一种维生素a棕榈酸酯的制备方法
阅读说明：本技术 一种维生素a棕榈酸酯的制备方法 (Preparation method of vitamin A palmitate ) 是由 罗朝辉 林龙 翟文超 张弈宇 王嘉辉 高洪坤 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种维生素A棕榈酸酯的制备方法,该方法采用金属氰化物改性碱金属硫化物,得到了一种用于维生素A棕榈酸酯的固体碱催化剂,并以VA醋酸酯和棕榈酸为原料,一步法合成维生素A棕榈酸酯,具有反应条件温和,选择性高,无副产物生成等优势,反应所得产品在低温下更能稳定保存且易结晶析出,收率高；解决了传统维生素A棕榈酸酯合成中固体酸催化体系中存在的设备腐蚀问题,工艺绿色环保。(The invention provides a preparation method of vitamin A palmitate, which adopts metal cyanide to modify alkali metal sulfide to obtain a solid base catalyst for the vitamin A palmitate, and adopts VA acetate and palmitic acid as raw materials to synthesize the vitamin A palmitate by a one-step method, so that the preparation method has the advantages of mild reaction conditions, high selectivity, no byproduct generation and the like, and the product obtained by the reaction can be more stably stored at low temperature, is easy to crystallize and separate out, and has high yield; solves the problem of equipment corrosion in a solid acid catalytic system in the traditional vitamin A palmitate synthesis, and has green and environment-friendly process.)
技术领域
本发明属于化学合成技术领域，特别涉及一种维生素A棕榈酸酯的制备方法。
背景技术
维生素A，也称为视黄醇，是一种天然脂溶性维生素，人体必需营养素之一。但维生素A对皮肤具有刺激性，且化学性质较为活泼，遇酸、空气、氧化剂、高温或者紫外线等容易遭到破坏，而维生素A酯类衍生物较为稳定且不具刺激性，因此商品维生素A都以酯的形式提供市场。在维生素A的酯类系列产品中，维生素A醋酸酯和维生素A棕榈酸酯的市场占有量最大，由于VA棕榈酸酯的碳链长，熔点低，油溶性好，已被广泛应用于食品、药品、化妆品，成为食品或化妆品中最为常用的添加剂。
VA棕榈酸酯主要采用化学合成法和生物酶法制得。化学合成主要以VA乙酸酯为原料，进行水解反应生成VA醇后加入棕榈酰氯进行酰化反应，生成VA棕榈酸酯。该合成工艺复杂，反应条件苛刻，副产物多，分离困难。生物酶法主要以VA乙酸酯为原料，在脂肪酶的存在下发生酯化或酯交换反应生成VA棕榈酸酯。
专利JP62248495公开了一种酶催化合成VA棕榈酸酯的方法，在温度为30℃下反应12h，收率仅为80％，但酶催化的方法必须在较低的浓度进行，生产能力较低，反应产物中含有脂肪酶使后续分离困难，没有成本优势且影响产品质量。
