催化氫化聯(lián)合SFC制備β-細(xì)辛醇工藝研究

孫 穎，李 斌，樊沛楠，劉 佩，白育軍，劉大偉，李 霞，白亞軍,4，鄭曉暉

1. 西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710069；

2. 陜西省食品藥品監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，陜西 西安 710065；

3. 江蘇漢邦科技有限公司，江蘇 淮安 223200；

4. 西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710127；

β-細(xì)辛醇（順式2,4,5-三甲氧基苯基丙烯醇，化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1中1a），先后發(fā)現(xiàn)于傳統(tǒng)中藥金錢蒲（Acorus gramineusSoland，Araceae）[1]與傳統(tǒng)中藥石菖蒲（Acorus calamusvar.angustatusBesser）中[2]。2015年，Cartus等[3]報(bào)道該化合物為β-細(xì)辛醚在肝微粒體中的代謝產(chǎn)物。近期研究表明，β-細(xì)辛醇具有顯著的神經(jīng)細(xì)胞保護(hù)作用[2]。2014年，本課題組報(bào)道了α-細(xì)辛醇（反式2,4,5-三甲氧基苯基丙烯醇，化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1中1b）作為α-細(xì)辛醚的代謝產(chǎn)物具有更好的抗癲癇活性[4]?？紤]到傳統(tǒng)中藥石菖蒲中β-細(xì)辛醚含量顯著高于α-細(xì)辛醚[5]，且具有較好的鎮(zhèn)定與降溫活性[6]，推測β-細(xì)辛醇也具有相類似的生物活性及較低的毒性。由于天然提取獲得β-細(xì)辛醇較為困難，故本工作將采用化學(xué)方法研究β-細(xì)辛醇的制備工藝。

通常直鏈烯鍵化合物的反式構(gòu)型較順式構(gòu)型穩(wěn)定。利用Knoevenagel反應(yīng)及酯的還原可高產(chǎn)率獲得α-細(xì)辛醇[7-8]，但難以高產(chǎn)率獲得β-細(xì)辛醇。本課題組嘗試以2,4,5-三甲氧基苯甲醛為原料經(jīng)Wittig反應(yīng)生成相應(yīng)的肉桂酸酯衍生物，再經(jīng)還原得到α-與β-細(xì)辛醇混合物，其中α構(gòu)型和β構(gòu)型比大于2:1。因此，該法也不適于β-細(xì)辛醇放大合成?？紤]到炔烴的Lindlar催化加氫是制備順式烯烴的有效方法[9]，故本工作以2,4,5-三甲氧基苯基丙炔醇（細(xì)辛炔醇見圖1中2）為原料，經(jīng)Lindlar催化加氫獲得以β-細(xì)辛醇為主的還原產(chǎn)物，并利用超臨界流體色譜法（SFC）[10]高效分離α/β-細(xì)辛醇順反異構(gòu)體，從而獲得高純度β-細(xì)辛醇。具體合成路線見圖1。

圖1 Lindlar催化氫化細(xì)辛炔醇制備β-細(xì)辛醇合成路線及反應(yīng)副產(chǎn)物Fig.1 The synthesis of β-asaronol by catalytic hydrogenation asaronyl alcohol with Lindlar catalyst/hydrogen system and reaction byproducts 2: 3-(2,4,5-trimethoxyphenyl)prop-2-yn-1-ol; 1a: β-asaronol; 1b: α-asaronol; 1c: 3-(2,4,5-trimethoxyphenyl)propan-1-ol

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 合成方法

細(xì)辛炔醇與α-細(xì)辛醇及二氫細(xì)辛醇（對照品）均實(shí)驗(yàn)室自制；Pd/BaSO4（鈀的負(fù)載量為5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)），Pd/CaCO3[Lindlar催化劑，鈀的負(fù)載量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），該催化劑經(jīng)Pb(OAc)2鈍化處理]，Pd/C（鈀的負(fù)載量為5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，含水50%）購自陜西開達(dá)；喹啉購自百靈威；純化硅膠購自煙臺江友；其他溶劑購自國藥。

250 mL不銹鋼壓力釜中，依次加入細(xì)辛炔醇，溶劑與一定比例的鈀催化劑（或含抑制劑），分別在不同溫度（5～60 ℃），不同壓力條件下（常壓至1 MPa），使用分析型超臨界流體色譜系統(tǒng)跟蹤反應(yīng)。泄壓（氫氣），過濾催化劑（回收再利用），濾液減壓濃縮，待制備分離。

