СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИДА ХОЛИНА ИЗ ТРИМЕТИЛАМИНА И ЭТИЛЕНОКСИДА
METHOD OF PRODUCING CHOLINE HYDROXIDE FROM TRIMETHYLAMINE AND ETHYLENOXIDE

По данной заявке испрашивается приоритет по отношению к предварительной заявке на патент США с серийным № 61/588234, зарегистрированной 19 января 2012 г., и предварительной заявке на патент США с серийным № 61/720711, зарегистрированной 31 октября 2012 г.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Гидроксид холина можно получать путем реакции триметиламина (ТМА), этиленоксида (ЭО) и воды. В процессе этой реакции могут образовываться примеси, такие как моноэтоксилированный, диэтоксилированный холин и этиленгликоль, и такие примеси часто присутствуют в коммерческом гидроксиде холина.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описаны усовершенствованные способы получения гидроксида холина, а также гидроксид холина, полученный данными способами. Способы включают подачу этиленоксида, триметиламина и воды в первый реактор с получением продукта первого реактора. Температуру первого реактора поддерживают на уровне от 5°C до 35°C, и молярное отношение этиленоксида к триметиламину при подаче в первый реактор равно или менее единицы. Затем продукт из первого реактора подают во второй реактор, получая продукт второго реактора. Второй реактор имеет изоляцию, а именно, для обеспечения адиабатического нагревания во втором реакторе. В конечном итоге, весь непрореагировавший триметиламин удаляют из продукта второго реактора, получая конечный продукт, содержащий гидроксид холина. Непрореагировавший ТМА, который удаляют из продукта второго реактора, можно рециркулировать и подавать в первый реактор.
Также описаны другие способы получения гидроксида холина с дополнительным использованием по меньшей мере еще одного реактора. Эти способы включают подачу триметиламина, воды и этиленоксида в первый реактор с получением продукта первого реактора. Температуру первого реактора поддерживают на уровне от 5°C до 35°C. Затем продукт первого реактора и второе количество этиленоксида подают во второй реактор, получая продукт второго реактора. Как и в первом реакторе, температуру второго реактора поддерживают на уровне от 5°C до 35°C. Затем продукт второго реактора подают в третий реактор, получая продукт третьего реактора. Третий реактор имеет изоляцию, а именно, для обеспечения адиабатического нагревания в третьем реакторе. В конечном итоге, весь непрореагировавший триметиламин удаляют из продукта третьего реактора, получая конечный продукт, содержащий гидроксид холина. Непрореагировавший ТМА, который удаляют из продукта третьего реактора, можно рециркулировать и подавать в первый реактор.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фигуре 1 представлен способ получения гидроксида холина с использованием двух реакторов и колонки для удаления ТМА.
На фигуре 2 представлен способ получения гидроксида холина с использованием трех реакторов и колонки для удаления ТМА.
На фигуре 3 приведен график данных комбинационного рассеяния, отражающий пакетное добавление этиленоксида (ЭО 1273) в реактор, содержащий триметиламин (ТМА), и получение гидроксида холина (холин-OH).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем документе описаны новые способы получения гидроксида N,N,N-триметилэтаноламмония (гидроксида холина). Эти новые способы сводят к минимуму образование побочных продуктов моноэтоксилированного и диэтоксилированного холина в продукте гидроксиде холина. Способы, в целом, включают подачу этиленоксида, триметиламина и воды в первый реактор с получением продукта первого реактора. Температуру первого реактора поддерживают на уровне от 5°C до 35°C, и молярное соотношение этиленоксида и триметиламина при подаче в первый реактор составляет один к одному или менее чем один к одному (то есть меньше этиленоксида в молярном выражении, чем триметиламина). Продукт из первого реактора подают во второй реактор, получая продукт второго реактора. Второй реактор имеет изоляцию, делающую возможным адиабатическое нагревание. В конечном итоге, весь непрореагировавший триметиламин в продукте второго реактора удаляют с получением конечного продукта, содержащего гидроксид холина. Можно использовать дополнительные реакторы для реакции этиленоксида и триметиламина.
