CN1204132C - 制备l－抗坏血酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备L-抗坏血酸的方法，其中包括在酸性条件下，将2-酮基-L-古洛糖酸烷基酯的熔化物内酯化。
Description
本发明涉及制备L-抗坏血酸的方法，其中在酸性条件下，将2-酮基-L-古洛糖酸C3-C10烷基酯的熔化物内酯化。
在过去，已经公开了大量制备L-抗坏血酸的方法的变体。尤其在Crawford等人的Adv.Carbohydrate Chem.37，79(1980)和Ullmann’sEncyclopedia of Industrial Chemistry，Vol.A27，551-557(1996)中发现了一篇回顾。
已知许多通过2-酮基-L-古洛糖酸与酸的反应制备抗坏血酸的方法。
因此，US 2 185 383描述了2-酮基-L-古洛糖酸与浓盐酸的用乙酸作为溶剂的反应。
JP-A-58-177986描述了一种方法，包括将乙醇和丙酮加入到2-酮基-L-古洛糖酸钠盐中，用盐酸中和，过滤除去沉淀的氯化钠，然后保持反应混合物在25-75℃范围内的温度，由此得到L-抗坏血酸。
JP-B-48-15931描述了2-酮基-L-古洛糖酸与一种无机酸在惰性溶剂中在表面活性物质存在下的反应。
WO87/00839要求一种方法，其中2-酮基-L-古洛糖酸的悬浮液在酸催化条件下在惰性有机溶剂中在表面活性剂存在下反应得到L-抗坏血酸。
DE-A-195 47 073描述了一种通过2-酮基-L-古洛糖酸与无机酸水溶液在包括一种惰性有机溶剂、脂族酮和酰氯的溶剂混合物中反应制备L-抗坏血酸的方法。
WO99/07691描述了在40-80℃的温度使2-酮基-L-古洛糖酸与浓盐酸的反应。
EP-A-0 671 405公开了一种制备2-酮基-L-古洛糖酸甲酯或乙酯的方法，其中包括在酸性离子交换剂存在下，2-酮基-L-古洛糖酸与甲醇或乙醇酯化。还从该申请得知上述酯可进行碱重排(内酯化)，得到抗坏血酸或得到抗坏血酸盐。
US 5 391 770描述了2-酮基-L-古洛糖酸的酯化和后继的形成的酯用碱催化进行内酯化得到L-抗坏血酸盐，以及通过加入强酸释放出抗坏血酸。
日本公开的专利特许22113/75描述了2-酮基-L-古洛糖酸与丁醇的酯化和后继的在作为溶剂的苯中酸催化内酯化。
上述酸催化的单步骤方法的变体的实施方案有严重的缺点。因此，一般不可避免地要使用惰性溶剂以抑制抗坏血酸与盐酸水溶液的副反应。但是同时问题却转化为，2-酮基-L-古洛糖酸总是在开始时和反应过程中以悬浮液的状态不溶解，反应仅仅在晶体的表面进行。加入表面活性物质对反应的改变也只是轻微的。此外，只能困难重重并使用附加的后处理步骤将该辅助剂从粗产物中除去以得到需要的L-抗坏血酸纯度。漫长的反应时间和相关的庞大的设备体积也是缺点。
因此，要得到一种没有上述缺点的制备L-抗坏血酸的方法。
通过一种制备L-抗坏血酸的方法可达到这个目的，该方法包括在酸性条件下将2-酮基-L-古洛糖酸C3-C10烷基酯的熔化物内酯化。
在一个优选的实施方案中，根据本发明的方法还包括
a)在酸性催化剂存在下，用C3-C10醇酯化2-酮基-L-古洛糖酸或2，3：4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸，
b)将过量的C3-C10醇和反应中生成的水一起蒸掉，和
c)在酸性条件下，将无水熔化状态的所生成的2-酮基-L-古洛糖酸C3-C10烷基酯内酯化。
在本发明方法的过程中，首先在酸性催化剂存在下，在单步骤的酯化反应中，使2-酮基-L-古洛糖酸或2，3：4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸反应得到烷基酯。酯化在-10-160℃的温度进行，优选20-100℃，特别优选40-90℃。