1.2 SFC分離純化

分析型SFC設(shè)備采用江蘇漢邦科技有限公司的NS8001系統(tǒng)（泵：Hanbon NP 7001，檢測器：Hanbon NU 3000），測試條件：色譜柱Chiralpak AD-RH（4.6 mm×150 mm×5 μm），改性劑為H3PO4-MeOH（H3PO4體積分?jǐn)?shù)為0.5%，H3PO4-MeOH與CO2體積比為20:80），流速為3.0 mL/min，背壓為16 000 kPa，柱溫為40 ℃。

制備型SFC設(shè)備采用江蘇漢邦科技有限公司的NS8002系統(tǒng)，色譜柱為納微UniChiral OZ-5H（21.2 mm×250 mm×5 μm），分別對背壓、添加劑、改性劑、柱溫以及上樣量進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳分離條件。

1.3 表征與分析

采用上海易測儀器設(shè)備有限公司（WRS-1B）熔點(diǎn)儀測定樣品的熔點(diǎn)，其值為58.2～59.9 ℃；采用美國安捷倫公司HPLC1260-MS6520型液相-質(zhì)譜聯(lián)用，質(zhì)譜檢測條件為電噴霧離子化法（ESI），檢測模式為正離子模式，干燥氣（N2）流速為10 L/min，干燥氣溫度為350 ℃，電噴霧壓力為310 kPa，毛細(xì)管電壓為3 500 V，裂解電壓為 135 V；采用瓦里安Gemini 2000（600 MHz）核磁共振儀進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品分析

10 g細(xì)辛炔醇經(jīng)優(yōu)化條件后（硫酸鋇鈀作催化劑，與細(xì)辛炔醇的質(zhì)量比為0.2:1，甲醇作溶劑，室溫，常壓，反應(yīng)4 h）反應(yīng)，得粗品9.8 g，原料轉(zhuǎn)化率99.5%，β-細(xì)辛醇占86.5%。其中，順反細(xì)辛醇質(zhì)量比為9.5:1；經(jīng)SFC分離純化，得β-細(xì)辛醇7.5 g，純度99.4%（圖9c），色譜純化產(chǎn)率為88.2%，總產(chǎn)率為75.5%。重復(fù)做3次，順反細(xì)辛醇比例為(9.5～9.7):1，純度大于99%，色譜純化產(chǎn)率為88%～94%，總產(chǎn)率為74%～81%。分離出的α-細(xì)辛醇及二氫細(xì)辛醇經(jīng)核磁、質(zhì)譜鑒定與文獻(xiàn)[11-12]一致。其中，β-細(xì)辛醇核磁氫譜（見圖3a）顯示烯鍵上兩個氫的化學(xué)位移值分別為6.64（C7H =）與5.87（C8H =），并由化學(xué)位移計(jì)算得耦合常數(shù)（J）為11.5，證實(shí)該烯鍵為順式構(gòu)型[13-14]。此外，β-細(xì)辛醇質(zhì)譜：[M+H]+225.110 9（圖2），氫譜（圖3a），碳譜（圖3b）與文獻(xiàn)[15-16]報(bào)道一致。

圖2 β-細(xì)辛醇的質(zhì)譜圖Fig.2 MS spectrum of β-asaronol

圖3 β-細(xì)辛醇的核磁共振圖譜Fig.3 1H and 13C NMR Spectroscopy of β-asaronol

2.2 催化劑的影響

2.2.1 催化劑種類的影響

催化劑種類對反應(yīng)的選擇性有較大的影響。分別選用Pd/C、Pd/BaSO4、Pd/BaSO4加喹啉以及Pd/CaCO3各10%（相對于細(xì)辛炔醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為催化劑，在甲醇中，于室溫常壓（氫氣）下，反應(yīng)4 h，考察催化劑種類對反應(yīng)選擇性的影響，SFC分析結(jié)果如圖4所示。由圖可知，Pd/C作為催化劑不具反應(yīng)選擇性，主要產(chǎn)物為化合物二氫細(xì)辛醇（圖4a）。Pd/BaSO4催化效果最好，順式產(chǎn)品β-細(xì)辛醇所占比例可達(dá)87%，反式產(chǎn)品α-細(xì)辛醇占10%，二氫細(xì)辛醇占1%（圖4b）。與文獻(xiàn)報(bào)道相反[17-18]，喹啉未鈍化Pd/BaSO4的催化活性，反而有活化催化劑的效果，使得反式產(chǎn)品α-細(xì)辛醇與二氫細(xì)辛醇均大幅度增加（圖4c）。Pd/CaCO3催化活性最低，產(chǎn)物β-細(xì)辛醇含量低至1%（圖4d），說明Pb(OAc)2抑制催化能力較強(qiáng)。

