維生素E合成路線研究進展

王子強, 鄧家誠, 尹 實

(杭州下沙生物科技有限公司,浙江 杭州 310000)

維生素E是一類脂溶性化合物,因其與生育有關,故又名生育酚,在自然界中以8種結構的形式存在。根據其化學結構分為生育酚和生育三烯酚(圖1)[1],根據來源不同分為天然維生素E和合成維生素E。

圖1 維生素E的結構Figure 1 Structure of Vitamin E

自從二十世紀20年代從植物油中分離出維生素E后,人們對其藥理性質以及合成方法進行了深入研究。1936年,化學家EVANS[2]成功分離出了維生素E結晶,并鑒定出其結構;1938年,KARRER等[3]首次化學合成維生素E,從此合成維生素E進入了大眾的視野。天然的維生素E主要是從各種植物油、豆谷類和帶葉蔬菜類提取,占市場比重的15%。維生素E的提取方法可以歸結為4類:溶劑萃取、超臨界流體萃取、分子蒸餾和離子吸附交換[4];工業合成上主要是合成α-維生素E,合成方法大同小異,均以側鏈(異植物醇)和主環(三甲基氫醌)一步法合成(圖2),側鏈和主環的制備方法是得到高收率和高純度維生素E的關鍵。

圖2 維生素E的合成路線1Figure 2 Synthesis route 1 of Vitamin E

1 側鏈合成

側鏈異植物醇是一種烯醇類化合物,具有20個碳的長直鏈結構。純的異植物醇是無色油狀液體,有花草香味,不溶于水,是一種脂溶性溶劑,它是合成維生素E的必要途徑之一。

1.1 假紫羅蘭酮工藝

假紫羅蘭酮是通過檸檬醛和丙酮在堿性條件下偶聯合成的一種脂溶性化合物[5],再和乙炔發生2次炔基化,之后進行3次加氫還原反應,最后經2次縮合反應得到異植物醇(1a),如圖3所示。該反應是一個堿催化的有機合成反應,其中一種合成方法是用鎂鋁水滑石催化,通過水化方法提高其活性[6],可使反應收率增加。該路線優點是所使用的原料比較低廉,反應路線常規,適合大規?；a。不足之處在于反應所需要的設備要求較高,一些試劑如丙酮、乙炔和氫氣的儲存條件要求相對苛刻。

圖3 異植物醇(1a)的合成路線1Figure 3 Synthesis route 1 of isophytol(1a)

原料天然檸檬醛一般是從山蒼子鮮果內的山蒼籽油中通過蒸餾方法提取,總體收率偏低。以異植物醇產量計算,總收率只有20%。并且天然提取的檸檬醛總量小,對于全球維生素E的需求量,其遠遠不能滿足市場需求。因此,探究開發檸檬醛的合成路線十分必要。目前該化合物的合成路線大致分為異丁烯合成法[7](圖4)和脫氫芳樟醇法[8](圖5)。異丁烯法以異丁烯和甲醛加成形成烯醇,再通過異構化和氧化分別得到相應的目標化合物,隨后二者經過縮合重排得到檸檬醛(2a)。脫氫芳樟醇法是利用丙酮和乙炔經過多步反應得到脫氫芳樟醇,之后經過重排得到檸檬醛。兩種合成方法各有優缺點,優點在于二者所用到的原料都是常見試劑,并且成本低廉,原料來源不受限;缺點在于異丁烯合成法需要用到甲醛,該物質是一系列疾病的誘因,不利于人體健康;而脫氫芳樟醇法所用原料-丙酮的用量往往是上百倍,回收所需能耗大,成本相對較高。

