一种由阿拉伯糖醇催化转化制备手性D-甘油酸的方法

技术领域

本发明涉及一种催化转化阿拉伯糖醇制备手性D-甘油酸的催化剂的制备及其催化阿拉伯糖醇转化生成手性D-甘油酸的方法。

背景技术

甘油酸及其衍生物具有广阔的应用前景，广泛应用于制药、化妆品、食品、生物医学工程等行业。甘油酸存在两种对映异构体：D-甘油酸和L-甘油酸。甘油酸可作为高分子聚合、缩合等化学工业中的反应原料，是一种重要的有机合成中间体，多用于合成各种生物活性试剂。例如，用于合成功能性表面活性剂的基础材料，低聚酯或聚合物的单体等(Journalof Catalysis,381,2020,248-260)。此外，甘油酸及其衍生物在生物学方面也具有重要的应用价值。如在医药领域，D-甘油酸可以使人体内胃部细胞在受到乙醇刺激后活力增强，从而促进乙醇和乙醛分解代谢，具有解酒保肝的功效，因此可以作为解酒药的成分；D-甘油酸也具有刺激肝组织再生以及降低固醇含量等功效。甘油酸衍生出的酯类低聚物则表现出抗胰蛋白酶的活性。在食品方面，甘油酸可以作为一种食品添加剂。近年来，L-甘油酸已经成为合成磷脂酰胆碱类似物和光学纯L-己糖等附加化学品的主要原料。研究表明，以L-甘油酸为原料合成的其他对映体纯化学物质在化学、药理学和生物学应用中发挥重要作用(Journal of Anhui Agricultural Science,45(36),2017,116-118)。

不断扩大的手性甘油酸的应用刺激了手性甘油酸需求量的不断增长，这对发展经济有效的甘油酸生产方法提出了新的要求。目前甘油酸的生产方法主要包括传统发酵法、生物提取法和化学催化法。(1)发酵法：发酵法的原料主要为甘油。在温和的条件下，利用热带醋酸杆菌先将甘油转化为羟基丙酮酸，羟基丙酮酸在脱氢酶存在的情况下被还原成甘油酸。目前发酵法制备甘油酸缺乏专一性强的菌落，且现今工艺存在发酵周期长、发酵效率低、菌种价格昂贵和培养条件苟刻等问题。其次，利用发酵法制备得到的甘油酸多数都为外消旋混合物。虽然已有报道开发了合成D-甘油酸的菌落，但是所得产品产率仍然很低(200g/L的原料得到约20g/L产品)，且在使用过程中发酵液中的细胞常黏附于膜上，从而大大缩短了膜的使用寿命，限制了其实际应用。高收率和高手性选择性合成手性甘油酸的发酵工艺仍待改进。(2)生物提取法：部分天然植物中存在手性甘油酸及其衍生物，因此可以直接从植物的花和叶片中提取出手性甘油酸。但是该过程非常繁琐、复杂，且产率也很低；另外，提取的剩余物对环境造成污染，大大限制了其工业化应用。近年来，化学催化法在制备平台化合物方面取得了较大的发展，目前已经可以制得多种高附加值化学品，其优点包括生产效率高、原料广泛等。已有研究报道了几种制备甘油酸的工艺。以Ni

基于以上研究结果可以发现，化学催化法制备手性甘油酸的工艺简单，可实现连续生产，具有较好的应用前景，但是其制备过程中仍然存在一些技术难点：(1)由于甘油分子中不含手性原子，因此得到的产物一般为外消旋混合物，以甘油为底物生产手性甘油酸较为困难。(2)由甘油高收率获得甘油酸需依赖于贵金属催化剂，大大增加了生产成本。(3)以生物质基糖类为底物时，由于反应网络复杂，得到的产物选择性差。针对以上三个问题，发展兼具高反应活性和高手性选择性且低生产成本的多元醇体系，如以阿拉伯糖醇为原料制备D-甘油酸技术将具有显著的意义。阿拉伯糖醇是一种自然界中广泛存在的天然活性物质，可以直接从植物中提炼或者发酵得到，具有可再生的特点。本发明选用廉价的阿拉伯糖醇为底物，活性炭负载的铜基材料(Cu/AC)为催化剂，水为溶剂，NaOH为反应助剂，加入硼氟酸钠，在较温和的反应温度下高收率高选择性获得了D-甘油酸；且催化剂可通过减压抽滤直接与液相产物分离，便于产物的后续分离以及催化剂的循环利用。

发明内容

本发明制备了一种廉价且高效的Cu/AC催化剂，用于催化转化阿拉伯糖醇制备D-甘油酸；本方法克服了糖转化过程收率低、选择性差的缺陷；克服了发酵法生产效率低、生产周期长的缺陷；使用廉价的Cu/AC为催化剂，首次实现采用化学催化法获得D-甘油酸，该催化体系具有催化活性高、可回收、可重复利用的特点。

