N-乙酰-d-氨基葡萄糖转化为含氮化合物3-乙酰氨基-5-乙酰呋喃的简单一锅脱水工艺外文翻译资料

 2022-08-08 03:08

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N-乙酰-d-氨基葡萄糖转化为含氮化合物3-乙酰氨基-5-乙酰呋喃的简单一锅脱水工艺

Khaled W. Omari, Linda Dodot, and Francesca M. Kerton*

摘要：据报道有一种将N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）转化为3-乙酰氨基-5-乙酰呋喃的有效工艺。3A5AF是一种含氮平台化学品，含有可再生氮。在报道的方法中，NAG在硼酸（B(OH)3）和氯化钠（NaCl）的存在下，微波辐射（220℃，15分钟），在二甲基乙酰胺中生成58%的3A5AF。在4当量氯化钠存在下，最高产率为62%。通过对不同化学供应商的NAG进行电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析，强调了氯和硼水平在该过程中的重要性。因此，微量杂质是生物质转化中的重要考虑因素。这种溶液相工艺产生的3A5AF大约是之前报道的热解途径的30倍。

关键词:胺类 生物质 碳水化合物 均相催化

1.简介

可再生的生物源原料目前被广泛用于生产燃料和化学前体。[1–3]这些工艺通常提供仅含C、H和O的化学物质。人们对生产含有其他杂原子的可再生化学品越来越感兴趣。例如，己内酰胺最近是由5-羟甲基糠醛（5-HMF）和氨通过四步法合成的。[4]受此类研究的启发，我们想知道氨基糖是否可以用作新的含氮平台化学品的前体。本文介绍了我们在这方面的初步研究。

如图1a所示，N-乙酰-d-氨基葡萄糖（NAG），是一种氨基糖，也称为N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-d-葡萄糖。甲壳素是一种由NAG单体组成的多糖。它可以从甲壳类动物如螃蟹、龙虾和虾（渔业废弃物） 等甲壳类动物的壳中获得。[5]甲壳素也存在于真菌和昆虫的细胞壁中。[6]甲壳素每年从各种来源大规模生产，是仅次于纤维素的第二大生物聚合物。它很容易获得，无毒，对环境无害。此外，在世界上不容易获得废弃纤维素生物质饲料的地区，它也可以作为一种原料。甲壳素在盐酸中部分水解，然后中和、过滤、脱色和除盐，得到13.5wt%的NAG。[7]甲壳素酶解是另一种生产NAG的方法，例如，纤维素酶已被用于从甲壳质生产40wt%的NAG。[8]壳聚糖是甲壳素的部分脱乙酰形式，也是无毒且容易获得的。使用半纤维素酶水解壳聚糖（22%脱乙酰化）可以产生6.5wt%的NAG。[5]已有两项研究报道了以NAG为原料通过分解途径制备低分子量有机产品的研究。Franich和Goodin从NAG生产3-乙酰氨基-5-乙酰呋喃（3A5AF），如图1b。NAG的热解在玻璃管装置中进行，该装置在400℃的烘箱中加热。通过该工艺获得的3A5AF的产率为2%，这是目前文献中报道的最高值。[9]在另一项研究中，NAG与无水磷酸氢二钠和石英砂混合在不锈钢容器中。该混合物在200℃油浴中热解30分钟。主要产品为3A5AF（产率0.04 %）。[10]在本研究中，我们提出了一种以NAG为原料，利用微波辐射加热反应混合物生产3A5AF的新方法。在提取3A5AF之前，也不需要调节混合物的pH值。提取过程使用乙酸乙酯，这比以前研究中使用的氯仿、甲醇或二氯甲烷更环保。[11]

图1 a） NAG的化学结构;b）3A5AF的化学结构

本文报道的方法产生的产率是Franich和Goodin方法的30倍。[9]这一新颖的工艺将使得3A5AF成为更复杂化学产品的原材料。例如，Proximicin A（图2）、B和C是从疣状放线菌属的海洋放线菌中分离出来的天然化合物。[12]最近，有人将Proximicin作为抗肿瘤和抗生素药物进行了研究。[13]鉴于我们的呋喃产物和Proximicin的亚单元在结构上的相似性，我们提出NAG或其他氨基糖是这类复杂天然产物的生物合成前体。

