УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ СПОСОБ СИНТЕЗА СЛОЖНЫХ 6-ЭФИРОВ САХАРОЗЫ Российский патент 2005 года по МПК C07H13/04 C07H13/02 

Данное изобретение относится к усовершенствованному способу синтеза сложных 6-эфиров сахарозы.

Сложные 6-эфиры сахарозы представляют собой важные промежуточные соединения в синтезе искусственного подсластителя сукралозы (4,1',6'-трихлор-4,1',6'-тридеоксигалактосахароза).

Описано большое количество олово-опосредованных путей получения сложных 6-эфиров сахарозы, например в US 4950746, US 5023329 и US 5089608. В каждом из этих документов описан разный активатор ацилирования, на основе оловоорганического соединения: в US 4950746 применяют реагент 1,3-ди(гидрокарбилокси)-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)-дистанноксан; в US 5023329 используют оксид ди(гидрокарбил) олова; и в US 5089608 используют продукт взаимодействия оксида ди(гидрокарбил)олова и двухатомного спирта, алканоламина или α-гидроксикетона, который может принимать енольную форму.

В частности, в EP 0475619 A описан способ получения сложного 6-эфира сахарозы, который включает взаимодействие сахарозы с ангидридом карбоновой кислоты в реакционной смеси, включающей полярный апротонный растворитель и 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)-дистанноксан в течение времени, достаточном для образования сложного 6-эфира сахарозы.

В EP 0475619 A также описан способ получения сложного 6-эфира сахарозы, включающий суспендирование сахарозы и 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксана в реакционной смеси, содержащей смешанную систему растворителей, включающую полярный апротонный растворитель и углеводородоподобный со-растворитель, способный удалять любую воду, имеющуюся в реакционной смеси, путем совместной перегонки, и затем, после удаления воды, обработку реакционной смеси ангидридом карбоновой кислоты.

Усовершенствование этого способа описано в EP 0776903 A. Это усовершенствование заключается в пропускании паров растворителя, способного удалять воду путем совместной перегонки (растворитель для совместной перегонки) через реакционную смесь, содержащую полярный апротонный растворитель, сахарозу и 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксан, в достаточном количестве и в течение времени, достаточном для удаления по существу всей воды, находящейся в указанной реакционной смеси путем совместной перегонки.

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ синтеза сложного 6-эфира сахарозы, включающий:

(a) взаимодействие смеси, содержащей сахарозу и полярный апротонный растворитель с активатором ацилирования, на основе оловоорганического соединения, обычно при по существу непрерывном добавлении растворителя, способного удалять воду путем совместной перегонки, и удаление воды путем совместной перегонки, с получением первой реакционной смеси, по существу (b) свободной от воды, с последующим добавлением ангидрида карбоновой кислоты к указанной первой реакционной смеси для получения второй реакционной смеси, и выдерживание указанной второй реакционной смеси при температуре и в течение периода времени, достаточном для образования сложного 6-эфира сахарозы, отличающийся тем, что стадию (a) проводят при температуре от 85 до 125°C и под давлением от 20 до 80 KPa.

Полярный апротонный растворитель предпочтительно представляет собой N,N-диметилформамид (ДМФ). Другими подходящими растворителям являются N-метил-2-пирролидон, диметилсульфоксид, N,N-диметилацетамид и гексаметилфосфорамид. Этот выбор определен растворимостью сахарозы и 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксана или другого активатора ацилирования на основе оловоорганического соединения (и станнилированный продукт сахарозы) в растворителе, а также соображениями безопасности и токсичности, особенно, если сложный 6-эфир сахарозы предназначен для синтеза сукралозы, пищевой добавки.

Используемое количество полярного апротонного растворителя также определяют с учетом вышеуказанной растворимости. В том случае, когда полярный апротонный растворитель представляет собой ДМФ, его предпочтительно использовать в количестве от 4 до 10 г на грамм сахарозы и более предпочтительно от 4,5 до 5,5 г на грамм сахарозы.

