單基團保護法

1、單基團保護法制備三氯蔗糖的研究*鄭建仙 高憲楓 袁爾東（華南理工大學食品與生物工程學院，廣州，510640）摘 要 單基團保護法制備三氯蔗糖，主要包括活潑C-6位羥基的單基團保護、選擇性氯化和去保護基等三個步驟，其中C-6位羥基的單基團保護是核心步驟。研究發(fā)現(xiàn)，降低溫度是對蔗糖C-6位最活潑羥基進行單一選擇性保護的有效方法。在-25下，蔗糖與乙酸酐（摩爾比為0.95）反應6h即可。選擇性氯化的最佳反應條件為：蔗糖-6-乙酸酯（S-6-a）濃度15%（w/v），S-6-aVilsmeier =17（mol/mol），反應溫度120，反應時間2.5h。對氯化產(chǎn)物進行全乙?；笠訲GSPA的形式結晶

2、出來，再去除保護基，可有效減輕分離純化的壓力，確保產(chǎn)品純度和得率。單酯化反應和氯化反應還可合二為一，以有效縮短制備路線，提高反應的可操作性。本研究通過大量試驗確定了具體制備路線，并優(yōu)化了各反應參數(shù)，三氯蔗糖終產(chǎn)品得率為8.3%。利用單基團保護法，可有效縮短三氯蔗糖的制備路線，簡化操作過程，但對反應條件和分離設備的要求較高。關鍵詞 三氯蔗糖 單基團保護法 選擇性氯化Research on the Monogroup-protected Synthesis of SucraloseAbstract The monogroup-protected synthesis method of sucral

3、ose 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-protect

4、ion. 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.

5、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

6、 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 conditio

7、ns 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、無能量、安全性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可在很多用途上替代蔗糖，應用范圍十分廣泛，是目前市面上所能見到的最理想的強力甜味劑之一。三氯蔗糖的傳統(tǒng)制備方法全基團保護法，雖具有無需分離精制、得率高和產(chǎn)品純度高等優(yōu)點，但同時也存在反應路線長、成本高等缺點，導致三氯蔗糖價格昂貴，而影響了它的實際應用1。本研究以單基團保注* 國家自然科學

8、基金資助項目（29906003）護法制備三氯蔗糖，對其合成過程進行深入研究，優(yōu)化工藝參數(shù)，試圖獲得一種路線更短、成本更低的制備方法。1. 材料與方法1.1 制備原理單基團保護法合成三氯蔗糖的首要步驟是，將蔗糖活潑的C-6位羥基進行單獨保護，然后再通過選擇性氯化取代C-4,1,6位上的羥基，最后脫去C-6位上的保護基團生成終產(chǎn)物三氯蔗糖2。除各個步驟間必要的分離操作外，整個制備過程主要包括以下三個步驟： 利用適當?shù)谋Ｗo基團，在合適的反應條件下，對蔗糖分子中的C-6位羥基進行單基團保護。 選用適當?shù)穆然噭?，選擇性氯化蔗糖C-4,1,6位羥基。 脫去C-6位上的保護基團使其恢復為自由羥基，得到終產(chǎn)

9、品三氯蔗糖。1.2 實驗步驟1.2.1 S-6-a的制備將蔗糖溶于吡啶，在低溫下與乙酸酐反應，使C-6位羥基單獨乙?；?，生成蔗糖-6-乙酸酯（S-6-a）。1.2.2 選擇性氯化以五氯化磷和二甲基甲酰胺（DMF）為原料，預先制備氯化試劑Vilsmeier試劑。將Vilsmeier試劑溶解于DMF中，加入S-6-a與之反應，得到以4,1, 6-三氯-6-乙酰蔗糖酯為主的氯化乙酰蔗糖酯混合物。1.2.3 全乙酰化將氯化乙酰蔗糖酯混合物溶于吡啶中，經(jīng)乙酸酐完全酯化作用后，濃縮、結晶出白色針狀晶體，重結晶2次得到三氯-五乙?；崽酋ィ═GSPA）。1.2.4 乙?；拿摮龑GSPA結晶溶解于甲醇中，

