CN114478446B - 一种以d-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物质催化转化领域，具体涉及一种以D‑乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法。该方法以甲壳素类生物质单体D‑乙酰氨基葡萄糖为原料，低共熔溶剂作为催化剂，N,N‑二甲基乙酰胺为反应溶剂，在一定温度下加热反应，D‑乙酰氨基葡萄糖经开环，闭环，脱去两分子水反应生成含有色原体三粗产品的混合液。将粗产品混合液过滤去除不溶杂质，然后萃取、减压蒸馏，得到产品色原体三。该方法克服了现有制备色原体三反应中存在的反应过程繁琐、反应条件严苛、反应选择性差、产率低等问题。本发明具有工艺简单、成本低、过程无污染、所得产品纯度高等优点。

Description

一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法
技术领域
本发明属于生物质催化转化领域，具体涉及一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法。
背景技术
含氮化合物是常见的精细化学品和平台化合物，在食品、药品、二氧化碳捕获等领域应用广泛，行业需求量巨大。然而，传统的含氮化合物工业化生产途径主要是还原胺化反应，在此反应中烯烃、醛、酮等含碳原料来自不可再生资源，产品中的氮原子则来自于合成氨工业提供的NH3，整个流程及其上游过程的能量消耗巨大，以此途径制备含氮化合物不符合绿色化学和原子经济性的要求。因此，寻找经济绿色的含氮化合物制备途径十分必要。
而以甲壳素生物质资源为原料制备含氮化合物实现了氮源来自自然，原料可再生同时达到经济绿色的目标。以甲壳素单体D-乙酰氨基葡萄糖为原料制备乙酰丙酸、3-乙酰氨基-乙酰基呋喃、吡咯等含氮精细化学品已经取得一定的进展。然而以D-乙酰氨基葡萄糖为原料制备3-乙酰氨基-5-(1',2'-二羟乙基)呋喃(色原体三)的研究还有待于进一步深入。呋喃类含氮化合物色原体三，分子结构中含有酰胺基、酮基、碳-碳双键等高活性基团，具有较强的生物活性同时可转化为多种高附加值含氮小分子化合物。但是由于色原体三的合成过程通常需要多步途径还无法从化学试剂公司直接购得。因此，如果能够实现D-乙酰氨基葡萄糖衍生物色原体三的简单合成，这将具有极大的市场潜力和应用前景。此前，Osada等人以D-乙酰氨基葡萄糖为原料，在水中合成了色原体一和色原体三，但是在反应过程中存在选择性差、产率较低，同时反应条件较为高温高压，不够绿色环保等问题。
发明内容
针对现有制备色原体三反应中存在的反应选择性差、反应条件严苛，产率较低等问题，本发明提供了一种利用低共熔溶剂催化D-乙酰氨基葡萄糖制备原体三的方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将D-乙酰氨基葡萄糖、低共熔溶剂、助催化剂和反应溶剂在室温下搅拌使其混合均匀，得到混合溶液；
(2)将混合溶液油浴加热并搅拌，生成含有色原体三粗产品的混合液；
(3)将色原体三粗产品混合液抽滤、萃取，最后减压蒸馏除去溶剂，得到产品色原体三。
进一步，所述步骤(1)中D-乙酰氨基葡萄糖来自天然含氮生物质甲壳素，在自然界中储量丰富，较为易得，以其为原料在反应过程中固定了氮原子，符合绿色化学和原子经济性的目标。同时以D-乙酰氨基葡萄糖为原料反应更为快速，且转化率较高。D-乙酰氨基葡萄糖、低共熔溶剂、助催化剂和反应溶剂的质量比为1：0.5：0.2：5，在此质量范围内反应较为充分，产率较高。
进一步，所述步骤(1)中低共熔溶剂以氯化胆碱为氢键受体，以乙二醇、丙三醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,2-丙二醇中的任意一种为氢键供体。
进一步，所述低共熔溶剂的制备方法为：将氢键受体和氢键供体于60℃下搅拌加热成无色透明液体，然后在50℃下干燥备用。低共熔溶剂的制备方法简单，组分价廉易得，绿色低毒，适合大规模使用。
进一步，所述氢键受体和氢键供体的摩尔比为1:0.25～1，在此配比范围内催化效果较好，目标产物产率较高。
进一步，所述步骤(1)中助催化剂为氯化钙，氯化锡，氯化钡，氯化钾，氯化钠，氯化镁中的任意一种，助催化剂的引入能够明显增加反应产率。
进一步，所述步骤(1)中反应溶剂为水、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、γ-戊内酯、γ-丁内酯任意一种或两种的混合。
进一步，所述步骤(2)中加热的温度为100℃～140℃，时间为0.5h～2h。在该加热反应温度和时间范围内，反应耗能较小，D-乙酰氨基葡糖糖能完全反应，色原体三的产率较高，且反应压力为常压，相较于文献报道的高压下反应，反应更加节能安全。
