CN109836424B - 一种环保型茶碱钠盐甲基化制备咖啡因的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种环保型茶碱钠盐甲基化制备咖啡因的方法。该方法包括以下步骤：向反应釜加入茶碱钠盐，DMC，甲醇，在100‑180℃、搅拌下，反应1‑5小时；待冷却后通过旋转蒸发进行分离，得到的固体即粗品咖啡因。本发明大大提高茶碱钠盐与DMC甲基化反应的反应效率，并通过简单的提纯步骤，将制得的粗品咖啡因进行提纯；咖啡因收率最高可达97.3%。
Description
技术领域：
本发明涉及一种有机合成领域，尤其是涉及一种咖啡因的合成方法。
背景技术：
咖啡因是一种黄嘌呤生物碱化合物，其化学名为1,3,7-三甲基黄嘌呤，常态呈白色或微黄绿色、有丝光的针状一水合结晶，其分子式为C8H10N4O2·(H2O)，分子量为212.2059。将一水合咖啡因升华可精制得六角形棱柱状无水晶体，其分子式为C8H10N4O2，分子量为194.19。
咖啡因是一种中枢神经兴奋剂，对大脑皮层具有选择性兴奋作用，能够暂时的驱走睡意并恢复精力，临床上用于治疗神经衰弱和昏迷复苏，也是一种重要的解热镇痛剂。
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。1820年尸·丁·佩尔蒂埃第一次从咖啡中提取出咖啡因。而自从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。
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、酞化、甲基化等多步反应制备，而其中尤为关键的一步即合成咖啡因的最后一步是茶碱钠盐的甲基化反应。这一步也关乎整个合成路线是否具备清洁生产或环保生产的特性。
典型的甲基化试剂如碘甲烷、嗅甲烷、硫酸二甲酯、氯甲烷等多数因其具有毒性而在生产使用中受到限制。但在现有技术中，咖啡因的甲基化反应试剂仍为硫酸二甲酯(DMS)，反应产生的废水不仅量大，在排放前还要经过非常复杂的后处理，而且硫酸二甲酯的使用及其反应后生成的致癌性副产物硫酸单甲酯，亦不符合绿色化学化工的发展趋势。
发明内容：
本发明的目的是针对当前技术存在的不足，提供一种环保型茶碱钠盐甲基化制备咖啡因的方法。该方法使用甲醇作溶剂，不使用任何催化剂，采用固-液两相反应的工艺方法，大大提高茶碱钠盐与DMC甲基化反应的反应效率，并通过简单的提纯步骤，将制得的粗品咖啡因进行提纯。
本发明的技术方案为：
一种环保型茶碱钠盐甲基化制备咖啡因的方法，包括以下步骤：
向反应釜加入茶碱钠盐，DMC，甲醇，在100～180℃、搅拌下，反应1～5小时；冷却至室温后，在50～70℃旋转蒸发至溶剂蒸干，得到的固体即粗品咖啡因。
其中，摩尔比为茶碱钠盐：碳酸二甲酯(DMC)＝1:1～20。
其中，每0.01摩尔茶碱钠盐加入5～30ml甲醇。所述的粗品咖啡因的提纯步骤包括：
将得到的粗品咖啡因溶解到超纯水中，在0～10℃下低温结晶1～3个小时，然后趁冷抽滤，得到固体放入真空烘箱，60℃真空干燥2～4小时；
其中，质量比粗咖啡因：水＝1:1～10。
本发明的实质性特点为：
当前的茶碱钠盐甲基化制备咖啡因的相关专利中，均使用了催化剂，且一般溶剂为水，其方法复杂，分离困难，副产物较多。而本发明不使用任何催化剂，仅使用有机相甲醇做溶剂即可完成茶碱钠盐甲基化反应，反应体系与方法都相对简单，产物分离也比更加简单，而且产率也比较高，达到了97.3％。
本发明的有益效果为：
1.本发明不需要使用任何催化剂，大大降低了生产成本。