10、加入甲醇鈉調(diào)節(jié)pH9，室溫下反應4.5h，即得終產(chǎn)品三氯蔗糖。1.3 分析鑒定1.3.1 中間產(chǎn)物S-6-a的分析鑒定在單基團保護法合成三氯蔗糖中，涉及到兩個具有重要意義的中間產(chǎn)物，一個是S-6-a，另一個是4,1,6-三氯-6-乙酸蔗糖酯。由于無法得到這兩個中間產(chǎn)物的標準物，因此對中間產(chǎn)物的分析鑒定只能借助其物理常數(shù)來進行。物理常數(shù)是有機化合物的重要物理特性，包括熔點、凝固點、沸點、比重、折射率、比旋光與分子量等，它們是鑒定有機化合物的必要參數(shù)，也是反映化合物純度的標志。盡管某個物理常數(shù)相同的化合物可以不止一種，然而同時具有2個以上相同物理常數(shù)的化合物卻極為罕見，因而測定物理常數(shù)仍是鑒定有機

11、化合物的有效方法3。1.3.2 終產(chǎn)物三氯蔗糖的分析鑒定采用高壓液相色譜法（HPLC），色譜條件為：色譜柱 m-Bondapad C18反相柱，3.9×300mm流動相 水乙腈 = 31（v/v）流速 0.5mL/min柱溫 302. 結果與討論單基團保護法的核心在于對蔗糖C-6位羥基的保護，以避免該位置在隨后的氯化反應中引入苦味氯原子，此步驟也是后續(xù)各步反應的基礎和影響終產(chǎn)物得率的關鍵所在。這種選擇性保護需要相當嚴格的反應條件，同時還需要有效的分離設備。因此蔗糖C-6位羥基的單基團保護，成為整個合成過程中對反應條件和分離條件要求最嚴格的步驟。蔗糖具有醇的典型反應，其8個羥基的相對活

12、性順序大體為6>6>4>1>2>3,3,4，這些羥基的反應活性不僅受空間排列的影響，也受反應性質(zhì)、反應條件（溫度、溶劑、時間、反應物濃度等）、試劑性質(zhì)及活化絡合物穩(wěn)定性等多方面因素的影響。因此，盡管各羥基（尤其是同級羥基）之間所處的位置及活性差異不大，但只要嚴格控制反應條件，仍然有可能選擇性地合成部分取代的蔗糖衍生物，并使某種特定的產(chǎn)物處于優(yōu)勢地位。因此，嚴格控制反應條件確保蔗糖C-6位單基團保護衍生物占主導地位，以及如何利用目標產(chǎn)物的各種特性來簡化分離操作，是合成路線的選擇上兩個重點問題。2.1 S-6-a合成反應條件的優(yōu)化C-6位羥基的單基團保護是本制備法的核

13、心步驟，要求所形成的中間產(chǎn)物對氯化試劑穩(wěn)定，而又易于脫除。其中，最適用的方法是酯類保護法，因為它兼具引入方便、在所需反應條件下穩(wěn)定以及易于除去等優(yōu)點。通常選擇羧酸的活潑衍生物作為酯化試劑，其中最常用的是酰基酐或?；u。對蔗糖來說，形成乙酸酯或其它羧酸酯是最有效的保護醇羥基方法，這可以使它在隨后的酸性條件中不受影響。酯化反應的條件取決于酯化試劑的特性，如與乙酸酐反應時受吡啶等雜環(huán)胺的影響。試驗表明，若酯化反應在催化劑催化、無水和極性非質(zhì)子傳遞溶劑中進行，可得到較高得率的蔗糖單酯化物。蔗糖和乙酸酐在弱堿性條件（如吡啶溶液）下很容易反應，單酯化物的得率較高。但在含水的強堿性條件下，蔗糖和乙酸酐反應更

14、容易生成多酯化物。盡管蔗糖的酯化反應也可以在酸性環(huán)境中進行，但酸性環(huán)境容易導致蔗糖的水解。同時，控制反應條件不僅要保證單酯化衍生物占主要地位，而且要使酯化反應盡可能地在C-6位上發(fā)生。蔗糖的酯化反應中可優(yōu)先起反應的是C-6、1和6位羥基，各羥基反應的活潑次序是C-6,6>1>24。因C-6活性與C-6位相當，得到的只能是既有C-6位取代又有C-6位取代及少許其他位取代的單雙蔗糖酯混合物。因此，還必須通過嚴格控制反應條件（如蔗糖和乙酸酐的反應比例、反應溫度和時間等），以使單酯化反應盡可能地發(fā)生在蔗糖C-6位上。本研究選用乙酸酐和蔗糖在吡啶溶液中低溫下進行單酯化反應，以實現(xiàn)對蔗糖C-6

