单基团保护法.doc

单基团保护法制备三氯蔗糖的研究*郑建仙 高宪枫 袁尔东（华南理工大学食品与生物工程学院，广州，510640）摘 要 单基团保护法制备三氯蔗糖，主要包括活泼C-6位羟基的单基团保护、选择性氯化和去保护基等三个步骤，其中C-6位羟基的单基团保护是核心步骤。研究发现，降低温度是对蔗糖C-6位最活泼羟基进行单一选择性保护的有效方法。在-25下，蔗糖与乙酸酐（摩尔比为0.95）反应6h即可。选择性氯化的最佳反应条件为：蔗糖-6-乙酸酯（S-6-a）浓度15%（w/v），S-6-aVilsmeier =17（mol/mol），反应温度120，反应时间2.5h。对氯化产物进行全乙酰化后以TGSPA的形式结晶出来，再去除保护基，可有效减轻分离纯化的压力，确保产品纯度和得率。单酯化反应和氯化反应还可合二为一，以有效缩短制备路线，提高反应的可操作性。本研究通过大量试验确定了具体制备路线，并优化了各反应参数，三氯蔗糖终产品得率为8.3%。利用单基团保护法，可有效缩短三氯蔗糖的制备路线，简化操作过程，但对反应条件和分离设备的要求较高。关键词 三氯蔗糖 单基团保护法 选择性氯化Research on the Monogroup-protected Synthesis of SucraloseAbstract The monogroup-protected synthesis method of sucralose contains monogroup protection of C-6 hydroxy, selective chlorination of particular groups and deshielding of protected hydroxy, in which monogroup protection of C-6 hydroxy is the key step. The temperature reduction was shown to be an effective method for the most active C-6 hydroxy mono-protection. Sucrose reacted with acetic anhydride for 6h at -25. The optimized parameters of selective chlorination were 15% (w/v) sucrose-6-acetate (S-6-a), S-6-a:Vilsmeier=1:7, 125 and 2.5h. The chlorinated S-6-a could be crystallized in the form of trichloro-pentaacetate (TGSPA) after holo-acetylation. The additional process would release the pressure of separation, which is required in the monogroup-protected method, and finally increase the productivity. The mono-esterification and chlorination can be combined, which can be advantaged to shorten the reaction routes and improve operation. After a lot of experiments, the definite route of preparation and the optimized reaction parameters were determined. And the productivity of sucralose reached 8.3%. With the monogroup-protected method, the synthesis route could be shortened and the operation units simplified, although the reaction conditions and separation equipments are requested strictly.Keywords sucralose monogroup-protected synthesis selective chlorination三氯蔗糖因其甜度高、甜味特性好、无能量、安全性高、稳定性好等优点，可在很多用途上替代蔗糖，应用范围十分广泛，是目前市面上所能见到的最理想的强力甜味剂之一。