CN1105667A - 烷基葡糖苷的相转移催化合成法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种烷基葡糖苷的相转移催化合 成法，反应与分馏并行操作，直接产物为淡黄色，不需 脱色即可满足使用要求。它采用了包括所有在醚化 反应中所用的酸性催化剂；将聚乙二醇用作相转移催化剂；使用C₃-C₅的一元醇作为活化溶剂；使用乙醇作为烷基葡糖苷产物气味的改善剂；使用Na₂SO₃与无机碱或有机碱组成的二元中和剂；所用的糖类物质可以是各种单糖、双糖及多糖。

Description

本发明属于醇醛缩合反应的范畴。

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。要继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碳酸、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-C₁₆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，建议作用（RO）_nM形式的有机碱作为中和剂，在么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。

1988年USP    4，462，918中描述了在氢化催化剂存在下用氢气与反应体系充分接触制备、分离、回收烷基葡糖苷的方法，色泽有明显的降低。

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。

1989年USP    4，889，925中描述了在一种或多种减粘剂存在下，分馏烷基糖苷时不发生热降解作用的方法，提高了产品的纯度。

1991年，EP    0492，397A1中描述了在酸性催化剂条件下，用糖类与高碳醇的反应来制备烷基糖苷的工艺。发现了烷基糖苷色泽的恶化主要是由于未反应糖分解形成的溶解糖、酸成分和呋喃的衍生物所引起的。分离未反应的固体糖类，蒸馏掉未反应的高碳醇，供重复使用，得到的反应物具有较好特性。

近年来，日本对烷基糖苷的色泽改良和防止色泽随着时间增加变差，即色泽稳定性的问题进行了深入的研究。先后提出了在高碳醇和单糖类反应生成烷基糖苷的反应阶段（特开昭59-139397）在酸性催化剂和还原剂组成的酸催化剂组成物存在下进行反应的方法;以及用EP    0132043或0132046的方法，在将生成的烷基糖苷与未反应的回收醇进行分离阶段中，因为烷基糖苷的高粘度和不良的热稳定性，特别是色泽显著变差，所采取添加减粘剂的方法;但问题都没有得到妥善的解决。

特开昭61-33193提出，将最终得到的烷基糖苷用过氧化氢或二氧化硫进行漂白处理，色泽较好但气味欠佳，且不易久存。

特开平2-264789进一步研究发现：这是由于在脱色后烷基糖苷中残留过氧化氢引起的，提出了把用过氧化氢脱色的烷基糖苷水溶液用二氧化锰、铂族元素、过氧化酶和抗坏血酸及其盐类中至少一种物质接触处理，可得到色泽和气味长期保存良好的烷基糖苷。

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。

1992年CN 1062734A中描述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。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，但是该反应时间长，仍需要脱色。

我们的任务是研制一种工艺简单、投资少、产率高、不经脱色就可直接使用的烷基葡糖苷的相转移催化合成法。

本发明是一种使用酸性催化剂，并以聚乙二醇为相转移催化剂而合成烷基葡糖苷的方法，其特征是适合于化学通式：

R-O-[M]_n-M′

其中：n为0-10最为合适，但也可以为更大值

M与M′代表含有6-28个碳原子的直链或带支链的、饱和的或不饱和的烷基

糖苷的一步合成，产物不仅气味得到改善，且色泽呈淡黄色，不需脱色即可满足使用要求。

（1）合适的催化剂包括所有在醚化反应中所用的酸性催化剂;

（2）将聚乙二醇用作相转移催化剂;

（3）使用C₃-C₅的一元醇为活化溶剂;

（4）使用乙醇作为烷基葡糖苷产物气味的改善剂;

（5）使用Na₂SO₃与无机碱或有机碱组成的二元中和剂;

