（应用化学专业论文）近临界水中薯蓣皂苷水解生成薯蓣皂苷元的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：塑堕翌! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期：塑岁口 上海大学硕士学位论文 摘要 薯蓣皂苷元是合成甾体激素类药物的重要中间体，随着甾体激素药物的广 泛应用和迅速发展，对它的需求量越来越大。由于难以用化学方法进行合成， 人们普遍从薯蓣属植物中通过水解薯蓣皂苷进行提取。但是目前的水解方法都 是酸水解法，产率较低，资源浪费较大，而且水的消耗量大以及环境污染严重； 同时我国的薯蓣属植物资源比较丰富。因此，开发和改进新的薯蓣皂苷元生产 工艺具有重要的意义。 近临界水除了具有价廉、环境友好等优点外，还具有一些独特的物理化学 性质，近年来已逐渐成为氧化、还原、水解等许多重要工业有机反应的优良介质， 日益成为人们研究的焦点。本文以盾叶薯蓣( 黄姜) 根茎为原料，提出了一条在 无任何外加催化剂条件下薯蓣皂苷在近临界水中水解生成薯蓣皂苷元的新工艺， 并且优化了工艺条件。 首先，本文采用l ，( 3 4 ) 正交设计法，以薯蓣皂苷提取率为指标，优化并 确定了黄姜中薯蓣皂苷的醇提工艺。结果表明，当乙醇浓度为9 5 及醇用量为 1 2 倍时，薯蓣皂菅提取充分，并且易于乙醇回收：同时原料中的其他成分未加 破坏，有利于薯蓣资源的综合利用。 本文着重研究了在近临界水中薯蓣皂苷水解生成薯蓣皂苷元的工艺，根据 近临界水的特性和反应特点，确定了反应温度、反应压力以及反应时间等因素为 水解反应条件参数，通过大量实验研究了近临界水中薯蓣皂苷水解反应各因素 的影响以及相互的关系，采用气相色谱、红外光谱、气质联用及熔点仪对薯蓣皂 苷元水解产品进行了定量和定性分析，从而优化并确定了最佳的水解工艺条件。 结果表明，薯蓣皂苷在近临界水中水解生成薯蓣皂苷元的反应能够顺利进行， 反应温度t = 2 6 0 c ，压力p = 2 5 m p a ，时间t = 1 0 m i n 时薯蓣皂苷元产品收率较大 为1 4 6 ，并且产品质量良好。 同时，对于薯蓣皂苷在近临界水中水解反应的级数和活化能等动力学内容 进行了初步的讨论。结果表明，薯蓣皂苷在近临界水中水解是个一级反应，在 5 0 3 k 、5 1 3 k 、5 2 3 k 、5 3 3 k 下的反应速率常数分别为o6 5 3 x 1 0 。s 、0 8 9 7 x 1 0 3 s 一、 上海大学硕士学位论文 1 3 0 x 1 0 3 s 、1 8 2 x 1 0 3 s _ 1 。反应活化能为e a = 7 7 2 1 0 m o l 。 本文也考察了薯蓣皂苷酸水解法和常规酸水解法一预发酵一酸水解法。结果 表明，前者在2 0 t o o l - l 1 h c i 溶液中水解4 h 时，薯蓣皂苷元收率较大为1 7 8 ： 后者在2 5 m o l l 1 h c i 溶液中水解6 h 时，薯蓣皂苷元收率较大为2 0 1 ：酸水解 后，都需要加碱中和及多次水洗等一系列工序。 研究表明，薯蓣皂苷在近临界水中水解生成薯蓣皂苷元的反应收率较高， 产品质量良好，条件易于控制并且大幅度提高了反应效率；由于采用近临界水 为反应会质。可以避免酸催化剂的使用，对于环境友好，同时减少了大量水的 消耗，是一种环境友好且有前景的提取薯蓣皂苷元的新工艺。 关键词：近临界水；薯蓣皂苷：薯蓣皂苷元；水解反应 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i o s g e n i no o n t a i n e di nt h et u b e ro fd i o s c o r e ap l a mi st h ei m p o r t a n tr a wm a t e r i a lf o r s r n t h e s j z i n gm e d i c a t i o no fs t e r o i di n c r e f i o n , a c o o i 【l i a gt 0t h em o i l ge x t e n s i v eu s e da n d r a p i d l yd e v e l o p e do fs t e r o i di n c r e f i o n , i t sd e m a n db e e o r a c $ m o r ea n dl l l o r e a tp r e s e n t , i ti s m o s ti n d u s t r i a l l yo b t a i n e db ya c i dh y d m l y s i so ft h i sp l a n t , i tn o to n l yh a sl o wd i o s g e n i n y i e l da n dc o u l dn o tu s ep l a n ts u f f i c i e n t l y , b u ta l s on e e dag r e a td e a lw a t e ra n dp o l l u t e e n v i r o n m e n tb a d l y a tt h es a l t t ef i r o e , t h ed i o s c o r e ap l a n ti e s o l l z c ei no l l xc o u n l 】yi s e n r i c h m e n t , s ow ed e v e l o p e dai i e wt e c h n i c si nt h es u b e r i t i c o lw a t e r , w h i c hi sac l e a n n e s s p r o c e s sa n dc o u l dm e t h er e s o u l r ：es u f f i c i e n t l y s u b c r i t i c a lw a t e ri se a s f l yg e ta n dn o n - p o l l u t e , m o s ti m p o r t a n ti tp o s s e s s e su n i q u e p h y s i c a lc h e m i s m yp r o p e r t i e st h a tn 咄ci ta l le f f e c t i v ea n di m p o r t a n tr e a c t i o nr o “t i u l no r s o l v e n tf o rm a n yc h e m i c a lr e a c t i o n s ，s u c ha so x i d a f i o n , d e a x i d i z a f i o na n dh y d r o l y s i s s oi n t h i sr e s e a r c hw es t u d i e dt h et e c h n o l o g yo fd i o s g e n i np r o d u c t i o nf r o md i o s c i nh y d r o l y s i s w h i c h i s c a m e do u t i n s u b c r i t i e a l w a t e r w i t h o u t a n y c a t a l y s t f i r s t , w eu s e dt h eb ( 3 4 ) o r t h o g o n a lt e s td e s i g 皿f a c t o r sw e r et h ec o n c e n t r a t i o na n d d o s a g eo f e t h a n o l ，t h et i m ea n df r e q u e n c ye f e t h a n o lr e f l u x i n gi nt h ee x t r a c t i o ne x p e r i m e n t , a n da n a l y s e d b y t h e e f f e c t i v e h i g h p e 商o r m a n e e l i q u i d c l - o m m o g r a m , t h eo p t i m a l e x t r a c t i n g p r o c e d u r ew a ss e l e c t e db yt h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fd i o s e i nf r o mp l a n tt h eo p t i m a