三氯蔗糖簡介及其在有機化學(xué)授課中的探索

徐春發(fā)，陳萍，袁耀鋒

福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，福州 350108

1 前言

甜味是具有糖和蜜一樣的味道，是最受人們喜愛的味道之一。通常，葡萄糖和蔗糖是最主要的甜味劑，然而過量攝入上述糖類不僅容易造成肥胖、牙齒損壞等健康問題。更有甚者，會增加糖尿病患病的幾率，以及增加抑郁和心血管疾病的風(fēng)險。因此，新型甜味劑尤其是高倍甜味劑的開發(fā)吸引了精細化工產(chǎn)品公司和食品公司的重點關(guān)注。三氯蔗糖因其甜味純正、甜味特性與蔗糖類似、甜度高，已成為甜味劑中最重要的產(chǎn)品。此外，三氯蔗糖在體內(nèi)不會被代謝，對人體也無明顯副作用，不會引起糖尿病等疾病，是一種安全的食品。目前，三氯蔗糖全球市場需求約為2萬噸，單價約為20萬元/噸，具有很高的經(jīng)濟價值，是甜味劑領(lǐng)域中最具前景的產(chǎn)品。目前多個國家已經(jīng)批準生產(chǎn)三氯蔗糖，生產(chǎn)工藝流程也逐漸成熟。三氯蔗糖可以作為多種食品的添加劑，已逐步取代傳統(tǒng)食品甜味劑，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的健康需求。

三氯蔗糖作為新型甜味劑的代表在多本國外著名教材[1,2]中已被收錄，但目前國內(nèi)主要的有機化學(xué)教材則鮮有提及。事實上，三氯蔗糖跟大學(xué)有機化學(xué)中碳水化合物的內(nèi)容密切相關(guān)。此外，它的合成工藝所涉及的轉(zhuǎn)化與有機化學(xué)中羥基的反應(yīng)性如醚化、酯化和氯化等內(nèi)容也緊密相連。因此，筆者認為適宜地將三氯蔗糖引入到有機化學(xué)相關(guān)章節(jié)如碳水化合物的授課教學(xué)中，一方面既能拓展章節(jié)知識內(nèi)容；另一方面也能夠讓學(xué)生深刻了解有機化學(xué)在三氯蔗糖等精細化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的重要作用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。下文將就三氯蔗糖的性質(zhì)、發(fā)現(xiàn)、合成及應(yīng)用進行闡述。

2 三氯蔗糖概述

2.1 三氯蔗糖基本性質(zhì)

三氯蔗糖(Sucralose)是鹵代蔗糖的一種，它的化學(xué)名稱為4,1',6'-三氯-4,1',6'-三脫氧半乳型蔗糖(4,1',6'-trichloro-4,1',6'-deoxy-sucrose)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。蔗糖分子中的4,1',6'位的羥基被氯原子取代，同時4-位發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，由平伏鍵轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷㈡I。

圖1 蔗糖(Sucrose)和三氯蔗糖(Sucralose)的結(jié)構(gòu)

三氯蔗糖是白色結(jié)晶性粉末。它的甜味純正，甜度非常高，大約是5%蔗糖溶液的600倍，與蔗糖的味感十分接近，沒有其他甜味劑如糖精、甜蜜素等所帶來的后苦味及金屬味。三氯蔗糖的能量值極低，對肥胖癥患者、心血管疾病患者、糖尿病患者及老年人特別適用，備受人們青睞。三氯蔗糖具有很好的穩(wěn)定性，不易與其他食品組分發(fā)生反應(yīng)。其易溶于水，且表面張力與水接近。因此，三氯蔗糖在水中溶解時，不易產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象，易于稀釋，可以應(yīng)用于碳酸飲料和酒精飲料的生產(chǎn)制造[3]。它的安全性已獲得充分的研究，到目前為止，沒有充足的證據(jù)表明三氯蔗糖對人體有明顯的損害，安全性極高。美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)確認三氯蔗糖是一般公認的安全類添加劑，我國也在1997年7月1日起批準使用。

2.2 三氯蔗糖的發(fā)現(xiàn)

三氯蔗糖可謂是一個偶然的重要的發(fā)現(xiàn)。1975年，一位印度籍的研究生Shashikant Phadnis在伊麗莎白女王學(xué)院(現(xiàn)為倫敦國王學(xué)院) L. Hough教授的實驗室研究殺蟲劑。其中的一項研究是將硫酰氯(SO2Cl2)與蔗糖反應(yīng)得到蔗糖的氯代物，他們期望這種殺蟲劑可以產(chǎn)生良好的殺蟲效果。有意思的是，如果不是因為一個單詞的誤聽，三氯蔗糖可能會繼續(xù)沉寂于殺蟲劑的研究中。Phadnis在一聽電話中將“test”誤聽為“taste”，盡管自己研究的是殺蟲劑，但是由于該電話來自一家大型制糖公司，所以Phadnis認為公司要求品嘗產(chǎn)品也是合理的。于是，他沒顧慮產(chǎn)品中可能存在的危險做了嘗試，并驚奇地發(fā)現(xiàn)蔗糖的氯代物具有很強的甜味，為迄今最具競爭力的高倍甜味劑三氯蔗糖的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[4]。

