一，氧化三甲胺的製備方法，以三甲胺和過氧化氫為主要原料製備，所述原料過氧化氫比三甲胺過量；優選過氧化氫比三甲胺略過量；所述原料三甲胺與過氧化氫摩爾比優選為1:1. 01 1. 60。具體地說，氧化三甲胺的製備方法包括在反應釜中加入原料三甲胺、過量的過氧化氫，反應數小時，降溫結晶後，產物固-液分離；液體導入濃縮罐內濃縮，結晶後，再固-液分離，兩次分離固體乾燥，即得氧化三甲胺。母液可循環回用至下一批次的反應中。所述原料三甲胺優選質量分數23% 35%水溶液；過氧化氫優選質量百分數25% 58%水溶液；所述反應溫度35°C 80°C ;優選60°C 75°C ;更優選68V 72°C ；所述反應時間2 IOh ;優選3 6h ;所述濃縮溫度隨設備不同而不同，一般不超過96°C ;優選60°C 90°C ；所述濃縮優選減壓濃縮；所述固體乾燥溫度40°C 90°C ;優選40°C 70°C。方案二，氧化三甲胺的製備方法，以三甲胺、過氧化氫、穩定劑和/或引發劑為主要原料製備；所述氧化三甲胺的製備方法，過氧化氫與三甲胺可等摩爾反應或過氧化氫比三甲胺過量；優選過氧化氫比三甲胺略過量；三甲胺與過氧化氫摩爾比優選為1:1.01 1.60 ；所述氧化三甲胺的製備方法，優選以三甲胺、過氧化氫、穩定劑和引發劑為主要原料製備。
具體地說，氧化三甲胺的製備方法包括在反應釜中加入原料三甲胺、過氧化氫，穩定劑和/或引發劑，反應數小時，降溫結晶後，產物固-液分離；液體導入濃縮罐內濃縮，結晶後，再固-液分離，兩次分離固體乾燥，即得氧化三甲胺。母液可循環回用至下一批次的反應中。分離液體中仍含大量未結晶出的產物，為確保濃縮步驟產物放料，濃縮步驟蒸出的水量不宜過大，一般為總液體體積的30% 50% ;母液循環回用既不損失溶於水中的部分產品，又可因水溶液的套入，稀釋了原料，從而降低下一批反應的劇烈程度。所述原料三甲胺與穩定劑的摩爾比為1:0. 0005 0. 040 ；所述穩定劑包括乙酸、水楊酸、檸檬酸 ，乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-Na2)中的一種或幾種；所述原料三甲胺與引發劑的摩爾比為1:0. 002 0. 040 ；所述引發劑包括過氧乙酸、苯甲酸、過氧苯甲酸、硫酸、過氧硫酸中的一種或幾種，所述引發劑，可降低反應活化能，使反應在較低的溫度下起始反應，從而控制反應平穩進行。所述原料三甲胺優選質量分數23% 35%水溶液；過氧化氫優選質量百分數25% 58%水溶液；所述反應溫度35°C 80°C ;優選60°C 75°C ;更優選68V 72°C ；所述反應時間2 IOh ;優選3 6h ;所述濃縮溫度隨設備不同而不同，一般不超過96°C ;優選60°C 90°C ；所述濃縮優選減壓濃縮；所述固體乾燥溫度40°C 90°C ;優選40°C 70°C。針對現有技術的不足，本發明採用方案一(即過氧化氫比三甲胺的摩爾濃度過量)，確保三甲胺可完全轉化生成產物氧化三甲胺。本發明方案通過調整反應原料的比例，將過氧化氫水溶液投料量增加1% 60%，在實驗室條件下進行500mL小試合成。實驗發現，過氧化氫用量增加後，產物收率相對於過氧化氫與三甲胺等摩爾比時有顯著的提高，結果見表I。將實驗條件放大至5L瓶時(反應溫度60°C 70°C，反應時間4 5h)，相對於500mL小試時反應體積增大，冷凝水與反應瓶的接觸面積變小，反應的穩定性明顯變差，產物收率只有43. 6%。在規模化的生產過程中對原料、反應的控制一般沒有實驗室條件下簡單、易控。在放大反應中還發現反應體系在達到近40°C時，反應過程急速加劇，體系溫度快速升高，而放大的反應器由於與冷凝水的接觸面積變小，短時溫度難以控制。針對過氧化氫具有易揮發、易分解、反應體系在達到近40°C時，反應過程急速加劇，甚至會瞬間放熱，溫度達到90°C 100°C，過氧化氫會迅速分解為水和氧氣，原料直接被消耗，導致產物收率降低的特點，本發明採用方案二(即通過加入穩定劑和/或引發劑)來穩定過氧化氫，控制原料的穩定性、使體系在更低的溫度下起始反應，確保溫度平穩升高，穩定反應體系，避免製造陡然「爆發」的那個溫度點(近40°C )。反應起始時單獨使用穩定劑，可有效地穩定反應，控制反應原料的過度流失，提高收率。產物小試轉化率可高達97. 7%，中試轉化率可達92.6%。一般在實驗室小試時，在穩定劑存在條件下，已完全可以控制反應進程，並得到較高的收率。
反應起始時單獨使用低溫引發劑，可降低反應活化能，在較低的溫度下引發反應，控制反應平穩進行，產物小試轉化率可高達94. 7%。反應在穩定劑和引發劑的協同作用下，反應小試轉化率可高達99. 9%，中試轉化率可達94. 5%，氧化三甲胺含量均在97%以上。 表I原料投料比變化對產物收率的影響
權利要求
1.一種氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，以三甲胺和過氧化氫為主要原料製備，所述原料過氧化氫比三甲胺過量。
2.根據權利要求1所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述原料三甲胺與過氧化氫摩爾比優選為1:1. Ol 1. 60。
3.根據權利要求1所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述原料三甲胺優選質量分數23% 35%水溶液；過氧化氫優選質量百分數25% 58%水溶液。