（6）所用的糖类物质可以是各种单糖、双糖及多糖。

本合成方法中所适用的单羟基脂肪醇包括含6-28个碳原子的直链或带支链的、饱和的或不饱和的烷基醇。所适用的糖类物质包括各种单、双和多糖，例如：阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖、果糖、木糖、核糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、以及由淀粉、纤维素等高分子多糖的水解糖化物。适用糖类物质可以是无水的，也可以是含水在15%以内的水合物。所用糖和脂肪醇的摩尔比为5∶1-1∶1，最适宜比为3∶1-1∶1。适宜的催化剂包括所有在醚化反应中所用的酸性催化剂，例如：硫酸、亚硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、亚磷酸、烷基磺酸、烷基苯磺酸、洒石酸、柠檬酸、马来酸、强酸型离子交换树脂。催化剂用量为糖用量的0.1%-5%（重量）。

由于糖类物质与醇类物质相互溶解性差，使得烷基葡糖苷的合成反应基本上成为固、液两相之间的反应，从而导致反应速度慢、反应不均匀及糖类物质容易焦化等缺点。为了克服这些不足之处，本发明特别提出使用聚乙二醇为相转移催化剂，聚乙二醇的合适聚合度为200-4000。聚乙二醇既可与糖类物质相互溶，又可与醇类物质相互溶解，这样就使得本合成反应基本上成为均相反应，因而反应速度大大加快，反应均匀且避免了糖类物质的焦化。采用聚乙二醇为相转移催化剂，使本合成反应由慢速、难以控制的反应变为快速、易于控制的反应。由于反应速度大大加快，反应温度也就可以适度降低，而这正是合成高品质烷基葡糖苷的重要条件之一。聚乙二醇合适用量为糖用量的0.5%-5%（重量）。

合适的活化溶剂为C₃-C₅的一元醇，例如：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。这些低碳醇在合成反应中起着活化溶剂的作用，使得烷基葡糖苷合成反应在较温和的条件下有效地进行。活化溶剂的用量与糖用量的摩尔比为10∶1-1∶1。

在合成反应初期，用分水器除去蒸馏出的水，但让活化溶剂回流。在合成反应中、后期，停止蒸馏出的活化剂的回流，待合成反应完成时，加入适量乙醇继续蒸馏，待乙醇完全蒸出后，残留的活化溶剂也基本上除尽。这使得烷基葡糖苷产物的气味显著得到改善。乙醇用量为糖和脂肪醇用量总和的5%～20%。

使用的中和剂是无机碱或有机碱。本发明特别提出使用Na₂SO₃与无机碱或有机碱组成的二元中和剂。Na₂SO₃的加入不仅能有效改善产物色泽，且能有效地防止产物色泽变坏。在二元中和剂中Na₂SO₃与无机碱或有机碱的重量比为6∶1-1∶6。

合成反应在带有适当搅拌装置、抽真空系统、分水器及加热器的各种反应器中进行。操作反应时可以将合适比例的脂肪醇、活化溶剂、糖类物质、催化剂以及聚乙二醇一次加入。有些原料如脂肪醇、糖类物质及催化剂也可以分批加入。反应可以在7-120℃条件下进行，最佳温度为95-105℃。当反应器温度升至反应温度后，在1-2小时内反应即完成，反应系统的真空度宜控制在4-200KPa。反应完成后将产物温度降至70℃加入二元中和剂，中和掉催化剂反应即停止。中和后产物PH约为6-7。测定结果表明，反应得到的直接产品中烷基寡聚葡糖苷的含量在92%（重量）以上，游离脂肪醇含量在4-8%（重量）以内。产物为淡黄色，不需要进一步脱色。根据使用要求，可以将产物配制成30%-80%（重量）的水溶液。这些产品可直接用于化妆品、洗涤剂、印染、医药、食品以及其它相关行业。

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186g（1.0mol），正丁醇888g（12.0mol），含1个结晶水的葡萄糖396g（2.0mol），聚乙二醇7.92g，催化剂1.58g。升温至100℃后反应1.5小时。反应初期用分水器除去馏出的水份，而让正丁醇回流;在反应中、后期让馏出物不回流。反应完成后，加入58.2g乙醇，继续将乙醇全部馏出。然后降温至70℃加入Na₂SO₃-NaOH溶液中和，中和后产物的PH≈7。反应产物中含十二烷基葡糖苷94.67%（W/W），平均糖苷聚合度为2.24;游离月桂醇4.73%（W/W），游离糖为0.60%（W/W）。未脱色产物色相为APHA100。