专利CN104673870A中公开了一种VA醋酸酯与有机醇在固定化酯酶E.coli BioH的存在下先制得VA醇，再与棕榈酸在固定化酯酶E.coli BioH的催化制得VA棕榈酸酯。反应过程复杂且多次过滤，步骤繁琐。此外，在减压蒸出过量有机醇过程中容易导致VA醇受热变质，影响产品质量。因此，开发一种新的VA棕榈酸酯的制备方法，对工业化生产具有至关重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种维生素A棕榈酸酯的制备方法，采用固体碱催化剂催化维生素A醋酸酯和棕榈酸反应，得到的产物选择性高，基本无副产物，产品低温稳定性高，易于保存。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种维生素A棕榈酸酯的制备方法：其制备方法为：将维生素A醋酸酯与棕榈酸在固体碱催化剂的作用下发生酯交换反应制得。
所述固体碱催化剂的制备方法：
(1)将二氧化硅粉末加入到酸溶液中浸渍，向其中加入高分子聚合物纳米球颗粒，剧烈搅拌使其混合均匀后，过滤，干燥待用。
(2)将金属硫化物溶解在混合溶剂一中，分散均匀后加入步骤(1)制备的载体，一定温度下搅拌一定时间。升温到一定温度，然后加入金属氰化物，搅拌过滤后取出，焙烧得到固体碱催化剂。
本发明中，步骤(1)所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、氢溴酸的水溶液中的一种或多种，优选盐酸的水溶液，其中盐酸的质量百分数为1-36wt％，优选5-15wt％。加入酸溶液浸渍的目的是为了让二氧化硅粉末孔径均一化。
本发明中，步骤(1)中，所述高分子聚合物是聚氧化烯烃的多元醇、聚苯乙烯、水溶性聚酯、聚醚酯、聚醚改性聚硅氧烷中的一种或多种，优选聚苯乙烯的纳米颗粒球。所述高分子聚合物与二氧化硅的质量比为1:0.5-1:10，优选1:1-1:5。
加入聚合物的目的，一是增加无机非金属载体二氧化硅的亲水性，以便吸附更多反应物，增加催化性能；二是修饰二氧化硅表面，为活性中心的负载提供更多空间，增加催化性能。
本发明中，步骤(1)中，所述二氧化硅在酸溶液中的浸渍时间为1-20h，优选2-12h；所述浸渍温度为20-400℃，优选50-250℃。
采用高分子聚合物改性二氧化硅载体表面，一是增加无机非金属载体二氧化硅的亲水性，以便吸附更多反应物，增加催化性能；二是修饰二氧化硅表面，为活性中心的负载提供更多空间，增加催化性能。
本发明中，步骤(1)中，过滤后在10-200℃下干燥1-20h，干燥温度优选50-120℃，干燥时间优选5-12h。
本发明中，步骤(2)中，所述混合溶剂一为水和有机溶剂一的混合液，如水/乙二醇、水/丙三醇、水/异丙醇、水/正丁醇、水/丙酮、水/丁醇等，优选水/正丁醇，其中水和有机溶剂一的质量比为0.05:1～1:1，优选0.1:1～0.5:1；
本发明所述步骤(2)中，所述步骤(1)制备的载体的加入量为：每摩尔的金属硫化物加入5-100g高分子聚合物改性二氧化硅，优选10g-50g。
本发明所述步骤(2)中，金属硫化物包括碱金属和碱土金属的硫化物，如硫化钠，硫化锂，硫化钾，硫化镁、硫化钙等中的一种或多种，优选硫化钠；金属氰化物包括氰酸钠、氰酸钾、氰酸银，氰酸氨、六氰合钴酸钠、铁氰化钾、六氰合钴酸钾等中的一种或多种，优选铁氰化钾。
本发明中，步骤(2)中，加入载体后所述搅拌时间为5-40h，优选8-16h；所述搅拌温度为50～400℃，优选50～150℃；所述金属氢化物采用滴加的方式加入，滴加金属氰化物的时间为0.5～10h，优选1～2.5h，滴加时的温度为100～800℃，优选250～450℃。
本发明中，步骤(2)中，金属氰化物先溶于有机溶剂二中再滴加，有机溶剂二为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇、四氢呋喃、乙腈和氯代烷烃中的一种或多种，优选甲醇。加入的金属氰化物与金属硫化物的摩尔比为0.1:1～5:1，优选0.5:1～2:1。
金属氰化物的加入能与无机金属盐复配，一是调节催化剂处于适宜的碱性，即控制反应的选择性；二是增加催化剂的亲油性，即提高催化性能；三是增加无机碱在聚合物修饰的载体上的吸附性能，即提高机械强度。
本发明中，步骤(2)中，加入载体搅拌一定时间后采用氮气进行气提，所述氮气气提的体积流量为10～500mL/min，优选50～250mL/min，氮气气提的目的是为了让碱金属硫化物在载体上吸附均匀。
