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D-葡萄糖五乙酸酯的催化合成研究进展

2013-10-11杨聪聪常宏宏魏文珑

化工进展 2013年9期
关键词:乙酸酯糖类酯化

杨聪聪,常宏宏,李 兴,魏文珑,乔 岩

(1太原理工大学化学化工学院,山西 太原 030024;2中国科学院山西煤炭化学研究所,山西 太原 030001)

多元醇的酯化反应在有机化学研究中应用非常广泛,最常见的是用于保护糖类化合物的羟基基团。在糖化学研究过程中,全乙酯化单糖是一类非常通用的合成低聚糖和复合糖的初始原料,原因在于通过乙酯化反应可降低糖的极性,使其成为重要的单糖转化和寡糖合成的糖基供体[1-3];同时,乙酯基是一种非常廉价的保护基团,可在酸性或碱性条件下脱除,从而完成糖环上羟基的保护与去保护过程[4]。D-葡萄糖五乙酸酯作为一种非常重要的糖类转化与合成糖类中间体的衍生物,其用途更为广泛:它是潜在的二氧化碳吸附剂或物理溶剂,全乙酯化的糖类化合物对CO2的吸附作用与离子液体相当[5];也是性能优异的非离子型表面活性剂,其携带的乙酯基能与过氧化氢反应生成过氧乙酸,具有较高的漂白活性[6];而且还可用于纤维树脂和合成树脂增塑剂、玻璃黏接剂、乙醇变性剂、纸张渗透与上光剂、食品和医药工业添加剂等[7]。因此,研究D-葡萄糖五乙酸酯的催化合成具有重要的理论意义和实际应用价值。

糖类的酯化反应最早出现于19世纪中叶,当时是通过糖与酸酐直接酯化制备,具有产率低、成本高、难于实现工业化等缺点[8]。早期开展的D-葡萄糖五乙酸酯的催化合成存在产品收率低、催化剂活性差和酯化剂用量大等问题,且未保护的单糖分子在乙酯化反应过程中还会形成吡喃糖和呋喃糖等构型异构化混合物[1],不利于得到单一构型产物。基于这些不利因素的存在,许多研究工作者围绕D-葡萄糖的酯化反应进行了大量卓有成效的工作,并取得了令人满意的结果。

1 D-葡萄糖五乙酸酯的合成路线

目前通常是以D-葡萄糖为原料,乙酸酐或乙酰氯为酯化试剂合成D-葡萄糖五乙酸酯,催化剂种类、反应温度、原料配比等均会对产品收率及产物构型分布产生影响。基于端基效应,α-D-葡萄糖五乙酸酯在热力学上较β-D-葡萄糖五乙酸酯稳定,因此大多数合成方法得到的产物以α-D-葡萄糖五乙酸酯为主[2]。当然,也可以通过改变催化剂种类实现产物构型的控制,如乙酸钠、吡啶等碱性催化剂有利于实现动力学控制过程,得到的产物以β-D-葡萄糖五乙酸酯为主[9]。此外,以路易斯酸做催化剂可将β构型转变为α构型,也常被用于催化该类反应。上述过程的反应方程式如图1所示。

上述反应过程涉及的催化剂种类较多,如碱性催化剂、路易斯酸和质子酸等酸性催化剂、多相催化剂、离子液体和生物酶等。根据反应状态的不同,也可分为均相催化反应、固体酸催化反应和酶催化反应等。

2 均相催化合成D-葡萄糖五乙酸酯

均相催化合成D-葡萄糖五乙酸酯通常使用碱性或酸性催化剂。碱性催化剂一般为吡啶、强碱弱酸盐等,酸性催化剂则为质子酸和路易斯酸,如浓硫酸、硫酸氢钾、对甲苯磺酸、金属盐和碘等。均相催化反应不存在表面不均一性和内扩散等问题,故具有反应条件温和、易于控制和活性较高等优点[10]。

2.1 碱性催化剂

2.1.1 吡啶

吡啶是一种高效的亲核试剂,可同时作为酯化反应的溶剂和催化剂,是糖类醇羟基反应中应用最广泛的碱性催化剂之一。此外,也可用4-N,N-二甲氨基吡啶[11]、4-吡咯烷吡啶[12]等衍生物代替吡啶。2007年Rodríguez等[13]用吡啶作为溶剂和催化剂在室温和−10℃两种温度下研究了D-葡萄糖的酯化反应,分别得到了收率为95%的D-葡萄糖五乙酸酯(α∶β=92∶8)和96%的纯α-D-葡萄糖五乙酸酯,由此可见,在吡啶体系中,低温更有利于生成α-D-葡萄糖五乙酸酯。严晓阳等[9]以吡啶为催化剂、甲苯为溶剂合成了β-D-葡萄糖五乙酸酯,收率可达96%;在此反应中,吡啶和酰氯或酸酐可生成N-酰基吡啶盐,吡啶环是良好的离去基团,故N-酰基吡啶盐是比酰氯和酸酐更好的酯化试剂。虽然吡啶催化酯化反应的效果较好,但需使用大量的酯化试剂,后处理也较繁琐,且吡啶是一种高沸点、高毒物质,对人体有很大危害,所以,此方法弊大于利。

