CN105294579A - 一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法是将干燥的甲壳素类生物质原料、咪唑类离子液体溶液和添加剂在二甲基亚砜反应介质中混合均匀进行反应得到中间产物；中间产物中加入结晶溶剂，将产物全部溶解，热过滤，去除不溶杂质，滤液旋蒸浓缩，重结晶制备产物。本发明具有原料来源广泛，无污染，制备简单，产品纯度高的优点。

Description

一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法

技术领域

本发明涉及一种利用甲壳素类生物质制备高附加值含氮杂环化合物脱氧果糖嗪的方法。

技术背景

以可再生的生物质资源为原料进行生物炼制获取燃料和化学品，可以减轻人类社会对石化资源的过度依赖，也能缓解当前日益严重的全球性环境问题。甲壳素及其部分或全部脱乙酰基衍生物壳聚糖是自然界中重要的海洋生物质资源，主要存在于水生甲壳类生物的骨骼和皮壳中，在真菌、藻类细胞壁中也有发现，每年生物合成的甲壳素约为100亿吨，是储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，也是自然界中除蛋白质外数量最大的含氮天然有机物，更是自然界中唯一的碱性氨基多糖(GreenChem.,2014,16,2204-2212.绿色化学,2014,16,2204-2212)。将甲壳素类等含氮生物质转化成平台化合物，以及进一步将这些平台化合物转化成燃料或化学品符合绿色、可持续发展路线。依据生物质特性设计开发高效催化剂，筛选绿色溶剂体系，是生物炼制寻求突破的关键。目前，甲壳素类生物质资源在多个领域均有非常重要的用途：食品工业中，甲壳素及其水溶性衍生物壳聚糖可用作保鲜剂、澄清剂及抗氧化剂等；在医药领域中，由于甲壳素类生物质毒性小、具有很好的生物相容性和降解性，因此常被用作药物缓释剂。近期，甲壳素类生物质也被作为催化剂的载体(Chem.Common.,2010,46,5593-5595.化学通讯,2010,46,5593-5595.)以及制备磁性凝胶材料用于污水处理(Chem.Commun.,2012,48,7350–7352.化学通讯，2012,48,7350–7352)。含氮生物质虽储量巨大，对环境绿色友好，但目前以含氮生物质为原料生产的化学品的量还不足化学品年产量的2％(Nature.2015,524,155-157.自然，2015,524,155-157)。迫于资源危机和环境压力，探索生物质高效利用模式已成为各国化学化工领域研究的热点。若能通过适当途径高效利用这些过剩的甲壳素类生物质资源，必将对我国发展经济和提高人民物质生活水平产生积极意义。将储量最多的陆生生物质资源纤维素及其单体葡萄糖转化为生物基化学品，如5–羟甲基糠醛或乙酰丙酸等平台化合物，是当前生物质转化领域最活跃的研究方向之一。然而，将储量最多的海洋生物质资源甲壳素，壳聚糖及其相对应的单体乙酰胺基葡萄糖和氨基葡萄糖定向转化为高附加值生物基化学品，文献报道却较少，如吡嗪类含氮杂环化合物脱氧果糖嗪的制备。脱氧果糖嗪主要通过美拉德反应(MaillardReaction)制备，即还原糖(碳水化合物，如果糖、葡萄糖等)与氨基酸/蛋白质在常温或加热条件下发生的一系列复杂反应，生成物的主要成份为吡嗪类杂环化合物。此外，Kwasi等研究了葡萄糖和一系列铵盐的反应，制备脱氧果糖嗪及其异构体(Carbohydr.Res.,2002,337,2273-2277.碳水化合物研究,2002,337,2273-2277)。然而，上述反应步骤复杂，反应时间过长，收率不高，反应需要外加氮源且目标产物选择性差(Chem.Pharm.Bull.,1991,39,792-794.化学药物快报,1991,39,792-794)。发明专利“一种利用甲壳素类生物质资源制备含氮杂环化合物的方法”，其中不能选择性制备脱氧果糖嗪，同时生成大量果糖嗪，产物分离难度大，离子液体催化剂的用量大，并且结晶得到产品的步骤复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原料来源广泛，无污染，制备简单，产品纯度高的利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法。

由于脱氧果糖嗪具有特殊的芳香杂环分子结构及生物活性，脱氧果糖嗪被认为是最具发展潜力及代表性的新型平台化合物，在医药化学和食品科学等多个领域有着广泛的应用。根据国药集团的市场报价，脱氧果糖嗪的市场价格是每毫克165元。因此，设计开发高效催化体系和环境友好型溶剂及添加剂，将可再生的海洋生物质资源选择性转化成一些高附加值含氮平台化合物脱氧果糖嗪是生物质资源化利用最具前景的研究方向之一。

