CN1031573C - 烷基葡糖苷的直接合成法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以酸性物质作为催化剂一步合成烷基葡糖苷的方法。产物不需分馏精制，可以直接在工业上使用。它采用了含有乙二胺四乙酸的二元或三元复合酸性催化剂；用NaBH₄与无机碱和或有机碱作为复合中和剂；使用沸点为70～160℃范围的醇类作为活化溶剂；适用的糖类是各种单、双和多糖形式的醛糖和酮糖。

Description

烷基葡糖苷的直接合成法

本发明属于直接连接到一个糖化物基团上的一个氧原子上的范畴。

烷基糖苷的合成可上溯至1909年问世的Fisher合成法。该方法由下述步骤构成：a.葡萄糖与酸酐反应生成葡糖戊乙酸酯；b.用溴化氢将葡萄糖戊乙酸酯转变为溴代葡糖四乙酸酯；c.在氧化银或氯化锌存在下与脂肪醇反应生成烷基葡糖苷四乙酸酯；d.水解后得到烷基葡糖苷。这个方法十分繁琐并产生特殊生成物，难以工业化生产。

1965年，USP 3,170,915(Monsanto)中描述了一个由葡萄糖与脂肪醇制备醚类的工艺。在二甲亚砜存在下糖与甲酸钠反应形成苏打衍生物，再与卤代石蜡反应生成烷基糖苷。该工艺较复杂，产物需要精制，成本很高。

1965年，USP 3,219,656(Rohm & Haas Co.)中描述了通过甲基化葡萄糖和高碳醇之间醚化转移反应制备烷基葡糖苷的工艺。提出甲基化葡萄糖在加热和寡聚化时比葡萄糖稳定。该工艺中甲基化葡萄糖与丁醇间的醚化转移反应，和进一步与脂肪醇的转移醚化反应同时进行。要连续分离两种低碳醇再分离过量脂肪醇，多步操作和溶剂损失使成本过高。另外在USP 3,037,052中描述了几种用作反应催化剂的阳离子交换树脂。

1970年颁布的USP 3,547,828中提出在酸性催化剂存在下，糖类先与正丁醇等低碳醇反应生成低碳烷基葡糖苷，然后再与较高碳醇反应。这是一个通过转移乙酰化反应形成较高碳烷基葡糖苷的两步合成工艺。列举的酸性催化剂是：硫酸、硝酸等无机酸和对甲苯磺酸、甲基磺酸等有机酸。并指出一般情况下Lawis酸均可作为催化剂，而以硫酸效果最好。

1971年，USP 3,598,865中描述了糖和较高碳醇在酸性催化剂存在下反应，以低碳醇作为“惰性溶剂”制备较高碳烷基葡糖苷的工艺。指出脂肪醇应充分过量。产品再分馏精制。

1974年，USP 3,839,318(Rohm & Haas Co.)描述了在酸性催化剂存在下，用过量C6-C18醇与葡萄糖直接反应制备烷基葡糖苷与烷基寡聚葡糖苷混合物的方法。高碳醇与糖直接反应比先制备低碳烷基葡糖苷再与较高碳醇进行糖苷基转移反应困难。该专利只给出了制备辛基葡糖苷的实例。

1983年颁布的EP 0077，167描述了在酸性催化剂和缩合剂组成的复合催化剂存在下，用单糖与脂肪醇反应制备烷基寡聚葡糖苷的工艺。认为适宜的缩合剂是磷酸、亚磷酸、硫酸、亚硫酸、硝酸和亚硝酸。反应时脂肪醇与糖的摩尔比为1.25～4∶1。反应产物需要真空蒸馏、分子蒸馏或旋转薄膜蒸馏除去过量脂肪醇。给出了产品最高烷基碳数为10的制备实例。

1985年颁布的EP 0132，043提出一个制备烷基葡糖苷的改良工艺。建议使用阴离子表面活性剂烷基硫酸、烷基苯磺酸和烷基磺酸等作为催化剂，认为这样可以减少糖的自聚。中和后的粗产品离心移出不溶物，再分馏除去过量醇。

1985年颁布的EP 0132，046对用酸催化制备烷基葡糖苷工艺的中和方法提出改进方案，建议使用(RO)nM形式的有机碱作为中和剂，在反应结束时中和掉酸性催化剂。认为这样有助于在蒸提过量醇时减少生色副产物的生成。

1989年JP 89，283，294提出以杂多酸为催化剂制备烷基葡糖苷。但使用的原料是五乙酰化葡萄糖，与过量脂肪醇直接反应。给出了制备辛基四乙酰化葡糖苷的实例。产品也需要分馏精制。在原料和品种上都有局限性。