Химическая реакция, используемая в способах, описанных в настоящем документе, является следующей:
.
В частности, имеет место реакция триметиламина (ТМА), этиленоксида (ЭО) и воды с образованием гидроксида N,N,N-триметилэтаноламмония (гидроксида холина) (см. схему реакции I). Однако возможны дополнительные реакции с участием реагентов, находящихся в системе, в результате которых получаются побочные продукты, такие как моноэтоксилированный холин (см. схему реакции II), диэтоксилированный холин (см. схему реакции III) и этиленгликоль (см. схему реакции IV):
.
Способы, описанные в настоящем документе, предназначены для сведения к минимуму образования побочных продуктов, проиллюстрированного схемами реакций II, III и IV.
Без привязки к какой-либо теории считается, что эти побочные продукты создаются в реакционной системе при наличии избытка этиленоксида. В частности, весь не прореагировавший с триметиламином этиленоксид, который вступает в контакт с продуктом гидроксидом холина, может вступать в реакцию с образованием нежелательных побочных продуктов моноэтоксилированного и диэтоксилированного холина. Способы, описанные в настоящем документе, предназначены для сведения количества этиленоксида, присутствующего в реакторах, к минимальному количеству, которое будет быстро реагировать с доступным триметиламином, так что избыток этиленоксида не будет доступен для реакции с гидроксидом холина. Способы, описанные в настоящем документе, могут обеспечить получение гидроксида холина в качестве конечного продукта с содержанием менее чем 10 массовых процентов моноэтоксилированного холина, моноэтоксилированного и/или диэтоксилированного холина. Кроме того, с использованием способов, описанных в настоящем документе, можно получать конечный продукт гидроксид холина с содержанием менее чем 9 массовых процентов, менее чем 8 массовых процентов, менее чем 7 массовых процентов, менее чем 6 массовых процентов, менее чем 5 массовых процентов или менее чем 4 массовых процентов моноэтоксилированного холина, моноэтоксилированного и/или диэтоксилированного холина.
2
Способ получения гидроксида холина, описанный в настоящем документе, схематично изображен на фигуре 1. Способ включает подачу этиленоксида (ЭО), триметиламина (ТМА) и воды (HO) в первый реактор 100 с получением продукта первого реактора. Температуру первого реактора поддерживают на уровне от 5°C до 35°C (например, при помощи температурного контроллера 110 на уровне 20°C), и молярное отношение этиленоксида к триметиламину при подаче в первый реактор равно или менее единицы. Затем продукт первого реактора подают во второй реактор 120, получая продукт второго реактора. Второй реактор 120 имеет изоляцию (например, за счет изолирующего материала 130), которая позволяет второму реактору 120 сохранять эффект адиабатического нагревания. В конечном итоге, весь непрореагировавший триметиламин удаляют из продукта второго реактора (например, с использованием колонки, заполненной материалом, способным удерживать триметиламин) (схематично показано, как аппарат 140) с получением конечного продукта, содержащего гидроксид холина. Необязательно, непрореагировавший триметиламин, удаленный из продукта второго реактора, можно рециркулировать путем подачи непрореагировавшего триметиламина обратно в первый реактор 100 через соответствующую систему подачи (схематично показано в виде пунктирной линии, ведущей от рециркулированного непрореагировавшего ТМА, удаленного с помощью аппарата 140, к подаваемому в систему ТМА).