在本发明中，通过添加硼酸类添加剂，可以选择性制备高纯度的脱氧果糖嗪，抑制果糖嗪的生成，此外，相对于传统碱性催化反应，本发明应用离子液体催化剂，具有绿色环保，用量少及可回收再利用等优势，最后结晶得到目标产品的步骤简单。

离子液体单独用作催化剂使用的反应体系研究较少，且碳水化合物转化制备含氮化合物的收率较低。由此可见，开发更为新型高效的离子液体催化体系和环境友好型溶剂及添加剂用于单糖及结构更复杂的碳水化合物制备脱氧果糖嗪，具有重要理论意义和应用价值。

本发明利用碱性咪唑基离子液体作为催化剂，极性非质子溶剂作为反应介质，弱酸作为添加剂应用于甲壳素类生物质的降解选择性制备脱氧果糖嗪。一方面，离子液体作为催化剂，具有以下突出的优点：不挥发，无色、无嗅、无污染，具有较大的稳定温度范围，较好的化学稳定性。此外，离子液体最大优点在于它的结构可设计性，通过阴阳离子的设计可改变它的物理化学特性，符合分离或催化的不同要求。另一方面，极性非质子溶剂是一类环境友好型溶剂，被用作很多有化学反应的介质。此外，弱酸作为添加剂，例如硼酸类化合物，绿色环保，被广泛用于碳水化合物转化，可提高反应选择性。在碱性溶液中，硼酸类化合物与糖类物质会发生络合作用。其中具有四面体结构的硼酸阴离子与顺位或间位的二醇络合生成稳定五元或六元环硼酸酯。同时可以促进平衡反应向右移动，释放更多的氢离子，从而促进脱水制备脱氧果糖嗪。本发明涉及的甲壳素类生物质降解制备含氮杂环化合物果糖嗪，反应过程高效，产物控制精确且具有很高的应用价值，生产过程绿色。

本发明的具体操作包括如下步骤：

(1)按干燥的甲壳素类生物质原料、咪唑类离子液体溶液和添加剂重量之和：二甲基亚砜＝0.1-20g：1ml，将干燥的甲壳素类生物质原料、咪唑类离子液体溶液和添加剂在二甲基亚砜反应介质中混合均匀，在25℃-200℃下反应5分钟-48小时，其中：甲壳素类生物质原料与离子液体溶液质量比为1:1-200，甲壳素类生物质原料与添加剂的摩尔比为1:1-50，得到中间产物；

(2)在步骤(1)得到的中间产物中加入结晶溶剂，其中中间产物溶液：溶剂体积比为1：1-10，将产物全部溶解，热过滤，去除不溶杂质，滤液旋蒸浓缩，重结晶制备产物。

如(1)步骤所述的甲壳素类生物质是分子量范围为1-50万的甲壳素，分子量范围为0.1-40万、脱乙酰度为20％-100％的壳聚糖，D-氨基葡萄糖盐酸盐，D-氨基葡萄糖硫酸钾盐或D-氨基葡萄糖硫酸钠盐等。

如(1)步骤所述的咪唑类离子液体为1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体、1-丁基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体、氢氧化1-乙基-3-甲基咪唑离子液体、氢氧化1-己基-3-甲基咪唑离子液体、1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸盐离子液体、1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸氢盐离子液体或1-丁基-3-甲基-咪唑苯甲酸盐离子液体等。

如上所述的咪唑类离子液体采用两步合成法制备。两步合成法是先合成上述的阴离子为卤族元素的离子液体，然后采用目标阴离子置换出卤族元素的方法。该方法的第一步是制备含目标阳离子的卤代盐离子液体(卤代阴离子X^-＝Cl^-,Br^-)，其中卤代咪唑盐类离子液体的制备过程为：首先对纯化过的烷基咪唑和卤代烷烃混合；然后控制一定的温度，在密封搅拌条件下反应2-3d；后经洗涤、重结晶和减压蒸馏，制得纯净的卤代咪唑盐类离子液体。然后采用含有目标阴离子的盐或酸(如醋酸钾、醋酸钠、碳酸钠或氢氧化钾)进行复分解反应，得到目标离子液体。该反应通常在室温搅拌下反应。具体的制备方法见J.Iran.Chem.Soc.,2009,6，647-678.伊朗化学学会，2009,6，647-678；Org.Lett.,2005，7,3049-3052.有机化学通讯，2005，7,3049-3052。

如(1)步骤所述的添加剂为硼酸，苯基硼酸，四硼酸钠，醋酸，醋酸钠，磷酸，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，碳酸钾等的一种或几种。