有利地，具有碳原子数大于或等于3的、优选具有3-10个碳原子的烷基的、饱和的、支链的或直链的烷基醇的较高级的烷基酯适用于酯化，诸如正丙醇、异丙醇、1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1-丙醇、2-甲基-2-丙醇，1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、1-己醇、2-己醇、1-庚醇、2-庚醇、1-辛醇、2-辛醇、3-辛醇、1-壬醇、2-壬醇、1-癸醇、2-癸醇、4-癸醇。
不容易溶解L-抗坏血酸的醇优选用于酯化。特别优选适用的是C4-C8醇，选自正丙醇、异丙醇、1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、2-甲基-2-丙醇、1-戊醇、1-己醇和1-辛醇，非常特别是1-丁醇和1-戊醇。
基于使用的2-酮基-L-古洛糖酸或2，3：4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸，在此使用的醇是2-10倍、优选3-6倍摩尔过量。
优选2-酮基-L-古洛糖酸作为原料用于合成。在此可使用酸的晶体形式，例如作为干燥的或离心潮湿的一水合物或作为无水化合物或作为水溶液，例如浓缩的发酵溶液。
一般地，从水或含水的有机溶剂结晶得到2-酮基-L-古洛糖酸一水合物。通过离心晶体晶浆，可得到潮湿的一水合物。它可作为离心潮湿的产物直接用于后继的酯化反应，或在温和条件下被干燥。
还可以将浓缩的2-酮基-L-古洛糖酸水溶液直接用于酯化反应。在酯化反应前或期间除去过量的溶剂，例如通过萃取和相分离或通过共沸蒸馏。这种工艺特别适用于来自发酵制备工艺的酮基古洛糖酸溶液。用本身已知的标准方法除去生物质后，优选在液-液分离后可将通常有色的发酵溶液直接使用，而不需进一步的纯化。然后，如上所述，在酯化反应前或期间除去过量的溶剂，例如通过相分离或通过共沸蒸馏。
采用强化干燥条件，尤其从晶状的任选离心湿润的一水合物，得到无水2-酮基-L-古洛糖酸。
在本发明的方法中，2-酮基-L-古洛糖酸一水合物的干燥或脱水可有利地省略，因为根据本发明的后继活化反应中总要进行共沸蒸馏。
加入0.005-0.1摩尔、优选0.005-0.05摩尔的量的酸性催化剂催化酯化反应，酸性催化剂是游离或聚合物结合的形式的(作为强酸性阳离子交换剂)或是它的酯。“酸性阳离子交换剂”的描述意为可从市场购得的树脂，例如LewatitS 100和SP112(Bayer)或Amberlite18和IRA 120或Amberlyst15或DuoliteC 20、C26和C264(Rohm&Hass)或Dowex离子交换剂。
适合的其它催化剂还有酸和它们的衍生物。包括例如磷酸、磷酸一丁酯、磷酸二丁酯、磷酸一戊酯、磷酸二戊酯、硫酸、硫酸一丁酯、硫酸一戊酯、盐酸、对甲苯磺酸、甲磺酸、氯磺酸、三氟乙酸和其它强无水酸。
2-酮基-L-古洛糖酸、2，3：4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸或L-抗坏血酸也可用作酸性酯化催化剂。
但是，优选使用硫酸、甲磺酸或C3-C10醇的硫酸单烷基酯。特别优选的是硫酸。在高于70℃的温度硫酸单烷基酯释放出催化作用的硫酸(Popelier，Bull.Soc.Chim.Belg.35，265(1926))。通过使用这些催化剂，从而通常酯化仅能在相对较高的温度进行。