2.1.2 乙酸钠和碳酸钠

乙酸钠是合成β-D-葡萄糖五乙酸酯的重要催化剂,其优点是可使单糖分子快速异构化,促使更加活泼的端羟基优先反应,进而实现动力学控制而得到β构型产物。Whistler等[14]以D-吡喃葡萄糖为底物在110℃下以无水乙酸钠为催化剂制备β-D-葡萄糖五乙酸酯,产品收率仅为60%~70%,且需要使用大量酯化试剂,后处理较复杂。同时由于反应体系中产生大量乙酸,导致部分产物溶解在母液中降低产品收率。为避免上述缺点,王朝霞等[15]采用微波辐射技术实现了无水乙酸钠催化D-葡萄糖和D-吡喃半乳糖的乙酯化反应,反应时间仅为8 min,且收率可达88%,该法缩短了反应时间,提高了产品收率,具有操作简便、环境友好等优点。

此外,Chen等[16]用醋酸乙烯酯代替酸酐作为酯化试剂,以氢氧化钠、乙酸钠和碳酸钠为催化剂研究了葡萄糖五乙酸酯的合成。研究表明,若反应体系的pH<8时,即使延长反应时间,反应也不完全;若pH>10则会导致产物水解。进一步研究表明,以碳酸钠为催化剂,控制反应体系的pH=9时,产物收率几乎可达100%。

2.1.3 离子液体

离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的低熔点盐类,在室温或较低温下呈液态,通常称为室温离子液体,具有挥发性低、稳定性高和环境友好等特点[17]。2001年Macfarlan等[18]研究合成了一系列基于二氰胺阴离子的新型离子液体,这类离子液体的黏度很低,可以溶解包括糖类在内的诸多有机和无机物。进一步研究发现,二氰胺碱性离子液体不仅是醇类和糖类的高效溶剂,同时也是酯化反应的碱性催化剂[19]。将二氰胺碱性离子液体在25℃和50℃下用于D-葡萄糖五乙酸酯的合成,当反应时间为12 min和5 min时,收率分别为89%和98%,且离子液体可循环使用。López等[20]用1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([Bmim]HSO4)和1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐([Bmim]OAc)两种酸碱性不同的离子液体为催化剂合成D-葡萄糖五乙酸酯,在其它实验条件相同的情况下,研究发现酸性离子液体无催化活性,碱性离子液体的催化收率可达90%。然而,离子液体在反应过程中的用量较大,且需要经过复杂的减压蒸馏过程回收,因此有必要开发负载型碱性离子液体,以减少该类催化剂用量[21]。

2.2 酸性催化剂

质子酸和路易斯酸均可作为合成D-葡萄糖五乙酸酯的酸性催化剂,最常用的质子酸为浓硫酸,但得到的产品质量较差,而且硫酸对设备的腐蚀作用严重,产品的后处理复杂,同时产生大量废液而污染环境[22];常用的路易斯酸催化剂主要是金属盐类,有时碘单质也可作为路易斯酸催化制备D-葡萄糖五乙酸酯的反应。

2.2.1 质子酸

硫酸氢钾是一种价廉高效的质子酸催化剂,具有催化活性高、易分离回收和可重复使用等优点[23]。廖晖等[24]在微波辐射下以硫酸氢钾为催化剂合成了D-葡萄糖五乙酸酯,反应中无需加入溶剂,当微波辐射功率为462 W、反应时间为8.0 min时,产率可达89.5%。对甲苯磺酸作为常用质子酸催化剂具有活性高、不腐蚀设备、污染小等优点,且可应用于温度较高的反应。成凤桂等[25]以对甲苯磺酸为催化剂制备D-葡萄糖五乙酸酯,产品收率可达90%。Chao等[26]研究了对甲苯磺酸水合物催化合成D-葡萄糖五乙酸酯的反应,发现仅用摩尔分数为10%的催化剂和微过量乙酸酐在无溶剂条件下即可完全反应,收率可达95%。但对甲苯磺酸容易溶解在反应体系中而导致催化剂消耗大,且不易与产物分离,将活性炭固载的对甲苯磺酸作为催化剂可避免上述缺点[27]。