如(2)步骤所述的结晶溶剂为乙腈，乙醇，丙醇，丙酮中的一种或几种。

脱氧果糖嗪既是一种重要的香料潜香物,又有较强的生理活性和药用价值,特别在预防和治疗Ⅱ型糖尿病及其并发症方面有较好疗效。传统的制备方法是在水溶液中外加氮源，以传统无机碱为催化剂，催化葡萄糖或果糖的脱水反应。该脱水反应是一个选择性很低的反应，会产生大量的副产物。反应复杂，且反应周期长，效率低。反应原料果糖和葡萄糖属于可食用生物质资源，并且大量的转化果糖制备含氮化合物，生产成本过高，不符合可持续发展路线。然而，与可食用的生物质资源葡萄糖或果糖相比，甲壳素类生物质属于不可食用的可再生资源，不会对人类的生活造成威胁，且产量更多,价格更低，开发适合甲壳素类生物质的反应流程有重要的意义(Nature.2015,524,155-157.自然，2015,524,155-157；Bioresour.Technol.,2013,143,384–390.生物资源技术，2013,143,384–390；GreenChem.,2014,16,2204–2212.绿色化学，2014,16,2204–2212)。因此，迫切需要开发新的技术,高选择性高收率地从甲壳素类生物质中获得含氮化合物脱氧果糖嗪,以此降低生产成本。本发明的目的是提供一种操作简便，可在低温低压条件下进行的反应，开发具有优良催化性能的碱性咪唑基离子液体催化剂，并进一步开发一种设备投资少和能耗低的含氮化合物连续生产工艺。本专利选用碱性离子液体为催化剂,二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,以硼酸类，醋酸类，磷酸类或碳酸类物质为添加剂，在25℃-200℃温度范围内,5分钟-48小时反应时间内考察了甲壳素类生物质高选择性转化为脱氧果糖嗪的反应结果。反应在一个10ml的压力容弹中的聚四氟乙烯容器内中进行。首先用电了天平称取一定量的离子液体，添加剂，糖类与溶剂DMSO一并置于压力容弹中的聚四氟乙烯容器内中。向聚四氟乙烯容器中加入搅拌磁子。将反应盖旋紧，置于导热硅油中。设定好导热硅油的温度，设定转速为30r/min。在一定的时间内完成反应。反应到达预设时间时，关闭恒温油浴电源开关，将压力容弹小心取出，控净导热硅油，置于冰水中迅速冷却，结束反应。取适量反应混合液，加入含内标的氘代试剂，进行核磁定量，分析原料转化率和产物收率。整个实验操作简单，反应条件温和，不需要高温高压即可制备目标化合物，采用离子液体为催化剂，符合绿色可持续发展且分离简单等优点，实现催化剂的回收，具有脱氧果糖嗪产品质量好、选择性高，收率高，副反应少及反应彻底的优点。大量使用无机碱催化剂会对环境造成污染，且催化剂不可回收再利用。新工艺的发明不但完全克服了现有传统制备方法的缺点，还克服了催化剂易失活且分离困难的问题。

根据文献报道，传统的纯化方法为膜分离技术，采用几种不同型号的纳滤膜进行试验。这类分离方法会致一个高耗能的分离过程。操作步骤复杂，且得到产品的纯度低。本发明采用溶剂萃取法，由于脱氧果糖嗪具有水溶性好，醇溶性差不溶或者难溶于非极性有机溶剂的特点，选择不同的溶剂反复萃取重结晶来去除杂质，获得一定纯度的产品。

实验考察了不同催化剂、不同溶剂，反应时间、反应温度和反应物料配比对脱氧果糖嗪收率的影响。首先筛选不同酸碱性的离子液体，发现碱性离子液体对甲壳素类生物质转化制备脱氧果糖嗪有促进作用，而酸性和中性的离子液体对反应不起作用。从催化机理的角度，含氮化合物的生成，主要是氮与羰基碳发生亲核加成，进而发生脱水反应得到。因此，选择合适的催化剂，保留住氮原子以及可高效活化氮原子是本专利的中心。实验发现，加入酸性离子液体，例如磺酸基咪唑离子液体作为催化剂，反应温度从25℃递增到200℃，反应时间从5min递增到48h，脱氧果糖嗪的收率没有明显的变化，酸性条件会导致原料中氮的流失，导致严重的副反应发生，产物中大量的甲酸，乙酰丙酸存在，说明在酸性性条件下，甲壳素类生物质容易发生歧化转变成酸类物质，不会制备目标产物。此外，加入中性离子液体，例如1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为催化剂，不能有效的活化原料中氮原子，因而不能发生亲核加成反应制备目标产物。选择碱性离子液体，例如1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体为催化剂，能够抑制副反应的发生，高效催化甲壳素类生物质转化制备脱氧果糖嗪。碱性条件下，一方面防止氮原子的流失，另一方面碱性条件可以活化氮原子，促进亲核加成反应，制备目标化合物。此外，碱性离子液体作为催化剂，可以抑制甲酸，乙酰丙酸类物质的生成，这一结果证实了碱性化离子液体有助于抑制甲壳素类生物质分子形成小分子酸性物质的副反应，从而促进了结构更为复杂的甲壳素类化合物降解制备脱氧果糖嗪。将碱性离子液体用于甲壳素类生物质转化制备含氮化合物的合成在国际上尚未见到报道。结合碱性催化剂有利于糖类异构化反应的特点，合成了一系列碱性离子液体催化剂，如1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体，进而开展了甲壳素类生物质降解反应的研究。结果表明，碱性离子液体在甲壳素类生物质降解过程中表现出了优异的催化性能。

