CN103408605A - 一种复合超声场强化蔗糖酯合成反应的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合超声场强化蔗糖月桂酸酯的合成反应的方法和装置，包括恒温水浴槽(1)、水泵(2)、进水管(3)、出水管(4)、超声换能器(5a)、(5b)、(5c)、超声电源(6)、反应容器(7)、冷凝管(8)、缓冲瓶(9)、压力调节阀(10)、水循环真空泵(11)、复合超声反应设备(12)；反应容器(7)置于复合超声反应设备(12)中，反应容器(7)依次连接冷凝管(8)、缓冲瓶(9)、压力调节阀(10)以及水循环真空泵(11)。本本发明的复合超声场强化合成蔗糖酯的方法及装置，是一种高效合成蔗糖酯的新方法，蔗糖单月桂酸酯产率在70％以上。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种复合超声场强化蔗糖酯合成反应的方法及装置。
背景技术
目前工业合成蔗糖酯大多都是通过酯交换法制备的，在诸多合成方法中，存在着或多或少的问题，有的产率高，产品精制比较困难；有的产品容易精制，但是副产物多、产率低，或者催化剂价格昂贵、后续精制工艺繁琐等缺点，不符合绿色化学的发展要求；并且产物多为不同酯化度的混合物，虽然这些蔗糖酯产品能够满足大多数生产应用，但蔗糖单脂肪酸酯具有更强的亲水性，并且有良好的杀菌抑菌特性，因此研究开发高单酯转化率的化学合成方法具有十分重要的意义。
蔗糖脂肪酸酯作为一种蔗糖衍生物，是一类安全、无毒、无刺激、无污染、稳定性好、可百分之百生物降解的绿色非离子型表面活性剂，已经被广泛应用于食品工业、日用化工、医药工业等领域。至今蔗糖酯的合成有溶剂法、微乳化法、水溶剂法、酶法和无溶剂法等，这些合成方法涉及高温，减压、无水条件及/或昂贵的催化剂。此外，除用酶催化时能得到较高单酯化的蔗糖酯产物外，目前大多数合成中明显地没有选择性，合成产物是不同酯化度和/或不同酯化位置产物的混合物。虽然混合物能适用于许多生产应用，但低酯化度的蔗糖酯亲水性更好，用途更广泛，因此研究开发高效的蔗糖酯尤其是优先生成单一的蔗糖单酯的化学反应的合成方法具有十分重要的意义。
超声波化学(简称声化学)是声学与化学相互交叉渗透的新兴学科，是开启和实现“绿色化学”的一门重要技术，它是利用超声波加快化学反应速率，提高反应产率或开启新的化学反应通道，获得新的反应产物的科学。近年来，任庆功和阎杰报道了超声强化纳米KF/γ-Al2O3催化大豆油和甲醇酯交换反应应用于合成生物柴油。
鉴于声化学自身具有低能耗、无污染等特点，以及声化学在有机合成反应方面的应用效果，将其引入蔗糖酯的合成，开发蔗糖酯的“绿色”化学合成技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种复合超声场强化蔗糖酯合成反应的方法及装置。
本发明的技术方案如下：
一种复合超声场强化蔗糖月桂酸酯的合成反应装置，包括恒温水浴槽(1)、水泵(2)、进水管(3)、出水管(4)、超声换能器(5a)、(5b)、(5c)、超声电源(6)、反应容器(7)、冷凝管(8)、缓冲瓶(9)、压力调节阀(10)、水循环真空泵(11)、复合超声反应设备(12)；恒温水浴槽(1)连接复合超声反应设备(12)，通过调节恒温水浴槽(1)的温度维持复合超声反应设备(12)中的水温恒定在实验设定的温度，通过调节水泵(2)的流量保持复合超声反应设备(12)中的水位稳定；反应容器(7)置于复合超声反应设备(12)中，反应容器(7)依次连接冷凝管(8)、缓冲瓶(9)、压力调节阀(10)以及水循环真空泵(11)；通过压力调节阀(10)调节反应系统中的压力，使系统中压力维持在11kPa附近。
