李恩民，潘曉軍，查 娟，陳 龍，章潮軍，商甜波，羅艷娟，吳春雷*

（1.浙江醫(yī)藥股份有限公司，浙江 紹興 312500；2.脂溶性維生素浙江省工程研究中心，浙江 紹興 312000；3.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000）

類(lèi)胡蘿卜素（carotenoids）是一類(lèi)具有功能特性的天然色素的總稱(chēng)，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)700 多種。其中，與食品有關(guān)的類(lèi)胡蘿卜素有100 多種，常見(jiàn)的有β-胡蘿卜素、番茄紅素、蝦青素等[1]。其共同的結(jié)構(gòu)特征是擁有多個(gè)共軛雙鍵，是一類(lèi)出色的抗氧化劑，具有良好的自由基猝滅作用，可有效阻斷細(xì)胞內(nèi)的鏈?zhǔn)阶杂苫磻?yīng)?？茖W(xué)證實(shí)，適當(dāng)補(bǔ)充類(lèi)胡蘿卜素產(chǎn)品，是延緩或降低人體因氧化而受到危害的重要途徑之一[2-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每人每天消耗類(lèi)胡蘿卜素約5～20 mg。圍繞著類(lèi)胡蘿卜素的產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)正在逐步形成。番茄紅素（圖1）是類(lèi)胡蘿卜素之一，其清除自由基的能力比β-胡蘿卜素強(qiáng)，番茄紅素在對(duì)抗某些腫瘤、心血管疾病和眼部退行性疾病中都有不俗的表現(xiàn)[4-7]。從1950 年Karrer[8]開(kāi)始，人們一直致力于人工合成番茄紅素。其中最關(guān)鍵的是番茄紅素分子中多個(gè)雙鍵的引入和構(gòu)型保持[9-15]。

圖1 番茄紅素的結(jié)構(gòu)

本課題組已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多條以Wittig-Horner縮合反應(yīng)為特征的番茄紅素合成工藝[16-19]。本研究以香葉醇（2）為原料，經(jīng)氧化得到檸檬醛（3），3與C4-膦酸酯（4）反應(yīng)得到C14-烯醇醚（5），5 水解得到C14-醛(6)，6 與偕二膦酸酯反應(yīng)得到關(guān)鍵中間體C15-膦酸酯（7），最后7 與十碳雙醛（8）縮合得到番茄紅素（1）。合成路線見(jiàn)圖2。

圖2 番茄紅素（1）的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

所有試劑均為市售，無(wú)需進(jìn)一步純化。

紅外光譜IR 通過(guò)Nicolet-6700 光譜儀測(cè)定，NMR 通過(guò)Bruker AVANCE DMX III 400M 測(cè)定，元素分析通過(guò)Euro vector EA 3000 CHN 分析儀測(cè)定，熔點(diǎn)通過(guò)BUCHI M-560 熔點(diǎn)儀測(cè)得。

1.2 番茄紅素的合成

1.2.1 檸檬醛的合成

向500 mL 三口燒瓶中加入香葉醇(15.4 g，0.1 mol)、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）（0.01 mol，1.56 g）、相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基氯化銨（0.01 mol，0.28 g）、100 mL 二氯甲烷和100 mL NaHCO3溶液（0.5 mol/L），室溫下開(kāi)啟攪拌；然后加入N-氯代丁二酰亞胺（0.1 mol，13.3 g），氣相跟蹤反應(yīng)；反應(yīng)完畢后，有機(jī)層用二氯甲烷萃?。?×100 mL），二氯甲烷層用飽和食鹽水（2×100 mL）洗滌，無(wú)水硫酸鎂干燥，減壓蒸除溶劑，得到檸檬醛粗品14.2 g，收率為94.1%，氣相含量為98.7%。IR (film):1678 cm-1。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.62 (s,3H),1.71(s,3H),1.92 (s,3H),2.13～2.27 (m,4H),4.85～4.99 (m,1H),5.82 (d,1H,J=8.8 Hz),9.96 (d,1H,J=8.8 Hz)。13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ=17.4,17.5,25.5,25.7,40.6,122.6,127.1,132.8,163.4,191.9。

