CN111304267A - 一种三氯蔗糖-6-乙酯及其中间体的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三氯蔗糖‑6‑乙酯及其中间体的合成方法，属于有机合成技术领域。本发明方法利用蔗糖在特定的固定化酶诱变南极假丝酵母脂肪酶催化下和非水相体系中高选择性地合成得到蔗糖‑6‑酯；所得蔗糖‑6‑乙酯纯化后在氯化锌或氯化铁催化下用进行氯化可得三氯蔗糖‑6‑乙酯。本发明方法催化酯化效率高，反应条件温和高度特异性，固定化酶可多次重复利用；解决了传统工艺中二氧化硫和氯化氢气体的释放，避免了传统工艺中二氧化硫和氯化氢的吸收问题；降低生产成本，工艺流程简单、降低能耗、污染少等优点，非常适合工业化生产。

Description

一种三氯蔗糖-6-乙酯及其中间体的合成方法
技术领域
本发明属于有机合成技术领域，涉及到一种三氯蔗糖-6-乙酯及其中间体的合成方法。
背景技术
三氯蔗糖是一种新型的非营养型甜味剂，其化学名为4,1’,6’-三氯-4,1’,6’-三脱氧半乳糖，为蔗糖分子上的4,1’,6’位的三个羟基被三个氯原子取代而成，其甜度是蔗糖的600倍，具有良好口感、不致龋齿、无热量等优点，是目前最优质的高强度甜味剂，在食品工业中被广泛使用。
三氯蔗糖的目前工业化生产：
1)原乙酸三甲酯法：合成三氯蔗糖主要有三个步：①酯化反应：原乙酸三甲酯与蔗糖反应生成4、6-位的环状化合物，在水的作用下开环得到蔗糖-6-酯和蔗糖-4酯，进一步转位得蔗糖-6-乙酯；②氯化反应：蔗糖-6-乙酯使用氯化剂(如氯化亚砜或三氯氧磷和DMF合成Vilsmeier试剂)，将4,1',6'-位三个羟基氯化，得到氯化产物(4,1',6'-三氯蔗糖-6-乙酯)，释放出大量的氯化氢和二氧化硫，二者需进行尾气吸收，而且二者很难分离；③脱酰基反应：将氯化产物在碱性条件下脱去6-位保护基，得到三氯蔗糖产品。该方法使用大过量的原乙酸三甲酯中和转位试剂，合成成本高，并且在转位时有一定量的蔗糖-4-乙酯不能完全转位和有一定量的蔗糖生产，降低了整体收率。
2)二丁基氧化锡法合成三氯蔗糖主要也有三个步：①酯化反应：蔗糖、二丁基氧化锡反应生产1,3-二-(6-O-蔗糖)-1,2,3,3-四烃基二锡氧烷，再用乙酸酐酰化生成蔗糖-6-乙酯，这步酰化可得蔗糖-6-乙酯；②氯化反应和③脱酰基反应与原乙酸三甲酯法相同；该方法虽然蔗糖-6-乙酯转化率比原乙酸三甲酯高约5％，其缺点是有蔗糖-2-乙酯和蔗糖-2,6-二乙酯生产，而且有机锡化合物有很大的生理毒性，对环境污染性较大，使用受到严重的限制。
发明内容
脂肪酶作为能进行水解、酯化、酯基交换、对映体拆分、氨解反应的生物催化剂，普遍存在于微生物、动植物，是生物化工使用比较多的酶；为了克服现有技术领域存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种利用脂肪酶催化和化学法合成三氯蔗糖-6-乙酯工艺，本发明不仅合成工序简单、转化率高，使用的原料易得，产生的污染少而且生成的三氯蔗糖-6-乙酯产品纯度大，适合工业化生产。
本发明的目的是针对上述三氯蔗糖制备方法的不足，提出了一种在非水相体系中采用酶催化法合成蔗糖-6-乙酯，此方法避免了过去商业化工艺中转位操作步骤和蔗糖-4-乙酯副产物的生产，采用非水相体系中酶催化法达到只生成单一的蔗糖-6-乙酯，高效专一，而且反应温度为25～30℃，条件温和，操作简单；三氯蔗糖-6-乙酯的合成采用卢卡斯试剂(Lucas'reagent)或氯化锌或氯化铁催化用乙酰氯进行氯化三氯蔗糖-6-乙酯，此过程合成成本低廉，条件温和，该方法能耗低、工艺简洁、产品收率高；整个合成过程中自动化程度高，适合工业生产。
本发明的第一个目的是提供一种蔗糖-6-乙酯的制备方法，所述方法是在非水相体系中，利用固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶催化蔗糖与酰基供体试剂发生酯化反应；所述酰基供体试剂为乙酸和乙酸钠的混合物；
所述诱变南极假丝酵母脂肪酶是利用如下方法制备的：
