脯氨酸催化柚皮苷合成新橙皮苷工藝研究

杜 琳 黃清東 李仲輝

（1.成都師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610300；2.四川大學(xué)華西藥學(xué)院，四川 成都 610300）

新橙皮苷屬于黃酮類(lèi)化合物中的二氫黃酮類(lèi)化合物，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示。它是制備新型甜味劑——新橙皮苷二氫查爾酮的重要原料。新橙皮苷二氫查爾酮的甜味相當(dāng)于蔗糖的1 500～1 800倍［1］，適口性好，同時(shí)具有良好的屏蔽苦味作用，用于苦味藥片（或液體制劑）中，以此矯正化學(xué)藥的強(qiáng)烈苦味［2］。同時(shí)，它對(duì)人體安全，至今未見(jiàn)有任何副作用的報(bào)道。鑒于此，市場(chǎng)對(duì)新橙皮苷二氫查爾酮的需求量逐年增加，作為其主要原料的新橙皮苷也出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面。

新橙皮苷主要存在于橘科植物干燥果皮中，可以通過(guò)對(duì)這些植物提取得到新橙皮苷。目前通過(guò)植物提取的方式生產(chǎn)新橙皮苷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)新橙皮苷的需求［3］，市場(chǎng)上普遍采用半合成的方法。這些方法通常是先從植物中提取結(jié)構(gòu)類(lèi)似的柚皮苷［4］，然后通過(guò)水解、縮合的化學(xué)反應(yīng)合成生產(chǎn)新橙皮苷。以往的半合成方法有［5－7］：① 將柚皮苷直接與大大過(guò)量的異香蘭素（過(guò)量12倍）在堿性水溶液或者醇溶液中反應(yīng)后，酸化得到新橙皮苷；② 將柚皮苷在堿性水溶液中水解后得到根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷，再與大大過(guò)量異香蘭素在堿性水溶液或醇溶液中反應(yīng)后酸化得到新橙皮苷；③ 用根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷與異香蘭素按1∶1的摩爾比在無(wú)水乙醇中氬氣保護(hù)下，以1∶1四氫吡咯和乙酸為催化劑反應(yīng)12h可合成了新橙皮苷，該方法目前被公認(rèn)為最可行的工業(yè)生產(chǎn)方法［8］。但這些方法都存在收率低，需要大量原料異香蘭素，工藝不穩(wěn)定對(duì)人體傷害大等問(wèn)題。因此有必要尋找合成生產(chǎn)新橙皮苷的新方法。

本研究擬在專(zhuān)利方法［7］的基礎(chǔ)上，采用脯氨酸為催化劑替代四氫吡咯和乙酸，開(kāi)發(fā)出一條由柚皮苷合成新橙皮苷的全新生產(chǎn)工藝。

圖1 新橙皮苷的結(jié)構(gòu)式Figure 1 Chemical structure of noehesperidin

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

柚皮苷、異香蘭素：成都華康生物工程有限公司；

脯氨酸：四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院提供；

氫氧化鈉、乙醇：分析純，成都金山化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

恒溫磁力攪拌器：81-2型，上海司樂(lè)儀器有限公司；

鼓風(fēng)干燥箱：DGX-8243B型，上海福瑪實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

高效液相色譜儀器：Agilengt G1314A型，安捷倫科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 新橙皮苷的合成工藝 以柚皮苷（1）為起始物料，經(jīng)過(guò)堿性水解得到根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷（2），根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷（2）在脯氨酸的催化下與異香蘭素反應(yīng)高產(chǎn)率的得到高純度的新橙皮苷。工藝路線如圖2所示。

圖2 新橙皮苷的合成路線Figure 2 Synthetic routes of noehesperidin

1.2.2 根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷（2）的合成工藝 將6 0.0g氫氧化鈉加入三口反應(yīng)瓶中，加入500mL自來(lái)水，攪拌溶解，然后將45.0g柚皮苷在攪拌條件下緩慢加入該堿性溶液中，攪拌完全溶解后，開(kāi)始加熱升溫至100℃回流，從開(kāi)始回流計(jì)時(shí)，回流攪拌反應(yīng)1.5h后停止加熱，冷卻至3 0℃以下，緩慢加入濃鹽酸中和至pH值6.5左右，析出黃色固體。再次加熱升溫至70℃以上使固體全部溶解后，停止加熱，自然冷卻，靜置共2h后布氏漏斗過(guò)濾，抽干后6 0℃真空干燥即得到25.5g黃色根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷，收率68.1%。

