基于十二碳烯醛的番茄紅素全合成

陳 果 晏日安 黎海梅 周 華 李存芝

(暨南大學食品科學與工程系，廣東 廣州 510632)

番茄紅素(lycopene)是一種具有營養與著色雙重功能的食品添加劑，屬于類胡蘿卜素的一種[1]。番茄紅素含有11個共軛雙鍵和兩個非共軛雙鍵，這種結構所帶來的較好抗氧化能力使其在預防骨質疏松、心血管等疾病、抗炎、降血脂及增強免疫力等方面具有重要的生物學功能[2-4]；番茄紅素還可以降低患前列腺癌、消化道癌、乳腺癌等疾病的概率，在防治神經退行性疾病方面有積極作用[5-7]。番茄紅素的分子結構如圖1所示。

目前，科研工作者主要采用天然提取法[8]和微生物發酵法[9]來生產番茄紅素，化學合成法因具有產率高、成本低的特點[10]，也在積極的探索中。當前最常用的方法按照關鍵反應可分為5種：Wittig反應法[11-13]、Wittig-Horner反應法[14-15]、醛—砜法[16]、Heck烯化反應法[17]和Ramberg-B?cklund成烯法[18]。目前只有Roche和BASE公司采用Wittig反應法進行工業化生產，該法反應速率快、產率高，但成本較高且使用的三苯膦試劑有毒，還會產生副產物三苯膦氧化物，后處理困難[19]。為解決上述問題，Babler等[15,20-23]采用Wittig-Horner反應法，以2,7-二甲基-2,4,6-辛三烯-1,8-二醛(十碳烯醛)為關鍵中間體與多步反應合成的3,7,11-三甲基-1,4,6,10-四烯十二烷基膦酸二乙酯(C15膦酸酯)以及其雙鍵異構體經Wittig-Horner反應制備番茄紅素，該方法副反應少，并且產生的副產物膦酸離子溶于水，易于分離[19]。番茄紅素合成子切斷方式如圖2(I)所示。但該方法C15磷酸酯的合成步驟較多[20-23]，中間產物2,7-二甲基-2,4,6-辛三烯-1,8-二醛制備步驟較長，操作不易[24-25]。

十碳烯醛的合成子切斷方法如圖3所示。Arjan等[24]以富馬酸二乙酯為原料，所得十碳烯醛產率為40.5%，但反應條件苛刻。楊澤慧等[25]以五碳醛為原料，所得十碳烯醛產率為48%，但反應原料不易獲得。孫培東等[26]以1,4-二溴-2-丁烯和丙酮醛縮二甲醇為原料，所得十碳烯醛產率為58.7%。試驗擬設計一種新的十二碳烯醛(5)全合成番茄紅素的策略，優化番茄紅素合成路線，其合成子切斷方略如圖2(II)所示。

圖1 番茄紅素的全反式分子結構Figure 1 The all-trans molecular structure of lycopene

圖2 番茄紅素的合成子切斷方略Figure 2 Lycopene synthesis sub-cutting strategy

圖3 十碳烯醛的合成子切斷方略Figure 3 C10-dialdehyde synthesis sub-cutting strategy

依據合成策略，試驗擬使用2,6,10-三甲基-1,3,5,9-四烯十一烷基膦酸二乙酯(9)與3,8-二甲基-3,5,7-辛三烯-1,10-二醛(十二碳烯醛)(5)進行Wittig-Horner反應得到番茄紅素順反異構體混合物，再通過轉位異構得到全反式番茄紅素。中間體C14膦酸酯(9)可以通過假性紫羅蘭酮(8)與四乙基亞甲基二磷酸酯(9)進行Wittig-Horner反應生成，克服合成C15磷酸酯步驟多的缺點；中間體十二碳烯醛(5)由2-丁烯-1,4-二磷酸四乙酯(2)與4,4-二甲氧基-2-丁酮(3)通過Wittig-Horner反應及水解反應“一鍋法”生成，替代原中間體十碳烯醛，以此來優化反應步驟，并考察原料摩爾比、堿用量和水解酸化時間對合成產物(5)反應過程的影響，以期為更有效合成番茄紅素提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