(1)诱变：将南极假丝酵母置于培养基中进行培养，培养结束，离心除去培养基后，用生理盐水振荡分散成为菌悬液；利用紫外灯进行诱变，诱变结束后，继续进行培养；
(2)分离：结束后将培养液进行分离，收集上层清液；加入硫酸铵，静置，离心收集固体沉淀物，干燥即得诱变南极假丝酵母脂肪酶。
在本发明的一种实施方式中，所述诱变南极假丝酵母脂肪酶的制备方法具体包括如下步骤：
(1)诱变南极假丝酵母：将南极假丝酵母(Candida Antarctica)置于蛋白胨，葡萄糖酵母膏，豆粉，磷酸氢二钾和硫酸镁的培养基中。28～30℃下培养60h，培养结束，离心除去培养基后，用生理盐水振荡分散成为菌悬液；打开30W紫外灯预热25分钟，将培养皿放置于距离紫外灯30-31厘米处磁力搅拌器上，依次照射时间分别为15s,30s,45s,60s,75s,90s,105s,120s 135s,照射结束后立即盖好皿盖，送到培养室继续培养48～50小时；后培养结束，挑选出菌落，进一步培养菌落成长；
(2)分离得到诱变南极假丝酵母脂肪酶：
培养液在0～4℃进行离心，除去菌体和培育液中不溶物；收集上层清液(初酶液)，加入硫酸铵达浓度为2％，在0～4℃静置60分钟，在0～4℃进行再次离心分离，重复上述操作一次，最后分离所得固体进行冷冻干燥，得所需诱变南极假丝酵母脂肪酶。
在本发明的一种实施方式中，所述固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶的固化介质为颗粒状或粉末状的硅烷交联体，或硅藻土和硅胶交联体混合物。优选颗粒状的硅烷交联体。
在本发明的一种实施方式中，所述固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶的制备方法包括如下步骤：
(1)硅烷交联液体的制备：将四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、D5环氧硅烷和质子酸分散于水中，混匀，在40～50℃反应完全后，减压蒸出低沸物；所述低沸物是指少量未反应的四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、D5环氧硅烷和制备过程中产生的乙醇、甲醇等化合物；
(2)在室温下将诱变南极假丝酵母脂肪酶加入步骤(1)所得的硅烷交联液中，混匀、干燥。
在本发明的一种实施方式中，蔗糖和酰基供体试剂的摩尔当量比为1:1～1:2。
在本发明的一种实施方式中，固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶的用量为蔗糖质量的0.001～1倍。
在本发明的一种实施方式中，酯化的温度为25～30℃。酯化的时间为20-50h。
在本发明的一种实施方式中，所述非水相体系为含有水的有机溶剂混合液，其中，有机溶剂包括正己烷、正庚烷、石油醚、正丁醇、叔丁醇、叔戊醇、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、三氯乙烷中一种或多种。所述混合液中水的质量分数为0.1～40％。
在本发明的一种实施方式中，蔗糖在非水相体系中的初始浓度为20～85％。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、D5环氧硅烷的摩尔比为6：2：1。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中质子酸的添加量为硅烷总量的0.01～5％。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中诱变南极假丝酵母脂肪酶相对硅烷交联液的添加量为0.1～1％。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶的固化介质为颗粒状或粉末状的硅烷交联体，或硅藻土和硅胶交联体混合物。优选硅烷交联体所形成的无形孔状材料。
在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括：酯化反应结束后，对蔗糖-6-乙酯进行纯化；
