CN112175022A - 一种采用微通道反应器制备三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用微通道反应器制备三氯蔗糖‑6‑乙酸酯的方法，包括如下步骤：原料蔗糖‑6‑乙酸酯的DMF溶液和光气一起通入第一微通道反应器中，控制反应器温度，混合并反应；得到的混合物通入第二微通道反应器中，控制反应器温度，发生短时间高温氯化反应；反应液通入第三微通道反应器，同时通入碱性物质进行中和；再经后续萃取、结晶操作即可得到产物三氯蔗糖‑6‑乙酸酯，产品收率88‑95％。与现有工艺相比，本发明大大缩短了反应时间，提高了反应效率，同时具有工艺简单、产品收率高、安全性高、能连续生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用微通道反应器制备三氯蔗糖-6-乙酯的方法，属于化工技术领域。
技术背景
三氯蔗糖又名蔗糖素，化学名为4,1’,6’-三氯-4,1’,6’-三脱氧半乳蔗糖，甜度约为蔗糖的600-650倍，是唯一以蔗糖为原料的功能性甜味剂。三氯蔗糖甜味纯正清爽，是与蔗糖味道最为接近的高倍甜味剂，同时具有耐高温、pH适应性广、稳定性优良、高度安全等特点，是目前最优秀的功能性甜味剂之一。
三氯蔗糖-6-乙酸酯是合成三氯蔗糖的重要中间体，其合成也是决定产品收率、质量、成本等最关键的步骤。目前已工业化的方法主要有光气氯化法和二氯亚砜氯化法两种，国内的生产企业均采用氯化亚砜作为氯化试剂，工艺基本成熟定型，但氯化亚砜法会分解产生二氧化硫废气，反应收率较低，后续还需对溶剂中残留的二氧化硫进行额外处理，对产品品质亦造成影响。采用光气作为氯化试剂，反应收率高、后处理相对简单，但由于光气活性较高，存在反应初期温升较大的问题。
三氯蔗糖-6-乙酸酯现行的生产工艺多为间歇釜式操作，工艺复杂繁琐，过程中的阶段性缓慢升温，往往需要十几个小时的时间完成反应，能耗高而效率低。
针对上述工艺中存在的不足，急需开发一种新型的三氯蔗糖-6-乙酸酯的制备方法，克服现在生产上存在的工艺繁杂、生产能耗高、效率低、产品收率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供制备三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法。采用微通道反应器，蔗糖-6-乙酸酯和光气在短时间内发生高温氯化反应，经后处理生成三氯蔗糖-6-乙酸酯。通过本方法避免了二氧化硫杂质的生成，操作简便，产品品质高；同时大大缩短了反应所需时间，降低了反应能耗，提高了反应效率，具有工艺简单、产品收率高、安全性高、能连续生产等优点，适用于工业化生产。
为了达到上述目的，本发明所采用的方案包括：
一种采用微通道反应器制备三氯蔗糖-6-乙酸酯方法，包括：
(1)配制蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液；
(2)将蔗糖-6-乙酸酯溶液和光气分别通入第一微通道反应器中，控制反应器温度小于40℃，混合并反应，停留时间60-180s；
(3)得到的混合物通入第二微通道反应器中，控制反应器温度120-200℃，发生短时间高温氯化反应，停留时间120-360s；
(4)得到的反应液通入第三微通道反应器中，同时通入碱性物质进行中和，控制反应器温度小于40℃，停留时间90-200s；
(5)第三微通道反应器出料经后处理得到产品。
本发明的反应路线如下：
所述制备方法中，步骤(1)中，蔗糖-6-乙酸酯质量浓度为5-20％，优选7.5-15％。
所述制备方法中，步骤(2)中，蔗糖-6-乙酸酯与光气的摩尔比为1:7-10，优选1:7.5-9。
所述制备方法中，步骤(2)中，反应温度优选0-30℃，停留时间优选90-130s。
所述制备方法中，步骤(3)中，反应温度优选140-180℃，停留时间优选180-300s。研究发现，在该步骤中，通过控制反应温度在120-200℃、优选140-180℃时，可以在几分钟内完成氯化反应，同时有效控制多取代和焦糖化副反应，不需要像现有技术中那样需要经过十几个小时的阶段性升温过程才能得到氯化产品，大大节约了反应时间，提高了反应效率。
