CN101029062A

CN101029062A - 三氯蔗糖的合成工艺

Info

Publication number: CN101029062A
Application number: CN 200710014401
Authority: CN
Inventors: 黄云芳; 崔国臣; 王讯
Original assignee: LIANJI SWEET TASTE CONDIMENT CO Ltd ZIBO
Current assignee: LIANJI SWEET TASTE CONDIMENT CO Ltd ZIBO
Priority date: 2007-04-09
Filing date: 2007-04-09
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2027-04-09
Also published as: CN101029062B

Abstract

三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于以蔗糖为原料，在N－酰胺类化合物的有机溶剂中，加入共沸剂和稀土固体超强酸催化剂与乙酸酐在70～95℃下反应生成蔗糖－6－乙酸酯，蔗糖－6－乙酸酯再依次进行氯化、醇解反应生成三氯蔗糖。本发明与现有的三氯蔗糖合成工艺相比，具有工艺简单、催化剂催化活性高、用量少并容易回收、生产成本低等优点，非常适合工业化生产。

Description

三氯蔗糖的合成工艺

技术领域

本发明涉及甜味剂——三氯蔗糖的合成工艺。

背景技术

三氯蔗糖，化学名称为4，1′，6′-三氯-4，1′，6′三脱氧半乳蔗糖，其结构式为：

三氯蔗糖甜味纯正，极类似于天然蔗糖；甜度是天然蔗糖的600-650倍；不参与人体代谢，无热量；热稳定性好，无可测性损失；抗酸水解稳定性高于蔗糖10倍；安全性高，是迄今为止人类开发的最完美、最具竞争力的非营养型、高甜度的甜味剂。目前已被二十多个国家批准作为食品甜味剂使用。

合成三氯蔗糖，按合成原料分为蔗糖路线和棉籽糖路线。棉籽糖为原料合成三氯蔗糖，路线短，工艺简单，但是原料来源稀少，难以满足工业生产需要。天然蔗糖是合成三氯蔗糖最适宜的原料。以蔗糖为原料合成三氯蔗糖，根据羟基保护程度不同，有全部羟基的保护(全基团保护)与C-6羟基的选择性保护(单基团保护)之分。

全基团保护法(如美国专利US4,801,700；US4,783,526；US4,362,869所述)，利用蔗糖分子中8个羟基在空间位阻上的区别，选择性的保护空间位阻相对较小的伯羟基，然后将剩余的羟基全部乙酰化，然后在酸性条件下脱去保护基，将4位乙酰基位移至6位，再氯化三个羟基，脱乙酰基得到三氯蔗糖，全基团保护法工艺复杂，反应步骤较多，生产成本很高，没有工业化生产价值。

通常蔗糖分子中羟基的位置不同，其反应活性也不同。不同位置羟基的反应活性，大致顺序为6，6′＞4＞1′＞2＞3，3′，4′。单基团保护法是先将活性较高的C-6位羟基保护起来，然后进行选择性氯化，最后脱去保护基，得到三氯蔗糖。合成过程包括选择性酯化、选择性氯化、脱乙酰基等3步。该法合成步骤简单，是目前最具工业化生产的工艺路线。而单基团保护法的核心是蔗糖-6-酯的制备。目前蔗糖-6-酯的合成方法主要有二丁基氧化锡法(如美国专利US5,023,329；US4,950,746等)和乙酯法(US4,889,928；US5,409,772)。这些合成方法具有一定的先进性，但也存在一定的局限性，如工艺复杂、催化剂回收困难、生产条件苛刻、生产成本高。

中国专利CN 03126655.X中公开了一种三氯蔗糖的合成方法，其特征是以蔗糖为原料，加入N，N-二甲基甲酰胺溶液，在硫酸盐固体酸催化剂或吸附在高分子载体上的硫酸盐固体酸催化剂作用下与乙酸乙酯发生酯交换反应，生成蔗糖-6-乙酸酯。但存在催化剂稳定性差，寿命较短，易失活等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的三氯蔗糖的合成工艺，工艺简单、催化剂催化活性高并回收容易、生产成本低。