2.2.2 路易斯酸

2006年,张红素等[28]以D-吡喃葡萄糖与乙酸酐为原料在ZnCl2催化下制备α-D-葡萄糖五乙酸酯,产物收率为82.9%,并同时对比研究了ZnCl2与FeCl3·6H2O、ZnSO4·7H2O、AlCl3·6H2O、ZnCl2-浓H2SO4、Ce(SO4)2·4H2O等催化剂的催化效果,发现ZnCl2和Ce(SO4)2的催化效果最好,FeCl3次之,且ZnCl2为催化剂合成的产品在色度及纯度等方面均比FeCl3好。

LiClO4在有机反应中是一种温和、高效的路易斯酸催化剂,Lu等[1]用LiClO4为催化剂实现糖类的酯化反应,结果表明,反应温度为40℃时收率最高可达99%。该法具有反应条件温和、产率高、酸酐用量少、后处理简单等优点。

近年的研究发现,铟能促进各类反应在水相中进行,除此之外,三价金属铟化合物作为路易斯酸与传统路易斯酸相比,其耐水性较好,能够在温和的条件下有效促进反应的进行。Chakraborti等[29]使用InCl3在室温下催化各类醇羟基的酯化反应,仅D-吡喃葡萄糖可发生反应。在此基础上,Das等[30]又发现,在微波辐射下仅用0.1当量的InCl3为催化剂,糖类化合物即可与乙酸酐反应并得到很高的收率。2008年,Bizier等[31]用0.05当量的In(OTf)3催化剂催化D-葡萄糖和乙酸酐,在0℃下反应1 h即可完全反应,收率可达99%,进一步研究发现,In(OTf)3对可溶于乙酸酐的糖类底物催化酯化反应效果较好,但却不能催化不溶于乙酸酐的糖类化合物的相关反应。Roy等[32]用Sm(OTf)3催化糖类的乙酯化反应,发现仅用摩尔分数为0.3%的Sm(OTf)3在30 min内底物即可完全反应,收率为98%。

镧系盐作为路易斯酸催化剂在糖类合成中的应用也备受关注。Jalsa等[33]用Ce(NH4)2(NO3)6、CeCl3·7H2O、Ce(SO4)2三种镧系盐催化 D-葡萄糖的全乙酯化反应,结果表明,只有Ce(SO4)2能催化合成D-葡萄糖五乙酸酯;而在其它体系中,呋喃糖五乙酸酯与吡喃糖五乙酸酯的比例可达21∶79,其原因可能是Ce(NH4)2(NO3)6、CeCl3·7H2O在乙酸酐中的溶解性低于Ce(SO4)2,活性也相对较低。在反应过程中,乙酸酐和游离D-葡萄糖之间氢键的形成速度较快,导致氢键对于碳环形状的影响占主要作用。

除金属盐类,碘也是一种温和的路易斯酸催化剂。1997年,Kartha等[34]发现,未保护的还原糖与醋酸酐在分子碘单质的催化下反应几乎定量地得到全乙酯化糖。万福贤等[35]以碘为催化剂,在0~5℃的条件下合成了α-D-葡萄糖五乙酸酯。曾创等[36]在无溶剂条件下,以碘为催化剂合成D-葡萄糖五乙酸酯,在25℃时产品收率为96.3%。至今,碘催化酯化反应的机理尚不明确,可能是碘单质作为路易斯酸起催化作用[37],也可能是碘与原料或溶剂反应产生微量氢碘酸,而氢碘酸在起催化作用[38-39]。

3 固体酸催化合成D-葡萄糖五乙酸酯

蒙脱土催化剂具有制备过程简单、反应条件温和、选择性高等优点,特别是经钠化、酸改性或柱撑改性后得到的多孔结构材料被广泛用作工业催化剂及载体和吸附剂[40]。Bhaskar等[41]通过对蒙脱土K-10催化D-葡萄糖乙酯化反应进行研究发现,蒙脱土K-10是一种高效、环境友好的催化剂,并且对单糖、二糖和三糖的酯化反应都有很好的催化效果,产品收率在75%~100%之间,其中D-葡萄糖五乙酸酯的收率可达94%,但对于溶解性差的糖类则收率较低。

沸石分子筛催化剂与其它固体酸催化剂相比具有可调变的酸中心、酸强度和比表面积大、结构稳定等优点。1999年,Bhaskar等[42]比较了6种不同沸石催化剂的催化效果,实验发现H-Beta沸石在单糖、二糖及甲基糖苷的酯化反应中均有较高的催化活性,产品收率在85%~99%之间,其中合成D-葡萄糖五乙酸酯的收率可达92%。