本发明第二个目的是提供一种制备三氯蔗糖-6-乙酯的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)利用上述方法合成蔗糖-6-乙酯；
(2)在路易斯酸催化下，蔗糖-6-乙酯与氯化剂合成得到三氯蔗糖-6-乙酯；所述氯化剂为浓盐酸或乙酰氯。
在本发明的一种实施方式中，蔗糖-6-乙酯与氯化试剂当量比为1：1～1:1.5。
在本发明的一种实施方式中，路易斯酸为氯化铁、氯化锌、氯化铝中的任一种或其混合物；优选氯化锌。路易斯酸的用量为蔗糖-6-乙酯质量的0.05～0.1倍。
在本发明的一种实施方式中，氯化剂和路易斯酸催化剂组合为氯化锌和浓盐酸、氯化锌和乙酰氯、氯化铁和乙酰氯。优选氯化锌和浓盐酸。
本发明的有益效果：
本发明通过酶催化成功地解决了蔗糖6-位羟基单一性保护的问题，成功解决了现在工业生产原乙酯三甲酯法中使用过量原乙酸三甲酯以及价格较高的转位剂和二丁基氧化锡合成法中避免使用生理毒性锡试剂；采用卢卡斯或乙酰氯试剂进行氯化，成功解决了传统工艺中采用Vilsmeier氯化过程中大量二氧化硫和氯化氢释放、收集、分离问题。
附图说明
图1为蔗糖-6-乙酯的液相谱图。
图2为蔗糖-6-乙酯的红外线谱图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
诱变南极假丝酵母脂肪酶的制备：
(1)诱变南极假丝酵母：将南极假丝酵母置于蛋白胨，葡萄糖酵母膏，磷酸氢二钾和硫酸镁的培养基中。28～30℃下培养60h，培养结束，离心除去培养基后，用生理盐水振荡分散成为菌悬液；打开30W紫外灯预热25分钟，将培养皿放置于距离紫外灯30-31厘米处磁力搅拌器上，依次照射时间分别为15s,30s,45s,60s,75s,90s,105s,120s 135s,照射结束后立即盖好皿盖，送到培养室继续培养48～50小时；后培养结束，挑选出菌落，进一步培养菌落成长；
(2)分离脂肪酶：
培养液在0～4℃进行离心，除去菌体和培育液中不溶物；收集上层清液(初酶液)，加入硫酸铵达浓度为2％，在0～4℃静置60分钟，在0～4℃进行再次离心分离，重复上述操作一次，最后分离所得固体进行冷冻干燥，得所需酶。
实施例1蔗糖-6-乙酯的合成
(1)固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶的制备：用四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、D5环氧硅烷(摩尔比6/2/1)混合物中加入硅烷总量5％的水和硅烷总量1％催化量的质子酸，在40～50℃搅拌4小时后，真空度-0.080～-0.085MPa，温度为45℃减压蒸出低沸物；蒸馏结束后降温到25～30℃加入总质量为硅烷量1.5％诱变的南极假丝酵母脂肪酶(CandidaAntarctica)培养液，加入上述硅烷交联液体中28～30℃搅拌6小时，最后晾干混合物时同步进行颗粒制备可得固定化脂肪酶；
(2)固定化脂肪酶催化合成蔗糖-6-乙酯：
酯化反应式如下：
Figure BDA0002391610850000051
将100g蔗糖(292.1mmol)和乙酸和乙酸钠混合物(乙酸根为298.0mmol)加入400mL含5％正丁醇(V/V)的正己烷非水体系中(其中水含量2.5％)，反应以固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶15g作为催化剂，在温度25-30℃转速为150-160转/min的条件下反应26小时，蔗糖转化率为80.5％；反应38小时，蔗糖转化率为85.4％；反应50小时，蔗糖转化率为87.0％。过滤除去固定化脂肪酶，将上述所得滤液减压浓缩回收正己烷90％，控制水浴温度为38-40℃；再次进行离心或过滤，并有少量乙酸乙酯来洗涤滤饼，所得蔗糖-6-乙酯粗品溶于乙酸乙酯(200g)/水(20g)(w/w＝10/1)220g进行分相后结晶，干燥后得纯度为98.0％白色粉末状蔗糖-6-乙酯100.2g，收率为85.4％。