进一步，所述步骤(3)中过滤步骤除去杂质利于后续的处理，萃取的萃取剂为乙酸乙酯，以乙酸乙酯萃取的速度快，分离效果好，所述减压蒸馏的温度为60℃。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
(1)D-乙酰氨基葡萄糖作为甲壳素类生物质的单体来源广泛，储量丰富，较为易得，将其转化为高附加值含氮化合物过程中实现了氮原子的固定。本发明利用低共熔溶剂催化制备色原体三，其生产工艺具有潜在的应用价值，同时也有利于节约资源，保护环境，符合绿色化学的要求。
(2)本发明的目标产物色原体三是具有高附加值的含氮杂环化合物，作为重要的含氮呋喃中间体，分子结构中含有酰胺基、酮基、碳-碳双键等高活性基团，具有较强的生物活性同时可转化为多种高附加值含氮小分子化合物，所以具有广阔的应用前景。此外，色原体三因其制备繁琐尚不能从试剂公司直接购得，探明其制备方法有深刻的现实意义和价值。
(3)本发明使用的催化剂是低共熔溶剂，以氢键供体和氢键受体通过分子间氢键作用形成，制备过程简单，耗能小。其组分来自实验室常见试剂，成本低廉、毒性较小，还可通过其组分调控实现催化效果的优化，使得反应产率明显提高。
(4)本发明操作简单，相较于在高温水中25MPa压力下反应，反应容易控制，在较为温和的反应条件下即可制得色原体三，且生成的目标产物选择性好，产率高。
(5)本发明以氯化胆碱为氢键受体，以醇类物质为氢键供体制备低共熔溶剂，其组分中的氯离子和醇羟基可以协同催化此反应进行，催化D-乙酰氨基葡萄糖经开环形成直链异构体、闭环形成含氧五元环，然后选择性脱去两分子水形成色原体三。
具体实施方式
实施例1
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将氯化胆碱和乙二醇(摩尔比1:0.25)混合，在60℃下搅拌0.5h形成无色透明的低共熔溶剂。
(2)称取10g D-乙酰氨基葡萄糖、5g低共熔溶剂、2g氯化锡与50g的N-甲基吡咯烷酮在反应容器中均匀混合。
(3)将反应容器置于油浴锅中加热搅拌，设置反应温度为100℃，反应时间为0.5h。反应结束后，将反应液于冷水中迅速冷却猝灭反应。
(4)将反应液过滤除去不溶性杂质，以乙酸乙酯萃取，然后于旋转蒸发仪中减压蒸馏除去溶剂。取出一定量的反应液以吡嗪为内标，定量核磁技术进行分析，得到色原体三的产率为29％。
实施例2
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将氯化胆碱和丙三醇(摩尔比1:1)混合，在60℃下搅拌0.5h形成无色透明的低共熔溶剂。
(2)称取10g D-乙酰氨基葡萄糖、5g低共熔溶剂、2g氯化钙与50g的N,N-二甲基乙酰胺在反应容器中均匀混合。
(3)将反应容器置于油浴锅中加热搅拌，设置反应温度为140℃，反应时间为2h。反应结束后，将反应液于冷水中迅速冷却猝灭反应。
(4)将反应液过滤除去不溶性杂质，以乙酸乙酯萃取，然后于旋转蒸发仪中减压蒸馏除去溶剂。取出一定量的反应液以吡嗪为内标，定量核磁技术进行分析，得到色原体三的产率为49％。
实施例3
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将氯化胆碱和丙三醇(摩尔比1:1)混合，在60℃下搅拌0.5h形成无色透明的低共熔溶剂。
(2)称取10g D-乙酰氨基葡萄糖、5g低共熔溶剂、2g氯化钠与50g的N,N-二甲基乙酰胺在反应容器中均匀混合。
(3)将反应容器置于油浴锅中加热搅拌，设置反应温度为140℃，反应时间为2h。反应结束后，将反应液于冷水中迅速冷却猝灭反应。
(4)将反应液过滤除去不溶性杂质，以乙酸乙酯萃取，然后于旋转蒸发仪中减压蒸馏除去溶剂。取出一定量的反应液以吡嗪为内标，定量核磁技术进行分析，得到色原体三的产率为47％。
实施例4
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将氯化胆碱和1,3-丙二醇(摩尔比1:0.5)混合，在60℃下搅拌0.5h形成无色透明的低共熔溶剂。
(2)称取10g D-乙酰氨基葡萄糖、5g低共熔溶剂、2g氯化钾与50g的γ-戊内酯在反应容器中均匀混合。
(3)将反应容器置于油浴锅中加热搅拌，设置反应温度为120℃，反应时间为2h。反应结束后，将反应液于冷水中迅速冷却猝灭反应。
(4)将反应液过滤除去不溶性杂质，以乙酸乙酯萃取，然后于旋转蒸发仪中减压蒸馏除去溶剂。取出一定量的反应液以吡嗪为内标，定量核磁技术进行分析，得到色原体三的产率为39％。
实施例5
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将氯化胆碱和1,4-丁二醇(摩尔比1:1)混合，在60℃下搅拌0.5h形成无色透明的低共熔溶剂。
(2)称取10g D-乙酰氨基葡萄糖、5g低共熔溶剂、2g氯化钡与50g的水在反应容器中均匀混合。
(3)将反应容器置于油浴锅中加热搅拌，设置反应温度为120℃，反应时间为2h。反应结束后，将反应液于冷水中迅速冷却猝灭反应。
