環氧氯丙烷開環合成1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯的研究

郭芳，胡志雄*，王維曼，齊玉堂，張維農

（武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北武漢430023）

環氧氯丙烷開環合成1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯的研究

郭芳，胡志雄*，王維曼，齊玉堂，張維農

（武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北武漢430023）

以棕櫚酸、環氧氯丙烷為原料，使用醋酸鉻為催化劑開環合成得到1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯，該方法成本低廉、產率高、選擇性好。所得產物使用紅外光譜及液相色譜、電噴霧離子質譜等手段進行表征，并對合成反應條件進行了優化，最佳條件為反應溫度80℃，反應時間30h，催化劑用量8 mmol/L，棕櫚酸/環氧氯丙烷物質的量比1∶1.2，該條件下其產率可達92%。

1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯；合成；醋酸鉻；環氧氯丙烷

食品中的氯丙醇污染已成為國際關注的食品安全問題，其中3-氯-1,2-丙二醇（3-monochloro-1,2-propan diol，3-MCPD）是氯丙醇類食品污染物中最常見的代表物質[1]，毒理學研究表明，3-MCPD具有生殖、腎臟和神經毒性，可能具有致癌和致突變作用[2]。食品添加劑和污染物聯合專家委員會（joint FAO/WHO expert committee on food additives，JECFA）以及歐盟食品科學委員會（scientific committee for food，SCF）等暫定了人體每日最大耐受量（tolerable daily intake，TDI）為2μg/kg[3]。

3-氯-1，2-丙二醇酯（3-MCPD酯）是3-氯丙醇與脂肪酸的酯化產物，SVEJKOVSKA B等[4]首次在多種加工食品中發現了3-MCPD酯的污染。近幾年的研究進一步發現，許多食品中都含有不同水平的3-MCPD酯[5-8]，尤其精煉食用油3-MCPD酯含量大大超過其游離態3-MCPD的含量，有的超過千倍[9-10]。雖然目前尚無直接證據表明3-MCPD酯有毒性，但有研究表明，3-MCPD酯在胰脂酶作用下會釋放出游離3-MCPD，隨后被快速吸收[11]，健康風險極高，因此，在食品加工過程中對3-MCPD酯的監測與控制十分必要。

在3-MCPD酯的檢測與控制等基礎研究過程中，高純的3-MCPD酯標準品是必不可少的，目前，國外已有少量廠家提供該產品，但樣品量極少而價格極為昂貴；由于3-MCPD酯中脂肪酸的種類繁多，并且有單酯與雙酯等不同類型[12]，使得相關研究面臨許多現實困難，因此探索開發經濟、便捷的3-MCPD酯合成方法具有十分重要的意義。BUKOWSKI W等[13]曾以醋酸鉻為催化劑，使用低碳酸對環氧氯丙烷開環合成了氯丙醇脂肪酸酯，該方法具有較好的選擇性與較高的得率。在此基礎上采用長鏈脂肪酸（如棕櫚酸）為原料，優化合成條件制備了氯丙醇sn-1棕櫚酸酯，產物經柱色譜純化后，使用紅外光譜、質譜進行表征。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

軟脂酸（純度99%）、環氧氯丙烷（純度99.5%）、二乙二醇二甲基醚（純度99%）、醋酸鉻（純度99.9%）：上海晶純實業有限公司；甲醇（色譜級）：美國Merk公司，1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯標準品（純度98%）：加拿大TRC公司。

1.2 儀器與設備

DF-1型集熱式磁力攪拌器：常州國華電器有限公司；AVTAR-370傅里葉變換紅外光譜儀：美國尼高力公司；1260型高效液相色譜儀、Agilent 1260四元泵、Agilent 1260紫外檢測器、Agilent 1260柱溫箱：美國Agilent公司；色譜柱為Weltech C18色譜柱（4.6mm×150mm，5μm）。LTQ Orbitrap XL液相色譜-質譜聯用儀：美國Thermo Fisher公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯的合成方法

取適量環氧氯丙烷和棕櫚酸溶于30mL二乙二醇二甲基醚中，轉入100mL三口圓底燒瓶中并磁力攪拌均勻，然后再加入醋酸鉻作催化劑。裝上分水裝置、溫度計，室溫條件下緩慢水浴升溫加熱（0.2℃/10min），升至80℃后保溫反應一段時間[5]。反應完成后冷卻至室溫，待分離純化并計算產率。

