本发明涉及一种经改进的用于制造羟乙基哌嗪化合物，尤其单羟乙基哌嗪的方法。所述方法涉及用环氧烷，优选环氧乙烷使用反应性蒸馏乙氧基化哌嗪以相对于二羟乙基哌嗪增加单羟乙基哌嗪的产量。
背景技术：
羟乙基哌嗪化合物一般通过使过量环氧乙烷与哌嗪反应来制造。困难之一在于除了制造单羟乙基哌嗪以外，哌嗪的乙氧基化还会引起形成呈副产物形式的二羟乙基哌嗪以及任何未反应的环氧乙烷和/或哌嗪。无论采用的是分批或连续方法，所得反应混合物必须通过多步骤蒸馏分离来使所需羟乙基哌嗪化合物与副产物分离，例如参见usp6,013,801。
反应性蒸馏为熟知的，例如参见usp5,368,691，并且对于反应掉共沸混合物并且推进反应完成的情况一般为有利的。例如参见关于制造乙酸甲酯的usp4,435,595、关于制造乙酸乙酯的美国专利申请第2013/0197266号、关于制造羟乙酸酯寡聚物的美国专利申请第2013/0310598号、关于将聚醚多元醇醇解为聚酯多元醇的美国专利申请第2014/03787712号和关于制造烯丙基醇的美国专利申请第2014/0364655号。
期望的是具有一种制造羟乙基哌嗪化合物的方法，其有利于制造单羟乙基哌嗪和/或消除单独的多步骤蒸馏的需要。
技术实现要素：
本发明为此类用于制造羟烷基哌嗪化合物，优选羟乙基哌嗪化合物，优选1-(2-羟乙基)哌嗪、1,4-双(2-羟乙基)哌嗪和其混合物的方法，所述方法包含以下步骤：i)在具有顶部、中部和底部的反应性蒸馏柱中的第一位置处进给哌嗪的进料流，ii)在反应性蒸馏柱中的一个或多个第二位置处进给环氧烷，优选环氧乙烷的进料流，ⅲ)在反应性蒸馏柱的反应区中进行哌嗪和环氧烷，优选环氧乙烷的反应，iv)从反应性蒸馏柱的顶部去除包含未反应的哌嗪的顶部流，v)从反应性蒸馏柱的底部去除含有羟乙基哌嗪化合物的底部产物。
在本文上文所公开的方法的一个实施例中，哌嗪的进料流的第一位置朝向反应性蒸馏柱的顶部，并且环氧烷，优选环氧乙烷的进料流的第二位置处于反应性蒸馏柱上比第一位置要低的位置处。
在本文上文所公开的方法的一个实施例中，在反应性蒸馏柱中的多个位置处进给环氧烷，优选环氧乙烷进料。
在另一个实施例中，本文上文所公开的方法进一步包含以下步骤：vi)使去除的包含未反应的哌嗪的顶部流穿过冷凝器，vii)从顶部流冷凝出未反应的哌嗪，和viii)将未反应的哌嗪再循环回到处于第三位置处的反应性蒸馏柱中，所述第三位置位于环氧烷，优选环氧乙烷进料的第二位置上方。
在另一个实施例中，本文上文所公开的方法进一步包含以下步骤：ix)使底部产物的至少一部分穿过再沸器，x)蒸发底部产物的一部分，和xi)将经蒸发的部分添加回到反应性蒸馏柱的底部。
在本文上文所公开的方法的一个实施例中，反应性蒸馏柱中未安置催化剂。
在本文上文所公开的方法的一个实施例中，反应性蒸馏柱中安置有一种或多种催化剂。
在本文上文所公开的方法的一个实施例中，反应性蒸馏柱中的压力等于或大于大气压。
在本文上文所公开的方法的一个实施例中，反应性蒸馏柱包含一级或多级。
在本文上文所公开的方法的一个实施例中，反应性蒸馏柱的顶部、中部和底部的优选温度为：顶部：140℃到160℃，中部：160℃到200℃和底部：200℃到250℃。
附图说明
图1显示用于使用反应性蒸馏柱制造根据本发明的羟乙基哌嗪化合物的两个进料系统。
具体实施方式