上述各种合成工艺均使用过量脂肪醇与糖或糖的衍生物反应。产物中存在大量未反应醇，需再分馏精制，能耗和物耗相当高，使产品成本增加。分馏精制过程会对产品质量产生不良的影响。虽然提出过一些在分馏过程中保护产品质量的方案，如1981年Ger.Offen 3,001,064(BASF A.G.)提出分馏过量醇时加入乙二醇防止产品色泽变深的方法，但这又使工艺相应的复杂化。此外，受高碳醇沸点和烷基糖苷焦化温度的限制，任何需蒸提过量醇的工艺要制备烷基碳数高于12的产品实际上是困难的。

我们的任务是研制一种工艺简单、投资少、产率高、不经分馏就可直接使用的烷基葡糖苷的一步合成法。

本发明是一种以酸性物质作为催化剂合成烷基葡糖苷的方法，其特征是适于化学通式

    R—0—(G′)n—G

其中：n＝0-10

      G′和G表示相同或不相同的单糖基团

      R表示具有6～32个碳原子的直链或带支链的、饱和的或不饱和的烷基或芳烷基链的烷基葡糖苷的一步合成，不需分馏精制、可直接在工业上使用。

A)使用了复合酸性催化剂；

B)采用了NaBH₄与无机碱和或有机碱的复合中和剂；

C)使用了沸点为70～160℃范围的醇类作为活化溶剂；

D)适用的糖类是各种单、双和多糖形式的醛糖和酮糖。

本发明是在研究了烷基葡糖苷合成方法的基础上提出来的。尽管合成方法有多种，但要改善反应状态和产品色泽，特别是在工业化大生产中减少或避免微量金属离子的干扰是相当困难的。为此，我们特别建议使用了乙二胺四乙酸和普通的酸组成的二元或三元的复合酸性催化剂；NaBH₄与无机碱和或有机碱组成复合中和剂；使用沸点在70～160℃范围的低碳醇类作为活化溶剂；适用的糖类是各种单、双和多糖形式的醛糖和酮糖来构成本发明的主体。反应得到的产品，不经分离，烷基寡聚葡糖苷的含量可达90％以上，未反应脂肪醇一般为5～10％。产品状态为浅黄色或微黄色的半透明粘稠膏体，可直接应用于化妆品、医药、食品、洗涤剂、印染、印刷以及其他行业。

本发明是在酸性催化剂存在下，用C₆-C₃₂的单羟基醇类和较低碳醇一起与单糖或能降解为单糖的各种糖化物反应，一步合成出较高纯度、在大多数应用场合可不经分馏精制而直接使用的浅色烷基葡糖苷。本合成方法还包括能够改善反应状态和产品色泽、含有乙二胺四乙酸的复合催化剂，以及能够显著改善产品色泽、含有NaBH₄的复合中和剂的使用。

适用于本合成方法的单羟基醇类是具有6～32个碳原子的直链和带支链的、饱和的或不饱和的伯、仲烷基醇类以及芳烷基醇类。适用的糖类是各种单、双和多糖形式的醛糖和酮糖。包括葡萄糖、果糖、山梨糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖、核糖、木糖等单糖化物，和蔗糖、麦芽糖、乳糖、棉子糖及其他能降解为单糖的双糖或多糖，以及淀粉、纤维素等聚多糖的水解糖化物。

适宜作为活化溶剂使用的是沸点为70～160℃范围的低碳醇类，包括正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、正戊醇、异戊醇、仲戊醇、叔戊醇、3-戊醇、环戊醇、正己醇、2-己醇、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚等。提出的这些低碳醇在反应中起活化溶剂的作用，使脂肪醇与单糖化物的反应在比较温和的条件下较容易地完成。虽然低碳醇与糖化物的反应速率常数远大于高碳脂肪醇与糖化物的反应速率常数，并造成反应体系中同时存在多个竞争反应和化学平衡，但在本方法中反应进行十分均匀，使较高碳烷基葡糖苷的生成(包括高碳醇直接与糖化物的反应和糖基由低碳醇转移至高碳醇上的反应)在较温和的条件下，以相对较快的速度、均匀地、有控制地进行。该反应状态十分精确，必须严格控制各化学平衡的移动。本方法还使易焦化组份在脂肪醇不过量的情况下在反应过程中得到保护。

本合成方法可使反应物脂肪醇与糖的比例，由过去的醇过量改进为醇糖等量或糖过量，从而使一步合成较高纯度烷基葡糖苷成为可能。适用于本方法的脂肪醇与糖化物的摩尔比可以是1∶1～1∶10。为获得较高纯度的产品并使之有好的表面活性和水溶性，最适宜的醇糖摩尔比为1∶1～1∶3。作为活性溶剂的低碳醇与糖化物的摩尔比范围是1∶1～20∶1。