与传统的无机碱催化相比，本专利创新性地开发出用于果糖嗪合成的碱性离子液体催化剂，获得了优异的催化性能。传统的无机碱催化剂虽然价廉易得，但因副反应多、腐蚀性强、反应后处理复杂和污染环境严重等缺点,不符合当今绿色化学的发展方向，使其使用受到限制。离子液体又称为室温离子液体，是由有机阳离子和无机阴离子所组成，在低温或室温下呈液态的盐，又称低温熔融盐。与传统的无机碱催化剂相比，离子液体具有以下突出的优点：(1)几乎没有蒸汽压，不挥发，可用于高真空下的反应；(2)无色、无嗅、无污染，可作为环境友好的溶剂兼催化剂；(3)具有较大的稳定温度范围，较好的化学稳定性；(4)溶解性强，能溶解众多无机物、有机物，包括高分子化合物。离子液体最大优点在于它的可设计性，通过阴阳离子的设计可以改变它的物理化学特性，使它的熔点、黏度、密度、亲水性、热稳定性、酸碱性等符合分离或催化的不同要求(Chem.Commun.,2012,48,2334–2336.化学通讯，2012,48,2334–2336)。由此可见开发更为经济及高效的碱性离子液体催化体系用于甲壳素类生物质及结构更复杂的复杂的碳水化合物具有重要理论意义和应用价值。

