甲磺酸催化合成高純度山崳酸糖醇單酯

王秀文，程 洋，韋 偉，金青哲，王興國(guó)

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，食品安全與營(yíng)養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無(wú)錫 214122)

脂肪酸糖醇酯是廣泛使用的非離子型表面活性劑。市售產(chǎn)品包括甘油單油酸酯、木糖醇脂肪酸酯和山梨糖醇單硬脂酸酯(Span 60)等[1]。通過(guò)改變糖醇頭基數(shù)、?；滈L(zhǎng)和?；湐?shù)，可以開(kāi)發(fā)具有不同理化性質(zhì)的產(chǎn)品。這些兩親化合物具有較強(qiáng)的表面活性，在食品、藥品和化妝品領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2]。

糖醇酯的經(jīng)典工業(yè)化生產(chǎn)反應(yīng)為脂肪酸和糖醇的一步酯化反應(yīng)。反應(yīng)溫度較高(150～250℃)，催化劑多為酸、堿化學(xué)催化劑如鹽酸、磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉等。較高的溫度可以帶走酯化反應(yīng)生成的水，同時(shí)使反應(yīng)平衡向酯化反應(yīng)方向進(jìn)行[3-4]。但是高溫反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，通常為二酯、三酯和糖醇的脫水化合物等，后續(xù)的純化步驟很難除去二酯、三酯。并且，純化步驟復(fù)雜，如萃取、重結(jié)晶、蒸餾等，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)降低反應(yīng)產(chǎn)率。為解決這些問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行很多嘗試，例如降低反應(yīng)溫度，采用脂肪酶在溶劑體系及無(wú)溶劑體系中催化反應(yīng)進(jìn)行[5-8]，采用新型溶劑如離子液體創(chuàng)造兼容性反應(yīng)系統(tǒng)[9-10]等，但存在反應(yīng)成本高，產(chǎn)物分離純化難等問(wèn)題。

本研究嘗試建立一種簡(jiǎn)便、低成本的可用于食品藥品工業(yè)生產(chǎn)的高純度山崳酸糖醇單酯的綠色化學(xué)催化方法。從目前報(bào)道中多用于酯化反應(yīng)的綠色催化劑中篩選了2種Lewis acid(Sc(OTf)3，Cen(CF3SO3)XH2O)和1種Br?nsted acid(甲磺酸)用于山崳酸糖醇單酯合成的研究。目前，甲磺酸作為催化劑可用于酯化反應(yīng)、聚合反應(yīng)、硝化反應(yīng)、多組分反應(yīng)等有機(jī)合成反應(yīng)[11-13]。其中，近幾年研究最多的是手性甲磺酸結(jié)合其他催化劑對(duì)其位點(diǎn)、酸度、結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，催化不對(duì)稱氫化反應(yīng)進(jìn)行，對(duì)天然產(chǎn)物和藥物合成意義重大[14-15]。本文對(duì)3種催化劑在長(zhǎng)鏈脂肪酸與糖醇的酯化反應(yīng)中的催化效果進(jìn)行了研究，為這類綠色催化劑有更廣闊的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

Compritol? 888 ATO由BIONORD A/S公司(哥本哈根，丹麥)提供。三氟甲磺酸鈧(Sc(OTf)3, 99%)，三氟甲磺酸鈰(Cen(CF3SO3)XH2O, 19%～23%鈰)，甲磺酸(MSA, 99.5%)，二氧化硅，沸石，三氧化二鋁(孔徑58 ?,150目篩)，MCM-41分子篩、氟羅里硅土(Florisil)，乙二醇(99.8%)、甘油(99%)、季戊四醇(99%)、木糖醇(99%)、阿拉伯糖醇(98%)，山梨糖醇(99%)和其他色譜純的有機(jī)溶劑均購(gòu)于Sigma-Aldrich(圣路易斯，美國(guó))，赤蘚糖醇(99%)購(gòu)于VWR(韋斯特伯，丹麥)。薄層色譜板為Silica gel 60(默克公司，德國(guó))。實(shí)驗(yàn)所用水為Milli-Q系統(tǒng)過(guò)濾的超純水。山崳酸木糖醇單酯、山崳酸木糖醇雙酯標(biāo)準(zhǔn)品，為前期合成樣品[16]，經(jīng)過(guò)HPLC鑒定純度在95%以上，化合物結(jié)構(gòu)經(jīng)氫譜核磁共振和質(zhì)譜鑒定。

