王子強，姚園園，王慶華，張洪真

（杭州下沙生物科技有限公司，浙江杭州310018）

醫(yī)藥化工

膽固醇制備7-脫氫膽固醇的研究進展

王子強，姚園園，王慶華，張洪真

（杭州下沙生物科技有限公司，浙江杭州310018）

7-脫氫膽固醇作為制備維生素D3及其衍生物的關(guān)鍵中間體，主要通過膽固醇烯丙位取代消除反應(yīng)來合成。綜述了7-脫氫膽固醇幾種代表性的合成方法，并對合成方法進行了分析總結(jié)。

膽固醇；7-脫氫膽固醇；烯丙位取代；選擇性消除

維生素D3是人和動物生長、發(fā)育、繁殖、維持生命和保持健康必不可少的一種脂溶性維生素。其主要生理作用有促進鈣磷在腸內(nèi)的吸收；保證體內(nèi)鈣磷的充分供應(yīng)；促進骨骼的正常鈣化和維持血鈣和血磷平衡。臨床上用于治療佝僂病、軟骨病和甲狀腺機能減退等癥。大多數(shù)高等動物體內(nèi)的維生素D3來源于其表皮和皮膚組織中的7-脫氫膽固醇在陽光或紫外光照射下，經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化得到[1]。日常生活中我們服用的維生素D3來源主要有兩大途徑，一是從金槍魚肝油中的提取，另一種就是通過對7-脫氫膽固醇的光化學(xué)反應(yīng)合成，且轉(zhuǎn)化率最高可達96%[2]。這使得7-脫氫膽固醇的制備成為在維生素D3制備過程中的關(guān)鍵步驟[3-4]。本文將對目前常用的7-脫氫膽固醇的制備方法進行綜述。目前以膽固醇為原料制備7-脫氫膽固醇的化學(xué)方法主要有如下幾種。

Scheme 1

1 溴化/脫溴化氫法

該方法利用膽固醇烯丙位較為活潑的化學(xué)性質(zhì)，首先采用溴代試劑將烯丙位溴化，隨后在合適的條件下發(fā)生消除反應(yīng)形成共軛5，7雙烯。科學(xué)家們根據(jù)對溴化試劑以及消除試劑的改進，產(chǎn)生如下幾種方法

1.1 自由基烯丙位溴化/堿性脫溴

由Ziegler[5]首先報道了通過烯丙位溴化制備7-脫氫膽固醇的方法（Scheme 1），他首先是使用酸酐將3-OH保護起來防止其在接下來的反應(yīng)中被溴試劑氧化，然后選擇一個合適的溴化試劑例如N-溴代琥珀酰亞胺在5-雙鍵的烯丙位發(fā)生溴取代反應(yīng)，最后在堿性條件下脫去一分子的溴化氫，從而得到目標產(chǎn)物。

然而這種方法存在一個極為明顯的缺點：在溴取代的時候會得到一組異構(gòu)體的混合物3，這就直接導(dǎo)致了在接下來的脫溴化氫的過程中不僅僅會有5，7-共軛二烯膽固醇酯4，同時也產(chǎn)生了4，6-共軛二烯膽固醇酯5這一雜質(zhì)。造成這一現(xiàn)象的原因如圖2所示，是由于甾環(huán)的椅式構(gòu)象，當7位溴原子的空間構(gòu)型為α時，其在空間上接近C8位上的氫原子并且共平面，所以消除時所需能量較低，優(yōu)先生成的產(chǎn)物為5，7-二烯膽固醇酯；若7位溴原子的空間構(gòu)型為β時。其在空間上接近C4位上的氫原子，導(dǎo)致4，6-二烯膽固醇酯副產(chǎn)物的生成。該副產(chǎn)物的生成是7-脫氫膽固醇合成中的一個巨大的阻礙。接下來許多科學(xué)家針對這一問題改進了合成的工藝，主要改進方法有改進脫溴過程防止副反應(yīng)以及改進溴代反應(yīng)，減少7-β構(gòu)型的溴代物生成。

1.2 改進烯丙位脫溴化氫的方法

Confalone[6]的團隊為解決上述問題，使用苯硫酚取代烯丙位溴化引入的溴，經(jīng)過氧氣氧化后，得到亞砜的手性混合物（S/R=1/2），最后脫掉一分子的苯基亞砜酸，得到5，7-共軛二烯膽固醇酯（Scheme 2）。

