CN105873923A - 用于制备由糖制造的长链烷基环状缩醛的方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，已经发现由糖制造的长链烷基环状缩醛能通过包括由如下组成的步骤的方法获得：‑使己糖醇脱水为单脱水己糖醇底物；‑在酸催化剂的存在下和在没有溶剂或者由非水极性溶剂构成的环境中使所获得的单脱水己糖醇底物与包含5‑18个碳原子的烷基醛试剂以在5:1和1:1之间的底物/试剂比率通过缩醛化反应或者与包含5‑18个碳原子的烷基醛试剂的衍生物以在1:1和1:3之间的底物/试剂比率通过缩醛交换反应而反应；‑从所获得的混合物收集长链烷基缩醛己糖醇酐。
Description
本发明涉及用于制备由糖制造的长链烷基环状缩醛的方法。
在科技文献中，基于糖的表面活性剂分子是公知的。在它们之中，蔗糖脂肪酸酯、脱水山梨糖醇酯和长链烷基聚葡糖苷已经被广泛用于食品、个人护理、和化妆品以及药物应用中。这些表面活性剂的一些在家庭和工业清洁应用中以及作为润滑剂也已经得到广泛接受。
尽管它们被广泛使用和接受，但是公知，基于酯的表面活性剂仅在有限的pH范围内是稳定的，而烷基葡糖苷在碱性和中性条件下是稳定的，但是在酸性条件下不是稳定的。
其它缺点与用于获得这些衍生物的方法有关。在高级(较高，higher)烷基葡糖苷的情况下，缩醛交换(缩醛转移，transacetalization)是必然的。为了获得足够纯的产物，必须使用相当复杂和昂贵的设备。在基于糖的酯特别是脱水山梨糖醇酯的情况下，为了以足够高的收率获得产物，需要昂贵且有毒的溶剂或者高的反应温度。
为了改善基于糖的表面活性剂化合物的酸性稳定性，最近在文献WO2012/148530中提出了糖醇醚。该申请描述了用于制备这些多元醇醚的方法，其中使多元醇的熔融体与高级烷基醛在还原烷基化条件下反应。此处再一次地，为了进行还原烷基化反应，困难和极端的条件以及高压设备是必要的。为了获得期望产物，认为相对于醛过量的糖醇是必要的。这导致每摩尔糖醇醚高的能量消耗。
另一组基于糖的表面活性剂分子由糖的长链烷基环状缩醛代表，如若干科技出版物中所公开的。
在Carbohydrate Research(1997)p.85-92中，描述了蔗糖的高级烷基环状缩醛和其获得方法。由此获得的缩醛在清洁剂工业中可为有价值的，因为与酯衍生物不同，这些产物在碱性和中性介质中是稳定的。此外，它们具有有利的临界胶束浓度(CMC)值。在OPPI Briefs(1998)p.460-464中，公开了用于制备这样的基于蔗糖的化合物的改进方法。
在文献US 6251937(FR2761991)和JAOCS(1994)p.705-710中，描述了葡糖酸衍生物的高级烷基环状缩醛，其在碱性和中性介质中具有表面活性剂性质。同时，它们在酸性介质中也呈现出强的水解。
在专利EP 0 019 999中，公开了糖衍生物的、特别是山梨糖醇衍生物的高级烷基环状缩醛的制备。由此提出的是使用乙酸作为反应介质的改进方法。该反应产生部分地被乙酸酯基团取代的山梨糖醇烷基缩醛。在该同一文献中，提及了专利US 4,031,112。在后一文献中，提到，其中所描述的反应条件可用于制备山梨糖醇的长链烷基缩醛。然而，注意到，如专利EP 0 019 999中提到的，所描述的条件导致产物和试剂的大量分解，由此产物收率和品质变得在商业上不可接受。
在专利US 3,484,459中，提及脱水山梨糖醇的环状缩醛的制备。在该文献中，提及了各种各样的醛和酮作为潜在试剂。使用这些缩醛化反应以从己糖醇酐的混合物收集残留的1,4-脱水山梨糖醇。在通过分馏分离出纯的缩醛之后，将由此获得的脱水山梨糖醇缩醛水解，并且通过结晶化收集1,4-脱水山梨糖醇。所述缩醛化因此用大量过量的试剂、使用长的反应时间进行。就方法论而言，所使用的条件相对没有吸引力。