作为一种优选的实施方式，步骤(3)中可以使用负载型Ru催化剂，有利于进一步提高反应选择性，减少多取代和焦糖化副产物的生成，反应完成后，将出口料液经常规过滤，可将催化剂循环套用。催化剂的用量相对于蔗糖-6-乙酸酯为4-9wt％，催化剂以悬浮液的形式加入，悬浮液浓度为20-30wt％。
所述负载型Ru催化剂，表示为Ru-X/ZSM-5，Ru为活性组分，X为配体，选自N-羟基邻苯二甲酰亚胺、4-氨基邻苯二甲酰亚胺、3,4-吡啶二酰亚胺、N-羟基丁二酰亚胺、1-氨基苯并三唑的一种或多种，载体为ZSM-5分子筛。
所述催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(a)向载体ZSM-5的分散水溶液中加入Ru化合物、配体，于80-120℃下充分搅拌，得到浆液；
(b)将所述浆液过滤、洗涤、干燥后，于氮气氛围中充分煅烧，即得到粉末状负载型Ru催化剂。
所述催化剂的制备方法中，步骤(a)中，水的用量并无特别限制，可以将所加入的含Ru化合物及配体完全溶解即可。
所述催化剂的制备方法中，步骤(a)中，所述的含Ru化合物选自RuCl3、Ru(COD)Cl2、Ru(acac)3、Ru(NBD)Cl2中的一种或多种。
所述催化剂的制备方法中，步骤(a)中，Ru化合物与配体的质量比为1:3-5，Ru化合物与载体ZSM-5的质量比为1:10-20。
所述催化剂的制备方法中，步骤(b)中，所述干燥的温度为90-110℃，干燥的时间为4-8h；煅烧的温度为300-500℃，煅烧的时间为6-14h。
所述制备方法中，步骤(4)中，所述碱性物质选自氨气、氨水、碳酸钠溶液、碳酸铵溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的一种或多种，优选氨气、氨水、15-30％的氢氧化钠溶液。蔗糖-6-乙酸酯与碱性物质的摩尔比为1:11-12.5，优选1:11.5-12.2。
所述制备方法步骤(4)中，反应温度优选0-30℃，停留时间优选120-180s。
所述制备方法中，所述第一、第二、第三微通道反应器的微通道结构可以为常规的增强混合型的心形结构、球形结构、球形带挡板结构、T型结构或水滴状结构等。
所述制备方法中，步骤(5)中，产品后处理可采用已知的常规方法，例如采用乙酸乙酯萃取，然后结晶、干燥。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用增强混合型的微通道反应器，避免了光气反应过程中物料及热量的累积，安全效益高；并通过控制反应温度在一特定的范围内，使得反应中间体可在几分钟内发生高温氯化反应，相比传统工艺中十几个小时的反应时间，反应效率显著增加、能耗大幅下降；反应时间缩短的同时也降低了氯代过程中的多取代和焦糖化副反应，使产品收率明显提升，可以达到88％以上。
2.在优选的实施方式中，使用本发明的负载型Ru催化剂，添加的配体在氮气氛围下煅烧得到C-N化物，能够有效阻止活性成分Ru颗粒的聚集，使其在载体ZSM-5的孔道中均匀分散，具有更高的催化活性；同时该C-N化物与Ru的协同作用，能够高效催化高温氯化反应的进行。
具体实施方式
本发明结合下面实施例作进一步的详细说明，但本发明的范围并不局限于这些实施例。
产品的液相色谱分析条件：Waters液相色谱仪，Waters XBridge amide色谱柱，检测器为ELSD检测器，流动相乙腈/水为80/20，色谱柱温度为35℃。
以下实施例中仪器、试剂的来源如下表1：
表1
如无特别说明，以下实施例中使用的无机盐、碱性物质均为市售。
实施例1
配制蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液，浓度7.5wt％，以28g/min的流速通入T型结构的第一微通道反应器中，同时光气以4.05g/min的流速一起通入该反应器中，控制第一微通道反应器温度为30℃，反应130s；得到的混合物通入T型结构的第二微通道反应器中，控制反应器温度160℃，反应270s；得到的混合物通入T型结构的第三微通道反应器中，同时以9.18g/min的流速通入25％氨水，控制第三微通道反应器温度为10℃，反应120s。收集出口产物，经萃取、结晶、干燥操作后，得到白色固体产物三氯蔗糖-6-乙酸酯，收率91.3％。
实施例2
将423.64g ZSM-5分散于800g蒸馏水中，常温下加入30.26g RuCl3、111.96g N-羟基邻苯二甲酰亚胺，升温至100℃搅拌90min，得到浆液。将浆液进行过滤、用去离子水洗涤后得到滤饼，并将滤饼在105℃干燥6h，然后于380℃氮气氛围中煅烧12h，得到催化剂1。