Многие растворители обладают способностью удалять воду путем совместной перегонки, и в способе по данному изобретению может быть использован любой растворитель, подходящий для этой цели. Предпочтительными растворителями являются такие, которые не смешиваются с водой и образуют кипящий при минимальной температуре азеотроп постоянного состава с водой. Примерами таких классов растворителей являются насыщенные углеводороды, ароматические углеводороды, хлорированные углеводороды, кетоны и простые эфиры. Что касается полярного апротонного растворителя, то соображения безопасности и токсичности также влияют на выбор соответствующего растворителя. Предпочтительными являются углеводороды, и особенно предпочтительными являются циклогексан, н-гептан, толуол и изооктан (2,2,4-триметилпентан). Наиболее предпочтительным растворителем является циклогексан.

Растворитель для совместной перегонки предпочтительно добавляют на стадии (а) по существу непрерывно, а также удобно добавлять по существу с постоянной скоростью. Однако также возможны изменения скорости добавления на стадии (а) и даже полная остановка добавления для части реакции.

Из источника информации по предшествующему уровню техники EP 0776903 A следует, что растворитель, обладающий способностью удалять воду путем совместной перегонки, добавляют в газообразной форме. То есть растворитель, обычно циклогексан, предварительно нагревают, и пары этого растворителя добавляют к реакционной смеси. Хотя этот метод может быть использован в способе по данному изобретению, было обнаружено также, что растворитель может быть также добавлен непосредственно в виде жидкости, без предварительного нагревания. Обычно растворитель добавляют в смесь посредством политетрафторэтиленовой (PTFE) трубки, предпочтительно расположенной близко к перемешивающему устройству в реакционном сосуде. Следует принять во внимание, что тогда в этих условиях растворитель будет быстро испаряться.

Предпочтительно регенерировать и повторно использовать растворитель для совместной перегонки. Это легко достигается путем конденсирования паров из реакционного сосуда и затем промывания и высушивания конденсата. Более предпочтительно повторно использовать растворитель для совместной перегонки во время реакции. Это достигается путем конденсирования растворителя для совместной перегонки в резервуар во время реакции и использования этого резервуара в качестве притока растворителя для совместной перегонки, добавляемого в реакционную смесь. Было обнаружено, что в том случае, когда полярный апротонный растворитель представляет собой ДМФ, а растворитель для совместной перегонки представляет собой циклогексан, в резервуар лучше всего добавлять небольшое количество воды. Это делается потому, что небольшое количество ДМФ совместно перегоняется из реакционного сосуда с водой и циклогексаном. ДМФ можно растворить в циклогексане в резервуаре и тем самым повысить растворимость воды в циклогексане. Если вода уже присутствует в резервуаре, большая часть ДМФ уходит в водный слой, снижая растворимость воды в циклогексане, и при этом получается более сухой циклогексан.

Активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения может быть любым из известных из уровня техники per se, например, любой из описанных в US 4950746, US 5023329, US 5089608 или EP 0475619 A. В частности, активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения может быть выбран из группы, состоящей из: 1,3-ди(гидрокарбилокси)-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксана; оксида ди(гидрокарбил)олова; продукта реакции между оксидом ди(гидрокарбил)олова и двухатомным спиртом, алканоламином или α-гидроксикетоном в енольной форме; и 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксана. Предпочтительно активатор ацилирования, основанный на оловоорганическом соединении, представляет собой 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксан.

Под используемым здесь ″гидрокарбилом″ подразумевается алкильная, циклоалкильная, арильная или аралкильная группа.

В том случае, когда активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения представляет собой 1,3-ди(гидрокарбилокси)-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксан, гидрокарбилоксигруппа предпочтительно представляет собой C₁-C₈ алкокси, или феноксигруппу, более предпочтительно метокси, этокси, н-пропилокси, н-бутилокси, н-пентилокси или н-гексилокси, и наиболее предпочтительно метоксигруппу В свою очередь, гидрокарбильная группа предпочтительно представляет собой алкильную группу, более предпочтительно C₁-C₈ алкильную группу и наиболее предпочтительно н-бутильную группу.

