一种利用甲壳素类生物质制备果糖嗪的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用甲壳素类生物质制备果糖嗪的方法。
技术背景
[0002]随着传统化石燃料的日益枯竭及环境保护压力的不断增大，发展可持续、无污染、可再生的替代能源日益受到广泛关注。生物质作为数量巨大，价格低廉的一种可持续性资源，是解决目前资源和能源危机的有效途径。甲壳素及其部分或全部脱乙酰基衍生物是自然界中重要的海洋生物质资源，每年生物合成的甲壳素约100亿吨，是储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，也是自然界中除蛋白质外数量最大的含氮天然有机物，更是自然界中唯一的碱性氨基多糖(Nature.2015, 524, 155-157.自然，2015，524，155-157 ；Green Chem.，2014，16，2204-2212.绿色化学，2014，16，2204-2212)。将甲壳素类等含氮生物质转化成一些平台化合物，以及进一步将这些平台化合物转化成燃料或化学品符合绿色可持续发展路线。依据生物质特性设计开发高效催化剂，筛选绿色溶剂体系，是生物炼制寻求突破的关键。目前，甲壳素类生物质资源在多个领域均有非常重要的用途:食品工业中，甲壳素及其水溶性衍生物壳聚糖可用作保鲜剂、澄清剂及抗氧化剂等；在医药领域中，由于甲壳素类生物质毒性小、具有很好的生物相容性和降解性，因此常被用作药物缓释剂。近期，甲壳素类生物质也被作为催化剂的载体(Chem.Common.，2010，46，5593-5595.化学通讯，2010，46，5593-5595)以及制备磁性凝胶材料用于污水处理(Chem.Commun.，2012，48，7350 - 7352.化学通讯，2012，48，7350 - 7352)。迫于资源危机和环境压力，探索生物质高效利用模式已成为各国化学化工领域研究的热点。若能通过适当途径高效利用这些过剩的甲壳素类生物质资源，必将对我国发展经济和提高人民物质生活水平产生积极意义。将储量最多的陆生生物质资源纤维素及其单体葡萄糖转化为生物基化学品，如5 -羟甲基糠醛或乙酰丙酸等平台化合物，是当前生物质转化领域最活跃的研究方向之一。然而，将储量最多的海洋生物质资源甲壳素，壳聚糖及其相对应的单体乙酰胺基葡萄糖和氨基葡萄糖定向转化为高附加值生物基化学品，文献报道却较少，如吡嗪类含氮杂环化合物果糖嗪的制备。果糖嗪属于烟草潜香类物质，在烟草上具有提高烟草细腻程度增加烟气浓度增香和改善吸味的作用；此外，相关报道显示果糖嗪还具有一定的生理活性。果糖嗪主要由两分子氨基葡萄糖的缩合反应而来，在多种植物中均有存在，诸如中药三七以及烟草中均有一定含量的果糖嘆(The Journal of Organic Chemistry,有机化学，1966，31，2239-2241)。此外，Kushida等研究了在热的甲醇以及甲醇钠溶液中，以甘露糖胺盐酸盐和氨基葡萄糖盐酸盐制备果糖嗪。然而，上述反应步骤复杂，反应时间过长，后续步骤复杂，收率不高且目标产物选择性差(Chem.Pharm.Bull.，1991，39，792-794.化学药物快报，1991，39，792-794)。我们前期的发明专利“一种利用甲壳素类生物质资源制备含氮杂环化合物的方法”，不能选择性制备果糖嗪，同时生成部分脱氧果糖嗪，目标产品收率低，产品分离难度大，离子液体催化剂的用量大，并且结晶得到产品的步骤复杂。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种原料来源广泛，无污染，制备简单，产品纯度高的利用甲壳素类生物质为原料，选择性制备高附加值含氮杂环果糖嗪的方法。
[0004]由于果糖嗪具有特殊的芳香杂环分子结构及生物活性，果糖嗪被认为是最具发展潜力及代表性的新型平台化合物，在医药化学和食品科学等多个领域有着广泛的应用。根据国药集团的市场报价，果糖嗪的市场价格是每毫克可达394元。因此，设计开发高效催化体系和环境友好型溶剂及添加剂，将可再生的海洋生物质资源选择性转化成一些高附加值含氮平台化合物果糖嗪具有十分广阔的前景和深远的意义。
