一种利用几丁质降解n-乙酰-d-氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法
阅读说明：本技术 一种利用几丁质降解n-乙酰-d-氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法 (Method for preparing 3-acetamido-5-acetylfuran by degrading N-acetyl-D-glucosamine with chitin ) 是由 陈可泉 吴超强 张阿磊 王成勇 曹飞 欧阳平凯 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及化学品的制备,尤其涉及一种利用几丁质降解N-乙酰-D-氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法,是一种高附加值的含氮平台化合物,可用于多种含氮精细化学合成,具有巨大的应用价值。本专利首先利用几丁质酶降解几丁质为单体N-乙酰-D-氨基葡萄糖,再以其为出发底物,N,N-二甲基乙酰胺为反应溶剂,在硫氰酸铵及其结构类似物等催化剂以及少量金属盐作为辅助催化剂的作用下,经环化脱水形成3A5AF。本方法中反应步骤简单,催化剂成本低廉、操作方便,产物收率高,具有较好的工业化前景。(The invention relates to preparation of chemicals, in particular to a method for preparing 3-acetamido-5-acetylfuran by degrading N-acetyl-D-glucosamine by using chitin, which is a nitrogen-containing platform compound with high added value, can be used for various nitrogen-containing fine chemical synthesis and has great application value. The method comprises the steps of firstly degrading chitin by using chitinase to serve as a monomer N-acetyl-D-glucosamine, then using the chitin as a starting substrate, using N, N-dimethylacetamide as a reaction solvent, and carrying out cyclodehydration to form 3A5AF under the action of catalysts such as ammonium thiocyanate and structural analogues thereof and a small amount of metal salt serving as auxiliary catalysts. The method has the advantages of simple reaction steps, low catalyst cost, convenient operation, high product yield and better industrialization prospect.)
技术领域
本发明属于生物质转化领域，具体涉及一种利用几丁质降解N-乙酰-D-氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法。
背景技术
含氮化合物是一种重要的化学品，在化工领域、医药领域及材料领域均具有重要应用价值，它的合成一般都来自于煤、石油等不可再生的化石资源，而且需要额外添加氨基供体，能耗高，转化率低，经济效益差。
几丁质(C8H13O5N)n，又称甲壳质，由NAG通过β-1,4糖苷键结合起来的聚合物，在自然界中分布极其广泛，主要存在于虾、蟹、昆虫等外骨骼，含量仅次于纤维素，是世界第二大可再生资源。而几丁质结构中含有氮元素，是合成含氮化学品的优良底物。因此，将几丁质直接转化高附加值含氮化合物不仅能给现代社会带来巨大的经济利益，而且对于废弃物处理和环境保护也有重要的意义。
3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃(3A5AF)是可从几丁质获得的一种高附加值的含氮平台化合物，在含氮类精细化学品合成领域具有巨大的应用前景和研究价值。例如，3A5AF是几种具有生物活性的大分子化合物的重要组成部分，包括抗癌剂proximicin A、生物碱类hyrtioseragamine A和B以及pyrrolosine等。除此之外，也可以用于合成呋喃二胺类化学品。
目前以几丁质和其单体NAG为底物合成3A5AF已有报道。例如，Yan等人以几丁质为底物可制备3A5AF，产率7.5%。然而以几丁质为底物时，3A5AF的产率均较低，最大18%。以几丁质的降解产物NAG为底物可以有效的提高产率。FRANICH等人报道了在高温下热解NAG，得到了含氮化合物3A5AF。Drover等人报道，在180℃下，在硼酸[B(OH)3]存在下，离子液体中NAG转化为3A5AF，其收率为60%。Omari等在220℃下，在B(OH)3和NaCl的存在下，利用微波辐照将NAG转化为3A5AF，产率为58%。然而，在已报道的研究中多采用离子液体为催化剂，价格均较昂贵，且底物会导致生产成本居高不下。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用几丁质降解N-乙酰-D-氨基葡萄糖(NAG)制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃(3A5AF)的方法，该方法利用绿色生物酶法利用几丁质酶将可再生生物质几丁质降解为N-乙酰-D-氨基葡萄糖，进而在N,N-二甲基乙酰胺为溶剂，硫氰酸铵及其结构类似物为催化剂，加入金属盐为助催化剂的条件下，即利用化学催化的方法将NAG合成具有高附加值的3A5AF，该反应收率良好，操作简单，易于实现，能够实现资源的更广泛应用。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
