番茄紅素的全合成

李恩民，潘曉軍，查 娟，陳 龍，章潮軍，商甜波，羅艷娟，吳春雷*

（1.浙江醫藥股份有限公司，浙江 紹興 312500；2.脂溶性維生素浙江省工程研究中心，浙江 紹興 312000；3.紹興文理學院，浙江 紹興 312000）

類胡蘿卜素（carotenoids）是一類具有功能特性的天然色素的總稱，目前已經發現700 多種。其中，與食品有關的類胡蘿卜素有100 多種，常見的有β-胡蘿卜素、番茄紅素、蝦青素等[1]。其共同的結構特征是擁有多個共軛雙鍵，是一類出色的抗氧化劑，具有良好的自由基猝滅作用，可有效阻斷細胞內的鏈式自由基反應。科學證實，適當補充類胡蘿卜素產品，是延緩或降低人體因氧化而受到危害的重要途徑之一[2-3]。據不完全統計，全球每人每天消耗類胡蘿卜素約5～20 mg。圍繞著類胡蘿卜素的產業開發正在逐步形成。番茄紅素（圖1）是類胡蘿卜素之一，其清除自由基的能力比β-胡蘿卜素強，番茄紅素在對抗某些腫瘤、心血管疾病和眼部退行性疾病中都有不俗的表現[4-7]。從1950 年Karrer[8]開始，人們一直致力于人工合成番茄紅素。其中最關鍵的是番茄紅素分子中多個雙鍵的引入和構型保持[9-15]。

圖1 番茄紅素的結構

本課題組已經開發了多條以Wittig-Horner縮合反應為特征的番茄紅素合成工藝[16-19]。本研究以香葉醇（2）為原料，經氧化得到檸檬醛（3），3與C4-膦酸酯（4）反應得到C14-烯醇醚（5），5 水解得到C14-醛(6)，6 與偕二膦酸酯反應得到關鍵中間體C15-膦酸酯（7），最后7 與十碳雙醛（8）縮合得到番茄紅素（1）。合成路線見圖2。

圖2 番茄紅素（1）的合成路線

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

所有試劑均為市售，無需進一步純化。

紅外光譜IR 通過Nicolet-6700 光譜儀測定，NMR 通過Bruker AVANCE DMX III 400M 測定，元素分析通過Euro vector EA 3000 CHN 分析儀測定，熔點通過BUCHI M-560 熔點儀測得。

1.2 番茄紅素的合成

1.2.1 檸檬醛的合成

向500 mL 三口燒瓶中加入香葉醇(15.4 g，0.1 mol)、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）（0.01 mol，1.56 g）、相轉移催化劑四丁基氯化銨（0.01 mol，0.28 g）、100 mL 二氯甲烷和100 mL NaHCO3溶液（0.5 mol/L），室溫下開啟攪拌；然后加入N-氯代丁二酰亞胺（0.1 mol，13.3 g），氣相跟蹤反應；反應完畢后，有機層用二氯甲烷萃取（2×100 mL），二氯甲烷層用飽和食鹽水（2×100 mL）洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸除溶劑，得到檸檬醛粗品14.2 g，收率為94.1%，氣相含量為98.7%。IR (film):1678 cm-1。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.62 (s,3H),1.71(s,3H),1.92 (s,3H),2.13～2.27 (m,4H),4.85～4.99 (m,1H),5.82 (d,1H,J=8.8 Hz),9.96 (d,1H,J=8.8 Hz)。13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ=17.4,17.5,25.5,25.7,40.6,122.6,127.1,132.8,163.4,191.9。

1.2.2 1-甲氧基-2,6,10-三甲基-1,3,5,9-十一烷四烯（C14-烯醇醚）的合成

在N2保護下，向250 mL 三口燒瓶中加入KOt-Bu（6.15 g，0.055 mol）的四氫呋喃-二甲基亞砜（25 mL，體積比8:1）溶液，維持-30 ℃～-20 ℃，0.5 h 內滴加入C4-膦酸酯（11.1 g，0.05 mol）。上述反應液繼續在-20 ℃攪拌1 h，然后將溶在上述四氫呋喃-二甲基亞砜混合溶劑中的檸檬醛(7.6 g,0.05 mol)在1 h 內滴加完畢。所得反應液繼續攪拌30 min 直至反應完畢（GC 跟蹤）。加入25 mL水和50 mL 乙醚，繼續攪拌10 min。分液得到有機層，用食鹽水(3× 15 mL)洗滌、無水硫酸鎂干燥，減壓蒸除溶劑得到7.7 g C14-烯醇醚粗品，為無色液體，GC 含量為93.7%，收率為65.8%。IR(film):3120,1683,1657,1250 cm-1。1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=1.61 (s,3H,CH3C=CHOCH3),1.68 (s,3H,CH3),1.69 (s,3H,CH3),1.78 (s,3H,CH=CCH3),2.05～2.17 (m,4H,CH2CH2),3.62 (s,3H,OCH3),5.06～5.16 (m,1H,CH),5.87 (s,1H,C=CHOCH3),5.94 (dd,J=11.2 Hz,5.6 Hz,1H,CH=CH),6.29 (dd,J=15.2 Hz,11.2 Hz,1H,C=CH),6.63 (dd,J=15.2 Hz,12.4 Hz,1H,CH=CH)。13C NMR (100 MHz，CDCl3):δ=14.5,17.7,24.0,25.7,26.6,26.8,32.7,40.1,59.8,112.8,123.2,126.7,129.0,138.0,144.8。13C DEPT135 (100 MHz,CDCl3):δ=14.5,17.7,24.0,25.7,26.6 (-)，26.8 (-),32.7 (-),40.1 (-),59.8,123.2,126.7,144.8。