Thermal Trace氣相色譜儀,檢測(cè)器為氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)。Agilent 1200系列高效液相色譜儀，檢測(cè)器為Sedex 75型蒸發(fā)光散射檢測(cè)器(Sedex 80, Alfortville, France)。RCT basic型磁力攪拌器，購(gòu)自德國(guó)IKA。恒溫水浴鍋、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、烘箱。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 游離山崳酸的制備

將25 g Compritol? 888 ATO、5.75 g氫氧化鉀、11 mL蒸餾水、66 mL乙醇(95%)，在80℃水浴中反應(yīng)1 h。反應(yīng)產(chǎn)物加入60 mL蒸餾水，用100 mL正己烷提取兩次有機(jī)相，棄去正己烷相。用1 mol/L的鹽酸中和皂化物，用50 mL正己烷提取，并加入無(wú)水硫酸鈉過(guò)夜除去水分。抽濾除無(wú)水硫酸鈉后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除正己烷得到混合脂肪酸。取50 g混合脂肪酸在500 mL重結(jié)晶溶劑中60℃加熱回流至少1 h，然后將溫度緩慢下降至30℃，并在一定溫度下靜置24 h，用布氏漏斗抽濾得到白色雪片狀高純度山崳酸。

1.2.2 山崳酸糖醇單酯的制備

山崳酸糖醇單酯采用催化劑Lewis acid和Br?nsted acid在相同溫度下的叔丁醇體系中進(jìn)行酯化反應(yīng)制備。將5～6 mmol糖醇、0.5 mmol山崳酸和0.5 mmol固定化材料加入5 mL叔丁醇中，反應(yīng)混合物在玻璃反應(yīng)器中加熱到相應(yīng)溫度平衡30 min，然后加入1.5 mmol催化劑開(kāi)始反應(yīng)。反應(yīng)溫度為30～60℃，反應(yīng)時(shí)間為3～24 h。反應(yīng)進(jìn)程采用薄層色譜板進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用高效液相色譜測(cè)定反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。

1.2.3 產(chǎn)物的分離純化

產(chǎn)物先過(guò)濾除去固定化材料，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除有機(jī)溶劑。乙二醇、甘油和赤蘚糖醇的反應(yīng)產(chǎn)物溶解于50 mL二氯甲烷中，用飽和碳酸鈉溶液洗滌3次除去未反應(yīng)的山崳酸，再用飽和氯化鈉溶液洗滌3次除去過(guò)量的糖醇，分離得到有機(jī)相后加入無(wú)水硫酸鈉除水，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)有機(jī)溶劑。季戊四醇、阿拉伯糖醇和木糖醇反應(yīng)產(chǎn)物先用正己烷反復(fù)萃取3次除去未反應(yīng)的山崳酸，抽濾得到固體產(chǎn)物后用超純水洗滌3次除去過(guò)量的糖醇，將最終得到的產(chǎn)物置于60℃烘箱中干燥12 h。山梨糖醇采用與季戊四醇相似的純化步驟，用二氯甲烷代替正己烷進(jìn)行萃取。

1.2.4 檢測(cè)方法

1.2.4.1 氣相色譜測(cè)定脂肪酸組成

樣品甲酯化方法參照GB/T 17376—2008。氣相色譜采用配備FID的Thermal Trace氣相色譜儀，色譜柱為Supelco毛細(xì)管柱(Omegawax，30 m×0.25 mm)。色譜條件為:從100℃以60℃/min升溫至200℃，再以5℃/min升溫至240℃，并在240℃保留10 min,進(jìn)樣口溫度及檢測(cè)器溫度均為260℃。使用氦氣作為載氣，流速1 mL/min。參照脂肪酸甲酯混標(biāo)17AA(Nu-Chek Prep, MN, USA)對(duì)氣相色譜峰進(jìn)行定性。定量方法為面積歸一化方法，每個(gè)樣品脂肪酸含量測(cè)定3次。