l c o n d i t i o n sw e r af o l l o w e d ，e t h a n o lc o n c e n t r a u o n9 5 e t h a n o ld o s a g e1 2t i m e so fp l a n t , r e f l u x i n g3t i m e sa n de a c ht i m e3h o u r s i nt h i sr e p o r t , w e e s p e c i a l l ys t u d i e dt h et e c h n i c so fd i o s c i nh y d r o l y s i s i nt h e s u b c r i t i c a lw a t e r , t h r o u g ht h ea n a l y s e so fe x p e r i m e n th o wt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n dt h er e a c t i o nt i m ei n f l u e n c e dt h ed i o s e i nh y d r o l y s i s ，w ec a nd r a wt h ec i l r v e so f i n f l u e n c ef a c t e r sb yt h ei n t r o d u c i n go fg a sc h r o m a l o g r a m , i n f r a r e ds p e c t r u m , g a sc h i o m a - m a s ss p e c t u m la n dm e l t i n gp o i n tm c n s t l r a t et oa n a l y s ed i o s g e n mp r o d u c tq u a n t i t a t i v e l ya n d q u a l i t a t i v e l y ，w eo b t a i n e dt h eo p t i m u mh y d r o l y s i sc o n d i t i o n s ：r e a c t i o np r e s s u r e2 50m p a , r e a c t i o nt e m p e r a t u r e2 6 0 a n dt h er e a c t i o nt i m ei s1 0m i n u t e s t h ed i o s g e n i ny i e l di s 3 上海大学硕士学位论文 1 4 6 a tt h e $ a r a et i m e ，w ed i s c u s s e dt h eh y d r o l y s i sr e a c t i o n s 由n a m i cc e m e n t t h e r e s e a r c hr e s u l t s p r o v e d t h a tt h ed i o s c i n h y d r o l y s i s r e a g t i o ni saf i r s t - o r d e ra n d h o m o g e n e o n s er e a s o n ，i t sa c t i v a t i o ne n e r g yi se a = 7 7 2 1 d - r e e l i nt h i sp a p e i ；w ea l s oa d o p tt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s - - - n a t u r a lf e r m e n ta n da c i d h y d r o l y s i so fd i n s c i n , c o n f i r m e dt h e i ro p t i m u mc o n d i t i o n s ，a n dt h e nc o m p a r e dn c w h y d r o l y s i sm e t h o dw i t ht h e n ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh y d r o