所述的装置，复合超声反应设备包括超声换能器(5a)、(5b)、(5c)；超声换能器(5a)频率为20kHz、功率为50W，超声换能器(5c)频率为80kHz、功率为50W，超声换能器(5b)频率可以在20、33、53、80kHz四个频率调节、功率为50W。
应用所述的装置合成蔗糖月桂酸酯的方法，以蔗糖和月桂酸甲酯为原料，蔗糖和月桂酸甲酯两者摩尔比为3∶1～8∶1，二甲基亚砜为溶剂，无水碳酸钾为催化剂，反应温度为70℃～90℃，11kPa压力，复合超声场中进行酯交换反应120min；反应结束后减压蒸馏出大部分有机溶剂，将残留物在搅拌下溶解于质量浓度20％的氯化钠溶液和正丁醇溶液中，分液，有机相用少量20％的氯化钠洗涤两次，无水硫酸钠干燥，45℃真空干燥至恒重，得到白色蜡状固体。
本本发明的复合超声场强化合成蔗糖酯的方法及装置，是一种高效合成蔗糖酯的新方法，蔗糖单月桂酸酯产率在70％以上。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；1是恒温水浴槽，2是水泵，3是进水管，4是出水管，5a、5b、5c是超声换能器，6超声电源，7是反应容器，8是冷凝管，9是缓冲瓶，10是压力调节阀，11水循环真空泵，12是复合超声反应设备；
图2为本发明合成产物的HPLC-ELSD色谱图；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1，反应开始前，通过调节恒温水浴槽1的温度维持复合超声反应设备12中的水温恒定在实验设定的温度，通过调节水泵2的流量保持复合超声反应设备12中的水位稳定。称取适量蔗糖溶解于二甲基亚砜中，转入反应容器7中，加入适量催化剂无水碳酸钾，把反应容器7置于复合超声反应设备12中，然后，按照图1所示连接冷凝管8、缓冲瓶9、压力调节阀10以及水循环真空泵11。通过压力调节阀10调节反应系统中的压力，使系统中压力维持在11kPa附近。打开超声电源6，超声换能器5a、5b、5c把电能转换成超声波，酯交换合成蔗糖酯反应开始进行。复合超声反应设备中超声换能器5a(位于左侧)频率为20kHz、功率为50W，超声换能器5c(位于右侧)频率为80kHz、功率为50W，超声换能器5b(位于底部)频率可以在20、33、53、80kHz四个频率调节、功率为50W。
实施例1
将3.4230g蔗糖溶解于7mL二甲基亚砜中，加入蔗糖质量13％的无水碳酸钾和0.3572g月桂酸甲酯，置于复合超声反应设备中，设定复合超声反应设备的条件为：超声换能器5a为20kHz、50W，超声换能器5b为20kHz、50W，超声换能器5c为80kHz、50W，反应系统压力11kPa，在80℃温度下进行反应120min，反应结束后，蒸出二甲基亚砜，加入5mL25％氯化钠溶液和20mL正丁醇搅拌至完全溶解，转入分液漏斗静置分层，弃去水相，少量25％氯化钠溶液洗涤油相两次，加入无水硫酸钠干燥，过滤，蒸除正丁醇，40℃真空干燥，得乳白色蜡状物，即为蔗糖单月桂酸酯，蔗糖单月桂酸酯产率为73.02％。
实施例2
将3.4230g蔗糖溶解于7mL二甲基亚砜中，加入蔗糖质量13％的无水碳酸钾和0.3572g月桂酸甲酯(糖酯摩尔比为6∶1)，置于复合超声反应设备中，设定复合超声反应设备的条件为：超声换成器5a为20kHz、50W，超声换成器5b为33kHz、50W，超声换成器5c为80kHz、50W，反应系统压力11kPa，在85℃温度下进行反应120min，反应结束后，蒸出二甲基亚砜，加入5mL25％氯化钠溶液和20mL正丁醇搅拌至完全溶解，转入分液漏斗静置分层，弃去水相，少量25％氯化钠溶液洗涤油相两次，加入无水硫酸钠干燥，过滤，蒸除正丁醇，40℃真空干燥，得乳白色蜡状物，即为蔗糖月桂酸酯，蔗糖单月桂酸酯产率为72.92％。