氫化鈉：質量分數為60%，薩恩化學技術(上海)有限公司；

叔丁醇鉀：99.8%，薩恩化學技術(上海)有限公司；

1,4-二溴丁烯：99%，上海麥克林生化科技有限公司；

亞磷酸三乙酯：98%，薩恩化學技術(上海)有限公司；

四乙基亞甲基二磷酸酯：98%，薩恩化學技術(上海)有限公司；

無水二甲基亞砜：99.8%，薩恩化學技術(上海)有限公司；

乙醚：分析純，廣州市梓興化玻儀器有限公司；

乙酸：99.5%，薩恩化學技術(上海)有限公司；

無水四氫呋喃：99.8%，薩恩化學技術(上海)有限公司；

4,4-二甲氧基-2-丁酮：90.0%，北京百靈威科技有限公司；

假性紫羅蘭酮：90.0%，薩恩化學技術(上海)有限公司；

氘代氯仿：安諾論生物科技有限公司；

硅膠：200～300目，青島海洋化工有限公司；

二氯甲烷、正己烷、乙酸乙酯、氯化鈉、無水硫酸鈉、氯化銨：分析純，上海麥克林生化科技有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

紅外光譜儀：EQUI-NO×55型，布魯克光譜儀器有限公司；

核磁共振波儀：AVANCEⅢ型，瑞士布魯克公司；

旋轉蒸發儀：N-1300型，東京理化器械株式會社；

磁力攪拌器：MS-H-Pro型，美國賽洛捷克公司；

電子轟擊電離質譜儀：QTRAP4500型，美國Thermo公司；

低溫反應儀：PSL-1820型，東京理化器械株式會社；

電子天平：AL204型，瑞士梅特勒—托利多公司；

氣相色譜—質譜聯用儀：7890A-5975C型，安捷倫科技有限公司；

高效液相色譜儀：LC-20AT型，島津企業管理有限公司；

高分辨質譜：X500R QTOF型，上海愛博才思分析儀器貿易有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 合成路線 番茄紅素合成路線見圖4。

1.2.2 合成方法

(1) 2-丁烯-1,4-二磷酸四乙酯(2)的合成：將1,4-二溴丁烯(4.00 g，18.7 mmol)溶于亞磷酸三乙酯(18.50 g，111.4 mmol)中，160 ℃下磁力攪拌48 h并冷凝回流，采用薄層層析監測(TLC)。待反應結束并冷卻至室溫，柱層析純化(V二氯甲烷∶V甲醇=60∶1)，旋蒸洗脫液并真空干燥得到淺黃色液體2-丁烯-1,4-二磷酸四乙酯(2)(6.02 g,18.363 4 mmol)，產率為98.21%。

(2) 3,8-二甲基-3,5,7-三烯二醛(5)的合成：氮氣保護下，200 mL圓底燒瓶中加入氫氧化鈉(2.40 g，60 mmol)和甲苯與環己烷(V甲苯∶V環己烷=1∶1)混合溶液15 mL。反應瓶于0 ℃下攪拌，將2-丁烯-1,4-二磷酸四乙酯(1.97 g，6 mmol)溶于20 mL甲苯與環己烷(V甲苯∶V環己烷=1∶1)混合溶液中，并滴加至反應瓶后，繼續攪拌30 min。將4,4-二甲氧基-2-丁酮(3.17 g，24 mmol)溶于20 mL甲苯與環己烷(V甲苯∶V環己烷=1∶1)混合溶液中，并滴加至反應瓶后，繼續攪拌20 min。反應液于室溫反應4 h。待反應結束，向反應液中滴加40 mL 質量分數為10%的氯化鈉溶液以淬滅反應，用20 mL 無水乙醚萃取3次，用飽和氯化鈉洗滌有機層，減壓除去溶劑，得到含化合物4的混合物。