В том случае, когда активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения, представляет собой оксид ди(гидрокарбил)олова, гидрокарбильная группа, предпочтительно, представляет собой алкильную группу, более предпочтительно, C₁-C₈ алкильную группу, и, наиболее предпочтительно, н-бутильную группу.

В том случае, когда активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения представляет собой продукт реакции между оксидом ди(гидрокарбил)олова и двухатомным спиртом, алканоламином или α-гидроксикетоном в енольной форме, предпочтительным является оксид ди(гидрокарбил) олова, как описано выше. Двухатомным спиртом может быть алкандиол, предпочтительно имеющий от 2 до 8 углеродных атомов. Подходящими примерами являются этиленгликоль, 2,3-пропандиол, 2,3-бутандиол, 1,3-бутандиол, 1,4-бутандиол, 1,3-пропандиол, 1,2-пентандиол и 1,2-гександиол. С другой стороны, двухатомный спирт может быть циклоалкандиолом, предпочтительно, имеющим от 5 до 8 углеродных атомов. Подходящими примерами являются 1,2-циклогександиол и 1,2-циклопентандиол. В обоих случаях предпочтительно, чтобы расстояние между двумя гидроксильными группами составляло не более четырех углеродных атомов в углеродной цепи, с которой они связаны и более предпочтительно чтобы они находились на смежных углеродных атомах или чтобы там был только один углеродный атом, разделяющий углеродные атомы, с которыми связаны гидроксильные группы. Алканоламин предпочтительно представляет собой C₁-C₈ алканоламин, и предпочтительно, чтобы расстояние между гидроксильной группой и аминогруппой составляло не более чем четыре углеродных атома в углеродной цепи, с которой они связаны, и более предпочтительно, чтобы гидроксильная группа и аминогруппа находились на смежных углеродных атомах или чтобы там был только один углеродный атом, разделяющий углеродные атомы, с которыми связаны гидроксильная группа и аминогруппа. Подходящими алканоламинами являются этаноламин, 2-амино-1-пропанол и 1-амино-2-пропанол. Подходящими α-гидроксикетонами в енольной форме являются бензоин(2-гидрокси-2-фенилацетофенон) и ацетоин(3-гидрокси-2-бутанон).

Предпочтительно, однако, когда активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения представляет собой 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксан. Углеводородная группа 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксана предпочтительно представляет собой алкильную группу, более предпочтительно C₁-C₈ алкильную группу и наиболее предпочтительно бутильную группу, таким образом, особенно предпочтительны 1,1,3,3-тетрабутилдистанноксаны. Удобно, если ацилоксигруппа подходит для использования ангидрида карбоновой кислоты, так, например, при синтезе сахароза-6-ацетата наиболее предпочтителеным является 1,3-диацетокси-1,1,3,3-тетрабутилдистанноксан (дистанноксан диацетат DSDA).

В тех случаях, когда активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения представляет собой двухъядерные частицы, содержащие два атома олова в молекуле (например дистанноксан), предпочтительно присутствуют в молярных эквивалентах от 0,5 до 2,5 (на моль сахарозы), более предпочтительно от 0,75 до 1,2 молярных эквивалентов, еще более предпочтительно от 0,9 до 1,1 молярных эквивалентов и наиболее предпочтительно 1,0 молярный эквивалент.

В том случае, когда активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения представляет собой одноядерные частицы, содержащие один атом олова в молекуле (например оксид ди(гидрокарбил)олова), предпочтительно присутствуют в молярных эквивалентах от 0,5 до 2,5 (на моль сахарозы), более предпочтительно от 0,8 до 1,5 молярных эквивалентов и наиболее предпочтительно 1,2 молярных эквивалентов.

