CN115417755B - 一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的纯化及其环化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3,4‑二羟基‑2,5‑己二酮的纯化及其环化工艺，所述纯化工艺包括如下步骤：一，取3,4‑二羟基‑2,5‑己二酮溶液，加入硫酸钠，采用乙酸乙酯在微波萃取机中加热萃取，浓缩得粗品浓干液；二、按一定质量比加入有机良性溶剂，升温，澄清后停止加热，按一定质量比加入有机不良溶剂，缓慢降温析晶，得到3,4‑二羟基‑2,5‑己二酮湿品；三、湿品干燥后得含湿率低于1%的结晶干品；所述环化工艺包括如下步骤：S1、向反应器釜内加水、磷酸二氢钠、氢氧化钠和碳酸氢钠，得催化体系；S2、向反应器釜内加入醋酸丁酯、聚乙二醇和3,4‑二羟基‑2,5‑己二酮结晶干品，开启循环泵将反应液泵入管道喷射反应器，经结晶、脱色、重结晶完成3,4‑二羟基‑2,5‑己二酮的环化工艺。
Description
技术领域
本发明属于食用香料合成技术领域，具体涉及一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的纯化及其环化工艺。
背景技术
2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮(Furanone)又名菠萝呋喃酮，是从草莓、菠萝中分离出的一种具有强烈焙烤焦糖气味的杂环香料。该物质在食品、烟草、饮料中的微量存在(香味阈值为：0.04PPb)就有明显的增香修饰效果。因而广泛用作食品、烟草、饮料的增香剂，业界冠以“香料之王”的美誉。
3,4-二羟基-2,5-己二酮是合成呋喃酮的一种重要中间体，以该中间体合成的呋喃酮，具有成本低、路线短、香气纯正等优势。合成3,4-二羟基-2,5-己二酮的方法主要是传统的化学法，如乳酸乙酯法、锌粉还原偶联法、3,4-己二酮法等，无论何种方法均存在着选择性差，易于产生副产物的缺点。3,4-二羟基-2,5-己二酮作为非常重要的中间体，其质量的好与坏直接影响到后续环化反应乃至呋喃酮成品的质量与产率。
目前，实际生产过程中，3,4-二羟基-2,5-己二酮萃取效率低，需多次萃取操作；CN110372646A公开的方法中加入元明粉和氯化钠提高萃取效率，但未对萃取率进行报道，且引入新的盐成分，使得高盐废水中乙酸锌、硫酸钠和氯化钠难以回收再利用。微波萃取是在传统的有机溶剂萃取基础上发展起来的一种新型萃取技术，与传统萃取方法相比较，可减少萃取时间、萃取溶剂用量少、超强的萃取能力，且获得的成品纯度高。
另外，3,4-二羟基-2,5-己二酮工艺主要采用乙酸乙酯作为单一结晶溶剂，这种结晶方式存在结晶率低、结晶次数较多、且产品质量较差，造成了工艺繁琐，成本增加；其次使得环化工艺参数始终无法达到精细化的调整，增大了后续工艺的纯化难度。将3,4-二羟基-2,5-己二酮转移至挥发性较快的有机良性溶剂溶解，使得体系溶解度增大，然后加入挥发性小且溶解度小的有机不良溶剂中使其自由扩散，体系在降低溶解度的同时，让其易挥发的溶剂缓慢挥发而得到晶体。CN113773286A公开的方法中虽采用正丁醇和石油醚的混合溶剂代替传统工艺中的乙酸乙酯，但后续的结晶率和产品纯度情况并未报道，未能够对其机理进行解释，且引入石油醚不仅造成产品或溶剂组分残留检测增加难度，其工业化过程中安全系数低。
对于呋喃酮的环化工艺，在非均相反应过程中，存在反应效果差、副反应多，搅拌不充分等问题；且重结晶后的产品易变色，影响产品质量。
综上，有必要研发一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的纯化及其环化工艺，其能有效提高中间体萃取效率且能提高结晶率、减少结晶次数，提高中间体收率；另外，对于环化反应，需解决工业生产过程中反应不充分、产品颜色发黄、质量不达标问题。
发明内容
针对上述问题，本发明目的是提供一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的纯化及其环化工艺，该方法首先可提高3,4-二羟基-2,5-己二酮溶液的萃取效率和粗品结晶率，降低结晶次数，获得高纯度的3,4-二羟基-2,5-己二酮，其次可调整后续环化工艺参数，以共同达到提高整体呋喃酮的产品质量和收率的优势。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的纯化工艺，包括如下步骤：
