鹽酸－三氯化鐵催化芝麻素差向異構化合成細辛素及機理探討

汪學德黃雪劉帥崔英德

（1廣東工業大學輕工化工學院，廣東 廣州510006；2仲愷農業工程學院化學化工學院，廣東 廣州510225；3廣州科技職業技術學院，廣東 廣州510550；4河南工業大學糧油食品學院，河南 鄭州450001）

引 言

芝麻油是中國重要的一種特色食用油料，具有濃郁的香味和豐富的營養。芝麻油中含有許多有益的生物活性物質，其中芝麻木脂素為芝麻的特征性成分，在芝麻中含量為0.5%～1.0%［1］。芝麻木脂素具有優異的抗氧化性能，具有保護肝臟、降低膽固醇及抗癌作用［2－3］，可用在功能食品和保健食品中［4］。研究發現，芝麻木脂素的主要組分為芝麻素、細辛素、芝麻酚、芝麻林素、芝麻素酚和芝麻林素酚等［5］。國內外的研究主要集中在芝麻素和芝麻林素的分離和純化，而對芝麻素的同分異構體——細辛素的研究相對較少。

細辛素也被證明具有令人矚目的生物活性，比芝麻素更強的抗氧化作用，抗真菌、抗腫瘤、抗過敏和某些殺蟲劑的毒性增強等生理活性；對皮膚具有修復作用，可用于化妝品；還可以抑制大鼠心肌損傷代謝綜合征和減少急性心臟移植排斥反應的可能性［6－7］。

在芝麻油精煉過程中，尤其是在活性白土吸附脫色過程中，芝麻素含量減少，而芝麻素的異構化物——細辛素則出現［8］。Morton和 Milton對芝麻素質子化的研究表明芝麻素在鹽酸乙醇溶液中可以轉化為細辛素。本研究以芝麻素為原料，分別選用鹽酸、三氯化鐵和鹽酸－三氯化鐵作為催化劑，對芝麻素催化差向異構化合成細辛素的條件進行研究，并探討差向異構化機理，為今后芝麻素和細辛素的應用研究提供思路。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗試劑 芝麻素，實驗室自制，純度96.6%；芝麻素標準品，上海晶純生化科技股份有限公司；細辛素標準品，中國食品藥品檢定研究院；鹽酸，分析純，洛陽昊華化學試劑有限公司；三氯化鐵，分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；無水乙醇，分析純，天津市富宇精細化工有限公司。

1.1.2 儀器與設備 E2695型高效液相色譜儀，美國Waters公司；LC10A高效液相色譜儀，日本島津公司；DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；10～100μl移液槍，上海榮泰生物科技有限公司；BP211D型萬分之一精密電子天平，Sartorius公司；SHZ－D （Ⅲ）循環水式多用真空泵，深圳市譽達科技有限公司；AVANCE AV型400MHz超導核磁共振譜儀，瑞士Bruker公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 芝麻素和細辛素含量測定 樣品測定：取反應后溶液，迅速將其置于冰浴中冷卻，然后搖勻溶液，轉移部分溶液至10ml容量瓶中，經0.45μm微濾膜過濾，進行HPLC測定［9］。

高效液相色譜條件：色譜柱，Waters C18柱（4.6250mm，5μm）；柱溫30℃；流動相為甲醇－水 （V甲醇∶V水＝70∶30），流速為 0.8ml·min－1；紫外檢測器：芝麻素和細辛素的檢測波長為287nm；進樣量為10μl。在此條件下繪制芝麻素和細辛素的標準曲線，反應后溶液中芝麻素和細辛素根據相對保留時間定性，依據標準曲線計算相對含量。

1.2.2 鹽酸用量對催化芝麻素異構化的影響 取自制芝麻素100mg于圓底燒瓶中，加入一系列體積分數 （下同）分別為0、5%、10%、15%、20%和25%的鹽酸乙醇溶液，在85℃條件下攪拌回流1h。反應結束后，在冰浴中迅速冷卻，量取1ml溶液轉移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC檢測變化。

1.2.3 三氯化鐵用量對催化芝麻素異構化的影響

取自制芝麻素10mg于圓底燒瓶中，加入一系列質量分數分別為0、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%的三氯化鐵乙醇溶液中，在85℃條件下，攪拌回流1h。反應結束后，在冰浴中迅速冷卻，量取1ml溶液轉移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC檢測變化。

1.2.4 鹽酸－三氯化鐵用量對催化芝麻素異構化的影響 取自制芝麻素10mg于圓底燒瓶中，反應溶液中三氯化鐵質量分數0.01%保持不變，鹽酸添加 量 （體 積 分 數）分 別 為 0.01%、0.05%、0.1%、0.5%和1.0%，在85℃條件下攪拌回流1h。反應結束后，在冰浴中迅速冷卻，量取1ml溶液轉移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC檢測變化。