l y s i sp r o c e s sw h i c hw e d e v e l o p e di nt h i ss t u d yn o to n l yh a sr e l a t i v e l yi d e a ly i e l do fd i o s g e a l n , b u ta l s og a i lb e e a s i l yo p e r a t e d d u et ot h eu s i n go fn c w w a t e ra sm e d i u mi nt h i sp r o c e s s , w ec , a na v o i d t h ea c i da d o p t i o na n di t sp o n u t i n gt oe n v i r o n m e n t , i ta l s ol a r g e l yr e d u c e dt h eu s eo fw a t e r a n ds u f f i c i e n t l yu t i l i z gt h ed i o s c o r e ap l a n tr e s o u r e e ，s ot h i sp r o c e s si sai i g wr e l a t i v e l y e f f e c t i v e , f r i e n d l yf o r t h ee n v i r o n m e n ta n dh i g h l yc l e a nm e t h o d k e y w o r d s ：s u b c r i t i c a lw a t e r ；d i o s c i n ；d i o s g e n i n ；h y d r o l y s i s r e a c u o n , 上海大学硕士学位论文 1 1 概述 1 1 1 盾叶薯蓣 第一章绪论 薯蓣属( d i o s c r e a ) 植物属于薯蓣科，是该科中最大的属。根据r k n u f l a 的研 究，全世界薯蓣科植物共有9 属，约6 5 0 种，而薯蓣属就占6 0 0 种，多为野生， 主要分布于全球的热带和温带地区f l 】。我国薯蓣属植物约6 0 余种，资源丰富， 分布于南北各地田。其中只有根状茎组的1 7 种、l 亚种及2 变种可水解得到甾 体皂苷元，其它则含有大量淀粉，而得不到皂苷元。它们中分布较广的有穿龙 薯蓣、盾叶薯蓣、粉背薯蓣、叉蕊薯蓣、蜀葵薯蓣等【3 】。其中作为薯蓣皂苷元 生产原料的植物主要有盾叶薯蓣，即d i o s e o r e az i n g i b e r e n s i sw r g 血t 的根茎，和穿 龙薯蓣，即d n i p p o n i e a m a k i n o 的根茎。在薯蓣属植物的根茎中，薯蓣皂苷元以 糖苷形式存在，被称为薯蓣皂苷，结构如图1 1 所示。薯蓣皂苷水解后，可得 到薯蓣皂营元和糖。 h 图1 - i 薯蓣皂苷和薯蓣皂苷元的结构 盾叶薯蓣又名黄姜，是薯蓣属野生草质藤本植物【4 】，是我国一个特有品种， 也是世界上薯蓣属植物中薯蓣皂苷元含量较高的种类，主要分布于我国长江流 上海大学硕士学位论文 域。在盾叶薯蓣的研究中，大部分是关于其化学成分的研究【”，结果表明可水 解得到的薯蓣皂苷元的含量从1 0 1 到6 1 5 不等。盾叶薯蓣的根状茎与地上 部分所含的皂苷和皂苷元不同，其根状茎含薯蓣皂苷元( d i o s g c n i n ) ，而地上部 分含约莫皂苷元( y 锄o g e n m ) 1 6 】。 1 1 2 薯蓣皂苷元 有关薯蓣属植物的化学研究从二十世纪初期就已经开始，到三十年代中期， 人们从山萆薜( d t o k o r om s k i n o ) 中分离出薯蓣属植物的第一个甾体皂苷元 薯蓣皂苷元1 7 1 ，直到1 9 4 3 年m a r k e r 用简单化学方法进行皂苷元的降解，同时用微 生物法在甾核1 1 位引进羟基的研究获得成功，从而使其成为合成多种甾体激素 和甾体避孕药的重要原料，开创了利用植物原料进行甾体药物改造合成的先例， 并促进了对薯蓣属植物中皂苷元研究工作的进行例。 薯蓣皂苷元( 2 5 r - s p i r o s t - 5 e n 3 1 b - 0 1 ) 简称5 异螺旋甾烯3 b 醇，是异螺旋甾 烷的衍生物，为白色结晶体粉末。可溶于常用有机溶剂及醋酸中，不溶于水。 