1.3.2 分離純化

先將十八烷基硅烷（octadecylsilyl，ODS）填料柱活化，純甲醇洗脫8mL，15%甲醇/水洗脫15mL，當液面與柱子填料接近時，上樣1mL，在樣品溶液進入柱子后，加15%甲醇/水洗脫醋酸鉻。然后用50%甲醇/水洗去二乙二醇二甲基醚。最后，加2mL純甲醇，洗脫氯丙醇脂肪酸酯。揮干甲醇，重新用定量甲醇溶解。待檢測。

1.3.3 1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯產率的計算

1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯的產率通過高效液相色譜法進行測定，流動相為甲醇-水（v/v，86∶14），流速1.0mL/min，進樣量20μL，紫外檢測波長為220nm；配制1-棕櫚酸-3-氯丙醇酯標準溶液（質量濃度分別為6mg/mL、4mg/mL、3.3mg/mL），按峰面積作標準曲線，確定目標物的產率。

1.3.4 產物的表征

產物經分離純化后，使用紅外光譜與質譜進行表征。樣品經KBr壓片后使用傅里葉變換紅外光譜儀進行透射掃描，掃描次數16。產物純化后用適量甲醇稀釋，并直接進樣進行電噴霧電離質譜（electrosprayionization mass spectrometry，ESI-MS）分析，注射器流速設定為10μL/min，噴霧電壓為4.5kV，掃描范圍為50～500m/z。

2 結果與討論

2.1 反應機理

脂肪酸對環氧氯丙烷開環合成氯丙醇單酯的反應機理如圖1所示。環氧氯丙烷結構中含有活性很強的環氧乙基，易與含活潑氫的化合物進行開環加成反應，當使用脂肪酸作為加成底物時，可反應生成sn-1和sn-2兩種不同氯丙醇酯異構體，其位置選擇性的影響因素較多，其中催化劑與溶劑類型的影響非常明顯[14]，文獻報道[15]，酸性催化劑、堿性催化劑的位置選擇性較差，而過渡金屬催化劑的選擇性較好，以二乙二醇二甲基醚為溶劑，以醋酸鉻為催化劑，sn-1氯丙醇酯的純度最高可達97.7%。BUKOWSKI A等[15]認為醋酸鉻與環氧乙基中的氧可形成配位鍵，從而使得環氧氯丙烷中的α-碳更易受酸根陰離子的攻擊，從而形成sn-1氯丙醇酯。由于二乙二醇二甲基醚/醋酸鉻體系具有顯著的位置選擇性，所以本實驗采用該體系對長鏈的棕櫚酸氯丙醇酯的合成進行了較深入研究。

圖1 脂肪酸對環氧氯丙烷開環合成氯丙醇單酯的反應機理Fig.1 Synthetic mechanism of chlorine propanol monoester through ring-opening of epichlorohydrin by fatty acids

2.2 產物表征

2.2.1 紅外光譜表征

將反應混合溶液按1.3.2的方法分離純化后，取適量樣品制作KBr壓片，進行紅外光譜掃描，所得結果如圖2所示。

圖2 棕櫚酸氯丙醇酯樣品紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrum of the 1-palmitate-3-chloropropanediol samples

由圖2可知，譜圖中3424cm-1處為-OH的伸縮振動吸收峰；2918cm-1、2 850cm-1處為飽和脂肪烴鏈中-CH2的C-H伸縮振動吸收峰；1 738cm-1、1 728cm-1處為酯的C=O伸縮振動吸收峰；1468cm-1處為-CH2的剪式振動吸收峰；1174cm-1、1 113cm-1處為棕櫚酸氯丙醇酯中C-O-C鍵的不對稱伸縮振動峰；722cm-1處為棕櫚酸碳鏈（n>4）中-CH2的平面搖擺振動吸收峰。以上分析結果表明該方法合成、純化后的產物可初步確證為棕櫚酸氯丙醇酯。

2.2.2 產物的液相色譜與質譜定性分析

將反應產物與sn-1棕櫚酸氯丙醇酯標準品按1.3.3中的液相色譜方法進行分析，其色譜圖如圖3所示。由圖3可知，sn-1棕櫚酸氯丙醇酯標準品的保留時間為28min，反應產物的譜圖中同樣在28min有一較強色譜峰，同時在其附近還有較弱的雜質峰，為了對產物的結構進一步定性分析，對目標強峰進行收集，然后將其直接進樣作電噴霧電離質譜分析。圖4為產物收集液的一級、二級質譜結果，其中一級質譜4（A）中荷質比371.11為M+Na-H的準分子離子峰，在電噴霧電離質譜條件下，電負性氯易與Na+結合形成準分子離子，失去2位羥基的氫后即得該豐度較強的準分子離子峰，與sn-1棕櫚酸氯丙醇酯標準品的譜圖（未附圖）一致；類似地，荷質比387.11處的峰為M+K-H的準分子離子峰；荷質比313.18處的次強峰為M-Cl離子峰；荷質比238.99的離子峰為棕櫚酸失去-OH形成的碎片離子峰；荷質比101.90的峰為碎片HO-CH-CH2Cl（m/z=79.5）+Na-H形成的碎片離子峰。以荷質比為371.11的離子作為母離子，得到二級質譜如圖4（B）所示，其中出現的豐度很強的313.18m/z碎片離子峰，與sn-1棕櫚酸氯丙醇酯標準品的譜圖相吻合。綜合以上紅外、色譜、質譜數據結果可知，產物確證為sn-1棕櫚酸氯丙醇酯，該醋酸鉻催化環氧氯丙烷開環合成方法具有非常好的選擇性。

