CN103360433A - 一种一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，该方法包括：在反应容器中加入蔗糖、原乙酸三甲酯和磺化竹炭催化剂，进行蔗糖的C-6位羟基保护反应，反应完全后加入式（I）所示的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂进行氯化反应，反应完毕后用乙酸乙酯萃取，活性炭脱色，浓缩结晶得到三氯蔗糖-6-乙酸酯产物；式（I）中，R为C1～C10的烷基、烯丙基或苄基。本发明具有工艺操作简单、技术性能好、三废少、后处理方便、反应体系可重复使用的特点，是经济实用的绿色环保技术。
Description
（一）技术领域
本发明涉及一种一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法。
（二）背景技术
三氯蔗糖，简称ＴＧＳ，化学名称为4,1',6'-三氯-4,1',6'-三脱氧半乳蔗糖，是一种白色粉末状产品，极易溶于水，在20℃水中的溶解度为28.2ｇ/dＬ，在酸性溶液中化学稳定性高，而且经过长期(10年)的药理、毒理、生理理化等严格试验，证明三氯蔗糖对人是安全的。由于甜味纯正，极类似于天然产品蔗糖，是蔗糖甜度的600倍，且没有其它甜味剂带来的不愉快后味；不被人体吸收，不产生热能，而且代谢不和胰岛素发生作用，可供糖尿病人、肥胖病人和老年人等食用；不会引起龋变，有助于牙齿健康等优点，具有广阔的应用优势。三氯蔗糖在1976年由英国Tate＆Lyle公司合成成功，于1988年投入市场，由于其优异的性能特点被认为是迄今为止人类已开发的一种最具竞争力的高甜度甜味剂，已被包括中国在内的30多个国家批准作为甜味剂使用，是目前高甜度甜味剂的研究热点之一。因此，对该类产品的传统工艺进行改进具有良好的经济效益和重要的社会效益。
目前三氯蔗糖的制备方法有基团保护法、酶-化学联合法、单酯法、棉子糖法等四种。目前国内生产厂家多采用单酯法生产。此工艺难点在第二步氯化反应，国内工艺多数以DMF作溶剂，氯代试剂进行氯化，反应温度要求高，反应时间长，由于在反应过程中产生氯化氢和二氧化硫气体，如果不能及时有效排除，会导致产品碳化，操作难道加大。
一锅法反应技术是一种非常具有前景的有机合成方法。一锅法反应中的多步反应可以从相对简单易得的原料出发，不经中间体的分离，直接获得结构复杂的分子。该反应技术起始原料价廉易得，反应路线短，合成周期缩小，分离纯化简单，产品率高，反应高效，显然经济上和环境友好上较为有利，利于大规模生产。
（三）发明内容
本发明目的是提供一种适于工业化的一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，即采用一锅法反应技术完成蔗糖C-6羟基的酯化、酯化物的氯化和三氯蔗糖-6-乙酸酯的分离纯化。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，包括：在反应容器中加入蔗糖、原乙酸三甲酯和磺化竹炭催化剂，进行蔗糖的C-6位羟基保护反应，反应完全后加入式（I）所示的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂进行氯化反应，反应完毕后用乙酸乙酯萃取，活性炭脱色，浓缩结晶得到三氯蔗糖-6-乙酸酯产物；
式（I）中，R为C1～C10的烷基、烯丙基或苄基；
反应式如下所示：
本发明所述的磺化竹炭催化剂为固体酸催化剂，其制备方法参照文献[徐琼等,《磺化竹炭的制备、表征及其酸催化性能》，新型碳材料，2011,26（2），103-108]，具体制备方法为：干燥竹屑用质量分数30～80%H3PO4水溶液（其中两者质量比为1：3～10）浸泡1～20后，抽滤，干燥（如在100℃下干燥24h）得到浸渍磷酸的竹屑，然后在管式炉中进行热解，以30℃/min的升温速率升温至110℃，保温3小时，自然降温到室温，所得产物用去离子水洗涤至中性，干燥后得到竹炭样品；然后取竹炭样品，加入质量分数50％的发烟硫酸，其中竹炭样品与50％的发烟硫酸质量比为1：1～5，升温至100℃恒温磺化2h，加入去离子水冷却终止反应，将所得磺化竹炭洗涤至中性，用氯化钡水溶液检测至无硫酸根离子为止，干燥后得到磺化竹炭催化剂。
本发明所述的磺化竹炭催化剂的质量用量为蔗糖质量的10～30%，优选为12～16%。
本发明所述的羟基保护反应，一般在原乙酸三甲酯过量的情况下进行，优选蔗糖与原乙酸三甲酯的投料摩尔比为1：1～1.5。
本发明所述的羟基保护反应，一般反应温度在室温～45℃。优选的，所述反应先在35～45℃反应4～6小时，再在室温反应2～5小时。
本发明式（I）所示的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂采用的具体制备方法为：以邻苯二甲酸二甲酯和二甲基乙醇胺为原料，在磺化竹炭催化剂作用下进行酯交换反应合成二（二甲基胺基乙基）邻苯二甲酸酯，其再与氯代烃RCl反应生成式（I）所示的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂；其中，烃基R为C1～C10的烷基、烯丙基或苄基。