为了在酯化期间达到尽可能完全的转化，尽可能完全地除去反应水是有利的。在本方法中，反应中的水有利地是与过量的醇一起蒸掉。这在20毫巴到常压之间的压力范围进行，优选在100-800毫巴的范围内。醇在此作为反应生成水的夹带剂使用。少于3个碳原子的醇不是非常适合此目的。通过相分离、蒸馏干燥或用诸如分子筛的脱水剂干燥除去水后，馏分用于进一步的酯化反应。
用于除去水的溶剂有利的是酯化反应用的醇或这种醇与另一种可与水混溶的溶剂的混合物。根据本发明使用的醇仅具有有限的消去反应水的能力。特别在高催化剂酸浓度或短酯化时间的情况下，如果在酯化期间尽早加入第二种溶剂作为水夹带剂是有利的。该溶剂应与水形成低沸的共沸物，并且任选地仅能有限地与醇混溶，这样就能相分离后在酯化反应期间循环醇。基于2-酮基-L-古洛糖酸，仅需少量这种第二种溶剂，有利地使用10-50％摩尔。
有利地使用非极性的卤代烃，例如四氯化碳、氯仿、二氯乙烷、1，2-三氯乙烯、全氯乙烯，或使用芳烃，诸如甲苯或二甲苯。此外也可使用碳酸亚丙基酯。优选的溶剂是全氯乙烯。
在根据本发明的方法中，2-酮基-L-古洛糖酸在酯化反应中的转化程度明显地大于90％，优选在95-99％范围内。
在酯化反应过程中，2-酮基-L-古洛糖酸进入溶液，这是一个很好的反应进程指示剂。基于使用的催化剂酸的量，这需要几分钟到数小时的时间。较高的温度例如在30-150℃范围内，有利于酯化反应期间的转化。接近反应终点，当大部分过量的醇已经被蒸出时，反应混合物变的更稠。如果没有了溶剂并且生成了相应的酮基-L-古洛糖酸烷基酯的无水熔化物，可有利地认为酯化反应完成了。该熔融物的粘度取决于各自的2-酮基-L-古洛糖酸酯的物质性质和温度。
冷却时，反应混合物在20-40℃固化。温热时熔化物可逆地形成，并且不分解。按照例如WO99-3853所述的为了完成酯化反应加入新鲜的无水醇在上述条件下是不需要的，因为a)酯化反应几乎完全了和b)根据本发明的教导并不需要绝对的100％转化。当使用酮基-L-古洛糖酸一水合物时，在酯化开始时无需较大量的醇。酯化速率取决于循环的醇的残留水含量。
2，3：4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸也可代替2-酮基-L-古洛糖酸在上述条件下以相同方法酯化。在此还进行了丙酮保护基的除去。为了除去丙酮保护基，需要2摩尔当量水，虽然在酯化反应中同时生成1摩尔当量水。这意味着化学反应也可代替脱水剂和物理干燥工艺用于除去反应水。因此，最简单地是使用2，3：4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸。进行该反应的压力和温度范围与上述类似。
作为一种低沸点成分，形成的丙酮在开始时被蒸出，或在酯化反应期间与过量的含水的溶剂一起被蒸出，并且在分离和以纯净形式回收后再循环使用。
可分批或连续进行2-酮基-L-古洛糖酸或2，3：4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸的酯化反应。在连续酯化的情况下，共沸蒸馏例如在搅拌的容器级联、薄膜蒸发器或类似操作的设备中进行。即使在这些条件下，在酯化结束时也形成了相应的2-酮基-L-古洛糖酸烷基酯的熔化形态。与分批酯化比较，该工艺的优点是明显地在1小时内的反应时间达到相同的转化和相同的纯度。
在根据本发明方法的优选实施方案中，在工艺步骤a)和b)后，得到高流动性的可容易地在管道中运输的熔化物或熔化形态的酯，无需分离或进一步纯化，在100℃和常压下，如果适宜，在例如卤代烃之类的惰性溶剂中，在诸如盐酸之类的酸性催化剂存在下，或者在90℃以上和提高的压力下，在少量水存在下，不加入其它有机溶剂，如果适宜，在例如盐酸之类的酸性催化剂存在下，该熔化物可重排成高纯度的L-抗坏血酸，释放出用于活化的醇。