本发明中，步骤(2)中，所述催化剂的焙烧温度为50～600℃，优选100～300℃；焙烧催化剂的时间为1～20h，优选5～10h。
在本发明的一些优选实施方式中，本发明的制备方法包括以下步骤：
本发明中，所述VA醋酸酯溶解于有机溶剂三中，溶解VA醋酸酯的有机溶剂三包括石油醚、正己烷、正庚烷、乙腈、二氯甲烷、三氯甲烷、氯仿中的一种或多种，优选正己烷。VA醋酸酯在有机溶剂三中的质量分数为1wt％～40wt％，优选10wt％～20wt％。
本发明中，VA醋酸酯与棕榈酸的进料摩尔流量之比为1:1.05～1:1.5，优选1:1.15～1:1.35。
VA醋酸酯的质量空速为1-200h-1，优选5-150h-1。
本发明中，所述反应温度为10℃～60℃，优选20℃～30℃；所述混合反应液的停留时间为0.2～20min，优选1～10min；所述反应压力为0.005MPa～0.08MPa，优选0.01MPa～0.03MPa。
反应完成后反应液与萃取剂接触萃取分离后，得到VA棕榈酸酯，经浓缩后于结晶试剂中析出并收集产品晶体，并测定其低温稳定性。
本发明中，所述萃取剂为甲苯、间二甲苯、邻二甲苯、对二甲苯、丙酮、乙酸乙酯等中的一种或多种，优选甲苯。所述萃取剂的流量为原料VA醋酸酯的质量流量的0.5～5倍，优选1～3倍。
本发明中，所述结晶试剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、正丙醇、乙二醇等中的一种或多种，优选乙醇。所述结晶试剂的流量为原料VA醋酸酯的质量流量的1～10倍，优选2～4倍。低温结晶的温度为-2～20℃，优选0～10℃。
与传统的VA棕榈酸酯交换合成工艺相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种金属氢化物改性碱金属硫化物的固体碱催化剂，催化剂机械强度高，其用于VA醋酸酯和棕榈酸的反应，催化活性高、选择性好，反应条件温和，无副产物生成。
(2)采用本发明的固体碱催化剂合成VA棕榈酸酯反应条件更加温和，反应所得产品在低温下更能稳定保存且易结晶析出。
(3)采用固体碱催化体系解决了传统固体酸催化体系中存在的设备腐蚀问题，工艺绿色环保。
(4)本发明的固体碱催化剂合成VA棕榈酸酯副产物少，能大幅度降低丁二酸，甲醚以及维生素A二聚物的含量，选择性高，催化剂用量少，具有良好的循环利用率。
具体实施方式
铁氰化钾、甲醇、硫化钠均购买于上海泰坦科技有限公司，聚苯乙烯纳米颗粒购买于南京先丰科技股份有限公司。固体酸催化剂amberlyst45购于南大合成催化剂有限公司。
实施例1
将20g二氧化硅置于200mL，5wt％的盐酸中，于50℃下浸渍2h，搅拌状态下快速加入20g聚苯乙烯粉末，剧烈搅拌后过滤得到白色固体，在50℃下干燥5h，研磨待用。将1mol硫化钠滴加入到500mL丁醇与水的混合溶剂中，其中水与丁醇的体积比为0.1：1，称10g取上述固体粉末倒入硫化钠溶液中，于50℃下搅拌8h后，向体系鼓入50mL/min氮气，并回流下将体系温度升温至250℃，停止通入氮气。将配制好的0.5mol/L，1L的铁氰化钾的甲醇溶液滴加其中，控制滴加流速保证滴加时间为1h。滴加完毕后过滤取出所得固体，在氮气氛围中于100℃下焙烧5h，得到催化剂Na2S-K3[Fe(CN)6]@P-SiO2。
将质量分数为10wt％的VA醋酸酯的正己烷溶液预热至20℃后以流量为2.46kg/min从固定床反应器的上部进入。棕榈酸预热至20℃后以流量为221.2g/min从固定床反应器的下部进入。固定床反应器中填充有5.01g催化剂，反应物料在床层上与填充的催化剂接触，物料VA醋酸酯的停留时间为2.5min，在20℃下，系统压力为0.01MPa下发生反应。反应完成后反应液经0.246kg/min甲苯萃取分离后得到产品液，液相分析其中VA棕榈酸酯的含量为97.63％，维生素A二聚物的含量为1.12％，丁二酸的含量为0.89％，甲醚的含量为0.36％。减压蒸馏浓缩后甲苯溶剂回收率为96.6％，再向含有VA棕榈酸酯的浓缩液中通入0.492kg/min的无水乙醇，于10℃下VA棕榈酸酯快速结晶析出，晶体回收率为95.3％。将VA棕榈酸酯晶体于10℃下氮封存储10天，VA棕榈酸酯晶体变质率仅为0.02％。