圖3 棕櫚酸氯丙醇酯標準品(A)與樣品(B)的高效液相色譜圖Fig.3 HPLC chromatogram of 1-palmitate-3-chloropropanediol standard(A)and sample(B)

圖4 棕櫚酸氯丙醇酯樣品一級(A)、二級(B)電噴霧電離質譜圖Fig.4 The ESI-MS of 1-palmitate-3-chloropropanediol level one(A) level two(B)

2.3 棕櫚酸氯丙醇酯合成條件的優化

2.3.1 反應溫度和反應時間對產率的影響

通常酯化反應時間越長反應越完全，產率也越高，為了考察反應時間對棕櫚酸氯產率的影響，實驗選擇棕櫚酸/環氧氯丙烷物質的量比1∶1.2，反應溫度80℃，催化劑用量10mmol/L，考察了反應時間0～48h范圍內產率的變化情況，其結果見圖5（A）所示。從圖5（A）可以看出，隨著反應時間的延長，0～24h內棕櫚酸氯丙醇酯產率增加非常顯著，24h后產率約為90%，其后產率增加明顯減緩，30h時，產率為92.5%，時間繼續延長時產率基本無變化，故選擇最佳反應時間為30h。

酯化溫度是影響反應速度快慢、反應物反應程度的重要因素。實驗控制酯化時間30h，棕櫚酸/環氧氯丙烷物質的量比1∶1.2，催化劑用量10mmol/L，選擇70～110℃范圍內考察溫度對酯化反應產率的影響。結果如圖5（B）所示，從圖5（B）可以看出，溫度為80℃時，酯化產率為92.5%，隨溫度的增加，酯化產率增加不明顯，因此選擇80℃為后續實驗的反應溫度。

2.3.2 棕櫚酸/環氧氯丙烷物質的量比對產率的影響

控制酯化反應溫度80℃，酯化時間30h，催化劑用量10mmol/L，考察了環氧氯丙烷和棕櫚酸在物質的量比1∶1～1∶1.8范圍內對氯丙醇棕櫚酸酯產率的影響。其影響如圖5（C）所示，從圖5（C）可以看出，棕櫚酸/環氧氯丙烷物質的量比為1∶1.2時，產率最高，可能是由于稍過量的環氧氯丙烷有助于脂肪酸的快速反應，而環氧氯丙烷在高溫下，自身可能開環發生自聚反應生成相應聚合物，環氧氯丙烷比例越大，這種自聚物產生的幾率越大，甚至可能影響到目標產物的產率。

2.3.3 催化劑用量對反應產率的影響

文獻[7]報道，醋酸鉻是催化脂肪酸開環酯化反應最好的催化劑，本實驗以醋酸鉻為催化劑，在2～10mmol/L范圍內考察了其對酯化反應產率的影響，結果如圖5（D）所示，由圖5（D）可以看出，隨著催化劑用量的增加，2～8mmol/L范圍內產率不斷升高，繼續增加催化劑用量產率增加不明顯，因此，選擇8mmol/L為最佳催化劑用量。

圖5 反應時間(A)、溫度(B)、棕櫚酸/環氧氯丙烷物質的量比(C)及催化劑用量(D)對產率的影響Fig.5 Effect of reaction time(A),reaction temperature(B),molar ratio of palmitic acid to epichlorohydrin(C)and catalyst amount(D)on product yield

3 結論

以二乙二醇二甲基醚為溶劑，以醋酸鉻為催化劑使用棕櫚酸對環氧氯丙烷進行開環合成得到棕櫚酸氯丙醇酯，紅外光譜、液相色譜與電噴霧離子質譜結果表明，產物主要為1-棕櫚酸3-氯丙醇酯，該方法具有成本低廉、產率高、選擇性好等優點。對合成反應條件進行了優化，其最佳條件為：反應溫度80℃，反應時間30h，催化劑用量8mmol/L，棕櫚酸/環氧氯丙烷物質的量比1∶1.2，該條件下其產率可達92%。

[1]BAER I,CALLE B D L,TAYLOR P.3-MCPD in food other than soy sauce or hydrolysed vegetable protein(HVP)[J].Anal Bioanal Chem, 2010,396:443-456.