1.2.4.2 薄層色譜板監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程

采用薄層色譜板(TLC)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。反應(yīng)產(chǎn)物溶解在氯仿-甲醇(體積比3∶1)中，并在5 cm×10 cm薄層色譜板上點(diǎn)樣。在展開(kāi)劑氯仿-甲醇-水 (體積比64∶10∶1)中展開(kāi)至6 cm取出，干燥后在氯仿-甲醇-乙酸 (體積比97.5∶2.5∶1)展開(kāi)至8 cm。板子干燥后均勻噴顯色劑后觀察，顯色劑為30%的硫酸-甲醇溶液。

1.2.4.3 高效液相色譜測(cè)定產(chǎn)物組成

根據(jù)Franka等[9]的HPLC方法，改進(jìn)后測(cè)定產(chǎn)物組成。高效液相色譜采用配備Sedex 75型蒸發(fā)光散射檢測(cè)器的Agilent 1200系列高效液相色譜儀。Supelcosil LC-18色譜柱(250 mm×4.6 mm×5 μm)；流動(dòng)相為甲醇-乙腈-水(體積比75∶20∶5)；流速0.8 mL/min。通過(guò)電腦程序KyPlot 5 以最小二乘擬牛頓法[17]估算非線性方程。山崳酸的方差系數(shù)為0.997 0，山梨糖醇單硬脂酸酯的方差系數(shù)為0.999 2。

單酯的選擇性=單酯含量/(單酯含量+二酯含量+副產(chǎn)物含量)×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 山崳酸的純化

Compritol? 888 ATO是一種含有18%的甘油單酯、52%的甘油二酯和28%的甘油三酯的混合物，其中88%的脂肪酸組成為山崳酸[16-17]。為了保證所有的反應(yīng)物溶解，皂化反應(yīng)在80℃下進(jìn)行。從Compritol? 888 ATO得到的脂肪酸混合物除含有88%山崳酸外，其余較高含量的脂肪酸包括C18∶0、C20∶0和C24∶0。選擇丙酮、乙醚和石油醚作為重結(jié)晶溶劑進(jìn)行結(jié)晶處理，以進(jìn)一步提高山崳酸的純度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同溶劑、溫度、料液比下重結(jié)晶后晶體、液體中山崳酸含量及產(chǎn)率

注：產(chǎn)率為晶體中山崳酸的產(chǎn)率。

由表1可知，料液比越高、純化溫度越高，晶體中山崳酸含量越高。山崳酸在丙酮和乙醚中的溶解溫度遠(yuǎn)高于溶劑的沸點(diǎn)，盡管有冷凝，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍有大量有機(jī)溶劑揮發(fā)?？紤]到操作的方便程度和節(jié)省能源，選擇的純化條件為：石油醚，料液比1∶10，純化溫度20℃，純化時(shí)間24 h。在此條件下連續(xù)三次重結(jié)晶，產(chǎn)物的脂肪酸組成見(jiàn)表2。

表2 石油醚三次重結(jié)晶產(chǎn)物的主要脂肪酸組成%

脂肪酸原料一次重結(jié)晶二次重結(jié)晶三次重結(jié)晶C16∶00.7±0.10.1±0.0- - C18∶03.2±0.10.9±0.20.2±0.10.2±0.1C20∶04.7±0.22.9±0.22.1±0.12.1±0.1C22∶088.0±0.594.4±0.396.1±0.196.3±0.2C24∶01.8±0.01.7±0.11.6±0.11.3±0.1