В том случае, когда активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения представляет собой 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксан, предпочтительно после окончания стадии (b) его регенерировать и использовать повторно. Это можно достичь путем разделения компонентов смеси между водой и циклогексаном с образованием верхней фазы 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксан/циклогексана и нижней фазы сложного эфира сахарозы/ДМФ/воды/уксусная кислота и последующей экстракцией нижней фазы циклогексаном. Смешанные экстракты циклогексана затем соединяют и концентрируют предпочтительно в вакууме. 1,3-Диацилокси-1,1,3,3-тетра-(гидрокарбил)дистанноксан может быть очищен с помощью общеизвестных методик.

Конечную точку реакции стадии (а) можно удобно определить путем определения массового соотношения олова к воде в реакционной смеси. Содержание олова может быть измерено с помощью рентгенофлуоресцентного анализатора, а содержание воды может быть измерено по методу Карла Фишера. Было обнаружено, что массовое соотношение олова к воде по окончании стадии (а) должно быть от 20 до 35, более предпочтительно от 24 до 32 и наиболее предпочтительно от 26 до 28 для оптимальных выходов. Кроме того, наиболее удобно следить за протеканием реакции путем измерения соотношения олова к воде в аликвотах и, позволяя стадии (а) протекать до массового соотношения более чем примерно 26.

Стадию (a) предпочтительно проводят при температуре от 90 до 100°C, более предпочтительно при температуре от 93 до 98°C и наиболее предпочтительно приблизительно при 97°C. Кроме того, стадию (a) предпочтительно проводят при давлении от 33 до 66 KPa, более предпочтительно при давлении от 40 до 60 KPa и наиболее предпочтительно при приблизительно половинном атмосферном давленим, а именно при давлении приблизительно 50 KPa.

Способ по настоящему изобретению может быть использован для получения разнообразных сложных 6-эфиров сахарозы в зависимости от наличия соответствующего ангидрида карбоновой кислоты. В частности, данный способ может быть использован для получения 6-ацетата сахарозы путем использования уксусного ангидрида и 6-бензоата сахарозы с использованием бензойного ангидрида. Как указывалось ранее, удобно, но не обязательно в последуюшем использовать реагент ацилоксиолово, имеющий такую же ацилоксигруппу, как и получаемый сложный эфир.

Ангидрид карбоновой кислоты предпочтительно добавляют в количестве от 0,8 до 1,5 молярных эквивалентов (на моль сахарозы начального материала), более предпочтительно от 1,05 до 1,35 молярных эквивалентов, еще более предпочтительно от 1,1 до 1,25 молярных эквивалентов и наиболее предпочтительно 1,15 молярных эквивалентов. Слишком большое количество ангидрида карбоновой кислоты приводит в результате к образованию чрезмерных количеств дикарбоксилатных побочных продуктов, тогда как слишком малое приводит к образованию больших количеств сахарозы, регенерированной в конце реакции.

В способе по настоящему изобретению неожиданно было обнаружено, что по сравнению со способом, известным из уровня техники из EP 0776903 A, обычно путем проведения реакции при температуре, известной из области техники, но только с умеренным снижением давления (обычно приблизительно до половины атмосферного давления), значительно сокращается время, затрачиваемое на полное протекание реакции стадии (а) (как измерено массовым соотношением олово/вода). Как показано в примерах, в общем случае при пониженном давлении реакция может быть завершена приблизительно в половину времени реакции, протекающей при атмосферном давлении. Сокращение времени реакции само по себе является выгодным, а также pro rata уменьшение использования циклогексана.

Также улучшено качество сложного 6-эфира сахарозы по сравнению с продуктом, полученным по способу известного уровня техники в EP-0776903-A. Способом по данному изобретению снижается количество продуктов разложения, которые затрудняют экстракцию реагента олова в конце реакции, а также дают продукт темного цвета. Также неожиданно улучшается соотношение сложного 6-эфира сахарозы к (нежелательному) сложному 2-эфиру сахарозы.