1.2.2 1-甲氧基-2,6,10-三甲基-1,3,5,9-十一烷四烯（C14-烯醇醚）的合成

在N2保護(hù)下，向250 mL 三口燒瓶中加入KOt-Bu（6.15 g，0.055 mol）的四氫呋喃-二甲基亞砜（25 mL，體積比8:1）溶液，維持-30 ℃～-20 ℃，0.5 h 內(nèi)滴加入C4-膦酸酯（11.1 g，0.05 mol）。上述反應(yīng)液繼續(xù)在-20 ℃攪拌1 h，然后將溶在上述四氫呋喃-二甲基亞砜混合溶劑中的檸檬醛(7.6 g,0.05 mol)在1 h 內(nèi)滴加完畢。所得反應(yīng)液繼續(xù)攪拌30 min 直至反應(yīng)完畢（GC 跟蹤）。加入25 mL水和50 mL 乙醚，繼續(xù)攪拌10 min。分液得到有機(jī)層，用食鹽水(3× 15 mL)洗滌、無(wú)水硫酸鎂干燥，減壓蒸除溶劑得到7.7 g C14-烯醇醚粗品，為無(wú)色液體，GC 含量為93.7%，收率為65.8%。IR(film):3120,1683,1657,1250 cm-1。1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=1.61 (s,3H,CH3C=CHOCH3),1.68 (s,3H,CH3),1.69 (s,3H,CH3),1.78 (s,3H,CH=CCH3),2.05～2.17 (m,4H,CH2CH2),3.62 (s,3H,OCH3),5.06～5.16 (m,1H,CH),5.87 (s,1H,C=CHOCH3),5.94 (dd,J=11.2 Hz,5.6 Hz,1H,CH=CH),6.29 (dd,J=15.2 Hz,11.2 Hz,1H,C=CH),6.63 (dd,J=15.2 Hz,12.4 Hz,1H,CH=CH)。13C NMR (100 MHz，CDCl3):δ=14.5,17.7,24.0,25.7,26.6,26.8,32.7,40.1,59.8,112.8,123.2,126.7,129.0,138.0,144.8。13C DEPT135 (100 MHz,CDCl3):δ=14.5,17.7,24.0,25.7,26.6 (-)，26.8 (-),32.7 (-),40.1 (-),59.8,123.2,126.7,144.8。

1.2.3 2,6,10-三甲基-2,5,9-十一烷三烯-1-醛（C14-醛）的合成

在N2保護(hù)下，向150 mL 三口燒瓶中加入C14-烯醇醚（5.5 g，0.025 mol）、50 mL 四氫呋喃、0.8 g 對(duì)甲苯磺酸和11 g 水，所得反應(yīng)液在20 °C～25 °C 攪拌24 h。根據(jù)GC 判斷水解反應(yīng)結(jié)束，加入9% NaHCO3溶液（12 mL），減壓蒸除四氫呋喃。加入50 mL 環(huán)己烷，有機(jī)層用15 mL 水洗，無(wú)水MgSO4干燥，減壓蒸餾得C14-醛粗產(chǎn)品4.5 g，收率為69.9%，氣相含量為93.5%。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.11 (t,J=7.6 Hz,3H,CH3CCHO),1.51 (s,3H,CH3C=CH),1.63 (s,3H,CH3),1.70 (s,3H,CH3),1.85～1.89 (m,2H,CH2CH2),2.18～2.29 (m,2H,CH2CH2),2.24～2.33(m,2H,CH2),5.11～5.12 (m,1H,CH),5.67 (s,1H，CH3C=CH),6.51 (t,J=7.2 Hz,1H,CH=CCHO)，9.44 (s,1H,CHO)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.7,17.6,18.3,23.4,25.6,26.4,39.4,115.5,123.9,131.6,140.7,143.0,156.8,194.4。13C DEPT135(100 MHz,CDCl3):δ=12.7,17.6,18.3,23.4 (-),25.6,26.4 (-)，39.4 (-)，115.5,123.9,156.8,194.4。GC-MS:m/z (%)=206,191,177,163,109,91,77,69(100%)，53,41,27。