Реагенты, используемые в способах, описанных в настоящем документе, то есть, этиленоксид, триметиламин и вода, легко доступны из коммерческих источников и могут быть легко выбраны и использованы специалистами в данной области. Как отмечено на схеме реакции I, стехиометрическое соотношение этиленоксида и триметиламина, используемое в способах, описанных в настоящем документе, составляет 1:1. Кроме того, как отмечено выше, доступность избытка этиленоксида в реакционной системе, предположительно, является причиной образования побочных продуктов. Вследствие этого, способы, описанные в настоящем документе, можно применять при максимальном соотношении этиленоксида и триметиламина, составляющем 1:1. Чтобы создать систему, в которой избыток этиленоксида недоступен, можно использовать соотношение менее чем 1:1 (этиленоксида и триметиламина), то есть 0,7:1, 0,75:1, 0,8:1, 0,85:1, 0,9:1, 0,92:1, 0,94:1, 0,95:1, 0,96:1, 0,97:1, 0,98:1 или 0,99:1. В некоторых случаях можно использовать небольшой избыток этиленоксида, например, когда условия реакции оптимизированы (например, 1,1:1, 1,09:1, 1,08:1, 1,07:1, 1,06:1, 1,05:1, 1,04:1, 1,03:1, 1,02:1 или 1,01:1).
Способы, описанные в настоящем документе, можно осуществлять с использованием реакторных систем для первого реактора, которые хорошо известны специалистам в данной области. Один тип реактора, который можно использовать со способами, описанными в настоящем документе, представляет собой корпусной реактор с постоянным перемешиванием. Другой тип реактора, который можно использовать со способами, описанными в настоящем документе, представляет собой петлевой реактор. Еще один тип реактора, который можно использовать со способами, описанными в настоящем документе, представляет собой петлевой реактор с высокой степенью внутренней рециркуляции, обеспечиваемой, например, с помощью насоса. Первый реактор может работать в пакетном или непрерывном режиме работы, как будет очевидно специалистам в данной области.
Способы, описанные в настоящем документе, можно осуществлять с использованием реакторных систем для второго реактора, которые также хорошо известны специалистам в данной области. Один тип реактора, который можно использовать со способами, описанными в настоящем документе, представляет собой трубчатый реактор. Используемый в способах, описанных в настоящем документе, второй реактор представляет собой трубчатый реактор с изоляцией.
В способах, описанных в настоящем документе, продукт второго реактора обрабатывают для удаления всего непрореагировавшего триметиламина, чтобы получить конечный продукт гидроксид холина. Методы и аппарат для удаления триметиламина из продукта реакции гидроксида холина будут очевидны специалистам в данной области. Например, непрореагировавший триметиламин может быть удален из продукта второго реактора методом дистилляции, например, в насадочной колонке с использованием нагретого азота. В качестве следующего примера, непрореагировавший триметиламин может быть удален из продукта второго реактора с использованием одного или более блоков флэш-дистиллятора для удаления непрореагировавшего триметиламина. Как отмечалось выше, этот непрореагировавший триметиламин может быть рециркулирован внутри реакторной системы путем добавления его к триметиламину, подаваемому в реакторную систему. Кроме того, продукт второго реактора или конечный продукт может быть очищен для удаления нежелательных побочных продуктов, таких как, например, моноэтоксилированный холин, диэтоксилированный холин и/или этиленгликоль. Такую очистку можно выполнять, например, с использованием дистилляции или других методов очистки, которые хорошо известны специалистам в данной области.
Установлено, что на образование нежелательных побочных продуктов моноэтоксилированного и диэтоксилированного холина влияют несколько факторов. Во-первых, порядок, в котором объединяются компоненты, влияет на степень производства как гидроксида холина, так и побочных продуктов. В частности, при добавлении этиленоксида к триметиламину образуется меньше нежелательных побочных продуктов. Во-вторых, при контролировании температуры реакции наблюдается повышенная степень производства гидроксида холина. И наконец, непрерывное (в отличие от пакетного) добавление этиленоксида обеспечивает повышенное содержание гидроксида холина в конечном продукте по сравнению с пакетным добавлением этиленоксида.
При добавлении этиленоксида к триметиламину образуется меньше нежелательных побочных продуктов. Как отмечалось выше, считается, что при избытке этиленоксида производится больше нежелательных побочных продуктов, так что добавление этиленоксида к триметиламину ограничивает количество этиленоксида, доступного для производства побочных продуктов.