鉴于以上，清楚的是，关于由糖制造的高级烷基环状缩醛所描述的产物和/或方法显示出许多缺点。除了WO 2012/148530中描述的多元醇醚之外，所有其它的基于糖的表面活性剂分子在酸性条件下都不稳定或者不够稳定，而在大多数情况下所述方法使用这样的溶剂或者反应条件：其从环境角度来看是不安全的，和/或其消耗大量能量，和/或从工业角度来看是无利可图的。
因此，明显的是，对于具有呈现出在酸性条件下改善的稳定性以及良好的乳化性质的基于糖的长链烷基环状缩醛仍然存在未得到满足的需求。此外，对于具有用于制备这些化合物的方法(对于环境而言可接受的、就能量消耗而言有利的、且在工业上易于实施的方法)也仍然存在需求。
本发明的目的是通过如下获得的：提供用于制备由糖制造的长链烷基环状缩醛的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-使己糖醇通过形成单脱水己糖醇而脱水；
-使所获得的单脱水己糖醇底物与包含5-18个碳原子的烷基醛试剂以在5:1和1:1之间的底物/试剂比率通过缩醛化反应或者与包含5-18个碳原子的烷基醛试剂的衍生物以在1:1和1:3之间的底物/试剂比率通过缩醛交换反应而反应，所述反应优选地在酸催化剂的存在下和/或在没有溶剂或者由非水极性溶剂构成的环境中进行；
-从所获得的混合物收集己糖醇酐的长链烷基缩醛。
典型地，“长链烷基”理解为优选地包括5-18个碳原子、优选8-12个碳原子的烷基基团。
在根据本发明的一种优选方法中，所述己糖醇选自：山梨糖醇、甘露醇、半乳糖醇和艾杜糖醇。山梨糖醇是优选的己糖醇。
在本发明的一种更优选方法中，所述烷基醛试剂包含8-12个碳原子。
与醛试剂的缩醛化反应是能够在使用或者不使用溶剂的情况下执行的。当使用溶剂时，并且按照根据本发明的一种有利方法，所述非水极性溶剂选自：DMF、DMSO、DMA、乙腈、THF、甲基THF和乙酸乙酯。
在根据本发明的一种具体方法中，通过分离收集所述己糖醇酐的长链烷基缩醛。
在根据本发明的一种优选方法中，所述单脱水己糖醇底物为纯化的1,4-脱水山梨糖醇。
在一种更具体地根据本发明的方法中，所述己糖醇酐的长链烷基缩醛由四种非对映异构体构成。
现在将通过附图和实施例更详细地描述和说明本发明，附图和实施例应被认为不是照这样限制本发明的范围并且本发明的范围如所附权利要求中所表示，其中使用附图标记来表示附图，其中：
-图1：表示在脱水反应期间获得的反应混合物的色谱图；
-图2：表示根据实施例8通过在没有溶剂的情况下的缩醛交换而获得的反应混合物的色谱图。
根据本发明，惊讶地注意到，由糖制造的长链烷基环状缩醛是能通过包括以下步骤的方法获得的：
-使己糖醇脱水为单脱水己糖醇，
-在酸催化剂的存在下和在没有溶剂或者由非水极性溶剂构成的环境中，使所获得的单脱水己糖醇底物与包含5-18个碳原子的烷基醛试剂以在5:1和1:1之间的底物/试剂比率通过缩醛化反应或者与包含5-18个碳原子的烷基醛试剂的衍生物以在1:1和1:3之间的底物/试剂比率通过缩醛交换反应而反应，
-和从所获得的混合物收集己糖醇酐的长链烷基缩醛。
典型的己糖醇为山梨糖醇、甘露醇、半乳糖醇和艾杜糖醇，其中山梨糖醇丰富得多。
已经在若干出版物中描述了单脱水山梨糖醇的形成。因此，已经描述了用于获得该中间化合物的多种方法。
在一种实施方式中，将山梨糖醇在酸催化剂的存在下溶解于水中并且在环境条件下加热足以获得最大1,4-脱水山梨糖醇含量的时间。这样的方法描述于Acta Chemical Scandinavica B(1981)p.441-449中。还已经公开了其中在减压下(US 2,390,395和US 2007173651)或者在适中的氢气压力下(US2007173654)进行反应的方法。在该专利申请US2007173654中，使用了贵金属助催化剂，这导致相当高浓度的异山梨醇，而不是1,4-脱水山梨糖醇。