步骤一，取3,4-二羟基-2,5-己二酮溶液，加入一定量的硫酸钠，采用乙酸乙酯在微波萃取机中加热萃取，调节功率200-600W，萃取5-10min，结束后浓缩、回收溶剂得3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液；
步骤二、取上述步骤一中浓干液，按一定质量比加入有机良性溶剂，搅拌升温，保温至澄清，澄清搅拌后停止加热，再按一定质量比加入有机不良溶剂，缓慢降温析晶，至一定温度保温搅拌1-5h，得到3,4-二羟基-2,5-己二酮湿品；
步骤三、将3,4-二羟基-2,5-己二酮湿品干燥后，得到含湿率低于1％的3,4-二羟基-2,5-己二酮结晶干品；
优选的，所述步骤一中，硫酸钠与3,4-二羟基-2,5-己二酮溶液的质量比为1:(25-50)；
优选的，所述步骤一中，微波萃取机加热温度为30-60℃；
优选的，所述有机良性溶剂选自乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、正丁醇、正戊醇、异丙醇中的任一种或几种组合；
优选的，所述有机不良溶剂选自正己烷、环己烷、正戊烷、异戊烷、环戊烷、正庚烷中的任一种或几种组合。
优选的，所述步骤二中，3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液与有机良性溶剂的质量比1:(10-20)；与有机不良溶剂的质量比1:(10-30)。
优选的，所述步骤二中，澄清温度为30-90℃，所述的降温析晶速率为20～100℃/h。
优选的，所述澄清温度优选为40-60℃，所述的降温析晶速率优选为40～80℃/h。
优选的，所述步骤三中，通过沸腾床进行干燥。
一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、向反应器釜内加水、磷酸二氢钠、氢氧化钠和碳酸氢钠，搅拌均匀调节pH值在6.6-8.5之间，反应1h，得催化体系。
S2、向反应器釜内加入醋酸丁酯、聚乙二醇和3,4-二羟基-2,5-己二酮结晶干品，开启循环泵将反应液泵入管道喷射反应器，进行强制循环喷射；反应完毕，经结晶、脱色、重结晶完成3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺。
优选的，所述步骤S2中，聚乙二醇的加入量为3,4-二羟基-2,5-己二酮重量的5-10％，平均分子量为200-400。
优选的，所述步骤S2中，反应液泵入管道喷射反应器，进行强制循环喷射，使有机相和水相充分接触。
优选的，所述步骤S2中，脱色步骤为在脱色釜中加入活性炭，在30-60℃搅拌1-2h后离心、压滤除去活性炭。
在本发明技术方案中，发明人不经意间发现环化催化缓冲体系中，加入聚乙二醇和采用管道喷射反应器能明显提高环化反应效率，环化反应时间缩短，原因是有机相和水相不能够充分接触，当加入一种非离子表面活性剂，如聚乙二醇，其可溶于水和醇，并且起到降低表面张力的作用。提高反应收率同时降低了反应时间。同时，聚乙二醇的添加量少，且溶于缓冲催化水相体系中，可进行循环套用。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的纯化及其环化工艺，该工艺通过微波萃取工艺提高了萃取效率，通过混合溶剂进行结晶，可有效提高结晶率，减少结晶次数，提高3,4-二羟基-2,5-己二酮纯度，有利于在后续环化工序中，提升产品的收率和纯度，具备工业化的价值。克服了环化反应过程不充分、反应时间长、副反应多、产品质量不合格等问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做具体说明
实施例1
取3,4-二羟基-2,5-己二酮溶液170g(实际含量为29.7g)，加入6g硫酸钠，在80mL乙酸乙酯微波萃取机中加热至50℃萃取，调节功率400W、萃取10min，结束后浓缩、回收溶剂得3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液，经气相色谱检测，浓干液中含有29.2g的3,4-二羟基-2,5-己二酮，1次萃取率为98％；
对比实施例2
实施案例1中不加入硫酸钠，采用传统分液漏斗进行萃取操作，1次萃取率为62％，出现轻微乳化现象，加入过量乙酸乙酯进行5次萃取，总萃取率为93％，分层不明显。
实施例3
称取3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液50g(实际含量为47.4g)，投入反应瓶中，加入750g正丁醇(质量比1:15)搅拌，升温至45℃，保温澄清后搅拌30min后停止加热，再加入1000g正己烷(质量比1:20)，在以75℃/h的降温速率降至-10-0℃后保温2h，过滤，置于60℃真空干燥箱干燥10h，得类白色粉末41.7g，收率87.9％。经气相色谱检测，苏/赤纯度之和为99.25％；