Контролирование температуры реакции в различных фазах реакции можно использовать для уменьшения разнообразия и количества производимых побочных продуктов. Например, поддержание температуры реакции на уровне от 5°C до 35°C при смешивании этиленоксида, триметиламина и воды может приводить к уменьшению количества побочных продуктов. Примеры диапазонов температур, которые полезно поддерживать при смешивании этиленоксида, триметиламина и воды, включают диапазон поддерживаемой температуры реакции от 5°C до 30°C, от 5°C до 25°C, от 5°C до 20°C, от 5°C до 15°C, от 5°C до 10°C, от 10°C до 35°C, от 10°C до 30°C, от 10°C до 25°C, от 10°C до 20°C, от 10°C до 15°C, от 15°C до 35°C, от 15°C до 30°C, от 15°C до 25°C, от 15°C до 20°C, от 20°C до 35°C, от 20°C до 30°C и от 20°C до 25°C. Другим примером температуры, которую полезно поддерживать при смешивании этиленоксида, триметиламина и воды, является 20°C.
Кроме того, применение изоляции во втором реакторе, так что адиабатическое тепло может повышать температуру реагентов, может уменьшать разнообразие и количество производимых побочных продуктов. Например, адиабатическое нагревание может повышать температуру продукта во втором реакторе до 15°-45°C. Другие примеры диапазонов температур, до которых адиабатическое нагревание может повышать температуру продукта во втором реакторе, включают диапазоны от 15° до 45°C, от 15° до 40°C, от 15° до 35°C, от 15° до 30°C, от 15° до 25°C, от 15° до 20°C, от 20° до 45°C, от 20° до 40°C, от 20° до 35°C, от 20° до 30°C, от 20° до 25°C, от 25° до 45°C, от 25° до 40°C, от 25° до 35°C, от 25° до 30°C, от 30° до 45°C, от 30° до 40°C, от 30° до 35°C, от 35° до 45°C и от 35° до 40°C. Другим примером температуры, до которой адиабатическое тепло может повышать температуру реагентов во втором реакторе, является 40°C.
Непрерывное добавление этиленоксида к триметиламину, присутствующему в реакторе, обеспечивает производство побочных продуктов в меньшем количестве по сравнению с пакетным добавлением этиленоксида. Как будет очевидно специалистам в данной области, этиленоксид можно добавлять к триметиламину, уже присутствующему в реакторе, или триметиламин можно добавлять в реактор в соответствующем молярном отношении одновременно с этиленоксидом для достижения той же цели, заключающейся в ограничении количества избыточного этиленоксида, доступного для образования побочных продуктов.
В способах, описанных в настоящем документе, можно использовать дополнительные реакторы. Например, дополнительный реактор, аналогичный первому реактору, можно добавлять в систему между двумя реакторами, которые описаны выше. Этот дополнительный реактор может быть аналогичным первому реактору, описанному выше, например, представлять собой петлевой реактор с контролируемой температурой.
2
В случае использования дополнительных реакторов, поток этиленоксида может быть разделен, так что первая часть этиленоксида направляется в первый реактор, а вторая часть этиленоксида направляется во второй реактор. Пропорция этиленоксида, направляемого в первый и второй реакторы, может составлять, например, от 50:50 до 99:1. Дополнительные примеры пропорций этиленоксида, направляемого в первый и второй реакторы, могут быть, например, от 60:40 до 99:1, от 70:30 до 99:1, от 75:25 до 99:1, от 80:20 до 99:1, от 85:15 до 99:1, от 90:10 до 99:1, от 92:8 до 99:1, от 94:6 до 99:1, от 95:5 до 99:1, от 96:4 до 99:1, от 97:3 до 99:1 и от 98:2 до 99:1. На фигуре 2 схематично изображена подача этиленоксида (ЭО), триметиламина (ТМА) и воды (HO) в первый реактор 200 с получением продукта первого реактора. Температуру первого реактора поддерживают на уровне от 5°C до 35°C (например, при помощи температурного контроллера 210 на уровне 20°C). Затем продукт первого реактора и дополнительное количество этиленоксида подают во второй реактор 220, получая продукт второго реактора (этиленоксид можно добавлять в виде разделенного потока между первым и вторым реакторами, как описано выше, однако на фигуре 2 приведено изображение только в виде отдельной подачи в каждый