一种咖啡因的合成方法技术

本发明专利技术涉及有机化学合成领域，公开了一种咖啡因的合成方法。该方法是在相转移催化剂作用下，茶碱或茶钠与甲基化试剂碳酸二甲酯发生甲基化反应，生成咖啡因。本发明专利技术提供的合成方法，产物咖啡因的纯度和收率较高，合成工艺简单，因碳酸二甲酯使用量的减少节约了反应成本，反应的后处理方便简单，无污染，减少了三废的排放，有利于环境的保护，使咖啡因的工业化生产成为可能。

【技术实现步骤摘要】
一种咖啡因的合成方法
本专利技术涉及有机化合物的合成领域，特别涉及一种咖啡因的合成方法。
技术介绍
咖啡因属于黄嘌呤生物碱化合物，是一种中枢神经兴奋剂，能使中枢神经系统兴奋，是世界上最普遍被使用的精神药品之一，咖啡因应用于临床已经有100多年的历史，它除了兴奋中枢神经系统外，还具有舒张血管、松弛平滑肌从而达到预防心血管疾病的作用。咖啡因的生产方法主要有提取法、生物合成法以及化学合成法，自从1899年费舍尔化学合成咖啡因以来，化学合成法制备咖啡因就成为了咖啡因的主要来源，通过对化学合成法工艺的不断改进，生产成本的逐渐降低，其产能也大大提升。目前，咖啡因生产企业的合成路线基本一致，即采用氰基乙酸和二甲脲作为初始原料，经缩合、环合、亚硝化、还原、酰化、甲基化等多步反应制备，而其中的关键步骤之一是咪唑氮的甲基化反应。现有技术中，咖啡因的甲基化反应试剂为硫酸二甲酯，但是采用硫酸二甲酯作为甲基化试剂时，反应产生的废水不仅量大，而且要经复杂的后处理后才能排放，硫酸二甲酯的毒性以及所生成的副产物硫酸单甲酯的潜在致癌性也不符合绿色化学化工的发展趋势。碳酸二甲酯(Dimethylcarbonate，简称DMC)是一种新型的绿色化学试剂，1992年在欧洲作为非毒性物质注册登记，DMC分子结构中含有活泼的CH3-官能团，很多文献中都有报道，碳酸二甲酯可取代传统使用的卤代甲烷、硫酸二甲酯等进行甲基化反应，如名称为《碳酸二甲酯作甲基化试剂合成丁香酚甲醚》(《林产化学与工业》2013年4月第33卷第2期，P139-143)公开了碳酸二甲酯(DMC)代替传统有毒有害试剂作为甲基化试剂，以丁香酚为原料，在固体碱K2CO3催化作用下合成丁香酚甲醚。本专利技术采用甲基化试剂碳酸二甲酯和茶钠(或茶碱)制备咖啡因，但是用该方法制备咖啡因，甲基化程度不足，制得的产物咖啡因的收率仅为69.0％左右；如要提高咖啡因的收率，必须加大碳酸二甲酯的用量，碳酸二甲酯的用量加大，生产成本提高，后续处理繁琐，无法实现工业化。因此，为了消除以上缺点，本专利技术将采用相转移催化剂催化碳酸二甲酯和茶钠或茶碱进行甲基化反应。
技术实现思路
为了解决现有技术中咖啡因收率低、碳酸二甲酯用量大、成本高和无法实现工业化的问题，本专利技术提供了一种新的方法合成咖啡因。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：在相转移催化剂作用下，茶碱或茶钠与甲基化试剂碳酸二甲酯发生甲基化反应，生成咖啡因。茶碱的化学名称为1,3-二甲基-3,7-二氢-1H-嘌呤-2,6-二酮，茶钠为茶碱钠盐，原料茶碱或茶钠可由市场购得，也可自行制备，本专利技术采用的茶碱或茶钠购于西安东晓生物科技有限公司。采用碳酸二甲酯作为甲基化试剂制备咖啡因，其反应实际上是在两相体系中完成，增加了反应的难度，甲基化程度不足，反应不完全，导致了咖啡因的收率偏低，要解决这一问题，需要加大碳酸二甲酯的用量，碳酸二甲酯用量过大，成本偏高，后处理繁琐，不能实现工业化生产。为了进一步解决反应体系中的问题，本专利技术在反应中选择使用相转移催化剂。需要指出的是，不同的催化剂对不同的反应有不同的可能，具体的反应采用哪种催化剂最合适，需要通过实际试验来确定。作为优选，相转移催化剂选自聚醚类、环状冠醚类或季铵盐类的一种，其中，聚醚类包括PEG-200、PEG-400或PEG-600，环状冠醚类包括18-冠醚-6、15-冠醚-5或环糊精，季铵盐类包括四甲基卤化铵、四丙基卤化铵、苄基三乙基卤化铵、四丁基卤化铵、三辛基甲基卤化铵、十二烷基三甲基卤化铵或十四烷基三甲基卤化铵。经过试验发现，本专利技术通过在反应体系中加入相转移催化剂，提高了碳酸二甲酯与茶碱或茶钠的接触几率，碳酸二甲酯作为甲基化试剂的用量大大减少，可以避免硫酸二甲酯为甲基化试剂反应产生的大量的废水，避免了废水的排放问题；避免硫酸二甲酯的毒性以及所生成的副产物硫酸单甲酯的潜在致癌性，不会对环境造成污染，符合绿色化学化工的发展趋势，还有利于生产员工的身体健康。本专利技术提供的甲基化反应，可以根据生产需要使甲基化反应在有机溶剂中进行，作为优选，有机溶剂选自石油醚、正己烷、正庚烷、环己烷、乙酸乙酯、丙酮、甲基叔丁基醚、四氢呋喃、二甲苯、三甲苯、二甲基亚砜、甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、环丁砜、N-甲基吗啉、乙腈、氯苯、N-甲基吡咯烷酮、甲苯或N,N-二甲基甲酰胺中的一种。