CN103998416A - 制造乙氧基化胺化合物的改进方法 - Google Patents

制造乙氧基化胺化合物的改进方法 Download PDF

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Abstract

制造乙氧基化胺化合物例如乙醇胺的改进方法。所述改进包括在向制备乙氧基化胺化合物的反应器添加氧化乙烯之前，向所述胺化合物添加酸。所述改进降低了不期望的二醇醚和/或乙烯基醚乙氧基化物副产物的浓度，所述副产物可以造成不良性质，例如乙氧基化胺化合物的着色和发泡。

Description

制造乙氧基化胺化合物的改进方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年12月21日提交的序号为61/578,388的临时申请的优先权，所述申请通过引用以其全部内容并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及制造乙氧基化胺化合物例如乙醇胺的改进方法。所述改进提供了更高纯度的产物并降低了不期望的二醇醚副产物的浓度，所述副产物可以造成颜色形成、发泡和与乙氧基化胺化合物有关的其他产品质量问题。
背景技术
制造乙氧基化胺化合物中常见的副产物包括二醇醚胺副产物、乙烯基醚乙氧基化物和由乙醛与胺缩合得到的低聚物。已知二醇醚胺副产物是不期望的，例如参见美国专利5,334,763和5,395,973，其公开了在生产单、二和三乙醇胺中通过添加二氧化碳来减少乙氧基化或二醇醚胺副产物。出于许多原因，使用二氧化碳是不理想的，包括因为它是环境条件下的气体因此更难处理，并且因为胺与二氧化碳的组合可导致腐蚀问题。另外，作为副产物形成的胺/碳酸盐可能不是热稳定的，这可限制它们在减少不期望的二醇醚胺副产物中的应用。
以上副产物可造成乙氧基化胺制剂中不希望有的颜色和/或在使用期间产生泡沫，例如在如硬表面清洁、抑制腐蚀等等的应用中。因为这样的副产物在乙氧基化胺化合物的某些商业用途中也是不理想的，因此制造具有更高的纯度、更好的(例如更少的)颜色和更低的发泡倾向的乙氧基化胺化合物的方法，将是一种改进。
发明内容
本发明是对在一定条件下从氧化乙烯与胺化合物的反应制造乙氧基化胺化合物的方法的改进，所述反应形成不期望的副产物，所述改进包括在向制备所述乙氧基化胺化合物的反应器添加氧化乙烯之前或同时，向包含选自氨、伯胺、仲胺及其两种或更多种的混合物的胺化合物的反应混合物添加酸，条件是所述乙氧基化胺化合物不是哌嗪或哌嗪衍生物。
在所述改进方法的一些实施方式中，所述酸在向所述反应器添加氧化乙烯之前添加到所述反应混合物中。
在本发明的改进方法的一些实施方式中，所述反应混合物是无水的。
在所述改进方法的一些实施方式中，所述酸以基于所述反应混合物的总重量从0.001至5重量％的量存在。
在所述改进方法的一些实施方式中，所述酸是pKa等于或小于13的无机酸或有机酸。
在一些实施方式中，所述酸是磷酸、硫酸、盐酸、硼酸、硝酸或羧酸例如乙酸。
在一些实施方式中，基于胺化合物的量，氧化乙烯的存在量为0.5至1.1摩尔当量氧化乙烯/胺氢(NH)。
在一些实施方式中，所述方法在小于250℃的反应温度下进行。
在一些实施方式中，所述酸在制造乙醇胺的过程中添加到反应器。
在一些实施方式中，所述酸在制造单乙醇胺的过程中添加到反应器。
在一些实施方式中，所述酸在制造二乙醇胺的过程中添加到反应器。
在一些实施方式中，所述酸在制造三乙醇胺的过程中添加到反应器。
在一些实施方式中，在分别通过再循环的单乙醇胺(MEA)或二乙醇胺的乙氧基化、或通过再循环的单乙醇胺和二乙醇胺的混合物的乙氧基化来制造二乙醇胺(DEA)或三乙醇胺(TEA)的过程中，向所述反应器添加所述酸。
具体实施方式
除非另外指出，数值范围，例如在“从2至10”中，包括限定所述范围的数值在内(例如2和10)。
除非另有说明，否则比率、百分数、份数等都按重量计。
用于本说明书中时，“烷基”包括直链和支链脂族基团。在一些实施方式中，烷基包含1至10、或者1至8、或者1至6个碳原子。优选的烷基包括但不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基和己基。
术语“环烷基”是指具有3至12个碳、优选3至8个碳、并更优选3至7个环碳原子的饱和及部分不饱和的环烃基团。优选的环烷基包括但不限于环丙基、环丁基、环戊基、环戊烯基、环己基、环己烯基、环庚基和环辛基。
“芳基”基团是包含一至三个芳环的C6-C12芳族部分。优选地，所述芳基是C6-C10芳基。优选的芳基包括但不限于苯基、萘基、蒽基和芴基。更优选的是苯基。
“杂环烷基”基团是指含有至少一个氮杂原子和任选一个或多个选自氮、氧和硫的其他杂原子的非芳族3-12原子环系。所述杂环烷基环可以任选与其他杂环烷基环和/或非芳烃环稠合或以其他方式连接。优选的杂环烷基具有3至7元。杂环烷基的非限制性实例包括哌啶和吗啉。