实验发现，碱性离子液体可以高效促进甲壳素类生物质转化制备含氮化合物脱氧果糖嗪。例如，碱性咪唑离子液体与甲壳素类生物质原料质量比为大于1:1时，大量离子液体的加入，除了催化正反应生成目标产品外，还会引起严重的副反应，例如，导致原料分子发生副反应产生可溶性的聚合物分子，以及导致生成的产品进一步分解；碱性咪唑离子液体与甲壳素类生物质原料质量比为1:200时，由于离子液体的加入量过少，导致反应不能完全转化，不能高收率制备目标产品。因此，碱性咪唑离子液体与甲壳素类生物质原料质量比为1:1-200之间时，甲壳素类生物质原料的转化率最高，同时产品脱氧果糖嗪的收率最高。综上所述，碱性离子液体可以高效催化甲壳素类生物质转化制备含氮化合物脱氧果糖嗪，然而，制备含氮化合物的选择性不高，因此，如何提高反应的选择性，成为本发明的关键。开发适当的添加剂，加入到反应体系，提高反应选择性。硼酸类化合物可以提高反应选择性。硼酸类化合物可以与碳水化合物分子形成络合物，促进分子脱水。以氨基葡萄糖盐酸盐为原料，当原料分子氨基葡萄糖盐酸盐与硼酸的摩尔比低于1:1时，反应不能完全转化，少量的硼酸不能有效促进脱水反应；当加入氨基葡萄糖盐酸盐原料与硼酸化合物的摩尔比大于1:50时，反应原料的转化率明显下降，这是由于加入过量的硼酸类添加剂，原料氨基葡萄糖盐酸盐分子会与硼酸发生络合反应，形成稳定的络合分子，过量的硼酸作为配体分子会使氨基葡萄糖盐酸盐分子发生“中毒”效应，从而抑制原料氨基葡萄糖盐酸盐分子的下一步转化，导致转化率下降，不能高收率的制备目标化合物。因此，原料分子氨基葡萄糖盐酸盐与硼酸的合适的摩尔比，处于1:1-50之间时，可以高效促进氨基葡萄糖盐酸盐高选择性转化为脱氧果糖嗪。醋酸类添加剂可以提高反应选择性，促进脱氧果糖嗪的生成。主要原因是醋酸作为弱酸加入到反应体系，可以促进平衡向右移动，从而释放更多氢质子。从机理角度认为该氢质子可以促进中间体二氢果糖嗪选择性脱水，制备得到产品脱氧果糖嗪。以氨基葡萄糖硫酸钠盐为原料，当原料分子氨基葡萄糖硫酸钠盐与醋酸的摩尔比低于1:1时，反应不能完全转化，少量的醋酸不能有效促进脱水反应；当加入氨基葡萄糖硫酸钠盐原料与醋酸化合物的摩尔比大于1:50时，反应原料的转化率以及产品的收率明显下降，这是由于加入过量的醋酸类添加剂，会导致糖类脱水过程中的副反应加剧，如各种聚合反应，增加腐殖质的生成。因此，原料分子氨基葡萄糖硫酸钠盐与醋酸的合适的摩尔比，处于1:1-50之间时，可以高效促进氨基葡萄糖硫酸钠盐高选择性转化为脱氧果糖嗪。碳酸类添加剂的催化机制类似于醋酸类添加剂，即其可以提供氢质子，促进脱水反应。以氨基葡萄糖硫酸钾盐为原料，当原料分子氨基葡萄糖硫酸钾盐与碳酸类添加剂的摩尔比低于1：1时，反应不能完全转化，少量的碳酸类添加剂不能有效促进脱水反应；当加入氨基葡萄糖硫酸钾盐原料与醋酸化合物的摩尔比大于1:50时，反应原料的转化率以及产品的收率明显下降，这是由于加入过量的碳酸类类添加剂，会引起反应原料氨基葡萄糖硫酸钾盐的大量分解，同时会导致糖类脱水过程中的副反应加剧，如各种聚合反应，增加小分子酸性物质如甲酸，乙酰丙酸的生成。因此，原料分子氨基葡萄糖硫酸钾盐与碳酸类添加剂的合适的摩尔比，处于1:1-50之间时，可以高效促进氨基葡萄糖硫酸钾盐高选择性转化为脱氧果糖嗪。磷酸类作为添加剂，加入到反应体系，可以促进脱水反应，制备脱氧果糖嗪。从催化机理角度，主要原因是磷酸根既可以从体系中得到电子，也可以失去电子，从而活化氮原子，促进亲核加成反应。磷酸类添加剂亦可以释放大量的氢质子，因此，可以高选择性促进脱水反应。以氨基葡萄糖盐酸盐为原料，当原料分子氨基葡萄糖盐酸盐与磷酸类添加剂的摩尔比低于1:1时，反应不能完全转化，少量的磷酸类添加剂不能有效促进脱水反应；当加入氨基葡萄糖盐酸盐原料与磷酸化合物的摩尔比大于1:50时，反应原料的转化率以及产品的收率明显下降，这是由于加入过量的磷酸类类添加剂，会引起反应原料氨基葡萄糖盐酸盐的大量分解，同时会导致糖类脱水过程中的副反应加剧，如各种聚合反应，增加小分子酸性物质如甲酸，乙酰丙酸的生成。因此，原料分子氨基葡萄糖盐酸盐与磷酸类添加剂的合适的摩尔比，处于1:1-50之间时，可以高效促进氨基葡萄糖硫酸钾盐高选择性转化为脱氧果糖嗪。

为了形成均相催化体系，提高催化效率。实验选择不同的极性非质子溶剂(如DMF,DMAc,DMSO等)作为甲壳素类生物质转化的溶剂，发现DMSO的加入对反应有着很重要的积极作用，能显著提高DOF的收率。DMSO对甲壳素类生物质脱水有很明显的促进作用，其主要原因有以下几点。首先DMSO具有一定的弱碱性，在该反应体系中不仅仅是起着溶剂的作用，还有可能起着催化剂的作用，在糖类脱水过程中，DMSO既能充当电子受体也能充当电子供给体，从而能促进脱水反应的发生。再次，DMSO能有效地抑制糖类脱水过程中的副反应，如各种聚合反应，以减少腐殖质的生成，提高脱氧果糖嗪的选择性。除此之外，DMSO还是一种优良的溶剂，对糖类和产物有很好的溶解能力，因此有利于糖类转化。相比于DMSO，其他的溶剂，如DMF和DMAc等极性非质子溶剂不能促进甲壳素类生物质转化，主要是这些溶剂不能有效地抑制糖类脱水过程中的副反应。由以上相关研究可以看出，相较于其他溶剂体系，在DMSO有化机溶剂中甲壳素类生物质降解的结果较为理想，究其原因，主要是由于原料甲壳素类生物质可以形成均相催化体系，此外脱氧果糖嗪降解为乙酰丙酸等低级酸的副反应在有机溶剂中能在一定程度上被抑制。

