一种提高碳水化合物制备左旋葡萄糖酮选择性的方法与流程

本发明属于生物质利用领域，具体涉及一种提高碳水化合物制备左旋葡萄糖酮选择性的方法。

背景技术：

左旋葡萄糖酮(lgo，1，6-脱水-3，4-二脱氧-β-d-吡喃糖烯-2-酮)是一种重要的新型生物基平台化合物，可作为手性合成子在药物合成和有机反应中应用范围很广。lgo具有独特的刚性二环结构、糖苷键、羰基以及碳碳双键，使其在有机合成尤其是手性合成中具有巨大的潜在应用价值，例如，lgo可以加氢制备1,6-己二醇，进一步胺化获得己二胺，一种重要的化工原料和材料单体；lgo经氧化后可以制备牛奶内酯，作为食品中奶香味的香料；lgo还可以被用作起始原料用于合成双环缩酮类的化合物5-乙基-2，4-二甲基-6，8-二氧杂双环[3.2.1]辛烷和河豚毒素等。

传统方法制备lgo主要为生物质热解法。生物质在250℃～550℃的有氧条件下，分解为热解焦、气体和液体三种产物的过程称为生物质热解。热解后产生的液体称为生物油，可以通过进一步转化、分离提取得到各种高价值化学品。生物油中含有多种物质，如醛类、酸类、呋喃类和酚醛树脂类等。此外，还含有一些脱水糖，主要为左旋葡聚糖和lgo。但是通过此方法制备的脱水糖产率低(<8％)、反应产物成分复杂、分离提取困难，而且反应温度很高(greenchemistry2007,9,1137-1140；journalofanalyticalandappliedpyrolysis2003,68-9,197-211；bioresourcetechnology2012,103,466-469)。

目前，cao等探索了纤维素在极性非质子型溶剂四氢呋喃和γ-戊内酯中酸催化脱水制备左旋葡聚糖和lgo的方法。相较于传统生物质热解法制备lgo，通过纤维素在极性非质子溶剂中酸催化脱水可以获得较高收率的lgo(40-50％，如：cao,f.etal,energy&enviromentalscience,2015,8(6):1808-1815和us9376451)，而且反应温度低。具体纤维素在极性非质子溶剂中的降解途径下式1。

式1纤维素在极性非质子溶剂中制备脱水糖过程。

整个降解过程为纤维素的裂解和水解同时进行，虽然可以选择无水溶剂保证反应体系初始不含有水，但在lga脱水制备lgo的过程中会产生2分子水，这些水的存在使得纤维素水解过程得到加强，水解产生的葡萄糖可进一步转化为5-羟甲基糠醛(hmf)和糠醛(ff)，造成纤维素脱水反应产物中成分复杂，不利于后续lgo的分离和利用。对于这一点，huber等通过向无水的四氢呋喃中加入少量水后，证明水分的存在确实会有助于hmf的生成并降低lgo的产率(hejy,etal,greenchemistry2017,19(15),3642-3653)。但对于如何去除反应过程中产生的水，目前还没有相关报道，这样也造成纤维素在极性非质子溶剂中降解产物总是以多种混合物形式存在，这样的结果对于后续的分离应用均会产生影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种提高碳水化合物制备左旋葡萄糖酮选择性的方法，通过向反应体系中加入脱水剂，原位吸收、消耗脱水反应产生的水，抑制水解副反应的发生，从而提高制备脱水糖产物左旋葡萄糖酮的选择性并降低形成副产物5-羟甲基糠醛和糠醛的选择性，并提高制备左旋葡萄糖酮的选择性。

一种提高碳水化合物制备左旋葡萄糖酮选择性的方法，具体为：

在极性非质子溶剂中碳水化合物酸催化脱水制备左旋葡萄糖酮的反应体系中加入脱水剂，原位吸收或消耗脱水反应产生的水，抑制水解副反应的发生，从而提高形成脱水糖产物左旋葡萄糖酮的选择性并降低形成副产物5-羟甲基糠醛和糠醛的选择性。

所述反应体系为：碳水化合物加入量为溶剂质量的0.1％～10％，催化剂加入量为2.5mm～300mm，反应温度为80℃～350℃；

本发明一个实施例中，碳水化合物加入量为溶剂质量的3％，催化剂加入量为20mm，反应体系用氩气置换三次，200℃条件下反应30min。

加入的脱水剂可以是吸水型脱水剂，如：分子筛、聚丙烯酰胺、甘油、硅胶、无水硫酸钠、无水硫酸镁、无水硫酸钙、无水硫酸铜、无水氯化钙等；反应型脱水剂，如：五氧化二铌、三氧化二硼、三氧化硫、原甲酸三乙酯、五氧化二磷、三氧化二磷等。加入脱水剂的用量为溶剂质量的0.1％～10％。