1.2.3 2,6,10-三甲基-2,5,9-十一烷三烯-1-醛（C14-醛）的合成

在N2保護下，向150 mL 三口燒瓶中加入C14-烯醇醚（5.5 g，0.025 mol）、50 mL 四氫呋喃、0.8 g 對甲苯磺酸和11 g 水，所得反應液在20 °C～25 °C 攪拌24 h。根據GC 判斷水解反應結束，加入9% NaHCO3溶液（12 mL），減壓蒸除四氫呋喃。加入50 mL 環己烷，有機層用15 mL 水洗，無水MgSO4干燥，減壓蒸餾得C14-醛粗產品4.5 g，收率為69.9%，氣相含量為93.5%。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.11 (t,J=7.6 Hz,3H,CH3CCHO),1.51 (s,3H,CH3C=CH),1.63 (s,3H,CH3),1.70 (s,3H,CH3),1.85～1.89 (m,2H,CH2CH2),2.18～2.29 (m,2H,CH2CH2),2.24～2.33(m,2H,CH2),5.11～5.12 (m,1H,CH),5.67 (s,1H，CH3C=CH),6.51 (t,J=7.2 Hz,1H,CH=CCHO)，9.44 (s,1H,CHO)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.7,17.6,18.3,23.4,25.6,26.4,39.4,115.5,123.9,131.6,140.7,143.0,156.8,194.4。13C DEPT135(100 MHz,CDCl3):δ=12.7,17.6,18.3,23.4 (-),25.6,26.4 (-)，39.4 (-)，115.5,123.9,156.8,194.4。GC-MS:m/z (%)=206,191,177,163,109,91,77,69(100%)，53,41,27。

1.2.4 3,7,11-三甲基-1,3,6,10-四烯十二烷-1-膦酸二乙酯（C15-膦酸酯）的合成

在N2保護下，向150 mL 三口燒瓶中加入NaH（60%含量,1.1 g,0.0275 mol）的甲苯溶液(10 mL)，維持溫度在10 °C～15 °C，開啟攪拌，慢慢滴加偕二膦酸酯(8.6 g,0.03 mol) 的甲苯溶液（20 mL），反應液繼續攪拌30 min。在15 °C 下，將C14-醛(5.1 g,0.025 mol)的甲苯溶液(20 mL)慢慢滴加入上述反應液中，加畢繼續攪拌30 min。加入20 mL 水繼續攪拌10 min。有機層用10%NaCl 溶液(80 mL)洗滌，無水MgSO4干燥，減壓蒸餾收集得C15-膦酸酯粗品7.5 g，為淺棕色液體，收率為88.5%，氣相含量為93.2%。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=0.98 (t,J=7.6 Hz,3H,CH3),1.32 (t,J=6.8 Hz,6H,2 × OCH2CH3),1.46 (s,3H,CH3),1.63 (s,3H,CH3),1.70 (s,3H,CH3),1.96～2.04 (m,2H,CH2CH2),2.04～2.14 (m,2H,CH2CH2),2.15～2.20 (m,2H,CH2),4.03～4.10 (m,4H,2 ×OCH2CH3),5.10～5.11 (m,1H,CH),5.55～5.56 (m,1H,CH),5.51 (dd,J=16.8 Hz,20.0 Hz,1H,CH=CHP),5.86 (t,J=7.2 Hz,1H,CH),7.08 (dd,J=17.6 Hz,21.6 Hz,1H,CH=CH)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,15.9,16.0,17.0,17.3,22.7,25.3,25.9,38.6,61.0,60.9,112.4 (d,J=189.4 Hz),118.2,123.7,131.2,135.5 (d,J=24.1 Hz),141.0,142.7,151.3。13C DEPT135 (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,15.9,16.0,17.0,17.3,22.7 (-),25.3,25.9 (-),38.6 (-),61.0 (-),60.9 (-),112.4 (d,J=189.4 Hz),118.2,123.7,142.7,151.3。GC-MS:m/z (%)=340,325,284,271,243,217(100%),205,192,159,105,79。

