亚油酸的制备

尽管人们只是从20 世纪80 年代末才认识到CLA 的生理活性,但人们对共轭酸的研究已有50多年的历史了。在油脂加工过程中可产生多种CLA 的异构体。为了提高油漆和清漆的品质,上世纪四五十年代起研究人员陆续以豆油、葵花籽油、红花油、蓖麻油等为原料进行油的改性研究,其研究的首要目标是提高油的官能度,以改善油的成膜性。后来随着CLA 生理活性的发现,获得高纯度、高活性异构体含量的共轭亚油酸成为研究的主要目标。蓖麻油脱水、亚油酸异构化和不饱和油脂的Ⅷ族金属或其化合物的催化共轭化等三种方法是研究得较早的制备共轭多烯酸的主要方法。除了上述几种典型的制备方法之外,还有以油酸为原料的衍生方法、从小分子出发的多步合成法、酶催化转化以及微生物发酵法等。为便于比较和讨论,本文按照反应机理则将这些方法分为碳负离子历程、碳正离子历程、自由基历程、加成消除历程、Ⅷ族金属或其化合物催化的共轭化以及酶催化异构化等。下面就依据上述分类,就有代表性的合成示例与制备方法进行详细的讨论和评述。1. 1 碳负离子历程碳负离子历程中最具有代表性的是碱催化共轭化反应。此外,Falkenburg 等采用蒽醌作催化剂实现豆油24 %共轭转化的报道,也属于碳负离子历程[6 ] 。这类反应的特点是催化剂(碱,蒽醌属于Lweis 碱) 夺取亚油酸或亚麻酸等具有戊碳二烯结构的烯丙位上的氢,生成碳负离子;碳负离子重排为较为稳定的共轭结构,从而实现共轭化。所以这类反应的原料或底物通常为亚油酸、亚油酸酯或富含亚油酸的油(如红花油等) 。碱催化共轭化是研究的较早,也是研究得较充分的一种技术。市场上销售的CLA 产品多数是碱催化共轭化的产品。碱催化共轭化技术经历了从低转化率到高转化率、产品从低纯度到高纯度、从混合物到纯净异构体的发展而日臻成熟。这类反应通常是在惰性气体保护下将原料与溶剂和碱共热。反应的转化率、异构体含量取决于原料、溶剂、催化剂碱性的强弱以及反应温度和反应时间等因素。升高反应温度、延长反应时间能够提高亚油酸的转化率,但也促使顺式异构体转化为反式,从而降低活性异构体的含量[7 ] 。高沸点溶剂如乙二醇、丙二醇、丙三醇等是碱催化共轭化反应通常使用的溶剂,原因是这些溶剂毒性低且亚油酸转化率高[8 ] 。催化剂碱性的强弱对反应条件的选择、转化率以及异构体的含量影响很大。KOH 和NaOH 的催化反应通常需要在较高温度下进行(60～250 ℃) ,反应主要生成9 c ,11 t218∶2 和10 t ,12 c218∶2 两种异构体(约占90 %～95 %) ,同时有约5 %～10 %的其它异构体生成。而采用超强碱BuLi/ t2BuOK在THF 中- 78 ℃反应仅得到9 c ,11 t218∶2 和10 t ,12 c218∶2 (1∶115) 两种异构体[9 ] 。Dejarlais 等采用二甲亚砜钠作催化剂在DMSO2THF 体系中实现了豆油、亚麻籽油的97 %以上的共轭化率[10 ] 。该反应不破坏酯酰键,直接得到甘三酯(以甘三酯形式存在的CLA 易被人体吸收) ,无需再用CLA 合成,但反应须在绝对无水条件下进行,成本很高,且所用有机溶剂毒性较大,难以去除。原料的纯度决定了共轭化产品中CLA 的含量。脲包法是纯化亚油酸的常用方法。该法是以富含亚油酸的红花油、葵花籽油等为原料,利用尿素在乙醇或甲醇中与不同脂肪酸形成结晶复合物的难易程度,实现亚油酸与油酸、硬脂酸等的分离。笔者以国产红花油(亚油酸含量78 %) 为原料,在乙醇中一次脲包即可获得纯度在98 %以上的亚油酸,收率在45 %以上[11 ] 。1. 2 碳正离子历程具有烯丙醇结构的油酸衍生物以及蓖麻酸、蓖麻酸衍生物的消除反应经历了碳正离子历程。具有烯丙醇结构的油酸衍生物、蓖麻酸可以在酸催化下形成脱水碳正离子,蓖麻酸衍生物则可以在酸或碱催化下形成碳正离子,进而转化成共轭亚油酸。http :PPwww. hxtb. org 化学通报 2003年第9期·593 ·© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net油酸可以在光、热引发下形成形成烯丙位的油酸过氧化物,经Na2 S 等还原可得到羟基油酸[12 ] 。这种方法得到的CLA 的转化率和收率通常很低(20 %～25 %) ,除得到CLA 异构体混合物之外,还有亚油酸等,难以分离和纯化。早在1887 年Kraft 就实现了蓖麻油的脱水,其后蓖麻油脱水的技术不断发展,硫酸、磷酸、硫酸盐以及强酸性树脂等都先后用于催化蓖麻油脱水的研究[13 ] 。