所述吸水型脱水剂进一步优选为无水硫酸钠、无水硫酸镁、无水硫酸钙、无水硫酸铜、无水氯化钙。

所述反应型脱水剂进一步优选为五氧化二磷、三氧化二磷，用量为溶剂质量的1.5％～2.5％；更优选的脱水剂为五氧化二磷，用量为溶剂质量的1.5％。

使用的极性非质子型溶剂为各种含氧类溶剂，如酯类：乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯、乙酸丁酯、γ-戊内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯等；酮类：丙酮、丁酮、甲基异丁酮、戊酮、环戊酮、环己酮、n-甲基吡咯烷酮等；醚类：四氢呋喃、丁醚、乙二醇二甲醚、1，3-二氧五环、1，4-二氧六环、2-甲基四氢呋喃、四氢吡喃等。

加入的碳水化合物为多糖、二糖、单糖以及带有保护基团糖等。多糖有淀粉、葡聚糖和纤维素等；二糖有蔗糖、乳糖、纤维二糖、麦芽糖、龙胆二糖和蜜二糖等；单糖有葡萄糖、甘露糖和半乳糖等；带有保护基团糖的保护基团主要对葡萄糖的c1位羟基进行保护，保护基团可以为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、苯基、苄基、对硝基苯基等，保护基团形成糖苷键可以是α或β型。碳水化合物加入量为溶剂质量的0.1％～10％。

加入的酸催化剂可以是无机酸，如：硫酸、磷酸、亚磷酸、次磷酸、高氯酸等；也可以是有机酸，如：甲酸、乙酸、丙酸、草酸、丁二酸、马来酸、富马酸、三氯乙酸、三氟乙酸、甲磺酸、丙磺酸、三氟甲磺酸、邻苯二甲酸和对苯二甲酸等；也可以是固体酸，如酸性离子树脂、硫酸-二氧化钛等。加入催化剂的用量为2.5mm～300mm。

反应温度为80℃～350℃。

本发明的有益效果为：

本发明在极性非质子溶剂中碳水化合物经酸催化降解制备脱水糖反应体系中加入脱水剂，原位吸收或反应脱水反应产生的水，从而提高形成脱水糖产物左旋葡萄糖酮的选择性，便于后续左旋葡萄糖酮的分离。

附图说明

图1对照例中淀粉为原料、碳酸二甲酯为溶剂时反应体系的气相色谱图；图2反应体系中加入五氧化二磷脱水剂后的气相色谱图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例中水增量是指在反应结束后测定反应体系中水含量，与初始体系中水含量的差值。水含量通过卡尔-费休水分仪测定。

实施例中lgo、hmf和ff的含量均通过气相色谱仪测定。其中，以脱水糖产物lgo的摩尔浓度与副产物hmf和ff的摩尔浓度之和的比值(lgo：(hmf+ff)，后续简称为比值)代表形成lgo的选择性，比值越高，代表形成脱水糖产物lgo的选择性越高；反之，则形成lgo的选择性越低。

实施例中使用的溶剂均为市售无水溶剂或者经过无水无氧预处理后的溶剂。

对照例：碳水化合物在极性非质子溶剂中降解制备脱水糖左旋葡萄糖酮参考cao等(cao,f.etal,energy&enviromentalscience,2015,8(6):1808-1815)通过纤维素在极性非质子溶剂中降解制备脱水糖左旋葡萄糖酮的方法，采用不同原料、不同溶剂和不同催化剂进行脱水反应，原料加入量为溶剂质量的3％，催化剂加入量为20mm，反应体系用氩气置换三次，200℃条件下反应30min，测定水增量和产物的浓度，其结果见下表1。

表1碳水化合物脱水产物比例

由表1数据可知，在不添加脱水剂的情况下，不同碳水化合物在不同极性非质子溶剂中，采用不同催化剂催化脱水反应，其水增量基本相似，在5000-6500ppm左右，而产物与副产物的比例也基本维持不变，比值在2-3之间。这表明各种碳水化合物在极性非质子溶剂中反应途径基本相似，均存在有裂解和水解两条途径，而两条途径的反应选择性基本固定，无法通过改变常规条件使形成脱水糖lgo的选择性提高。其中，淀粉为原料，溶剂为碳酸二甲酯的体系，气相色谱图见图1，反应料液经旋转蒸发仪浓缩后，产物中含有lgo、hmf和ff，lgo的纯度为72％。

实施例1：使用吸水型脱水剂情况下淀粉脱水产物比例

吸水型脱水剂包括无水盐、硅胶、甘油和分子筛等。但由于本反应体系的高温、酸性条件，并非所有能够吸水型脱水剂都可以对反应结果产生影响。我们选择了硅胶、4a级分子筛、甘油、无水硫酸铜、无水硫酸镁和无水硫酸钠为吸水型除水剂(加入量为溶剂2.5wt％)，淀粉为原料、碳酸二甲酯为溶剂、对甲苯磺酸为催化剂，其他条件与对照例相同，反应30min，测定水增量和产物的浓度，其结果见下表2。