实施例二：

投料和操作方式与实施例一相同。反应完成后，加入Na₂SO₃-Na₂OC₂H溶液中和。反应产物中含十二烷基葡糖苷94.11%（W/W），平均糖苷聚合度为2.37;游离脂肪醇5.32%（W/W），游离糖0.57%（W/W）。未脱色产物色相为APHA100。

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Na₂SO₃-NaOCH₃溶液中和。未脱色产物色相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），聚乙二醇8.75g，催化剂1.54g。升温至100℃反应1.5小时。操作程序用实施例一。反应物中含烷基葡糖苷94.25%（W/W），平均糖苷聚合度为2.98;未反应椰子油醇5.04%，游离糖0.62%。未脱色产物色相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），聚乙二醇7.54g，催化剂1.24g。升温至100℃反应1.5小时。加Na₂SO₃-NaOH中和剂中和。产物含烷基葡糖苷3.76%（W/W），平均糖苷聚合度为2.75;未反应椰子油醇6.54%，游离糖0.45%。产物色相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49g（mol），聚乙二醇6.78g，催化剂1.24g。反应1.5小时后降温至70℃，用Na₂SO₃-NaOH溶液中和反应产物含十六烷基葡糖苷93.4%，平均糖苷聚合度2.98;未反应十六醇6.84%，游离糖0.47%。产物色相APHA 100。

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），聚乙二醇7.42g，催化剂1.24g，反应1.5小时后降温至70℃，用Na₂SO₃-NaOH溶液中和。反应产物中辛基葡糖苷为94.82%（W/W），平均糖苷聚合度2.18;未反应正辛醇4.43%，游离糖0.50%。未脱色产物色相APHA 100。

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）。聚乙二醇6.74g，催化剂1.25g。反应结束时用Na₂SO₃-NaOH溶液中和。产物中十四烷基葡糖苷为92.43%（W/W），平均糖苷聚合度2.41;未反应十四醇5.45%，淳离糖0.47%。未脱色产物色相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）。聚乙二醇4.54g，催化剂1.14g。反应结束时用Na₂SO₃-NaOH溶液中和。产物中烷基葡糖苷为94.25%（W/W），平均糖苷聚合度为2.84;未反应油醇为5.32%，游离糖0.82%。未脱色产物色相APHA 100。

实施例十：

按照实施例三同样操作程序，反应物为月桂醇116g（0.625mol），-阿拉伯糖150g（1.0mol）;异丁醇297g（4mol），其中1/3在反应中连续添加。聚乙二醇6.74g，催化剂1.14g。反应结束时用Na₂SO₃-NaOH溶液中和。产物中月桂基糖苷为94.18%（W/W），平均糖苷聚合度2.34;未反应月桂醇4.45%，游离糖0.74%。未脱色产物色相APHA 100。

实施例十一：

按照实施例三同样操作程序，反应物为月桂103.5%（0.5mol），L-山梨糖180g（1.0mol），异戊醇398g（4.5mol），聚乙二醇7.50g，催化剂1.30g，反应结束时用Na₂SO₃-NaOH溶液中和。产物中含月桂基糖苷为94.84%（W/W），平均糖苷聚合度2.87;未反应月桂醇3.45%，游离糖0.86%。未脱色产物色相APHA 100。

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（300mol），聚乙二醇800g，催化剂200g。升温至100℃反应1.5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Na₂SO₃-NaOH溶液中和。中和后体系pH约为7。反应产物中含十二烷基糖苷为94.12%（W/W），平均糖苷聚合度2.24;未反应月桂醇为4.64%，游离糖0.91%。产物释成70%水溶液，色相APHA 100。

实施例十三：

装置同实施例十二，加入工业椰子油醇11.92kg（60mol），无水葡萄糖19.45kg（108mol）;聚乙二醇674g，催化剂1.14g。正丁醇40.02kg（540mol），其中30%中反应中连续加入。其余的操作同上例。反应产物中含烷基葡糖苷为94.68%（W/W），平均糖聚合度2.37;未反应椰子油醇3.45%，游离糖0.83%。产物释成70%水溶液，色相为APHA    100。