из первого и второго реакторов). Во втором реакторе температуру также поддерживали на уровне от 5° до 35°C (например, при помощи температурного контроллера 230 на уровне 20°C). Затем продукт второго реактора подают в третий реактор 240, получая продукт третьего реактора. Третий реактор 240 имеет изоляцию (например, за счет изолирующего материала 250), которая позволяет третьему реактору 240 сохранять эффект адиабатического нагревания. В конечном итоге, весь непрореагировавший триметиламин удаляют из продукта третьего реактора (например, с использованием колонки, заполненной материалом, способным удерживать триметиламин) (схематично показано, как аппарат 260) с получением конечного продукта, содержащего гидроксид холина. Необязательно, непрореагировавший триметиламин, удаленный из продукта третьего реактора, можно рециркулировать путем подачи непрореагировавшего триметиламина обратно в первый реактор 200 через соответствующую систему подачи (схематично показано в виде пунктирной линии, ведущей от рециркулированного непрореагировавшего ТМА, удаленного с помощью аппарата 260, к подаваемому в систему ТМА). Количество этиленоксида, подаваемого во второй реактор 220, может отделяться от количества этиленоксида, подаваемого в первый реактор 200. Например, 90% этиленоксида может поступать в первый реактор 200 и 10% от поступающего количества может направляться во второй реактор 220.
Гидроксид холина, полученный способами, описанными в настоящем документе, содержит минимальные количества побочных продуктов моноэтоксилированного и диэтоксилированного холина в продукте.
Следующие примеры приведены для иллюстрации различных аспектов способов и методов, описанных в настоящем документе, и не должны быть истолкованы как ограничение формулы изобретения.
Реактор
Реактор из нержавеющей стали емкостью 1,8 литра (Büchi; Устер, Швейцария) использовали в примерах 1a, 1b, 2a, 2b и 3, описанных ниже. Температуру реактора контролировали при помощи кожуха с циркулирующим маслом (Mettler-Toledo; Колумбус, Огайо). С реактором использовали манометр (Swagelok; Солон, Огайо), термопару (OMEGA Engineering, Inc.; Стэмфорд, Коннектикут) и перемешивающую систему для поддержания содержимого реактора в хорошо перемешанном состоянии (Magnetic Drive BM 130; Büchi (Устер, Швейцария)). Кроме того, погружной зонд комбинационного рассеяния (спектрометр комбинационного рассеяния RXN1 Kaiser, оборудованный 785-нм лазером Invictus™; Kaiser Optical Systems, Inc. (Энн Арбор, Мичиган)) был установлен на реакторе для непрерывного контроля за реагентами и продуктами в реальном времени. Цилиндр для образцов был установлен на верхней части реактора для того, чтобы подавать один из реагентов в непрерывном режиме или в виде серии загрузок. В нижней части реактор был снабжен запорным клапаном для разгрузки реактора или сбора образцов продуктов.
Химические реагенты
Следующие химические реагенты использовали в примерах 1a, 1b, 2a, 2b, и 3, описанных ниже:
деионизированная вода (собственного производства);
триметиламин (Sigma Aldrich; Сент-Луис, Миссури) - Химически чистый (№№ лотов BCBC6791 и BCBD6638);
этиленоксид (Airgas Southwest (Вудлендс, Техас)) - Особо чистый;
2
газообразный азот (собственного производства) - установка для производства N (<50 ч./млн воды, <5 ч./млн кислорода).
Ионная хроматография
Продукты реакции анализировали с использованием ионообменной хроматографии (ИХ) с кондуктометрическим детектированием с подавлением фоновой электропроводности. Использовали систему ионной хроматографии Dionex ICS-3000 без применения реактивов (RFIC) (Dionex Corp.; Саннивейл, Калифорния). Система ICS-3000 состояла из модуля двойного насоса ДН, модуля генератора элюента ГЭ и модуля детектора/хроматографии ДХ с конфигурацией одной температурной зоны. ГЭ был снабжен картриджем EluGen EGC II с метансульфоновой кислотой (МСК) для электролитического производства МСК элюента. Программу для управления хроматографией Chromeleon 6,8 (Dionex Corp.) использовали для контроля системы, интегрирования пиков и анализа площади.