但是质子酸催化蓖麻酸直接脱水的缺点是显而易见的,一是反应很难进行到底;二是生成的产物中9 c ,12 t218∶2 所占比例高达65 %～75 % ,而共轭亚油酸9 c ,11 t218∶2 的比例只占35 %～25 %。Gunestone 等在吡啶中将蓖麻酸甲磺酰化,以DBU(1 ,82二氮杂双环[51410 ]十一烷272烯) 和DBN(1 ,52二氮杂双环[41310 ]壬烷252烯) 为催化剂实现了100 %的消除,得到的消除产物中CLA 占93 %(9 c ,11 t2(72 %) 和9 c ,11 c2(21 %) ) [14 ] 。Ber2deaux 等将上述技术与脲包纯化相结合,得到了纯度为83 %的9 c ,11 t2CLA[15 ] 。1. 3 自由基历程具有戊碳双烯结构的脂肪酸如亚油酸、亚麻酸等可以在碘的催化下由光或热引发,经自由基历程实现共轭化[16 ,17 ] 。高温热引发反应容易导致聚合反应的加剧,使得生成的共轭酸难以保持;光照操作则很难实现规模化生产。此外,此类反应的最大缺点是反应转化率低(亚油酸甲酯60 %～80 % ,甘三酯25 %～35 %) ;且产品中反式异构体所占比重较大(约70 %) ;碘难以除去,产品颜色较深。油酸甲酯与等摩尔的N2溴代丁二酰亚胺(NBS) 混合,在四氯化碳中由过氧化苯甲酰引发在双键的烯丙位引入溴,加热脱去溴化氢得到共轭亚油酸甲酯,也属于此历程[18 ] 。这种方法得到的产品中共轭二烯酸含量为30 %～40 % ,且为多种位置异构和顺反异构的混合物,应用价值不大。与之类似的是,Teeter 等[19 ] 将油酸甲酯与叔丁基次氯酸反应生成烯丙基油酸甲酯,然后在AgNO3PEtOH 中消去HCl 得到共轭二烯,这种方法同样共轭化率低,产物复杂,应用价值不大。1. 4 加成、加成消除历程Von Mikusch 用过甲酸将油酸氧化成环氧油酸,进而水解成邻二醇,然后在催化剂作用下脱去两分子水形成共轭亚油酸[20 ] 。作者详细研究了脱水条件对产率和共轭酸异构体组成的影响,共轭酸的得率为25 %。该反应步骤较多,总体产率不高,操作难度大,已证实的活性成分含量不高。产自菲律宾的白檀香种子含有72 %的反2112十八烯292炔酸,Adlof 通过提取、脱溶、甲酯化以及反相制备色谱得到纯度为9719 %的白檀香酸甲酯[21 ] 。将白檀香酸甲酯溶于苯中,在Lindlar 催化剂作用下,用D2 选择性还原92位的叁键得到9 c ,11 t218∶229 ,102d2 ,收率为65 %～75 %。最后用银基色谱纯化得到纯度大于99 %的9 c ,11 t218∶229 ,102d2 ,收率为60 %～70 %。该法利用天然的原料,进行简单的化学处理得到高纯度的共轭亚油酸异构体,是一种简便易行的方法。1. 5 Ⅷ族金属或其化合物的催化共轭化的历程Ⅷ族金属或其化合物的催化多不饱和脂肪酸共轭化的历程比较复杂,这一类反应可以明显地分为均相催化和非均相催化两类。人们在研究油脂的氢化过程中,发现吸附于催化剂表面的不饱和双键首先发生位置异构化,形成共轭双键结构然后再与H2 发生1 ,42加成。人们用惰性气体代替氢气就得到了共轭多烯酸。镍、铂、铑及其化合物是常用的非均相共轭化催化剂,而铁、铬、铑等的羰基化合物(如Cr (CO) 3 、Fe (CO) 3 ) 则是常用的均相催化剂。无论是均相催化还是非均相催化,都不破坏酯酰键,可以直接得到甘三酯,这比起其它方法的先共轭化得到脂肪酸再酯化制备甘三酯,显然具有无法比拟的优越性。非均相催化的优点是催化剂可以重复使用,相对成本较低,但由于甘三酯的粘度比甲酯大,催化前者共轭化的转化率就不及后者;而且共轭化产物中全反式异构体所占比例很高。均相催化剂·594 · 化学通报 2003年第9期 http :PPwww. hxtb. org© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net难以回收,相对成本较高;但对甘三酯和甲酯的共轭转化率都很高,且产物中所希望得到的顺反异构体比例较高。令人高兴的是一些较为理想的非均相催化剂正被陆续开发出来,Dejarlais 等采用H2RhCl[ (C6 H5 ) 3 P]2 催化亚油酸甲酯实现了95 %的共轭化率,产物主要是顺反2、顺顺2两种异构体[22 ] 。