本发明三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于以蔗糖为原料，在N-酰胺类化合物的有机溶剂中，加入共沸剂和稀土固体超强酸催化剂与乙酸酐在70～95℃下反应生成蔗糖-6-乙酸酯，蔗糖-6-乙酸酯再依次进行氯化、醇解反应生成三氯蔗糖。

本发明的主要技术特点在于蔗糖-6-乙酸酯的制备，采用了稀土改性的固体超强酸催化剂。蔗糖-6-乙酸酯可以按照已知技术方式进行氯化、醇解反应生成三氯蔗糖。

固体超强酸是近年来在化学领域中开发出的一种新型酸类，其酸强度为H₀＝-20～-12，远远超过100％H₂SO₄(H₀＝-11.92)。在酸碱催化作用的研究中，固体超强酸以其独具的特性成为催化领域研究的热点。除了具有极强的酸性使许多难以进行的化学反应能在很温和的条件下进行以外，还对异构化、烷基化、脱水及酯化等反应具有很高的催化活性，克服了液体酸催化剂带来的污染，并且还具有与产品分离容易、制备方法简便等优点。加入稀土金属改性后调节了固体超强酸催化剂的酸的强度和酸密度，改善了催化剂的催化活性、稳定性、寿命等性能指标。稀土离子可以是Ce⁴⁺、La³⁺、Sm³⁺、Nd³⁺、Dy³⁺、Y³⁺、Gd³⁺、Eu³⁺、Pr³⁺、Tb³⁺等。该类催化剂常见的制备方法为：用氨水水解金属的盐类(如Fe₂O₃、TiCl₄、ZrOCl₂、SnCl₄等)生成金属氢氧化物沉淀，洗除有害阴离子(如Cl^-等)，过滤，干燥后研细；添加稀土金属离子改性制得稀土固体超强酸催化剂，在一定温度下焙烧而得催化剂。本发明选用的改性稀土固体超强酸催化剂包括：SO₄ ^2-/TiO₂/La³⁺，SO₄ ^2-/ZrO₂/Ce⁴⁺，SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺等。本发明优选SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺作为蔗糖与乙酸酐的酯化反应催化剂。

以下比较详细地描述本发明的工艺步骤：

1、蔗糖、乙酸酐按比例加入有机溶剂N-酰胺类化合物中，加入共沸剂和催化当量的稀土固体超强酸催化剂，加热回流控制反应温度70～95℃，反应时间为3～6小时，然后冷却至室温，过滤回收催化剂，减压回收溶剂和共沸剂，获得的蔗糖-6-乙酸酯，HPLC检测含量为75～95％，得率80～92％。其中N-酰胺类化合物为：N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二乙基甲酰胺、N，N-二丙基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺，根据其对蔗糖的溶解度和安全性，本发明优选N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为反应溶剂；共沸剂包括：环己烷、甲苯、二甲苯、苯等，从反应温度的控制和共沸特性考虑，本发明优选环己烷。蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶0.9～1.2；蔗糖与有机溶剂N-酰胺类化合物和共沸剂的重量比为1∶5～10∶0.5～3；催化剂加入量为蔗糖重量的1～3％。

2、蔗糖-6-乙酸酯溶解在N-酰胺类化合物中，冷却至-20～-40℃，加入摩尔比为1∶6～8(蔗糖∶氯代试剂)的氯代试剂，缓慢升温至110～120℃，控温反应3～5小时，然后冷却，碱中和至PH＝8～9，再用酸返中和至PH＝6～7，搅拌30min，过滤盐渣，减压浓缩回收溶剂，加入定量的水溶解糖浆，用乙酸乙酯萃取，活性碳脱色后，减压浓缩乙酸乙酯至一定浓度后，冷却结晶，得三氯蔗糖-6-乙酸酯，再用定量乙酸乙酯重结晶1～2次得含量为90～98％的三氯蔗糖-6-乙酸酯，得率约为50～60％。氯代试剂采用Vilsmeier(V氏试剂)试剂，可以是光气/DMF、三氯氧磷/DMF、氯化亚砜/DMF，本发明优选氯化亚砜/DMF。