在2-酮基-L-古洛糖酸或2，3：4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸酯化反应后，在工艺步骤c)，在酸性催化剂存在下，将形成的酯——以其熔化物的形态——重排(内酯化)得到L-抗坏血酸。在此优选使用无水的熔化物。
本发明在此涉及两个不同的用于该重排的工艺。重排可在较低温度、较长反应时间、在另外的惰性溶剂存在下进行，或直接在较高温度、没有惰性溶剂的帮助下、但是如果适宜在水存在下进行。
已知，例如在使用含水盐酸的重排期间，如果在形成后不立即从反应混合物中移出，抗坏血酸会反应生成不希望的深色的副产物，(Crawford等人，Adv.Carbohydrate Chem.37，79-155(1980))。一般地，在常规的溶剂操作中，通过加入不溶解或难溶解抗坏血酸的惰性溶剂，进行重排。考虑到这一事实，可理解文献已知的方法在工业规模进行时常常出现困难，因为沉淀的抗坏血酸生成的是混合物或很难搅拌并不易处理的蜡状的物质。特别是在该工艺中的结晶过程中包括了少量不需要的催化剂酸，其大部分是经无定形体进入的。甚至在最终产物中存在痕量，这些未除去的催化剂酸的残余量也导致较差的质量，并因此通常在纯化上需要不经济的高额费用。
当使用2-酮基-L-古洛糖酸的酯时，在酸催化的重排期间，在反应中从酯中再次释放出当量量的醇。一方面，反应产物L-抗坏血酸根据本发明在醇中溶解性差，而另一方面，催化剂酸和少量的副产物更容易溶解。如果酯重排在开始就在惰性溶剂中进行，那么惰性溶剂的提纯作用可由释放的醇明显地提高。
适用于此的醇有利地是与根据本发明用于酮基古洛糖酸酯化的较高级的醇类相同。特别是有多于或等于3个碳原子的醇类，诸如正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、1-己醇、2-己醇、1-庚醇、2-庚醇、1-辛醇、2-辛醇、3-辛醇、1-壬醇、2-壬醇、1-癸醇、2-癸醇、4-癸醇等。
已经在上文描述了优选用于在溶液中的重排的非极性惰性溶剂。优选使用非极性卤代烃，例如四氯化碳、氯仿、二氯乙烷、1，2-三氯乙烯、全氯乙烯，或使用芳烃，诸如甲苯、氯苯或二甲苯。特别优选全氯乙烯。也可非常成功地使用环状碳酸酯，诸如碳酸亚丙基酯。
根据工艺变体a)，在溶液中，在40-100℃、优选50-95℃的温度范围进行重排。在此，反应时间必须根据相应的重排温度而定。在上述温度范围和在常压下，反应时间优选为0.25-20小时。在这些条件下，达到L-抗坏血酸的高产率和高纯度。
对于重排反应的成功，使用的催化剂酸非常重要。无机酸是适合的，诸如磷酸或硫酸。使用盐酸是有利的，其可以作为浓盐酸水溶液或者气体直接通入重排混合物。重排需要水。因此在使用氯化氢时必须加入需要量的水。不将反应水经酯化步骤引入重排步骤是有利的。在水存在下，过高的酸浓度导致有价值产物的较低的产率和较差的纯度。基于在上述高级醇和惰性溶剂的混合物中的氯化氢气体优选使用1-5％浓度。
催化剂酸可与惰性溶剂一起引入重排反应器或加入重排混合物中。
为了根据本发明的在较低温度的较长的重排时间，一般优选让2-酮基-L-古洛糖酸烷基酯熔化物进入引入的与催化剂酸一起的惰性溶剂中，或相反地进行反应。在所以情况下，将酸与反应混合物充分混合对于重排的成功很重要。接近重排终点时，形成的L-抗坏血酸以晶体形式沉淀，可用常规的方法分离，诸如抽滤、离心、压榨或萃取。用酯化所用的醇洗涤后，干燥，高产率(87-93％)和高纯度(98.5-99.8％)地得到维生素C粗产物。