由表2可知，二次重結(jié)晶后，山崳酸含量從88%升高到96.1%。長(zhǎng)鏈脂肪酸和不飽和脂肪酸幾乎都被除去，剩余脂肪酸主要為C20∶0和C24∶0。因?yàn)榕c山崳酸的理化性質(zhì)比較相似，這兩種脂肪酸(尤其是C24∶0)很難被完全除去。三次重結(jié)晶使山崳酸產(chǎn)率下降到77.9%，表明更多次數(shù)重結(jié)晶使山崳酸產(chǎn)率下降較快，含量變化小。因此，在以石油醚為重結(jié)晶溶劑、料液比1∶10、純化溫度20℃、純化時(shí)間24 h、重結(jié)晶兩次的條件下，可獲得產(chǎn)率為78%左右、純度為96.1%的白色雪片狀結(jié)晶體山崳酸。

2.2 產(chǎn)物的分離

為確定反應(yīng)產(chǎn)物中山崳酸糖醇單酯的含量，采用高效液相色譜對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分離。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)物的出峰時(shí)間和出峰順序確定產(chǎn)物組成成分，圖1為反應(yīng)產(chǎn)物的HPLC譜圖。由圖1可知，在設(shè)定的色譜條件下，出峰順序?yàn)榧谆撬?2.9 min)、木糖醇(3.2 min)、山崳酸木糖醇單酯(15.4 min)、山崳酸(19.7 min)和山崳酸木糖醇雙酯(26.7 min)。各成分出峰時(shí)間間隔明顯，分離效果佳。

圖1 甲磺酸催化山崳酸和木糖醇酯化反應(yīng)產(chǎn)物的HPLC譜圖

2.3 催化劑對(duì)木糖醇和山崳酸酯化反應(yīng)的影響

以木糖醇為例，山崳酸與木糖醇摩爾比為1∶10，研究3種催化劑在不同反應(yīng)條件下對(duì)木糖醇和山崳酸酯化反應(yīng)的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同催化劑對(duì)木糖醇和山崳酸酯化反應(yīng)的影響

從表3可以看出，在沒(méi)有催化劑的反應(yīng)條件下，酯化反應(yīng)幾乎不能發(fā)生。在有催化劑的反應(yīng)中，較高的反應(yīng)溫度使得反應(yīng)有較高的轉(zhuǎn)化率，同時(shí)較高的反應(yīng)溫度會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物選擇性降低。甲磺酸在60℃溫和條件下催化反應(yīng)，山崳酸轉(zhuǎn)化率為30%，選擇性為97%。而甲磺酸在80℃條件下催化反應(yīng)，山崳酸轉(zhuǎn)化率提高了12個(gè)百分點(diǎn)，但反應(yīng)選擇性卻降到88%，大大增加了產(chǎn)物分離的難度。不同催化劑的催化效果之間也存在顯著差異，2種Lewis acid的催化效率不如甲磺酸高。Sc(OTf)3在120℃下催化反應(yīng)1 h時(shí)，山崳酸轉(zhuǎn)化率高達(dá)65%，但選擇性只有10%，不符合高純度山崳酸糖醇單酯合成的要求。Cen(CF3SO3)XH2O在高溫(120℃)條件下催化反應(yīng)的選擇性達(dá)到88%，但山崳酸轉(zhuǎn)化率僅為11%，會(huì)造成大量原料浪費(fèi)。綜合考慮，選擇甲磺酸在反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時(shí)間24 h下，達(dá)到較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率(30%)和高的選擇性(97%)，保證高純度山崳酸糖醇單酯的制備。

2.4 固定化材料對(duì)甲磺酸催化酯化反應(yīng)的影響

利用固定化材料和催化劑之間的物理吸附作用固定化學(xué)催化劑，可提高催化穩(wěn)定性及催化效率。在甲磺酸催化木糖醇和山崳酸酯化反應(yīng)合成山崳酸木糖醇單酯的反應(yīng)中探究了三氧化二鋁、二氧化硅、沸石、MCM-41分子篩和氟羅里硅土5種固定化材料對(duì)酯化反應(yīng)的影響，反應(yīng)條件為山崳酸與木糖醇摩爾比1∶10，1.5 mmol甲磺酸在60℃催化反應(yīng)24 h。固定化材料對(duì)酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響見(jiàn)圖2。