蔗糖-6-乙酯氢谱数据1H NMR：1H NMR(DMSO-d6)：δ＝δ＝2.05(s，3H)，3.04-3.10(m，1H)，3.20(d，J＝4.0Hz，2H)，3.22-3.26(m，1H)，3.47-3.53(m，1H)，3.56-3.64(m，1H)，3.72-3.77(m，1H)，3.40(d，J＝4Hz，2H)，3.87-3.91(m，1H)，4.0-4.05(m，1H)，4.13-4.17(m，1H)，4.24-4.27(d，J＝12Hz，1H)，4.46-4.49(m，1H)，4.63(d，J＝8Hz，1H)，4.86(t，J＝8Hz，1H)，4.96(d，J＝4Hz，1H)，5.08(d，J＝8Hz，1H)，5.18-5.23(m，3H)。
蔗糖-6-乙酯液相检测方法和检测结果：
检测条件：C-18柱(250mm X 4.6mm)；柱温：40℃；流动相：乙腈/水＝92/8(V/V)；检测器：示差检测器(RID)；流速：等度流速；进样量：20μL；检测时间：30分钟。具体液相结果如表1所示。
表1蔗糖-6-乙酯液的液相检测结果
峰# 保留时间 面积 高度 面积％ 高度％
1 11.151 3551 333 0.404 0.647
2 12.422 860838 50653 98.040 98.295
3 20.622 13659 545 1.556 1.058
总计 878048 51532 100.000 100.000
实施例2固定化脂肪酶的回收和多次使用：
上述反应结束后，反应液通过离心分离或滤纸过滤，重新收集得到固定化脂肪酶。
将100g蔗糖(292.1mmol)和乙酸和乙酸钠混合物(乙酸根总量为298.0mmol)加入400mL含5％正丁醇(V/V)的正己烷水体系中(其中水含量2.5％)，以15g回收的固定脂肪酶作为催化剂，反应时间为50小时。如此循环使用固定催化酶，循环转化20个周期，相应催化剂催化合成蔗糖-6-乙酯的转化率结果如表2所示。
表2固定化脂肪酶的循环使用后的催化性能
使用次数 蔗糖转化率 循环次数 蔗糖转化率
1 85.4％ 11 83.1％
2 85.2％ 12 83.0％
3 85.0％ 13 82.8％
4 84.8％ 14 82.7％
5 84.6％ 15 78.9％
6 84.3％ 16 76.1％
7 84.1％ 17 75.5％
8 83.9％ 18 74.0％
9 83.7％ 19 73.0％
10 83.4％ 20 72.2％
由表1可知，固定化脂肪酶使用20次后，酶催化活性仍然保持较高，可使得蔗糖转化率达72％以上。
实施例3催化剂的优化
参照实施例1，将固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶分别替换为商业化固定脂肪酶，其他条件不变，用于制备蔗糖-6-乙酯。
脂肪酶-1：LipozymeTL IM(可购于诺维信(中国)生物技术有限公司)；
脂肪酶-2：Novozyme 435(可购于诺维信(中国)生物技术有限公司)；
脂肪酶-3：LipozymeTL 100L(可购于诺维信(中国)生物技术有限公司)；
相应的催化反应结果如表3所示。
表3不同脂肪酶催化剂催化酯化的结果
催化剂 产率
脂肪酶-1 33.4％
脂肪酶-2 30.2％
脂肪酶-3 26.8％
实施例1 85.4％
实施例4酰基化供体试剂的优化
参照实施例1，将乙酸/乙酸钠替换为乙酸乙烯酯，其他条件不变，用于制备蔗糖-6-乙酯。相应的催化反应结果：6-位酯化产物只有20.0％。
同时将酶替换为其他商用固定化脂肪酶，结果见表4。
表4不同脂肪酶催化剂催化酯化的结果
催化剂 产率
脂肪酶-1 71.4％
脂肪酶-2 28.2％
脂肪酶-3 20.8％
实施例5三氯蔗糖-6-乙酯的制备
Figure BDA0002391610850000071