如果能够降低这些催化剂的成本,非均相催化不失为一种有前途的方法。图2 ( 9 Z ,11 E)2[ 1214C]2十八碳29 ,112二烯酸的合成Fig. 2 Synthesis of ( 9 Z,11 E)2[ 1214C]2octadeca29 ,112dienoic acid1. 6 多步合成Adlof[23 ] 从52己炔212醇出发,对甲苯磺酸催化与二氢吡喃偶合, 再用氘还原叁键, 经H3 PO4 / P2O5 催化KI 还原得到5 ,5 ,6 ,62四氘碘己烷; 得到的产物在- 35 ℃,LiNH22Fe (NO3 ) 3催化下与丙炔醇偶合得到8 ,8 ,9 ,92四氘代222壬炔212醇, - 35 ℃下用Li/ NH3 还原得烯醇,烯醇在二氯甲烷中与Ph3 PBr2 反应生成8 ,8 ,9 ,92四氘代212溴2反222壬烯;所的产物与三苯基膦作用生成溴化8 ,8 ,9 ,92四氘代2反222壬烯基三苯基膦,在HMPA(六甲基磷酰胺)PTHF 仲丁基锂催化下与92氧代壬酸甲酯反应得到17 ,17 ,18 ,182四氘代29 c , 11 t2十八碳二烯酸甲酯和17 ,17 ,18 ,182四氘代29 c ,11 t2十八碳二烯酸甲酯的异构体混合物,用银基色谱可实现二者的分离,总收率分别为20 %和25 %。Loreau 等[24 ] 从72溴2庚醇出发, 制得9 c ,11 t2CLA(纯度9817 % ,总收率1416 %) ,经反相色谱纯化可是产品纯度达99 %以上(合成步骤如图2 所示) 。作者还用类似的方法合成了10 t ,12 c2CLA 和10 c ,12 c2CLA。前述两种方法能够得到非常纯净的目标产物,尽管每一步反应收率不低,但由于步骤较多,总体收率很低,成本很高,不适用于工业化生产。1. 7 酶催化及微生物发酵法乳清蛋白可以将少量的亚油酸转变为共轭亚油酸[25 ] ,据认为巯基的存在促成了这种脂肪酸的位置异构化。这种转化在室温下能够很容易的实现,但是当温度大于85 ℃,转化就停止了。异构化产物除了9 c ,11 t218∶2 和10 c ,12 t218∶2 外,还有其它异构体。这种方法仅适于小量操作。根据有关的报道,许多无害的肠道微生物,具有将亚油酸转化为共轭亚油酸的能力,但缺乏详细的分析数据。存在于瘤胃动物肠道内的溶纤维素丁酸弧菌含有亚油酸异构化酶(Δ122顺2Δ112反2异构酶) ,可以将亚油酸转化为以9 c ,11 t2CLA 异构体为主的共轭亚油酸混合物[26 ] 。但是溶纤维素丁酸弧菌的培养需要严格的厌氧条件,且生成的产物中异构体含量复杂,生成的共轭酸在并存的其它微生物作用下还可以发生氧化、还原等转化为其它脂肪酸。这些都限制了其在生产上的应用。乳酸菌微生物能够有效地将亚油酸和亚油酸甘油酯转化为共轭亚油酸[27 ] 。其中的异构酶对作用底物具有很强的专一性,只对在9 ,122位具有双键的亚油酸有作用,且其作用位点在12 位,如http :PPwww. hxtb. org 化学通报 2003年第9期·595 ·© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netLactobacillus reuteri PYR8 (ATCC55739) 是一支有效的菌种。37 ℃培养36h 得到的细胞用于亚油酸培养可以达到很高的转化率(90 %以上) 。亚油酸异构酶是一种膜结合蛋白酶,反应可以以细胞形式也可以以分离膜的形式进行。反应的适宜条件为4～12 ℃,pH810～818 ,培养3h 每克细胞可以实现718g 亚油酸的转化,9 c ,11 t218∶2 占全部CLA 异构体的98 %左右,随着时间的延长,反式异构体增加,但也仅仅是9 t ,11 t2CLA 的含量发生变化,没有发现有10 c ,12 t2和10 t ,12 t2CLA 的生成。已经有多支菌种被成功地筛选出来,Kishino 等[28 ] 筛选出Lactobacillus plantarum AKU 1009a 在最佳反应条件下,以游离的亚油酸为底物,109h 内每毫升洗细胞混合物产生40mg CLA(12 (wtPvol) %的底物) ,摩尔转化率38 %。得到的共轭亚油酸是两种异构体的混合物,其中9 c ,11 t2CLA 占38 % ,9 t ,11 t2CLA 占62 %。用216 %的底物培养96h 可以实现80 %的转化率,每毫升混合物产CLA 20mg。