本发明所述的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂的质量用量为蔗糖质量的2～10倍，优选为5～6倍。
本发明所述的氯化反应在90～120℃的温度条件下进行，优选在100～110℃下进行。氯化反应时间为1～10小时，优选为3～6小时。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明在反应过程中，将多组分在一锅中反应，具有工艺操作简单、技术性能好、三废少、后处理方便、反应体系可重复使用的特点，是经济实用的绿色环保技术。
（四）具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
磺化竹炭的制备
实施例1
1、炭化过程：以干燥竹屑100克与30%的H3PO4水溶液1000克浸泡20小时，用布氏漏斗抽滤，再在100℃下干燥24h得到浸渍磷酸的竹屑，然后在管式炉中进行热解，以30℃/分的升温速率升温至110℃，保温3小时，自然降温到室温，所得产物用去离子水洗涤至中性，干燥后得到竹炭样品。
2、磺化过程：取上述竹炭2克，加入质量分数50％的发烟硫酸10克，升温至100℃恒温磺化2小时，加入去离子水冷却终止反应，将所得磺化竹炭洗涤至中性，用氯化钡水溶液检测至无硫酸根离子为止，干燥后得到磺化竹炭2.2克。
实施例2
1、炭化过程：以干燥竹屑100克与80%的H3PO4水溶液300克3小时，用布氏漏斗抽滤，再在100℃下干燥24小时得到浸渍磷酸的竹屑，然后在管式炉中进行热解，以30℃/分的升温速率升温至110℃，保温3小时，自然降温到室温，所得产物用去离子水洗涤至中性，干燥后得到竹炭样品。
2、磺化过程：取竹炭2克，加入质量分数50％的发烟硫酸10克，升温至100℃恒温磺化2小时，加入去离子水冷却终止反应，将所得磺化竹炭洗涤至中性，用氯化钡水溶液检测至无硫酸根离子为止，干燥后得到磺化竹炭2.2克。
实施例3
1、炭化过程：以干燥竹屑100克与50%的H3PO4水溶液600克浸泡10小时，用布氏漏斗抽滤，再在100℃下干燥24小时得到浸渍磷酸的竹屑，然后在管式炉中进行热解，以30℃/分的升温速率升温至110℃，保温3小时，自然降温到室温，所得产物用去离子水洗涤至中性，干燥后得到竹炭样品。
2、磺化过程：取竹炭2克，加入质量分数50％的发烟硫酸10克，升温至100℃恒温磺化2小时，加入去离子水冷却终止反应，将所得磺化竹炭洗涤至中性，用氯化钡水溶液检测至无硫酸根离子为止，干燥后得到磺化竹炭2.2克。
邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂的制备
实施例4
在250毫升三口圆底烧瓶中，分别加入邻苯二甲酸二甲酯58g（0.03mol）、N,N-二甲基乙醇胺11g（0.12mol）、实施例1制得的磺化竹炭催化剂10g，100℃加热反应5小时，不断从体系中蒸出甲醇。12小时后改为减压蒸馏，回收过量的N,N-二甲基乙醇胺。冷却至室温，加入氯丁烷60毫升，回流搅拌反应24h,蒸馏除去溶剂后，冷却固化，乙腈重结晶得产品。
实施例5
在250毫升三口圆底烧瓶中，分别加入邻苯二甲酸二甲酯58g（0.03mol）、N,N-二甲基乙醇胺11g（0.12mol）、实施例2制得的磺化竹炭催化剂10g，100℃加热反应5小时，不断从体系中蒸出甲醇。12小时后改为减压蒸馏，回收过量的N,N-二甲基乙醇胺。冷却至室温，加入氯己烷60毫升，回流搅拌反应24h,蒸馏除去溶剂后，冷却固化，乙腈重结晶得产品。
实施例6
在250毫升三口圆底烧瓶中，分别加入邻苯二甲酸二甲酯58g（0.03mol）、N,N-二甲基乙醇胺11g（0.12mol）、实施例3制得的磺化竹炭催化剂10g，100℃加热反应5小时，不断从体系中蒸出甲醇。12小时后改为减压蒸馏，回收过量的N,N-二甲基乙醇胺。冷却至室温，加入氯化苄60毫升，回流搅拌反应24h,蒸馏除去溶剂后，冷却固化，乙腈重结晶得产品。
实施例7
在250毫升三口圆底烧瓶中，分别加入邻苯二甲酸二甲酯58g（0.03mol）、N,N-二甲基乙醇胺11g（0.12mol）、实施例1制得的磺化竹炭催化剂10g，100℃加热反应5小时，不断从体系中蒸出甲醇。12小时后改为减压蒸馏，回收过量的N,N-二甲基乙醇胺。冷却至室温，加入烯丙基氯60毫升，回流搅拌反应24h,蒸馏除去溶剂后，冷却固化，乙腈重结晶得产品。
三氯蔗糖-6-乙酸酯的制备
实施例8
250毫升三口瓶中，加入蔗糖34.2克（0.1摩尔），原乙酸三甲酯12克（0.1摩尔）和实施例1固体酸4克，40℃搅拌反应5小时，室温搅拌2小时，再加入实施例4制得的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂170克，在90℃的温度条件下进行反应10小时，反应结束后，用乙酸乙酯100×3毫升萃取，活性炭脱色，浓缩结晶制得三氯蔗糖-6-乙酸酯产物19克，收率48%。熔点：75～77℃；产品经HPLC检测纯度达到98.0%以上。