同樣方法，反應溶液中三氯化鐵質量分數分別保持為0.05%、0.1%、0.5%和1.0%，鹽酸添加量梯度不變，反應并檢測變化。

1.2.5 反應時間對芝麻素異構化的影響 取自制芝麻素100mg于圓底燒瓶中，加入質量分數0.05%的三氯化鐵和體積分數0.1%的鹽酸乙醇溶液。在85℃條件下攪拌回流，在10、20、30、40、50、60、70、80和90min時取樣并檢測變化。

1.2.6 反應溫度對芝麻素異構化的影響 取自制芝麻素100mg于圓底燒瓶中，加入質量分數0.05%的三氯化鐵和體積分數0.05%的鹽酸乙醇溶液。設置溫度梯度分別為25、35、45、55、65、75和85℃，攪拌回流1h，取樣并檢測變化。

1.2.7 純化物結構鑒定 采用1H NMR、13C NMR和MS方法對純化物質進行結構鑒定。

2 結果與討論

2.1 鹽酸用量對催化芝麻素異構化的影響

隨著鹽酸用量的增加，芝麻素含量逐漸減少，細辛素含量逐漸增加，在鹽酸用量為20%時芝麻素含量和細辛素含量大致相同，如圖1所示。這說明鹽酸在芝麻素異構化過程中有著重要的作用。在一定范圍內，芝麻素的異構化隨鹽酸用量增加而加劇，在鹽酸用量達到20%時異構化逐漸趨于平衡。

圖1 鹽酸含量對芝麻素異構化的影響Fig.1 Effects of hydrochloric acid content on isomerization of sesame

2.2 三氯化鐵用量對催化芝麻素異構化的影響

使用三氯化鐵作催化劑時，反應后檢測發現細辛素含量很少且反應后溶液中出現大量磚紅色沉淀。這表明三氯化鐵在沸騰的乙醇中發生了水解反應，其反應過程如下

三氯化鐵由于水解導致其Lewis酸性能力減弱［10］，不能提供質子，三氯化鐵催化芝麻素異構化過程終止。

2.3 鹽酸－三氯化鐵用量對催化芝麻素異構化的影響

單獨使用三氯化鐵作催化劑極易發生水解，導致不能催化芝麻素的異構化；單獨使用鹽酸乙醇溶液催化芝麻素，需要體積分數20%的鹽酸才能催化芝麻素異構化。而在三氯化鐵中加入鹽酸乙醇溶液后形成三氯化鐵－鹽酸復合催化劑，其異構化結果如圖2～圖6所示。

圖2 0.01%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對異構化的影響Fig.2 Isomerization effect of 0.01%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

圖3 0.05%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對異構化的影響Fig.3 Isomerization effect of 0.05%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

圖4 0.1%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對異構化的影響Fig.4 Isomerization effect of 0.1%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

圖5 0.5%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對異構化的影響Fig.5 Isomerization effect of 0.5%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

圖6 1.0%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對異構化的影響Fig.6 Isomerization effect of 1.0%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

由圖2～圖6可知，在質量分數為0.01%～0.5%的三氯化鐵濃度下，芝麻素異構化過程雖有波動，但整體上隨鹽酸含量增加異構化過程趨向加強直至平穩。但當三氯化鐵質量分數為1.0%時，水解作用占據主要作用，對芝麻素的異構化作用迅速減弱，對異構化作用不明顯。

2.4 反應時間對芝麻素異構化的影響

由圖7可知，反應10min后即達到平衡。在鹽酸－三氯化鐵共同作用下，芝麻素異構化能夠在較短的時間內完成，并達到穩定。這符合催化劑對反應的加速作用。

2.5 反應溫度對芝麻素異構化的影響

反應溫度對芝麻素異構化的影響較為特殊 （圖8）。如芝麻素的異構化過程并沒有隨溫度升高而逐漸加劇，而是在達到體系中乙醇沸點之后反應加速。催化反應過程需要一定的活化能才能進行，由此推斷催化芝麻素異構化的過程中活化能需要在乙醇沸點以上才能達到。

圖7 反應時間對芝麻素異構化的影響Fig.7 Effect of reaction time on isomerization of sesamin

圖8 反應溫度對芝麻素異構化的影響Fig.8 Effect of reaction temperature on isomerization of sesamin

2.6 反應體系對芝麻素異構化的影響

采用減壓裝置驗證芝麻素異構化的活化能是否在乙醇沸點之上才能達到。調節減壓閥，減小反應體系內壓強使反應體系中乙醇的沸點降至40℃。同時更換反應體系，使用比乙醇沸點低的甲醇作為反應體系，并設置簡單的溫度梯度。結果如圖9所示。

由圖9可知，在甲醇反應體系中甲醇的沸點為64.7℃，控制水浴溫度65℃時未檢測出細辛素，這可能是水浴達到65℃但反應體系內部并未達到甲醇沸點而導致芝麻素異構化不能順利進行。75℃之后，芝麻素成功進行了異構化過程。常壓下，乙醇反應體系在40℃并未達到沸點，芝麻素異構化尚未進行。在減壓裝置中，乙醇反應體系在40℃下達到沸騰，檢測結果表明在沸騰狀態下芝麻素進行了異構化過程。即反應體系的溫度應控制在反應體系中乙醇的沸點之上。