三氯蔗糖的传统制备方法全基团保护法，虽具有无需分离精制、得率高和产品纯度高等优点，但同时也存在反应路线长、成本高等缺点，导致三氯蔗糖价格昂贵，而影响了它的实际应用1。本研究以单基团保注* 国家自然科学基金资助项目（29906003）护法制备三氯蔗糖，对其合成过程进行深入研究，优化工艺参数，试图获得一种路线更短、成本更低的制备方法。1. 材料与方法1.1 制备原理单基团保护法合成三氯蔗糖的首要步骤是，将蔗糖活泼的C-6位羟基进行单独保护，然后再通过选择性氯化取代C-4,1,6位上的羟基，最后脱去C-6位上的保护基团生成终产物三氯蔗糖2。除各个步骤间必要的分离操作外，整个制备过程主要包括以下三个步骤： 利用适当的保护基团，在合适的反应条件下，对蔗糖分子中的C-6位羟基进行单基团保护。 选用适当的氯化试剂，选择性氯化蔗糖C-4,1,6位羟基。 脱去C-6位上的保护基团使其恢复为自由羟基，得到终产品三氯蔗糖。1.2 实验步骤1.2.1 S-6-a的制备将蔗糖溶于吡啶，在低温下与乙酸酐反应，使C-6位羟基单独乙酰化，生成蔗糖-6-乙酸酯（S-6-a）。1.2.2 选择性氯化以五氯化磷和二甲基甲酰胺（DMF）为原料，预先制备氯化试剂Vilsmeier试剂。将Vilsmeier试剂溶解于DMF中，加入S-6-a与之反应，得到以4,1, 6-三氯-6-乙酰蔗糖酯为主的氯化乙酰蔗糖酯混合物。1.2.3 全乙酰化将氯化乙酰蔗糖酯混合物溶于吡啶中，经乙酸酐完全酯化作用后，浓缩、结晶出白色针状晶体，重结晶2次得到三氯-五乙酰基蔗糖酯（TGSPA）。1.2.4 乙酰基的脱除将TGSPA结晶溶解于甲醇中，加入甲醇钠调节pH9，室温下反应4.5h，即得终产品三氯蔗糖。1.3 分析鉴定1.3.1 中间产物S-6-a的分析鉴定在单基团保护法合成三氯蔗糖中，涉及到两个具有重要意义的中间产物，一个是S-6-a，另一个是4,1,6-三氯-6-乙酸蔗糖酯。由于无法得到这两个中间产物的标准物，因此对中间产物的分析鉴定只能借助其物理常数来进行。物理常数是有机化合物的重要物理特性，包括熔点、凝固点、沸点、比重、折射率、比旋光与分子量等，它们是鉴定有机化合物的必要参数，也是反映化合物纯度的标志。尽管某个物理常数相同的化合物可以不止一种，然而同时具有2个以上相同物理常数的化合物却极为罕见，因而测定物理常数仍是鉴定有机化合物的有效方法3。1.3.2 终产物三氯蔗糖的分析鉴定采用高压液相色谱法（HPLC），色谱条件为：色谱柱 m-Bondapad C18反相柱，3.9300mm流动相 水乙腈 = 31（v/v）流速 0.5mL/min柱温 302. 结果与讨论单基团保护法的核心在于对蔗糖C-6位羟基的保护，以避免该位置在随后的氯化反应中引入苦味氯原子，此步骤也是后续各步反应的基础和影响终产物得率的关键所在。这种选择性保护需要相当严格的反应条件，同时还需要有效的分离设备。因此蔗糖C-6位羟基的单基团保护，成为整个合成过程中对反应条件和分离条件要求最严格的步骤。蔗糖具有醇的典型反应，其8个羟基的相对活性顺序大体为664123,3,4，这些羟基的反应活性不仅受空间排列的影响，也受反应性质、反应条件（温度、溶剂、时间、反应物浓度等）、试剂性质及活化络合物稳定性等多方面因素的影响。因此，尽管各羟基（尤其是同级羟基）之间所处的位置及活性差异不大，但只要严格控制反应条件，仍然有可能选择性地合成部分取代的蔗糖衍生物，并使某种特定的产物处于优势地位。因此，严格控制反应条件确保蔗糖C-6位单基团保护衍生物占主导地位，以及如何利用目标产物的各种特性来简化分离操作，是合成路线的选择上两个重点问题。2.1 S-6-a合成反应条件的优化C-6位羟基的单基团保护是本制备法的核心步骤，要求所形成的中间产物对氯化试剂稳定，而又易于脱除。其中，最适用的方法是酯类保护法，因为它兼具引入方便、在所需反应条件下稳定以及易于除去等优点。通常选择羧酸的活泼衍生物作为酯化试剂，其中最常用的是酰基酐或酰基卤。