本发明的目标在于以便于简化纯化过程的方式制造羟烷基哌嗪化合物，优选羟乙基哌嗪化合物，更优选单羟乙基哌嗪，即1-(2-羟乙基)哌嗪。本发明的另一目标在于相较于二羟乙基哌嗪，例如1,4-双(2-羟乙基)哌嗪和其它副产物的量，改进单羟乙基哌嗪的产量。本发明的另一个目标在于反应可连续进行以避免与分批进行的反应相关的问题。
现已发现，通过使环氧烷，例如c2到c8环氧烷，优选环氧丙烷，更优选环氧乙烷和哌嗪在反应性蒸馏方法中反应会达到这些目标。
在化学加工中，可依次进行所需产物的化学反应和通过蒸馏进行的纯化。这一化学方法结构的性能可通过将反应和蒸馏整合在单一多功能方法单元中来得到改进。这一整合概念被称作“反应性蒸馏”。作为这一整合的优点，化学平衡局限性可得到解决，可实现较高选择性，反应的热量可就地用于蒸馏，可避免助剂，和/或共沸和/或沸点相近的混合物(closelyboilingmixture)可更易于分离。使用这一方法可引起方法效率增加并且使总资金成本降低。
反应性蒸馏系统包含至少一个包含顶部、中部和底部的分离器(例如蒸馏柱)，其中分离器或柱包含在其中进行反应的反应区。一般来说，合适的分离器可包括适于将至少一个入口流分成多个具有不同组成、状态、温度和/或压力的排出流的任何处理设备。举例来说，分离器可为具有或不具有多级，即托盘、填料或一些其它类型的复杂内部结构的柱。此类柱的实例包括洗涤器、剥离剂、吸收剂、吸附器、填充柱和具有阀门、筛网或其它类型的托盘的蒸馏柱。此类柱可采用溢水口、放流槽、内部挡板、温度控制器元件和/或压力控制元件。此类柱亦可采用回流冷凝器和/或再沸器的一定组合，包括中间级冷凝器和再沸器。在一个实施例中，本文所述的反应性蒸馏系统可包含不需要任何催化剂安置在其中的蒸馏塔。在另一个实施例中，本文所述的反应性蒸馏系统可包含具有至少一种催化剂安置在其中的蒸馏柱。
在本发明的一个实施例中，反应性蒸馏柱具有两种进料。在位于朝向柱的上部(或顶部)的第一位置处进给哌嗪，并且在位于朝向柱的下部(或底部)的一个或多个第二位置处进给环氧乙烷。本发明的方法的双重进料反应性蒸馏柱的示意图示意性展示在图1中。这一系统包括具有反应性区域的反应性蒸馏柱1、冷凝器14和再沸器15。在所示系统中，在反应性蒸馏柱1的顶部或顶部附近处递送哌嗪进料2，并且在多个位置，例如3a和/或3b和/或3c处在哌嗪进料2下方递送环氧乙烷进料3。归因于哌嗪和环氧乙烷的沸点差异，朝向反应性蒸馏柱1的底部移动哌嗪，并且朝向反应性蒸馏柱1的顶部移动环氧乙烷以在两者之间提供逆流接触。未反应的哌嗪和/或环氧乙烷可向上移出反应性蒸馏柱1的顶部4，并且可将哌嗪冷凝在冷凝器14中以用于再循环10和/或回收12，并将环氧乙烷回收或再循环16。羟乙基哌嗪反应产物或底部产物向下移出反应性蒸馏柱1的底部5并且作为产物13从再沸器15获得。
使在反应性蒸馏柱1的顶部处移出的馏出物穿过冷凝器14，并且使环氧乙烷与较低沸点成分，即哌嗪分离。环氧乙烷可作为塔顶产物流16离开系统。冷凝后的较低沸点成分或其至少一部分可循环回10到反应性蒸馏柱1以进一步反应和/或分离。
底部产物或其部分可穿过再沸器15，其中蒸发底部产物的一部分并添加回到反应性蒸馏柱1的底部。剩余的底部产物可作为产物流13传出系统。产物流13包含反应性蒸馏柱1中产生的单羟乙基哌嗪以及由反应产生的任何副产物，即二羟乙基哌嗪等。维持反应性蒸馏柱回流与再沸比以优化底部产物中的单羟乙基哌嗪的量。在一个实施例中，底部产物流13可包含大于50wt％、大于60wt％、大于70wt％、大于80wt％、大于85wt％、大于90wt％或大于95wt％的单羟乙基哌嗪。