Образцы инжектировали в 50-мкл петлю с использованием автодозатора AS40. Петля была установлена на одном из двух 6-портовых кранов-дозаторов в ДХ модуле ICS 3000. Хроматографическое разделение проводили с использованием разделительной колонки IonPac CS 12A (4Ч250 мм), которой предшествовала защитная колонка IonPac CG 12A (4Ч50 мм). Вытекающий из колонки поток пропускали через саморегенерирующийся подавитель CSRS 300, используемый в режиме рециркуляции воды, перед определением проводимости. Использовали изократическую МСК, прокачиваемую со скоростью 1,0 мл/мин. Условия хроматографии приведены в таблице ниже.
Колонки
Dionex IonPac CG 12A 4×50 мм (P/N 046074);IonPac CS 12A, 4×250 мм (P/N 046073)
Элюент
Изократическая 12 мМ МСК
Источник элюента
EGC II МСК
Скорость потока
1,0 мл/мин
Температура
30°C (нижний и верхний отделы)
Объем впрыска
50 мкл
Детекция
Кондуктометрическое детектирование с подавлением фоновой электропроводности, CSRS
Подавитель
CSRS 300, 4 мм, используемый в режиме рециркуляции с 70 мА
Система противодавления
~2200 фунтов на квадратный дюйм
Фон
<1,0 мкСм
Время прогона
40 мин
Анализ ЯМР
1
13
Продукты реакции также анализировали при помощи H и C ЯМР, как описано далее.
1
H ЯМР
2
13
Образцы анализировали неразбавленными в 5-мм пробирке для ЯМР. Стандарты готовили и анализировали в DO+DSP (справочные значения химических сдвигов). Данные получали на 500-МГц ЯМР спектрометре Varian INOVA (Agilent Technologies; Санта-Клара, Калифорния), соответствующая частота C 499,77 МГц. Данные получали, используя 100 переходов на файл данных, 33,3-секундную задержку повторения импульсов, ширину спектра 10000 Гц и размер файла 32 тысячи точек данных.
13
C ЯМР
13
1
Образцы получали, добавляя примерно 2 г ДМСО-d6 к 1 г образца в 10-мм пробирке для ЯМР. Данные получали на 400 МГц ЯМР спектрометре JEOL Eclipse (JEOL USA, Inc.; Пибоди, Массачусетс), соответствующая частота C 100,5 МГц. Данные получали, используя синхронизированное H расщепление, 1000 переходов на файл данных, 121,3-секундную задержку повторения импульсов, ширину спектра 25200 Гц и размер файла 32 тысячи точек данных.
Пример 1a - пакетное добавление этиленоксида при 5°C
В примере 1a в реактор загружали 275,32 г воды и 123,7 г триметиламина. Затем содержимое реактора перемешивали при скорости 300 об/мин (оборотов в минуту), и температуру реактора контролировали на уровне 5°C. Реактор продували азотом, затем давление азота в реакторе поднимали до более чем 3 бар (чтобы реагенты оставались в жидкой фазе). Когда температура воды и триметиламина достигала устойчивого состояния при 5°C, этиленоксид подавали в реактор при помощи сжатого азота четырьмя партиями. Количество этиленоксида, добавленного в каждой партии, составляло 14,59 г, 27,13 г, 24,4 г и 30,5 г, соответственно. Скорость перемешивания повышали до 400 об/мин перед тем, как третью партию этиленоксида подавали в реактор. После добавления последней партии этиленоксида реактор продували азотом в течение более 20 минут перед выгрузкой продукта реакции через запорный клапан, расположенный в нижней части реактора.
