β-环糊精碳酸乙酯的合成与工艺优化

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β-环糊精碳酸乙酯是一类广泛用作酯类水解催化剂、光学异构体拆分剂、表面活性剂的化工产品。β-环糊精碳酸乙酯一般是通过有毒的羰基咪唑类化合物与β-环糊精反应得到。本文以环境友好的碳酸二乙酯为羰基化试剂合成了β-环糊精碳酸乙酯,并对该合成工艺进行了深入的研究,以寻找收率和平均取代度随工艺条件的变化规律。该合成方法工艺简单、收率高,不需要保护和去保护。首先,分别以油浴和微波辐射两种加热方式进行β-环糊精碳酸乙酯的合成实验,考察了β-环糊精和碳酸二乙酯的摩尔比、反应温度、反应时间和催化剂用量四个因素对其合成的影响。利用薄层色谱监测反应过程,通过高效液相色谱分析反应产物。然后,利用半制备高效液相色谱分离得到纯产物,并对纯产物进行MS,FT-IR,13C-NMR,1H-NMR结构表征。最后,利用响应曲面试验设计法进行实验设计,以反应收率和平均取代度为目标参数,建立β-环糊精碳酸乙酯合成的工艺优化模型,得到预期目标的最佳工艺条件。实验结果表明,微波辐射加热可以大大缩短反应时间,降低反应温度。但微波辐射加热条件下的最高收率为88%,低于传统油浴加热条件下的最高收率98%。此外,两种加热方式的反应结果都表明原料配比对合成收率的影响较大,而催化剂用量对产物的收率几乎没有影响。FT-IR结果显示产物为β-环糊精碳酸酯;13C-NMR和1H-NMR表征结果显示,羰基的取代位置为6位;利用MS确认不同工艺条件下产物的平均取代度,进而得出平均取代度随工艺条件的变化规律。在响应曲面实验中,当以反应收率为目标参数时,得到β-环糊精碳酸乙酯合成的最佳工艺条件为:10g β-环糊精溶于80mL N,N二甲基甲酰胺中,n (DEC)/n(β-环糊精)为20.2/1,反应温度为126℃,反应时间为8.5h,催化剂用量(相对于β-环糊精的质量百分数)为12%。此时,β-环糊精碳酸乙酯的收率为98%。以平均取代度为目标参数时,得到平均取代度最大时的工艺条件为:n (DEC)/n (β-环糊精)为21/1,反应温度为115℃,反应时间为13h,催化剂用量为16%,此时平均取代度达到最大值2.2。
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