圖4 異丁烯法合成檸檬醛(2a)Figure 4 Synthesis of citral(2a) by isobutylene method

圖5 脫氫芳樟醇法合成檸檬醛(2a)Figure 5 Synthesis of citral(2a) by dehydrolinalool method

1.2 芳樟醇工藝

芳樟醇分子式為C10H18O,是一種無色液體,具有鈴蘭花香氣,是最常用的也是用量最大的香料,常年在香精香料消耗量中排首位。工業上合成芳樟醇基本可以分為:羅氏法(Roche)、巴斯夫法(BASF)、異戊二烯法和異戊醛法。前3種合成方法均是經甲基庚烯酮合成芳樟醇,在經過加碳、還原得到異植物醇[5,7,9-10];第4種方法是由中國北沙制藥優化后首次實現工業化,以異戊醛為原料和乙炔反應合成甲基庚酮,在經過中間體二氫芳樟醇、二氫香葉基丙酮和二氫法尼基丙酮等各個中間體后,最終得到異植物醇[11](圖6)。

圖6 異植物醇(1a)的合成路線2Figure 6 Synthesis route 2 of Isophytol(1a)

以上4種合成異植物醇的反應各自均有相應的缺點。異戊醛法在制備過程中所用乙炔易燃,易爆,危險系數大。其它3種路線采用了丙酮為起始原料,由于丙酮的沸點低,會導致丙酮的回收難度大,能耗高,并且反應過程中所用到的設備要求高,目前只有少數幾家化工企業可以生產。

1.3 法尼烯工藝

法尼烯是一種微生物發酵物,通過改良的酵母將植物來源的糖分轉變為各種烴分子,該方法是Amyris公司獨有(獨家專利),而RENNIGER等[12-14]在此基礎上以法尼烯為原料,經過5步反應,加長碳鏈成異植物醇(圖7)。通過選擇合適的菌種[15-16],提取出菌種發酵液,再純化分離得到目標產物法尼烯,該化合物再通過氫化,羥基化的方法得到異植物醇。

圖7 異植物醇(1a)的合成路線3Figure 7 Synthesis route 3 of Isophytol(1a)

該路線綠色環保,成本低,對原有的假紫羅蘭酮工藝和芳樟醇工藝造成很大的沖擊,使整個維生素E行業進入了快速發展階段,能特科技依靠此路線,短短3年躋身全球維生素前列,生產的維生素E市場占有率高達25%[17]。該路線的缺點在于篩選酵母菌種以及菌種改造提高轉化率的技術壁壘高。法尼烯生成異植物醇的反應過程中所選用的試劑要定制合成。此外,生物法合成異植物醇所產生的廢水量大,三廢處理成本高。

1.4 偶聯法

1979年,HANS等[18]通過發酵的方法得到甲基-γ-丁內酯,該化合物就被應用在合成維生素E側鏈的研究上。先開環溴代,然后再經過格氏試劑偶聯[19]得到維生素E側鏈3a(圖8),或者通過Wittig反應[20]得到側鏈,再與母環反應制備維生素E(圖9)。 2006年,黃賢貴等[21]通過以皂苷元的降解廢棄物為原料,經過開環,歷經2次碳碳偶聯,最終合成維生素E側鏈4a(圖10)。

圖8 化合物3a的合成路線Figure 8 Synthesis route of compound 3a

圖9 維生素E的合成路線2Figure 9 Synthesis route 2 of Vitamin E

圖10 化合物4a的合成路線Figure 10 Synthesis route of compound 4a

該方法合成路線短,收率高,操作過程簡單,反應條件較為溫和;反應路線的不足之處在于反應原料不易得,反應過程中需要用到格氏試劑,且制備過程中對溶劑的水含量和反應環境中的氧氣含量要求高。此外還有著不引發或者積累引發的情況,會有沖料的風險。該路線和上述路線選用的原料相同,反應條件溫和,路線較短,但是該路線在反應過程中不易控制,例如會過度還原。反應后產生的三苯基氧磷會引起水源的富營養化,后處理比較繁瑣。該路線所用的原料來源于降解物,物料的價格便宜,但是其總量太少,不適用于大規模生產。保護羥基所需要的MOM總量大,是原料當量的5倍以上。