根据本专利申请，注意到，根据一种优选实施方式，通过如下能以良好的收率获得中间产物1,4-脱水山梨糖醇：在氢气气氛中在20-50巴的压力下在可在120和170℃之间变化的反应温度下将山梨糖醇的熔融体用固体酸催化剂处理足以获得脱水山梨糖醇的最优收率的时间。优选的反应温度在130和140℃之间。
由此获得的反应混合物由1,4-脱水山梨糖醇、未反应的山梨糖醇、异山梨醇和较少量的副产物组成，如图1中显示的色谱图上所示。由此观察到的优点之一是较低的着色水平，这与现有技术的常规方法形成对照。
在接下来的步骤中，该反应混合物然后是可原样使用的，但是优选从该混合物收集和纯化1,4-脱水山梨糖醇并且将剩余物再循环至脱水步骤。在一种具体实施方式中，通过结晶化收集和纯化1,4-脱水山梨糖醇。在另一优选实施方式中，通过色谱方法收集和纯化1,4-脱水山梨糖醇。优选地使用该纯化的1,4-脱水山梨糖醇作为用于所述缩醛化反应的底物。
所述缩醛化反应是能用烷基醛试剂进行的，其中所述醛试剂包含5-18个碳原子。这些醛是能够从线型或支化的醛、和从脂族的或者芳族的醛选择的。在一种优选的实施方式中，所述烷基醛包含8-12个碳原子。醛的一些典型代表为：戊醛、己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛和十二醛。
也可使用相应醛的二烷基缩醛进行所述缩醛化，其中优选二甲基缩醛和二乙基缩醛。
与醛试剂的缩醛化反应是在使用溶剂的情况下或者不使用溶剂的情况下能执行的。当使用溶剂时，其能够选自极性溶剂例如DMF、DMSO、DMA、乙腈、THF、甲基THF和乙酸乙酯。大量实验工作因此使得可选择保证最优转化率和收率的条件。当所述底物与所述试剂的摩尔比在5:1和1:1之间、优选地在4:1和1:1之间、和更优选地在3:1和2:1之间时，获得最佳结果。
当所述反应在没有溶剂的情况下进行时，首先将1,4-脱水山梨糖醇加热至90-110℃，然后缓慢地添加所述醛试剂，之后添加所述催化剂。所使用的酸催化剂能够选自有机的或者无机的、固体的或者液体的酸，其中优选固体酸。特别地，优选的酸选自对-甲苯磺酸、甲磺酸和樟脑磺酸(CSA)。
此外，所述缩醛交换反应能够在存在溶剂的情况下或者在不存在溶剂的情况下进行，以获得由糖制造的长链烷基环状缩醛。当使用溶剂时，优选使用与所使用的缩醛试剂对应的醇。由实验工作注意到，在所述缩醛交换反应中，当所述底物与所述试剂的摩尔比在1:1和1:3之间、和优选在2:3和2:5之间时，获得最佳收率和转化率。使用与所述缩醛化反应中使用的催化剂相同的催化剂。
在所述缩醛化反应期间，取决于所使用的试剂和溶剂，将反应混合物加热至在70℃和100℃之间变化的温度。反应时间由所达到的转化程度决定。
然后对由此获得的粗反应混合物进行处理以收集根据本发明的己糖醇酐烷基缩醛。所述收集通过现有技术中公知的分离方法进行。可使用的典型方法尤其是萃取、色谱分离和结晶化。
通过上述方法获得的脱水山梨糖醇缩醛组合物由四种非对映异构体构成。两种非对映异构体与脱水山梨糖醇5,6-缩醛对应，和另两种与脱水山梨糖醇3,5-缩醛对应。因此，R为C4-C17线型脂族链。
在乙醇和水中在各种各样的pH值下进行根据本发明的脱水山梨糖醇烷基缩醛组合物的稳定性的试验。由此注意到，在乙醇中在pH 1下和在80℃下，在3小时之后少于1％水解。
在水中的试验在三种pH值下进行：7、5和1。在pH＝5和pH＝7下，在20℃和40℃的温度下，在48小时之后未观察到显著的降解。在pH＝1下，在20℃下4小时之后，40％水解，如通过HPLC测定的。与JAOCS 1994,p.705-710中描述的缩醛相比，其与这些化合物相比明显是更好的酸性稳定性。
