一种利用氯化铵催化N-乙酰氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法

摘要

本发明公开了一种利用氯化铵催化N‑乙酰氨基葡萄糖制备3‑乙酰氨基‑5‑乙酰基呋喃的方法。以N‑乙酰氨基葡萄糖（NAG）为原料，N，N‑二甲基甲酰胺为溶剂，在氯化铵为催化剂以及少量碱金属氯盐作为添加剂的作用下，经历开环，闭环，烯醇与酮之间的转换，最终脱去三分子水形成3A5AF。本发明一种利用氯化铵催化N‑乙酰氨基葡萄糖制备3‑乙酰氨基‑5‑乙酰基呋喃的方法，该方法利用可再生生物质资源甲壳素单体N‑乙酰氨基葡萄糖作为原料制备3A5AF，是对生物质资源的合理利用；使用价廉易得的氯化铵作催化剂，在较低的温度（160℃）短时间内（5min）就能达到最高产率（41.46%），大大降低了3A5AF的生产成本，有利于3A5AF的工业化生产。

说明书

技术领域

本发明属于生物质转化领域，具体涉及一种利用氯化铵催化N-乙酰氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法。

背景技术

随着全球石油、天然气等传统化石资源逐渐枯竭，人们正在努力寻求新的替代能源。生物质是一种天然可再生资源，数量巨大，价格低廉，丰富的生物质资源有望成为未来获取燃料和高附加值化学品的主要来源。甲壳素是地球上除纤维素以外的第二丰富的生物质资源，全球产生的甲壳素每年大约可以达到100亿吨。同时，甲壳素分子中含有天然的氮元素，是生产含氮化学品的优良底物。因此，以甲壳素生物质为原料转化为高附加值的含氮化学品的研究将会成为未来化工原料和能源产业发展的重点。

3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃（3A5AF）是重要的含氮平台化合物，在众多生物分子中间体中均含有3A5AF的结构，抗癌剂Proximicin A、生物碱类Hyrtioseragamine A/B以及Pyrrolosine等分子结构中均含有3A5AF单元。直接以甲壳素为原料制备3A5AF存在转化率低等缺点，因此充分利用甲壳素生物质所含的氮元素，降解甲壳素及其单体Ｎ-乙酰氨基葡糖制备3A5AF将更具利用价值。

1984 年就有将含氮糖转化成 3A5AF 的报道， FRANICH 等采用热解的方式，在400 ℃下将 GlcNAc 进行热解，通过 GC-MS 检测发现有质量分2%的3A5AF 生成。在另一项研究中，将 GlcNAc与无水磷酸氢二钠和石英砂混合， 在200 ℃ 下反应 30 min，获得3A5AF，但其收率仅有 0.04%。DROVER 等发现1-丁基-3-甲基咪唑氯盐[BMIM]Cl 和1,2-二甲基-3-丁基咪唑氯盐 [BMMIM]Cl 离子液体效果好，3A5AF 产率分别达到 25.5%和25.3%。离子液体中的氯离子对反应至关重要，若将氯离子换为溴离子或乙酸根离子，只能得到痕量的 3A5AF。同时，他们对助催化剂进行了探索，发现以硼酸[B(OH)

文献“陈春燕. 甲壳素生物质催化转化制呋喃衍生物的研究[D].”和“王康. 甲壳素生物质降解转化制备高附加值化学品的研究[D].”中均提到路易斯酸的存在对甲壳素生物质资源的转化生成呋喃类化合物具有较大的促进作用，同时在上述文献的报道中氯离子的存在是甲壳素单体N-乙酰氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的关键。氯化铵是同时具有路易斯酸（铵根离子）和氯离子的化学品，来源广泛，成本低廉。因此，研究氯化铵作为催化剂催化N-乙酰氨基葡萄糖生产3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃具有一定的工业价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用氯化铵催化N-乙酰氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法。以天然可再生的甲壳素生物质资源N-乙酰氨基葡萄糖为原料，价格低廉来源广泛的氯化铵为催化剂，并在较低的温度下短时间内就能高效催化甲壳素单体N-乙酰氨基葡萄糖转化为含氮平台化合物3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃。该反应体系绿色环保，收率良好且操作简单。