[2]KIM K.Differential expression of neuronal and inducible nitric oxide synthasein rat brain after subchronic administration of 3-monochloro-1, 2-propanediol[J].Food Chem Toxicol,2008,46:955-960.

[3]Joint FAO/WHO expert committee on food additives[C]//Summary of the fifty-seventh meeting of the Joint FAO/WHO Expert Committee on food additives,Rome,2001:5-14.

[4]SVEJKOVSKA B,NOVOTNY O,DIVINOVA V,et al.Esters of 3-chloropropane-1,2-diol in foodstuffs[J].Czech J Food Sci,2004,22(5): 190-196.

[5]ZELINKOVA Z,DOLEZAL M,VELISEK J.3-Chloropropane-1,2-diol fattyacidestersinpotatoproducts[J].Czech J Food Sci,2009,27:S421-424.

[6]WEIHAAR R,PERZ R.Fatty acid esters of glycidolin refined fats and oils[J].Eur Food Res Technol,2010,112(2):158-165.

[7]DOLEZAL M,KERTISOVA M,ZELINKOVA Z,et al.Analysis of bread lipids for 3-MCPD esters[J].Czech J Food Sci,2009,27:S417-420.

[8]ZELINKOVA Z,DOLEZAL M,VELISEK J.Occurrence of 3-chloropropane-1,2-diol fatty acid esters in infant and baby foods[J].Eur Food Res Technol,2009,228:571-578.

[9]ZELINKOVA Z,SVEJKOVSKA B,VELISEK J,et al.Fatty acid esters of 3-chloropropane-1,2-diol in edible oils[J].Food Addit Contam,2006, 23(12):1290-1298.

[10]HAINES T D,ADLAF K J,ROBERT M,et al.Direct determination of MCPD fatty acid esters and glycidyl fatty acid esters in vegetable oils by LC-TOFMS[J].J Am Oil Chem Soc,2011,88:1-14.

[11]BUHRKE T,WEI HAAR R,LAMPEN A.Bioavailability of 3-monochloro-1,2-propanediol(3-MCPD)and 3-MCPD fatty acid esters[C]// Naunyn-schmiedebergs archives of pharmacology,New York,USA, 2010.

[12]ERMACORA A,HRNCIRIK K.A novel method for simultaneous monitoring of2-MCPD,3-MCPDandglycidylestersin oilsand fats[J].J Am Oil Chem Soc,2012,8(3):1-8.

[13]BUKOWSKI W.Reactivity of some carboxylic acids in the addition to epichlorohydrin in the presence of chromium(III)acetate[J].J Mol Liq, 2004,111(1-3):47-52.

[14]BUKOWSKI A,BUKOWSKI W.A highly regioselective catalyst of epichlorohydrin acidolysis[J].J Chem Tech Biotechnol,1998,73(4): 341-344.

[15]BUKOWSKI A,BUKOWSKI W.Kinetics of acetic acid addition to epichlorohydrin in the presence of chromium acetate and chromic anhydride[J].J Chem Tech Biotechnol,1996,67(2):176-182.

Synthesis of 1-palmitate-3-chloropropanediol by ring-opening of epichlorohydrin

GUO Fang,HU Zhixiong*,WANG Weiman,QI Yutang,ZHANG Weinong
(College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

In this paper,the synthesis of 1-palmitate-3-chloropropanediol catalyzed by chromium(III)acetate was studied,taking palmitic acid and epichlorohydrin as raw material.The approach provided the advantages of low cost,high yield and good selectivity.The products were analyzed by infrared spectrum,liquid chromatography and electrospray ionization mass spectrum.The synthetic reaction condition was optimized as follows:temperature 80℃,reaction time 30h,catalyst amount 8mmol/L and the molar ratio of palmitic acid to epichlorohydrin 1∶1.2.Under the optimized condition,the product yield reached up to 92%.

1-palmitate-3-chloropropanediol;synthesis;chromium acetate;epichlorohydrin

TS227

B

0254-5071（2014）03-0109-04

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.03.026

2014-01-03

國家糧食公益性行業科研專項（201313007）；武漢輕工大學食品營養與安全研究院重大項目培育專項（2011z02）

郭芳（1988-），女，碩士研究生，研究方向為食品質量與安全。

*通訊作者：胡志雄（1974-），男，副教授，博士，研究方向為食品質量與安全。