由此获得的组合物因此可在各样各样的食品和非食品应用中作为非离子型表面活性剂、作为乳化剂、作为润滑剂或者作为分散剂使用。
不限制本发明的范围，现在将使用一定数量的描述用于制备这些衍生物的方法的实施例更详细地说明本发明。
实施例1：
山梨糖醇的脱水：
将D-山梨糖醇(20g，110mmol)和0.1％(mol/mol)樟脑磺酸添加到150ml不锈钢高压釜中。将该反应器气密密封，用氢气吹扫三次，然后引入氢气直至50巴的压力。然后将系统加热至140℃并且用机械摇床摇动15分钟。在冷却至室温之后，释放氢气压力并且将白色泡沫在乙醇(200ml)中稀释以获得黄色的均相混合物。在减压下蒸发溶剂，然后将残留物由冷的甲醇结晶化并且真空过滤。将所述结晶材料用冷的甲醇洗涤以得到作为白色固体的1,4-脱水山梨糖醇(5.88g，理论的35％)。纯度>98％，如通过HPLC测定的，同时所述晶体呈现出113-114℃的熔点。该反应的转化程度测得为73％，由此获得了山梨糖醇、1,4-脱水山梨糖醇、异山梨醇和非常有限量的几种副产物的混合物，使得1,4-脱水山梨糖醇与异山梨醇的比率测得为80:20。
实施例2：
在DMF中脱水山梨糖醇的缩醛化：
在密封管中，将1,4-脱水山梨糖醇(X)(0.5g，3mmol)溶解在DMF(1.4ml)中。在氩气下滴加戊醛(Y)(107μl，1mmol)，之后添加樟脑磺酸(10mg，10％w/w)，之后封闭该管。将混合物在磁力搅拌的情况下加热至95℃。15小时之后，将该深色反应混合物冷却并且在减压下蒸发溶剂。达到了95％的转化程度。将残留物在乙酸乙酯中稀释并且将过量的1,4-脱水山梨糖醇过滤并且用乙酸乙酯洗涤。将滤液在减压下浓缩。将残留物通过快速色谱法(80:20到100:0EtOAc:环己烷)纯化以得到作为无色油的脱水山梨糖醇缩醛(0.22g，89％的分离后收率)。HPLC揭示四种非对映异构体的混合物。
实施例3:
在该实施例中，试验脱水山梨糖醇对醛试剂的多种比率。使用与实施例2中相同的反应条件，但是脱水山梨糖醇:醛比率在1:1和3:1之间变化。结果呈现于下表1中。
表1：脱水山梨糖醇:醛比率对转化程度和分离后收率的影响
| X:Y比率 | 转化率 | 分离后收率(重量％) |
| 1:1 | 96％ | 62％ |
| 2:1 | 81％ | 83％ |
| 3:1 | 95％ | 89％ |
实施例4：
在3:1的脱水山梨糖醇:醛比率的情况下，使用多种醛试剂以提供脱水山梨糖醇缩醛反应产物。使用与实施例2中相同的反应条件和相同的纯化步骤。
结果呈现于表2中。
表2：
| 醛 | 转化率 | 分离后收率 |
| 己醛 | 100％ | 98％ |
| 辛醛 | 89％ | 95％ |
| 癸醛 | 69％ | 85％ |
| 十二醛 | 61％ | 80％ |
实施例5：
除了使用DMF作为溶剂之外，也使用其它溶剂来制备脱水山梨糖醇缩醛组合物。而且此处，使用与实施例2中相同的试剂并且遵循与实施例2中相同的程序，除了反应温度为约80℃之外。结果呈现于表3中。
表3：
| 溶剂 | 转化率 | 分离后收率 |
| 乙腈 | 100％ | ND |
| 乙酸乙酯 | 98％ | ND |
| DMF | 83％ | 83％ |
实施例6:
在没有溶剂的情况下脱水山梨糖醇的缩醛化：