Scheme 2

對于這種特異性的消除，文章通過紐曼式圖（Scheme 3）進行了解釋：由于苯環(huán)本身存在的空間位阻，以及甾體自身的橋式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了苯環(huán)與C8處于同平面異側(cè)這一能量最低的平面結(jié)構(gòu)；此外，由于該反應(yīng)屬于動力學(xué)控制的反應(yīng)，在50℃的溫和條件下，兩種手性分子之間會發(fā)生互變，最終趨向于1∶1，而在70℃的反應(yīng)溫度下，即發(fā)生特異性的7位消除。值得一提的是，文章在烯丙位上溴的這一步中發(fā)現(xiàn)，用過量的溴化鋰處理反應(yīng)得到的異構(gòu)體，可以使得α/β的比率由1.15提高至4.0。何劍洋等[7]在此基礎(chǔ)上，將該步反應(yīng)做了改進及優(yōu)化，使用溴化鋰作為催化劑，加入二甲苯，在低溫條件下使β構(gòu)型產(chǎn)物發(fā)生轉(zhuǎn)變，經(jīng)該步轉(zhuǎn)化得到的7-α-溴-△5-膽苯酯，收率約為82%。

Scheme 3

1.3 針對烯丙位選擇性溴代的方法

對于7-位上溴的反應(yīng)，除了使用傳統(tǒng)的沃爾-齊格勒（Wohl-Ziegler）烯丙位溴化反應(yīng)外，也有一些新的溴化試劑的嘗試。查娟等[8]使用2，4，4，6-四溴-2，5-環(huán)己二烯酮作為溴化劑，僅在膽固醇酯的7α位引入溴原子，該步收率可達到89.8%。并且對該催化劑反應(yīng)的特異性進行了討論（Scheme 4）。該催化劑屬于一個平面共軛結(jié)構(gòu)，C4位上的碳-溴鍵相對較長，易斷裂，反應(yīng)活性高。在酸性條件下，經(jīng)酸化的催化劑經(jīng)過重排產(chǎn)生溴正離子，取代膽固醇乙酸酯上C7位活潑氫，對于特異性的得到α構(gòu)型，推測是因為甾體的特異性椅式構(gòu)像以及催化劑的平面構(gòu)像在反應(yīng)時雙鍵相互接近，形成具有空間位阻的遠程共軛體系，誘導(dǎo)了α構(gòu)型的產(chǎn)生。

Scheme 4

2 氧化/還原/消除法

俄羅斯科學(xué)家Yablonskaya等[9]使用三氧化鉻將膽固醇的烯丙位氧化成酮，再通過與對甲苯磺酰肼反應(yīng)制得3-乙?；?膽固醇-7-對甲苯磺酰腙，最后通過班福德-史蒂文（Bamford-Stevens）[10]反應(yīng)，在氫化鋰的催化下制得7-脫氫膽固醇，總收率達到63%（Scheme 5）。由于該反應(yīng)的中間體為卡賓自由基，所以不會產(chǎn)生雙烯位移的副產(chǎn)物，但是由于氧化過程中使用了三氧化鉻作為氧化劑，不僅產(chǎn)率偏低，還會導(dǎo)致顯著的環(huán)境污染。

針對氧化反應(yīng)收率偏低以及環(huán)境污染等問題，科學(xué)家進行了許多嘗試，例如：張立[11]將以上反應(yīng)做了系統(tǒng)性的優(yōu)化，并進行了放大實驗[12]：將原有的三氧化鉻改為三氧化鉻與過氧叔丁醇的混合氧化劑，其中三氧化鉻用量為0.025 eq，鉻的用量大大減少符合綠色化學(xué)的改進理念。李榮杰等[13]在嘗試使用其他氧化體系，例如：二氧化硒、三氧化二鈷/氧氣、氫氧化鉀/氧氣體系等，發(fā)現(xiàn)各種氧化劑在使用時效果相差不大，產(chǎn)率在75%上下浮動；與此同時，他還對在班福德-史蒂文反應(yīng)中使用到的堿進行了對比，其中以乙醇鈉的脫腙效果最佳。

3 熱分解法合成7-去氫膽固醇

除了上述兩種主流合成方法之外，熱分解法也被用于7-脫氫膽固醇的合成中。例如：Wintersteiner[14]在二氧化碳保護的條件下，用二甲基苯胺作為回流溶劑，將7-芐基膽固醇通過熱分解得到7-脫氫膽固醇，這是已知的最早的同時也是產(chǎn)率最高的一種熱分解制備7-脫氫膽固醇的方法。

2006年，Jean Michel Brunel[15]在此基礎(chǔ)上使用鈀試劑進行特異性的C7位消除：首先，在銅催化的條件下，在膽固醇的C7位引入三氟乙?；?，隨后在二芐叉丙酮鈀的催化下，使用丁基磷作為配體，將?；€原得到7-脫氫膽固醇（Scheme 6）。該反應(yīng)對于溶劑以及反應(yīng)溫度要求很高，溫度高于80℃時將會有大量C4位脫氫膽固醇副產(chǎn)物。

