三氯蔗糖合成制备中的一种单基团保护法生产工艺探讨

  三氯蔗糖合成的原理就是先对蔗糖分子中的部分羟基进行保护,再对相应位置的三个羟基进行氯代,脱保护后得到三氯蔗糖。三氯蔗糖合成的基本方法可分为纯化学法和化学-酶…

  三氯蔗糖合成的原理就是先对蔗糖分子中的部分羟基进行保护,再对相应位置的三个羟基进行氯代,脱保护后得到三氯蔗糖。三氯蔗糖合成的基本方法可分为纯化学法和化学-酶法。化学-酶法即用酶法保护羟基,化学法氯代和脱保护。化学-酶法因受原料来源及酶筛选、制备等因素影响,尚处于探索阶段,缺乏短期内实现工业化生产的条件。纯化学法按羟基被保护的程度分为全保护法和单保护法。全保护法即氯代前蔗糖分子中不被氯代的5个羟基全被保护起来;而单保护法只保护比3个待氯代羟基活性大的6位羟基。华东理工大学食品添加剂和配料研究组在此介绍或探讨一种单基团保护法工艺:

一、6-蔗糖酯(6-SE)的制备

低温直接酯化  在-35下对蔗糖直接进行酯化,主要得到6-SE,但仍有较大量的其它酯化物需用层析柱分离提纯。华东理工大学食品添加剂和配料研究组认为此方法对冷冻和层析设备要求较高。原酸醋化法: 一般是将蔗糖与原乙酸三甲酯反应生成环状的蔗糖4,6-原乙酸甲酯,滴入计量的水发生开环反应得蔗糖4-乙酯和6-乙酯,再滴入计量的特丁胺调节pH值,发生乙酰基迁移,4位乙酰基迁移至6位,蔗糖4-乙酯转化为6乙酯,即6-SE。反应液蒸干水分后,6-SE纯度83%,有15%的蔗糖残留。此法反应条件温和、步骤简单,但原乙酸三甲酯无工业品供应且不能回收,所得6-SE中残留蔗糖对氯代反应有影响。有机锡法:将蔗糖溶于DMF,加入四丁基氧化锡(DBTO)作为催化剂,再加入环己烷作为催化剂的助溶剂及带水剂,加热回流,不断分出生成的水,于5下滴加酸酐,生成6-SE,加水分层,油层回收催化剂,水层蒸干水分后,6-SE纯度约95%,无蔗糖残留。可直接用于氯代,催化剂分离回收较简单。

二、氯代反应及后处理

    6-SE的氯代溶剂只能使用非质子极性溶剂,一般以vilsmeier试剂作为氯代试剂,氯代催化体系的应用效果在单保护法中不明显。6-SE未保护羟基比6-PAS多,6-SE的氯代要消耗比6-PAS更多的氯代试剂,所以对酸度、温度的控制要求更高。一般单保护法的氯代产物中杂质较多,脱保护前需进一步精制。精制方法是用酸酐将产物中所有羟基酯化,再用甲苯重结晶。单保护法的脱乙酰化保护及产品精制与全保护法类似。

    蔗糖分子中的8 个羟基的活性顺序大体为6′>6 > 4 > 1′> 2 > 3 , 3′, 4′位,因而可先将6 位羟基进行保护, 选择性氯化后再将其游离出即得TGS :对6 位羟基进行保护, 一般是形成酯, 最常见的是乙酸酯和苯甲酸酯。最初Muf ti 等用乙酸酐直接对蔗糖进行6 位羟基的单酯化; 再分离出S-6-A 进行氯代, 也可不经分离直接进行氯代得到T-6-A; 为了便于分离出T-6-A , 一般是将其全乙酰化, 然后分离, 再经甲醇钠/ 甲醇体系脱乙酰基得到TGS , 总收率15 %。该法中易产生多乙酰化的蔗糖衍生物和S-6-A 难以分离,收率较低, 最高的只有40%。郑建仙等用此法制备TGS, 收率只有81.3%。Simpson 用原乙酸三甲酯在对甲苯磺酸的催化下,于DMF 中和蔗糖的4,6 位羟基形成一个环状化合物, 然后水解得到4-乙酰基蔗糖和S-6-A的混合物, 在有机碱的作用下使绝大部分4-乙酰基蔗糖转化为S-6-A ; 后经氯代、全乙酰化、脱乙酰基得到TGS。马志玲等用原乙酸三乙酯代替原乙酸三甲酯对此法作了研究。Mentech 用偶氮二甲酸异丙酯在苯甲酸催化下于DMF 中和蔗糖反应形成62苯甲酰基蔗糖来保护6 位羟基,然后氯代、脱苯甲酰基得到TGS ,总收率39.9%。但该法中偶氮二甲酸异丙酯的用量较大、回收难, 原料成本太高。Navia等将有机金属氧化物-二烃基锡氧化物应用于蔗糖262酯的制备, 可高收率得到S-6-A或S-6-B。先用二烃基氧化锡和醇反应合成中间体1 ,3-二烃氧基-1 ,1 ,3 ,3-四烃基二锡氧烷, 该中间体和蔗糖作用得到1 ,3-二-(6-O-蔗糖)-1 ,1 ,3 ,3-四烃基二锡氧烷, 再酰化得S-6-A 或S-6-B , 收率88 %~96 %。分离出S-6-B 后经高效率氯代、脱酰基得TGS , 总收率52.4 % , TGS 的收率大大提高。由此, 华东理工大学食品添加剂和配料研究组认为单基团保护法制备TGS 备受关注,后经改进, 无需分离蔗糖-6-酯, 直接进行氯代、脱酰基得到TGS,缩短了工艺流程, 节约了成本。

用Navia 法制备TGS 时,虽TGS的收率高,但由于制备过程中需在减压下替换溶剂, 且残余溶剂对后面的酰化有很大的影响; 中间产物1 ,3-二烃氧基-1 ,1 ,3 ,3-四烃基二锡氧烷对潮气很敏感,在空气中很容易分解为醇和二烃基氧化锡; 该过程中含锡产物的回收困难等, 使得该法商业化成本高。Neiditch 等将二烃基锡氧化物和糖在DMF中直接反应得到1 ,3-二-(6-O-蔗糖)-1 ,1 ,3 ,3-四烃基二锡氧烷, 然后酰化得蔗糖-6-酯。相对于Navia法减少了一种反应物、少了中间体1 ,3-二烃氧基-1 ,1 ,3 ,3-四烃基二锡氧烷, 无需溶剂交换装置。单基团保护法制备TGS , 过程中选择性保护C-6 位羟基提高S-6-A 的收率是技术关键, 同时由于只有C-6 位羟基被保护, 氯代时存在氯代限度的问题, 对于氯代试剂的选择, 氯代时间的控制等要求较全基团保护法高。华东理工大学食品添加剂和配料研究组认为,单基团保护法合成路线短, 投资小、成本低, 收率相对较高, 所用原料来源容易, 中间产物易于提纯分离, 适宜工业化生产, 是目前最具发展前景的合成工艺。

作者: 中国甜味剂网

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