对蔗糖来说，形成乙酸酯或其它羧酸酯是最有效的保护醇羟基方法，这可以使它在随后的酸性条件中不受影响。酯化反应的条件取决于酯化试剂的特性，如与乙酸酐反应时受吡啶等杂环胺的影响。试验表明，若酯化反应在催化剂催化、无水和极性非质子传递溶剂中进行，可得到较高得率的蔗糖单酯化物。蔗糖和乙酸酐在弱碱性条件（如吡啶溶液）下很容易反应，单酯化物的得率较高。但在含水的强碱性条件下，蔗糖和乙酸酐反应更容易生成多酯化物。尽管蔗糖的酯化反应也可以在酸性环境中进行，但酸性环境容易导致蔗糖的水解。同时，控制反应条件不仅要保证单酯化衍生物占主要地位，而且要使酯化反应尽可能地在C-6位上发生。蔗糖的酯化反应中可优先起反应的是C-6、1和6位羟基，各羟基反应的活泼次序是C-6,6124。因C-6活性与C-6位相当，得到的只能是既有C-6位取代又有C-6位取代及少许其他位取代的单双蔗糖酯混合物。因此，还必须通过严格控制反应条件（如蔗糖和乙酸酐的反应比例、反应温度和时间等），以使单酯化反应尽可能地发生在蔗糖C-6位上。本研究选用乙酸酐和蔗糖在吡啶溶液中低温下进行单酯化反应，以实现对蔗糖C-6位羟基的单基团保护。研究发现，当蔗糖用最小量的吡啶（蔗糖吡啶=112.5，w/w）溶解时，可以尽可能地避免在反应过程中产生蔗糖脱氧环化衍生物4。因此，本研究仅以蔗糖和乙酸酐的摩尔比、反应温度和反应时间等三个因素，分别对S-6-a的合成条件进行优化，结果如图13所示。蔗糖单酯化反应结束后，在体系中加入CHCl3可以使S-6-a及部分其它酯化副产物迅速结晶析出。但由于没有S-6-a标准物，且未能对蔗糖单乙酯化后的产物进行充分分离，故未能测出各种反应条件下的S-6-a实际得率。因此各图13中的纵坐标是以某种参照条件为前提，将该反应条件下得到的S-6-a在薄层色谱上的斑点面积作为基准（设定为1），再将其他各种反应条件下所得的S-6-a斑点面积和它比较而建立起来的。图1 蔗糖和乙酸酐摩尔比对单酯化反应效果的影响（-18，7h）由图1可见，当蔗糖与乙酸酐摩尔比值在0.91.0之间时，“相对S-6-a值”最大，且此时原料的利用率也最大。薄层色谱结果也显示，当乙酸酐过量较多时反应产物趋于复杂化，这是因为多乙酰化产物大大增加的缘故。图2 反应温度对单酯化反应效果的影响（蔗糖乙酸酐 = 0.95（mol/mol），7h）图2显示，低温对蔗糖C-6位的单乙酰化有显著效果。其原因可能在于，在低温下各反应基团的活性都下降，蔗糖其余游离羟基活性被钝化，而最活泼的C-6羟基此时尚有反应活性，因此S-6-a的得率较高。薄层色谱结果也表明，随着温度的升高，反应产物渐趋复杂。当反应温度高于0时，薄层上出现3个以上的斑点，其中S-6-a的斑点出现拖尾现象，斑点颜色也很浅。从图2的曲线趋向来看，继续降温可进一步提高S-6-a的得率。但从生产可操作性和经济效益方面考虑，本研究选用-25为反应温度。图3 反应时间对单酯化反应效果的影响（蔗糖乙酸酐 = 0.95（mol/mol），-25）根据图3可知，低温长时间反应有利于S-6-a的形成。但当反应时间大于6h时，“相对S-6-a值”增长缓慢，继续延长时间对反应对提高S-6-a得率并无明显效果，因此选择6h为最佳反应时间。综上所述，合成S-6-a的最佳反应条件为：蔗糖乙酸酐= 0.95（mol/mol），反应温度-25，反应时间6h。2.2 选择性氯化醇羟基可以被多种氯代试剂氯化，如亚硫酰氯、三苯基膦/四氯化碳、Vilsmeier试剂、三苯基膦氧化物/氯化亚砜等。本研究要求选择性地氯化蔗糖C-1,4,6位羟基，其中C-1位羟基因空间位阻等原因而较难氯化，同时又要尽可能地避免蔗糖剩余未保护醇羟基的氯化。因此，控制反应限度的问题就显得十分重要，这就要求选择既有适当氯化能力又有良好选择性的氯化试剂。Vilsmeier试剂是一种较好的氯化试剂，其优点表现在制备容易和选择性较好，它可安全有效地氯化蔗糖分子4、1和6位，理论得率可达80%以上。Vilsmeier试剂是由无机酸氯化物与化学式为R2NCOX的N,N-二烷基胺（如二甲基甲酰胺，二乙基乙酰胺）反应制得，其中X代表氢原子或甲基，R代表烷基。通常使用的无机酸氯化物有五氯化磷、光气和氯化亚砜等。Vilsmeier试剂可以直接在氯化反应体系中生成，但最好在使用前预先制备。 在本研究中，Vilsmeier试剂由PCl5和冷冻DMF（PCl5质量/kgDMF体积/L= 11.5）反应制得，反应中温度不超过50。