本实施例合成产物的HPLC-ELSD色谱图如图2，通过比对氯化钠和蔗糖的色谱峰，可以确定峰0是氯化钠杂质、峰1是蔗糖。其他各个色谱峰代表的物质的质谱表征结果如下：峰2([M+Na]+为546.9、[M+K]+为562.9、[M+NH4]+为541.9)，峰3([M+Na]+为546.9、[M+K]+为562.9、[M+NH4]+为541.9)，峰4([M+Na]+为546.9、[M+K]+为562.9、[M+NH4]+为541.9)，峰5([M+Na]+为546.9、[M+K]+为562.9、[M+NH4]+为541.9)，峰6([M+Na]+为546.9、[M+K]+为562.9、[M+NH4]+为541.9)，峰7([M+Na]+为546.9、[M+K]+为562.9、[M+NH4]+为541.9)，由此可知峰2～峰7均是蔗糖单月桂酸酯的同分异构体；峰8([Msd+NH4]+为m/z724、[Msd+Na]+为729、[Msd+K]+为745)，由此可知，第8簇色谱峰是蔗糖二月桂酸酯的一系列同分异构体。
实施例3
将3.4230g蔗糖溶解于7mL二甲基亚砜中，加入蔗糖质量12％的无水碳酸钾和0.4287g月桂酸甲酯，置于复合超声反应设备中，设定复合超声反应设备的条件为：超声换成器5a为20kHz、50W，超声换成器5b为33kHz、50W，超声换成器5c为80kHz、50W，反应系统压力11kPa，在85℃温度下进行反应120min，反应结束后，蒸出二甲基亚砜，加入5mL25％氯化钠溶液和20mL正丁醇搅拌至完全溶解，转入分液漏斗静置分层，弃去水相，少量25％氯化钠溶液洗涤油相两次，加入无水硫酸钠干燥，过滤，蒸除正丁醇，40℃真空干燥，得乳白色蜡状物，即为蔗糖月桂酸酯，蔗糖单月桂酸酯产率为70.05％。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种复合超声场强化蔗糖月桂酸酯的合成反应装置，其特征在于，包括恒温水浴槽(1)、水泵(2)、进水管(3)、出水管(4)、超声换能器(5a)、(5b)、(5c)、超声电源(6)、反应容器(7)、冷凝管(8)、缓冲瓶(9)、压力调节阀(10)、水循环真空泵(11)、复合超声反应设备(12)；恒温水浴槽(1)连接复合超声反应设备(12)，通过调节恒温水浴槽(1)的温度维持复合超声反应设备(12)中的水温恒定在实验设定的温度，通过调节水泵(2)的流量保持复合超声反应设备(12)中的水位稳定；反应容器(7)置于复合超声反应设备(12)中，反应容器(7)依次连接冷凝管(8)、缓冲瓶(9)、压力调节阀(10)以及水循环真空泵(11)；通过压力调节阀(10)调节反应系统中的压力，使系统中压力维持在11kPa附近。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，复合超声反应设备包括超声换能器(5a)、(5b)、(5c)；超声换能器(5a)频率为20kHz、功率为50W，超声换能器(5c)频率为80kHz、功率为50W，超声换能器(5b)频率可以在20、33、53、80kHz四个频率调节、功率为50W。
3.应用权利要求1或2所述的装置合成蔗糖月桂酸酯的方法，其特征在于，以蔗糖和月桂酸甲酯为原料，蔗糖和月桂酸甲酯两者摩尔比为3∶1～8∶1，二甲基亚砜为溶剂，无水碳酸钾为催化剂，反应温度为70℃～90℃，11kPa压力，复合超声场中进行酯交换反应120min；反应结束后减压蒸馏出大部分有机溶剂，将残留物在搅拌下溶解于质量浓度20％的氯化钠溶液和正丁醇溶液中，分液，有机相用少量20％的氯化钠洗涤两次，无水硫酸钠干燥，45℃真空干燥至恒重，得到白色蜡状固体。
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