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）。聚乙二醇5.44g，催化剂1.35g。升温至100℃反应1.5小时，同时搅拌并馏出反应生成的水和溶剂正丁醇。降温至70℃加入NaOH溶液中和。中和后体系pH约为7。反应产物中含十二烷基糖苷为90.45%（W/W），平均糖苷聚合度2.74;未反应月桂醇为8.43%，游离糖1.04%。未脱色产物色相APHA    450。

参照例B

按照参照例A投料和操作，但反应完成时用Na₂SO₃-NaOH溶液中和。产物色相为APHA 100。

参照例C：

按照实施例一投料和操作，但用NaOH溶液作中和剂中和。产物色相APHA    250。

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Na₂SO₃的中和剂而加NaOH溶液中和。产物色相APHA 250。

参照例E：

按照CN 1062734A的工艺操作，原料加入量为月桂醇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，然后降温到90℃加NaBh₄-NaOH溶液中和，中和后体系pH至6.5。反应产物中含十二烷基糖苷为93.40%（W/W），平均糖聚合度2.35;未反应月桂醇5.86%，游离糖0.77%。未脱色产物色相APHA 100。

参照例F：

按照实施例三的投料量和操作程序进行反应，未脱色产物色相APHA    200。

综上所述，本发明采用聚乙二醇为相转移催化剂，使得糖类物质与脂肪醇在较温和的条件下快速反应生成烷基葡糖苷产物。本方法采取反应与分馏精帛并行操作方式，实现了快速、低能耗、直接产物为淡黄色，可以省去常规的脱色步骤。为此我们声称，本合成方法是一种以酸性物质为催化剂，以聚乙二醇为相转移催化剂制备烷基葡糖苷的高效、快速方法。

Claims (3)

1、一种使用酸性催化剂并以聚乙二醇为相转移催化剂合成烷基葡糖苷的方法，其特征是适于化学通式为：

R-O-[M]_n-M′

其中：n为0-10最为合适，但也可以为更大值

M与M′代表含有6-28个碳原子的直链或带支链的、饱和的或不饱和的烷基

糖苷的一步合成，产物不仅气味得到改善，且色泽呈淡黄色，不需脱色即可满足使用要求。

(1)合适的催化剂包括所有在醚化反应中所用的酸性催化剂，例如：硫酸、亚硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、亚磷酸、烷基磺酸、烷基苯磺酸、洒石酸、柠檬酸、马来酸、强酸型离子交换树脂；

(2)将聚乙二醇用作相转移催化剂，合适的聚合度为200-4000；

(3)使用C₃-C₅的一元醇为活化溶剂，例如：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；

(4)使用乙醇作为烷基葡糖苷产物气味的改善剂；

(5)使用Na₂SO₃与无机碱或有机碱组成的二元中和剂；

(6)所用的糖类物质可以是各种单糖、双糖及多糖，例如：阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖、果糖、木糖、核糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、以及由淀粉、纤维素等高分子多糖的水解糖化物。

2、根据权利要求1所称的烷基葡糖苷的相转移催化合成方法，其特征是

（1）糖和脂肪酵的摩尔比为5∶1-1∶1;

（2）催化剂用量为糖用量的0.1%-0.5%（重量）;

（3）相转移催化剂用量为糖用量的0.5%-5%（重量）;

（4）糖与活化溶剂的摩尔比为1∶10-1∶1;

（5）乙醇用量为糖和脂肪醇用量总和的5%-20%。

3、根据权利要求1及2合成烷基葡萄苷的方法，其特征是在带有搅拌器、抽真空系统分水器及加热器的反应器中进行，包括小型实验、中型实验和工业生产三种规模合成

（1）反应温度：70-120℃最佳温度为95-105℃;

（2）真空度：4-200KPa;

（3）搅拌速度：30-150转/分;

（4）合成反应时间：1-2小时。