本专利技术提供的合成方法，当甲基化反应的原料为茶钠时，甲基化反应可以不加碱，当甲基化反应的原料为茶碱时，作为优选，甲基化反应的碱可以为碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸钠、磷酸钾、三乙胺、二异丙基乙胺、DBU(1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯)、DBN(1,5-二氮杂双环[4.3.0]-5-壬烯)、氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠、乙醇钠、叔丁醇钠、叔丁醇钾、吡啶或甲基哌啶中的一种。经过试验发现，碳酸二甲酯的用量太少，甲基化程度不够，碳酸二甲酯的用量太大，成本太高，并且很难实现工业化，作为优选，本专利技术提供的咖啡因的合成方法中，碳酸二甲酯与茶碱或茶钠的摩尔比为1:1-5:1，本专利技术中碳酸二甲酯的用量是现有技术的1/20-1/4，碳酸二甲酯用量大大减少。本专利技术提供的咖啡因的合成方法中，作为优选，相转移催化剂与茶碱或茶钠的质量比为1:100-50:100。DMC作为亲电试剂，可与亲核试剂发生甲基化反应或甲氧羰基化反应等，DMC与亲核试剂发生亲核取代反应可能的反应机理如下所示。DMC参与甲氧羰基化反应的反应机理为BAc2(碱催化，酰氧键断裂，双分子历程)；DMC参与甲基化反应的反应机理为BAl2(碱催化，烷氧键断裂，双分子历程)。因此，必须控制适当的反应条件，从而抑制碳酸二甲酯羰基化反应的选择性，提高其甲基化反应的选择性，抑制副产物的产生，最终提高咖啡因的得率。为了与相转移催化剂的加入产生协同作用，本专利技术选择了合适的反应条件，提高其甲基化反应的选择性，抑制副产物的产生，提高咖啡因的得率，作为优选，本专利技术提供的咖啡因的合成方法中，甲基化反应的反应条件为在100-200℃的温度下反应1-12h。更为优选地，本专利技术提供的咖啡因的合成方法中，甲基化反应的反应条件为在140-180℃的温度下反应4-8h。本专利技术提供的合成方法在相转移催化剂作用下，茶碱或茶钠与甲基化试剂碳酸二甲酯发生甲基化反应，制得咖啡因。试验结果表明，本专利技术提供的方法合成咖啡因，有效的提高了咖啡因的收率，收率达到80.9～95.0％，咖啡因的纯度为98.5～99.5％，并且本专利技术中碳酸二甲酯的用量是现有技术的1/20-1/4，碳酸二甲酯用量大大减少。由以上技术方案可知，本专利技术所述的合成方法所得咖啡因的纯度和收率较高，合成工艺简单，因碳酸二甲酯使用量的减少节约了反应成本，反应的后处理方便简单，无污染，减少了三废的排放，有利于环境的保护，使咖啡因的工业化生产成为可能。具体实施方式本专利技术公开了一种咖啡因的合成方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本专利技术当中。本专利技术的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本
技术实现思路
、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种咖啡因的合成方法，其特征在于：在相转移催化剂作用下，茶碱或茶钠与甲基化试剂碳酸二甲酯发生甲基化反应，生成咖啡因。

【技术特征摘要】
1.一种咖啡因的合成方法，其特征在于：在聚醚类相转移催化剂作用下，茶碱或茶钠与甲基化试剂碳酸二甲酯发生甲基化反应，生成咖啡因，当甲基化反应的原料为茶碱时，甲基化反应需要加入碱；其中，碳酸二甲酯与茶碱或茶钠的摩尔比为1:1-5:1。2.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于：聚醚类相转移催化剂选自PEG-200、PEG-400或PEG-600中的一种。3.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于：甲基化反应的有机溶剂选自石油醚、正己烷、正庚烷、环己烷、乙酸乙酯、丙酮、甲基叔丁基醚、四氢呋喃、二甲苯、三甲苯、二甲基亚砜、甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、环丁砜、N-甲基吗啉、乙腈、氯苯、N-甲基...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄龙江，吴燕天，李铮铮，滕大为，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37