CN114957075B - 一种β-胡萝卜素的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种β‑胡萝卜素的制备方法,以维生素A醇为原料,经过氧化剂氧化得中间体维生素A醛,然后在二价钛盐作用下发生偶联反应生成β‑胡萝卜素;本申请采用锰系氧化剂,可以解决目前技术中产物杂质含量偏高,全反式异构体偏低的问题,为高效合成全反式β‑胡萝卜素提供了一种可靠实用的方法。
Description
技术领域
本发明属于精细化工领域,具体涉及一种β-胡萝卜素的制备方法。
背景技术
β-胡萝卜素,作为一种非维生素A源类胡萝卜素,在饲料添加剂、食品着色剂、营养助剂等领域广泛应用,具有解毒和抗氧化作用,是维持人体健康必不可少的营养素。化学合成可以快速得到类胡萝卜素产品,产量较大,能够较好满足市场需求。
德国BASF公司采用C15+C10路线合成β-胡萝卜素,具体如下所示:
通过Wittig反应合成β-胡萝卜素,虽然在制备工艺上操作简单,但体系中含有的多烯烃杂质及三苯基氧膦副产物使得精制困难,且含有的顺式异构体在异构转化时也存在一定的挑战。产生的副产三苯基氧磷,与产物混合在一块,要回收需要使用光气法且回收成本高,在国内生产受到制约。
Julia法是以砜化合物形成双键,制备类胡萝卜素的高效方法,可得到较多反式异构体,且反应过程简单且产物易于提纯(Angew.Chem.Int.Ed.2001,40,3627;J.Org.Chem.1999,64,8051)。但Julia法中,使用到如双氧水等的强氧化剂,这对于β-胡萝卜素这样的多烯烃化合物来说,存在氧化变质的问题。
Bernhard Schulz(USP 4105855)发展了一种两分子有机膦盐缩合偶联制备胡萝卜素的方法,然而该反应存在以下不足:使用到了双氧水这一强氧化剂,容易破坏生成的β-胡萝卜素,同时双氧水价格较高,生产成本增高,在安全性上,高浓度的双氧水反应时容易分解,存在爆炸后果,生产安全系数很低。
如何开发一种反应条件温和、操作简单且合成高效的β-胡萝卜素的制备方法具有较大意义。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种β-胡萝卜素的制备方法,该方法可有效防止β-胡萝卜素氧化变质,提高产品全反式占比,全反式含量可≥96%。
为达到以上发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种β-胡萝卜素的制备方法,以维生素A醇为原料,经过氧化剂氧化得中间体维生素A醛,然后在二价钛盐作用下发生偶联反应生成β-胡萝卜素。
本发明中,所述氧化剂为MnO2-KI/NaI-TiO2,以TiO2为载体,MnO2为氧化成分,碘化物为活性成分。
本发明中,所述的氧化剂的制备方法包括以下步骤:
(a)将MnO2、碘化物及络合剂加入到80-90%的乙醇水溶液中,混合均匀;
(b)将钛酸酯缓慢滴加到步骤(1)中所得混合物中,室温下剧烈搅拌6-10h后,将反应液陈化,得到二氧化钛凝胶;
(c)将步骤(3)所得的凝胶经干燥、焙烧得到氧化剂。
本发明中,所述步骤(b)中,陈化时间为2-5天。
本发明中,所述步骤(c)中干燥可在80-100℃,真空度0.01-0.05MPa干燥10-20h,研磨成粉末,在200-300℃下焙烧4.0-10.0h,再次研磨得到氧化剂。
本发明中,所述碘化物为碘化钠或碘化钾,其用量为MnO2质量的0.1-1倍。
本发明中,碘化物作为活性组分可以实现β-胡萝卜素顺式异构体向反式异构体的转化,在反应溶液中,MnO2-KI/NaI-TiO2体系的碘离子被弱氧化条件下,可以原位生成较长寿命的自由基,有助于碘消除反应的进行,实现13-顺式及15-顺式向全反式异构体的有效转化。因为没有使用碘单质,避免了升华和凝华等问题的出现,使操作更加简单。
本发明中,所述络合剂为聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮,其用量为MnO2质量的1.0-5.0倍;
本发明中,所述的钛酸酯为钛酸四丙酯、钛酸四丁酯、钛酸四辛酯或钛酸四异丙酯,其用量为MnO2质量的10-50倍;
本发明中,所述研磨为球研磨,研磨时间为2-5h,研磨所得钛基氧化剂的粒径为10-500un,优选50-100um。
所述维生素A醇结构如式I所示:
本发明中,氧化反应使用的溶剂为水、脂肪烃(己烷、庚烷、石油醚、戊烷)、芳香烃(甲苯、二甲苯)、氯代烃(二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷)中的一种或多种。
本发明中,氧化剂与维生素A醇的质量比为1-20:1,优选2-5:1。
本发明中,氧化反应的反应温度为0-100℃,优选20-50℃;反应时间为5-10h;
本发明中,维生素A醛在二价钛盐的作用下进行偶联反应制备β-胡萝卜素。
二价钛盐是由高价钛盐在四氢呋喃中用锌粉还原制得。
所述高价钛盐为高于二价的钛盐,如三价钛盐、四价钛盐,可选自三氯化钛、四氯化钛等。
高价钛盐和锌粉可直接加入到反应体系中。
本发明中,高价钛盐与锌粉的质量比为0.05-0.3:0.01-0.2,其中优选0.05-0.2:0.1-0.15。反应温度为20-80℃,优选30-50℃;反应时间为2-5h;
本发明中,维生素A醇与高价钛盐的质量比为1:0.05-0.3。