在一个实施例中，在哌嗪进料2的第二位置的上方的第三位置处将哌嗪再循环10进给到反应性蒸馏柱中。
在一个实施例中，在为与哌嗪进料2的第一位置相同的水平，例如级的第三位置处将哌嗪再循环10进给到反应性蒸馏柱中。
在一个实施例中，在处于哌嗪进料2的第一位置下方但高于环氧乙烷进料3的第二位置的第三位置处将哌嗪再循环10进给到反应性蒸馏柱中。
本发明方法的反应性蒸馏柱1可包含一级或多级。级数不受特定限制，只要产生具有未反应的哌嗪和环氧乙烷的馏出物和包含羟乙基哌嗪化合物的底部产物即可。优选地，存在一级或多级，更优选地，2级或更多级，更优选地，3级或更多级，并且甚至更优选地，4级或更多级。优选地，存在30或更少级，更优选地，20或更少级，更优选地，15或更少级，并且甚至更优选地，10或更少级。
在本发明的方法的一个实施例中，反应性蒸馏柱不具有安置在其中的任何催化剂，换句话说，不存在安置在反应性蒸馏柱中的催化剂。
在本发明的方法的一个实施例中，反应性蒸馏柱具有安置在其中的一种或多种催化剂，换句话说，存在安置在反应性蒸馏柱中的一种或多种催化剂。当存在催化剂时，可使用所属领域的技术人员已知的任何合适乙氧基化催化剂。催化剂可以是均相或非均相的。优选催化剂为非均相催化剂，例如水、离子交换树脂、沸石、粘土、混合金属氧化物和所属领域的技术人员已知的其它固态乙氧基化催化剂。
在本发明方法的一个实施例中，在等于或大于大气压下操作反应性蒸馏柱1。
在本发明方法的另一个实施例中，在正压，优选1.05巴绝对压力，更优选地，1.1巴绝对压力，并且甚至更优选地，1.2巴绝对压力下操作反应性蒸馏柱1。
在本发明方法的一个实施例中，哌嗪进料与环氧乙烷进料的摩尔比为4:1,优选3:1，优选2:1，且更优选1:1。
在一个实施例中，反应性蒸馏柱的顶部、中部和底部的优选温度为：顶部：140℃到160℃，中部：160℃到200℃，和底部：200℃到250℃。
优选地，冷凝器温度为110℃到145℃，更优选地，120℃到130℃，并且甚至更优选地，125℃到130℃。
实例
使用市售软件aspenplustm8.6版数值模拟本发明方法。由数据回归研究物理特性。通过使用在aspen中命名为radfrac的严格蒸馏模组数值模拟方法。这一模块具有严格分离以及指定反应在塔中的各级上进行的能力。这些反应可为平衡反应或动力学受控反应，如同本申请中的情况。
蒸馏塔提供用于逐级逆流接触向塔下方前进的液体的构件，其中蒸气上升通过装置，同时使蒸气和液体与液体紧密接触。这可用托盘或填料进行，但在这种情况下，在模拟中使用托盘。这一模拟中所用的绝对单元未必反映任何商业现实，但会反映概念论证结果和概念的实用性。
模拟使用如图1中所示的方法配置并且为具有提供于塔的上部的哌嗪进料的radfrac模块的呈现。将显示来自常见来源并且随后分成多个流的环氧乙烷进给到哌嗪进料与塔的底部之间的级中。
表1为图1中所述的方法的流表。在说明性实施例中，配置有级单元10。级1为冷凝器并且级10为再沸器。将哌嗪(pip)引入到级5上方。将环氧乙烷(eo)引入到级5、7和9的下方。将哌嗪引入到柱的顶部或顶部附近处，并且将eo引入到柱的底部或底部附近处。分散eo以降低其浓度来优化形成超过1,4-双(2-羟乙基)哌嗪(dihep)的1-(2-羟乙基)哌嗪(hep)的量。
表1
表2显示以千克莫耳/小时为单位的逐级进行的反应性蒸馏的结果。显示形成反应物、pip和eo，通过负数展现。随着pip分散到塔中并且eo向上前进通过塔，显示通过反应形成产物、hep和dihep。
表2