这种进行反应的方式有一个令本领域技术人员惊奇的副效益并对反应产物的纯度和产率有重要的影响。在该重排中，以一种控制方法，有益地就地额外地生成少量细分散形式的活性炭，它吸收痕量的不希望的副产物并可容易地机械地除去。这样就避免了对生成的L-抗坏血酸进行艰苦的提纯。活性炭的比例在0.1至最多0.8％范围内。这些量对于有效地吸收例如可能源自特别是由发酵制备的2-酮基-L-古洛糖酸的有色杂质是充足的。在抗坏血酸的分离过程中可方便地除去形成的炭。
维生素C的产率和纯度受到重排期间溶剂混合物中成分的明显影响。过高的水浓度会降低产率。因此，在该混合物中水含量应在1-10％范围内，优选在2-7％范围内。接近重排终点时，重排混合物优选含有50-90％重量的惰性溶剂和50-10％重量形成的醇。在该混合物中，L-抗坏血酸溶解性差，所有其它原料或副产物和催化剂酸容易溶解。
根据上述方法变体b)甚至不使用惰性溶剂就可重排2-酮基古洛糖酸烷基酯熔化物。这里，在反应过程中释放酯化醇，得到细分散的、可泵送的L-抗坏血酸晶体悬浮液。在优选的催化剂酸氯化氢或盐酸存在下的这类重排以明显比已经描述的方法变体a)短的时间进行。根据本发明，在此免去了惰性有机溶剂的加入。而水的存在根据本发明是有利的。
根据本发明，2-酮基-L-古洛糖酸烷基酯熔化物或熔融形式在20-100℃的温度易于和催化剂酸迅速混合，然后在95-160℃的温度、优选100-140℃之间的温度进行短暂重排。该重排反应有利地是在0.5-10巴的压力进行。可设计反应器，例如作为管式反应器，反应器中的停留时间优选在数秒直到1小时范围内。在该类型的根据本发明也可优选连续操作的重排中，消去并随后在减压下蒸发醇，从而建立汽液平衡和尽可能地避免后继的L-抗坏血酸与催化剂酸的反应。通过真空释放压力，以高蒸发速率除去催化剂酸，同时L-抗坏血酸以细分散的形式在醇中沉淀。根据已知方法可回收释放的醇并再次用于酯合成。从该重排反应形成的作为残留物的粗抗坏血酸有大于98％的纯度，可直接作为固体或以溶液用于常规的提纯过程之一。根据该方法变体的产率为90-95％。
通过下列实施例经更详细地说明根据本发明的方法。
所述实验的产率和纯度涉及分离干燥的维生素C。产率数据基于％摩尔。用HPLC经参照样品校正测定2-酮基-L-古洛糖酸和二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸的纯度。用常规的碘滴定法确定粗产物中维生素C的含量。
实施例1
742g(3.75mol)无水2-酮基古洛糖酸悬浮在1.5升(17mol)正丁醇中，加入8g浓硫酸后，混合物排空至200毫巴。加热到85℃后，2小时后馏出1.1升含水的正丁醇。粘稠的金黄色熔化物与906ml(8.9mol)全氯乙烯混合，加入84ml浓盐酸后，在72-75℃重排17小时。抽滤沉淀的L-抗坏血酸，用正丁醇洗涤，真空下干燥。得到纯度98.5％的588g(88％)浅灰色粗产物。粗产物溶于水中。澄清过滤后，得到无色的溶液，由此可用从文献已知的方法分离L-抗坏血酸。残留物(0.9％)主要包括炭。
实施例2
根据实施例1，用2-酮基-L-古洛糖酸一水合物代替无水2-酮基-L-古洛糖酸。酯化时间增加并不明显。馏出物中馏出的水相应地增加。L-抗坏血酸(粗产物)的产率为87.5％(纯度98.9％)。
实施例3
根据实施例1，用40％重量浓度的2-酮基-L-古洛糖酸水溶液(基于无水酸)代替无水2-酮基-L-古洛糖酸。酯化时间增加45分钟。馏出的水量同时增加了额外使用的量。L-抗坏血酸(粗产物)的产率为87.3％(纯度98.6％)。
实施例4
类似实施例1，进行酯化和重排。但是不同在于将金黄色的酯化混合物搅拌到全氯乙烯/盐酸中。干燥粗产物的产率为89％(纯度99.5％)。
实施例5
类似实施例1，进行酯化和重排。沉淀的L-抗坏血酸用总量450ml的水萃取两次，澄清过滤后提纯。小心蒸发后得到纯度99％的L-抗坏血酸87％水溶液。
实施例6