在密封管中，将1,4-脱水山梨糖醇(X)(0.5g,3mmol)加热至95℃。在氩气下滴加戊醛(Y)(107μl,1mmol)，然后樟脑磺酸(10mg,10％w/w)，之后再次封闭该管。将混合物在磁力搅拌的情况下加热至95℃。15小时之后，将该深色反应混合物冷却并且在乙酸乙酯(2ml)中稀释，然后在减压下蒸发溶剂。获得80％的转化程度。将残留物再次在乙酸乙酯中稀释并且将过量的1,4-脱水山梨糖醇过滤并且用乙酸乙酯洗涤。将滤液在减压下浓缩。将残留物通过快速色谱法(80:20到100:0EtOAc:环己烷)纯化以得到作为无色油的脱水山梨糖醇缩醛(0.13g，54％的分离后产率)。HPLC揭示四种非对映异构体的混合物。
实施例7:
在乙醇中脱水山梨糖醇的缩醛交换：
在圆底烧瓶中，将1,4-脱水山梨糖醇(0.5g，3mmol)溶解在乙醇(7.5ml)中并且在氩气流下添加1,1-二乙氧基戊烷(1.15ml，6mmol)，然后樟脑磺酸(50mg，10％w/w)。将混合物在磁力搅拌的情况下加热至80℃。3小时之后，将混合物中和并且在减压下浓缩。将残留物通过快速色谱法(80:20到100:0乙酸乙酯/环己烷)纯化以产生作为无色油的脱水山梨糖醇缩醛(0.43g，66％的分离后收率)。HPLC揭示四种非对映异构体的混合物。
实施例8：
在不使用溶剂的情况下脱水山梨糖醇的缩醛交换：
在圆底烧瓶中，在氩气流下添加1,4-脱水山梨糖醇(0.5g，3mmol)和1,1-二乙氧基戊烷(1,1-DEP)(1.15ml，6mmol)(1:2摩尔比率)，然后樟脑磺酸(50mg，10％w/w)。将混合物在磁力搅拌的情况下加热至80℃。3小时之后，将混合物直接通过快速色谱法(80:20到100:0乙酸乙酯/环己烷)纯化以产生作为无色油的脱水山梨糖醇缩醛(0.517g，73％的分离后收率)。HPLC揭示四种非对映异构体的混合物(图2)。
实施例9:
使用多种摩尔比率、多种试剂(1,1-二甲氧基戊烷)、多种反应温度和多种反应时间进行没有溶剂情况下的缩醛交换，其中催化剂相同。将反应混合物如实施例8中那样通过快速色谱法纯化。
结果在表4中给出。
表4：
| 试剂 | 脱水山梨糖醇/试剂比率 | 时间(h) | 温度 | 转化率 | 分离后收率 |
| 1,1-DMP | 1:1 | 15 | 70℃ | 99％ | 66％ |
| 1,1-DEP | 1:1 | 15 | 70℃ | 81％ | 66％ |
| 1,1-DEP | 1:1 | 15 | 80℃ | - | 49％ |
| 1,1-DEP | 1:2 | 3 | 80℃ | 80％ | 73％ |
Claims (8)
1.用于制备由糖制造的长链烷基环状缩醛的方法，特征在于所述方法包括由如下组成的步骤：
-使己糖醇脱水为单脱水己糖醇底物；
-在酸催化剂的存在下和在没有溶剂或者由非水极性溶剂构成的环境中使所获得的单脱水己糖醇底物与包含5-18个碳原子的烷基醛试剂以在5:1和1:1之间的底物/试剂比率通过缩醛化反应或者与包含5-18个碳原子的烷基醛试剂的衍生物以在1:1和1:3之间的底物/试剂比率通过缩醛交换反应而反应；
-从所获得的混合物收集己糖醇酐的长链烷基缩醛。
2.如权利要求1中所述的方法，其中所述己糖醇选自包括如下的组：山梨糖醇、甘露醇、半乳糖醇和艾杜糖醇。
3.如权利要求2中所述的方法，其中所述己糖醇为山梨糖醇。
4.如前述权利要求任一项中所述的方法，其中所述烷基醛试剂包含8-12个碳原子。
5.如前述权利要求任一项中所述的方法，其中所述非水极性溶剂选自：DMF、DMSO、DMA、乙腈、THF、甲基THF和乙酸乙酯。
6.如前述权利要求任一项中所述的方法，其中通过分离收集所述己糖醇酐的长链烷基缩醛。
7.如权利要求3-6任一项中所述的方法，其中所述单脱水己糖醇底物为纯化的1,4-脱水山梨糖醇。
8.如权利要求7中所述的方法，其中所述己糖醇酐的长链烷基缩醛由四种非对映异构体组成。
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