一种利用几丁质降解N-乙酰-D-氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃的方法，包括以下步骤：
步骤1，向几丁质中加入几丁质酶、磷酸缓冲液和金属离子，在温度为30-50℃，pH为 6-8下酶解24-120 h，酶解结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体；
步骤2，取NAG和催化剂以及金属盐助催化剂于耐压管中，加入5mL溶剂溶解，加热反应5min-240min后，过滤，取滤液，并向滤液中加入等体积的水进行混合，再用乙酸乙酯萃取，萃取三次后合并萃取液，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得纯度高于99.5%的透明针状3A5AF晶体。
作为改进的是，所述几丁质酶为几丁质内切酶、几丁质外切酶或N-乙酰氨基己糖苷酶中的一种或两种混合。
作为改进的是，所述几丁质的用量为0.025g-1g, 所述NAG的用量为0.025g-1g，所述催化剂的质量是底物NAG的0.1-5倍，所述助催化剂的质量为底物NAG的0.1-5倍。
作为改进的是，所述催化剂为硫氰酸铵、硫脲、硫氰酸钾、硫代苯甲酰胺、硫代乙酰胺或硫代氨基脲的一种或任意两种的混合。
作为改进的是，步骤2中所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或乙醇的一种或任意两种的混合，所用溶剂用量为1-100 mL。
作为改进的是，所述助催化剂为硼酸、氯化钠、氯化钾、氯化锂、氯化铵、氯化锌、六水氯化铝、六水氯化钴、六水氯化镁氯化钙、二水氯化钙、二水氯化钡、六水氯化铁、氯化锰、氯化氢，以及1-丁基-3-甲基咪唑氯盐的一种或任意两种的混合。
作为改进的是，步骤2中反应温度120-200℃。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种利用几丁质降解N-乙酰-D-氨基葡萄糖制备3-乙酰氨基-5乙酰基呋喃的方法，利用可再生生物质资源几丁质单体NAG作为原料制备3A5AF，拓宽了生物质有效利用的研究；使用价廉易得的硫氰酸铵作催化剂，大大降低了3A5AF的生产成本，有利于3A5AF的工业化生产。
附图说明
图1为3A5AF标品的液相检测结果；
图2为NAG在催化剂下反应45min后的液相检测结果。
具体实施方式
以下实施例有助于进一步理解本发明。
实施例1
利用几丁质酶转化几丁质，其中在200mL反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL，CaCl2 15 mM，pH 8的磷酸缓冲液），37℃，200rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵（催化剂）于50mL耐压管中，加入5mL N，N-二甲基乙酰胺（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌45min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为4.43g/L，摩尔转化率29.31％。
实施例2
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL，CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200mL在37℃，200rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵于50mL耐压管中，加入5mL二甲基亚砜（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌45min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为0.15g/L，摩尔转化率0.99％。
实施例3
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL，CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200 mL在37℃，200 rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵于50mL耐压管中，加入5mL N-甲基吡咯烷酮（溶剂），加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌45min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为1.00g/L，摩尔转化率6.60％。
实施例4
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL，CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200 mL在37℃，200 rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵以及0.0132g氯化钠，于50mL耐压管中，加入5mL N，N-二甲基乙酰胺，加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌45min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为5.66g/L，摩尔转化率37.43％。
实施例5