594g(3mol)无水2-酮基-L-古洛糖酸悬浮在含有72ml(0.7mol)全氯乙烯和1升(11mol)正丁醇的溶剂混合物中。加入7g(69mmol)浓硫酸后，混合物排空至300毫巴。加热到85℃的内部温度。除去馏出物。2小时后，除去24ml水。加入725ml(7mol)新鲜的全氯乙烯后，用79g(0.8mol)浓盐酸迅速处理粘稠的反应混合物，在75℃搅拌17小时。抽滤沉淀的L-抗坏血酸，用正丁醇洗涤，在真空下干燥。产量：460g(86％)灰色晶体，维生素C纯度99％。通过从文献已知的例如重结晶的方法可得到高纯度的维生素C。
实施例7
584g(2mol)二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸一水合物悬浮在667g(9mol)正丁醇中，加入5g浓硫酸后，混合物排空至200毫巴。加热到85℃后，2小时后，馏出580g含丙酮和水的正丁醇。粘稠的金黄色熔化物与906ml(8.9mol)全氯乙烯混合，加入84ml浓盐酸后，在72-75℃重排17小时。抽滤沉淀的L-抗坏血酸，用正丁醇洗涤，真空下干燥。得到纯度98.6％的580g(87％)浅灰色粗产物。
实施例8
根据实施例1，连续进行酯化反应。粘稠的金黄色熔化物在72℃以12.4kg/小时同0.1mol的37％浓度盐酸/小时一起连续地泵入加热到107℃的管式反应器中。在操作的稳定状态保持7.2巴的压力。4分钟停留时间后，将反应混合物在32℃在20-50毫巴操作的薄膜蒸发器中减压，在底部分离出几乎无色的L-抗坏血酸含水溶液。进一步冷却后，将其直接进行纯化和结晶。反应排出的物质的样品成分测定表明L-抗坏血酸的产率为87.5％，纯度98.3％。在薄膜蒸发器顶部除去的馏出物在冷却后再次蒸馏，回收的醇再次用于酯化。
Claims (13)
1.一种制备L-抗坏血酸的方法，其包括在酸性条件下，将2-酮基-L-古洛糖酸C3-C10烷基酯的熔化物内酯化。
2.根据权利要求1的方法，其中内酯化在无机酸存在下在惰性的、不与水混溶的溶剂中进行。
3.根据权利要求2的方法，其中内酯化在含水盐酸存在下在卤代烃中进行。
4.根据权利要求3的方法，其中使用的惰性溶剂是选自二氯甲烷、氯仿和全氯乙烯的卤代烃。
5.根据权利要求1-4之一的方法，其中
a)在酸性催化剂存在下，用C3-C10醇酯化2-酮基-L-古洛糖酸或2，3:4，6-二-O-异亚丙基-2-酮基-L-古洛糖酸，
b)将过量的C3-C10醇和反应生成的水一起蒸出，和
c)在酸性条件下，将无水熔化形式的、生成的2-酮基-L-古洛糖酸C3-C10烷基酯内酯化。
6.根据权利要求5的方法，其中在方法步骤a)中的酯化使用选自正丙醇、异丙醇、1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1-丙醇、2-甲基-2-丙醇、1-戊醇、1-己醇和1-辛醇的醇进行。
7.根据权利要求5的方法，其中在无机酸或酸性离子交换剂存在下进行方法步骤a)中的酯化。
8.根据权利要求5的方法，其中使用正丁醇在硫酸存在下进行方法步骤a)中的酯化。
9.根据权利要求5的方法，其中在惰性的、不与水混溶的溶剂中进行方法步骤a)中的酯化。
10.根据权利要求5的方法，其中使用的原料是2-酮基-L-古洛糖酸。
11.根据权利要求5的方法，其中方法步骤a)-c)的反应温度在-10-160℃范围内。
12.根据权利要求5的方法，其中方法步骤a)-c)的酯化和内酯化在0.1-10巴范围内的压力下进行。
13.根据权利要求5的方法，其中方法步骤a)和b)中形成的酯不需分离和纯化直接用于内酯化步骤。
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