將得到的混合物4置于50 mL圓底燒瓶中，加入4 mL 冰乙酸，2 mL四氫呋喃，1 mL水，45 ℃下攪拌反應6 h后冷卻至室溫，常溫下向反應體系中滴加10 mL質量分數為10%的氯化鈉溶液以稀釋反應液，用乙醚與二氯甲烷(V乙醚∶V二氯甲烷=4∶1)混合溶液萃取3次，用質量分數為10%的氯化鈉洗滌有機層至中性，無水硫酸鈉干燥，除去溶劑，柱層析純化(V正己烷∶V乙酸乙酯=4∶1)，旋蒸洗脫液并真空干燥得到淡黃色固體3,8-二甲基-3,5,7-三烯二醛(5)(0.25 g，1.28 mmol)，產率為21.4%。

(3) 2,6,10-三甲基-1,3,5,9-四烯十一烷基膦酸二乙酯(9)的合成：氮氣保護下，0 ℃下，取氫化鈉(0.40 g,10 mmol)和15 mL甲苯于200 mL圓底燒瓶中攪拌，將溶于15 mL甲苯中的亞甲基二磷酸四乙酯(2.22 g,7.7 mmol)滴加至反應瓶，繼續攪拌0.5 h。將溶于20 mL甲苯中的6,10-二甲基-十一烷三烯-2-酮(1.48 g,7.7 mmol)滴加至反應瓶，繼續攪拌反應0.5 h，室溫反應4 h。薄層層析監測(TLC)，待反應結束，向反應液中滴加30 mL飽和氯化銨溶液以淬滅反應，用20 mL無水乙醚萃取3次，用飽和氯化鈉洗滌有機層，減壓除去溶劑，柱層析純化(V正己烷∶V乙酸乙酯=5∶1)，旋蒸洗脫液并真空干燥得到淡黃色液體2,6,10-三甲基-1,3,5,9-四烯十一烷基膦酸二乙酯(9)(1.97 g,6.04 mmol)，產率為78.4%。

圖4 番茄紅素合成路線Figure 4 Synthetic route of lycopene

(4) 番茄紅素(10)的合成：氮氣保護下，向50 mL圓底燒瓶中加入叔丁醇鉀(2.53 mL,2.52 mmol)和5 mL四氫呋喃與二甲基亞砜(V四氫呋喃∶V二甲基亞砜=8∶1)混合溶液。反應瓶于-30 ℃下攪拌，將溶于5 mL四氫呋喃與二甲基亞砜(V四氫呋喃∶V二甲基亞砜=8∶1)混合溶液的2,6,10-三甲基-1,3,5,9-四烯十一烷基膦酸二乙酯(0.73 g,2.26 mmol)滴至反應瓶，攪拌反應1 h。將溶于5 mL四氫呋喃與二甲基亞砜(V四氫呋喃∶V二甲基亞砜=8∶1)混合溶液的3,8-二甲基-3,5,7-三烯二醛(0.205 g,1.07 mmol)滴至反應瓶中，攪拌反應0.5 h，室溫反應4 h。用10 mL氯仿萃取反應液3次，飽和氯化鈉溶液洗滌有機層后用無水硫酸鈉干燥。用二氯甲烷將得到的粗品進行重結晶。75～80 ℃下，將重結晶得到的產品溶于無水乙醇中攪拌并冷凝回流1 h。除去溶劑，得到全反式番茄紅素(10)(0.36 g,0.68 mmol)，產率為63.8%。

2 結果與討論

2.1 產物結構與表征

2.1.1 2-丁烯-1,4-二磷酸四乙酯(2)結構的鑒定

(1)1H NMR (600 MHz,Chloroform-d)δ5.67～5.38 (m,2H),4.03 (dqt,J=14.1,7.0,3.0 Hz,8H),2.66～2.30 (m,4H),1.24 (t,J=7.1 Hz,12H)。

