一種利用甲殼素類生物質(zhì)制備果糖嗪的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用甲殼素類生物質(zhì)制備果糖嗪的方法。
技術(shù)背景
[0002]隨著傳統(tǒng)化石燃料的日益枯竭及環(huán)境保護(hù)壓力的不斷增大，發(fā)展可持續(xù)、無污染、可再生的替代能源日益受到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)作為數(shù)量巨大，價格低廉的一種可持續(xù)性資源，是解決目前資源和能源危機(jī)的有效途徑。甲殼素及其部分或全部脫乙酰基衍生物是自然界中重要的海洋生物質(zhì)資源，每年生物合成的甲殼素約100億噸，是儲量僅次于纖維素的第二大生物質(zhì)資源，也是自然界中除蛋白質(zhì)外數(shù)量最大的含氮天然有機(jī)物，更是自然界中唯一的堿性氨基多糖(Nature.2015, 524, 155-157.自然，2015，524，155-157 ；Green Chem.，2014，16，2204-2212.綠色化學(xué)，2014，16，2204-2212)。將甲殼素類等含氮生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成一些平臺化合物，以及進(jìn)一步將這些平臺化合物轉(zhuǎn)化成燃料或化學(xué)品符合綠色可持續(xù)發(fā)展路線。依據(jù)生物質(zhì)特性設(shè)計開發(fā)高效催化劑，篩選綠色溶劑體系，是生物煉制尋求突破的關(guān)鍵。目前，甲殼素類生物質(zhì)資源在多個領(lǐng)域均有非常重要的用途:食品工業(yè)中，甲殼素及其水溶性衍生物殼聚糖可用作保鮮劑、澄清劑及抗氧化劑等；在醫(yī)藥領(lǐng)域中，由于甲殼素類生物質(zhì)毒性小、具有很好的生物相容性和降解性，因此常被用作藥物緩釋劑。近期，甲殼素類生物質(zhì)也被作為催化劑的載體(Chem.Common.，2010，46，5593-5595.化學(xué)通訊，2010，46，5593-5595)以及制備磁性凝膠材料用于污水處理(Chem.Commun.，2012，48，7350 - 7352.化學(xué)通訊，2012，48，7350 - 7352)。迫于資源危機(jī)和環(huán)境壓力，探索生物質(zhì)高效利用模式已成為各國化學(xué)化工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。若能通過適當(dāng)途徑高效利用這些過剩的甲殼素類生物質(zhì)資源，必將對我國發(fā)展經(jīng)濟(jì)和提高人民物質(zhì)生活水平產(chǎn)生積極意義。將儲量最多的陸生生物質(zhì)資源纖維素及其單體葡萄糖轉(zhuǎn)化為生物基化學(xué)品，如5 -羥甲基糠醛或乙酰丙酸等平臺化合物，是當(dāng)前生物質(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。然而，將儲量最多的海洋生物質(zhì)資源甲殼素，殼聚糖及其相對應(yīng)的單體乙酰胺基葡萄糖和氨基葡萄糖定向轉(zhuǎn)化為高附加值生物基化學(xué)品，文獻(xiàn)報道卻較少，如吡嗪類含氮雜環(huán)化合物果糖嗪的制備。果糖嗪屬于煙草潛香類物質(zhì)，在煙草上具有提高煙草細(xì)膩程度增加煙氣濃度增香和改善吸味的作用；此外，相關(guān)報道顯示果糖嗪還具有一定的生理活性。果糖嗪主要由兩分子氨基葡萄糖的縮合反應(yīng)而來，在多種植物中均有存在，諸如中藥三七以及煙草中均有一定含量的果糖嘆(The Journal of Organic Chemistry,有機(jī)化學(xué)，1966，31，2239-2241)。此外，Kushida等研究了在熱的甲醇以及甲醇鈉溶液中，以甘露糖胺鹽酸鹽和氨基葡萄糖鹽酸鹽制備果糖嗪。然而，上述反應(yīng)步驟復(fù)雜，反應(yīng)時間過長，后續(xù)步驟復(fù)雜，收率不高且目標(biāo)產(chǎn)物選擇性差(Chem.Pharm.Bull.，1991，39，792-794.化學(xué)藥物快報，1991，39，792-794)。我們前期的發(fā)明專利“一種利用甲殼素類生物質(zhì)資源制備含氮雜環(huán)化合物的方法”，不能選擇性制備果糖嗪，同時生成部分脫氧果糖嗪，目標(biāo)產(chǎn)品收率低，產(chǎn)品分離難度大，離子液體催化劑的用量大，并且結(jié)晶得到產(chǎn)品的步驟復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種原料來源廣泛，無污染，制備簡單，產(chǎn)品純度高的利用甲殼素類生物質(zhì)為原料，選擇性制備高附加值含氮雜環(huán)果糖嗪的方法。
[0004]由于果糖嗪具有特殊的芳香雜環(huán)分子結(jié)構(gòu)及生物活性，果糖嗪被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿按硇缘男滦推脚_化合物，在醫(yī)藥化學(xué)和食品科學(xué)等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國藥集團(tuán)的市場報價，果糖嗪的市場價格是每毫克可達(dá)394元。因此，設(shè)計開發(fā)高效催化體系和環(huán)境友好型溶劑及添加劑，將可再生的海洋生物質(zhì)資源選擇性轉(zhuǎn)化成一些高附加值含氮平臺化合物果糖嗪具有十分廣闊的前景和深遠(yuǎn)的意義。