圖4 催化劑種類對反應(yīng)選擇性比較Fig.4 Comparison of catalyst types on reaction selectivity

選擇Pd/BaSO4與Pd/CaCO3為催化劑，考察反應(yīng)壓力對反應(yīng)進(jìn)程及順反比例的控制問題。在催化劑和細(xì)辛炔醇的質(zhì)量比為1:10，室溫下，甲醇作溶劑，反應(yīng)4 h，考察不同氫氣壓力（常壓、0.5和1.0 MPa）對反應(yīng)的影響，SFC分析結(jié)果如表1。

表1 壓力對原料轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響Table 1 The influence of pressure on the conversion and product selectivity

由表1可知，Pd/BaSO4作為催化劑，隨反應(yīng)壓力升高，轉(zhuǎn)化率升高，然而順反化合物比例（β-細(xì)辛醇與α-細(xì)辛醇之比）降低，二氫細(xì)辛醇比例上升；Pd/CaCO3作為催化劑，4 h內(nèi)原料未完全轉(zhuǎn)化，β-細(xì)辛醇與二氫細(xì)辛醇含量隨反應(yīng)壓力的升高而升高，說明二氫細(xì)辛醇的生成并未受到顯著抑制，且β-細(xì)辛醇選擇性較Pd/BaSO4作為催化劑時低。因此，Pd/CaCO3不適合做該反應(yīng)催化劑，而以Pd/BaSO4為催化劑，在常壓狀態(tài)下獲得β-細(xì)辛醇更具選擇性優(yōu)勢。

2.2.2 催化劑與原料配比的影響

以Pd/BaSO4作催化劑，甲醇作溶劑，于室溫常壓下，反應(yīng)4 h，考察催化劑用量對原料轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響，結(jié)果見表2。由表可知，催化劑用量越大，原料轉(zhuǎn)化率越高。β-細(xì)辛醇在20%配比時含量最高，約占88.4%，隨催化劑含量升高，β-細(xì)辛醇含量逐漸降低，同時副產(chǎn)物α-細(xì)辛醇與過氫化產(chǎn)物二氫細(xì)辛醇含量升高。說明高含量催化劑顯著提高原料轉(zhuǎn)化率，但產(chǎn)物的選擇性有所降低。催化劑與原料質(zhì)量比為0.2較為合適。

表2 催化劑/原料配比對轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響Table 2 Effect of catalyst/raw material ratio on conversion and product selectivity

2.2.3 催化劑使用次數(shù)的影響

Pd/BaSO4作催化劑（催化劑與原料質(zhì)量比為0.2），甲醇作溶劑，于室溫常壓下，反應(yīng)4 h，考察催化劑的使用次數(shù)對反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，催化劑在連續(xù)使用3次后，轉(zhuǎn)化率逐漸降低，依次約為99%，94%和83%，第4次催化后轉(zhuǎn)化率下降至65%左右。催化劑在重復(fù)使用3至4次后，分別加入5%或10%的新催化劑，原料轉(zhuǎn)化率可相應(yīng)增加至98%和93%左右。故催化劑在使用2次后需重新處理再用，或在使用3次后，補(bǔ)加5%的新鮮催化劑再次使用，以便獲得較好的原料轉(zhuǎn)化率。綜上所述，選擇Pd/BaSO4為催化劑，添加量為20%（催化劑與細(xì)辛炔醇質(zhì)量比），該催化劑連續(xù)使用2次或第3次補(bǔ)加5%較為合適。

圖5 催化劑使用次數(shù)對轉(zhuǎn)化率的影響Fig.5 Effect of catalyst use times on conversion

2.3 溶劑的影響

反應(yīng)溶劑對轉(zhuǎn)化率影響較大。以Pd/BaSO4作催化劑（催化劑與原料質(zhì)量比為0.2），于室溫常壓下，分別使用甲醇（MeOH）、二氯甲烷（DCM）和四氫呋喃（THP）作為溶劑，反應(yīng)4 h，原料轉(zhuǎn)化率結(jié)果見圖6。由圖可知，甲醇作溶劑反應(yīng)效果最好（轉(zhuǎn)化率為100%），二氯甲烷次之（轉(zhuǎn)化率約為92%），四氫呋喃對反應(yīng)有抑制作用（轉(zhuǎn)化率低于12%）。推測四氫呋喃與催化劑形成配合物，導(dǎo)致原料與催化劑無法充分接觸，阻礙反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。故選擇甲醇作為反應(yīng)溶劑。