一般的Lawis酸，如硫酸、亚硫酸、硝酸、亚硝酸、磷酸、亚磷酸、甲基磺酸、对甲苯磺酸、烷基磺酸及酸性离子交换树脂，以及其他已知有效的醚化催化剂均适用于本合成方法。但本发明特别提出使用乙二胺四乙酸与酸性催化剂及缩合剂复配的二元或三元复合催化剂。适宜的缩合剂是磷酸或亚磷酸。所提出的复合催化剂能够改善反应状态和产品色泽，特别是在工业化生产中可减少或避免金属离子的不良影响。乙二胺四乙酸在复合催化剂中的重量百分比为1～40。在含有酸性催化剂和兼有催化作用的缩合剂的复合催化剂中，前者与后者的比例可以是2∶8～9∶1。

常用的中和剂是无机碱或(RO)nM形式的有机碱。式中M可以是碱金属、碱土金属或胺。本发明特别提出使用NaBH₄与无机碱和或有机碱复配作为中和剂。NaBH₄可将醛糖转变为相应的醇糖，有效地改善产品色泽。在复合中和剂中NaBH₄与无机碱和或有机碱的重量比为9∶1～1∶9。

反应可以在带有适当搅拌装置、并与真空系统相连接的玻璃烧瓶或其他各种反应器中进行。反应时将符合前述比例范围的C₆-C₃₂单羟基醇类，作为活化溶剂的沸点为70-160℃范围的低碳醇，单糖化物或适当的糖类以及酸性催化剂一并加入。其中部分原料如高碳醇、低碳醇和催化剂，也可以按一定次序分批加入，或者连续加入一种原料或一种以上的混合原料，以半连续反应方式进行。反应过程中必须精确控制目的反应、中介反应和副反应之间的化学平衡及其移动。在反应各阶段严格控制活化溶剂在反应体系中的比例。反应可在80-130℃温度下进行，最佳反应温度为105-120℃。自室温平缓升温至反应温度后，反应约1.5～3小时。反应宜在惰性气体流保护下进行。反应系统的真空度宜控制在0.005～0.50MPa之间。反应完全后降温至90℃加入中和剂，中和掉催化剂停止反应。中和后体系pH约为6.5～7.0。

最后加入含少量脱色剂的水溶液进一步脱色，并使反应产物成为70～80％(重量)的水溶液。产品为浅黄色或微黄色、半透明的粘稠膏体，通常色度为APHA 100～150。烷基葡糖苷在总固体物中含量为90％(重量)以上，在大多数场合都可不再分馏精制而直接使用。这样既降低了物耗能耗又避免了蒸馏对产品质量的不良影响。另外，前述各种脂肪醇过量的方法，在分馏过量醇时，受烷基葡糖苷变色和焦化温度的限制，使得实际上要制备烷基碳数高于12的产品是困难的。本合成方法由于不存在脂肪醇过量的问题，而可以容易地制备烷基碳数高于12的产品。

下面举例进一步具体说明。

实施例一.

在带有搅拌的反应瓶中加入月桂醇93g(0.5mol)，无水葡萄糖180g(1.0mol)，正丁醇555g(7.5mol)，所提出的三元催化剂0.65g。升温至110℃反应2小时，同时搅拌并馏出反应生成的水和正丁醇。然后降温至90℃加入NaBH₄-NaOH溶液中和，中和后体系PH≈6.5。未经分离的反应物中含十二烷基葡糖苷93.40％(W/W)，平均糖苷聚合度为2.35；未反应月桂醇5.86％，游离糖0.77％。脱色后产物色相为APHA 100。该混合粗产品经测定水溶液的表面张力为29.5mNS/m，临界胶团浓度(cmc)为2.3×10^-4mol/L(25±1℃)。

实施例二.

投料和操作程序与实施例一相同。反应结束时，加入NaBH₄-NaOCH₃复合中和剂中和。最后粗产品中烷基葡糖苷占94.36％(W/W)，平均糖苷聚合度为2.27；未反应醇4.71％，游离糖0.93％。脱色后产品色相APHA 100。

实施例三.

投料和操作程序与实施例一相同。反应结束时，加入NaBH₄-NaOH-NaOCH₃复合中和剂中和并脱色。产品色相APHA 100。

实施例四.