1.2.3 新橙皮苷（4）的合成工藝 將根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷（20.0g，41.9mmol）加入三口反應(yīng)瓶中，加入 1 20mL無(wú)水乙醇中，攪拌溶解后，再分別加入脯氨酸（4.8g，4 1.9mmol）和異香蘭素（6.9g，46.1mmol），90℃加熱回流反應(yīng)，從開(kāi)始回流計(jì)時(shí)，回流攪拌反應(yīng)1.5h后停止加熱，冷卻至30℃以下，布氏漏斗過(guò)濾，用大量水洗滌至固體無(wú)色為止，6 0℃真空干燥即得到24.2g淺黃色粉末狀固體物質(zhì)新橙皮苷，收率為96%，產(chǎn)品經(jīng)液相色譜測(cè)定純度為96.5%。相對(duì)保留時(shí)間與對(duì)照品一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷（2）的合成

根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷（2）的合成方法參照文獻(xiàn)［9］。首先是柚皮苷在堿性水溶液中水解得到根皮乙酰苯－4′-β－新橙皮糖苷的酚鈉鹽，加鹽酸中和后析出固體即得到根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷（2）。該步反應(yīng)經(jīng)多批次合成驗(yàn)證，證明該步中間體的合成操作簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定。但文獻(xiàn)［9］報(bào)道的路線存在加酸中和后過(guò)濾困難的問(wèn)題，本試驗(yàn)通過(guò)在加鹽酸中和得到固體后再次升溫使固體溶解，然后緩慢冷卻析晶的方法解決了該問(wèn)題，得到了顆粒較大、容易過(guò)濾的中間體根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷（2）。

2.2 新橙皮苷（4）的合成

專(zhuān)利US3947405［7］中的反應(yīng)機(jī)理表明，新橙皮苷的合成反應(yīng)中起催化作用的是四氫吡咯上的氮原子和乙酸的羧基，可以推測(cè)分子結(jié)構(gòu)上含有胺和羧基的化合物可能可以取代四氫吡咯和乙酸，從而起到同樣的催化作用。為了證實(shí)該推測(cè)，本研究保持乙酸不變，分別用乙胺、二乙胺和三乙胺取代四氫吡咯進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅有二乙胺與乙酸作為催化劑時(shí)具有較好的催化效果。這可能是因?yàn)槎野肥且环N二級(jí)胺，具有適合于該反應(yīng)的堿性，因此推斷催化該反應(yīng)的氮原子需要使用二級(jí)胺。

另外，為了考察羧基的影響，本研究保持四氫吡咯不變，分別采用甲酸、丙酸、丁酸、辛酸和苯甲酸取代乙酸進(jìn)行了試驗(yàn)探索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用脂肪酸替代乙酸后，反應(yīng)雖能進(jìn)行，但原料轉(zhuǎn)化率較低，用芳香酸苯甲酸取代乙酸后不發(fā)生反應(yīng)，這可能是因?yàn)榕c四氫吡咯（含二級(jí)胺）協(xié)調(diào)催化該反應(yīng)時(shí)，羧酸需要與四氫吡咯有合適的空間匹配。基于以上試驗(yàn)和猜測(cè)，選擇分子結(jié)構(gòu)上同時(shí)含有二級(jí)胺和羧酸的脯氨酸作為催化劑，得到了非常好的試驗(yàn)結(jié)果（原料轉(zhuǎn)化率為100%，產(chǎn)品純度為95%以上）。這可能是因?yàn)楦彼釣楣腆w，不會(huì)像四氫吡咯和乙酸一樣在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)揮發(fā)損失，同時(shí)由于氮原子和羧基處于同一個(gè)分子式，也保證了氮原子與羧基的摩爾比恒定為1∶1，同時(shí)脯氨酸分子上氮原子與羧基的位置恰當(dāng)，有空間協(xié)調(diào)作用增強(qiáng)脯氨酸的催化能力。為了證實(shí)氮原子與羧基的協(xié)調(diào)作用，采用脯氨酸上的羧基被甲酯化的脯氨酸甲酯，以及脯氨酸上的二級(jí)氮原子被乙酰化的乙酰化脯氨酸作為催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者都無(wú)法催化反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)一步證實(shí)了脯氨酸結(jié)構(gòu)上氮原子和羧基的協(xié)調(diào)作用。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

值得一提的是，脯氨酸為固體催化劑，在生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)揮發(fā)損失，因此使用該催化劑生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，更適用于工業(yè)化大生產(chǎn)。另外，脯氨酸不會(huì)像四氫吡咯和乙酸那樣具有刺激性氣味，減少了生產(chǎn)過(guò)程中試劑對(duì)工人的傷害。

表1 含氮試劑和含羧基試劑的選擇Table 1 Results of using different reagent as catalysts

表1 含氮試劑和含羧基試劑的選擇Table 1 Results of using different reagent as catalysts

以上篩選試驗(yàn)根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷∶羧基∶異香蘭素＝1∶0.5∶1.1（mol∶mol∶mol），反應(yīng)溶劑為無(wú)水乙醇（即99%的乙醇），反應(yīng)溫度為90℃，反應(yīng)時(shí)間為12h。

