JP2000273071A - ベタインの溶液の製造 - Google Patents

ベタインの溶液の製造

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JP2000273071A
JP2000273071A JP2000058469A JP2000058469A JP2000273071A JP 2000273071 A JP2000273071 A JP 2000273071A JP 2000058469 A JP2000058469 A JP 2000058469A JP 2000058469 A JP2000058469 A JP 2000058469A JP 2000273071 A JP2000273071 A JP 2000273071A
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choline
betaine
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catalyst
noble metal
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JP2000058469A
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Dorai Ramprasad
ドウライ・ラムプラサード
William Eamon Carroll
ウィリアム・エイモン・キャロル
Francis Joseph Waller
フランシス・ジョウゼフ・ウォラー
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Air Products and Chemicals Inc
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C227/00Preparation of compounds containing amino and carboxyl groups bound to the same carbon skeleton
    • C07C227/02Formation of carboxyl groups in compounds containing amino groups, e.g. by oxidation of amino alcohols

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コリン塩の酸化によるベタインの製造方法の
提供。 【解決手段】 この方法は約20℃〜100℃の温度お
よび大気圧から約100psiまでの圧力で塩基と担持さ
れた貴金属触媒の存在下で実施され、この反応によって
アミンハロカルボキシレート汚染物質が生成しないの
で、先行技術のベタインの製造方法より有利である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明はベタインの水溶液の製造方法に
関する。この製品は動物飼料として、また個人的衛生面
での皮膚清浄剤として共に価値がある。ベタインを製造
する最も一般的な方法はアルカリ金属水酸化物の存在下
でトリメチルアミンをα−ハロカルボン酸と反応させる
ことによるものである(米国特許第4,497,825号および
第5,292,942号参照)。この方法にはいくつか不利点が
ある。例えば塩化ナトリウムが常に共生成され、除去さ
れねばならない(米国特許第3,480,665号参照)。これ
に加えて出発物質トリメチルアミンハロカルボキシレー
トに汚染物としての懸念があり、トリメチルアミンの水
準を低くするように工程を変更しなければならない。
【0002】米国特許第5,684,191号は、トリメチルア
ミンをモノクロロ酢酸とまず反応させ、次いでエチレン
オキサイドを前段階の反応生成物と反応させることによ
り、モノクロロ酢酸、トリメチルアミンおよびエチレン
オキサイドとからベタインおよびコリンクロライドをと
もに合成する方法を教示している。上記した諸プロセス
については、反応からの汚染物が問題である。ベタイン
を製造する別な合成方法はGekkan Fudo Kemi Karu (199
1年), 7(6), 112〜120頁に記載されている。
【0003】ベタインを製造する別な方法は、酸素とコ
リンオキシダーゼ酵素を使用するコリン [Me3NCH2
CH2OH]+ の酸化である(米国特許第5,187,088号、
第4,245,050号および第4,135,980号参照)。この酸化で
は生成するベタイン1モルあたり過酸化水素2モルが生
成する。従って、この方法はベタインを製造するのには
用いられないが、生成する過酸化水素を測定することに
よりコリンを検出する分析技術として有用である。
【0004】Pd、Pt、Rh、Ru、Ir、Os、R
eのような貴金属の存在下でアルカリ金属水酸化物を使
用して、第1級アルコールをカルボン酸塩に酸化するこ
とは周知である(Mallat等,“Oxidation of Alcohols
With Molecular Oxygen on Platinum Metal Catalysts
in Aqueous Solutions", Catalysis Today 19 (1994
年), 247〜284頁)。日本特許第50−96516A号はPdの
ような貴金属の存在下でアルコールを苛性アルカリでア
ルコールを液相脱水素化することによりカルボン酸塩を
製造する方法を開示している。この方法では、高い温度
100℃〜270℃が用いられまたジエチレングリコ
ールのようなアルコールが使用される。この方法に固有