Анализ продукта методами ионной хроматографии и ЯМР показал наличие 44,1 масс.% гидроксида холина, 6,2 масс.% моноэтоксилированного побочного продукта, и остаток составляла вода.
Пример 1b - пакетное добавление этиленоксида при 25°C
В примере 1b в реактор загружали 261,83 г воды и 118,52 г триметиламина. Затем содержимое реактора перемешивали при скорости 300 об/мин, и температуру реактора контролировали на уровне 25°C. Реактор продували азотом, затем давление азота в реакторе поднимали до более чем 3 бар (чтобы реагенты оставались в жидкой фазе). Когда температура воды и триметиламина достигала устойчивого состояния при 25°C, этиленоксид подавали в реактор при помощи сжатого азота четырьмя партиями. Количество этиленоксида, добавленного в каждой партии, составляло 14,13 г, 19,49 г, 25,76 г и 37,39 г, соответственно. Скорость перемешивания повышали до 400 об/мин перед тем, как третью партию этиленоксида подавали в реактор. После добавления последней партии этиленоксида реактор продували азотом в течение более 20 минут перед выгрузкой продукта реакции через запорный клапан, расположенный в нижней части реактора.
На фигуре 3 приведен график данных комбинационного рассеяния, отражающий пакетное добавление этиленоксида (ЭО 1273) в реактор, содержащий триметиламин (ТМА), и получение гидроксида холина (холин-OH). Концентрация ТМА уменьшается после каждого пакетного добавления этиленоксида до тех пор, пока ТМА больше не детектируется зондом комбинационного рассеяния после четвертого пакетного добавления этиленоксида и количество продукта гидроксида холина приближается к его максимуму.
Анализ продукта методами ионной хроматографии и ЯМР показал наличие 37,5 масс.% гидроксида холина, 11,7 масс.% моноэтоксилированного побочного продукта, и остаток составляла вода.
Пример 2a - непрерывное добавление этиленоксида при 20°C
В примере 2a условия реакции были такими же, что и в примере 1a, за исключением того, что этиленоксид добавляли в непрерывном режиме в реактор, содержащий 586,2 г воды и 241,6 г триметиламина, и температуру реактора контролировали на уровне 20°C. Скорость добавления этиленоксида составляла 4,95 г/мин, и этиленоксид добавляли в течение 38,6 минут.
Анализ продукта методами ионной хроматографии и ЯМР показал наличие 45,9 масс.% гидроксида холина, 3,8 масс.% моноэтоксилированного побочного продукта, и остаток составляла вода.
Пример 2b - непрерывное добавление этиленоксида при 25°C
В примере 2b условия реакции были такими же, что и в примере 1a, за исключением того, что этиленоксид добавляли в непрерывном режиме в реактор, содержащий 249,52 г воды и 112,61 г триметиламина, и температуру реактора контролировали на уровне 25°C. Скорость добавления этиленоксида составляла 4,33 г/мин, и этиленоксид добавляли в течение 20,6 минут.
Анализ продукта методами ионной хроматографии и ЯМР показал наличие 44,4 масс.% гидроксида холина, 6,0 масс.% моноэтоксилированного побочного продукта, и остаток составляла вода.
Пример 3 - пакетное добавление триметиламина при 15°C
В примере 3 условия реакции были такими же, что и в примере 1a, за исключением того, что триметиламин добавляли в пакетном режиме в реактор (в отличие от добавления этиленоксида), и температуру реактора контролировали на уровне 15°C. Реактор содержал смесь 144,78 г этиленоксида и 182,02 г воды. Триметиламин добавляли двумя партиями по 28,09 г и 38,25 г.
Анализ продукта методами ионной хроматографии и ЯМР показал наличие 11,9 масс.% гидроксида холина, 17,2 масс.% моноэтоксилированного побочного продукта, и остаток составляла вода.
