俞伊莎，李珊珊，晏彌卉，陳浙蓉，陳建輝*

（1.紹興文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江醫(yī)藥股份有限公司新昌制藥廠，浙江 紹興 312500）

番茄紅素（Lycopene）是一種酯溶性不飽和碳?xì)浠衔?，是類胡蘿卜素的一種，分子式為C40H56，分子量536.85，熔點(diǎn)174 ℃，為針狀紅色晶體；在自然界中多以全反式構(gòu)型（all-trans）的形式存在，廣泛分布于各種植物中，如番茄、胡蘿卜、西瓜、南瓜、紅莓和柑桔等，其中番茄中含量最高，約為3～40 mg/100 g。番茄紅素最早由Harlsen于1873 年從Tamus communis L.berries 中分離出來，1930 年Karrer 等人提出了番茄紅素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式是由11 個(gè)共軛及2 個(gè)非共軛的碳碳雙鍵組成的非環(huán)狀平面多共軛雙鍵的結(jié)構(gòu)，并由Kuhn和Grundmann 在1932 年證實(shí)[1]。番茄紅素作為不飽和程度最高的類胡蘿卜素，最近幾年來，在人體健康及疾病防治方面的潛在作用引起了人們?cè)絹碓綕夂竦呐d趣，研究表明它在抗氧化[2-3]、抗癌[4]、防腫瘤[5]、調(diào)節(jié)免疫功能[6]、保護(hù)心血管[7]和抗疲勞[8]等方面有著優(yōu)越的生理功能，被廣泛應(yīng)用于藥物、食品添加劑和飼料添加劑中。

目前番茄紅素主要制備方法有浸提法[9-10]、微生物發(fā)酵法[11-12]和化學(xué)合成法[13-14]。由于番茄紅素在番茄中含量低，提取工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，浸提法無法滿足市場(chǎng)需求；微生物發(fā)酵法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、產(chǎn)率低，仍處于小試階段，同樣難以滿足市場(chǎng)對(duì)番茄紅素的需求?；瘜W(xué)合成法有生產(chǎn)周期短、成本低和產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到各國制藥企業(yè)和科研院所的極大關(guān)注。目前采用化學(xué)合成工藝生產(chǎn)番茄紅素主要是Roche 公司和BASF 公司[15-16]，兩家公司都以假紫羅蘭酮為原料，采用Wittig 合成法，合成方式為2C15+C10，兩者的主要區(qū)別是膦鹽的陰離子部分不同。本課題研發(fā)小組對(duì)現(xiàn)有的合成番茄紅素路線進(jìn)行總結(jié)，吸收各文獻(xiàn)優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合已有的合成類胡蘿卜素的工作思想和經(jīng)驗(yàn)[17-20]，成功開發(fā)了一種高含量全反式番茄紅素的全合成新工藝，工藝路線如下（合成路線如圖1 所示）：(1)采用弱堿性交換樹脂催化醛酮縮合，用格氏試劑誘導(dǎo)制備六碳醇，再與亞磷酸三乙酯發(fā)生Wittig-Horner 反應(yīng)合成六碳膦酸酯，該路線能夠有效降低六碳醇的合成工藝中丙酮廢水含量，避免了乙炔、液氨及金屬鈣等危險(xiǎn)化學(xué)品的使用，安全環(huán)保壓力得以降低；（2）以甲基庚烯酮為起始原料經(jīng)Darzen 反應(yīng)制備九碳醛，與六碳膦酸酯經(jīng)過格氏反應(yīng)，催化氫化，脫水，成鹽得到十五碳磷酸酯，經(jīng)過結(jié)晶手性拆分制備全反式十五碳磷酸酯；（3）2-位雙鍵全反式十五碳膦酸酯通過Wittig-Horner 縮合反應(yīng)直接與十碳雙醛反應(yīng)得到番茄紅素，轉(zhuǎn)位重排制備得到番茄紅素，該工藝路線簡(jiǎn)潔，所用原料國產(chǎn)化，所得產(chǎn)物番茄紅素收率較高，具有很大的工業(yè)化生產(chǎn)潛力。

圖1 全反式番茄紅素（1）的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

Bruker DPX400 型核磁共振儀；上海天美7890F 氣相色譜儀。

所用試劑均為市售分析純，用前不經(jīng)處理。

1.2 合成部分

1.2.1 丁酮醇（2）的合成

堿性樹脂500 g 在2000 mL 去離子水中浸泡24 h，直到樹脂液清澈，過濾。用2000 mL 5%NaOH 水溶液浸泡24 h 以上，過濾。再用去離子水將樹脂洗至中性后，浸泡于1000 mL 去離子水中備用。