[0005]與傳統(tǒng)堿性條件下脫氫制備果糖嗪相比，離子液體作為催化劑的應(yīng)用具有高效，綠色無污染，可循環(huán)使用等多方面的優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。由此可見，開發(fā)更為新型高效的離子液體催化體系和環(huán)境友好型溶劑及添加劑用于單糖及結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的碳水化合物，進(jìn)而高選擇性地制備果糖嗪，具有重要理論意義和應(yīng)用價值。
[0006]本發(fā)明利用堿性咪唑基離子液體作為催化劑，極性非質(zhì)子溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，氧化作為添加劑應(yīng)用于甲殼素類生物質(zhì)選擇性制備果糖嗪。一方面，離子液體作為催化劑，具有以下優(yōu)點(diǎn):不揮發(fā)，無色、無嗅、無污染，具有較大的穩(wěn)定溫度范圍，較好的化學(xué)穩(wěn)定性。此夕卜，離子液體最大優(yōu)點(diǎn)還在于它的可設(shè)計性，通過陰陽離子的適當(dāng)組合可調(diào)節(jié)它的物理化學(xué)特性，符合分離或催化的不同要求。另一方面，極性非質(zhì)子溶劑是一類環(huán)境友好型溶劑，被用作很多有化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)。此外，氧化物作為添加劑，例如過氧化氫，綠色環(huán)保，被廣泛用于碳水化合物轉(zhuǎn)化，可提高反應(yīng)選擇性。本發(fā)明涉及的甲殼素類生物質(zhì)降解制備含氮雜環(huán)化合物果糖嗪，反應(yīng)過程高效，產(chǎn)物控制精確且具有很高的應(yīng)用價值，生產(chǎn)過程綠色。
[0007]本發(fā)明的具體操作包括如下步驟:
[0008](1)按干燥的甲殼素類生物質(zhì)原料、咪唑類離子液體溶液和添加劑重量之和??二甲基亞砜=0.l-25g:1ml，將干燥的甲殼素類生物質(zhì)原料、咪唑類離子液體溶液和添加劑加入二甲基亞砜中混合均勻，在20°C -200°C下反應(yīng)5分鐘-10天，其中:咪唑離子液體與甲殼素類生物質(zhì)原料質(zhì)量比為1:2-100，加入甲殼素類生物質(zhì)原料與氧化劑的質(zhì)量比為1:1-50，得到中間產(chǎn)物；
[0009](2)在步驟(1)得到的中間產(chǎn)物加入結(jié)晶溶劑，其中中間產(chǎn)物:溶劑體積比為1:1-1: 10，將產(chǎn)物全部溶解，去除不溶雜質(zhì)，濾液旋蒸濃縮，靜置10小時-24小時，重結(jié)晶制備產(chǎn)物。
[0010]如(1)步驟所述的甲殼素類生物質(zhì)是分子量范圍為1-30萬的甲殼素，分子量范圍為0.1-20萬、脫乙酰度為50%-100%的殼聚糖，D-氨基葡萄糖鹽酸鹽，D-氨基葡萄糖硫酸鉀鹽中間或D-氨基葡萄糖硫酸鈉鹽等。
[0011]如(1)步驟所述的咪唑類離子液體為1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸鹽離子液體、1- 丁基-3-甲基-咪唑醋酸鹽離子液體、氫氧化1-乙基-3-甲基咪唑離子液體、氫氧化
1-己基-3-甲基咪唑離子液體、1- 丁基-3-甲基-咪唑碳酸鹽離子液體、1- 丁基-3-甲基-咪唑碳酸氫鹽離子液體或1- 丁基-3-甲基-咪唑苯甲酸鹽離子液體等。
[0012]如上所述的咪唑類離子液體采用兩步合成法制備。該方法的第一步是制備含目標(biāo)陽離子的鹵代鹽離子液體(鹵代陰離子X = C1，Br)，其中鹵代咪唑鹽類離子液體的制備過程為:首先對純化過的烷基咪唑和鹵代烷烴混合；然后控制一定的溫度，在密封攪拌條件下反應(yīng)，后經(jīng)洗滌、重結(jié)晶和減壓蒸餾，制得純凈的鹵代咪唑鹽類離子液體；然后采用含有目標(biāo)陰離子的鹽或酸(如醋酸鉀、醋酸鈉、碳酸鈉或氫氧化鉀)進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)，得到目標(biāo)離子液體。該反應(yīng)通常在室溫攪拌下反應(yīng)。具體的制備方法見J.1ran.Chem.Soc.，2009，6，647-678.伊朗化學(xué)學(xué)會，2009，6，647-678 ；0rg.Lett.，2005，7，3049-3052.有機(jī)化學(xué)通訊，2005，7，3049-3052 ο
[0013]如(1)步驟所述的添加劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 % -95 %的過氧化氫水溶液，次氯酸鈉，次溴酸鈉，次溴酸鉀等的一種或幾種。
[0014]如⑵步驟所述的結(jié)晶使用的溶劑為乙腈，乙醇，丙醇，丙酮中的一種或幾種。
[0015]果糖嗪屬于煙草潛香類物質(zhì)，在煙草上具有提高煙草細(xì)膩程度增加煙氣濃度增香和改善吸味的作用，也具有生理活性。果糖嗪在生理作用上對DNA的斷裂比其衍生物脫氧果糖嗪有更高的活性。通過含氮化合物與一些單糖的反應(yīng)可以制備果糖嗪。最早報道了果糖與氨基酸反應(yīng)物形成果糖嗪，雖然在溫和的條件下反應(yīng)，但果糖嗪的合成需要很長的時間，很難滿足實(shí)際生