表2使用吸水型脱水剂情况下淀粉脱水产物比例

从表2中数据可知，加入吸水型脱水剂后，反应结束时，反应体系中的水增量有增加的组分，如加入硅胶的组分中，水增量由5980ppm升至6629ppm，比值也由2.69降至2.13，其主要是因为硅胶没有起到除水的作用，加入的过程中还会带入一部分水到体系中，导致水含量增加，比值下降，lgo的选择性降低。当体系中加入甘油后，体系中的水增量减少，由5980ppm降低至5562，但比值却有所下降，主要是因为甘油会使lgo分解，从而导致比值下降。体系中加入4a级分子筛后，没有任何反应发生，这是因为4a级分子筛被硫酸破坏并粉末化。这三种脱水剂加入的组分中，除4a级分子筛的组分没有反应进行，其余组分中比值都下降了，说明并不是每一种脱水剂的加入都能够有效提高lgo的选择性，而且有些脱水剂不能稳定存在于反应体系中，导致结构被破坏，从而使反应体系无法进行。加入无水盐后反应结束时水增量有所降低，由5980ppm降低至4000-5000ppm，而比值均由2.69提高为3.4以上，这表明加入无水盐吸水型脱水剂后起到了预期的效果，降低反应体系中的水增量，同时降低了副反应发生的可能性，提高了形成脱水糖lgo的选择性。

实施例2：使用反应型脱水剂情况下淀粉脱水产物比例

反应型脱水剂能够与水发生反应，消耗反应过程中产生的水，从而降低反应体系中的水含量。在这里我们选择了五氧化二磷、原甲酸三乙酯和五氧化二铌(加入量为2.5wt％)为反应型脱水剂进行验证，五氧化二磷与水反应后形成磷酸，原甲酸三乙酯与水反应后形成甲酸乙酯和乙醇，五氧化二铌与水反应后形成铌酸。以纤维素为原料、四氢呋喃为溶剂、硫酸为催化剂，加入一定量的反应型脱水剂，其他条件与对照例相同，反应30min，测定水增量和产物的浓度，其结果见下表3。

表3使用反应型脱水剂情况下淀粉脱水产物比例

从表3中数据可知，加入原甲酸三乙酯后，反应体系中的水增量虽然被降低了，但比值却下降了，这是因为原甲酸三乙酯会使lgo分解，导致比值下降。加入五氧化二铌作为反应型脱水剂，其效果与加入无水盐是相似的，能够少量降低反应体系中的水增量，比值也能提高为3以上。相比而言，加入五氧化二磷的效果则比较明显，反应结束时水含量大幅下降，由5980ppm降低至3199ppm，同时，比值提高显著，达到7.72。五氧化二磷极大地抑制了副反应发生的可能性，提高了制备脱水糖lgo的选择性。

实施例3：不同五氧化二磷投入量对淀粉脱水产物比例的影响

在实施例2中，五氧化二磷对于提高制备脱水糖产物lgo的选择性有很大的作用，在这里我们考察改变反应型脱水剂五氧化二磷的投入量后反应体系中水增量及比值的变化情况。以纤维素为原料、四氢呋喃为溶剂、硫酸为催化剂，加入一定量的五氧化二磷作为反应型脱水剂，其他条件与对照例相同，反应30min，测定水增量和产物的浓度，其结果见下表4。

表4使用五氧化二磷为反应型脱水剂情况下淀粉脱水产物比例

从表4中数据可知，将五氧化二磷的投入量增加为3.5wt％时，水增量进一步降低，但比值有所下降，这主要是因为过量的五氧化二磷会使脱水糖产物lgo发生分解，从而导致比值下降；而降低五氧化二磷的投入量为1.5wt％后，水增量与2.5wt％的组分相比几乎没有增加，比值提高为12.33，说明2.5wt％组分中五氧化二磷的投入量也是过量的；而进一步降低五氧化二磷的投入量为0.5wt％时，反应体系中的水增量增加的幅度很大，增加为4029ppm，比值降低到6.22，这是因为加入的五氧化二磷量过低，导致反应体系中的水增量无法得到有效控制，使比值降低。相比而言，投入适量的五氧化二磷，不但可以对反应体系的水增量进行很好的控制，抑制水解副反应的发生，还能更大程度上提高制备lgo的选择性，降低形成副产物hmf和ff的选择性。其中，加入1.5wt％五氧化二磷的组分反应结果见图2，反应料液通过旋转蒸发仪浓缩后，产物中仅含有lgo和ff，lgo的纯度为94％。

本发明通过向极性非质子溶剂中碳水化合物酸催化脱水制备脱水糖左旋葡萄糖酮的反应体系中添加脱水剂，可以有效去除反应体系中的水，抑制水解副反应的发生，使形成目标产物lgo的选择性提高。