本发明脱水反应的条件是反应温度为25～200℃，反应时间是5min～48h,反应条件的确定需结合反应特点及催化剂性能综合考虑。实验结果表明,反应开始时,脱氧果糖嗪的收率较低,随着反应时间从5min增加到48h,脱氧果糖嗪的收率持续增加。当反应时间超过48h后,脱氧果糖嗪的收率稳定在50％至60％之间,没有明显的变化。在反应温度从25℃升高到200℃，氨基葡萄糖的转化率逐渐升高，脱氧果糖嗪的收率也逐渐升高,在200℃时，氨基葡萄糖的转化率为100％，此时脱氧果糖嗪的收率也达到最大60％。在反应温度超过200℃，脱氧果糖嗪的收率未见提高，反而随温度升高以及反应时间延长，收率逐渐下降。主要原因是高温会引起严重的副反应,可能会促使生成的脱氧果糖嗪进一步分解为其他小分子化合物，从而导致脱氧果糖嗪收率降低。

根据上述实验,可确定在所考察的催化剂和添加剂中,碱性离子液体是唯一有催化活性的催化剂，硼酸类，碳酸类，醋酸类以及磷酸类物质是高效的添加剂。和其他多糖转化的工艺相比,碱性离子液体催化剂与硼酸类，碳酸类，醋酸类以及磷酸类添加剂共同作用，有着更好的产物选择性,仅生成脱氧果糖嗪。

本发明的优点

(1)甲壳素类生物质来源广泛，储量丰富，本发明利用甲壳素类生物质资源生产含氮芳香杂环吡嗪类化合物，生产工艺具有潜在的应用价值。其从原子经济性的角度出发，利用这一类原料本身具有的氮元素，制备含氮的小分子平台化合物，开发了甲壳素类生物质综合利用的新途径，拓宽了高效制备生物基化学品的原料来源。

(2)脱氧果糖嗪作为高附加值的平台化合物，由于其特殊的芳香结构，因此具有特殊致香作用，是一种重要的香料潜香物；同时又有较强的生理活性而具有药用价值，例如，已证实脱氧果糖嗪具有抗癌活性。

(3)离子液体作为绿色环境友好催化剂，通过阴阳离子的设计可以改变它的物理化学特性，使其热稳定性和酸碱性等符合分离或催化的不同要求，进而高效催化降解甲壳素类生物质资源，制备脱氧果糖嗪。

(4)通过加入适当的弱酸性添加剂，高效控制反应路径，选择性制备脱氧果糖嗪。分离纯化完成后，有机萃取剂可回收利用，大大降低后期分离成本，便于产业化。

附图说明：

图1是实施例1中1-乙基-3-甲基咪唑醋酸离子液体催化剂，氨基葡萄糖脱水生成脱氧果糖嗪反应方程式。

图2是实施例1产物的¹³C核磁共振谱。

具体实施方式

实施例1：

(1)首先配制1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体，在250ml圆底三口烧瓶中加入0.1mol1-乙基-3-甲基咪唑溴盐(19.1g)和2.5mol醋酸钾(245.3g)，加入160ml异丙醇将其溶解，室温下搅拌36h。过滤，去掉不溶物，滤液70℃下旋蒸8h，得淡黄色油状物，用80ml二氯甲烷溶解，并加入活性炭粉室温搅拌17h，过滤，用而氯化碳洗涤3次，合并滤液旋蒸除去溶剂，得黄褐色油状物，70℃真空干燥得目标产物。取1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体10g，加入10g分子量为215.5的D－氨基葡萄糖盐酸盐，加入与D－氨基葡萄糖盐酸盐等摩尔的硼酸，在50ml二甲基亚砜中混合均匀后,在25℃反应48小时。

(2)反应结束后，在室温条件下，取反应产物溶液20ml,加入20ml乙腈，萃取三次，去除不溶杂质，旋蒸浓缩，静置10小时结晶得到脱氧果糖嗪，萃取剂回收，咪唑类离子液体回收再利用。反应原料D－氨基葡萄糖盐酸盐的转化率为100％，结晶得到产物的纯度≥97％，脱氧果糖嗪的摩尔收率为60％。

实施例2：

(1)如实施例1中的方法配制离子液体，取1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体25g，加入50g分子量为282.2的D-氨基葡萄糖硫酸钠盐，加入与原料D-氨基葡萄糖硫酸钠盐等摩尔数的四硼酸钠，在100ml二甲基亚砜中均匀混合，在80℃反应10分钟。

(2)反应结束后，在室温条件下，取反应产物溶液25ml，加入50ml乙腈,萃取五次，去除不溶杂质，旋蒸浓缩，静置结晶可得到产品脱氧果糖嗪。萃取剂回收，咪唑类离子液体回收再利用。反应原料D-氨基葡萄糖硫酸钠盐的转化率为100％，结晶得到产物的纯度≥98％，脱氧果糖嗪的摩尔收率为55％。