15、位羥基的單基團保護。研究發(fā)現(xiàn)，當蔗糖用最小量的吡啶（蔗糖吡啶=112.5，w/w）溶解時，可以盡可能地避免在反應過程中產(chǎn)生蔗糖脫氧環(huán)化衍生物4。因此，本研究僅以蔗糖和乙酸酐的摩爾比、反應溫度和反應時間等三個因素，分別對S-6-a的合成條件進行優(yōu)化，結果如圖13所示。蔗糖單酯化反應結束后，在體系中加入CHCl3可以使S-6-a及部分其它酯化副產(chǎn)物迅速結晶析出。但由于沒有S-6-a標準物，且未能對蔗糖單乙酯化后的產(chǎn)物進行充分分離，故未能測出各種反應條件下的S-6-a實際得率。因此各圖13中的縱坐標是以某種參照條件為前提，將該反應條件下得到的S-6-a在薄層色譜上的斑點面積作為基準（設定為1），再將

16、其他各種反應條件下所得的S-6-a斑點面積和它比較而建立起來的。圖1 蔗糖和乙酸酐摩爾比對單酯化反應效果的影響（-18，7h）由圖1可見，當蔗糖與乙酸酐摩爾比值在0.91.0之間時，“相對S-6-a值”最大，且此時原料的利用率也最大。薄層色譜結果也顯示，當乙酸酐過量較多時反應產(chǎn)物趨于復雜化，這是因為多乙?；a(chǎn)物大大增加的緣故。圖2 反應溫度對單酯化反應效果的影響（蔗糖乙酸酐 = 0.95（mol/mol），7h）圖2顯示，低溫對蔗糖C-6位的單乙?；酗@著效果。其原因可能在于，在低溫下各反應基團的活性都下降，蔗糖其余游離羥基活性被鈍化，而最活潑的C-6羥基此時尚有反應活性，因此S-6-a的得率

17、較高。薄層色譜結果也表明，隨著溫度的升高，反應產(chǎn)物漸趨復雜。當反應溫度高于0時，薄層上出現(xiàn)3個以上的斑點，其中S-6-a的斑點出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，斑點顏色也很淺。從圖2的曲線趨向來看，繼續(xù)降溫可進一步提高S-6-a的得率。但從生產(chǎn)可操作性和經(jīng)濟效益方面考慮，本研究選用-25為反應溫度。圖3 反應時間對單酯化反應效果的影響（蔗糖乙酸酐 = 0.95（mol/mol），-25）根據(jù)圖3可知，低溫長時間反應有利于S-6-a的形成。但當反應時間大于6h時，“相對S-6-a值”增長緩慢，繼續(xù)延長時間對反應對提高S-6-a得率并無明顯效果，因此選擇6h為最佳反應時間。綜上所述，合成S-6-a的最佳反應條件為：蔗

18、糖乙酸酐= 0.95（mol/mol），反應溫度-25，反應時間6h。2.2 選擇性氯化醇羥基可以被多種氯代試劑氯化，如亞硫酰氯、三苯基膦/四氯化碳、Vilsmeier試劑、三苯基膦氧化物/氯化亞砜等。本研究要求選擇性地氯化蔗糖C-1,4,6位羥基，其中C-1位羥基因空間位阻等原因而較難氯化，同時又要盡可能地避免蔗糖剩余未保護醇羥基的氯化。因此，控制反應限度的問題就顯得十分重要，這就要求選擇既有適當氯化能力又有良好選擇性的氯化試劑。Vilsmeier試劑是一種較好的氯化試劑，其優(yōu)點表現(xiàn)在制備容易和選擇性較好，它可安全有效地氯化蔗糖分子4、1和6位，理論得率可達80%以上。Vilsmeier試劑

19、是由無機酸氯化物與化學式為R2NCOX的N,N-二烷基胺（如二甲基甲酰胺，二乙基乙酰胺）反應制得，其中X代表氫原子或甲基，R代表烷基。通常使用的無機酸氯化物有五氯化磷、光氣和氯化亞砜等。Vilsmeier試劑可以直接在氯化反應體系中生成，但最好在使用前預先制備。 在本研究中，Vilsmeier試劑由PCl5和冷凍DMF（PCl5質(zhì)量/kgDMF體積/L= 11.5）反應制得，反應中溫度不超過50。以Vilsmeier進行選擇性氯化反應時，溫度最好為115125。因為溫度過低，反應速度過慢；溫度過高，易造成分解。最后用甲醇/氫氧化銨（21，v/v）通過中和、水解反應終止氯化。 研究表明，S-6-