HClO4-SiO2是一种不溶性固体超强酸催化剂,可通过简单过滤除去。Misra等[43]发现,单糖、二糖和三糖等在HClO4-SiO2的催化下能在较短时间内与化学计量的酸酐完全反应,且无需加入溶剂。但是,由于HClO4-SiO2具有一定的潜在爆炸性,随后研究发现了安全性更高的H2SO4-SiO2[44]。Zhang等[45]用H2SO4-SiO2催化D-葡萄糖的全乙酯化反应,发现催化剂的酸性密度越高,反应速率越快,但同时也会生成副产物,在最佳反应条件下收率可达97%。SO42−/MxOy是一类高活性的固体超强酸催化剂,对几乎所有的酸催化反应都表现出良好的反应活性和选择性[46]。赵景联等[47]用固体超强酸SO42−/TiO2、SO42−/ZrO2、SO42−/Fe2O3、Fe2O3、TiO2和ZrO2分别作为固体酸催化剂实现D-葡萄糖和乙酸酐的酯化反应,结果表明SO42−/TiO2固体超强酸的催化效果最佳,收率为86.4%。

杂多酸及其盐作为催化剂的特点是催化活性高、选择性好和催化剂再生速度快。杨水金等[48]将TiSiW12O40/TiO2催化剂用于D-葡萄糖的酯化反应,收率为88.7%,同时也对丙酸、丁酸、异丁酸与D-葡萄糖的反应进行了研究,其收率分别为84.5%、85.4%、86.4%。此外,还将 TiSiW12O40/TiO2与 SO42−/TiO2的催化效果进行了对比,结果表明TiSiW12O40/TiO2的催化活性更好,这主要是因为杂多酸具有类似于分子筛的笼型结构,催化反应可以在催化剂分子的孔笼内部进行。

铌酸是一类独特的固体酸,其特点是在含水体系表面仍可保持较高酸性。许招会等[49]用溶胶-液相法制备二氧化硅负载铌酸催化剂,在微波辐射下将其用于D-葡萄糖的酯化反应,收率最高可达94.1%。

邓斌等[50]以微波协同CAT-601大孔树脂催化合成D-葡萄糖五乙酸酯,树脂用量为D-葡萄糖质量的6%时,产率达93.6%。张博等[51]以CAT-600阳离子交换树脂为催化剂,研究了8个单糖的乙酯化反应,收率在75%~95%之间,其中合成D-葡萄糖五乙酸酯的反应时间仅为0.5 h时收率即可达到94%,表明其具有良好的催化作用。

氨基磺酸具有酸性适中、无腐蚀、稳定性高和廉价易得等特点。Santra等[52]发现,氨基磺酸在60℃和无溶剂条件下可催化D-葡萄糖五乙酸酯的合成,且在产物中未发现D-呋喃葡萄糖五乙酸酯。

4 酶催化合成D-葡萄糖五乙酸酯

非水相中酶催化合成D-葡萄糖五乙酸酯具有反应条件温和、能耗少、区域选择性高、副产物少和产物易分离等优点,因此,无溶剂及在离子液体中进行酶催化的酯化反应成了新的研究热点[53]。Fregapane等[54]在无溶剂体系中用几种脂肪酶催化D-葡萄糖的酯化反应,收率均在50%~90%之间。Park等[55]以Novozyme 435脂肪酶为催化剂,分别用离子液体和丙酮作为溶剂完成D-葡萄糖的酯化反应,收率分别为99%和72%,结果表明该脂肪酶在离子液体中的催化活性较高。Sharma等[56]将D-葡萄糖负载到分子筛上,用猪胰腺酶(简称PPL)作催化剂得到了6-O-乙酰-D-葡萄糖,收率为62%。由于酶的区域选择性较高,导致目前酶催化糖酯的合成主要局限于单酯和双酯化合物。

5 结论

综上所述,D-葡萄糖五乙酸酯合成的催化剂主要包括无机或有机碱、质子酸和路易斯酸、固体酸及酶等。传统均相催化剂在催化过程中相扩散阻力小、易于控制、操作方便,但反应选择性和产品收率有待于进一步提高,且催化剂不易重复利用。固体酸催化剂具有较高的选择性和产品收率,但催化剂制备过程较复杂,因此开发催化活性高、选择性高、构型可调控的催化剂并将其用于糖类化合物的酯化反应是未来重点研究的工作。

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