优选的,所述偶联反应中加入有锌粉,锌粉的加入不仅可以生成二价钛盐,还可以除去碘自由基,减少对于下一步反应的影响。
偶联反应后经分离纯化得到β-胡萝卜素。分离纯化操作为加入稀盐酸和萃取剂,萃取剂为甲苯、二氯甲烷、庚烷,分出有机层后,经水洗干燥,浓缩后得到β-胡萝卜素产品。
本发明中,二氧化锰中锰处于锰元素的中间价态,氧化性相对不是特别剧烈,二氧化锰作为一种温和的氧化剂,可以将VA醇中的丙烯基醇氧化为丙烯基醛而无过度氧化现象,且对于VA醇中的多烯烃结构无氧化作用,这将保证VA醛在下一步偶联过程中的纯度。
本发明的有益效果在于:
1、工艺方面:反应分离收率(>90%)且全反式占比大(>98%),除杂过程简单。产品品质好,可供食品、医药使用。
2、成本方面:异构催化剂碘盐廉价易得,工艺成本低;反应一锅完成,设备无特殊要求,设备成本降低,人员操作便捷。
3、安全性方面:该工艺相较之前的工艺路线,无强氧化剂的使用,操作风险低且氧化剂后处理简单,对环境污染小。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明所提供的方法予以进一步的说明,但本发明不限于所列出的实施例,还应包括在本发明所要求的权利范围内其它任何公知的改变。
液相色谱表征:安捷伦1260型液相色谱仪,色谱柱Sphersorb C18柱(4.6*250mm),紫外可见分光检测器Hitachi L7420,色谱工作站数据处理系统Chomatopac C-RIA,固定相Zorbax-SIL。色谱条件:流动相为甲醇/乙腈=8/2(v/v)混合溶剂,检测温度40℃,流速1ml/min,波长455nm。对产品组成进行定性定量分析。
以下实施例和对比例所用的主要原料信息如下:
维生素A醇,新和成,98%;
钛酸四丙酯,钛酸四丁酯,MnO2,碘化钠,碘化钾,分析纯,安耐吉;
聚乙二醇,聚乙烯吡咯烷酮,阿拉丁;
乙醇、己烷、庚烷、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷,分析纯,国药;
下面将结合具体实施例对本发明作详细描述。
制备例1
锰系氧化剂I:向2L三口瓶中依次加入10.0g MnO2、5.0g NaI、10.0g聚乙二醇和100mL80%乙醇水溶液,混合均匀后得到溶液A。将100.0g钛酸四丙酯加入到100mL无水乙醇中,混合均匀后缓慢滴入到混合溶液A中,剧烈搅拌6.0h,得到的混合溶液B室温下陈化2天,得到二氧化钛凝胶;经80℃、0.05MPa真空干燥12.0h后,研磨得到粉末,随后在200℃条件下焙烧4.0h,再次研磨得到锰系氧化剂I。经过XRD扫描后得出锰系氧化剂I平均粒径为90.6um。
锰系氧化剂II:向2L三口瓶中依次加入20.0g MnO2、2.0g NaI、40.0g聚乙二醇和200mL80%乙醇水溶液,混合均匀后得到溶液A。将500.0g钛酸四丁酯加入到500mL无水乙醇中,混合均匀后缓慢滴入到混合溶液A中,剧烈搅拌10.0h,得到的混合溶液B室温下陈化5天,得到二氧化钛凝胶;经95℃、0.05MPa真空干燥12.0h后,研磨得到粉末,随后在280℃条件下焙烧6.0h,再次研磨得到锰系氧化剂II。经过XRD扫描后得出锰系氧化剂I平均粒径为230.5um。
锰系氧化剂III:向2L三口瓶中依次加入10.0g MnO2、6.0g KI、50.0g聚乙二醇和100mL80%乙醇水溶液,混合均匀后得到溶液A。将200.0g钛酸四丙酯加入到200mL无水乙醇中,混合均匀后缓慢滴入到混合溶液A中,剧烈搅拌8.0h,得到的混合溶液B室温下陈化4天,得到二氧化钛凝胶;经100℃、0.05MPa真空干燥12.0h后,研磨得到粉末,随后在300℃条件下焙烧5.0h,再次研磨得到锰系氧化剂III。经过XRD扫描后得出锰系氧化剂I平均粒径为30.1um。
锰系氧化剂IV:向2L三口瓶中依次加入5.0g MnO2、2.0g NaI、12.5g聚乙烯吡咯烷酮和100mL80%乙醇水溶液,混合均匀后得到溶液A。将250.0g钛酸四丁酯加入到250mL无水乙醇中,混合均匀后缓慢滴入到混合溶液A中,剧烈搅拌9.0h,得到的混合溶液B室温下陈化2天,得到二氧化钛凝胶;经80℃、0.05MPa真空干燥12.0h后,研磨得到粉末,随后在240℃条件下焙烧10.0h,再次研磨得到锰系氧化剂IV。经过XRD扫描后得出锰系氧化剂I平均粒径为122.6um。
锰系氧化剂V:向2L三口瓶中依次加入10.0g MnO2、5.0g KI、30.0g聚乙烯吡咯烷酮和200mL80%乙醇水溶液,混合均匀后得到溶液A。将300.0g钛酸四丁酯加入到300mL无水乙醇中,混合均匀后缓慢滴入到混合溶液A中,剧烈搅拌8.0h,得到的混合溶液B室温下陈化3天,得到二氧化钛凝胶;经85℃、0.05MPa真空干燥12h后,研磨得到粉末,随后在250℃条件下焙烧8.0h,再次研磨得到锰系氧化剂I。经过XRD扫描后得出锰系氧化剂I平均粒径为86.3um。
实施例1:
制备β-胡萝卜素:
在氮气保护下,向250ml反应瓶中,依次加入维生素A醇2.0g,己烷40.0g和20.0g锰系氧化剂I,10℃下反应5.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入0.6g三氯化钛和0.4g锌粉,在30℃下搅拌反应2.0h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品1.94g,用93.1g丙酮重结晶得1.75gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率95.1%,HPLC定量检测β-胡萝卜素全反式占比为98.2%。