本发明基于以下发现：在一定条件下制造乙氧基化胺化合物例如乙醇胺的方法，其中形成不期望的副产物例如二醇醚胺、乙烯基醚乙氧基化物和/或低聚物，一种或多种这些不期望的副产物的水平、优选二醇醚副产物的水平或乙烯基醚乙氧基化物的水平或二者，可以通过向其中制备这样的乙氧基化胺化合物的反应器添加甚至很少量(例如，在一些实施方式中1重量％或更低)的酸来减少或基本上消除这样的副产物。
据认为，所述不期望的副产物由季铵化合物和/或霍夫曼(Hoffman)型降解而引起。例如，在制造乙醇胺的过程中，这些过程的常见副产物包括相应的乙氧基化或二醇醚胺，它们通称为MEAGE(单乙醇胺二醇醚)、DEAGE(二乙醇胺二醇醚)和TEAGE(三乙醇胺二醇醚)。这些副产物可以存在于精制的乙醇胺中并可以影响目标乙醇胺在最终用途应用中的性能。另外，这些副产物的形成可以限制制造乙醇胺期间的一些工艺变量。例如，由于副产物形成，可以限制再循环到反应器的MEA或DEA的量、或DEA的直接乙氧基化。据认为，这些副产物是通过向TEA添加氧化乙烯而形成的中间体季铵化合物例如2-(三(2-羟乙基)铵基)乙醇化物(I)和所述中间体季铵化合物的霍夫曼型降解的结果。
除了乙氧基化或二醇醚胺副产物之外，其他副产物也可以通过MEA或DEA的乙氧基化形成。
例如，所述季铵中间体的降解可产生乙醛，乙醛缩合产生巴豆醛，巴豆醛可以与所述过程中的任何游离MEA反应，产生席夫碱(Schiffbase)，席夫碱然后可经历进一步的反应，产生可在最终产物混合物中引起有色产物的低聚物。
另外，如果所述季铵中间体已经乙氧基化，则所述消除可以产生乙烯基醚乙氧基化物低聚物，例如2-(2-(2-(乙烯氧基)乙氧基)乙氧基)乙醇。
虽然不希望受理论约束，但据认为，向胺乙氧基化的反应混合物添加酸导致所述酸与所述中间体季铵化合物反应，从而抑制聚醚形成以及产生可影响产品质量的副产物的霍夫曼型降解。
季铵中间体的分解将取决于结构、浓度和所述过程的温度，这对于本领域技术人员将是明显的。因此，变量例如胺的类型、氧化物的进给速率、反应混合物的温度和浓度可以引起酸水平的调节以减少副产物的形成。
在本发明的一些实施方式中，所述胺化合物可以通过下式表示：
其中R、R1和R2各自独立地是氢、烷基、环烷基、芳基、-(CH2-CH2-O)n-H(其中n是1至8的整数)、羟烷基、氨基烷基，或R、R1和它们相连的氮形成杂环烷基，条件是R、R1和R2的至少一个是氢。
在一些实施方式中，R、R1和R2各自独立地是氢、烷基或-(CH2-CH2-O)n-H(其中n是1至8的整数)，条件是R、R1和R2的至少一个是氢。
在一些实施方式中，R、R1和R2各自独立地是氢或-CH2-CH2-OH，条件是R、R1和R2的至少一个是氢。
在一些实施方式中，所述胺化合物是哌啶或吗啉。
在一些实施方式中，所述胺化合物是氨。
在一些实施方式中，所述胺化合物是单乙醇胺。
在一些实施方式中，所述胺化合物是二乙醇胺。
在本发明中，所述胺化合物不是哌嗪或哌嗪衍生物。因此，乙氧基化哌嗪(包括哌嗪衍生物)从本发明中排除。
本发明的优点在于它容许在所述二醇醚胺和乙烯基醚乙氧基化物副产物的水平明显减少或它们基本消除下进行氧化乙烯和所述胺化合物的反应。在一些实施方式中，基于对于每个NH官能团的氧化乙烯的化学计算当量，不期望的二醇醚胺副产物的量是0.5面积％或更低，优选0.1面积％或更低。不期望的二醇醚副产物的量可以通过气相色谱或本领域技术人员已知的其他方法来测定。
在本发明的方法中，所述胺化合物的乙氧基化可以在无水和/或净态(不添加溶剂)的条件下实现。如果使用溶剂的话，优选是水。优选地，所述反应在不添加或少量添加溶剂如水下进行，例如基于反应混合物的总重量为2重量％或更低，或者1重量％或更低。
优选地，所述胺化合物的乙氧基化通过制备反应混合物来实现，所述反应混合物包含所述胺化合物、基于所述反应混合物的总重量从0.001至5重量％的酸和基于所述胺化合物的量从0.5至1.1摩尔当量、优选0.9至1摩尔当量的氧化乙烯/NH。优选所述酸在添加氧化乙烯之前添加到所述胺化合物。
优选地，所述反应温度等于或低于250℃，优选等于或低于200℃，更优选等于或低于170℃，更优选等于或低于150℃。优选地，所述反应温度等于或高于40℃，优选等于或高于80℃，更优选等于或高于100℃，更优选等于或高于120℃。在一些实施方式中，所述反应温度在80和150℃之间。
让所述乙氧基化反应进行直到期望水平的胺转化为乙氧基化胺化合物，优选等于或大于50％，更优选等于或大于60％，更优选等于或大于70％，更优选等于或大于80％，更优选等于或大于90％，和最优选等于或大于95％的所述胺化合物转化为乙氧基化胺化合物。
如果反应混合物是水溶液，优选所述胺化合物的存在量基于所述反应混合物的总重量为等于或小于70重量％，优选基于所述反应混合物的总重量为等于或小于60重量％，更优选等于或小于50重量％。如果反应混合物是水溶液，优选所述胺化合物的存在量基于所述反应混合物的总重量为等于或大于1重量％，优选基于所述反应混合物的总重量为等于或大于10重量％，更优选等于或大于20重量％。