Пример 4 - рециркуляция избытка ТМА

Экспериментальные результаты (примеры 1-3) использовали для разработки кинетической модели реакционной системы, и информацию вводили в модель процесса в ASPEN PLUS (Aspen Technology, Inc.; Берлингтон, Массачусетс). Процесс модифицировали для включения дистилляционной колонки с целью отделения непрореагировавшего триметиламина от продукта реакции гидроксида холина и рециркуляции непрореагировавшего триметиламина путем подачи его обратно в поток триметиламина, подаваемый в первый реактор. Рециркуляция непрореагировавшего триметиламина позволяет снижать подачу этиленоксида относительно подачи триметиламина. Снижение отношения этиленоксида к триметиламину при подаче (ЭО/ТМА при подаче в 1й реактор) приводит к более высокому выходу гидроксида холина и уменьшению образования побочных продуктов. Как следствие, размеры 1-го и 3-го реакторов можно уменьшать при сохранении той же мощности процесса. Снижение отношения ЭО/ТМА также значительно улучшает общее использование сырья. Типичный результат моделирования приведен ниже.
Рециркуляция триметиламина
Нет
Да, 90% рециркуляция
Время пребывания в 1-м реакторе, мин
27,1
12,9
Время пребывания в 2-м реакторе, мин
6,1
6,1
Время пребывания в 3-м реакторе, мин
2,1
1,0
Отношение ЭО/ТМА при подаче, кг/кг
1,05
1,00
Утилизация ТМА, кг/кг
90,6%
96,2%
Гидроксид холина в конечном продукте, массовая доля
0,425
0,472
Побочные продукты в конечном продукте, массовая доля
0,081
0,035
* Утилизацию ТМА определяли как единицу минус отношение массового расхода отделенного ТМА к подаче ТМА
Резюме примеров
В приведенных примерах несколько факторов являются примечательными. Во-первых, порядок, в котором объединяются компоненты, влияет на степень производства как гидроксида холина, так и побочных продуктов. В частности, при добавлении этиленоксида к триметиламину в примерах 1a, 1b, 2a и 2b (по сравнению с примером 3) степень производства гидроксида холина гораздо выше, а производства побочных продуктов ниже. Во-вторых, при контролировании температуры реакции наблюдается повышенная степень производства гидроксида холина. В частности, в примерах 1a и 1b, более низкая температура реакции в примере 1a приводила к большему процентному содержанию гидроксида холина в конечном продукте. Аналогично, в примерах 2a и 2b, более низкая температура в примере 2a приводила к увеличению процентного содержания гидроксида холина в конечном продукте. Кроме того, непрерывное добавление этиленоксида, как в примерах 2a и 2b, приводило к возрастанию количества гидроксида холина в конечном продукте по сравнению с пакетным добавлением этиленоксида. И наконец, в примере 4, модельные исследования показали, что рециркуляция триметиламина позволяет снижать соотношение этиленоксида и триметиламина при подаче, обеспечивая дополнительные преимущества более короткого времени пребывания в реакторе, более высокой массовой доли гидроксида холина в конечном продукте и более низких уровней побочных продуктов.
Настоящее изобретение не ограничено в объеме вариантами осуществления, раскрытыми в настоящем документе, которые предназначены для иллюстрации некоторых аспектов изобретения, и любые варианты осуществления, которые являются функционально эквивалентными, входят в объем данного изобретения. Различные модификации способов, методов и композиций, в дополнение к тем, которые продемонстрированы и описаны в настоящем документе, будут очевидны специалистам в данной области и должны входить в объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, хотя только некоторые репрезентативные сочетания для данного процесса и этапов способа, а также компонентов композиции, раскрытых в настоящем документе, конкретно описаны в вышеуказанных вариантах осуществления, другие сочетания для компонентов композиции и процесса, а также этапов способа будут очевидны для специалистов в данной области и также должны входить в объем прилагаемой формулы изобретения. Таким образом, сочетания компонентов или этапов могут быть в явной форме упомянуты в настоящем документе; однако другие сочетания компонентов и способов включены, даже если они не указаны в явной форме. Используемый в настоящем документе термин «содержащий» и его вариации используется синонимично с термином «включающий» и его вариациями, и они являются открытыми неограничивающими терминами.