20、a與Vilsmeier試劑在特定參數(shù)下可選擇性地進行氯化反應，獲得相應的6-乙酰基三氯蔗糖（TGS-6-a），而且得率很高。有關資料認為5，每mol S-6-a最好與2145mol Vilsmeier試劑反應，S-6-a在溶劑中的濃度以5%45%（w/v）為益，溫度115125。從理論上分析，1mol S-6-a只需與3mol Vilsmeier試劑反應，而且過量的酸性Vilsmeier試劑會給設備設計與反應條件易控制性等帶來嚴重困難。進一步試驗證明，當S-6-aVilsmeier試劑=113（mol/mol）、S-6-a濃度為10%（w/v）時，反應過程中產(chǎn)生大量黑色沉淀，是由于S-6-a炭

21、化造成的。故本研究選取Vilsmeier試劑S-6-a = 59（mol/mol），S-6-a 10%20%（w/v），溫度110120，時間2.54.5h為研究范圍。影響反應的主要因素是Vilsmeier和S-6-a的摩爾比、S-6-a濃度、反應時間與反應溫度，以上4個因素各取3個水平，如表1所示。表1 影響氯化因素的水平選擇因 素VilsmeierS-6-a（mol/mol）S-6-a濃度（%，w/v）反應溫度（）反應時間（h）15101102.527151153.539201204.5選用正交表L9(34)安排試驗，試驗方案如表2所示。試驗結果表明，最佳反應條件為：S-6-a Vilsm

22、eier試劑=17（mol/mol）；S-6-a濃度15%（w/v）；反應溫度120；反應時間2.5h。在該條件下進行反應，摩爾產(chǎn)率可達35.6%，說明控制適當?shù)姆磻獥l件，可提高三氯蔗糖含量，降低其他衍生物含量。表2 選擇性氯化反應正交試驗 因 素試驗號 ABCD TGS-6-a產(chǎn)率（%）mol/mol濃度(%)溫度()時間 (h)15101102.527.225151153.529.735201204.525.047101154.533.157151202.535.667201103.531.879101203.528.589151104.532.399201152.529.8K1j81.9

23、88.891.392.6注： Kij為各因素同一水平的結果之和K2j100.597.692.690K3j90.686.689.190.4極差18.6113.52.6因素主次ABCD最優(yōu)組合A2B2C3D12.3 4,1,6-三氯-6-乙?；崽酋ィ═GS-6-a）的分離由于S-6-a的氯化反應是化學反應，專一性不強，因此S-6-a直接氯化后的體系組成較為復雜，既有二氯代產(chǎn)物、三氯代產(chǎn)物，還有各種蔗糖碎片及蔗糖分子內(nèi)脫水的產(chǎn)物。此時無論是直接從體系中分離出TGS-6-a，還是先去酯化后再分離出三氯蔗糖，其分離操作都將極為繁雜且效率低下，不利于提高三氯蔗糖的得率。目前有一種更好的分離操作方法是：將

24、S-6-a直接氯化后的產(chǎn)物先進行全酯化反應，然后再以三氯-五乙?；崽酋ィ═GSPA）的形式結晶出來5。TGS-6-a與乙酸酐吡啶溶液充分反應得到TGSPA，此全酯化反應不涉及選擇性保護的問題，因此反應條件相對于蔗糖C-6位的單酯化來說要寬松的多而容易進行。然后，通過乙酸乙酯或甲苯等有機溶劑將TGSPA從含水的體系中提取出來，再經(jīng)濃縮、結晶，最后脫除5個乙?；?，即可得到較純的三氯蔗糖終產(chǎn)物。盡管此法增加了一步反應，但卻大大減輕了分離操作的壓力，在工藝上和經(jīng)濟上都是可行的，因此本研究采用這種方法對S-6-a的氯化產(chǎn)物進行分離提純。當這種方法和S-6-a的分離提純操作聯(lián)合使用時，可以大大改善單基團保護法的效果，顯著提高三氯蔗糖的純度和得率。往S-6-a的氯化混合物糖漿中加入吡啶和乙酸酐，混合攪拌直至糖漿完全溶解，溫度保持在60以下。然后，在50繼續(xù)攪拌反應2h即可。2.4反應惰性溶劑的選擇在上述試驗中，單酯化和氯化反應中分別采用吡啶和DMF為溶劑，假如這兩步反應都使用DMF，便可合并二步反應于一步進行，這樣就可簡化制備路線。以DMF代替吡啶作為單酯化反應的惰性溶劑，與吡啶作單酯化反應溶劑進行比較。結果發(fā)現(xiàn)，無論以吡啶或是DMF作酯化試劑，其終產(chǎn)品得率相當。2.5 脫乙?；磻獥l