我们已经发现，添加在本文中称为酸的质子给体化合物，例如有机酸或无机酸，减少了制备乙氧基化胺化合物期间二醇醚副产物的形成。优选的酸是pKa等于或小于13，更优选pKa等于或小于11，更优选pKa等于或小于9，更优选pKa等于或小于5的质子给体化合物。合适的无机酸的实例是磷酸、硫酸、盐酸、硼酸、硝酸等等。合适的有机酸的实例是羧酸，例如但不限于乙酸。
优选添加到反应混合物中的所述酸的量基于所述反应混合物总重量为等于或小于10重量％，优选基于所述反应混合物的总重量等于或小于5重量％，优选等于或小于2.5重量％，更优选等于或小于2重量％，甚至更优选等于或小于1.5重量％，并且甚至更优选等于或小于1重量％。优选添加到反应混合物中的所述酸的量基于所述反应混合物总重量为等于或大于0.001重量％，优选基于所述反应混合物的总重量等于或大于0.01重量％重量％，更优选等于或大于0.1重量％。
基于胺化合物的量，优选添加到反应混合物中的氧化乙烯的量等于或大于0.75摩尔当量/HN，优选等于或大于1摩尔当量，优选不大于1.1摩尔当量/NH。
本发明方法的优选应用是生产乙醇胺，特别是单乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺。乙醇胺，例如单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)和三乙醇胺(TEA)，在各种条件下由氧化乙烯和氨在商业上生产。为了满足市场需求可以进行MEA:DEA:TEA的比例调节，使得有利于一种产物胜过另一种。各种乙醇胺的相对量可以通过调节氨–氧化乙烯进给比、通过将MEA和/或DEA再循环回到反应器中的一些点、或通过使用选择性催化剂来控制。例如，MEA可以通过氨相对于氧化乙烯大量过量而优先产生，而TEA可以通过在低的氨与氧化乙烯摩尔比下运行或将MEA和或DEA再循环回到反应器中的一些点而优先形成。
DEA和TEA的另一种途径包括使MEA和/或DEA与氧化乙烯在单独的反应器中反应。所生成的混合物通过蒸馏分离成各个组分。
本发明的一些实施方式现在将在下面的实施例中详细地描述。
实施例
所述乙氧基化反应在配备磁力驱动叶片的具有夹套和挡板的9升不锈钢压热反应器中进行。
实施例1(比较)
从二乙醇胺和氧化乙烯(EO)制备三乙醇胺
本实施例涉及将二乙醇胺乙氧基化来制备EO/DEA标称摩尔当量为0.75的样品。将二乙醇胺(1806g)装入之前氮气吹扫的9L反应器中。所述反应器加压然后放气七次以去除大气氧，然后在环境温度下用氮气加压到110至140kPa。反应器内容物在搅拌下在120℃加热，然后在120℃下用大约50分钟向所述反应器中计量加入氧化乙烯(总共565g)，产生340至415kPa的运行压力。在完成EO进料之后，反应器内容物在反应温度下再搅拌2hr以消耗未反应的氧化物(煮解)，然后冷却到30℃。反应混合物通过气相色谱分析进行分析，表明已经形成0.14面积％的2-2-(2-羟乙氧基)-乙氨基乙醇(不期望的副产物)和0.14面积％的2-(2-(2-(乙烯氧基)-乙氧基)乙氧基乙醇(不期望的副产物)。所述不期望的副产物通过电子碰撞质谱证实。
实施例2(发明)
在添加乙酸下从二乙醇胺和氧化乙烯(EO)制备三乙醇胺
本实施例涉及在冰乙酸存在下，将二乙醇胺乙氧基化来制备EO/DEA标称摩尔当量为0.75的样品。二乙醇胺(1799g)和冰乙酸(18.0g)的混合物装入之前氮气吹扫过的9L反应器中。所述反应器加压然后放气七次以去除大气氧，然后在环境温度下用氮气加压到110-140kPa。反应器内容物在搅拌下在120℃加热，然后在120℃下用大约50分钟向所述反应器中计量加入氧化乙烯(总共560g)，产生340-415kPa的运行压力。在完成EO进料之后，反应器内容物在反应温度下再搅拌31/2hr以消耗未反应的氧化物(煮解)，然后冷却到30℃。反应混合物通过气相色谱分析进行分析，表明已经形成0.03面积％的2-2-(2-羟乙氧基)-乙氨基乙醇(不期望的副产物)和0.07面积％的2-(2-(2-(乙烯氧基)-乙氧基)乙氧基乙醇(不期望的副产物)。所述不期望的副产物通过电子碰撞质谱证实。
实施例3(发明)
在添加硫酸/水下从二乙醇胺和氧化乙烯制备三乙醇胺
除了向二乙醇胺添加硫酸/水(总反应混合物的1.1重量％/9.8重量％)代替乙酸之外，利用如实施例2所述的反应条件来制备EO/DEA标称摩尔当量为0.75的样品。反应混合物通过气相色谱分析进行分析，表明没有形成可检测量的2-2-(2-羟乙氧基)-乙氨基乙醇(不期望的副产物)或2-(2-(2-(乙烯氧基)-乙氧基)乙氧基乙醇(不期望的副产物)。
所述GC分析显示，在基本相同的反应条件下，向二乙醇胺(DEA)添加1％乙酸使得当添加0.75当量的氧化乙烯时形成较少的DEA二醇醚(2-2-(2-羟乙氧基)乙氨基乙醇)和2-2-(2-羟基-乙氧基)-乙氨基乙醇。当向二乙醇胺添加12.5％水和1.4％硫酸时，没有形成可检测量的(2-2-(2-羟乙氧基)乙氨基乙醇)和2-2-(2-羟基-乙氧基)-乙氨基乙醇。
DEA乙氧基化可能的胺二醇醚杂质包括下列：
另外，当乙氧基化DEA时，可以形成乙烯基醚乙氧基化物，例如2-(2-(2-(乙烯氧基)乙氧基)乙氧基)乙醇。