2.7 合成化合物結構鑒定

采用1H NMR、13C NMR和MS方法對制備的物質進行結構鑒定，測定數據如下。

圖9 不同反應體系對芝麻素異構化的影響Fig.9 Effect of different reaction systems on isomerization of sesamin

1H NMR （CDCl3，400MHz）：6.85～6.75（6H，m，Ar—H）；5.94 （2H，s，OCH2O）；5.95（2H，s，OCH2O）；4.80 （1H，d，J＝5.20Hz，2－H）；4.36 （1H，d，J＝6.85Hz，6－H）；4.11（1H，d，J＝9.28Hz，4－Hendo）；3.84～3.82（2H，m，4－Hexo，8－Hendo）；3.31～3.28 （2H，m，1－H，8－Hexo）；2.86～2.82 （1H，m，5－H）。

13C NMR （CDCl3，400MHz）：148.0，147.7，147.2， 146.6， 135.2， 132.4， 119.5， 118.7，108.3，106.5，106.4 （aromatics）；101.2，101.1（OCH2O）；87.9 （C－6）；82.2 （C－2）；71.0 （C－4）；69.7 （C－8）；54.7 （C－5）；50.2 （C－1）。

ESI－MS （正離子源），m／z：377 ［M＋Na］＋。

以上波譜數據與文獻 ［11－12］數據一致，純化后的合成物質可鑒定為細辛素。

2.8 芝麻素差向異構化機理探討

芝麻素是木脂素類天然產物，它的主要結構式由雙 四 氫 呋 喃 （2，6－二 芳 基－3，7－二 氧 雜 雙 環［3.3.0］辛烷）連接兩個亞甲基二氧基苯基環組成［13］。Morton和 Milton研究認為，芝麻素四氫呋喃結構不穩定，在酸性條件下極易進行質子化。Li等［14］研究認為，芝麻素在極性溶劑中其環狀結構容易在溶劑氫鍵的作用下打開。Aldous等［12］在合成研究中發現，芝麻素和細辛素結構上的差異在于其中一個亞甲基二氧基苯基環在四氫呋喃環上空間位置。對四氫呋喃結構中碳氧鍵斷裂與重組，可以改變亞甲基二氧基苯基環的空間位置。在基礎有機立體化學［15］中，位于芝麻素四氫呋喃結構中3位和7位的氧原子在質子作用下可以形成一種中間過渡狀態，這種中間過渡狀態不穩定，極易分解。

芝麻素異構化過程如圖10所示。芝麻素在酸性條件下經過質子化作用，四氫呋喃結構打開，形成中間過渡態，這種中間過渡態極其不穩定，很快分解并重新生成環狀結構，亞甲基二氧基苯基環的空間位置在此過程中翻轉，生成細辛素，而且這一過程是可逆的。

圖10 芝麻素異構化的可能機理Fig.10 Possible mechanism of isomerization of sesamin

芝麻素結構為雙四氫呋喃結構，擁有兩個立體源中心，立體化學認為只有其中一個立體源中心在親核取代中進行構型翻轉，所以芝麻素只有一個四氫呋喃結構斷裂重組，而不是兩個結構都斷裂重組生成細辛素。

實驗采用鹽酸－三氯化鐵作為催化劑，在發生上述作用時鐵離子也可能參與其中。其過程類似單電子自由基歷程 （SET）［16］，產生分子內的順反異構過程。芝麻素四氫呋喃結構氧原子在鐵鹽及酸單電子誘發作用下開環形成單電子自由基中間體，單電子自由基中間體與上述中間過渡態相似，都很不穩定，容易失去電子，重新形成環狀結構。亞甲基二氧基苯基環在此過程中經過立體空間結構重新選擇，生成細辛素。

采用PM3量子化學方法計算得到芝麻素和細辛素 的 生 成 熱 分 別 為 －636.10kJ· mol－1和－626.39kJ·mol－1，即芝麻素比細辛素更穩定。在體系中乙醇沸騰狀態下加入鹽酸－三氯化鐵復合催化劑，能降低反應體系的活化能，從而加快芝麻素轉變為細辛素的進程。

3 結 論

（1）在芝麻素異構化為細辛素的過程中使用鹽酸－三氯化鐵作為復合催化劑能有效減少鹽酸用量，使用質量分數0.05%～0.5%的鹽酸－三氯化鐵催化劑即可達到鹽酸體積分數20%的催化效果，同時也避免了單獨使用三氯化鐵在反應過程中發生水解的問題。

（2）鹽酸－三氯化鐵作為復合催化劑，反應溫度控制在反應體系乙醇的沸點以上反應才能進行，反應時間以10min為宜。

（3）鹽酸－三氯化鐵作為復合催化劑，芝麻素結構中只有一個四氫呋喃結構斷裂重組，鐵離子也參與其中，過程類似單電子自由基歷程，產生分子內的順反異構過程。能降低反應體系的活化能，加快芝麻素轉變為細辛素的進程。

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