3、三氯蔗糖-6-乙酸酯溶解在PH＝8～9的甲醇/甲醇钠或乙醇/乙醇钠体系中，本发明优选甲醇/甲醇钠体系，室温下搅拌反应2～4小时，用弱酸性树脂中和至中性后，减压浓缩回收溶剂，加入定量水溶解后，加入活性炭脱色，常温下搅拌析晶20～24小时，得三氯蔗糖产品，HPLC检测含量为98～102％，总得率20～30％(以蔗糖计)。

本发明的优点：与现有的三氯蔗糖合成工艺相比，本发明具有工艺简单、催化剂催化活性高、用量少并容易回收、生产成本低等优点，非常适合工业化生产。

具体实施方式

以下结合实施例说明本发明，但不限定本发明。

实施例1：

SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺催化剂的制备

在1000ml圆底烧瓶中加入20gTiCl₄用稀氨水水解至溶液呈碱性，得白色偏钛酸沉淀，静置24h后分离除去上清液，将沉淀洗涤至无氯离子，在110℃烘干后研磨成粉末，过120目筛得白色粉末TiO₂。将硫酸高铈溶于500mmol/L硫酸溶液中配成1mol/L(铈的摩尔浓度)溶液，将筛分出的白色粉末TiO₂在其中浸泡14h，抽滤，固体置于烘箱110℃下烘干，马福炉里焙烧，得到约25g稀土固体超强酸催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺。

实施例2：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶0.9；催化剂为蔗糖重量的2％。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，350g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂环己烷100g，乙酸酐13.4g(0.131mol)，1g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至85℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆62g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯80.1％，蔗糖双乙酸酯为5.2％，残留的蔗糖为10.5％。

实施例3：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1；催化剂为蔗糖重量的2％。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，350g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂环己烷100g，乙酸酐14.9g(0.146mol)，1g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至85℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆64g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯84.1％，蔗糖双乙酸酯为6.2％，残留的蔗糖为4.1％。

实施例4：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1.05；催化剂为蔗糖重量的2％。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，350g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂环己烷100g，乙酸酐15.6g(0.153mol)，1g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至85℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆67g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯87.1％，蔗糖双乙酸酯为8.2％，残留的蔗糖为1.2％。

实施例5：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1.2；催化剂为蔗糖重量的2％。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，330g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂环己烷100g，乙酸酐17.9g(0.175mol)，1g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至85℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆62g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯85.5％，蔗糖双乙酸酯为15.2％，残留的蔗糖为1.0％。

实施例6：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1.05；催化剂为蔗糖重量的1％。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，350g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂环己烷100g，乙酸酐15.6g(0.153mol)，0.5g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至85℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆66g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯75.1％，蔗糖双乙酸酯为4.2％，残留的蔗糖为11.2％。

实施例7：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1.05；催化剂为蔗糖重量的3％。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，350g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂环己烷100g，乙酸酐15.6g(0.153mol)，1.5g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至85℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆62g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯85.1％，蔗糖双乙酸酯为7.7％，残留的蔗糖为1.8％。

实施例8：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1.05；催化剂为蔗糖重量的3％，溶剂为N，N-二乙基甲酰胺。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，350g N，N-二乙基甲酰胺，共沸剂环己烷80g，乙酸酐15.6g(0.153mol)，1.5g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至95℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二乙基甲酰胺，得糖浆58g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯70.4％，蔗糖双乙酸酯为5.8％，残留的蔗糖为15.5％。

实施例9：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1.05；催化剂为蔗糖重量的2％，共沸剂为苯。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，300g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂苯70g，乙酸酐15.6g(0.153mol)，1g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至90℃反应4小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆60g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯75.1％，蔗糖双乙酸酯为8.2％，残留的蔗糖为11.2％。

实施例10：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1.05；催化剂为SO₄ ^2-/TiO₂/La³⁺用量为蔗糖重量的3％。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，350g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂环己烷90g，乙酸酐15.6g(0.153mol)，1.5g催化剂SO₄ ^2-/TiO₂/La³⁺，搅拌加热至90℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆63g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯73.7％，蔗糖双乙酸酯为6.7％，残留的蔗糖为9.8％。