(4)将反应液过滤除去不溶性杂质，以乙酸乙酯萃取，然后于旋转蒸发仪中减压蒸馏除去溶剂。取出一定量的反应液以吡嗪为内标，定量核磁技术进行分析，得到色原体三的产率为31％。
实施例6
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将氯化胆碱和1,3-丁二醇(摩尔比1:1)混合，在60℃下搅拌0.5h形成无色透明的低共熔溶剂。
(2)称取10g D-乙酰氨基葡萄糖、5g低共熔溶剂、2g氯化钠与50g的γ-丁内酯在反应容器中均匀混合。
(3)将反应容器置于油浴锅中加热搅拌，设置反应温度为130℃，反应时间为1h。反应结束后，将反应液于冷水中迅速冷却猝灭反应。
(4)将反应液过滤除去不溶性杂质，以乙酸乙酯萃取，然后于旋转蒸发仪中减压蒸馏除去溶剂。取出一定量的反应液以吡嗪为内标，定量核磁技术进行分析，得到色原体三的产率为42％。
实施例7
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将氯化胆碱和1,2-丙二醇(摩尔比1:0.5)混合，在60℃下搅拌0.5h形成无色透明的低共熔溶剂。
(2)称取10g D-乙酰氨基葡萄糖、5g低共熔溶剂、2g氯化镁与50g的γ-丁内酯在反应容器中均匀混合。
(3)将反应容器置于油浴锅中加热搅拌，设置反应温度为130℃，反应时间为1h。反应结束后，将反应液于冷水中迅速冷却猝灭反应。
(4)将反应液过滤除去不溶性杂质，以乙酸乙酯萃取，然后于旋转蒸发仪中减压蒸馏除去溶剂。取出一定量的反应液以吡嗪为内标，定量核磁技术进行分析，得到色原体三的产率为34％。
实施例8
一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，包括以下步骤：
(1)将氯化胆碱和1,2-丙二醇(摩尔比1:0.5)混合，在60℃下搅拌0.5h形成无色透明的低共熔溶剂。
(2)称取10g D-乙酰氨基葡萄糖、5g低共熔溶剂、2g氯化钠与50g的水在反应容器中均匀混合。
(3)将反应容器置于油浴锅中加热搅拌，设置反应温度为130℃，反应时间为1.5h。反应结束后，将反应液于冷水中迅速冷却猝灭反应。
(4)将反应液过滤除去不溶性杂质，以乙酸乙酯萃取，然后于旋转蒸发仪中减压蒸馏除去溶剂。取出一定量的反应液以吡嗪为内标，定量核磁技术进行分析，得到色原体三的产率为38％。

Claims (7)

1.一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将D-乙酰氨基葡萄糖、低共熔溶剂、助催化剂和反应溶剂在室温下搅拌使其混合均匀，得到混合溶液，低共熔溶剂以氯化胆碱为氢键受体，以乙二醇、丙三醇、1,4-丁二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,2-丙二醇中的任意一种为氢键供体，助催化剂为氯化钙，氯化锡，氯化钡，氯化钾，氯化钠，氯化镁中的任意一种；
（2）将混合溶液油浴加热并搅拌，生成含有色原体三粗产品的混合液；
（3）将色原体三粗产品的混合液抽滤、萃取，最后减压蒸馏除去溶剂，得到产品色原体三。
2.根据权利要求1所述的一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，其特征在于，所述步骤（1）中D-乙酰氨基葡萄糖、低共熔溶剂、助催化剂和反应溶剂的质量比为1：0.5：0.2：5。
3.根据权利要求1所述的一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，其特征在于，所述低共熔溶剂的制备方法为：将氢键受体和氢键供体于60℃下搅拌加热成无色透明液体，然后在50℃下干燥备用。
4.根据权利要求3所述的一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，其特征在于，所述氢键受体和氢键供体的摩尔比为1:0.25~1。
5.根据权利要求1所述的一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，其特征在于，所述步骤（1）中反应溶剂为水、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、γ-戊内酯、γ-丁内酯任意一种或两种的混合。
6.根据权利要求1所述的一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，其特征在于，所述步骤（2）中加热的温度为100℃~140℃，时间为0.5h~2h。
7.根据权利要求1所述的一种以D-乙酰氨基葡萄糖转化制色原体三的方法，其特征在于，所述步骤（3）中萃取的萃取剂为乙酸乙酯，所述减压蒸馏的温度为60℃。
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