在50℃下蔗糖-6-乙酯(100g)加入正己烷(400mL)中，加入催化量的无水氯化锌(1g)，在50-60℃,滴加乙酰氯(61.3g)反应30-40分钟，滴加结束后继续反应3.0-3.5小时，反应转化结束后降温到20-25℃，加入当量的氢氧化钠(31.3g)，调节pH值为6.5-7.5，分相后有机相浓缩得到三氯蔗糖-6-乙酯,三氯蔗糖-6-乙酯粗品溶于乙酸乙酯(200g)/水(35g)235g，分相后进行结晶干燥后得纯度为99.5％白色粉末状三氯蔗糖-6-乙酯112g，收率为98％。
三氯蔗糖-6-乙酯核磁数据1H NMR(CD3OD)：δ＝2.01(s,3H),3.70-3.74(m,2H),3.75-3.84(m,2H),3.86-3.91(m,2H),3,98-4.06(m,1H),4.08(dd,J＝3.6Hz and J＝10.2Hz,1H),4.10-4.18(m,1H),4.24(dd,J＝3.8Hz and 6.6Hz 1H),4.30(d,J＝8.4Hz,1H),4.34-4.40(m,1H),4.51-4.60(m,1H),5.38(d,J＝4.0Hz,1H).
实施例6三氯蔗糖-6-乙酯的制备
在40℃下催化量的氯化锌(2.5g)和36％浓盐酸(80g)加入中蔗糖-6-乙酯(100g)，在55-60℃反应3.0-3.5小时，反应转化结束后降温到20-25℃，加入乙酸乙酯(300g)和氢氧化钠水溶液调节pH值到6.5-7.5，分相后有机相浓缩回收部分乙酸乙酯后进行结晶得纯度为99.6％三氯蔗糖-6-乙酯110克，收率为96.5％。

Claims (10)

1.一种蔗糖-6-乙酯的制备方法，其特征在于，所述方法是在非水相体系中，利用固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶催化蔗糖与酰基供体试剂发生酯化反应；所述酰基供体试剂为乙酸和乙酸钠的混合物；
所述诱变南极假丝酵母脂肪酶是利用如下方法制备的：
(1)诱变：将南极假丝酵母置于培养基中进行培养，培养结束，离心除去培养基后，用生理盐水振荡分散成为菌悬液；利用紫外灯进行诱变，诱变结束后，继续进行培养；
(2)分离：培养结束后将培养液进行分离，收集上层清液；加入硫酸铵，静置，离心收集固体沉淀物，干燥即得诱变南极假丝酵母脂肪酶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶的固化介质为颗粒状或粉末状的硅烷交联体，或者为硅藻土和硅胶交联体混合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，蔗糖和酰基供体试剂的摩尔当量比为1:1～1:2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固定化诱变南极假丝酵母脂肪酶的用量为蔗糖质量的0.001～1倍。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，酯化的温度为25～30℃；酯化的时间为20-50h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非水相体系为含有水的有机溶剂混合液；其中，水相对非水相体系的质量分数为0.1～40％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，蔗糖在非水相体系中的初始浓度为20～85％。
8.一种制备三氯蔗糖-6-乙酯的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)利用权利要求1-7所述方法合成蔗糖-6-乙酯；
(2)然后在路易斯酸催化下，利用所得的蔗糖-6-乙酯与氯化剂合成得到三氯蔗糖-6-乙酯。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，蔗糖-6-乙酯与氯化试剂的摩尔当量比为1：1～1:1.5。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，路易斯酸相对蔗糖-6-乙酯的质量分数为5％-10％。
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