の不利点は100℃またはそれ以上の高い温度を用いね
ばならず、また所望の酸がアルカリ金属塩で生成される
ことである。遊離塩基としてのコリンの濃厚溶液が10
0℃で分解してトリメチルアミンエチレングリコールと
ポリ(エチレングリコール)を生成することを示す文献
がある。Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Techn
ology, 第6巻, 第9頁である。従って当業者はこのよ
うな分子が酸化、高温およびアルカリ性溶液などの条件
下で劣化すると考えるであろう。
【0005】
【発明の概要】本発明者らは担持された貴金属触媒の存
在下でコリン塩の水溶液を酸素および塩基と反応させる
ことによりベタインの水溶液を製造できることを見出し
た。本明細書で用いる場合、Rがそれぞれ独立してHま
たはC1〜C4のアルキル基である化学式R3+CH2
2 -によって表される化合物をベタインと称する。本方
法は約20℃〜100℃の温度および大気圧から約10
0psiまでの圧力を用いてバッチ式または連続的に反応
器を操作するのに好適である。
【0006】
【発明に関する詳述】コリン化合物は商業的に入手でき
る物質であり、また水溶液中の塩の形態のものが発売さ
れている。本発明者らは担持された貴金属触媒の存在下
でコリン塩の水溶液を酸素と部分的に反応させてベタイ
ン/コリンの水性混合物を生成するかあるいはベタイン
に完全に酸化させることができることを見出している。
一般的な反応は以下の化学反応式 [R3NCH2CH2OH]+X- + O2 + 塩基 → [R3N+CH2CO2 -]
+ H2O + HX (式中、Rはそれぞれ独立してHまたはC1〜C4のアル
キル基であり、またX-はコリン陽イオンによって塩を
形成することのできる任意の陰イオンである)によって
示すことができる。好適な陰イオンの例にはOH-
R′CO2 -(R′はH、アルキル、ハロアルキル、アリ
ールまたはハロアリールである)、SO4 =、NO3 -、C
3 =、HCO3 -、HSO4 -、HSO3 -、PF6 -、B
4 -、CF3CO2 -、ClO4 -、CF3SO3 -、Cl-
Br-、I-、F-およびC456 -がある。これらの陰
イオンの多くの場合、酸化を進行させるために溶液をア
ルカリ性にするために追加的塩基例えばNaOHを添加
しなければならない。X-がOH-であるかあるいは酢酸
または重炭酸のような弱酸の陰イオンである場合、追加
的な塩基は反応速度を増大するかもしれないが、必要で
はない。
【0007】ベタイン化合物を製造するための先行技術
より本願の技術が有利であるのは、アミンハロカルボキ
シレート汚染物が生成せずまた生化学的方法におけるよ
うにH22が生成しないからである。本プロセスは追加
的な塩基を使用するためアルカリ金属塩副生物が生成す
るが、この反応はトリメチルアミン、クロロ酢酸および
塩基を反応させる、これまでの塩の除去に加えてトリメ
チルアミンおよびクロロアセテートの汚染が問題になる
方法より依然有利である。ほとんど驚くべきことに、本
発明者らは陰イオン(X-)は高濃度、つまり約40%
より高い濃度でCl-のようないくつかの陰イオンが有
害な作用を示し始めることを除いて反応条件下で触媒を
被毒させないことを見出した。
【0008】要約すると、コリン塩の水溶液は、大気圧
から約100psiの酸素および追加的な塩基と担持され
た不均質系触媒を使用することによって、約20℃〜1
00℃の温度で高い変換率および/または選択率でベタ
インに酸化されうることが見出された。担持された不均
質触媒は好適な支持体上にある貴金属からなる。コリン
/貴金属モル比は約10〜500と変化してよい。後記
する実施例ではPd/CおよびPt/Cの使用を示す
が、Rh、Ru、IrおよびReのような他の貴金属触
媒もまた使用できる。安定でありまた反応条件に対して
不活性である任意の支持体例えば炭素を使用することが
でき、またCd、BiまたはPbのような助触媒もまた
添加してよい。特許請求の範囲に記載の方法は100℃
までの温度および100psiまでの酸素圧力を使用す
るバッチ式または連続式反応器を操作するのに好適であ
る。
【0009】最終用途および関係する経済性に応じて、
コリンの一部のみを酸化してコリン/ベタインの水性混
合物を生成するか、あるいはコリンのベタインへの完全
酸化が好ましいであろう。触媒の種類、触媒濃度、陰イ
オン、コリンの濃度、反応時間のようなパラメータを調
整することによりコリンの酸化度を制御することができ
る。
【0010】以下の実施例は本発明を一層明解にするた
めに示すものであって、これらに限定されるものではな
い。
【0011】実験の部 すべての実験は酸素バブラー、水冷式コンデンサーおよ
び温度計を備えた三つ口ガラスフラスコ内で実施した。
フラスコは温度を維持するように熱監視装置に接続され
た加熱マントルによって加熱した。水溶液は磁気撹拌機
によって撹拌した。ベタインおよびコリンの量は13
NMRスペクトルにおけるこれらの相対的積分値から算
出した。
【0012】実施例 1 異なる二つの温度での塩化コリンのベタインへの酸化 三つ口フラスコに23.5gの塩化コリンの70%溶液
を入れ、続いて300mlの脱イオン水を入れた。これに
8.6gのNaOHを加え、続いて3.3gの5%Pt/
C触媒を加えた。溶液に酸素を吹き込みそして75℃で
4時間加熱し、次いで濾過しそして13C NMRによっ
て分析した。室温で実験を18時間反復しそして結果を
以下のように比較した。
【表1】 これらの結果から、室温での酸化がより高い温度での酸
化より緩慢であるが、両反応ともベタインへの高い選択
率を示したことがわかる。