1.2.4 3,7,11-三甲基-1,3,6,10-四烯十二烷-1-膦酸二乙酯（C15-膦酸酯）的合成

在N2保護(hù)下，向150 mL 三口燒瓶中加入NaH（60%含量,1.1 g,0.0275 mol）的甲苯溶液(10 mL)，維持溫度在10 °C～15 °C，開(kāi)啟攪拌，慢慢滴加偕二膦酸酯(8.6 g,0.03 mol) 的甲苯溶液（20 mL），反應(yīng)液繼續(xù)攪拌30 min。在15 °C 下，將C14-醛(5.1 g,0.025 mol)的甲苯溶液(20 mL)慢慢滴加入上述反應(yīng)液中，加畢繼續(xù)攪拌30 min。加入20 mL 水繼續(xù)攪拌10 min。有機(jī)層用10%NaCl 溶液(80 mL)洗滌，無(wú)水MgSO4干燥，減壓蒸餾收集得C15-膦酸酯粗品7.5 g，為淺棕色液體，收率為88.5%，氣相含量為93.2%。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=0.98 (t,J=7.6 Hz,3H,CH3),1.32 (t,J=6.8 Hz,6H,2 × OCH2CH3),1.46 (s,3H,CH3),1.63 (s,3H,CH3),1.70 (s,3H,CH3),1.96～2.04 (m,2H,CH2CH2),2.04～2.14 (m,2H,CH2CH2),2.15～2.20 (m,2H,CH2),4.03～4.10 (m,4H,2 ×OCH2CH3),5.10～5.11 (m,1H,CH),5.55～5.56 (m,1H,CH),5.51 (dd,J=16.8 Hz,20.0 Hz,1H,CH=CHP),5.86 (t,J=7.2 Hz,1H,CH),7.08 (dd,J=17.6 Hz,21.6 Hz,1H,CH=CH)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,15.9,16.0,17.0,17.3,22.7,25.3,25.9,38.6,61.0,60.9,112.4 (d,J=189.4 Hz),118.2,123.7,131.2,135.5 (d,J=24.1 Hz),141.0,142.7,151.3。13C DEPT135 (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,15.9,16.0,17.0,17.3,22.7 (-),25.3,25.9 (-),38.6 (-),61.0 (-),60.9 (-),112.4 (d,J=189.4 Hz),118.2,123.7,142.7,151.3。GC-MS:m/z (%)=340,325,284,271,243,217(100%),205,192,159,105,79。

1.2.5 番茄紅素（1）的合成

在N2保護(hù)下，向150 mL 三口燒瓶中先加入溶在30 mL THF-DMSO 混合溶劑（體積比為8:1）中的KOt-Bu（2.3 g,0.021 mol）溶液，然后在0.5 h內(nèi)將C15-膦酸酯(6.8 g,0.02 mol)逐滴加入，溫度維持在-30 ℃～-25 ℃，所得反應(yīng)液繼續(xù)攪拌5 h。將溶在10 mL THF-DMSO 混合溶劑中的C10-雙醛(1.6 g,0.0098 mol)溶液在20 min 內(nèi)逐滴加入。上述反應(yīng)液先在-30 ℃～-25 ℃下攪拌15 min，再升溫至20 ℃～25 ℃下攪拌1 h。加入CHCl3（100 mL），分出有機(jī)層，用NaCl 溶液（5%,3×75 mL）洗滌，無(wú)水MgSO4干燥，減壓蒸除溶劑得紅色粗產(chǎn)品番茄紅素。CH2Cl（230 mL）重結(jié)晶。然后將所得固體放在30 mL 乙醇中，于75 ℃～80 ℃下回流攪拌5 h，至順式體轉(zhuǎn)化成反式體，得到產(chǎn)品3.1 g，收率為61.6%。IR (film):1627,968 cm-1。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.43～2.21 (m,8H),1.55 (s,12H,4 × CH3),1.62 (s,6H,2 × CH3),1.69(s,6H,2×CH3)，2.13 (s,6H,2 × CH3),5.11,5.98～6.94 (m,16H,=CH)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,12.9,17.0,18.4,25.7,26.7,40.3,124.0,124.8,125.2,125.7,130.1,131.6,131.8,132.7,135.4,136.2,136.6,137.4,139.5。13C DEPT135(100 MHz,CDCl3):δ=12.8,12.9,17.0,18.4,25.7,26.7 (-),40.3 (-),124.0,124.8,125.2,125.7,130.1,131.6,132.7,135.4,137.4。