实施例11：

蔗糖-6-乙酸酯的合成，蔗糖与乙酸酐摩尔比例为：1∶1.05；催化剂为SO₄ ^2-/ZrO₂/Ce⁴⁺用量为蔗糖重量的3％。

在装有磁力搅拌器、分水器、回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入50g(0.146mol)蔗糖，350g N，N-二甲基甲酰胺，共沸剂环己烷80g，乙酸酐15.6g(0.153mol)，1.5g催化剂SO₄ ^2-/ZrO₂/Ce⁴⁺，搅拌加热至93℃反应5小时，冷却至常温，过滤回收催化剂，减压回收N，N-二甲基甲酰胺，得糖浆60g，HPLC测得糖浆中含蔗糖-6-乙酸酯75.7％，蔗糖双乙酸酯为7.2％，残留的蔗糖为10.5％。

实施例12：

三氯蔗糖-6-乙酸酯的合成

取上述实施例4的糖浆67g用450mlN，N-二甲基甲酰胺加热至70℃溶解后，冷却至-25℃，缓慢滴加83ml氯化亚砜，控制整个滴加过程温度不超过0℃，滴加完成后缓慢升温至115℃，并保持在该温度下反应4小时。冷却至5℃左右，搅拌下滴加4mol/L NaOH水溶液中和至PH值等于8～9，再用盐酸返中和至PH值等于7。过滤盐渣，滤液减压浓缩至干，加入400ml水溶解后用1000ml乙酸乙酯萃取，活性炭50～60℃下搅拌脱色1小时，减压回收乙酸乙酯900ml，冷却搅拌析晶24小时，过滤，滤饼再用乙酸乙酯重结晶2次，得到三氯蔗糖-6-乙酸酯40g，HPLC检测，含量约为93～97％。

实施例13：

三氯蔗糖的合成

取上述实施例10的三氯蔗糖-6-乙酸酯40g，加入到1000ml圆底烧瓶中，加入320ml无水甲醇，搅拌溶解后，加入甲醇钠的甲醇溶液调节PH值至9左右，常温下搅拌反应3小时，反应完成后用弱酸性树脂中和至中性，减压回收甲醇，加入30ml水加热溶解后，常温下搅拌析晶20～24小时，过滤干燥得约15g三氯蔗糖，HPLC检测，纯度为99％，总得率25.86％。

Claims

1、一种三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于以蔗糖为原料，在N-酰胺类化合物的有机溶剂中，加入共沸剂和稀土固体超强酸催化剂与乙酸酐在70～95℃下反应生成蔗糖-6-乙酸酯，蔗糖-6-乙酸酯再依次进行氯化、醇解反应生成三氯蔗糖。

2、根据权利要求1所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述蔗糖与乙酸酐的摩尔比例为：1∶0.9～1.2，蔗糖与有机溶剂N-酰胺类化合物和共沸剂的重量比为1∶5～10∶0.5～3，稀土固体超强酸催化剂加入量为蔗糖重量的1～3％。

3、根据权利要求1所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述N-酰胺类化合物为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺、N，N-二丙基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺。

4、根据权利要求3所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述N-酰胺类化合物为N，N-二甲基甲酰胺。

5、根据权利要求1所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述共沸剂为环己烷、甲苯、二甲苯或苯。

6、根据权利要求5所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述共沸剂为环己烷。

7、根据权利要求1所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述稀土固体超强酸催化剂为SO₄ ^2-/TiO₂/La³⁺，SO₄ ^2-/ZrO₂/Ce⁴⁺，或SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺。

8、根据权利要求7所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述稀土固体超强酸催化剂为SO₄ ^2-/TiO₂/Ce⁴⁺。

9、根据权利要求1所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述氯化反应的氯代试剂采用V氏试剂，醇解反应采用PH＝8～9的甲醇/甲醇钠或乙醇/乙醇钠体系。

10、根据权利要求9所述的三氯蔗糖的合成工艺，其特征在于所述V氏试剂采用氯化亚砜/N，N-二甲基甲酰胺。