2.文献报道和实际生产过程均说明了，DMS工艺的产品收率为90％左右。而本申请的DMC工艺咖啡因收率最高可达97.3％，很明显提高了原料茶碱钠盐的利用率。
3.本技术采用水洗降温结晶法提纯咖啡因，避免了使用限用品氯仿和二氯甲烷。
4.和DMS工艺比较，本技术采用DMC甲基化反应体系，产生的副产物甲醇钠可在提纯过程转化为氢氧化钠的甲醇/水溶液。
5.综上，和DMS工艺比较，本申请的DMC甲基化反应工艺体系节能减排效果明显。
具体实施方式：
下面结合实施例详细描述本发明，但实施例不应限制本发明的范围。
茶碱钠盐与DMC甲基化反应方程式如下：
实施例1
在100ml哈氏合金反应釜的带盖内衬中分别加入0.01mol的茶碱钠盐，0.1mol的DMC，20ml的甲醇。在160℃下密闭反应3个小时。冷却至室温，将釜内混合物在60℃下旋转蒸发至溶剂蒸干，得到粗品咖啡因。取一定量样品配制溶液，使用HPLC检测，得到反应收率为90.9％。
实施例2
在100ml哈氏合金反应釜的带盖内衬中分别加入0.01mol的茶碱钠盐，0.1mol的DMC，20ml的甲醇。在160℃下密闭反应4个小时。待冷却后蒸出溶剂，得到粗品咖啡因。取一定量样品配制溶液，使用HPLC检测，得到反应收率为94.0％。
实施例3
在100ml哈氏合金反应釜的带盖内衬中分别加入0.01mol的茶碱钠盐，0.05mol的DMC，20ml的甲醇。在160℃下密闭反应3个小时。待冷却后蒸出溶剂，得到粗品咖啡因。取一定量样品配制溶液，使用HPLC检测，得到反应收率为85.4％。
实施例4
在100ml哈氏合金反应釜的带盖内衬中分别加入0.01mol的茶碱钠盐，0.06mol的DMC，10ml的甲醇。在160℃下密闭反应3个小时。待冷却后蒸出溶剂，得到粗品咖啡因。取一定量样品配制溶液，使用HPLC检测，得到反应收率为97.3％。
实施例5
将上述实施例4中的粗品咖啡因2g放入100ml烧杯中，加入20ml常温超纯水，将烧杯放入5℃的冰箱中，低温结晶1个小时，趁冷抽滤，将固体放入真空烘箱，60℃真空干燥3小时。取一定量样品配制溶液，使用HPLC检测，测得咖啡因纯度为99.0％。
提纯的机理为，通过加入一定量的水进行降温结晶的方法得到较高纯度的咖啡因。
这是因为在粗品咖啡因中含有一定量的副产物甲醇钠，甲醇钠与水反应能够生成甲醇和氢氧化钠，而根据资料咖啡因、氢氧化钠在水中溶解度的不同，所以本发明在粗品咖啡因中加入一定量的水对咖啡因降温结晶，趁冷过滤提纯咖啡因。
其中，粗咖啡因和水的质量比范围为1:1～1:10。
纯品咖啡因与氢氧化钠在水中于各个温度下的溶解度
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (2)
1.一种环保型茶碱钠盐甲基化制备咖啡因的方法，其特征为该方法包括以下步骤：
向哈氏合金反应釜加入茶碱钠盐，DMC，甲醇，在160℃、搅拌下，反应3小时；冷却至室温后，在50~70℃旋转蒸发至溶剂蒸干，得到的固体即粗品咖啡因；
其中，摩尔比为茶碱钠盐：碳酸二甲酯（DMC）=1:6；每0.01摩尔茶碱钠盐加入10ml甲醇。
2.如权利要求1所述的环保型茶碱钠盐甲基化制备咖啡因的方法，其特征为所述的粗品咖啡因的提纯步骤包括：
将得到的粗品咖啡因溶解到超纯水中，在0~10℃下低温结晶1~3个小时，然后趁冷抽滤，得到固体放入真空烘箱，60℃真空干燥2~4小时；
其中，质量比粗咖啡因：水=1:1~10。
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