实施例2:
制备β-胡萝卜素:
在氮气保护下,向250ml反应瓶中,依次加入维生素A醇1.0g,甲苯20.0g和5.0g锰系氧化剂I,50℃下反应6.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入0.25g三氯化钛和0.1g锌粉,在50℃下搅拌反应3.5h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品0.99g,用34.5g丙酮重结晶得0.85gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率92.5%,HPLC定量检测β-胡萝卜素全反式占比为99.1%。
实施例3:
制备β-胡萝卜素:
在氮气保护下,向250ml反应瓶中,依次加入维生素A醇2.0g,二氯甲烷20.0g和10.0g锰系氧化剂II,20℃下反应10.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入0.15g三氯化钛和0.25g锌粉,在60℃下搅拌反应5.0h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品2.02g,用75.6g丙酮重结晶得1.66gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率90.2%,HPLC定量检测β-胡萝卜素全反式占比为99.5%。
实施例4:
制备β-胡萝卜素:
在氮气保护下,向250ml反应瓶中,依次加入维生素A醇2.0g,水20.0g,二氯甲烷20g和20.0g锰系氧化剂III,80℃下反应8.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入0.1g三氯化钛和0.3g锌粉,在45℃下搅拌反应4.5h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品2.11g,用83.4g丙酮重结晶得1.71gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率93.2%,HPLC定量检测β-胡萝卜素全反式占比为98.6%。
实施例5:
制备β-胡萝卜素:
在氮气保护下,向500ml反应瓶中,依次加入维生素A醇5.0g,甲苯50.0g,水50.0g和20.0g锰系氧化剂III,30℃下反应6.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入1.2g三氯化钛和0.9g锌粉,在25℃下搅拌反应4.0h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品5.01g,用100.6g丙酮重结晶得4.15gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率90.5%,HPLC定量检测β-胡萝卜素全反式占比为98.5%。
实施例6:
制备β-胡萝卜素:
在氮气保护下,向250ml反应瓶中,依次加入维生素A醇2.0g,戊烷40.0g和10.0g锰系氧化剂IV,25℃下反应9.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入0.5g三氯化钛和0.3g锌粉,在60℃下搅拌反应2.0h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品1.94g,用73.1g丙酮重结晶得1.73gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率94.0%,HPLC定量检测检测β-胡萝卜素全反式占比为98.2%。
实施例7:
制备β-胡萝卜素:
在氮气保护下,向250ml反应瓶中,依次加入维生素A醇2.0g,三氯甲烷40.0g和2.0g锰系氧化剂V,25℃下反应10.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入0.2g三氯化钛和0.2g锌粉,在75℃下搅拌反应3.0h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品2.02g,用33.1g丙酮重结晶得1.76gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率95.9%,HPLC定量检测β-胡萝卜素全反式占比为98.7%。
实施例8:
制备β-胡萝卜素:
在氮气保护下,向250ml反应瓶中,依次加入维生素A醇3.0g,甲苯60.0g和15.0g锰系氧化剂V,50℃下反应5.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入0.15g三氯化钛和0.3g锌粉,在80℃下搅拌反应2.5h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品2.94g,用93.1g丙酮重结晶得2.59gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率94.1%,HPLC定量检测β-胡萝卜素全反式占比为99.0%。