隨后，科研人員利用硫酰氯(SO2Cl2)、亞硫酰氯(SOCl2)、三苯基膦(PPh3)-四氯化碳(CCl4)等氯化條件合成了多種氯代的蔗糖衍生物。有趣的是，有的氯代產(chǎn)物呈現(xiàn)出甜味，有的呈現(xiàn)出苦味。具有甜味的衍生物甜度也有很大差異。在前人大量研究的基礎(chǔ)上，英國泰萊公司(Tate & Lyle)于1976年成功研發(fā)了現(xiàn)在市面上使用的三氯蔗糖，將其商品命名為“Splenda”，并申請了專利。目前，泰萊公司仍是全球最主要的三氯蔗糖供應(yīng)商。近些年，山東康寶生化科技、江蘇鹽城捷康和安徽金禾實業(yè)等國內(nèi)企業(yè)發(fā)展迅猛，有望進一步提升中國在三氯蔗糖市場的話語權(quán)。

3 三氯蔗糖合成工藝

三氯蔗糖的合成方法有化學(xué)合成法和生物酶合成法。盡管生物催化合成近年來引起了廣泛的關(guān)注，但是化學(xué)合成仍是三氯蔗糖生產(chǎn)最主要的工藝。

三氯蔗糖是以蔗糖為原料通過在C4，C1'，C6'三個位置脫氧氯代合成的蔗糖衍生物。然而，蔗糖分子含有8個自由羥基包括3個伯羥基和5個仲羥基(圖1 1)，這種復(fù)雜的多羥基結(jié)構(gòu)使得選擇性氯化反應(yīng)變得異常困難。研究表明羥基的反應(yīng)活性順序大致為C6, C6' > C4 >C1' > C2, C3, C3'[5]，因而，要對C4，C1'，C6'處的羥基實現(xiàn)氯化，而保留高活性C6號位的羥基，就需要預(yù)先對C6位羥基進行保護。根據(jù)官能團保護數(shù)量的不同可分為全基團保護法和單基團保護法，本文將分別列舉一條典型的路線來對這兩種方法進行介紹。

3.1 全基團保護法

全基團保護法是基于蔗糖分子中不同羥基的空間位阻差異，利用較大體積的基團如三苯基甲基選擇性地保護蔗糖中3個伯羥基，然后對其余的5個仲羥基進行乙?；?。接著全保護的蔗糖衍生物4在酸性條件下選擇性脫除三苯基甲基，得到產(chǎn)物5 (圖2)。在三乙胺作用下，4號位的乙?；w移至反應(yīng)活性更高的C6號位，從而生成產(chǎn)物6，該過程是全基團保護法的關(guān)鍵步驟。隨后，利用三苯基膦和四氯化碳進行氯化(Apple反應(yīng))，以及利用甲醇鈉/甲醇體系脫除乙酰基，就可得到目標產(chǎn)品三氯蔗糖(圖2 2)[6]。

圖2 全基團保護法合成三氯蔗糖

全基團保護法是較早合成三氯蔗糖的方法，這一發(fā)現(xiàn)使人工合成三氯蔗糖成為可能。該法具有無需色譜分離、產(chǎn)品收率和純度高以及反應(yīng)條件便于控制的優(yōu)點。其缺點是步驟多、工藝復(fù)雜、原料三苯基氯甲烷價格昂貴，生產(chǎn)成本高。盡管全基團保護法經(jīng)過不斷的創(chuàng)新和改進，取得了一定的進展，但由于其合成步驟太過冗長，仍須尋找更為簡化有效的合成方法。

3.2 單基團保護法

單基團保護法合成三氯蔗糖是先將蔗糖6號位的羥基選擇性地酰基化，得到蔗糖-6-酯(圖3 9)[7]；然后再選擇性地將C4，C1'，C6'三處具有較高活性的羥基進行氯化，得到產(chǎn)物10；隨后脫除乙酰基即可制得三氯蔗糖(圖3)[8]。Khan和Mufti最早提出這種路線，由于該法只保護一個羥基，極大地簡化了工序和操作[8]。因此，該法一直是三氯蔗糖工藝路線研究的熱點。在以原甲酸三乙酯作為乙?；噭┑穆肪€中，除了生成預(yù)期的蔗糖-6-酯(圖3 9)外，還生成了其異構(gòu)體蔗糖-4-酯(圖3 9’)。值得指出的是，異構(gòu)體9’在叔丁胺作用下可以轉(zhuǎn)化為9，進一步提高該方法的效率。利用二氯亞砜可以有效地完成蔗糖-6-酯的氯化，得到化合物10。為方便提純，通常將剩余的四個仲羥基進行乙酰化，再一次性脫除五個羥基即可制得三氯蔗糖[9]。