实施例4
称取3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液50g(实际含量为47.4g)，投入反应瓶中，加入1000g乙酸乙酯(质量比1:20)搅拌，升温至55℃，保温澄清后搅拌30min后停止加热，再加入1500g环己烷(质量比1:30)，在以80℃/h的降温速率降至-10-0℃后保温2h，过滤，置于60℃真空干燥箱干燥10h，得类白色粉末39.02g，收率82.3％。经气相色谱检测，苏/赤纯度之和为99.06％；
实施例5
称取3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液50g(实际含量为47.4g)，投入反应瓶中，加入750g环己醇(质量比1:15)搅拌，升温至60℃，保温澄清后搅拌30min后停止加热，再加入1000g正庚烷(质量比1:20)，在以40℃/h的降温速率降至-10-0℃后保温2h，过滤，置于60℃真空干燥箱干燥10h，得类白色粉末44.18g，收率93.0％。经气相色谱检测，苏/赤纯度之和为99.58％；
对比实施例6
称取3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液50g(实际含量为47.4g)，投入反应瓶中，加入1500g乙酸乙酯搅拌(质量比1:30)，升温至60℃，保温澄清后搅拌30min后停止加热，在以40℃/h的降温速率降至-10-0℃后保温2h，过滤，置于60℃真空干燥箱干燥10h，得淡黄色粉末31.76g，收率65.4％。经气相色谱检测，苏/赤纯度之和为97.62％；
表1、3,4-二羟基-2,5-己二酮结晶纯化结果
对比实验发现，采用环己醇和正庚烷混合溶剂代替乙酸乙酯作为结晶溶剂，有利于3,4-二羟基-2,5-己二酮结晶率的提升。
实施例7
称取145g磷酸二氢钠、130g水于三口烧瓶中，搅拌溶解形成水溶液后用10％氢氧化钠和碳酸氢钠调节pH＝7.0,反应1h得催化体系，备用；向催化体系中加入240mL醋酸丁酯、2.78g聚乙二醇-200和上述实施案例3制备的3,4-二羟基-2,5-己二酮34.8g(以实际含量计)，开启循环泵将反应液泵入管道喷射反应器，进行强制循环喷射，在2h内升温至内温75℃，并保温4h，再于1h内升温至内温90℃，并保温6h，随后降温至50℃以下，静置分层，抽出上层有机相，水相置于反应釜内。取样检测，经气相色谱内标法测定：2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮质量收率:92.16％；
对比实施例8
称取145g磷酸二氢钠、130g水于三口烧瓶中，搅拌溶解形成水溶液后用10％氢氧化钠和碳酸氢钠调节pH＝7.0,反应1h得催化体系，备用；氮气保护下向催化体系中加入240mL醋酸丁酯和上述对比实施案例4制备的3,4-二羟基-2,5-己二酮34.8g(以实际含量计)，开启循环泵将反应液泵入管道喷射反应器，进行强制循环喷射，在2h内升温至内温75℃，并保温4h，再于1h内升温至内温90℃，并保温6h，随后降温至50℃以下，静置分层，抽出上层有机相，水相置于反应釜内。取样检测，经气相色谱内标法测定：2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮质量收率:83.02％；
实施例9
将实施例7中剩余水相催化体系于三口烧瓶中，用10％氢氧化钠和碳酸氢钠调节pH＝7.0,反应1h，备用；氮气保护下向催化体系中加入240mL醋酸丁酯、1.74g聚乙二醇-200和上述实施案例5制备的3,4-二羟基-2,5-己二酮34.8g(以实际含量计)，开启循环泵将反应液泵入管道喷射反应器，进行强制循环喷射，在2h内升温至内温75℃，并保温4h，再于1h内升温至内温90℃，并保温6h，随后降温至50℃以下，静置分层，抽出上层有机相，水相置于反应釜内。取样检测，经气相色谱内标法测定：2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮质量收率:87.16％；
对比实施例10
