強(qiáng)堿陰離子交換樹脂催化環(huán)氧乙烷合成氯化膽堿

蔣麗容，郎春燕，陳小平

(1．成都理工大學(xué)，四川 成都 610000 ；2．廣東石油化工學(xué)院工業(yè)催化研究所，廣東 茂名 525000)

氯化2-羥乙基三甲基胺或2-羥乙基-三甲基氯化膽堿又稱氯化膽堿,屬維生素B族(VB4)類藥物，可用于治療脂肪肝和肝硬化，同時(shí)也是一種優(yōu)良飼料營養(yǎng)添加劑[1]。氯化膽堿的工業(yè)合成路線主要有兩條：氯乙醇路線和環(huán)氧乙烷(EO)路線。氯乙醇路線[2-4]是在常溫常壓下進(jìn)行，反應(yīng)速率慢，產(chǎn)率較低，升高溫度雖可提高產(chǎn)率，但反應(yīng)過程易釋放帶魚腥味的三甲胺，影響環(huán)境，同時(shí)產(chǎn)品易殘留有毒副產(chǎn)物氯乙醇，從而影響氯化膽堿質(zhì)量。相比之下，環(huán)氧乙烷路線[5-6]，雖反應(yīng)條件相對(duì)苛刻，但工藝操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)活性高,反應(yīng)速度快，且產(chǎn)物收率高，國內(nèi)外大多數(shù)廠家均采用環(huán)氧乙烷法合成氯化膽堿。傳統(tǒng)的環(huán)氧乙烷工藝采用NaOH、KOH或季銨鹽作催化劑，這類堿性催化劑與反應(yīng)液呈均相混合，難以分離回收，且對(duì)生產(chǎn)設(shè)備也易造成腐蝕。

石榮銘等[7]曾研究了以氯乙醇和三甲胺為原料，陰離子交換樹脂為催化劑合成氯化膽堿的方法，但該方法目前僅限于理論研究。筆者在現(xiàn)有氯化膽堿生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，以鹽酸、三甲胺和環(huán)氧乙烷為原料，選用717強(qiáng)堿陰離子交換樹脂為催化劑合成氯化膽堿，并在小試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了中試，解決了產(chǎn)物和催化劑難分離的問題，且催化劑可重復(fù)使用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

100 mL高壓反應(yīng)釜，10 MPa，中國紅旗儀表公司。

EO、三甲胺水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)33%)、雷氏鹽，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；甲醇，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；201×7(717)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂，廣州金美時(shí)樹脂化工有限公司；213強(qiáng)堿陰離子交換樹脂，鑫光化工有限公司；D201、D213大孔陰離子交換樹脂，上海匯珠樹脂有限公司；濃鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)36%)、氫氧化鈉、次甲基藍(lán)、甲基紅、分析純；實(shí)驗(yàn)用水為高純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1陰離子交換樹脂的活化

取一定量717強(qiáng)堿陰離子交換樹脂于離子交換柱中，用去離子水沖洗至排水澄清，加入2倍量的去離子水浸泡20 h，使樹脂充分膨脹，再用去離子水沖洗至澄清；用2倍量的4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HCl溶液浸泡樹脂2 h后，倒去酸液，用去離子水沖洗至中性；然后用2倍量的4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaOH溶液浸泡樹脂2 h，倒去堿液，用去離子水沖洗至中性；如此反復(fù)兩次以上。樹脂過濾，將其置于40 ℃以下的真空干燥箱中20 h烘干，轉(zhuǎn)入密閉塑料袋，放入干燥器備用。

1.2.2鹽酸三甲胺的合成

將裝有電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)、和恒壓滴液漏斗的三口燒瓶置于冰水浴中，加入定量的濃鹽酸，攪拌下慢慢滴加三甲胺水溶液，控制反應(yīng)溫度不超過30 ℃，反應(yīng)完成后滴加三甲胺水溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為3～4，得質(zhì)量分?jǐn)?shù)約30%的鹽酸三甲胺溶液。