以Vilsmeier进行选择性氯化反应时，温度最好为115125。因为温度过低，反应速度过慢；温度过高，易造成分解。最后用甲醇/氢氧化铵（21，v/v）通过中和、水解反应终止氯化。 研究表明，S-6-a与Vilsmeier试剂在特定参数下可选择性地进行氯化反应，获得相应的6-乙酰基三氯蔗糖（TGS-6-a），而且得率很高。有关资料认为5，每mol S-6-a最好与2145mol Vilsmeier试剂反应，S-6-a在溶剂中的浓度以5%45%（w/v）为益，温度115125。从理论上分析，1mol S-6-a只需与3mol Vilsmeier试剂反应，而且过量的酸性Vilsmeier试剂会给设备设计与反应条件易控制性等带来严重困难。进一步试验证明，当S-6-aVilsmeier试剂=113（mol/mol）、S-6-a浓度为10%（w/v）时，反应过程中产生大量黑色沉淀，是由于S-6-a炭化造成的。故本研究选取Vilsmeier试剂S-6-a = 59（mol/mol），S-6-a 10%20%（w/v），温度110120，时间2.54.5h为研究范围。影响反应的主要因素是Vilsmeier和S-6-a的摩尔比、S-6-a浓度、反应时间与反应温度，以上4个因素各取3个水平，如表1所示。表1 影响氯化因素的水平选择因 素VilsmeierS-6-a（mol/mol）S-6-a浓度（%，w/v）反应温度（）反应时间（h）15101102.527151153.539201204.5选用正交表L9(34)安排试验，试验方案如表2所示。试验结果表明，最佳反应条件为：S-6-a Vilsmeier试剂=17（mol/mol）；S-6-a浓度15%（w/v）；反应温度120；反应时间2.5h。在该条件下进行反应，摩尔产率可达35.6%，说明控制适当的反应条件，可提高三氯蔗糖含量，降低其他衍生物含量。表2 选择性氯化反应正交试验 因 素试验号 ABCD TGS-6-a产率（%）mol/mol浓度(%)温度()时间 (h)15101102.527.225151153.529.735201204.525.047101154.533.157151202.535.667201103.531.879101203.528.589151104.532.399201152.529.8K1j81.988.891.392.6注： Kij为各因素同一水平的结果之和K2j100.597.692.690K3j90.686.689.190.4极差18.6113.52.6因素主次ABCD最优组合A2B2C3D12.3 4,1,6-三氯-6-乙酰基蔗糖酯（TGS-6-a）的分离由于S-6-a的氯化反应是化学反应，专一性不强，因此S-6-a直接氯化后的体系组成较为复杂，既有二氯代产物、三氯代产物，还有各种蔗糖碎片及蔗糖分子内脱水的产物。此时无论是直接从体系中分离出TGS-6-a，还是先去酯化后再分离出三氯蔗糖，其分离操作都将极为繁杂且效率低下，不利于提高三氯蔗糖的得率。目前有一种更好的分离操作方法是：将S-6-a直接氯化后的产物先进行全酯化反应，然后再以三氯-五乙酰基蔗糖酯（TGSPA）的形式结晶出来5。TGS-6-a与乙酸酐吡啶溶液充分反应得到TGSPA，此全酯化反应不涉及选择性保护的问题，因此反应条件相对于蔗糖C-6位的单酯化来说要宽松的多而容易进行。然后，通过乙酸乙酯或甲苯等有机溶剂将TGSPA从含水的体系中提取出来，再经浓缩、结晶，最后脱除5个乙酰基，即可得到较纯的三氯蔗糖终产物。尽管此法增加了一步反应，但却大大减轻了分离操作的压力，在工艺上和经济上都是可行的，因此本研究采用这种方法对S-6-a的氯化产物进行分离提纯。当这种方法和S-6-a的分离提纯操作联合使用时，可以大大改善单基团保护法的效果，显著提高三氯蔗糖的纯度和得率。往S-6-a的氯化混合物糖浆中加入吡啶和乙酸酐，混合搅拌直至糖浆完全溶解，温度保持在60以下。然后，在50继续搅拌反应2h即可。2.4反应惰性溶剂的选择在上述试验中，单酯化和氯化反应中分别采用吡啶和DMF为溶剂，假如这两步反应都使用DMF，便可合并二步反应于一步进行，这样就可简化制备路线。以DMF代替吡啶作为单酯化反应的惰性溶剂，与吡啶作单酯化反应溶剂进行比较。结果发现，无论以吡啶或是DMF作酯化试剂，其终产品得率相当。2.5 脱乙酰基反应条件