β-环糊精包结分离天然香料中醇、酚和酯的研究

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天然产物中的醇、醛和酯类化合物是重要的组成部分,也是一些重要的高端化工原料,被广泛应用于食品、药品和化妆品行业。然而,将天然产物中的这些组分分离出来是非常困难的,这是由于这些组分具有极为接近的物理和化学性质。环糊精由于具有“内疏水,外亲水”的结构,能够选择性地与客体分子通过弱相互作用形成包结物,即具备分子识别功能,可以用来选择性地包结分离一些组分。本论文正是利用β-环糊精与客体形成包结物的形式去实现一些天然产物中的醇、醛和酯等难分离体系中典型组分的分离,具体的研究内容如下:首先,本论文借助量子化学计算,对β-环糊精(p-CD)与橙花醇和香叶醇形成包结物的结构和能量进行模拟,实验结果表明,β-CD能与两种同分异构体能够通过氢键等弱相互作用形成稳定的包结物,能量的优化结果指出β-CD与香叶醇形成包结物的稳定性明显高于β-CD与橙花醇的包结物的稳定性;进一步通过紫外光谱法测定了两种包结物的包结常数,β-CD与香叶醇的包结常数比β-CD与橙花醇的包结常数更大,说明β-CD和香叶醇之间存在着更强的相互作用力,这为β-CD用于分离两种组分提供了明显的理论依据。不同的物理化学表征方法如NMR、FTIR以及TG/DS C等分别被用来表征β-CD与橙花醇和香叶醇形成的包结物,实验结果证明了主客体间弱相互作用的存在;最后优化了溶剂、投入摩尔比以及包结分离温度等影响因素对分离效果的影响,得出最佳的包结分离工艺条件。其次,以丁香油中两种主要成分丁香酚和乙酸丁香酚酯作为研究对象,借助量子化学计算手段,对β-CD与丁香酚和乙酸丁香酚酯形成包结物的结构和能量进行模拟,实验结果表明,β-CD能与两组分通过氢键等弱相互作用形成稳定的包结物,能量的优化结果表明β-CD与乙酸丁香酚酯形成包结物的稳定性明显高于β-CD与丁香酚包结物的稳定性;进一步通过紫外吸收光谱法检测β-CD与丁香酚和乙酸丁香酚酯的包结常数,相比于丁香酚,乙酸丁香酚酯与β-CD的包结常数更大,能形成更稳定的包结物,这为β-CD用于分离两种组分提供了明显的理论依据。分别制备β-CD与丁香酚和乙酸丁香酚酯的包结物,通过NMR、FTIR、XRD以及TG/DSC表征,进一步证明了β-CD与客体分子间存在着弱相互作用,最后对包结分离的工艺条件进行了优化,主要考察了溶剂、摩尔比以及包结分离温度对分离效果的影响,得出最佳的工艺条件为:包结分离的溶剂为10%的乙醇溶液,丁香酚和乙酸丁香酚酯等摩尔混合物与β-CD的摩尔比为4/1,包结分离的温度为45℃,包结时间4 h,静置时间为12 h,β-CD对乙酸香酚酯的包结量可达60%以上,包结分离因子接近2.5。然后,借助量子化学计算方法,对β-CD与苯甲醇和乙酸苄酯形成包结物的结构和能量进行模拟,得出β-CD与苯甲醇和乙酸苄酯通过氢键等弱相互作用形成稳定的包结物,优化结果表明β-CD与乙酸苄酯形成包结物的稳定性明显高于β-CD与苯甲醇包结物的稳定性。采用紫外吸收光谱法测定了β-CD与两组分的包结常数,β-CD与乙酸苄酯的包结常数比β-CD与苯甲醇的包结常数大,说明β-CD与乙酸苄酯形成的包结物更稳定。不同的表征方法例如NMR、FTIR、 XRD以及TG/DSC等分别被用来表征表征β-CD与苯甲醇和乙酸苄酯形成的包结物,结果证明了主体分子与客体分子弱相互作用的存在。最后优化了溶剂、投入摩尔比以及包结分离温度等影响因素对分离效果的影响,得出最佳的包结分离工艺条件为:以水溶液作为溶剂,等摩尔比混合的苯甲醇和乙酸苄酯混合物与β-CD的投入摩尔比为4/1,最佳的包结温度为40℃,包结时间4 h,静置时间为12 h,β-CD对乙酸苄酯的包结量可达60%,包结分离因子可达16以上。前期的研究表明,以水作为溶剂,苯乙酮和1-苯乙醇等摩尔比混合物与B-CD的摩尔比为4/1,包结分离温度为30。C,包结时间为2 h,静置时间为12 h,B-CD对苯乙酮的包结量可达90%以上,包结分离因子可达25以上。本论文在实验结论的基础之上,对β-CD包结分离苯乙酮和1-苯乙醇进行了放大工艺研究,并通过Aspen Plus流程模拟软件,模拟了两种组分的精馏过程,在理论计算和实际操作的基础之上,设计了放大实验的工艺流程图,为利用β-CD包结分离苯乙酮和1-苯乙醇的产业化提供理论基础。
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