1.5 生物法

TAKABE等[22]用Porcine pancreatic lipase(PPL)選擇性催化水解雙酯化合物,從而得到側鏈前體,經過還原,消除得到維生素E側鏈;另一種方法是通過乙?；窵ipase PS轉化二醇變為單醇,再和格氏試劑偶聯[22]增加碳鏈,再經還原合成維生素E側鏈(圖11)。兩條路線,操作簡單,所選用的試劑,大部分為常用試劑,但是在化合物4a合成過程中用到的MsCl是管制品,劇毒;化合物5a合成的過程中所用到的格氏試劑制備較為繁瑣。此外,兩條合成路線都要選擇酶去催化水解反應原料,酶的培養耗費時間較長。

圖11 化合物4a和5a的合成路線Figure 11 Synthesis routes of compound 4a and 5a

2 主環合成

三甲基氫醌是一種白色針狀結晶,易溶于醇酮有機溶劑,屬于苯類化合物。其工業合成路線大致可分為:對二甲苯法、巴豆醛法、對叔丁基苯酚法、間甲苯酚法和異佛爾酮法。

2.1 對二甲苯法

喬建成等[24]以對二甲苯為原料,經過濃硫酸磺化、氫氧化鈉中和、二氧化硫酸化得2,5-二甲基苯酚,然后在鄰位定位甲基化得到產品三甲基苯酚,最終經過反應得到三甲基氫醌(6a)(圖12)。該反應原料易得,反應原理簡單,但是用到的強酸性溶劑對設備腐蝕性大?；腔磻獙儆?8類危險工藝,對操作人員專業要求高,并且選擇性甲基化對反應條件的要求嚴格,大工業生產壁壘高。

圖12 化合物6a的合成路線1Figure 12 Synthesis route 1 of compound 6a

2.2 巴豆醛法

巴豆醛法是巴斯夫首先采用,并進行工業化生產,故又稱為BASF法[22-24]。它以巴豆醛和戊酮為原料縮合生成三甲基環己烯酮,經過脫氫消除反應得到三甲基苯酚,之后氧化得到三甲基苯醌,最后經過還原反應得到三甲基氫醌(圖13)。該合成路線原料用量大,合成收率低且耗能較多,目前大規模生產只有巴斯夫在使用。

圖13 化合物6a的合成路線2Figure 13 Synthesis route 2 of compound 6a

2.3 對叔丁基苯酚法

2012年,喬建成等[24-25]開發新工藝路線,該路線以對叔丁基苯酚為原料,經過與甲醇偶聯合成三甲基叔丁基苯酚,然后經質量分數為1%的濃硫酸消除脫掉叔丁基得到三甲基苯酚,之后經過空氣氧化得到三甲基苯醌,最后與H2加成還原得到三甲基氫醌[25-26](圖14)。該路線反應過程簡單,易操作,所需原料易得,但過程中有一步氧化溫度較高(170～220 ℃),屬于18類危險工藝之一,并且還原過程用到了H2,屬于易燃易爆氣體,對操作過程的把控要求高。

圖14 化合物6a的合成路線3Figure 14 Synthesis route 3 of compound 6a

2.4 間甲苯酚法

路線4是最早合成維生素E母環的路線。首先是通過間甲基苯酚和甲醇偶聯反應合成三甲基苯酚,再經過空氣氧化得到三甲基苯醌,之后經過H2還原得到三甲基氫醌(圖15)。該條路線工藝流程短,產品收率高,成本低[27],但原料大部分依賴于進口,國內生產能力不足。此外在還原過程中用到了氫氣,該物質易燃易爆,對儲存位置和設備要求高。

圖15 化合物6a的合成路線4Figure 15 Synthesis route 4 of compound 6a

2.5 異佛爾酮法

異佛爾酮是一種廣泛使用的化工品,通常用在油脂、聚乙烯樹脂中,同時也可以作為三甲基氫醌的原料。21世紀初,新和成(NHU)為滿足維生素E產能擴大的需要,并形成自己的維生素E產業鏈。通過與曾慶宇等[28]合作,開發出以丙酮為原料制備α-異佛爾酮的工藝,路線選擇率高達93%。該工藝采用重金屬催化方式使α-異佛爾酮重排為β-異佛爾酮,隨后氧化得到茶香酮,最后經過重排?；玫饺谆鶜漉?圖16)。