一种利用氯化铵催化N-乙酰氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法，包括以下步骤：

步骤1，取0.025g-0.25gN-乙酰氨基葡萄糖（NAG）、氯化铵与添加剂于耐压管中，再加入1-100mL溶剂溶解，加热到120-200℃，反应5-120min后，停止反应，过滤取滤液，备用，所述氯化铵、添加剂的加入量均为NAG的0.1-10倍（摩尔比）；

步骤2，向滤液中加入等体积的水进行混合，再用乙酸乙酯萃取，萃取三次后合并萃取液，并用活性炭脱色后减压浓缩得含3A5AF的固体粗产品；

步骤3，向含3A5AF的固体粗产品中加入等质量甲醇重溶，重溶后逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，再经过滤干燥，获得纯度高于99.5%的透明针状3A5AF晶体。

作为改进的是，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜的一种或任意两种的混合。

作为改进的是，所述添加剂为硼酸、氯化钠、氯化钾、氯化锂、氯化铵、氯化锌、六水氯化铝、六水氯化钴、六水氯化镁、无水氯化钙、二水氯化钙、二水氯化钡、六水氯化钴、六水氯化铁、氯化锰、氯化氢，或1-丁基-3-甲基咪唑氯盐中任一种或两种混合。

作为改进的是，步骤1中加热温度为160℃。

作为改进的是，步骤1中反应时间为5min。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种利用氯化铵催化N-乙酰氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法，该方法利用可再生生物质资源甲壳素单体N-乙酰氨基葡萄糖作为原料制备3A5AF，是对生物质资源的合理利用；使用价廉易得的氯化铵作催化剂，在较低的温度（160℃）短时间内（5min）就能达到最高产率（41.46%），大大降低了3A5AF的生产成本，有利于3A5AF的工业化生产。

附图说明

图1为3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃（3A5AF）标品的液相检测结果；

图2为NAG在催化剂下反应5min后的液相检测结果。

具体实施方案

下面通过实施例对本发明做进一步的描述，但不用于限制本发明的保护范围，实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1

取100mg N-乙酰氨基葡萄糖NAG、48mg氯化铵（催化剂）于耐压管中，同时加入5mLN，N-二甲基甲酰胺（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中160℃加热搅拌20min。反应结束冷却至室温后；加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，合并萃取液，并将收集到的萃取液用活性炭脱色后通过旋转蒸发仪回收溶剂得到含3A5AF的固体粗产品；向含3A5AF的固体粗产品中加入等质量甲醇重溶，重溶后逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，产品用高效液相色谱测定3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃含量，根据标准曲线计算3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的产率。获得纯度高达99.5%的透明针状3A5AF晶体。根据液相结果计算摩尔转化率为28.16％。

实施例2

取100mg NAG、48mg氯化铵（催化剂）于耐压管中，同时加入5mL 二甲基亚砜（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中160℃加热搅拌20min。反应结束冷却至室温后；加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，合并萃取液，并将收集到的萃取液用活性炭脱色后通过旋转蒸发仪回收溶剂得到含3A5AF的固体粗产品；向含3A5AF的固体粗产品中加入等质量甲醇重溶，重溶后逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，产品用高效液相色谱测定3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃含量，根据标准曲线计算3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的产率。获得纯度高达99.5%的透明针状3A5AF晶体。根据液相结果计算摩尔转化率为0.47％。

实施例3

取100mg NAG、48mg氯化铵（催化剂）于耐压管中，同时加入5mL N-甲基吡咯烷酮（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中160℃加热搅拌20min。反应结束冷却至室温后；加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，合并萃取液，并将收集到的萃取液用活性炭脱色后通过旋转蒸发仪回收溶剂得到含3A5AF的固体粗产品；向含3A5AF的固体粗产品中加入等质量甲醇重溶，重溶后逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，产品用高效液相色谱测定3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃含量，根据标准曲线计算3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的产率。获得纯度高达99.5%的透明针状3A5AF晶体。根据液相结果计算摩尔转化率为21.61％。