【0013】実施例 2 水酸化コリンの酸化と塩化コリンとの比較 三つ口フラスコに200mlの脱イオン水を入れ、次いで
2.1gの5%Pt/C触媒を添加した。これに水酸化
コリンの50%溶液(Aldrich)を25ml加え、そして
混合物に酸素を吹き込み撹拌し、そして78℃で3時間
加熱し、次いで濾過しそして分析した。4.4gのNa
OHを添加した275mlの水中に溶解した15.45g
の塩化コリンを用いて実験を反復した。結果を下記に示
す。
【表2】 結果は水酸化物および塩化物の双方について酸化が同様
に進行することを示す。
【0014】実施例 3 〜6重量%の希薄溶液を用いての種々の量のPd/C触
媒を使用する酸化 約15.5gの塩化コリンを275mlの水中に溶解し
た。これに4.4gのNaOHを加え、次いで4.2gの
5%Pd/Cを加えた。撹拌しつつ78℃で3時間にわ
たって混合物に酸素を吹き込み、その後溶液を濾過しそ
して分析した。種々の量の触媒を使用して実験を反復し
た。結果を下記に示す。
【表3】 結果は、触媒の量に従って変換率が直線的に増加しない
が、触媒が多くなると変換率が高まるという一般的傾向
がある。
【0015】実施例 4 14%の塩化コリン溶液を用いて高い変換率および選択
率でベタインを製造する反応 水100mlに15.5gの塩化コリンを添加し、続いて
4.5gのNaOHおよび10gの5%Pd/C触媒を
添加した。溶液に78℃で5.5時間にわたって酸素を
吹き込み、次いでこれを濾過しそして分析した。結果を
下記に示す。
【表4】
【0016】実施例 5 高濃度(40%)の塩化コリンまたは水酸化コリンを使
用してベタインを製造する反応 100mlの水に50gの塩化コリンを添加し、続いて1
4.3gのNaOHと10gの5%Pd/C触媒を添加
した。溶液に78℃で5.5時間にわたって酸素を吹き
込み、次いでこれを濾過しそして分析した。10mlの水
を添加し、続いて10gの5%Pd/Cを添加した81
mlの水酸化コリンを用いてつくった溶液によって実験を
反復した。結果を以下の表に示す。
【表5】 結果は、高濃度で水酸化コリンが塩化物よりよく作用す
ることを示し、このことは塩化物がより高い濃度では触
媒毒でありうる可能性を示す。
【0017】実施例 6 高濃度(47%)の重炭酸コリン溶液を使用してベタイ
ンを製造する反応 約63mlの75%重炭酸コリンを42mlの水で希釈し、
次いで10gの5%Pd/Cと混合した。78℃で5時
間にわたって酸素を吹き込み、その後、生成物を濾過し
そして分析した。結果を下記に示す。
【表6】 結果は、塩基を追加的しない重炭酸塩は水酸化物ほどに
は有効でないことを示す。
【0018】実施例 7 塩基の存在下での重炭酸コリンの酸化 約13.2gの水酸化ナトリウムを100mlの水に溶解
し、60mlの75%重炭酸コリン溶液と混合した。溶液
を10gの5%Pd/C触媒と混合し、酸素を5時間7
oCで吹き込んだ。生成物を濾過し、分析した。結果
を下記に示す。
【表7】 上記の結果は、酸化反応への塩基の添加がコリンの変換
率を有意に高めることを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // C07B 61/00 300 C07B 61/00 300 (72)発明者 ドウライ・ラムプラサード アメリカ合衆国ペンシルベニア州18104. アレンタウン.タマラックドライブ332 (72)発明者 ウィリアム・エイモン・キャロル アメリカ合衆国ペンシルベニア州18069. オーアフィールド.ロータスドライブ1717 (72)発明者 フランシス・ジョウゼフ・ウォラー アメリカ合衆国ペンシルベニア州18103− 9670.アレンタウン.モールフェアドライ ブ3908

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コリン塩の水溶液を、担持された貴金属
    触媒の存在下で約20℃〜100℃の温度で酸素および
    塩基と反応させることからなる、ベタインの水溶液の製
    造方法。
  2. 【請求項2】 コリン塩が構造式 [R3NCH2CH2OH]+- (式中、Rはそれぞれ独立してHまたはC1〜C4のアル
    キル基であり、そしてX-は水溶性のコリン塩を生成し
    得る任意の陰イオンである)によって表される請求項1
    の方法。
  3. 【請求項3】 X-がOH-、CH3CO2 -、SO4 =、N
    3 -、CO3 =、HCO3 -、HSO4 -、HSO3 -、P
    6 -、BF4 -、CF3CO2 -、ClO4 -、CF3SO3 -
    Cl-、Br-、I-、F-、C456 -、またはR′CO
    2 -であり、R′はH、アルキル、ハロアルキル、アリー
    ルまたはハロアリールである請求項2の方法。
  4. 【請求項4】 ベタインが構造式 R3+CH2CO2 - (式中、Rはそれぞれ独立してHまたはC1〜C4のアル
    キル基である)によって表される請求項1の方法。
  5. 【請求項5】 ほぼ大気圧から100psiまでの圧力
    で実施する請求項1記載の方法。
  6. 【請求項6】 触媒が支持体上のPtまたはPdからな
    る請求項1の方法。
  7. 【請求項7】 触媒支持体が炭素である請求項6の方
    法。
  8. 【請求項8】 反応に助触媒を加える請求項1の方法。
  9. 【請求項9】 助触媒がCd、BiまたはPbである請
    求項8の方法。
  10. 【請求項10】 コリン/貴金属モル比が10〜500
    である請求項1の方法。
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