将实施例7中剩余水相催化体系于三口烧瓶中，用10％氢氧化钠和碳酸氢钠调节pH＝7.0,反应1h，备用；向催化体系中加入240mL醋酸丁酯和上述实施案例3制备的3,4-二羟基-2,5-己二酮34.8g(以实际含量计)，开启循环泵将反应液泵入管道喷射反应器，进行强制循环喷射，在2h内升温至内温80℃，并保温6h，再于1h内升温至内温95℃，并保温7h，随后降温至50℃以下，静置分层，抽出上层有机相，水相置于反应釜内。取样检测，经气相色谱内标法测定：2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮质量收率:91.82％。
表2、2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮的反应质量收率
对比实施例可以发现，3,4-二羟基-2,5-己二酮的纯度明显影响反应体系内2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮质量收率；催化体系套用时，延长环化的反应时间有利于提高2,5-二甲基-4-羟基-3(2H)呋喃酮质量收率。
实施例11
取实施案例7中的有机相10g(以实际含量计)，结晶后得到黄细粗品，再加入2g活性炭和无水乙醇，30℃下搅拌1h脱色，离心过滤后重结晶，得类白色产品。
对比实施例12
取实施案例7中的有机相10g(以实际含量计)，结晶后得到黄细粗品，再加入无水乙醇重结晶，得淡黄色产品。
对比实施例可以发现，通过脱色单元操作，可改善产品颜色问题，提高产品质量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，取3,4-二羟基-2,5-己二酮溶液，加入一定量的硫酸钠，采用乙酸乙酯在微波萃取机中加热萃取，调节功率200-600W，萃取5-10min，结束后浓缩、回收溶剂得3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液；
步骤二、取上述步骤一中浓干液，按一定质量比加入有机良性溶剂环己醇，搅拌升温，保温至澄清，澄清搅拌后停止加热，再按一定质量比加入有机不良溶剂正庚烷，缓慢降温析晶，至-10-0℃保温搅拌1-5h，得到3,4-二羟基-2,5-己二酮湿品；
步骤三、将3,4-二羟基-2,5-己二酮湿品干燥后，得到含湿率低于1%的3,4-二羟基-2,5-己二酮结晶干品；
步骤四、向反应器釜内加水、磷酸二氢钠、氢氧化钠和碳酸氢钠，搅拌均匀调节pH值在6.6-8.5之间，反应1h，得催化体系；
步骤五、向反应器釜内加入醋酸丁酯、聚乙二醇和3,4-二羟基-2,5-己二酮结晶干品，开启循环泵将反应液泵入管道喷射反应器，进行强制循环喷射；反应完毕，经结晶、脱色、重结晶完成3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺；
所述步骤五中，聚乙二醇的加入量为3,4-二羟基-2,5-己二酮重量的5-10%，平均分子量为200-400；
所述步骤五中，反应液泵入管道喷射反应器，进行强制循环喷射，使有机相和水相充分接触；
所述步骤五中，脱色步骤为在脱色釜中加入活性炭，在30-60℃搅拌1-2h后离心、压滤除去活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺，其特征在于，所述步骤一中，硫酸钠与3,4-二羟基-2,5-己二酮溶液的质量比为1:(25-50)。
3.根据权利要求1所述的一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺，其特征在于，所述步骤一中，微波萃取机加热温度为30-60℃。
4.根据权利要求1所述的一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺，其特征在于，所述步骤二中，3,4-二羟基-2,5-己二酮粗品浓干液与有机良性溶剂的质量比1:(10-20)；与有机不良溶剂的质量比1:(10-30)。
5.根据权利要求1所述的一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺，其特征在于，所述步骤二中，澄清温度为30-90℃，所述的降温析晶速率为20～100℃/h。
6.根据权利要求5所述的一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺，其特征在于，所述澄清温度为40-60℃，所述的降温析晶速率为40～80℃/h。
7.根据权利要求1所述的一种3,4-二羟基-2,5-己二酮的环化工艺，其特征在于，所述步骤三中，通过沸腾床进行干燥。
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