(2)13C NMR (151 MHz,Chloroform-d)δ123.32,30.02,29.11,15.44。

(3) HRMS(ESI+)m/z：329.127 7。

2.1.2 3,8-二甲基-3,5,7-三烯二醛(5)結構的鑒定

(1)1H NMR (600 MHz,Chloroform-d)δ10.10 (dd,J=49.9,7.8 Hz,2H),6.60 (d,J=15.8 Hz,1H),6.21～6.08 (m,1H),6.05～5.90 (m,2H),3.55～3.34 (m,4H),2.39～2.18 (m,3H),2.17～1.97 (m,3H)。

(2)13C NMR (151 MHz,Chloroform-d)δ190.19,189.05,154.53,150.79,136.66,131.56,129.68,126.35,61.42,57.88,11.95,11.65。

(3) GC-MS(m/z):192,163,148,119,105,91,77,69,51。

2.1.3 2,6,10-三甲基-1,3,5,9-四烯十一烷基膦酸二乙酯(9)結構的鑒定

(1)1H NMR (500 MHz,Chloroform-d)，δ6.75 (dd,J=15.2,11.0 Hz,2H，=CH,=CH),6.16 (d,J=15.1 Hz,1H，=CH),5.93～5.46 (d,J=11.0 Hz，17.3 Hz,1H，=CH),5.14～5.00 (m,1H，=CH),4.06 (p,J=7.2 Hz,4H，2×OCH2),2.23 (d,J=2.7 Hz,3H,CH3),2.12 (d,J=3.3 Hz,4H,2×CH2),1.83 (s,3H,CH3),1.68 (s,3H,CH3),1.60 (s,3H,CH3),1.32～1.26 (d,t,J=7.1 Hz,14.9 Hz,6H,2×CH3)。

(2)13C NMR (126 MHz,Chloroform-d)δ155.57,144.07,133.30,132.00,130.37,124.57,123.60,114.86,61.35,40.23,31.51,29.70,26.50,25.69,17.71,17.13,16.35,15.64。

(3) GC-MS(m/z):326,311,257,229,201,145,119(100%),105,91,69。

2.1.4 番茄紅素(10)結構的鑒定

(1)1H NMR (500 MHz,Chloroform-d)δ6.67～6.59 (m,4H),6.49 (dd,J=15.1,11.0 Hz,2H),6.35 (d,J=14.9 Hz,2H),6.29～6.22 (m,4H),6.18 (d,J=11.5 Hz,2H),5.95 (d,J=10.9 Hz,2H),5.11 (ddq,J=7.1,5.6,1.6 Hz,2H),2.12 (d,J=5.3 Hz,8H),1.97 (s,12H),1.82 (d,J=1.2 Hz,6H),1.69 (s,6H),1.61 (d,J=1.3 Hz,6H)。

(2)13C NMR (126 MHz,Chloroform-d)δ139.50,137.35,136.55,136.17,135.40,132.64,131.75,131.55,130.08,125.72,125.15,124.80,123.95,40.24,26.70,25.71,17.71,16.97,12.91,12.81。

(3) HRMS(ESI+)m/zC40H56：536.436 2。

(4) IR(KBr),vmax：3 433,2 964,2 927,1 720,1 675,1 379,1 095,802 cm-1。

2.2 3,8-二甲基-3,5,7-三烯二醛(5)合成條件的優化

2.2.1 堿用量對化合物5產率的影響 制備含化合物4的混合物的反應溶劑為甲苯—環己烷(V甲苯∶V環己烷=1∶1)，化合物4制備化合物5的溶劑為4 mL冰乙酸、2 mL 四氫呋喃、1 mL水，n化合物3∶n化合物2為4∶1，水解酸化時間6 h，分別測定氫氧化鈉加入量1.4，1.9，2.4，2.9，3.4 g時化合物5的產率，結果如表1所示。