1.2.5 番茄紅素（1）的合成

在N2保護下，向150 mL 三口燒瓶中先加入溶在30 mL THF-DMSO 混合溶劑（體積比為8:1）中的KOt-Bu（2.3 g,0.021 mol）溶液，然后在0.5 h內將C15-膦酸酯(6.8 g,0.02 mol)逐滴加入，溫度維持在-30 ℃～-25 ℃，所得反應液繼續攪拌5 h。將溶在10 mL THF-DMSO 混合溶劑中的C10-雙醛(1.6 g,0.0098 mol)溶液在20 min 內逐滴加入。上述反應液先在-30 ℃～-25 ℃下攪拌15 min，再升溫至20 ℃～25 ℃下攪拌1 h。加入CHCl3（100 mL），分出有機層，用NaCl 溶液（5%,3×75 mL）洗滌，無水MgSO4干燥，減壓蒸除溶劑得紅色粗產品番茄紅素。CH2Cl（230 mL）重結晶。然后將所得固體放在30 mL 乙醇中，于75 ℃～80 ℃下回流攪拌5 h，至順式體轉化成反式體，得到產品3.1 g，收率為61.6%。IR (film):1627,968 cm-1。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.43～2.21 (m,8H),1.55 (s,12H,4 × CH3),1.62 (s,6H,2 × CH3),1.69(s,6H,2×CH3)，2.13 (s,6H,2 × CH3),5.11,5.98～6.94 (m,16H,=CH)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,12.9,17.0,18.4,25.7,26.7,40.3,124.0,124.8,125.2,125.7,130.1,131.6,131.8,132.7,135.4,136.2,136.6,137.4,139.5。13C DEPT135(100 MHz,CDCl3):δ=12.8,12.9,17.0,18.4,25.7,26.7 (-),40.3 (-),124.0,124.8,125.2,125.7,130.1,131.6,132.7,135.4,137.4。

2 結果與討論

首先，檸檬醛和C4-膦酸酯在四氫呋喃和二甲基亞砜組成的混合溶劑中，以叔丁醇鉀為強堿，用量為檸檬醛的1.1 倍量，在-20 ℃下反應可得到C14-烯醇醚，收率為68.4%。該步反應所用原料C4-膦酸酯結構比較特殊，其所帶的帶角甲基的不飽和片段恰好符合類胡蘿卜素類化合物的結構要求。此外，由于該反應過程是先在堿性條件下，C4-膦酸酯的一號碳失去一個質子成為碳負離子，而其兩邊的取代基磷酸酯基和雙鍵恰好可以分散該負電荷，使得中間體碳負離子趨于穩定，從而使反應能更順利地進行。

C14-烯醇醚水解時，經過條件優化對甲苯磺酸的催化效果較鹽酸和三氟乙酸好，反應溫度不宜過高，否則氣相顯示反應所得產物較雜。因此，研究得到該水解工藝的較佳條件為：以對甲苯磺酸作為烯醇醚水解的催化劑，用量為C14 烯醇醚的5 mol%，四氫呋喃為溶劑，加水，于25 ℃下反應24 h，氣相跟蹤顯示水解完成，收率為70.5%。

最后一步由C15-膦酸酯和C10-雙醛經Wittig-Horner 反應縮合成番茄紅素。該步反應由關鍵中間體C15-膦酸酯為1,3-二烯-C-15-膦酸酯，而制備番茄紅素需要將1,3-二雙鍵-C15-膦酸酯經雙鍵移位為2,4-二雙鍵-C15-膦酸酯（圖3）。因此，本步工藝先研究C15-膦酸酯的雙鍵移位，通過強堿條件將1,3-二雙鍵-C15-膦酸酯轉變成2,4-二雙鍵-C15-膦酸酯；再研究其與十碳雙醛縮合成番茄紅素（1）的反應。經過條件研究，只需在-30 ℃～-25 ℃間，使1,3-二雙鍵-C15-膦酸酯在強堿KOt-Bu 的四氫呋喃和二甲基亞砜混合溶劑中攪拌24 h，即可完成雙鍵移位。之后和C10-雙醛的縮合較為順利。

圖3 1，3-二雙鍵-C15-膦酸酯雙鍵移位

反應所得的番茄紅素粗品中仍有不少順式異構體，而根據相關標準，要求反式體占98%以上，這就涉及到順反轉位反應。本工藝以乙醇為轉位反應的溶劑，回流反應5 h，即可將反式體含量提升至98%以上。

3 結論

本研究開發了一條全反式番茄紅素的全合成的路線：由香葉醇（2）經氧化得到檸檬醛（3），3與C4-膦酸酯縮合制備C14-烯醇醚（4），4 與偕二膦酸酯縮合得到十五碳膦酸酯，最后與十碳雙醛反應得到番茄紅素，五步總收率為23.5%。本合成路線具有環境友好、步驟少、工藝簡單、反應收率高等特點，具有較大的工業化潛力。