圖6 不同溶劑對轉(zhuǎn)化率的影響Fig.6 Effect of different solvents on conversion

2.4 反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度對原料轉(zhuǎn)化率也有影響。催化劑（Pd/BaSO4）與原料質(zhì)量比為0.2，常壓，甲醇作溶劑，反應(yīng)4 h，通過分析型SFC監(jiān)控反應(yīng)，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，低溫條件下，反應(yīng)較為緩慢（5 ℃，轉(zhuǎn)化率約50%）；25 ℃（轉(zhuǎn)化率約90%）及50 ℃（轉(zhuǎn)化率約93%）轉(zhuǎn)化率相差不大?？紤]到操作方便、安全及放大功耗等問題，在室溫下反應(yīng)較為合適。

圖7 反應(yīng)溫度對轉(zhuǎn)化率的影響Fig.7 Effect of reaction temperature on conversion

2.5 反應(yīng)時間的影響

固定催化劑與原料質(zhì)量比為0.2，甲醇作溶劑，于常壓室溫下，應(yīng)用SFC對不同反應(yīng)時間的轉(zhuǎn)化率進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，隨反應(yīng)時間延長，原料含量在1 h內(nèi)迅速降低，反應(yīng)4 h原料含量低于1%，產(chǎn)物含量約為88%。與此同時，副產(chǎn)物α-細(xì)辛醇與二氫細(xì)辛醇的含量逐漸升高，α-細(xì)辛醇升高較快，4 h其含量約為9%，二氫細(xì)辛醇升高緩慢，4 h其含量約為1%。為避免副產(chǎn)物進(jìn)一步升高，反應(yīng)在4 h左右終止。

圖8 反應(yīng)時間對轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物選擇性的影響Fig.8 Effect of reaction time on conversion and product selectivity

2.6 SFC分離方法的優(yōu)化

由于薄層色譜（TLC）、高效液相色譜以及重結(jié)晶難以將α-細(xì)辛醇與β-細(xì)辛醇有效分離。故選擇手性色譜填料（UniChiral OZ-5H，5 μm），采用SFC法進(jìn)行分離純化。經(jīng)表3條件優(yōu)化，在分析型SFC設(shè)備上初步建立半制備分離條件：乙腈（ACN）為改性劑，無添加劑，背壓為12 MPa，溫度為35～40 ℃，波長為310 nm，上樣量為40 μL，流速為3 mL/min，流動相比例為0～60，ACN為5%～35%（體積分?jǐn)?shù)）。

表3 改性劑、添加劑、溫度及背壓對產(chǎn)物分離度的影響Table 3 Effect of modifier, additive, temperature and back pressure on product separation degree

以上述分析SFC條件為基礎(chǔ)，固定改性劑比例（35% ACN），即流動相比例為二氧化碳與乙腈比為65:35，在半制備SFC設(shè)備依據(jù)上述色譜條件，改變流速（16 mL/min）并在半制備色譜柱上獲得較好的分離結(jié)果[圖9a，上樣量為6.7 mg（40 μL）/針]，提高上樣量[100 mg（600 μL）/針，圖9b）]分離效果變化不大，兩者洗脫時間均為35 min。按此條件，連續(xù)進(jìn)樣，共分離粗品24.8g（純度84.2%），最終獲得純度為99.4%（圖9c）的β-細(xì)辛醇19.6 g，色譜分離產(chǎn)率為93.8%。

圖9 分離純化前后SFC色譜圖（a）純化前進(jìn)樣量40 μL/針（半制備色譜柱），（b）純化前進(jìn)樣量600 μL/針（半制備色譜柱）和（c）純化后（分析色譜柱）Fig.9 SFC chromatogram before and after purification (a) sample before purification, 40 μL/time (semi prepared column);(b) sample before purification, 600 μL/time (semi prepared column); (c) sample after purification (analysis column)2: 3-(2,4,5-trimethoxyphenyl)prop-2-yn-1-ol; 1a: β-asaronol; 1b: α-asaronol; 1c: 3-(2,4,5-trimethoxyphenyl)propan-1-ol

3 結(jié) 論

以細(xì)辛炔醇為原料，通過對催化劑種類、物料比、溶劑種類、溫度、時間、壓力以及催化劑循環(huán)使用次數(shù)的系統(tǒng)研究，獲得一種β-細(xì)辛醇占優(yōu)勢（約90%）的催化氫化合成工藝（Pd/BaSO4催化劑與反應(yīng)物的質(zhì)量比為0.2，甲醇作溶劑，于室溫常壓下，反應(yīng)4 h）。此外，通過制備型SFC純化工藝（背壓、添加劑、改性劑及柱溫）優(yōu)化，獲得純度大于99%的β-細(xì)辛醇，為深入研究β-細(xì)辛醇的生物活性提供物質(zhì)支持。