4.根據權利要求1 3任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，氧化三甲胺的製備方法包括在反應釜中加入原料三甲胺、過量的過氧化氫，反應數小時，降溫結晶後，產物固-液分離；液體導入濃縮罐內濃縮，結晶後，再固-液分離，兩次分離固體乾燥，即得氧化三甲胺。
5.根據權利要求4所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，母液循環回用至下一批次的反應中。
6.根據權利要求4所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述反應溫度35°C 800C ;優選60°C 75°C ;更優選68°C 72°C ;所述反應時間2 IOh ;優選3 6h。
7.根據權利要求4所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述濃縮溫度不超過960C ;優選60°C 90°C ;所述濃縮優選減壓濃縮。
8.根據權利要求4所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述固體乾燥溫度40°C 90°C ;優選 40°C 70°C。
9.一種氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，以三甲胺、過氧化氫、穩定劑和/或引發劑為王要原料製備。
10.根據權利要求9所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，過氧化氫與三甲胺等摩爾反應或過氧化氫比三甲胺過量。
11.根據權利要求9所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，三甲胺與過氧化氫摩爾比優選為1:1. 01 1. 60。
12.根據權利要求9 11任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，氧化三甲胺的製備方法包括在反應釜中加入原料三甲胺、過氧化氫，穩定劑和/或引發劑，反應數小時，降溫結晶後，產物固-液分離；液體導入濃縮罐內濃縮，結晶後，再固-液分離，兩次分離固體乾燥，即得氧化三甲胺。
13.根據權利要求12所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，母液循環回用至下一批次的反應中。
14.根據權利要求9 13任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述原料三甲胺優選質量分數23% 35%水溶液；過氧化氫優選質量百分數25% 58%水溶液。
15.根據權利要求9 14任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，原料三甲胺與穩定劑的摩爾比為1:0. 0005 O. 040。
16.根據權利要求9 15任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述穩定劑包括乙酸、水楊酸、檸檬酸，乙二胺四乙酸二鈉中的一種或幾種。
17.根據權利要求9 14任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，原料三甲胺與引發劑的摩爾比為1:0. 002 O. 040。
18.根據權利要求9 14任一或17所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述引發劑包括過氧乙酸、苯甲酸、過氧苯甲酸、硫酸、過氧硫酸中的一種或幾種。
19.根據權利要求12 18任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述反應溫度35°C 80°C ;優選60°C 75°C ;更優選68°C 72°C ;所述反應時間2 IOh ;優選3 6h。
20.根據權利要求12 19任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述濃縮溫度不超過96°C ;優選60°C 90°C ;所述濃縮優選減壓濃縮。
21.根據權利要求12 20任一所述氧化三甲胺的製備方法，其特徵在於，所述固體乾燥溫度40°C 90°C ;優選40°C 70°C。
全文摘要
本發明公開了一種氧化三甲胺的製備方法，採用過氧化氫比三甲胺過量或加入穩定劑和/或引發劑的技術方案，使三甲胺和過氧化氫反應完全，避免了原料損失，有利於節約成本；反應使用穩定劑，可有效地穩定反應體系，控制反應原料的過度流失，提高收率；反應使用引發劑，可降低反應活化能，在較低的溫度下引發反應，控制反應平穩進行。本發明方法節約了原料成本、減少了設備投資，大幅降低了反應劇烈程度，穩定了反應進程，使反應過程易於控制，母液可循環利用，提高了產品收率和質量。
文檔編號C07C291/04GK103012219SQ20121055872
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者胡冬琴, 潘詠梅 申請人:北京桑普生物化學技術有限公司