Примеры

Общий экспериментальный метод

2-литровая 5-горлая круглодонная колба снабжена механической мешалкой, затвором с перегородкой, термоэлементом, соединенным с насосом рецикла, дистилляционной колонкой Vigreux и через Y-образный стеклянный адаптор 6 мм-политетрафторэтиленовой (PTFE) трубкой для введения циклогексана (соединенной через насос рецикла с резервуаром растворителя), и делительной воронкой для уравновешивания давления. Колонка Vigreux соединена через конденсатор с водяным охлаждением, заканчивающийся адаптором с вакуумным тяговым устройством, с резервуаром растворителя, который представляет собой 2-литровую круглодонную колбу, к которой ведет PTFE трубка для введения циклогексана через насос рецикла растворителя.

Реакционный сосуд наполняют 140,3 г (0,41 моль) сахарозы и 700 мл диметилформамида (ДМФ). Делительную воронку для уравновешивания давления заполняют раствором DSDA в циклогексане (0,41 моль, 1 экв). Резервуар растворителя наполняют 1 литром сухого циклогексана и 50 мл воды.

Терморегулятор устанавливают на 97°C, реакционную колбу нагревают с использованием нагревающего покрытия при умеренном перемешивании. После того как сахароза растворяется в ДМФ (внутренняя температура приблизительно 85°C), требуется применение вакуума.

После того как температура реакционной смеси достигнет 100°C, медленно добавляют раствор DSDA, с такой скоростью, чтобы температура сохранялась около 93°C.

После того как добавление DSDA закончено, включают насос рецикла циклогексана под контролем терморегулятора так, чтобы насос запускался при температуре реакционной смеси 97°C или выше. Смесь циклогексан/вода вместе с некоторым количеством ДМФ перегоняется через колонку Vigreux и конденсируется в резервуар растворителя, из которого циклогексан поступает в реакционную смесь.

Пробы периодически отбирают пипеткой через крышку перегородки и анализируют содержание олова и воды. Содержание олова определяют с использованием рентгенофлюоресцентного анализатора (XRF) фирмы ASOMA, тогда как воду определяют с использованием влажного титрования по Карлу Фишеру. После того как соотношение олово/вода достигает приблизительно 27, реакцию останавливают, реактор снабжают осушительным патроном бикарбоната кальция (DryRite) (для предупреждения прохождения влаги при охлаждении) и охлаждают до 3°C. Делительную воронку для уравновешивания давления заменяют капельной воронкой для DSDA, наполненной 1,15 мольными эквивалентами уксусного ангидрида. (Проведена коррекция для количества проб, удаленных для анализа.) Уксусный ангидрид добавляют по каплям приблизительно более 20 минут, обеспечивая температуру реакции, не превышающую 5°C.

Реакционную смесь поддерживают при этой температуре в течение шести часов и в интервалах удаляют пробы для анализа продуктов распределения.

Затем смесь резко охлаждают приблизительно 0,6 эквивалентами воды и 1 литром циклогексана. Смесь перемешивают в течение 1 часа и оставляют нагреваться до комнатной температуры для полной остановки реакции. Слои разделяют с использованием делительной воронки (оставляя по крайней мере на 30 минут для того, чтобы произошло разделение) и затем водную фазу экстрагируют 4×1 литрами циклогексана. Экстракты циклогексана объединяют и концентрируют для регенерации DSDA.

Для определения выхода и распределения продуктов соединение продукта реакции исследуют методом ВЭЖХ и ГХ.

Примеры с 1 по 8

С использованием вышеизложенного способа было проведено большое количество экспериментов при атмосферном давлении (примеры с 1 по 3, которые представляют собой сравнительные примеры), и ряд при пониженном давлении (примеры с 4 по 8, которые являются примерами по настоящему изобретению).

Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1Получение Сахароэа-6-ацетата: Дегидратация в вакууме по сравнению с дегидратацией при атмосферном давлении Атмосферное (сравнительные Примеры)Вакуум (Примеры в соответствии с изобретением)Давление( Кра) внутри реакционного сосуда100100100100505050506633Номер примера123среднее456Среднее78Дегидратация Конечное соотношение олово/вода25,327,231,0 28,529,326,7 27,532,7Общее время дегидратации (мин:сек)72:0076:0074:00 36:0039:2034:47 31:3018:57Конечный продукт Масса(г)722,1721,0749,4 603,5588,6623,2 666,3644,9Анализ (мас.%) С-6-А+С-2-А17,216,316,0 20,420,819,5 19,821,3Моноацетаты0,10,10,2 0,10,10,1 0,10,1Диацетаты2,01,51,6 2,02,01,7 2,12,2Сахароза0,81,81,3 1,91,62,0 0,90,6Соотношение С-6-А к С-2-А23,521,222,922,224,126,323,924,822,427,8Углерод С-6-А81,9%78,7%80,6% 80,0%81,7%80,2% 82,5%84,9%Профиль (мас.%) С-2-А3,5%3,7%3,5% 3,3%3,1%3,4% 3,7%3,1%Моноацетаты0,7%0,7%0,8% 0, 6%0, 6%0,6% 0,5%0,5%Диацетаты10,0%7,5%8,2% 8,2%8,2%7,4% 9,3%8,9%Сахороза4,0%9,3%6,9% 7,9%6,5%8,4% 4,0%2,6%Выход(Скорректированный)81,6%77,5%79,5%579,5%80,7%80,7%78,9%80,1%86,6%89,8%

Цвет продукта реакции определяли количественно путем измерения оптической плотности в 1 см ячейке при 600 нм в сравнении с ДМФ в качестве стандарта. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 Сравнительный примерПримеры в соответствии с данным изобретениемДавление (КРа)100506633Оптическая плотность1,160,370,350,18

Определения цвета при 66 и 33 KPa соответствуют продуктам по примерам 7 и 8 соответственно. Определения цвета при 100 и 50 KPa соответствовали средним для продуктов из сравнительных примеров 1, 2 и 3 и примеров 4, 5 и 6 соответственно.

Таким образом, может быть отмечено, что в реакции при сниженном давлении получаются значительно менее интенсивно окрашенные продукты по сравнению с теми, которые получены при атмосферном давлении, и что уменьшение окраски продукта реакции в основном коррелирует со снижением давления.

Изобретение относится к способу синтеза сложного 6-эфира сахарозы, включающему: (a) взаимодействие смеси, содержащей сахарозу и полярный апротонный растворитель, с активатором ацилирования на основе оловоорганического соединения, при по существу непрерывном добавлении растворителя, способного удалять воду путем совместной перегонки, и удаление воды совместной перегонкой для получения первой реакционной смеси, по существу свободной от воды, и (b) добавление ангидрида карбоновой кислоты к указанной первой реакционной смеси для получения второй реакционной смеси, и выдерживание указанной второй реакционной смеси при температуре и в течение времени, достаточных для образования сложного 6-эфира сахарозы. Способ отличается тем, что стадию (а) проводят при температуре от 85 до 125°C и под давлением от 20 до 80 KPa. Предпочтительно полярный апротонный растворитель представляет собой ДМФ, растворитель, способный удалять воду путем совместной перегонки, представляет собой циклогексан, активатор ацилирования на основе оловоорганического соединения представляет собой 1,3-диацилокси-1,1,3,3-тетрабутилдистанноксан. Технический результат - сокращение времени реакции, повышение качества целевого продукта. 11 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения сложного 6-эфира сахарозы, включающий:

а) взаимодействие смеси, содержащей сахарозу и полярный апротонный растворитель, с активатором ацилирования на основе оловоорганического соединения, при по существу непрерывном добавлении растворителя, способного удалять воду путем совместной перегонки, и удаление воды совместной перегонкой для получения первой реакционной смеси, по существу свободной от воды, и далее

(b) добавление ангидрида карбоновой кислоты к указанной первой реакционной смеси для получения второй реакционной смеси и выдерживание указанной второй реакционной смеси при температуре и в течение времени, достаточных для образования сложного 6-эфира сахарозы,

отличающийся тем, что стадию (a) проводят при температуре 85-125°C и под давлением 20-80 КПа.