1.2.3氯化膽堿的合成及測(cè)定

將一定量活化樹脂放入高壓反應(yīng)釜，依次加入一定量EO和鹽酸三甲胺溶液，關(guān)閉反應(yīng)釜。迅速升溫至所需溫度，數(shù)小時(shí)后停止反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，迅速冷卻至室溫，打開反應(yīng)釜。用稀鹽酸將pH值調(diào)至7左右，減壓過濾去除樹脂，將濾液轉(zhuǎn)入50 mL單口磨口燒瓶?jī)?nèi)，減壓蒸干，得氯化膽堿固體，用無水乙醇進(jìn)行重結(jié)晶。將氯化膽堿固體在105 ℃烘干至恒重,稱量，m.p:238～240 ℃(文獻(xiàn)值240 ℃)。

1.3 分析方法

氯化膽堿采用紅外光譜 (Nicolet6700) KBr壓片法進(jìn)行表征，其定量分析采用雷氏鹽重量法[8]進(jìn)行測(cè)定。雜質(zhì)三甲胺采用ShimaDzu QP-2100Plus型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)其進(jìn)行定性和定量，HP-5毛細(xì)管色譜柱(0.5 μm×30 m),柱溫40 ℃，進(jìn)樣溫度100 ℃，程序升溫。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的選擇

稱取一系列堿性催化劑，固定其他試驗(yàn)條件，考察不同堿性催化劑對(duì)EO法制備氯化膽堿的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 不同催化劑對(duì)合成氯化膽堿的影響

從表1可以看出：在由EO和鹽酸三甲胺合成氯化膽堿的過程中，不使用催化劑，反應(yīng)也能進(jìn)行,但轉(zhuǎn)化率相對(duì)較低。以氯化膽堿自身為催化劑時(shí)，轉(zhuǎn)化率有所提高，但選擇性反而降低，與文獻(xiàn)[5]報(bào)道結(jié)果一致。無機(jī)堿催化劑NaOH、KOH等在EO合成氯化膽堿的反應(yīng)中，活性較高，EO的轉(zhuǎn)化率和氯化膽堿的選擇性分別可高達(dá)96.3%和95.5%。而以強(qiáng)堿陰離子交換樹脂為催化劑時(shí)，轉(zhuǎn)化率和選擇性也有一定程度的提高，其中以717強(qiáng)堿陰離子交換樹脂的催化活性最高，反應(yīng)90 min后，轉(zhuǎn)化率和選擇性分別高達(dá)99.5%和98.2%。雖然以NaOH、KOH或季銨鹽等無機(jī)堿作為催化劑催化氯化膽堿的合成，也能取得很好的收率，但這類催化劑對(duì)設(shè)備具有很強(qiáng)的腐蝕性且反應(yīng)液后處理較繁瑣，而強(qiáng)堿陰離子交換樹脂催化劑只需過濾就可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物與催化劑分離，且能循環(huán)使用和再生。因此，采用717強(qiáng)堿陰離子交換樹脂為催化劑完成小試和中試。

2.2 催化劑用量對(duì)收率的影響

分別量取定量EO和鹽酸三甲胺溶液，控制EO和鹽酸三甲胺的摩爾配比為1.1∶1，保持30 ℃反應(yīng)2 h，考察催化劑用量(樹脂占EO和鹽酸三甲胺總質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)氯化膽堿收率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 催化劑用量對(duì)合成氯化膽堿的影響

從圖1可以看出：隨著催化劑用量增加，氯化膽堿的選擇性逐漸增加，催化劑用量大于5%時(shí)，氯化膽堿選擇性維持在97.0%左右。同樣，隨著催化劑用量的增加，EO的轉(zhuǎn)化率也呈現(xiàn)先增加后維持幾乎不變的趨勢(shì)。催化劑用量過低，導(dǎo)致反應(yīng)的堿量不足，所以氯化膽堿的收率較低。催化劑用量過大，對(duì)反應(yīng)液的催化作用不明顯。因此，從成本角度考慮，合成氯化膽堿的最佳樹脂催化劑量為5%。

