甜菜碱合成反应条件的研究

甜菜碱由于其独特的功能，已经成为我国饲料行业采用的一种重要的饲料添加剂。天然甜菜碱产量有限使得化学合成甜菜碱受到重视，其中以氯乙酸、烧碱或纯碱以及三甲胺为原料化学合成甜菜碱的研究比较活跃。关于甜菜碱合成反应的适宜条件存在差异，各生产厂家实际应用的合成条件也不相同；但均认为甜菜碱合成反应应先在低温下进行一段时间，然后在更高温度下完成反应。 合成条件研究结果不一致的根本原因是人们虽然很容易化学合成甜菜碱，但是即使是在实验室，人们也极难从反应完成的体系中分离出高纯度的甜菜碱。甜菜碱和副产物氯化钠的分离一直都较困难；此外，当甜菜碱中存在着三甲铵盐、氯化钠等杂质时，用非水滴定法、比色法以及总氮法(杨官娥等，2000)定量测定甜菜碱不能得到准确结果。由此可见，一方面很难获得高纯度的甜菜碱，一方面又要用重复性很差的收率来衡量合成条件的优劣，再加上没有可靠的定量分析方法，这必然导致互不相同、甚至是错误的研究结果。

本实验研究了以氯乙酸、烧碱和三甲胺为原料化学合成甜菜碱的反应条件，且试验结果较可靠，现提出谨供参考。

l材料与方法

1．1试验主要材料、试剂和试验设备氯乙酸(工业级，含量实测值96．4％，产于石家庄)；三甲胺(工业级，含量实测值30．0％，密度0． 891 g ／mL，产于河北)；氢氧化钠、氯乙酸钠、硫酸(均为化学纯，北京产)。 SC-15数控超级恒温槽、KELTEC AU— T01030定氮仪、磁力搅拌器、容量瓶、烧杯、移液管、5 mL注射器、水银温度计等。

1．2合成原理 氯乙酸与氢氧化钠反应生成氯乙酸钠，然后与三甲胺反应生成甜菜碱，反应式如下： C1CH2COOH+NaOH=CICH2COONa+H20； C1CH2cOONa+(CH3)3N=(CH3)3NCH 2C 00+NaCl。 副产品为与甜菜碱等摩尔量的氯化钠，合成反应产物中一般还有未消耗完的三甲胺。甜菜碱一旦生成就成为结构非常稳定的化合物，一般酸性、碱性或者高温环境下不会分解，更不会挥发。

1．3试验方法

1．3．1 反应时间的界定。以氯乙酸钠和三甲胺刚接触混合之时为反应的开始；由于氯乙酸钠和三甲胺生成甜菜碱的合成反应只能在碱性溶液中进行，因此，当反应进行到指定时间即以硫酸溶液酸 化反应体系终止合成反应，同时也将体系中三甲胺的量进行固定。

1．3-2 以合成产率为考察反应条件的依据。以对氯乙酸计算的甜菜碱合成产率为依据。要得到可靠的合成产率数据，就需要对合成反应体系中的甜菜碱进行准确的定量分析。

1．3-3分析方法。甜菜碱是含氮有机化合物，高温下催化剂存在时用浓硫酸可将其有机氮消解转化为无机铵态氮；三甲胺盐、铵盐遇碱即转化为三甲胺、氨，高温环境下极易挥发，故其氮量可直接测定，这部分氮称为挥发氮。 将酸化后的反应体系全部转移到容量瓶并定容、混合均匀，然后用移液管量取两份体积完全相同的样品，一份消化后用定氮仪测其总氮，另一份不消化直接用定氮仪测其挥发氮，二者的差值即代表了甜菜碱的量，据此可以计算出反应体系中甜菜碱的绝对量，从而准确获得对氯乙酸计算的产率。