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL， CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200 mL在37℃，200 rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵以及0.067g二水氯化钙，于50mL耐压管中，加入5mLN，N-二甲基乙酰胺，加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌45min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为6.53g/L，摩尔转化率、、43.24％。
实施例6
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL，CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200 mL在37℃，200 rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵以及0.034氯化钾，于50mL耐压管中，加入5mL N，N-二甲基乙酰胺，加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌45min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为5.38g/L，摩尔转化率35.58％。
实施例7
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL，CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200 mL在37℃，200 rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵以及0.067g二水氯化钙，于50mL耐压管中，加入5mLN，N-二甲基乙酰胺，加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌5min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为7.28g/L，摩尔转化率48.14％。
实施例8
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL，CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200 mL在37℃，200 rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵以及0.067g二水氯化钙，于50mL耐压管中，加入5mLN，N-二甲基乙酰胺，加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌30min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为7.45g/L，摩尔转化率49.30％。
实施例9
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL， CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200 mL在37℃，200 rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取100mg NAG、50mg硫氰酸铵以及0.067g二水氯化钙，于50mL耐压管中，加入5mLN，N-二甲基乙酰胺，加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌120min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为6.76g/L，摩尔转化率44.71％。
实施例10
利用几丁质酶转化几丁质，其中反应体系（几丁质粉粒40 g/L，几丁质内切酶1.3U/mL，N-乙酰氨基己糖苷酶1.35 U/mL，CaCl2 15 mM，pH 8磷酸缓冲液）200 mL在37℃，200 rpm下搅拌反应36 h，反应结束后分离上清液后经离子交换树脂吸附、真空浓缩和冷冻干燥获得NAG晶体。
再取150mg NAG、50mg硫氰酸铵以及0.075g二水氯化钙，于50mL耐压管中，加入10mL N，N-二甲基乙酰胺，加压条件下于磁力搅拌加热器中180℃加热搅拌25min。反应结束冷却至室温后，加入等体积纯水混溶，用乙酸乙酯萃取多次，减压浓缩得到含3A5AF的固体粗产品，加入1mL甲醇重溶，逐滴滴入预冷去离子水中进行结晶，经过滤干燥，获得高纯度（99.5%）透明针状3A5AF晶体。液相测得反应液中3A5AF浓度为8.56g/L，摩尔转化率56.66％。
实施例11
除NAG反应温度变为160℃，其余同实施例1，液相测得反应液中3A5AF浓度为1.20g/L，摩尔转化率7.92％。
实施例12
除NAG反应温度变为170℃，其余同实施例1，液相测得反应液中3A5AF浓度为3.12g/L，摩尔转化率20.67％。
实施例13
除NAG反应温度变为190℃，其余同实施例1，液相测得反应液中3A5AF浓度为4.20g/L，摩尔转化率27.81％。
实施例14
除NAG反应催化剂变为硫脲，其余同实施例1，液相测得反应液中3A5AF浓度为4.18g/L，摩尔转化率27.69％。
对比例1
专利CN111072602A中以氨基酸离子液体作催化剂催化N-乙酰氨基葡萄糖为3-乙酰氨基-5-乙酰基呋喃，其优势在于催化剂原料廉价易得，最高转化率可达52.61%，但反应温度高达200℃，最终仅得到3A5AF粗产品。本专利采用硫氰酸铵作为催化剂，在180℃可达最佳产率56.66%，其催化剂硫氰酸铵成本较氨基酸离子液体更为低廉，并且避免了制备离子液体的过程，简化了反应过程。同时本专利提供了一种获得高纯度3A5AF晶体的结晶方法，有利于获得高纯度3A5AF产品。
本发明直接从几丁质出发，利用首先利用绿色生物酶法将几丁质降解为NAG，在此基础上又采用价格低廉的硫氰酸铵及其结构类似物作为催化剂，最终可以将几丁质高效转化为可用于化工生产的平台化学品3A5AF。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。