反应物为平均分子量为198.6的椰子油醇85g(0.43mol)，无水葡萄糖180g(1.0mol)，仲戊醇443g(5.0mol)，所提出的三元催化剂0.70g。其中约2/5的溶剂和部分催化剂在反应过程中连续加入。升温至115℃反应2小时。反应结束时按实施例一方法中和。未分离的反应物中含烷基葡糖苷92.5％(W/W)，平均糖苷聚合度为2.89；未反应椰子油醇7.08％，游离糖0.87％。脱色后产物色相APHA 100。

实施例五.

在反应瓶中加入平均分子量为198.6的椰子油醇50g(0.25mol)，无水葡萄糖90g(0.5mol)，正丁醇149g(2.0mol)和所提出的三元催化剂0.30g。升温至115℃反应2小时。加NaBH₄-NaOH中和剂中和并脱色。未经分离的产物含烷基葡糖苷90.85％(w/w)，平均糖苷聚合度为2.62；未反应椰子油醇8.59％，游离糖0.56％。产品色相APHA 100。

实施例六.

按照实施例一同样操作程序，加入十六醇97.0g(0.4mol)，无水葡萄糖158.5g(0.88mol)，正丁醇491g(6.6mol)和所提出的三元催化剂0.50g。反应2.5小时后降温至90℃，用NaBH₄-NaOH溶液中和并脱色。反应产物中含十六烷基葡糖苷88.67％，平均糖苷聚合度2.93；未反应十六醇10.34％，游离糖0.87％。产品色相APHA 150。

实施例七.

按照实施例一同样操作程序，加入正辛醇65g(0.5mol)，无水葡萄糖135g(0.75mol)，异丁醇112g(1.5mol)，三元催化剂0.35g。反应1.5小时后降温至90℃，用NaBH₄-NaOH溶液中和并脱色。反应产物中辛基葡糖苷为93.17％(W/W)，平均糖苷聚合度1.81；未反应正辛醇6.22％，游离糖0.61％。产品色相APHA 150。

实施例八.

按照实施例三同样操作程序，反应物为十四醇85.8g(0.40mol)，无水葡萄糖129.7g(0.72mol)，仲戊醇319g(3.6mol)。三元催化剂0.45g。反应结束时用NaBH₄-NaOH溶液中和并脱色。未分离的产物中十四烷基葡糖苷为88.84％(W/W)，平均糖苷聚合度2.34；未反应十四醇10.29％，游离糖0.87％。产品色相APHA 100。

实施例九.

按照实施例三同样操作程序，反应物为油醇107.4g(0.40mol)，无水葡萄糖158.5g(0.88mol)，仲戊醇310g(3.5mol)。提出的三元催化剂0.40g。反应结束时用NaBH₄-NaOH溶液中和并脱色。未分离的产物中烷基葡糖苷为90.13％(W/W)，平均糖苷聚合数为2.71；未反应油醇8.72％，游离糖1.15％。产品色相APHA 150。

实施例十.

按照实施例三操作程序，反应物为月桂醇116g(0.625mol)，β—阿拉伯糖150g(1.0mol)；异丁醇297g(4mol)，其中1/3在反应中连续添加。所提出的三元催化剂0.45g。反应结束时用NaBH₄-NaOH溶液中和并脱色。未分离的产物中月桂基糖苷为93.08％(W/W)，平均糖苷聚合数为1.79；未反应月桂醇5.85％，游离糖1.07％。产品色相APHA 150。

实施例十一.

按照实施例三操作程序，反应物为月桂醇103.5g(0.56mol)，L—山梨糖180g(1.0mol)，异戊醇398g(4.5mol)，所提出的三元催化剂0.50g。反应结束时用NaBH₄-NaOH溶液中和并脱色。未分离的产物中含月桂基糖苷92.80％(W/W)，平均糖苷聚合数为2.08；未反应月桂醇5.93％，游离糖1.27％。产品色相APHA 150。

实施例十二.

在与真空系统相连的100立升反应釜中，加入月桂醇11.18kg(60mol)，无水葡萄糖16.21kg(90mol)，正丁醇26.65kg(360mol)，所提出的三元催化剂49g。升温至110℃反应2小时，同时搅拌并馏出反应生成的水和溶剂正丁醇。反应完成后加入NaBH₄-NaOH溶液中和。中和后体系pH约为6.5。未分离的反应产物中含十二烷基葡糖苷90.66％(w/w)，平均糖苷聚合度为1.74；未反应月桂醇7.17％，游离糖2.17％。产品稀释成70％水溶液并脱色后色相为APHA100。

实施例十三.