1-3 4氯乙酸钠溶液的制备。用分析天平准确称取一定量的氯乙酸，用水溶解，冷却搅拌下滴加氢氧化钠溶液中和至pH为7～8，全部转移到容量瓶定容，混合均匀，计算出该溶液每毫升含有氯乙酸钠的质量。

1．3．5条件试验。由于是放热反应，从能够快速散热、定容、界定反应时间考虑，以10 mL容量瓶为合成反应器。先用移液管准确量取一定量的氯乙酸钠溶液(其量须使反应液定容为10 mL时，氯乙酸钠起始浓度达到指定值)置人容量瓶，再将按摩尔比设定值量取的三甲胺溶液加入到容量瓶中，立刻计时，补加水使反应液定容至刻度，迅速用橡胶塞密封、振荡混合均匀并静置于指定的环境中反应，至指定时间时，用注射器注入1 mL 6 tool几H2s0。并立刻振摇混合均匀，待分析。另设平行样观察反应温升。

1．3．6放大试验。1)封闭体系下：放大试验在容量瓶中进行，步骤同1．3．5，考虑到放热，设定氯乙酸钠的起始浓度为1．00 illOl／L，在指定温度的水浴中反应。2)开放体系下：在通风柜先将准确量的氯乙酸钠溶液置于烧杯中，低速磁力搅拌，冷水浴控温，液面以下滴加指定量的三甲胺溶液，滴完即计时，调整反应体系的体积，在指定温度下继续反应至指定的时间，然后加入6 1"／101／L H2SO4酸化反应 体系终止反应。

2结果与分析

2．1条件试验结果

2．1．1合成反应的时间。甜菜碱的合成是放热比较迅速的反应，试验很难控制反应在某一精确温度下进行，因此，反应温度的变化范围就是我们观察的重点，结果见表1—3。 表l反应物料起始温度、环境气温 均为 30℃ 时的反应速度

反应时间(mIn)	产率(％)	反应条件
5 L0 20 30 45 60 75 90 105	53.9 78.0 88.9 92.3 94.4 96.9 95.9 95.7 95.9	反应物料混合前的温度均为30℃，混合盾反应器置于气温为30℃的大气中，氯乙酸钠起始浓度1.00 mol／L，氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比为1 00：1,30，反应器内部中心温度最高曾达38℃．此温度维持的时间未超过15mm。

表2反应物料起始温度为20℃、环境气温为25℃时的反应速度

反应时间(min)	产率(％)	反应条件
5 10 20 30 45 60 75 90 105	30.5 60.6 79.2 89.1 90.9 95.5 95.7 96.1 95.7	反应物料混合前的温度均为 20℃ ，混合后反应器置 于气温为 25℃ 的大气中，氯乙酸钠起始浓度1 00 rnol／L，氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比为1.00：l.20，反应器内部中心温度最高曾达 27℃ ，此温度维持的时间未超过10miu。

表3反应物料起始温度、反应器水浴温度 均为 20℃ 时的反应速度

反应时间(min)	产率(％)	反应条件
5 10 20 30 45 60 75 90 105	47.2 66.4 80.3 86.3 89,8 91. 4 92.6 93.8 94.1	反应物料混合前的温度均为20℃，混合后反应器置于气温为20℃的水浴中，氯乙酸钠起始浓度2.00 mol／L，氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比为1. 00：1.10，反应器内部中心温度最高曾达23℃，此温度维持的时间未超过5min。

由表1—3可以看到，甜菜碱的合成反应速度是很快的，在25～ 40℃ ，反应1．0 h时合成产率达最大值，这与崔玉民(2001)认为需2．0—5．0 h才能完成反应的结论不同，只是当反应温度控制在20— 25℃ 时，其反应速度有所减慢。合成反应在20— 40℃ 进行，对控制三甲胺的挥发有利。 2．1．2关于升温反应。先在 30℃ 下反应1．0 h后分别再升温至指定的更高温度下反应2．O h对产率的影响，见表4。 表 4升 温对合成产率的影响