圖16 化合物6a的合成路線5Figure 16 Synthesis route 5 of compound 6a

該路線的關鍵點是α-異佛爾酮重排為β-異佛爾酮需要加催化劑以及特定的助活劑[29-30],因為反應條件的不同,轉化率以及產品的純度有著很大的不同;另一個關鍵點是茶香酮轉變為三甲基氫醌,需要用某些特定的酸,酸腐蝕性較強,會影響設備的使用壽命,故研發新型的催化劑是該路線未來探究的方向之一。此外,該路線所用的原料便宜、綠色且環保。

2.6 苯酚法

喬建成等[25]開發苯酚制備三甲基氫醌,首先是以苯酚為原料,再經過甲基化得到三甲基苯酚,最后經氧化、還原2步反應得到三甲基氫醌(圖17)。該路線步驟短,收率高,所用到的試劑是常見試劑,且價格相對便宜。不足之處在于所需要的原料苯酚來源受限,基本依靠進口。此外,在重排反應階段,所需要的操作條件相對嚴格,需要專業的技術人員操作。

圖17 化合物6a的合成路線6Figure 17 Synthesis route 6 of compound 6a

2.7 偏三甲苯法

以偏三甲苯為原料,經過濃硫酸磺化,濃硝酸硝化,H2還原、水解、還原得到三甲基苯酚。再經過氧化、還原得到三甲基氫醌(圖18)。該路線雖然有著物料來源易得,成本較低等優點,但是合成步驟繁瑣,收率低,對設備要求高,存在環境污染嚴重等因素,目前工業生產上基本淘汰[31]。

圖18 化合物6a的合成路線7Figure 18 Synthesis route 7 of compound 6a

2.8 5-異丙基偏三甲苯法

以5-異丙基偏三甲苯為原料,經過磺化、堿溶、消除異丙基得到三甲基苯酚,再經過氧化、還原得到三甲基氫醌(圖19)。該反應路線短,所選用的試劑成本低廉,但是物料純度低,原料中含有6-異丙基偏三甲苯,反應收率低,反應過程中會有大量副產物生成,現在基本不能用于工業生產中。

圖19 化合物6a的合成路線8Figure 19 Synthesis route 8 of compound 6a

2.9 拆分法

1981年,COHEN等[32]報道了用S-α-甲基芐胺拆分某一化合物,再將拆分出來的S構型歷經酯化、開環、磺化、還原和成環等反應過程,合成相應的R構型甲酯類化合物。2000年,ODINOKOV[33]也報道了類似的合成路線(圖20)。此外,外消旋體還可以通過相應的酶催化法進行拆分,1993年,MIZUGUCHI等[34]通過酶催化酚羥基化合物進行選擇性乙酰酯化,拆分得到R構型和S構型維生素E母環(圖21)。 2000年,AKTIA等[35]報道了用酶拆分維生素E的母體骨架(圖22)。

圖20 化合物7a的拆分Figure 20 Split of compound 7a

圖21 化合物9a的拆分Figure 21 Split of compound 9a

圖22 化合物8a的拆分Figure 22 Split of compound 8a

上述3條路線拆分出來R構型的維生素E母環,而S構型的維生素E是廢棄物。這2種拆分得到的產物收率最多為50%,原子利用率低。S構型的廢棄物沒有通過其它的方法轉變為R構型目標物。此外,原料價格昂貴。這3種拆分的方法不適用于大規?；a。