圖3 全基團保護法合成三氯蔗糖

單基團保護法最為關(guān)鍵的步驟是如何選擇性地實現(xiàn)單酯化，該過程效率的高低直接影響著整條路線的成本。由于酶催化具有獨特的專一性和高選擇性，所以，利用酶催化來高效地獲取單酯化產(chǎn)物蔗糖-6-酯不失為一種優(yōu)異的策略。

4 三氯蔗糖的應(yīng)用研究

4.1 食品工業(yè)中的應(yīng)用

三氯蔗糖已經(jīng)在超過500種食品的生產(chǎn)中得到應(yīng)用，包括碳酸飲料、酒品、水果罐頭、糖果類、焙烤類糕點、乳酪類、低糖餡類食品等。三氯蔗糖的穩(wěn)定性較高，使用十分便捷。通常可采取高壓液相色譜(HPLC)法測定其含量，以便獲得三氯蔗糖含量和口味效果等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。目前，具有代表性的可口可樂、百事可樂等碳酸飲料都已經(jīng)推出以三氯蔗糖作為甜味劑的低熱量系列產(chǎn)品，極大地提高了三氯蔗糖的市場需求。實驗表明，三氯蔗糖極少的添加量，就可以大大改善酒類產(chǎn)品的口感，可以掩蓋部分酒類產(chǎn)品的酸澀感，使之口味鮮甜、醇厚、酒體協(xié)調(diào)、無異味。三氯蔗糖在糕點烘焙中基本不會流失，也不會參與發(fā)酵反應(yīng)，不會影響酵母的生長，因此非常適用于食品添加劑中。此外，在農(nóng)、畜、水產(chǎn)品的生產(chǎn)加工中，三氯蔗糖作為調(diào)味品可使咸味、酸味等食品的口感更加柔和[10]。

4.2 日化用品中的應(yīng)用

三氯蔗糖除了在食品工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，在日化用品中也占有一席之地。牙膏的基本成分包括摩擦劑，其作用是增強刷牙的摩擦力，幫助去除食物殘屑和軟垢等。但是摩擦劑通常具有堿土味，加上其他一些特殊藥劑的苦澀味，因而未添加味覺改良劑的牙膏難以入口。味覺改良劑通常包括甜味劑和咸味劑。鑒于三氯蔗糖具有不參與機體代謝且其代謝途徑與胰島素?zé)o關(guān)、甜度高、用量少、甜味純正、不會引起牙齒齲變的特點，它可作為一種功能型甜味劑應(yīng)用在牙膏中，代替牙膏中常用的甜味劑糖精鈉，使牙膏的質(zhì)量和風(fēng)味更佳[11]。

4.3 醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

三氯蔗糖除了作為重要的甜味劑外，它還具有抗菌特性，這使得其可應(yīng)用于納米醫(yī)用材料[12]。此外，三氯蔗糖還可以改善藥物顆粒口感，因而常作為矯味劑應(yīng)用在藥品、保健品中。由于其用量小，且能有效改善口感，在兒童用藥中也占有一席之地。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)的祝洪艷等人[13]通過實驗以及運用數(shù)學(xué)模型法評價了不同甜味劑和芳香劑的配方，用于復(fù)方板藍根口服液的矯味，結(jié)果表明三氯蔗糖和桔子香精配合應(yīng)用對板藍根口服液的矯味效果最好。

5 結(jié)語

碳水化合物的合成與轉(zhuǎn)化是有機化學(xué)的重要組成部分，然而由于其復(fù)雜的多羥基結(jié)構(gòu)，讓多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中望而卻步。但是，碳水化合物的學(xué)習(xí)與有機化學(xué)中環(huán)己烷的構(gòu)象、羥基的反應(yīng)類型、立體化學(xué)都緊密相關(guān)，并且能有效加深對這些知識的理解。同時，碳水化合物相關(guān)知識的掌握也能夠為生物化學(xué)奠定重要的基礎(chǔ)。三氯蔗糖作為蔗糖重要的衍生物，甜度異常高，跟我們生活聯(lián)系密切，具有很高的經(jīng)濟價值；并且其合成過程涉及前面提及的構(gòu)象、反應(yīng)性和立體化學(xué)知識，與本科教學(xué)高度關(guān)聯(lián)。因此，三氯蔗糖可以作為良好的素材，將其引入到有機化學(xué)教學(xué)中能夠?qū)嶋H應(yīng)用與基礎(chǔ)教育相結(jié)合，為教學(xué)帶來趣味，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。筆者在教學(xué)實踐中已在環(huán)己烷構(gòu)象、立體化學(xué)、醇的反應(yīng)章節(jié)中補充三氯蔗糖的內(nèi)容。通過對這部分知識的介紹，學(xué)生加深了對環(huán)己烷構(gòu)象的理解，也進一步認識了異頭碳效應(yīng)。三氯蔗糖的合成工藝讓學(xué)生更清楚地理解不同取代類型羥基的反應(yīng)活性差異，以及該轉(zhuǎn)化涉及的反應(yīng)類型。綜上所述，三氯蔗糖相關(guān)知識的引入能夠很好地促進有機化學(xué)的教學(xué)。