Scheme 6

4 生物轉(zhuǎn)化法

相對于化學(xué)法合成7-脫氫膽固醇工藝流程長，步驟多，副產(chǎn)物去除過程復(fù)雜等缺點，酶促生化反應(yīng)專一性強、條件溫和、反應(yīng)速度快、效率高等特點促使科學(xué)家們著眼于使用酶促反應(yīng)進行7-脫氫膽固醇的制備[16]。

4.1 催化酶的研究

Rudolph等[17]系統(tǒng)研究了體內(nèi)以膽固醇底物轉(zhuǎn)化為7－脫氫膽固醇的機理。在體內(nèi)實驗過程中，通過示蹤法，向活螃蟹中注入[3H]標記的膽固醇，12 h后取出器官并提取類固醇。經(jīng)反相高效液相色譜分離后，用放射性液體閃爍檢測器檢測，發(fā)現(xiàn)只存在兩個放射性物質(zhì)峰，分別是7-脫氫膽固醇和膽固醇。實驗發(fā)現(xiàn)，螃蟹的蛻皮抑制激素，可能會抑制7－脫氫膽固醇的生成。而催化酶主要分布于螃蟹的線粒體、微粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)三個細胞器中。

4.2 體外條件合成7-脫氫膽固醇的研究

Warren等[18]在此基礎(chǔ)上，同樣使用示蹤法研究膽固醇轉(zhuǎn)化7－脫氫膽固醇在體外的轉(zhuǎn)換情況，實驗結(jié)果表明：若是在體外條件合適的情況下，是可以實現(xiàn)膽固醇向7-脫氫膽固醇轉(zhuǎn)化的。

4.3 破碎細胞對轉(zhuǎn)化率的影響

Grieneisen等[19]發(fā)現(xiàn)，破碎細胞效果能提高膽固醇轉(zhuǎn)化為7－脫氫膽固醇的轉(zhuǎn)化率，這說明大多數(shù)酶是存在于細胞器中，并且酶是否存在于細胞中對于催化的效果影響不大。James T Warren等[20]用超速離心機分離勻漿破碎的前胸腺細胞的微粒體，進行膽固醇轉(zhuǎn)化實驗，最終轉(zhuǎn)化率可達42.5%。

4.4 微粒體酶液催化膽固醇合成7-脫氫膽固醇

2011年，黃時海等[21]將摘除眼柄的刀額新對蝦（Metapenaeusensis）Y-器官，勻漿、離心制備的微粒體酶液，用來催化膽固醇的反應(yīng)可以積累相對較多的7-脫氫膽固醇，并且對酶反應(yīng)的溫度、光照以及反應(yīng)時間進行了探究，發(fā)現(xiàn)在22℃條件下避光反應(yīng)6 h，反應(yīng)效果最佳。

5 小結(jié)

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隨著我國社會及經(jīng)濟的不斷發(fā)展，商品外包裝已經(jīng)不再是單純的包裝作用，還應(yīng)能通過商品外包裝體現(xiàn)出商品自身的文化特質(zhì)、質(zhì)量特點等，進而確保這些商品能更好的在市場上占據(jù)一席之地。陶瓷在現(xiàn)代酒類包裝設(shè)計中的應(yīng)用將能更好的提升商品包裝的價值。使用陶瓷作為酒類產(chǎn)品包裝容器，消費者不需要將商品包裝作為廢品進行處理，陶瓷器具本身具備非常高的藝術(shù)欣賞價值。結(jié)合這些內(nèi)容來說，除了提升商品質(zhì)量之外，保證商品外包裝的價值和品質(zhì)也是非常重要的，因此，在現(xiàn)代酒類包裝設(shè)計過程中，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)能將陶瓷器具及陶瓷元素等靈活的應(yīng)用起來。

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The Synthesis Development of 7-Dehydrocholesterols from Cholesterol

WANG Zi-qiang，YAO Yuan-yuan，WANG Qing-hua，ZHANG Hong-zhen
（Hangzhou Xiasha Biochemical Tech.Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）

7-Dehydrocholesterols are the key intermediates for the preparation of Vitamin D3and its derivatives.It can be synthesized by allylic substitution and selective elimination from Cholesterol.This article summarized some representative synthetic methods of the 7-dehydrocholests and reviewed the advantages and disadvantages of these methods.

Cholesterol;7-dehydrocholesterol;allylic substitution;selective elimination.

1006-4184（2017）4-0008-05

2016-10-09

王子強（1978-），男，山東莘縣人，高級工程師，從事精細化工研究。E-mail:wangzi_qiang@163.com。