2.10 不對稱合成

由于20世紀80年代不對稱合成蓬勃發展,維生素E母核的合成也有了其它的方法,例如Shapless雙羥化法、Shapless環氧化和不對稱烷基化等。

SAKITO等[36]以季碳醛為原料,經過硼氫化鈉還原、羥基保護等一系列反應合成維生素E母環;TAKANO等[37]等從植物醇出發,通過雙鍵環氧化、開環、端基炔氫化、與苯環偶聯、環合等過程最終得到維生素E(圖23)。這兩條路線較為簡單,所使用的輔料常見,反應條件溫和,但是最后合成化合物10a的成環反應中需要選用特定的催化劑,反應收率只有40%。此外反應原料價格較為昂貴,規?；a困難。

圖23 化合物10a和11a的合成路線Figure 23 Synthesis route of compounds 10a and 11a

SHAPLESS等[38]通過以季碳酮為原料,經過HWE反應,雙鍵環氧化、保護、Shapless環氧化、開環、脫保護成環得到維生素E母環(圖24)。該路線為典型反應,但是反應條件相對較高。例如乙?；Ｗo轉變為MOM保護,該步驟不僅要一步法轉變保護基,還要保證伯碳的羥基不變,反應條件要求嚴格,并且由于合成路線長,最終收率低于其它合成方法。

圖24 化合物10a的合成路線1Figure 24 Synthesis route 1 of compound 10a

TIETZE等[39]通過Shapless雙羥化的方法得到了產品,首先以對苯甲醚類似物為原料,經過碘代、偶聯、脫水、雙羥化、還原和環合等步驟,合成維生素E母環(圖25)。該路線步驟長,操作繁瑣,構建羥基手性中間體的反應收率低,且原料昂貴。

圖25 化合物10a的合成路線2Figure 25 Synthesis route 2 of compound 10a

TIETZE等[40]還通過改造炔烴不對稱烷基化,進而與苯醚類化合物反應構建維生素E母環(圖26)。該路線反應路線長,收率較低,不符合綠色化學的觀念。此外,反應過程中用到的試劑總體價格較高,并且構建手性中間體的過程中,容易產生消旋體,導致后續分離難度加大。

圖26 化合物10a的合成路線3Figure 26 Synthesis route 3 of compound 10a

維生素E自從分離出結晶并確定了化學結構式及其藥理活性之后,需求量逐年增大,目前合成維生素E已經在市場占有率中達到80%以上,工業上合成維生素E的途徑有很多種方法,但各有利弊。工業上合成異植物醇的方法包括假羅蘭酮工藝、芳樟醇工藝和法尼烯工藝。這3種工藝都要經歷催化加氫、質子酸催化,對設備腐蝕性很大,要求較高。然而一些小分子合成法原料價格昂貴,不適合大規模生產。因此開發出更加簡單、環保的合成工藝是市場定位導向。此外,一些生物合成法在制備異植物醇方面有了突破,但是屬于Amyris公司獨有專利,目前還沒有其它企業在該方面有所建樹;故此對于側鏈的合成,法尼烯工藝是最適合國內企業的生產,一方面由于原料來源不受限,另一方面是因為合成生物學是未來發展的方向。

目前主環合成,如對甲苯酚法、對二甲苯法和叔丁基苯酚法等路線基本上受到物料來源方面的限制。其次異弗爾酮合成法、巴豆醛法合成主環的方法對設備要求嚴格,技術壁壘高。拆分法合成維生素E主環,一方面是由于原料價格昂貴,另一方面是因為拆分的收率達不到預期要求,原子利用率低,不能應用于生產中。不對稱合成維生素E主環的方法,都有著原料價格昂貴,構建手性中心比較困難等問題,所以也不能應用于工業化生產中。以上幾種合成主環方法中,不受來源限制的工藝為異弗爾酮合成法,為目前最優先考慮合成主環的方法。該路線用的是廉價的丙酮作為起始原料,但該路線也有不甚如意的方面。因此,開發新路線合成三甲基氫醌是促進維生素E產能擴大的發展方向之一。

綜上所述,維生素E路線的革新之路還很長,主環的研究剛剛起步,因此尋找一種綠色、環保且成本低廉的合成方法是未來研究的方向。