薯蓣皂苷元是特定的2 7 c 甾体皂苷元。其结构特征是甾核上有单个双键5 和具 有3 b o h ，与c2 5 相连的c2 7 甲基为a 定向，即c 2 5 为r 构型。a 5 和具有3 t 3 - o h 的 结构易引入43 酮或l ，43 酮用以制各妊娠双烯醇酎酯，进而合成各种甾体抗炎 药和避孕药。c l l 上可由霉菌氧化引入羟基以生产各种皮质激素【9 】。 因此，薯蓣皂苷元是合成多种甾体激素和甾体避孕药比较理想的前体，世界 各国生产的甾体激素6 0 以上以它为原料【lo 】。甾体激素药物应用广泛，常用于 治疗风湿性关节炎、心脑血管疾病，在抗肿瘤、避孕、止血、消炎抗菌和杀虫等 方面也占有重要的位置，在农业生产和畜牧业中也有着广泛的应用。从1 9 5 8 年 开始，我国建立了以薯蓣皂苷元为主要原料的甾体激素药物工业，目前国内生产 的甾体激素类药物和甾体口服避孕药，是药品生产中仅次于抗菌素的一个重要 领域。由于薯蓣皂苷元结构的复杂性，目前还难以用化学方法进行合成【l ”。因 而，工业上普遍采用酸水解法从薯蓣植物根茎中水解薯蓣皂苷来提取薯蓣皂苷 元。 6 上海大学硕士学位论文 1 2 研究概况 薯蓣植物中除了含有皂苷以外，还含有约4 0 的淀粉和5 0 的纤维素及其 它微量化学成分。薯蓣皂苷元是薯蓣属植物中薯蓣皂苷( d i o s c i n ) 的配基，薯蓣皂 苷存在于植物细胞壁中”2 1 。因此，提取薯蓣皂苷元时应尽量使薯蓣皂苷与植物 细胞壁分开，通过酸水解作用，断开薯蓣皂苷元与糖相连的苷键，使薯蓣皂苷元 游离出来，利用它不溶于水而溶于有机溶剂的性质，用丙酮或石油醚等溶剂把它 提取出来。 1 2 1 水解方法 对于薯蓣皂苷元的提取，目前比较常见的酸水解法，主要以r o t h r o k 首创 的酸水解生产工艺为基础【1 ”，一般分为两类：化学水解法( 直接酸水解法、预发 酵一酸水解法、超临界流体提取法) 和生物水解法( 酶解法或微生物发酵法) 。尽 管方法多样，但有一点是共同的，所有这些方法均为酸水解法，即采用强酸溶液 使薯蓣皂苷元与糖单元相连的糖苷键断裂，从而游离出来，再用有机溶剂提取薯 蓣皂苷元。归纳起来，这些方法大致如下： 1 2 1 1 化学水解法 1 2 1 1 1 直接酸水解法 将薯蓣类植物的根茎干燥、粉碎后，直接在酸性溶液中( 多采用盐酸或硫酸 水溶液) 水解，使薯蓣皂苷水解为薯蓣皂苷元，然后再用亲脂性溶剂将薯蓣皂苷 元提取出来。也可先用醇与干燥、粉碎后的薯蓣类植物的根茎混合，提取薯蓣 皂苷，然后将醇提物用酸性溶液直接水解。水解过程中，值得注意的问题是常 有副反应发生【1 4 1 ，一是若用盐酸水解则有可能发生羟基氯代，可采用硫酸；二 是薯蓣皂苷元易脱水转变为3 s - c l e o x y t i g o g e n i n ，其收率可随酸的浓度、样品稀释 程度增加而增加。此外，还可产生c 2 5 e p i m e r 及f 环开环的化合物。水解后，还需 选择台适的中和用碱，将酸性溶液进行中和后进行提取【”1 ，否则在水解物干燥时 由于酸度和温度过高会使产品破坏。由于薯蓣皂苷元在植物体内存在形式的复 上海大学硕士学位论文 杂性，常规的酸直接水解法产率往往较低【1 6 】。 1 ，2 1 1 2 两相溶剂水解法 在酸一水体系中，加入与水不相溶的溶剂，形成新的两相体系，可以部分避 免因薯蓣皂苷及皂苷元的脱水而使薯蓣皂苷元产率降低”7 1 。这一方法的关键在 于选择合适的有机溶剂，最大程度的溶解薯蓣皂苷和薯蓣皂苷元，一方面保证 薯蓣皂苷的萃取和水解完全，另一方面要保证薯蓣皂苷元的萃取完全。这种方 法条件不易控制，成本较高，在实际生产中该工艺的应用还未见报道。 1 2 1 1 3 预发酵法 预发酵法又称自然发酵法，即在常规酸水解工序前，让薯蓣原料根茎在无 人工接入菌种的情况下，先自然发酵。由于薯蓣原料根茎中含有大量的淀粉和 纤维索，将对有效成分的溶出有很大的干扰作用。自然发酵法利用内源酶酶解， 使淀粉和纤维素发生一定程度的降解，从而使有效成分易于溶出【l ”。然而，现 行的预发酵方法一一自然发酵的实质是杂菌“混合发酵”。除内源酶外，原料、 空气和水中的多种微生物均可引起各种不同的反应。自然发酵的条件和程度都 不易控制，很难给出均匀一致的最佳发酵条件，而且产品质量不够稳定。例如， 在自然发酵过程中，薯蓣皂苷元可以转化为丝兰皂苷元及其衍生物，它们在5 ，6 位上没有双键，不能进一步合成激素药物而使杂质增加。 