Wittig-Horner反應中若堿加入量少，則不能良好地將膦酸酯的α-碳進行去質子化從而生成碳負離子，降低反應效率；若堿加入量過多，堿性太強，易產生大量縮醛類化合物[27]，副產物增多，產率下降。由表1可知，當氫氧化鈉加入量為2.4 g時，產物5的產率最高，為21.4%。

表1 堿用量對化合物5產率的影響

當氫氧化鈉加入量從1.4 g逐漸增加到2.4 g時，膦酸酯的α-碳去質子化越來越充分，產率逐漸增加，當氫氧化鈉為2.4 g時產率最高，之后隨著氫氧化鈉加入量的增加，加劇了4,4-二甲氧基-2-丁酮與堿的親核反應，副產物增多，產率略有下降。因此，最佳氫氧化鈉加入量為2.4 g。

2.2.2 原料摩爾比對化合物5產率的影響 制備含化合物4的混合物的反應溶劑為甲苯—環己烷(V甲苯∶V環己烷=1∶1)，氫氧化鈉2.4 g，反應時間5 h，由化合物4的混合物制備化合物5的溶劑為4 mL冰乙酸、2 mL四氫呋喃和1 mL 水，水解酸化時間6 h，分別測定n化合物3∶n化合物2為2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，6∶1時化合物5的產率，結果如表2所示。

由表2可知，當n化合物3∶n化合物2由2∶1升至4∶1時，化合物5的產率由13.2%上升至21.4%。理論上，化合物3與化合物2經Wittig-Horner反應的n化合物3∶n化合物2為2∶1，但化合物3增加，會促進化學反應的正向進行，因此化合物5的產率增加。隨著n化合物3∶n化合物2持續增加，產率趨于穩定，這是因為整個反應完全，反應達到平衡，所以將n化合物3∶n化合物2控制在4∶1為宜。

2.2.3 水解酸化時間對化合物5產率的影響 制備含化合物4的混合物的反應溶劑為甲苯—環己烷(V甲苯∶V環己烷=1∶1)，氫氧化鈉2.4 g，反應時間5 h，化合物4制備化合物5的溶劑為4 mL冰乙酸、2 mL四氫呋喃、1 mL水和2.4 g氫氧化鈉，n化合物3∶n化合物2為4∶1，測定酸化時間分別為2，4，6，8，10 h時化合物5的產率，結果如表3所示。

表2 原料摩爾比對化合物5產率的影響

表3 水解酸化時間對化合物5產率的影響

由表3可知，隨著反應時間從2 h延長至6 h，化合物5 的產率增加，水解酸化6，8，10 h時化合物5的產率趨于穩定，說明反應時間為6 h時反應已進行完全，考慮時間成本，水解酸化的最優時間為6 h。

探討以鹽酸替代冰醋酸進行酸化，但得到的產物產率較少，顏色較深，顯橙黃色；這可能是由于冰醋酸是中等強度的酸，而鹽酸是強酸，加入量過多易導致反應物炭化，產率降低。

3 結論

以假性紫羅蘭酮經Wittig-Horner反應獲得C14膦酸酯(9)，以E-2-丁烯-1,4-二膦酸二乙酯與4,4-二甲氧基-2-丁酮通過Wittig-Horner反應和水解反應合成十二碳烯醛(5)，兩化合物通過Wittig-Horner反應、異構化反應制備全反式番茄紅素。結果表明，試驗設計的以十二碳烯醛(5)為核心的合成路線是可行的。與現有的工藝相比，基于十二碳烯醛的制備為特征的合成路線；有效地將工業中產率低且昂貴的十碳烯醛替換成原料廉價易得，“一鍋法”合成的十二碳烯醛(5)。番茄紅素總體合成步驟短，反應產率為16.7%，有潛在的開發前景。