对比例1:(不使用锰系氧化剂)
在氮气保护下,向250ml反应瓶中,依次加入维生素A醇3.0g,甲苯60.0g和1.2g双氧水,40℃下反应4.0h至薄板层析检测无维生素A醇残留,向有机相中加入0.15g三氯化钛和0.3g锌粉,在60℃下搅拌反应5h。加入5%稀盐酸溶液和二氯甲烷,分出有机层,经水洗浓缩干燥后得粗产品2.88g,用93.1g丙酮重结晶得1.98gβ-胡萝卜素固体,反应分离收率74.1%,HPLC定量检测β-胡萝卜素全反式占比为85.0%。
Claims (21)
1.一种β-胡萝卜素的制备方法,其特征在于,以维生素A醇为原料,经过氧化剂氧化得中间体维生素A醛,然后在二价钛盐作用下发生偶联反应生成β-胡萝卜素;
所述维生素A醇结构如式I所示:
所述氧化剂为MnO2-KI/NaI-TiO2,以TiO2为载体,MnO2为氧化成分,碘化物为活性成分;
所述偶联反应中加入有锌粉。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述的氧化剂的制备方法包括以下步骤:
(a)将MnO2、碘化物及络合剂加入到80-90%的乙醇水溶液中,混合均匀;
(b)将钛酸酯缓慢滴加到步骤(a)中所得混合物中,室温下剧烈搅拌6-10h后,将反应液陈化,得到二氧化钛凝胶;
(c)将步骤(b)所得的凝胶经干燥、焙烧得到氧化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(b)中,陈化时间为2-5天。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(c)中干燥可在80-100℃,真空度0.01-0.05MPa干燥10-20h,研磨成粉末,在200-300℃下焙烧4.0-10.0h,再次研磨得到氧化剂。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述研磨为球研磨,研磨时间为2-5h,研磨所得钛基氧化剂的粒径为10-500un。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,研磨所得钛基氧化剂的粒径为50-100um。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述碘化物为碘化钠或碘化钾,其用量为MnO2质量的0.1-1倍。
8.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述络合剂为聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮,其用量为MnO2质量的1.0-5.0倍。
9.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述的钛酸酯为钛酸四丙酯、钛酸四丁酯、钛酸四辛酯或钛酸四异丙酯,其用量为MnO2质量的10-50倍。
10.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,氧化反应使用的溶剂为水、脂肪烃、芳香烃、氯代烃中的一种或多种。
11.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,氧化剂与维生素A醇的质量比为1-20:1。
12.根据权利要求11所述的制备方法,其特征在于,氧化剂与维生素A醇的质量比为2-5:1。
13.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,氧化反应的反应温度为0-100℃,反应时间为5-10h。
14.根据权利要求13所述的制备方法,其特征在于,氧化反应的反应温度为20-50℃。
15.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,二价钛盐是由高价钛盐在四氢呋喃中用锌粉还原制得;
所述高价钛盐为高于二价的钛盐,选自三氯化钛或四氯化钛。
16.根据权利要求15所述的制备方法,其特征在于,高价钛盐与锌粉的质量比为0.05-0.3:0.01-0.2。
17.根据权利要求16所述的制备方法,其特征在于,高价钛盐与锌粉的质量比为0.05-0.2:0.1-0.15。
18.根据权利要求15所述的制备方法,其特征在于,维生素A醇与高价钛盐的质量比为1:0.05-0.3。
19.根据权利要求1-18任一项所述的制备方法,其特征在于,偶联反应的反应温度为20-80℃,反应时间为2-5h。
20.根据权利要求19所述的制备方法,其特征在于,偶联反应的反应温度为30-50℃。
21.根据权利要求1-18任一项所述的制备方法,其特征在于,偶联反应后经分离纯化得到β-胡萝卜素,分离纯化操作为加入稀盐酸和萃取剂,萃取剂为甲苯、二氯甲烷、庚烷,分出有机层后,经水洗干燥,浓缩后得到β-胡萝卜素产品。
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