1 2 1 1 4 超临界c 0 。萃取法 超l 临界c 0 2 萃取技术在中草药开发中具有明显的优越性【1 9 j 。它是以超临界 状态的c 0 2 流体为溶剂，利用超临界c 0 2 在临界点附近所具有的高渗透性、高扩 散性和高溶解能力对萃取物中的目标组分进行提取分离，从而达到分离精制的 目的。所以可将酸水解后得到的滤饼，采用超临界c 0 2 进行萃取，代替石油醚 提取。这种萃取薯蓣皂苷元的工艺将具有提取率高，萃取能力强等特点。葛发 欢、史庆龙等报道了利用超临界c 0 2 从黄山药中萃取薯蓣皂苷元的方法，取 得了一定的效果。 上海大学硕士学位论文 1 2 1 2 生物水解法 在酸水解前采用酶解或微生物发酵的方法来破坏细胞壁的结构，把被“禁 锢”在细胞壁上的薯蓣皂苷“释放”出来，以提高酸水解的产率。采用酶法， 专一性更强。与直接酸水解法相比，加入纤维素酶、果胶酶、苦杏仁酶和葡萄 糖苷酶可较大的提高薯蓣皂苷元的产率【2 l 】。周振起等用糖化酶或液体曲发酵盾 叶薯蓣根茎，规模生产( i t 到1 3 0 ，薯蓣皂苷元的产率可提高3 0 左右瞄l ：赵书 申等用黑曲霉菌株对盾叶薯蓣根茎发酵，薯蓣皂苷元的产率可提高4 0 2 ”。还 有研究报道，在发酵过程中加入植物生长调节剂，也可以提高薯蓣皂苷元的产 率。 目前，生产中常见的是直接酸水解、自然发酵一酸水解或微生物发酵一酸水 解法。从资源利用和环保方面看，生物水解法要优于化学水解法，因为化学水解 法生产薯蓣皂苷元时，只是单一的提取薯蓣皂苷元，产率没有生物水解法高，并 且对有限的薯蓣资源浪费较大- 2 3 。 1 2 2 分离方法 随着分离技术的发展和薯蓣皂苷元新的生物活性的发现 2 4 1 ，薯蓣皂苷元的 分离方法有了很大的发展。传统的提取工艺采用连续加热回流提取法，多年来 先后开发了汽油、乙醇、石油醚、环已烷、氯仿、苯等有机溶剂为溶媒的提取 工艺。超临界流体萃取系统具有较快的传质和萃取速度，是近年来新兴的萃取 手段之一。d e 等建立了从植物中提取薯蓣皂苷元的超临界萃取方法，萃取过程 可采用从酸解后的植物中进行萃取或植物与酸和超l i 缶界流体混合两种方式，然 后从超临界流体中回收产物【2 ”。提取的薯蓣皂苷元产品用甲醇或乙醇重结晶， 然后用硅胶柱层析，以氯仿一丙酮或环己烷一乙酸乙酯进行梯度洗脱，可分离制 得高纯度产品1 2 “。 上海大学硕士学位论文 1 3 超( 近) 临界水的性质及其在化学反应中的应用 1 3 1 超( 近) 临界水的性质 近年来，超( 近) 临界水以其独特的性质，作为溶剂和反应介质在许多领 域( 如环境治理、材料科学、化学工艺等方面) 得到了广泛的应用。在超( 近) 临界水中进行的化学反应，可通过控制温度和压力来调节反应环境，具有增大 反应物和产物的溶解度、提高反应转化率、加快反应速率和没有二次污染产生 等显著优点1 2 7 - 3 , 1 。 水的临界温度t c - 3 7 4 ，临界压力p c - 2 2 1 m p a 。当体系的温度和压力超过临 界点时，就被称为“超临界”的水( s c w ) ，它是介于气体和液体之间的一种特 殊的状态。由于水的临界点是相图上气液共存曲线的终点，是所谓的二级相变之 一，这决定了任何水的状态方程的比偏微分都要在临界点发散到正的或负的无穷 大。 近临界水( n c w ) ，一般是指t = 2 0 0 c - 3 5 0 ( 2 、p p o ( p o 为饱和蒸汽压) 状 态下的水。在超、近临界条件下，水的性质与常温、常压下水的性质相比有了很 大变化。 1 3 1 1 超( 近) 临界水的密度 随着压力的升高，超临界水的密度可以从类似于蒸汽的密度值连续地变到类 似于液体的密度值，且密度将随温度和压力的变化而发生很大变化，如图1 _ 2 3 0 】所 示。特别是在临界点附近，水的密度对温度和压力的变化十分敏感，可以随温度 和压力的变化而迅速在液态水( p = l g c m 3 ) 和低压水蒸汽( o ( 0 0 0 1 1 9 e m 3 ) 的 密度之间变化，在临界点水的密度为0 1 9 - c m 3 p ”。 上海大学硕士学位论文 图1 2 水的密度随温度和压力的变化图 1 31 2 超( 近) 临界水的粘度和扩散系数 不。 超临界水的扩散系数虽然比过热蒸汽小，但比常态水大得多，如表1 1 【划所 表1 一i 常态水、过热蒸汽和超临界水的扩散系数的比较 扩散系数7 7 4 x 1 0 6 c n l 2 s 11 7 9 x 1 0 4 c i i l 2 , s 。