配制蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液，浓度9.0wt％，以20g/min的流速通入球形带挡板结构的第一微通道反应器中，同时光气以4.17g/min的流速一起通入该反应器中，控制第一微通道反应器温度为25℃，反应110s；得到的混合物通入T型结构的第二微通道反应器中，同时以0.47g/min的流速通入23％的催化剂1的DMF悬浮液，控制反应器温度180℃，反应240s；得到的混合物过滤出催化剂后通入心形结构的第三微通道反应器中，同时以14.61g/min的流速通入15％NaOH溶液，控制第三微通道反应器温度为20℃，反应150s。收集出口产物，经萃取、结晶、干燥操作后，得到白色固体产物三氯蔗糖-6-乙酸酯，收率94.7％。
实施例3
配制蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液，浓度10wt％，以16g/min的流速通入心形结构的第一微通道反应器中，同时光气以3.54g/min的流速一起通入该反应器中，控制第一微通道反应器温度为15℃，反应100s；得到的混合物通入球形结构的第二微通道反应器中，控制反应器温度170℃，反应180s；得到的混合物通入心形结构的第三微通道反应器中，同时以6.38g/min的流速通入30％NaOH溶液，控制第三微通道反应器温度为15℃，反应120s。收集出口产物，经萃取、结晶、干燥操作后，得到白色固体产物三氯蔗糖-6-乙酸酯，收率88.2％。
实施例4
将249.37g ZSM-5分散于500g蒸馏水中，常温下加入14.25g Ru(COD)Cl2、22.23gN-羟基邻苯二甲酰亚胺、33.35g 1-氨基苯并三唑，升温至110℃搅拌70min，得到浆液。将浆液进行过滤、用去离子水洗涤后得到滤饼，并将滤饼在95℃干燥7h，然后于450℃氮气氛围中煅烧8h，得到催化剂2。
配制蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液，浓度13wt％，以12g/min的流速通入水滴状结构的第一微通道反应器中，同时光气以3.29g/min的流速一起通入该反应器中，控制第一微通道反应器温度为0℃，反应120s；得到的混合物通入球形结构的第二微通道反应器中，同时以0.52g/min的流速通入27％的催化剂2的DMF悬浮液，控制反应器温度140℃，反应300s；得到的混合物过滤出催化剂后通入水滴状结构的第三微通道反应器中，同时以6.93g/min的流速通入25％氨水，控制第三微通道反应器温度为5℃，反应180s。收集出口产物，经萃取、结晶、干燥操作后，得到白色固体产物三氯蔗糖-6-乙酸酯，收率93.9％。
实施例5
配制蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液，浓度15wt％，以8g/min的流速通入T型结构的第一微通道反应器中，同时光气以2.4g/min的流速一起通入该反应器中，控制第一微通道反应器温度为10℃，反应90s；得到的混合物通入球形结构的第二微通道反应器中，控制反应器温度150℃，反应210s；得到的混合物通入球形带挡板结构的第三微通道反应器中，同时以0.63g/min的流速通入氨气，控制第三微通道反应器温度为0℃，反应150s。收集出口产物，经萃取、结晶、干燥操作后，得到白色固体产物三氯蔗糖-6-乙酸酯，收率89.5％。
对比例1
配制蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液，浓度7.5wt％，以28g/min的流速通入T型结构的第一微通道反应器中，同时光气以4.05g/min的流速一起通入该反应器中，控制第一微通道反应器温度为30℃，反应130s；得到的混合物通入T型结构的第二微通道反应器中，控制反应器温度110℃，反应270s；得到的混合物通入T型结构的第三微通道反应器中，同时以9.18g/min的流速通入25％氨水，控制第三微通道反应器温度为10℃，反应120s。收集出口产物，经萃取、结晶、干燥操作后，得到白色固体产物三氯蔗糖-6-乙酸酯，收率82.3％。
对比例2
