4-甲基-2-氧代戊酸是一种重要的食品添加剂,等同于天然香料,少量存在于香蕉、芦笋等天然植物中。它能给品尝者带来香甜的口感,食用健康,被广泛添加于食品当中。另外,它也是合成治疗尿毒症特效药的重要原料药,可作为氨基酸及a-羟基酸的母体,及不饱和单体聚合反应的催化剂。目前国内外市场需求量很大,应用前景广阔。
19世纪中期到末期,人们从天然的植物体中提取得到4-甲基-2-氧代戊酸,但植物体内4-甲基-2-氧代戊酸的含量很少,收率极低。随着生物技术的发展和推广,人们通过生物方法,即利用一种特定的酶进行生物降解，或从动物的脾脏、血液等提取得到,但该法成本很高,且市场需求量低,因此,开发该化合物被搁浅。直到20世纪中期,随着食品工业在全世界的发展壮大,食品添加剂科学随之火爆。由于4-甲基-2-氧代戊酸在各类食品中的用途很广,市场需求量很大。
合成方法[1]
1、4-甲基-2-羟基戊酸(I)的合成
将 66.2gL-亮氨酸、1000mL水投到反应瓶中,搅拌下投入25.0g浓硫酸,升温至94℃,L-亮氨酸全部溶解,开始滴加亚硝酸钠溶液(35.4g亚硝酸钠溶解在250mL水),2h内滴完,95~98℃下保温2h。然后减压蒸馏,蒸出900mL水,冷却至窒温,倒入1000mL分液漏斗中,用240mL乙酸乙酯分4次萃取,收集有机层310~320mL,搅拌下加入20g无水硫酸钠,干燥8h后,过滤,再用60mL乙酸乙酯洗涤滤饼,合并滤液及洗液。将其常压蒸馏回收乙酸乙酯。得固体4-甲基-2-羟基戊酸60.0g,收率90.2%。
2、4-甲基-2-羟基戊酸乙酯(II)的合成
将60.0g 4-甲基-2-羟基戊酸、2.94g浓硫酸、225.0g无水乙醇投到反应瓶中,搅拌下升温回流,在此温度反应6h后,冷却至室温。用碳酸氢钠粉末中和至溶液pH为6-7。再将反应液常压蒸馏,蒸出约150mL乙醇后,将残液冷却至室温,向其中加人300mL水,将料液转入1000mL玻璃分液漏斗中,摇晃均匀后静置。用240mL乙酸乙酯分4次进行萃取,收集有机层,再用30g无水硫酸钠干燥,过滤,用60mL乙酸乙酯洗涤滤饼。将滤液常压蒸馏,回收乙酸乙酯,最后用机械泵在70~85℃/15~20mmHg下将产品蒸出，得4-甲基-2-羟基戊酸乙酯60.0g。纯度98%(GC,面积归一法)，收率82%~85%。
3、4-甲基-2-氧代戊酸乙酯(II)的合成(过氧化氢(30%)氧化)
向反应瓶中加入4-甲基-2-羟基戊酸乙酯、二氯甲烷,搅拌均匀。在25℃开始滴加过氧化氢溶液，将反应温度控制在25~28℃,滴加时间约0.5h。升温至40°C保温9h。气相色谱跟踪显示,4-甲基-2-氧代戊酸乙酯含量97%。向料液中滴加9%的亚硫酸钠溶液,将过量的过氧化氢破坏掉,洗涤至溶液不再使淀粉碘化钾试纸变蓝,将其移入分液漏斗中,摇匀,静置,收集下层有机层。常压蒸馏回收二氯甲烷。最后负压将二氯甲烷尽量抽净，得4-甲基-2-氧代戊酸乙酯59.0g，含量97%，氧化收率97%(GC,面积归一法)。
4、4-甲基-2-氧代戊酸(IV)的合成
向上一步氧化得到的4-甲基-2-氧代戊酸乙酯中加入50mL水,搅拌均匀后,滴加30%的氢氧化钠溶液。反应液pH不超过12,滴加时间约为30min,滴毕,保温1h。待料液pH保持11~12不变后,升温至70℃,保温0.5h。冷却至窒温,用80mL甲苯分2次萃取水解溶液,收集水层。减压蒸馏，冷至窒温,向残液中加入80mL水,搅拌下加人36%的盐酸,至料液pH为1。将料液移至500mL玻璃分液漏斗中静置，再用 120mL甲苯分3次萃取,收集有机层。常氏蒸馏回收甲苯后,减压蒸馏,收集66~80℃/15~20mmHg的馏分，得4-甲基-2-氧代戊酸33.0g，含量96%,收率68%~70%(以4-甲基-2-羟基戊酸乙酯计)。
参考文献
[1]宋丽凤,孙朝辉,郭林,等.4-甲基-2-氧代戊酸的合成[J].精细与专用化学品,2009,17(06):27-29.