圖2 固定化材料對(duì)酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響

從圖2可以看出，以二氧化硅為固定化材料，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高達(dá)57%，比其他固定化材料的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高20個(gè)百分點(diǎn)左右，但其反應(yīng)選擇性為72.8%，不利于后期產(chǎn)物分離獲得高純度的山崳酸糖醇單酯。其他4種固定化材料之間的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性差異不大，選擇性均在85%以上。其中，三氧化二鋁為固定化材料的反應(yīng)選擇性最高，達(dá)到了93.77%，同時(shí)其反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較高。綜合考慮，選擇三氧化二鋁為固定化材料。

2.5 甲磺酸催化山崳酸與不同糖醇的酯化反應(yīng)

在優(yōu)化反應(yīng)條件(山崳酸與木糖醇摩爾比1∶10，1.5 mmol甲磺酸固定在0.5 mmol三氧化二鋁上，60℃反應(yīng)24 h)基礎(chǔ)上，采用甲磺酸在叔丁醇體系較低的溫度下催化山崳酸與其他糖醇的反應(yīng)，并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行調(diào)整。反應(yīng)溫度為糖醇和山崳酸同時(shí)可以在叔丁醇中溶解的最低溫度，反應(yīng)時(shí)間由TLC監(jiān)控，TLC顯示微量二酯生成即將反應(yīng)停止。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 甲磺酸催化山崳酸與不同糖醇的酯化反應(yīng)

從表4可以看出，在甲磺酸催化下，山崳酸與不同糖醇反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率受糖醇羥基數(shù)量的影響。羥基數(shù)比較小的糖醇如乙二醇和甘油反應(yīng)最快，在60℃下反應(yīng)4 h后，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到94%和72%，山崳酸甘油單酯、山崳酸乙二醇單酯含量均為96%；當(dāng)反應(yīng)在低溫(30、40℃)下反應(yīng)8 h時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可分別達(dá)到74%和62%，并且選擇性達(dá)到100%。羥基數(shù)量較多的糖醇的反應(yīng)速率明顯較慢，除赤蘚糖醇外，其他糖醇在60℃條件下反應(yīng)時(shí)間均需24 h。季戊四醇和山梨糖醇的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率分別為27%和18%，低于其他糖醇的原因可能與其獨(dú)特的理化性質(zhì)相關(guān)。季戊四醇有4個(gè)伯醇基團(tuán)，分子內(nèi)存在氫鍵作用；山梨糖醇在叔丁醇中溶解度低。此外，同分異構(gòu)體阿拉伯糖醇和木糖醇的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率相差13個(gè)百分點(diǎn)，表明立體結(jié)構(gòu)差異也會(huì)影響物質(zhì)的反應(yīng)性能。

3 結(jié) 論

從脂質(zhì)輔料Compritol?888 ATO中提取游離脂肪酸，以石油醚為重結(jié)晶溶劑，在料液比1∶10、純化溫度20℃、純化時(shí)間24 h條件下，通過(guò)兩次重結(jié)晶獲得純度為96.1%的山崳酸。高純度山崳酸為原料在甲磺酸的催化下合成了一系列超長(zhǎng)碳鏈脂肪酸糖醇單酯，以木糖醇為代表得到山崳酸糖醇單酯的最優(yōu)合成條件為：山崳酸與木糖醇摩爾比1∶10，1.5 mmol甲磺酸固定在0.5 mmol三氧化二鋁上，60℃反應(yīng)24 h，山崳酸木糖醇單酯的轉(zhuǎn)化率和選擇性分別為30%和97%。并通過(guò)與兩種Lewis acid催化相比，發(fā)現(xiàn)甲磺酸催化反應(yīng)選擇性高且轉(zhuǎn)化率也較高。將甲磺酸催化用于山崳酸與不同糖醇的酯化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)也適用于其他糖醇。