[0005]与传统碱性条件下脱氢制备果糖嗪相比，离子液体作为催化剂的应用具有高效，绿色无污染，可循环使用等多方面的优点，受到了广泛关注。由此可见，开发更为新型高效的离子液体催化体系和环境友好型溶剂及添加剂用于单糖及结构更复杂的碳水化合物，进而高选择性地制备果糖嗪，具有重要理论意义和应用价值。
[0006]本发明利用碱性咪唑基离子液体作为催化剂，极性非质子溶剂作为反应介质，氧化作为添加剂应用于甲壳素类生物质选择性制备果糖嗪。一方面，离子液体作为催化剂，具有以下优点:不挥发，无色、无嗅、无污染，具有较大的稳定温度范围，较好的化学稳定性。此夕卜，离子液体最大优点还在于它的可设计性，通过阴阳离子的适当组合可调节它的物理化学特性，符合分离或催化的不同要求。另一方面，极性非质子溶剂是一类环境友好型溶剂，被用作很多有化学反应的介质。此外，氧化物作为添加剂，例如过氧化氢，绿色环保，被广泛用于碳水化合物转化，可提高反应选择性。本发明涉及的甲壳素类生物质降解制备含氮杂环化合物果糖嗪，反应过程高效，产物控制精确且具有很高的应用价值，生产过程绿色。
[0007]本发明的具体操作包括如下步骤:
[0008](1)按干燥的甲壳素类生物质原料、咪唑类离子液体溶液和添加剂重量之和??二甲基亚砜=0.l-25g:1ml，将干燥的甲壳素类生物质原料、咪唑类离子液体溶液和添加剂加入二甲基亚砜中混合均匀，在20°C -200°C下反应5分钟-10天，其中:咪唑离子液体与甲壳素类生物质原料质量比为1:2-100，加入甲壳素类生物质原料与氧化剂的质量比为1:1-50，得到中间产物；
[0009](2)在步骤(1)得到的中间产物加入结晶溶剂，其中中间产物:溶剂体积比为1:1-1: 10，将产物全部溶解，去除不溶杂质，滤液旋蒸浓缩，静置10小时-24小时，重结晶制备产物。
[0010]如(1)步骤所述的甲壳素类生物质是分子量范围为1-30万的甲壳素，分子量范围为0.1-20万、脱乙酰度为50%-100%的壳聚糖，D-氨基葡萄糖盐酸盐，D-氨基葡萄糖硫酸钾盐中间或D-氨基葡萄糖硫酸钠盐等。
[0011]如(1)步骤所述的咪唑类离子液体为1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体、1- 丁基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体、氢氧化1-乙基-3-甲基咪唑离子液体、氢氧化
1-己基-3-甲基咪唑离子液体、1- 丁基-3-甲基-咪唑碳酸盐离子液体、1- 丁基-3-甲基-咪唑碳酸氢盐离子液体或1- 丁基-3-甲基-咪唑苯甲酸盐离子液体等。
[0012]如上所述的咪唑类离子液体采用两步合成法制备。该方法的第一步是制备含目标阳离子的卤代盐离子液体(卤代阴离子X = C1，Br)，其中卤代咪唑盐类离子液体的制备过程为:首先对纯化过的烷基咪唑和卤代烷烃混合；然后控制一定的温度，在密封搅拌条件下反应，后经洗涤、重结晶和减压蒸馏，制得纯净的卤代咪唑盐类离子液体；然后采用含有目标阴离子的盐或酸(如醋酸钾、醋酸钠、碳酸钠或氢氧化钾)进行复分解反应，得到目标离子液体。该反应通常在室温搅拌下反应。具体的制备方法见J.1ran.Chem.Soc.，2009，6，647-678.伊朗化学学会，2009，6，647-678 ；0rg.Lett.，2005，7，3049-3052.有机化学通讯，2005，7，3049-3052 ο
[0013]如(1)步骤所述的添加剂是质量分数为30 % -95 %的过氧化氢水溶液，次氯酸钠，次溴酸钠，次溴酸钾等的一种或几种。
[0014]如⑵步骤所述的结晶使用的溶剂为乙腈，乙醇，丙醇，丙酮中的一种或几种。
[0015]果糖嗪属于烟草潜香类物质，在烟草上具有提高烟草细腻程度增加烟气浓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对DNA的断裂比其衍生物脱氧果糖嗪有更高的活性。通过含氮化合物与一些单糖的反应可以制备果糖嗪。最早报道了果糖与氨基酸反应物形成果糖嗪，虽然在温和的条件下反应，但果糖嗪的合成需要很长的时间，很难满足实际生