配制蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液，浓度7.5wt％，以28g/min的流速通入T型结构的第一微通道反应器中，同时光气以4.05g/min的流速一起通入该反应器中，控制第一微通道反应器温度为30℃，反应130s；得到的混合物通入T型结构的第二微通道反应器中，控制反应器温度210℃，反应270s；得到的混合物通入T型结构的第三微通道反应器中，同时以9.18g/min的流速通入25％氨水，控制第三微通道反应器温度为10℃，反应120s。收集出口产物，经萃取、结晶、干燥操作后，得到白色固体产物三氯蔗糖-6-乙酸酯，收率79.7％。
Claims (10)
1.一种用微通道反应器制备三氯蔗糖-6-乙酸酯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液和光气分别通入第一微通道反应器中，控制反应器温度小于40℃，优选为0-30℃停留时间60-180s，优选90-130s；
(2)将得到的混合物通入第二微通道反应器中，控制反应器温度120-200℃，优选140-180℃，停留时间120-360s，优选180-300s；
(3)将得到的反应液通入第三微通道反应器中，同时通入碱性物质进行中和，控制反应器温度小于40℃，优选为0-30℃，停留时间90-200s，优选120-180s；
(4)第三微通道反应器出料经后处理得到产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，蔗糖-6-乙酸酯的DMF溶液中，蔗糖-6-乙酸酯质量浓度为5-20％，优选7.5-15％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，蔗糖-6-乙酸酯与光气的摩尔比为1:7-10，优选1:7.5-9。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，还使用负载型Ru催化剂，表示为Ru-X/ZSM-5，Ru为活性组分，X为配体，选自N-羟基邻苯二甲酰亚胺、4-氨基邻苯二甲酰亚胺、3,4-吡啶二酰亚胺、N-羟基丁二酰亚胺、1-氨基苯并三唑的一种或多种，载体为ZSM-5分子筛。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，催化剂以悬浮液的形式加入，悬浮液浓度为20-30wt％，催化剂的用量相对于蔗糖-6-乙酸酯为4-9wt％。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，催化剂的制备方法包括：
(a)向载体ZSM-5的分散水溶液中加入Ru化合物、配体，于80-120℃下充分搅拌，得到浆液；
(b)将所述浆液过滤、洗涤、干燥后，于氮气氛围中充分煅烧，即得到粉末状负载型Ru催化剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述的含Ru化合物选自RuCl3、Ru(COD)Cl2、Ru(acac)3、Ru(NBD)Cl2中的一种或多种；
所述催化剂的制备方法中，步骤(a)中，Ru化合物与配体的质量比为1:3-5，Ru化合物与载体ZSM-5的质量比为1:10-20。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤(b)中，所述干燥的温度为90-110℃，干燥的时间为4-8h；煅烧的温度为300-500℃，煅烧的时间为6-14h。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述碱性物质选自氨气、氨水、碳酸钠溶液、碳酸铵溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的一种或多种，优选氨气、氨水、15-30％氢氧化钠溶液；蔗糖-6-乙酸酯与碱性物质的摩尔比为1:11-12.5，优选1:11.5-12.2。
10.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一、第二、第三微通道反应器的微通道结构为增强混合型的心形结构、球形结构、球形带挡板结构、T型结构或水滴状结构。
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