裝柱，柱子采用φ80 mm 的夾套保溫柱，夾套通循環(huán)熱水，熱水溫度控制在35 ℃～45 ℃，柱高300 mm。將35%甲醛水溶液與丙酮以1:18（V/V）左右體積比預(yù)先混合好，混合溶液以10 mL/min的速度過柱反應(yīng)；反應(yīng)過程中柱溫控制在35 ℃～45 ℃，下面流出液經(jīng)GC 跟蹤檢測(cè)。流出液中的丙酮用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收，回收后的丙酮與甲醛混和后直接套用，蒸發(fā)瓶中的殘留液含有丙酮，丁酮醇，雙丙酮醇和少量雜質(zhì)。目標(biāo)產(chǎn)物丁酮醇經(jīng)連續(xù)精餾可從丙酮、水、雙丙酮醇中分離出來。

1.2.2 甲基乙烯酮（3）的合成

連續(xù)用蠕動(dòng)泵將上述產(chǎn)物丁酮醇加入500 mL配有蒸餾裝置的三口燒瓶中，外溫控制140 ℃，用蒸餾收集瓶收集丁酮醇的裂解產(chǎn)物甲基乙烯酮和水，加入氯化鈉與無水硫酸鈉進(jìn)行干燥除水，備用。裂解過程中在裂解瓶與收集瓶需加BHT。

1.2.3 六碳醇（4）的合成

在1000 mL 不銹鋼耐壓反應(yīng)釜中，投入鎂粉24.0 g，四氫呋喃500 mL，打開氯乙烯儲(chǔ)罐進(jìn)液閥通入氯乙烯5.5 g，升溫至80 ℃，在60 min 左右緩慢通入氯乙烯57.0 g，在通氯乙烯過程中，觀察釜中壓力不超過0.3 MPa，通畢，在80 ℃～90 ℃繼續(xù)保溫60 min，冷卻至室溫，泄壓，得氯鎂乙烯的THF 溶液。

將上述制備的氯鎂乙烯的THF 溶液轉(zhuǎn)移到3000 mL 四口燒瓶中，放入冷凍浴中，冷至-5 ℃～0 ℃，通入乙炔至飽和，約30 min 滴加甲基乙烯酮70.0 g，控制0 ℃左右，繼續(xù)保溫60 min，在40 ℃以下回收THF，用甲苯夾帶THF，滴加水，用30%硫酸調(diào)pH=3～4，用氯仿萃取，用水洗滌油層二次，加氫醌，維持內(nèi)溫60 ℃～63 ℃，轉(zhuǎn)位反應(yīng)1.5 h。氯仿層用飽和碳酸氫鈉溶液洗至中性，回收氯仿，進(jìn)行粗餾，再精餾，收集60 ℃～65 ℃（1.06 kPa）餾分，即得精品六碳醇70.0 g，收率72.9 %。

1.2.4 六碳膦酸酯（5）的合成

六碳醇70.0 g，亞膦酸三乙酯182.0 g，甲苯100 mL 加熱回流24 h，回收甲苯得六碳膦酸酯（5）157.5 g。

1.2.5 2,6-二甲基-5-庚烯醛（6）的合成

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將126 g（1 mol）甲基庚烯酮和162 g（1.5 mol）氯乙酸甲酯加入到1000 mL 四口瓶中，冷浴保溫-30 ℃左右，滴加30%甲醇鈉的甲醇溶液300 mL，保持-25 ℃以下1.5 h 左右滴完，然后關(guān)掉冷浴，升溫至0 ℃左右加入150 g水，攪拌反應(yīng)0.5 h，再加熱升溫至45 ℃攪拌反應(yīng)1 h。

反應(yīng)液用1200 mL 甲苯分3 次萃取。合并有機(jī)層用300 mL 10% NaCl 水溶液洗滌，MgSO4干燥，過濾，溶劑減壓蒸干后得到2,6-二甲基-5-庚烯醛粗品149.1 g，減壓收集65 ℃～68 ℃/3 mmHg 餾分119.0 g，為淺黃色液體，含量97.1%，收率85.0%。

本反應(yīng)以甲基庚烯酮為原料，與氯乙酸甲酯在堿性縮合劑（甲醇鈉）存在下，經(jīng)Darzens 縮合生成α,β-環(huán)氧酸酯，在溫和的條件下水解，生成游離酸，但很不穩(wěn)定，受熱后，即脫去二氧化碳，轉(zhuǎn)化成比原有反應(yīng)物醛、酮增多一個(gè)碳原子的醛、酮。