2.3 EO與鹽酸三甲胺的摩爾比對(duì)收率的影響

稱取定量活化的樹脂催化劑，加入定量鹽酸三甲胺溶液，保持反應(yīng)溫度30 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h，考察EO與鹽酸三甲胺的摩爾比對(duì)氯化膽堿收率的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可見：EO與鹽酸三甲胺的摩爾比對(duì)氯化膽堿的合成具有明顯的作用。當(dāng)EO與鹽酸三甲胺的摩爾比低于1.1時(shí)，氯化膽堿產(chǎn)物的選擇性和EO的轉(zhuǎn)化率隨著原料配比的增大而增大；而當(dāng)EO與鹽酸三甲胺的摩爾比高于1.1時(shí)，氯化膽堿的收率達(dá)到最大，隨后幾乎保持不變。由于該合成反應(yīng)是等摩爾反應(yīng)，同時(shí)EO為易揮發(fā)化學(xué)品，所以原料EO投料量應(yīng)略高于鹽酸三甲胺的量，本工藝選擇最佳原料摩爾比為1.1。

圖2 原料配比對(duì)合成氯化膽堿的影響

2.4 反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響

保持反應(yīng)時(shí)間為2 h，考察反應(yīng)溫度對(duì)合成氯化膽堿的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)合成氯化膽堿的影響

從圖3可以看出：反應(yīng)溫度低于35 ℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的升高，氯化膽堿的選擇性和環(huán)氧乙烷的轉(zhuǎn)化率均不斷增加。反應(yīng)溫度高于40 ℃時(shí)，氯化膽堿的選擇性、EO的轉(zhuǎn)化率均明顯降低。升高溫度有利于反應(yīng)活性分子的快速運(yùn)動(dòng)，加快反應(yīng)速率，但反應(yīng)溫度太高，降低了反應(yīng)區(qū)的EO濃度，從而降低了EO的轉(zhuǎn)化率和氯化膽堿的選擇性。同時(shí)，溫度過高會(huì)增大副反應(yīng)的幾率,從而影響EO的轉(zhuǎn)化率和氯化膽堿的選擇性，收率下降。因此合成氯化膽堿的最佳溫度為35 ℃。

2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響

保持EO和鹽酸三甲胺的摩爾比1.1∶1，反應(yīng)溫度35 ℃，考察不同的反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成氯化膽堿的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可看出：反應(yīng)時(shí)間對(duì)氯化膽堿的合成存在顯著影響。隨著反應(yīng)時(shí)間的增長，氯化膽堿選擇性和EO的轉(zhuǎn)化率先增大后減小，反應(yīng)時(shí)間在60～120 min內(nèi)，氯化膽堿的選擇性維持在98.2%左右；反應(yīng)時(shí)間為90 min時(shí)，EO的轉(zhuǎn)化率有最大值。隨著反應(yīng)時(shí)間的增長，反應(yīng)的副產(chǎn)物種類逐漸增加，氯化膽堿的收率降低，同時(shí)也增加能源的消耗。所以合成氯化膽堿的最佳反應(yīng)時(shí)間為1.5 h。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成氯化膽堿的影響

2.6 催化劑的重復(fù)利用

在最佳反應(yīng)條件下，重復(fù)使用717強(qiáng)堿陰離子交換樹脂催化劑進(jìn)行10次試驗(yàn)，氯化膽堿的收率均高于93%。這表明該催化劑具有良好的耐水沖刷性和穩(wěn)定性。

2.7 平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在最佳反應(yīng)條件下，進(jìn)行5次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2結(jié)果看出：在最佳反應(yīng)條件下，以717強(qiáng)堿陰離子交換樹脂為催化劑催化EO與鹽酸三甲胺反應(yīng)合成氯化膽堿，氯化膽堿的收率均在98%以上，與文獻(xiàn)[5]相比，收率有一定提高。

表2 平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

a.以717型強(qiáng)堿陰離子交換樹脂為催化劑，采用EO與鹽酸三甲胺合成氯化膽堿的最佳條件為：催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，EO與鹽酸三甲胺摩爾比為1.1∶1，反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)時(shí)間為1.5 h。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，氯化膽堿收率≥98%。

b.樹脂催化EO合成氯化膽堿的工藝條件及后處理操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)快、收率高、成本低、環(huán)境污染小，催化劑可重復(fù)使用和再生。

參 考 文 獻(xiàn)

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