实施例1-3，在不加添加剂的条件下，反应时间、温度相同的情况下，3A5AF在不同溶剂中（N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮）摩尔转化率不同，在N，N-二甲基甲酰胺作为溶剂时最高，为28.16%。

实施例4

取100mg NAG、48mg氯化铵（催化剂）以及0.066g二水氯化钙（添加剂）于耐压管中，同时加入5mL N，N-二甲基甲酰胺（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中160℃加热搅拌20min。反应结束冷却至室温后；加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，合并萃取液，并将收集到的萃取液用活性炭脱色后通过旋转蒸发仪回收溶剂得到含3A5AF的固体粗产品；向含3A5AF的固体粗产品中加入等质量甲醇重溶，重溶后逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，产品用高效液相色谱测定3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃含量，根据标准曲线计算3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的产率。获得纯度高达99.5%的透明针状3A5AF晶体。根据液相结果计算摩尔转化率为36.89％。

实施例5

取100mg NAG、48mg氯化铵（催化剂）以及0.101g无水氯化钙（添加剂）于耐压管中，同时加入5mL N，N-二甲基甲酰胺（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中160℃加热搅拌20min。反应结束冷却至室温后；加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，合并萃取液，并将收集到的萃取液用活性炭脱色后通过旋转蒸发仪回收溶剂得到含3A5AF的固体粗产品；向含3A5AF的固体粗产品中加入等质量甲醇重溶，重溶后逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，产品用高效液相色谱测定3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃含量，根据标准曲线计算3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的产率。获得纯度高达99.5%的透明针状3A5AF晶体。根据液相结果计算摩尔转化率为34.32％。

实施例6

取100mg NAG、48mg氯化铵（催化剂）以及0.077g无水氯化锂（添加剂）于耐压管中，同时加入5mL N，N-二甲基甲酰胺（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中160℃加热搅拌20min。反应结束冷却至室温后；加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，合并萃取液，并将收集到的萃取液用活性炭脱色后通过旋转蒸发仪回收溶剂得到含3A5AF的固体粗产品；向含3A5AF的固体粗产品中加入等质量甲醇重溶，重溶后逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，产品用高效液相色谱测定3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃含量，根据标准曲线计算3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的产率。获得纯度高达99.5%的透明针状3A5AF晶体。根据液相结果计算摩尔转化率为38.24％。

实施例4-6，以N，N-二甲基甲酰胺作为溶剂，反应时间160℃，反应时间20min的条件下，通过添加不同种类的添加剂，结果表明在氯化锂作为添加剂的条件下，转化率最高，为38.24％。

实施例7

除反应时间变为5min，其余同实施例6根据液相结果计算摩尔转化率为41.46％。

实施例8

除反应时间变为60min，其余同实施例6根据液相结果计算摩尔转化率为38.29％。

实施例6-8，反应时间在5min，20min，60min三个条件下，3A5AF摩尔转化率在5min时达到最高，为41.46％。结果显示，在该体系下随着反应时间的增加，3A5AF的摩尔转化率下降幅度并不明显，产率在一段时间内保持比较稳定的状态。

本发明方法以甲壳素单体N-乙酰氨基葡萄糖作为原料制备3A5AF，是对生物质资源的合理利用；利用廉价易得，且对环境无毒的氯化铵为催化剂在极大程度上降低了生产成本。

综合上述文献与专利报道3A5AF的生产过程中温度大部分集中在180-220℃之间且大都利用微波加热，这在一定程度上限制了其大规模的应用。本发明方法使用加热装置简单，只需在较低的反应温度（160℃）下反应5min就能达到较高的产率（41.46%），且后续的分离纯化方式简单，产品纯度高，适合工业生产。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。