1.2.6 全反式十五碳磷酸酯（7）的合成

六碳膦酸酯（5）157.5 g 溶于1000 mL 四氫呋喃，2,6-二甲基-5-庚烯醛100.0 g（0.714 mol）甲苯100 mL 溶液冷凍到-20 ℃～-25 ℃左右，滴加氯乙烯格氏試劑的四氫呋喃溶液550 mL（1.6 mol/L），滴加完畢于-10 ℃以下反應(yīng)1 h。加入乙醚1000 mL，和氯化銨飽和水溶液250 mL，過濾，濾液用無水硫酸鎂干燥，蒸除溶劑，加入林德拉催化劑1.0 g[21]，攪拌計(jì)量通入氫氣16 L，過濾，得到3,7,11-三甲基-2,4,6,10-四烯十二烷基膦酸二乙酯242.76 g，收率93.6%。1H NMR (δ,ppm,400 MHz,CDCl3):6.741 (t,J=19.6 Hz,1H,C2-H);6.242 (t,J=11.2 Hz,1H,C5-H);5.996 (d,J=11.6 Hz,1H,C6-H);5.628 (t,J=19.2 Hz,1H,C1-H);5.062～5.141 (m,2H,C4-H,C10-H);4.023～4.095 (m,4H,O-C*H2-CH3);3.43～3.53 (m,1H,C3-H);2.056～2.151 (m,4H,C8-H,C9-H);1.825,1.803 (s,3H,C13-H);1.686 (s,3H,C14-H);1.609 (s,3H,C15-H);1.313 (t,J=7.2 Hz,6H,O-CH2-C*H3);1.154 (d,J=6.8 Hz,3H,C12-H)。13C NMR (δ,ppm,400 MHz,CDCl3):156.7 (C2);140.6 (C7);131.7 (C11);129.9 (C4)；125.5 (C6);123.9 (C10);119.4 (C5);114.9 (d,J=186.4 Hz,C1);61.6 (d,J=5.5 Hz,O-C*H2-CH3);40.3 (C8);36.1(d,J=21.1 Hz,C3);26.6 (C9);25.7 (C15);19.7(C13);17.7 (d,J=2.7 Hz,C12);16.9 (C14);16.34,16.28 (O-CH2-C*H3)。

1.2.7 高含量全反式番茄紅素（1）的制備

在氮?dú)獗Ｗo(hù)的250 mL 三頸瓶中加入6.8 g（0.02 mol）3,7,11-三甲基-2,4,6,10-四烯十二烷基膦酸二乙酯和30 mL 8:1（體積比）的四氫呋喃和二甲基亞砜的混合液，機(jī)械攪拌于5 ℃左右（冰水?。┘尤?.3 g（0.021 mol）叔丁醇鉀，保溫?cái)嚢? h，然后于5 ℃左右滴加入10 mL 溶有1.6 g（0.0098 mol）十碳雙醛的8:1（體積比）的四氫呋喃和二甲基亞砜的混合液，約20 min 滴完，繼續(xù)保溫?cái)嚢?5 min，將上述溶液升溫于20 ℃～25 ℃反應(yīng)1 h。反應(yīng)完畢加入100 mL 氯仿，用5%的氯化鈉水溶液洗3 次（每次75 mL），有機(jī)層用硫酸鎂干燥后過濾，濾液減壓蒸去溶劑得番茄紅素粗品。

得到番茄紅素粗品濾餅中加水?dāng)嚢枰韵吹魵埩舻臒o機(jī)鹽類，過濾，烘干。然后將干濾餅轉(zhuǎn)移至300 mL 無水乙醇中，加熱轉(zhuǎn)位異構(gòu)5 h 后減壓回收乙醇。將轉(zhuǎn)位后的番茄紅素粉末真空干燥得到番茄紅素成品3.3 g，含量97%，全反式番茄紅素以C10 雙醛計(jì)，收率70%。1H NMR (δ,ppm,400 MHz,CDCl3):5.111,5.975～6.943 (m,8H,雙鍵H);5.11 (m,1H),1.552 (s,6H);1.616 (s,3H);1.689(s,3H);2.129 (s,3H);1.427～2.212 (m,4H)。13C NMR (δ,ppm,400 MHz,CDCl3):139.52 (C5);137.37 (C12);136.56 (C13);136.19 (C9);135.42(C10);132.66 (C14);131.76 (C1);131.58 (C8);130.09 (C15);125.73 (C11);125.17 (C2);124.82(C6);123.96 (C7);40.25 (C4);26.69 (C3);25.72(C20);18.42 (C19);16.97 (C18);12.91 (C17);12.81(C16)。

2 結(jié)論

本課題小組以甲基庚烯酮為起始原料，利用自主研發(fā)新工藝制備六碳醇重要中間體，并采用新方法以九碳醛與六碳膦酸酯制備十五碳磷酸酯，目標(biāo)產(chǎn)物全反式番茄紅素的實(shí)驗(yàn)室收率為70%（以C10 雙醛計(jì)），含量97%。同Roche 和BASF 公司現(xiàn)有的番茄紅素生產(chǎn)工藝相比，該路線有效地降低了丙酮的消耗，避免了使用氨基鈣所帶來的大量液氨污染，提高了全反式十五碳膦酸酯的收率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了核心競(jìng)爭(zhēng)力，為全反式番茄紅素的國產(chǎn)化大規(guī)模生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

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