实施例3：

(1)离子液体的制备方法与1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体的制备方法类似，在圆底三口烧瓶中加入1-丁基-3-甲基咪唑溴盐和醋酸钾反应，反应物摩尔配比及反应条件与实施例1中相同，制备得到1-丁基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体。取1-丁基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体40g，加入35g分子量为25万的甲壳素，加入摩尔量为原料分子量为25万的甲壳素的两倍的冰醋酸，在100ml二甲基亚砜中均匀混合，在150℃反应6小时。

(2)反应结束后，在室温条件下，取反应产物溶液3ml，加入15ml乙腈,萃取两次，去除不溶杂质，滤液旋蒸浓缩，静置15小时，结晶可得到产品。反应原料分子量为25万的甲壳素的转化率为80％，结晶得到产物的纯度≥98％，脱氧果糖嗪的摩尔收率为15％。

实施例4：

(1)称取1-己基-3-甲基咪唑溴盐0.5mol(110.0g)溶于100ml二氯甲烷中，加入氢氧化钾0.5mol(28.0g)，在室温下搅拌10h，过滤沉淀，旋蒸除溶剂，产物用乙醚洗涤2-4次，在90℃下真空干燥10h，即可得到氢氧化1-己基-3-甲基咪唑离子液体。取氢氧化1-己基-3-甲基咪唑离子液体50g，加入45g分子量为1万的甲壳素，加入摩尔量为原料分子量为1万的甲壳素15倍的碳酸钾，在150ml二甲基亚砜中均匀混合，在180℃反应4小时。

(2)反应结束后，在室温条件下，取反应产物溶液9ml，加入45ml丙醇和丙酮(v/v＝1:2)，萃取三次，将目标产物全部溶解，滤液静置20小时，去除不溶杂质，将得到的溶解了产物的丁腈相浓缩蒸干浓缩，结晶可得到产品。反应原料分子量为1万的甲壳素的转化率为85％，结晶得到产物的纯度≥98％，脱氧果糖嗪的摩尔收率为10％。

实施例5：

(1)将1mol的1-丁基-3-甲基咪唑溴盐(219.1g)加入到250ml三口烧瓶中，然后加入100ml异丙醇，搅拌使其全部溶解，然后加入2倍量碳酸钠(168.0g)，60℃反应8h后过滤，滤液在60℃下旋蒸7h得淡黄色油状液体，70℃真空干燥10h得最终产物1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸盐离子液体。取1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸盐离子液体100g，加入60g分子量为12万脱乙酰度为64％的壳聚糖，加入摩尔量10倍于原料分子量为12万脱乙酰度为64％的壳聚糖的磷酸，在200ml二甲基亚砜中均匀混合，在100℃反应9小时。

(2)反应结束后，在室温条件下，取反应产物溶液3ml，加入15ml乙腈，萃取三次，将得到的溶解了产物的乙酸乙酯相浓缩蒸干浓缩，去除不溶杂质，滤液静置20小时，结晶可得到产品。反应原料分子量为12万脱乙酰度为64％的壳聚糖的转化率为80％，结晶得到产物的纯度≥96％，脱氧果糖嗪的摩尔收率为36％。

实施例6：

(1)离子液体的制备方法与1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸盐离子液体的制备方法类似，在圆底三口烧瓶中加入1-丁基-3-甲基咪唑溴盐和碳酸氢钠反应，反应物摩尔配比及反应条件与实施例5中相同，制备得到1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸氢盐离子液体。取1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸氢盐离子液体70g，加入15g分子量为40万脱乙酰度为20％的壳聚糖，加入与摩尔量为25倍原料分子量为40万脱乙酰度为20％的壳聚糖的碳酸钠和磷酸氢二钾(2:1moleratio)，在100ml二甲基亚砜中均匀混合，200℃反应1小时。

(2)反应结束后，在室温条件下，取反应产物溶液4ml，加入40ml乙腈,萃取两次，将得到的溶解了产物的丁腈相浓缩蒸干浓缩，去除不溶杂质，滤液静置12小时，结晶可得到产品。反应原料分子量为40万脱乙酰度为20％的壳聚糖的转化率为70％，结晶得到产物的纯度≥95％，脱氧果糖嗪的摩尔收率为30％。