2 結(jié)果與討論

首先，檸檬醛和C4-膦酸酯在四氫呋喃和二甲基亞砜組成的混合溶劑中，以叔丁醇鉀為強(qiáng)堿，用量為檸檬醛的1.1 倍量，在-20 ℃下反應(yīng)可得到C14-烯醇醚，收率為68.4%。該步反應(yīng)所用原料C4-膦酸酯結(jié)構(gòu)比較特殊，其所帶的帶角甲基的不飽和片段恰好符合類(lèi)胡蘿卜素類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)要求。此外，由于該反應(yīng)過(guò)程是先在堿性條件下，C4-膦酸酯的一號(hào)碳失去一個(gè)質(zhì)子成為碳負(fù)離子，而其兩邊的取代基磷酸酯基和雙鍵恰好可以分散該負(fù)電荷，使得中間體碳負(fù)離子趨于穩(wěn)定，從而使反應(yīng)能更順利地進(jìn)行。

C14-烯醇醚水解時(shí)，經(jīng)過(guò)條件優(yōu)化對(duì)甲苯磺酸的催化效果較鹽酸和三氟乙酸好，反應(yīng)溫度不宜過(guò)高，否則氣相顯示反應(yīng)所得產(chǎn)物較雜。因此，研究得到該水解工藝的較佳條件為：以對(duì)甲苯磺酸作為烯醇醚水解的催化劑，用量為C14 烯醇醚的5 mol%，四氫呋喃為溶劑，加水，于25 ℃下反應(yīng)24 h，氣相跟蹤顯示水解完成，收率為70.5%。

最后一步由C15-膦酸酯和C10-雙醛經(jīng)Wittig-Horner 反應(yīng)縮合成番茄紅素。該步反應(yīng)由關(guān)鍵中間體C15-膦酸酯為1,3-二烯-C-15-膦酸酯，而制備番茄紅素需要將1,3-二雙鍵-C15-膦酸酯經(jīng)雙鍵移位為2,4-二雙鍵-C15-膦酸酯（圖3）。因此，本步工藝先研究C15-膦酸酯的雙鍵移位，通過(guò)強(qiáng)堿條件將1,3-二雙鍵-C15-膦酸酯轉(zhuǎn)變成2,4-二雙鍵-C15-膦酸酯；再研究其與十碳雙醛縮合成番茄紅素（1）的反應(yīng)。經(jīng)過(guò)條件研究，只需在-30 ℃～-25 ℃間，使1,3-二雙鍵-C15-膦酸酯在強(qiáng)堿KOt-Bu 的四氫呋喃和二甲基亞砜混合溶劑中攪拌24 h，即可完成雙鍵移位。之后和C10-雙醛的縮合較為順利。

圖3 1，3-二雙鍵-C15-膦酸酯雙鍵移位

反應(yīng)所得的番茄紅素粗品中仍有不少順式異構(gòu)體，而根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求反式體占98%以上，這就涉及到順?lè)崔D(zhuǎn)位反應(yīng)。本工藝以乙醇為轉(zhuǎn)位反應(yīng)的溶劑，回流反應(yīng)5 h，即可將反式體含量提升至98%以上。

3 結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了一條全反式番茄紅素的全合成的路線：由香葉醇（2）經(jīng)氧化得到檸檬醛（3），3與C4-膦酸酯縮合制備C14-烯醇醚（4），4 與偕二膦酸酯縮合得到十五碳膦酸酯，最后與十碳雙醛反應(yīng)得到番茄紅素，五步總收率為23.5%。本合成路線具有環(huán)境友好、步驟少、工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)收率高等特點(diǎn)，具有較大的工業(yè)化潛力。