装置同实施例十一，加入工业椰子油醇11.92kg(60mol)，无水葡萄糖19.45kg(108mol)，所提出的三元催化剂68g。正丁醇40.02kg(540mol)，其中30％在反应中连续加入。其余操作方法同上例。反应产物中含烷基葡糖苷91.82％(w/w)，平均糖苷聚合度为2.06；未反应椰子油醇6.25％，游离糖1.93％。产品稀释成70％的水溶液并脱色后色相为APHA 150。

参照例A.

在装有搅拌的反应瓶中加入月桂醇93g(0.5mol)，无水葡萄糖180g(1.0mol)，正丁醇555g(7.5mol)。催化剂为0.65g硫酸。升温至110℃反应2小时，同时搅拌并馏出反应生成的水和正丁醇。降温至90℃加入NaOH溶液中和催化剂停止反应，中和后体系PH≈6.5。未经分离的反应物中含十二烷基葡糖苷89.37％(W/W)，平均糖苷聚合度为2.65。未反应月桂醇9.38％，游离糖1.25％。脱色后产物色相为APHA 250。

参照例B.

按照参照例A投料和操作，但反应完成时用NaBH₄-NaOH复合中和剂中和并脱色。产品色相为APHA 200。

参照例C.

按照实施例一投料和操作，但用NaOH作中和剂中和并脱色。产品色相为APHA 150。

参照例D.

按照实施例三的投料量和操作程序进行反应，但在反应结束时不加含NaBH₄的中和剂而加NaOH溶液中和。脱色后产品色相APHA 150。

参照例E.

按照EP 96，917的工艺操作，原料加入量为月桂醇186g(1.0mol)，丁基葡糖苷—正丁醇溶液363g(折合单离葡萄糖72g，0.4mol)。反应产物中烷基葡糖苷含量为39.46％(w/w)，平均聚合度1.50；未反应月桂醇56.73％，游离糖3.81％。需再分馏出未反应月桂醇。

参照例F.

按照实施例三的投料量和操作程序进行反应，反应结束时加入甲醇钠中和并脱色。产品色相为APHA 150。

通过前面的叙述与实例，不难看出本合成方法可使反应的醇糖比例由脂肪醇过量改进为醇糖等量或糖过量，从而使一步合成高纯度的烷基葡糖苷成为可能。还可省去分馏精制工序。不仅改善了反应状态和产品色泽，而且大幅度地降低了物耗和能耗，宜于工业化生产。在此我们声称，本方法是一种以酸性物质作为催化剂一步合成烷基葡糖苷的理想方法。

Claims (1)

1.一种以酸性物质作为催化剂合成烷基葡糖苷的方法，适于化学通式

       R—O—(G’)n—G

  其中：n＝0～10

        G’和G表示相同或不同的单糖基团

        R表示具有6～32个碳原子的直链或带支链的、饱和的或不饱和的烷基或芳

             烷基链

的烷基葡糖苷的一步合成，本发明的特征在于一步反应产物不需分馏精制、可直接

在工业上使用，其技术特征是

A)使用了复合酸性催化剂：

  乙二胺四乙酸与硫酸、亚硫酸、磷酸、业磷酸、硝酸、亚硝酸、甲基磺酸、对

  甲苯磺酸、烷基磺酸、酸性离子交换树脂组成的二元复合酸性催化剂，或者再

  加入常用的醚化缩合剂如磷酸、亚磷酸组成的三元复合酸性催化剂；

B)采用了NaBH₄与无机碱和或有机碱组成的复合中和剂；

C)使用了沸点为70～160℃范围的醇类作为活化溶剂，包括正丙醇、异丙醇、正丁

  醇、异丁醇、仲丁醇、正戊醇、异戊醇、仲戊醇、环戊醇、正己醇、2-己醇、

  乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚；

D)适用的糖类是各种单、双和多糖形式的醛糖和酮糖，包括葡萄糖、果糖、山梨

  糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖、核糖、木糖等单糖化物，和蔗糖、麦芽糖、

  乳糖、棉子糖等能降解成单糖的双糖或多糖，以及淀粉、纤维素聚多糖的水解

  糖化物；

E)脂肪醇和糖在酸性催比剂和活化溶剂存在下一步反应生成烷基葡糖苷，反应物

  投料配比为

  (1)脂肪醇和糖的摩尔比为1∶11∶10；

  (2)活化溶剂与糖的摩尔比为1∶1-20∶1；

  (3)催化剂用量为糖的0.001～0.01(重量)；

F)反应在带有搅拌装置、真空系统和加热器的实验室和工业装置中进行

  (1)反应温度：适宜的反应温度为80～130℃；

  (2)真空度：反应系统真空度为0.005～0.5MPa；

  (3)反应时间：1.5～3小时。