试验号	反应温度（℃)					产率(%)	反应条件
	30	40	50	60	70
1 2 3 4	I.0h I.0h 1.0h 1.0h	2.0h - - -	- 2.0h - -	- - 2.0 h -	- - - 2.0 h	97.3 96.6 97.1 97.4	反应物料混合前的温度均为30℃，混合后反应器置于30℃的水浴中1.0h，然后再在指定的更高温度的水浴中反应2.0h．氯乙酸钠起始浓度1.00mol/L,氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比为1.00:1.30

数据表明，继续在更高的温度下反应合成产率并无显著提高，可见没有必要升温继续反应。这与现有文献提出低温反应后须再将温度升高至70一 80℃ 继续反应的结论不一致(杨官娥等， 200l ；柳恒等，1999)。 2．1．3氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比对合成产率的影响。见表5。 表5氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比对合成产率的影响

氯乙酸钠：三甲胺	产率(％)	反应条件
l.00：1.00 1.00：1.10 1.00：1.20 1.00：1.30 1.00：1.40	96.3 96.9 96.4 96.2 96.8	反应物料混台前的温度均为30℃，混合后反应器置于气温为30 ℃的大气中l-0 h，氯乙酸铀起始浓度1.00 mol／L。

结果表明，三甲胺过量对产率无显著影响，这与杨官娥等(2001)的结果一致。工业生产时三甲胺的添加量应该适当过量以弥补加料过程中可能的挥发损失。这也提示，工业生产中如果能采取措施尽量减少三甲胺在加料、反应过程中的挥发损失，那么三甲胺的过量就可以相应地减少。 2．1．4反应物起始浓度与合成产率。见表6。 表6反应物起始浓度对合成产率的影响

氯乙酸钠起始浓度(moliL)	产率(％)	反应条件
0.50 1.00 1 50 2.00	95.8 96.l 96.7 96.8	反应物料混合前的温度均为 30℃ ．混合后反应器置于30℃的水浴中1.0 h，氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比为l.00:1.10

数据表明，氯乙酸钠的起始浓度在O．50- 2． 00 m 01／L时，在表6所述反应条件下均能达到基本相同的合成产率，而工业生产选择较高的起始浓度在很多情况下可以节省能耗。 2．2放大试验结果 2．2．1封闭体系下放大。见表7。 表7合成试验在封闭体系下放大后的产率

反应体积(mL)	产率(％)	反应条件
25 50 100 250 500	96.5 96.8 96.2 96.9 96.7	反应物料混合前的温度均为 30℃ ，混合后反应器置于30℃的水浴中1.0 h．氯乙酸钠起始浓度1.00mol／L,氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比为1 00：1.05。

可见，封闭体系下放大产率并没有降低，条件试验数据是可靠的。 2．2.2开放体系下放大。见表8。 表8合成试验在开放体系下放大后的产率

反应体积(mL)	氯乙酸钠加入量(mol)	产率 (％)	反应条件
250 500 800	0.50 1.00 l.60	96.8 96.4 96.8	氯乙酸钠与三甲胺的摩尔比为1.00:1.05,30-60min以内20—30℃液面下滴加三甲胺，滴完后即计时并调整反应体积．在30一40℃反应1.0h。

事实上，开放体系和封闭体系的区别仅仅是三甲胺是否有挥发逃逸的途径。从表中数据可以看到，由于合成反应始终都在 40℃ 以下进行，且是在液面以下加入三甲胺，故其挥发损失很小，即使氯乙酸与三甲胺的摩尔比为1．00：1．05，仍然可以获得较高的合成产率。 3结论 以氯乙酸、烧碱和三甲胺为原料化学合成甜菜碱的反应在20— 40℃ 条件下就能很快进行，反应1．O h产率即达到最大值96％左右，三甲胺的加量取决于合成过程中三甲胺的损失量，加入三甲胺时的适宜温度为20～ 30℃ ，加毕继续在30— 40℃ 反应1 h左右的时间可使产率达到最大值。