实施例2
将20g二氧化硅置于200mL，10wt％的盐酸中，于100℃下浸渍6h，搅拌状态下快速加入60g聚苯乙烯粉末，剧烈搅拌后过滤，在80℃下干燥8h、研磨待用。将1mol硫化钠滴加入到500mL丁醇与水的混合溶剂中，其中水与丁醇的体积比为0.25：1，称20g取上述固体粉末加入到硫化钠溶液中，于100℃下搅拌12h后，向体系鼓入100mL/min氮气，并回流下将体系温度升温至300℃，停止通入氮气。将配制好的1.0mol/L，1L的六氰合钴(III)酸钠的甲醇溶液滴加其中，控制滴加流速保证滴加时间为1.5h。滴加完毕后过滤取出所得固体，在氮气氛围中于200℃下焙烧8h，得到催化剂Na2S-Na3[Co(CN)6]@P-SiO2。
将质量分数为20wt％的VA醋酸酯的正己烷溶液经热至25℃后以流量为1.314kg/min从固定床反应器的上部进入。棕榈酸预热至25℃后以流量为246g/min从固定床反应器的下部进入。固定床反应器中填充有5.11g催化剂，反应物料在床层上与填充的催化剂接触，物料VA醋酸酯在反应器中的停留时间为6.5min，在25℃下，系统压力为0.02MPa下发生反应。反应完成后反应液经0.657kgmin甲苯萃取分离后得到产品液，液相分析其中VA棕榈酸酯的含量为98.63％，维生素A二聚物的含量为0.85％，丁二酸的含量为0.45％，甲醚的含量为0.07％。减压蒸馏浓缩后甲苯溶剂回收率为96.2％，再向含有VA棕榈酸酯的浓缩液中通入0.657kg/min的无水乙醇，于5℃下VA棕榈酸酯快速结晶析出，晶体回收率为95.5％。将VA棕榈酸酯晶体于10℃下氮封存储10天，VA棕榈酸酯晶体变质率仅为0.01％。
实施例3
将20g二氧化硅置于200mL，15wt％的盐酸中，于250℃下浸渍12h，搅拌状态下快速加入100g聚苯乙烯粉末，剧烈搅拌过滤、120℃干燥12h后研磨待用。将1mol硫化钾滴加入到500mL丁醇与水的混合溶剂中，其中水与丁醇的体积比为0.5：1，称50g取上述白色粉末倒入硫化钾溶液中，于150℃下搅拌16h后，向体系鼓入250mL/min氮气，并回流下将体系温度升温至450℃，停止通入氮气。将配制好的2.0mol/L，1L的氰酸钾的甲醇溶液滴加其中，控制滴加流速保证滴加时间为2.5h。滴加完毕后过滤取出所得固体，在氮气氛围中于300℃下焙烧10h，得到催化剂K2[email protected]2。
将质量分数为20wt％的VA醋酸酯的正己烷溶液加热至30℃后以流量为1.643kg/min从固定床反应器的上部进入。棕榈酸预热至30℃后以流量为346g/min从固定床反应器的下部进入。固定床反应器中填充有5.23g催化剂，反应物料在床层上与填充的催化剂接触，物料VA醋酸酯在反应器中的停留时间为8.2min，在30℃下，系统压力为0.03MPa下发生反应。反应完成后反应液经0.657kg/min甲苯萃取分离后得到产品液，液相分析其中VA棕榈酸酯的含量为97.63％，维生素A二聚物的含量为0.23％，丁二酸的含量为1.26％，甲醚的含量为0.88％。减压蒸馏浓缩后甲苯溶剂回收率为96.6％，再向含有VA棕榈酸酯的浓缩液中通入0.985kg/min的无水乙醇，于2℃下VA棕榈酸酯快速结晶析出，晶体回收率为98.2％。将VA棕榈酸酯晶体于10℃下氮封存储10天，VA棕榈酸酯晶体变质率仅为0.03％。
对比例1
将20g二氧化硅置于200mL，5wt％的盐酸中，于50℃下浸渍2h，搅拌状态下快速将加入20g聚苯乙烯粉末，剧烈搅拌后过滤，在50℃下干燥5h研磨待用。将1mol硫化钠滴加入到500mL丁醇与水的混合溶剂中，其中水与丁醇的体积比为0.1：1，称10g取上述固体粉末倒入硫化钠溶液中，于50℃下搅拌8h后，向体系鼓入50mL/min氮气，并回流下将体系温度升温至250℃，停止通入氮气，过滤取出所得固体，在氮气氛围中于100℃下焙烧5h，得到催化剂Na2[email protected]2。