图2 Proximicin A的化学结构

2．结果和讨论

2.1溶剂筛选

在本研究的开始，二甲基甲酰胺（DMF）被用作该过程中的溶剂。将反应混合物（50mgNAG和2ml二甲基甲酰胺）在207℃加热15分钟。该温度是根据我们仪器中微波加热乙腈的最高安全工作温度选择的。乙腈是筛选的溶剂之一。在所研究的溶剂中，以DMF为溶剂的3A5AF的收率最高，如图S1所示。我们考察了不同的溶剂，希望用更环保的溶剂代替DMF，生产更多的3A5AF。所选溶剂具有不同的“绿色度”。其中一些作用很少，还有一些与之相关的主要环境、健康和安全问题。[14]甲基叔丁基醚（TBME）、环戊基甲基醚（CPME）、二乙醇胺（DEA）和乙二醇（EG）不产生任何3A5AF。图S1显示，在酯溶剂[乙酸叔丁酯（TBOAc）、乙酸异丙酯（IPOAc）和乙酸乙酯（EtOAc）]中产生少量的3A5AF（平均1.7%），但在相关溶剂中获得了6.3%的EL。有趣的是，在乙二醇中没有形成3A5AF，但是在聚乙二醇中产生了8.1%产率的3A5AF。然而，就总的产品收率而言，偶极非质子溶剂[二甲基甲酰胺、甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、乙腈（CH3CN）和二甲基亚砜(DMSO)]表现最佳，在二甲基甲酰胺中3A5AF的收率为24.6%。显然，在所研究的条件下，需要偶极非质子溶剂才能产生大量的3A5AF。二甲基乙酰胺（DMA）的物理性质（包括沸点、闪点和急性毒性）不如二甲基甲酰胺危险。因此，使用了DMA工艺，获得了31.3%的产率。这一产率大约是文献报道的热解产生量的15倍。不幸的是，我们无法在溶剂极性（和其他溶剂参数）和溶剂筛选研究中获得的产率之间找到任何关联。然而，应该注意的是，在这些初始实验中没有使用催化剂或其他添加剂。

2.2催化剂/添加剂筛选

在确定了二甲基乙酰胺（DMA）是最好的溶剂后，我们试图找到最好的催化剂或添加剂，如表1。反应混合物由总反应质量的10wt%的NAG和6mol%的催化剂组成。在有溴化锂存在的反应的情况下，按总质量的10wt%添加。之所以添加溴化锂，是因为溴化物是一种很好的亲核试剂，已被证明能与DMA中的葡萄糖和果糖相互作用，提高5-HMF的产率。[15]表1显示，在溴化锂的存在下，3A5AF的产率降低。这与使用葡萄糖和果糖的结果不同。[15]三氯化铬已被证明能促进葡萄糖异构化为果糖，从而产生高产率的5-HMF。[16]三氯化铬也用于将纤维素转化为乙酰丙酸。[17]因此，在本研究中测试了三氯化铬，但未能显著提高产率(条目3和4)。强的氮配位（从试剂、产品或中间体）到铬中心可能会阻止催化转化。最好的催化剂是碱性的（条目6-11）。尽管NH3在筛选中没有给出最好的结果，但它被选择通过析因设计（FD）进行研究，因为它价格便宜，相对无害。

表1 .催化剂筛选及添加剂对3A5AF生产的影响

反应条件:无溴化锂时4.5ml，有溴化锂时4ml，10wt%NAG，6mol%催化剂（若使用），10wt%溴化锂（若使用），207℃，MW，15分钟

[a]气相色谱-质谱测定；[b] DBU=1，8-二氮杂二环十一碳-7-烯；[c] DABCO=1，4-二氮杂双环[2 . 2 . 2]辛烷

2.3优化反应条件的析因设计

虽然一次研究一个因素来优化反应条件是一种常用的方法，但它忽略了因素之间的相互作用。使用析因设计，研究者不仅可以一次研究一个因素，还可以研究因素之间的相互作用对结果的影响。[18]因此，我们在两个水平上研究了五个因素的影响，每个因素有两个水平（25）。这些因素是NAG、DMA、氨用量、温度和时间。这些因素和水平显示在表S1上。3A5AF的最高收率为42.6%。使用0.2356gNAG、4.5ml二甲基乙酰胺、0.26mmolNH3、217℃和15分钟获得该产率。该表中的结果是使用Minitab软件分析得到的。