Claims (8)

1.在一定条件下从氧化乙烯与胺化合物的反应制造乙氧基化胺化合物的方法，所述反应形成不期望的胺二醇醚副产物和/或乙烯基醚乙氧基化物，改进包括在向制备所述乙氧基化胺化合物的反应器添加氧化乙烯之前或同时，向包含选自氨、伯胺和仲胺的胺化合物的反应混合物添加酸，条件是所述乙氧基化胺化合物不是哌嗪或哌嗪衍生物。
2.权利要求1的改进方法，其中所述酸的存在量基于反应混合物的总重量为从0.001至10重量％。
3.权利要求1-2任一项的改进方法，其中所述酸是pKa等于或小于13的无机酸或有机酸。
4.权利要求1-3任一项的改进方法，其中所述酸是磷酸、硫酸、盐酸、硼酸、硝酸或羧酸。
5.权利要求1-4任一项的改进方法，其中基于胺化合物的量，氧化乙烯的存在量为0.9至1.0摩尔当量氧化乙烯/NH。
6.权利要求1-5任一项的改进方法，其中所述方法在250℃或更低的反应温度下进行。
7.权利要求1-6任一项的改进方法，其中在制造单乙醇胺、二乙醇胺或三乙醇胺的过程中向所述反应器添加酸。
8.权利要求1-7任一项的改进方法，其中在分别通过再循环的单乙醇胺或二乙醇胺的乙氧基化、或通过再循环的单乙醇胺和二乙醇胺的混合物的乙氧基化来制造二乙醇胺或三乙醇胺的过程中，向所述反应器添加酸。
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