将质量分数为10wt％的VA醋酸酯的正己烷溶液预热至20℃后以流量为2.46kg/min从固定床反应器的上部进入。棕榈酸预热至20℃后以流量为221.2g/min从固定床反应器的下部进入。。固定床反应器中填充有5.01g催化剂，反应物料在床层上与填充的催化剂接触，物料VA醋酸酯在反应器中的停留时间为2.5min，在20℃下，系统压力为0.01MPa下发生反应。反应完成后反应液经100mL/min甲苯萃取分离后得到产品液，液相分析其中VA棕榈酸酯的含量为90.52％，维生素A二聚物的含量为3.69％，丁二酸的含量为2.34％，甲醚的含量为3.45％。减压蒸馏浓缩后甲苯溶剂回收率为94.3％，再向含有VA棕榈酸酯的浓缩液中通入80mL/min的无水乙醇，于10℃下VA棕榈酸酯快速结晶析出，晶体回收率为90.1％。取10.0gVA棕榈酸酯晶体于10℃下氮封存储10天，VA棕榈酸酯晶体变质率仅为0.03％。
对比例2
将20g二氧化硅置于200mL，5wt％的盐酸中，于50℃下浸渍2h，搅拌状态下快速将20g聚苯乙烯粉末其中，剧烈搅拌后取出白色固体混合物干燥、研磨待用。称10g取上述白色粉末倒入500mL丁醇与水的混合溶剂中，其中水与丁醇的体积比为0.1：1，于50℃下搅拌8h后，向体系鼓入50mL/min氮气，并回流下将体系温度升温至250℃，停止通入氮气。将配制好的0.5mol/L，1L的铁氰化钾的甲醇溶液滴加其中，控制滴加流速保证滴加时间为1h。滴加完毕后过滤取出所得固体，在氮气氛围中于100℃下焙烧5h，得到催化剂K3[Fe(CN)6]@P-SiO2。
将质量分数为10wt％的VA醋酸酯的正己烷溶液预热至20℃后以流量为2.46kg/min从固定床反应器的上部进入。棕榈酸预热至20℃后以流量为221.2g/min从固定床反应器的下部进入。固定床反应器中填充有5.02g催化剂，反应物料在床层上与填充的催化剂接触，调节进料流量使物料在反应器中的停留时间为2.5min，在20℃下，系统压力为0.01MPa下发生反应。反应完成后反应液经100mL/min甲苯萃取分离后得到产品液，液相分析其中VA棕榈酸酯的含量为60.25％，维生素A二聚物的含量为20.35％，丁二酸的含量为10.27％，甲醚的含量为9.13％。减压蒸馏浓缩后甲苯溶剂回收率为96.6％，再向含有VA棕榈酸酯的浓缩液中通入80mL/min的无水乙醇，于10℃下VA棕榈酸酯快速结晶析出，晶体回收率为94.3％。将VA棕榈酸酯晶体于10℃下氮封存储10天，VA棕榈酸酯晶体变质率为0.05％。
对比例3
购买一定量的商售的固体酸催化剂amberlyst 45并用于该酯交换反应，具体对比例如下：
将质量分数为10wt％的VA正己烷液经热至20℃后以流量为2.46kg/min从固定床反应器的上部进入。棕榈酸预热至20℃后以流量为221.2g/min从固定床反应器的下部进入。反应物料在床层上与填充的催化剂接触，固定床反应器中填充有5.12g催化剂，物料VA醋酸酯在反应器中的停留时间为2.5min，在20℃下，系统压力为0.01MPa下发生反应。反应完成后反应液经0.246kg/min甲苯萃取分离后得到产品液，液相分析其中VA棕榈酸酯的含量为90.28％，维生素A二聚物的含量为2.59％，丁二酸的含量为3.79％，甲醚的含量为3.34％。减压蒸馏浓缩后甲苯溶剂回收率为96.8％，再向VA棕榈酸酯母液中通入0.492kg/min的无水乙醇，于10℃下使VA棕榈酸酯结晶析出，晶体回收率为20.5％，继续降温至5℃，晶体收率为75.9％。取10.0gVA棕榈酸酯晶体于10℃下氮封存储10天，VA棕榈酸酯晶体变质率为1.23％。
由对比例一可知，无金属氰化物改性的固体碱催化剂在相同工艺条件下催化活性较低，这是由于催化剂中金属硫化物的碱性过强，生成了较多副产物导致的；由对比例二可知，无金属硫化物负载的固体碱催化剂不具有较好的催化酯交换反应的活性，这是由于固体碱的活性中西仍然是硫化钠。由对比例三可知，采用常见的固体酸催化剂进行相同工艺条件下的酯交换反应，得到的产品中含有比本专利高的副产物，且得到的VA棕榈酸酯需要极低(约-30到-10℃的)结晶温度，相同工艺条件下的变质速率大于1％以上，生产经济成本较高。
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