实施例9
250毫升三口瓶中，加入蔗糖34.2克（0.1摩尔），原乙酸三甲酯16.8克（0.14摩尔）和实施例2制得的磺化竹炭催化剂5.5克，40℃搅拌反应5小时，室温搅拌2小时，再加入实施例4制得的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂200克，在110℃的温度条件下进行反应5小时，反应结束后，用乙酸乙酯100×3毫升萃取，活性炭脱色，浓缩结晶制得三氯蔗糖-6-乙酸酯产物产物19.8克，收率50%。熔点：75～77℃；产品经HPLC检测纯度达到98.0%以上。
实施例10
250毫升三口瓶中，加入蔗糖34.2克（0.1摩尔），原乙酸三甲酯14.4克（0.12摩尔）和实施例3制得的磺化竹炭催化剂10克，40℃搅拌反应5小时，室温搅拌2小时，再加入实施例4制得的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂68克，在120℃的温度条件下进行反应3小时，反应结束后，用乙酸乙酯100×3毫升萃取，活性炭脱色，浓缩结晶结晶制得三氯蔗糖-6-乙酸酯产物18.7克，收率47%。熔点：75～77℃；产品经HPLC检测纯度达到98.0%以上。
实施例11
250毫升三口瓶中，加入蔗糖34.2克（0.1摩尔），原乙酸三甲酯16.8克（0.14摩尔）和实施例1制得的磺化竹炭催化剂3.4克，35℃搅拌反应6小时，室温搅拌5小时，再加入实施例4制得的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂170克，在100℃的温度条件下进行反应8小时，反应结束后，用乙酸乙酯100×3毫升萃取，活性炭脱色，浓缩结晶结晶制得三氯蔗糖-6-乙酸酯产物19.5克，收率49%。熔点：75～77℃；产品经HPLC检测纯度达到98.0%以上。
实施例12
250毫升三口瓶中，加入蔗糖34.2克（0.1摩尔），原乙酸三甲酯18克（0.15摩尔）和实施例1制得的磺化竹炭催化剂7克，45℃搅拌反应3小时，室温搅拌5小时，再加入实施例4制得的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂342克，在110℃的温度条件下进行反应6小时，反应结束后，用乙酸乙酯100×3毫升萃取，活性炭脱色，浓缩结晶结晶制得三氯蔗糖-6-乙酸酯产物19克，收率48%。熔点：75～77℃；产品经HPLC检测纯度达到98.0%以上。
Claims (7)
1.一种一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，包括：在反应容器中加入蔗糖、原乙酸三甲酯和磺化竹炭催化剂，进行蔗糖的C-6位羟基保护反应，反应完全后加入式（I）所示的邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂进行氯化反应，反应完毕后用乙酸乙酯萃取，活性炭脱色，浓缩结晶得到三氯蔗糖-6-乙酸酯产物；
式（I）中，R为C1～C10的烷基、烯丙基或苄基。
2.如权利要求1所述的一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述蔗糖与磺化竹炭催化剂、邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂的投料质量比为1:0.1～0.3:2～10。
3.如权利要求2所述的一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述蔗糖与磺化竹炭催化剂、邻苯二甲酸酯基阳离子双子表面活性剂的投料质量比为1:0.12～0.16:5～6。
4.如权利要求1～3之一所述的一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述的羟基保护反应在室温～45℃的温度条件下进行。
5.如权利要求4所述的一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述的羟基保护反应先在35～45℃反应4～6小时，再在室温反应2～5小时。
6.如权利要求1～3之一所述的一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述的氯化反应在90～120℃的温度条件下进行，反应时间1～10小时。
7.如权利要求5所述的一锅法合成三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于：所述的氯化反应在100～110℃的温度条件下进行，反应时间3～6小时。
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