发明要点：将一定量硝酸处理后的活性炭加入15～25mL水中，再分别将一定量的硝酸铜和碳酸钠溶于水中，控制其浓度为0.8～1.2mol/L。边搅拌边向含有活性炭和水的混合物中缓慢滴入1：2体积的硝酸铜溶液和碳酸钠溶液，调节pH至9～10左右，搅拌0.5～2小时。过滤分离得到固体，并将其放入干燥箱中于60～90℃烘10h。将烘干后的黑色固体研磨后放入马弗炉中300～500℃煅烧4h，升温速率为5℃/min，得到Cu/AC催化剂。

向40～60mL水中加入适量反应物、氢氧化钠、硼氟酸钠以及上述制备的催化剂，0.3～1.0MPa初始氧气气氛下于密闭高压釜反应器中加热反应，催化剂中铜元素的负载量为5wt％～15wt％，硼氟酸钠的添加量与底物的质量比为0.2:1～1.2:1，催化剂与反应底物的质量比为0.2:1～1.2:1，反应底物与氢氧化钠的摩尔比为2:1～1:4，反应时间为10～60min，反应温度为80～160℃。反应结束后，将反应体系自然冷却至室温，过滤分离催化剂，然后放入烘箱80℃烘干1h，用作下一次催化反应。用HPLC对溶液中的小分子化合物进行定量分析，并分析甘油酸的手性选择性。

本发明中，铜的负载量优选为5wt％～15wt％。当铜含量过低时，阿拉伯糖醇的转化率较低，D-甘油酸的收率也较低；随着铜含量的增加，阿拉伯糖醇的转化率、D-甘油酸的收率都明显增加，D-甘油酸的手性选择性也略微升高。但是当铜含量超过12wt％后，D-甘油酸的收率反而降低。

本发明中，不同硼的添加对产物D-甘油酸的收率影响不同。其中NaBF

本发明中，硼氟酸钠的添加量与底物的质量比优选为0.4:1～1.2:1。硼氟酸钠使用量过低，产物D-甘油酸的收率较低。随着硼氟酸钠使用量的增加，产物D-甘油酸的收率增加，但当硼氟酸钠的添加量与底物的质量比超过1:1时，D-甘油酸的收率增加不明显。

本发明中，催化剂与反应底物的质量比优选为0.4:1～1.2:1。催化剂使用量过低，原料转化率和产物D-甘油酸的收率都较低。随着催化剂使用量的增加，阿拉伯糖醇转化率和产物D-甘油酸的收率都显著增加：当反应底物与催化剂的质量比超过1:1时，D-甘油酸的收率反而降低。

本发明中，反应底物与氢氧化钠的摩尔量比优选为1:1～1:4。氢氧化钠使用量过低，阿拉伯糖醇转化率和产物D-甘油酸的收率都较低。随着氢氧化钠加入量的增加，阿拉伯糖醇转化率和产物D-甘油酸的收率都增加：反应底物与氢氧化钠的摩尔量比超过1:3时，D-甘油酸的收率反而降低。

本发明中，反应时间优选20～60min。反应时间过短，阿拉伯糖醇转化率过低，D-甘油酸的收率和手性选择性都不高。随着反应时间的增加，阿拉伯糖醇转化率和产物D-甘油酸的收率都增加；但是当反应时间超过45min后，阿拉伯糖醇转化率和产物D-甘油酸的收率都增加不明显。

本发明中，反应温度优选100～160℃。反应温度过低，阿拉伯糖醇转化率和产物D-甘油酸的收率、手性选择性都较低。随着反应温度的增加，阿拉伯糖醇转化率和产物D-甘油酸的收率、手性选择性都增加；但当反应温度超过140℃，D-甘油酸的收率反而降低。

具体实施方式

实施例1：

1)在100mL的密闭高压釜反应器中加入0.10g阿拉伯糖醇和0.10g 12wt％Cu/AC催化剂以及3倍底物摩尔量的氢氧化钠，1:1质量比的NaBF

2)将收集后的固体催化剂用去离子水冲洗3次，然后放入烘箱中80℃烘干1h，用作下一次催化反应。用HPLC对水相中的小分子化合物进行检测，对甘油酸的手性进行分析，结果如表1。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表1

实施例2—5：

按实施例1的步骤操作，区别在于催化剂中铜元素的负载量不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表2中。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表2

实施例6—7：

按实施例1的步骤操作，区别在于反应添加的硼盐不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表3中。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表3

实施例8—12：

按实施例1的步骤操作，区别在于硼氟酸钠的添加量不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表4中。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表4

实施例13—16：

按实施例1的步骤操作，区别在于反应温度不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表5中。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表5

实施例17—21：

按实施例1的步骤操作，区别在于催化剂与反应底物的质量比不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表6中。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表6

实施例22—25：

按实施例1的步骤操作，区别在于加入氢氧化钠与反应底物的摩尔量比不同，其他反应条件与实施例1相同，具体HPLC结果列在表7中。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表7

实施例26—29：

按实施例1的步骤操作，区别在于反应时间不同，其他反应条件与实施例1相同，具体HPLC结果列在表8中。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表8

实施例30-32：

按实施例1的步骤操作，区别在于催化剂的使用次数不同，其他反应条件与实施例1相同，具体结果列在表9中。(表中收率都为摩尔收率，即摩尔收率为产物的摩尔数/底物的摩尔数*100)。

表9