图3 效应的正态概率图

（●=不显著；█=显著；因素:A = NH3，mmol；B =时间，h；C =温度,℃；D=DMA，ml; E=NAG，g）有关反应条件，请参见表S1

影响因素的正常图（图3）显示所有影响因素效果都是显著的。在这种情况下，单个影响（即单个因素）比组合影响或因素更显著。

我们在不同的水平上测试了最显著的效果，例如，温度升高（图S2），但是在FD实验中，这些都没有增加3A5AF的产生量（42.6%）

2.4测试来自不同化学品供应商的NAG

上述结果是使用从多伦多研究化学公司（TRC）购买的NAG获得的。当使用AK Scientific或Alfa Aesar的NAG时，我们惊讶地分别获得了14.7%和6.2 %的较低产量。我们面临的挑战是回答以下问题:为什么改变NAG的供应商/来源会导致产量大幅下降？在使用ICP-MS对每个供应商的NAG中的杂质水平进行研究后，我们发现来自TRC的NAG中硼（B）和氯化物（Cl）的浓度明显更高，如表2所示。

表2 .电感耦合等离子体质谱法分析三家供应商产品中的硼和氯

氯离子已被证明对生物质转化过程有显著的积极影响。[15,17,19]因此，在反应混合物中加入不同量的氯化钠，以测试氯浓度对AK Science和Alfa Aesar的NAG生产3A5AF的影响。图4显示，在NaCl与NAG的摩尔比为30-50%时，3A5AF的产量最高。

图4 添加氯化钠对AK Scientific和Alfa Aesar提供的NAG生产3A5AF的影响

●=Alfa Aesar，○=AK Scientific

反应条件:0.2356g氨基葡萄糖（NAG），0-50氯化钠（mol%NAG），4.5ml二甲基乙酰胺，氨（24.4mol%NAG），MW，217℃，15分钟

与AK Scientific相比，Alfa Aesar的NAG始终生产较少的3A5AF，我们认为这是因为它含有较少的硼（见表2）。因此，硼以硼酸的形式加入到反应混合物中。硼酸是一种弱酸，无毒，廉价，易得。硼酸和氯化钠以前已经被用来提高己糖的5-羟甲基糠醛的产量。[19,20]据报道，从葡萄糖中获得的产率高达42%，从蔗糖中获得的产率高达66%。

在氯化钠存在和不存在（相对于NAG为30mol%）以及氨存在和不存在（NAG为24.4mol%）的情况下，以2:1的B(OH)3/NAG摩尔比加入B(OH)3对3A5AF产量的影响如图5所示。在所有反应中来自AK Scientific的NAG产生了更多的3A5AF，我们认为这是因为其最初的B和Cl含量较高，如表2所示。图5强调添加Cl离子加入到反应混合物中重要性。硼酸和氯化钠在NAG脱水中的重要性使我们在三个不同的水平（32）FD研究了两个因素，以确定应该添加的最佳添加量。表S2显示，32析因设计使用三种浓度的氯化钠，相对于NAG为10、30和60mol%，硼酸与NAG摩尔比为0.5∶1、1∶1、2∶1。反应的其他参数保持恒定在0.2356gNAG、4.5mLDMA、220℃和反应时间15分钟。利用Minitab软件对结果进行分析。3A5AF的相互作用图（图S3）显示，在每一个硼酸添加量下，3A5AF的产生量随着氯化钠浓度的增加而增加。相互作用图还清楚地表明，1∶1的B(OH)3/NAG摩尔比产生最高的3A5AF产率。

图5 添加氢氧化硼、氯化钠和碳酸氢铵对3A5AF生产的影响

█= Alfa Aesar的NAG。□= AK Scientific的NAG

反应条件:0.2356gNAG，在NaCl （相对于NAG为30mol%）和NH3（相对于NAG为24.4mol%）存在和不存在的情况下，4.5ml的DMA，2∶1的B(OH)3/NAG摩尔比，MW，217℃，15分钟，通过气相色谱-质谱测定产率

2.5氯离子浓度、水、反应时间和温度对产率的影响

如图6所示，在不同的氯化钠浓度下，使用固定量的1:1的B(OH)3/NAG摩尔比，3A5AF的产率变化。在NaCl/NAG摩尔比为2：1时，15min 3A5AF的产率为57.7%。这与使用产生5-羟甲基糠醛的果糖和葡萄糖的研究形成了很好的对比。在NaCl和B(OH)3的作用下果糖和葡萄糖分别以60%和14%的产率产生5-HMF。[20]因此，我们假设该反应机理与报道的传统碳水化合物反应机理相似。

图6 以1:1的B(OH)3/NAG摩尔比添加不同水平的氯化钠的效果

反应条件:0.2356gNAG，4.5mlDMA，10–400NaCl（mol%NAG），1:1 B(OH)3/NAG摩尔比，MW，220℃，15分钟，3A5AF用气相色谱-质谱联用仪定量

对不同Cl-来源进行测试(五水氯化亚锡（SnCl4·5H2O）、四水氯化亚锰（SnCl4 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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