实施例7：

(1)配制质量浓度为将0.75mol1-丁基-3-甲基咪唑溴盐(164.1g)加入到250ml三口烧瓶中，再加入异丙醇200ml(157g)，搅拌使其全部溶解，再加入20倍量苯甲酸钠(1.5mol，216.2g)，升温到70℃，反应10h后过滤，滤液70℃旋蒸得无色油状液体，70℃真空干燥得最终产物1-丁基-3-甲基-咪唑苯甲酸盐离子液体。取1-丁基-3-甲基-咪唑苯甲酸盐离子液体35g，加入25g分子量为0.1万脱乙酰度为100％的壳聚糖，加入与摩尔量为50倍原料分子量为0.1万脱乙酰度为100％的壳聚糖的苯基硼酸，在100ml二甲基亚砜中均匀混合，170℃反应5小时。

(2)反应结束后，在室温条件下，取反应产物溶液5ml，加入25ml乙腈,萃取一次，将得到的溶解了产物的乙腈相浓缩蒸干浓缩，去除不溶杂质，滤液静置15小时，结晶可得到产品。反应原料分子量为0.1万脱乙酰度为100％的壳聚糖的转化率为85％，结晶得到产物的纯度≥97％，脱氧果糖嗪的摩尔收率为45％。

实施例8：

(1)离子液体的制备方法与1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体的制备方法类似，在圆底三口烧瓶中加入1-丁基-3-甲基咪唑溴盐和醋酸钾反应，反应物摩尔配比及反应条件与实施例1中相同，制备得到1-丁基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体。取1-丁基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体10g，加入5gD-氨基葡萄糖硫酸钾盐，加入摩尔量为45倍原料D-氨基葡萄糖硫酸钾盐的碳酸钾，在25ml二甲基亚砜中均匀混合，150℃反应5分钟。

(2)反应结束后，在室温条件下，取反应产物溶液15ml，加入75ml乙醇和丙酮(v/v＝1:2)萃取一次，将得到的溶解了产物的乙酸乙酯相浓缩蒸干浓缩，去除不溶杂质，滤液静置20小时，结晶可得到产品脱氧果糖嗪。反应原料分子量为D-氨基葡萄糖硫酸钾盐的转化率为100％，结晶得到产物的纯度≥98％，脱氧果糖嗪的摩尔收率为65％。

Claims (6)

1.一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）按干燥的甲壳素类生物质原料、咪唑类离子液体溶液和添加剂重量之和：二甲基亚砜=0.1-20g：1ml，将干燥的甲壳素类生物质原料、咪唑类离子液体溶液和添加剂在二甲基亚砜反应介质中混合均匀，在25℃-200℃下反应5分钟-48小时，其中：甲壳素类生物质原料与离子液体溶液质量比为1:1-200，甲壳素类生物质原料与添加剂的摩尔比为1:1-50，得到中间产物；

（2）在步骤（1）得到的中间产物中加入结晶溶剂，其中中间产物溶液：溶剂体积比为1：1-10，将产物全部溶解，热过滤，去除不溶杂质，滤液旋蒸浓缩，重结晶制备产物。

2.如权利要求1所述的一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法，其特征在于步骤（1）所述的甲壳素类生物质是分子量范围为1-50万的甲壳素，分子量范围为0.1-40万、脱乙酰度为20%-100%的壳聚糖，D-氨基葡萄糖盐酸盐，D-氨基葡萄糖硫酸钾盐或D-氨基葡萄糖硫酸钠盐。

3.如权利要求1所述的一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法，其特征在于步骤（1）所述的咪唑类离子液体为1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体、1-丁基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体、氢氧化1-乙基-3-甲基咪唑离子液体、氢氧化1-己基-3-甲基咪唑离子液体、1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸盐离子液体、1-丁基-3-甲基-咪唑碳酸氢盐离子液体或1-丁基-3-甲基-咪唑苯甲酸盐离子液体。

4.如权利要求3所述的一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法，其特征在于所述的咪唑类离子液体采用两步合成法制备，该方法的第一步是制备含目标阳离子的卤代盐离子液体，其中卤代咪唑盐类离子液体的制备过程为：首先对纯化过的烷基咪唑和卤代烷烃混合；然后控制一定的温度，在密封搅拌条件下反应，后经洗涤、重结晶和减压蒸馏，制得纯净的卤代咪唑盐类离子液体；然后采用含有目标阴离子的盐或酸在室温搅拌下进行复分解反应，得到目标离子液体。

5.如权利要求1所述的一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法，其特征在于步骤（1）所述的添加剂为硼酸，苯基硼酸，四硼酸钠，醋酸，醋酸钠，磷酸，磷酸氢二钾，磷酸二氢钾，碳酸钾的一种或几种。

6.如权利要求1所述的一种利用甲壳素类生物质制备脱氧果糖嗪的方法，其特征在于步骤（2）所述的结晶溶剂为乙腈，乙醇，丙醇，丙酮中的一种或几种。