含氮試劑含羧基試劑 催化結(jié)果 說(shuō)明 乙胺 乙酸 不反應(yīng) 一級(jí)胺取代四氫吡咯二乙胺 乙酸 反應(yīng)較好 二級(jí)胺取代四氫吡咯三乙胺 乙酸 不反應(yīng) 三級(jí)胺取代四氫吡咯四氫吡咯 甲酸 反應(yīng)，但轉(zhuǎn)化率低 甲酸取代乙酸四氫吡咯 丙酸 反應(yīng)，但轉(zhuǎn)化率低 丙酸取代乙酸四氫吡咯 丁酸 反應(yīng)，但轉(zhuǎn)化率低 丁酸取代乙酸四氫吡咯 辛酸 反應(yīng)，但轉(zhuǎn)化率低 辛酸取代乙酸四氫吡咯 苯甲酸 僅有少量反應(yīng) 苯甲酸取代乙酸脯氨酸 反應(yīng)較好，轉(zhuǎn)化率非常高脯氨酸代替四氫吡咯和乙酸脯氨酸甲酯 不反應(yīng) 脯氨酸甲酯代替四氫吡咯和乙酸吡咯和乙酸乙酰化脯氨酸 不反應(yīng) 乙酰化脯氨酸代替四氫

2.2.1 脯氨酸用量的影響 保持根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷∶異香蘭素的摩爾比為1∶1，反應(yīng)溶劑為無(wú)水乙醇（即99%的乙醇），反應(yīng)溫度為90℃，反應(yīng)時(shí)間為12h，改變根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷與脯氨酸的摩爾比分別為1∶0.3，1∶0.5，1∶0.8，1∶1，1∶1.2，1∶1.5進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷與脯氨酸的摩爾比需要大于等于1∶1時(shí)，反應(yīng)才會(huì)得到較好的收率和產(chǎn)品純度。為了節(jié)約催化劑用量，降低生產(chǎn)成本，將催化劑脯氨酸用量固定為根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷與脯氨酸的摩爾比為1∶1。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 催化劑脯氨酸的量?jī)?yōu)化試驗(yàn)及結(jié)果Table 2 Optimization of catalyst amounts

表2 催化劑脯氨酸的量?jī)?yōu)化試驗(yàn)及結(jié)果Table 2 Optimization of catalyst amounts

轉(zhuǎn)化率采用TLC的方法監(jiān)控。

根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷與脯氨酸的摩爾比轉(zhuǎn)化率/% 產(chǎn)品收率/% 產(chǎn)品純度/%1∶0.3 20 5.6 70.5 1∶0.5 30 15.3 76.2 1∶0.8 50 27.6 75.3 1∶1.0 100 95.1 96.2 1∶1.2 100 94.8 95.2 1∶1.5 100 96.2 97.2

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間的影響 保持根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷∶脯氨酸∶異香蘭素的摩爾比為1∶1∶1.1，反應(yīng)溶劑為無(wú)水乙醇（即99%的乙醇），反應(yīng)溫度為90℃，改變反應(yīng)時(shí)間分別為0.5，1，3，3.5，8，12h進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果通過(guò) TLC檢查發(fā)現(xiàn)回流反應(yīng)0.5h反應(yīng)就進(jìn)行了約80%，反應(yīng)1h原料轉(zhuǎn)化完全，為了讓原料徹底反應(yīng)，選擇1.5h作為反應(yīng)完成的時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響Table 3 Effect of reaction time on the results

表3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響Table 3 Effect of reaction time on the results

轉(zhuǎn)化率通過(guò)TLC進(jìn)行監(jiān)控。

反應(yīng)時(shí)間/h 轉(zhuǎn)化率/% 產(chǎn)品收率/% 產(chǎn)品純度/%0.5 80 5.6 80.5 1.0 100 92.3 96.2 3.0 100 95.3 95.3 3.5 100 96.1 96.4 8.0 100 92.1 95.6 12.0 100 95.5 96.8

3 結(jié)論

本研究在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種以脯氨酸為催化劑合成新橙皮苷的方法。

（1）該方法的最佳反應(yīng)條件為：根皮乙酰苯-4′-β－新橙皮糖苷∶脯氨酸∶異香蘭素的摩爾比為1∶1∶1.1，反應(yīng)溶劑為無(wú)水乙醇（即99%的乙醇），反應(yīng)溫度為90℃，反應(yīng)時(shí)間為1.5h。

（2）該方法與原有合成方法相比收率高，產(chǎn)品質(zhì)量好（收率達(dá)95%以上，新橙皮苷成品純度達(dá)96%以上，原工藝收率僅為60%，純度僅為86%［5］）；所采用的催化劑脯氨酸為固體催化劑，在生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)揮發(fā)損失，因此生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單，更適用于工業(yè)化大生產(chǎn)。

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