17 6 7 x 1 0 4 c m 2 s - 在超临界区域，超临界水的粘度仅为常态水的十分之一。水在临界点附近区 域的动态粘度变得很小，大约只有普通水的十分之一至二十分之一。在高密度区 域，粘度随温度升高而降低，而在低密度区域则随温度升高而升高。超( 近) 临界 水的低粘度和较高的扩散系数使超( 近) 临界水分子和溶质分子具有较高的分子 迁移率，溶质分子很容易在超临界水中扩散，从而使超( 近) 临界水成为一种很好 的反应媒介，有利于多相催化反应中传质阻力的消除【”】。水的粘度随温度和压力 的变化规律如图1 3 所示。 上海大学硕士学位论文 图1 3 水的粘度随温度和压力的变化图 1 3 1 3 超( 近) 临界水的介电常数 水的介电常数随压力的增大而增大，随温度的升高而减小，如图1 4 所示【3 4 】。 在低密度的超临界区域内，介电常数降低了一个数量级，如在3 0 m p a 的等压线上， 从3 0 0 ( 2 n 5 0 0 c 间，超临界水的介电常数从2 2 0 ( 中等极性) 变到1 7 ( 无极性) ，这 时超l i 缶界水类似于非极性的有机溶剂。水在近临界状态下，介电常数和密度介于 过熟蒸汽和液态水之间，使它和常温下丙酮的性质相近，近临界水对大多数有机 化合物具有较好的溶解能力吲。 图1 4 水的介电常数随温度和压力的变化图 上海大学硕士学位论文 1 3 1 4 超( 近) 临界水的氢键 水的一些宏观性质与水的微观性质密切相关。水的许多独特性质是由水分 子之间氢键的键合性质来决定的。并且温度升高能快速降低氢键的总数，因此 破坏了水在室温下存在的氧四方有序结构。在室温下，压力增加只能稍微增加 氢键的数量及降低氢键的线性度。当温度达到临界温度时，水中的氢键相比近 临界和超临界区有一个显著的降低。当温度上升到临界温度时，饱和水蒸汽 中的氢键的增加值等于液相中氢键的减少值，此时液相中的氢键约占总量的 1 7 0 o p t 。 g o r b u t y 等利用m 光谱研究了高温水中氢键的存在与温度的关系，并得出了 氢键度( x ) 与温度t 的关系式： x = ( - 8 6 8 x 1 0 4 ) t 8 5 1 该式描述了在2 8 0 8 0 0 k 温度范围内x 的行为，x 表征了氢键对温度的依赖 性。在2 9 8 7 7 3 k 范围内，温度t 和x 的关系大致呈线性。在2 9 8 k 时，水的x 值约为 0 5 5 ，意味着液体水中的氢键约为冰的一半：而在6 7 3 k 时，x 约为0 3 ，大部分氢键 都断裂了删。 由于氢键的作用，水的许多性质与其它液体大相径庭。最具代表性的就是水 的极高的导热性能，它的等压温度系数在1 0 c 2 0 0 c 时仍为正值，并出现最大值， 而其它液体的温度系数则为负值。 1 3 1 5 超( 近) 临界水的离子积 水的离子积与密度和温度有关，如图1 - 5 所示。由于水合作用易于在高密 度下进行，所以温度和压力升高的联合作用会引起很强的离解作用。例如，在 温度为1 0 0 0 c ，密度为l g c m o 的条件下，风增大到接近于1 0 4 m o l 2 d m 6 ，比标 准状态下水的离子积增大了1 0 7 - 1 0 8 倍。而在1 0 0 0 c 以上，当密度为2 9 c m 3 时， 水则变为高导性离子流体，类似于熔融的盐。即便是在中等温度和密度下，超( 近) 临界水的离子积也比标准状态下水的离子积高出几个数量级。这种特性对于超 ( 近) 临界水中的水解反应及其它反应是非常重要的口。 上海大学硕士学位论文 图1 - 5 水的离子积随温度和密度的变化图 在临界点附近，水的离子积岛表现出奇特的变化。随着温度升高，凰在一 定温度时达到最大值1 0 4 乙1 0 1 1 ，而后在超过l f 缶界温度后迅速下降。如在恒 定压力2 5 m p a 条件下，2 5 0 c 时凰达到最大值1 0 。1 1 0 1 ，而在4 0 0 c 时降低至 1 0 1 94 3 。因而在n c w 中，水本身可离解释放出相当浓度的盯和o h ，在没有其 他外加催化剂的情况下，即能催化酸和( 或) 碱催化反应的进行。调节水的温 度和密度，可以改变水的j r w ，从而可以使水在一定条件下适合于均裂反应，而 在另一条件下更适合于异裂反应。 1 3 2 超( 近) 临界水溶液的性质 1 3 2 1 偏摩尔性质 偏摩尔体积表征了在恒温和恒压条件下由于某一组分的加入而引起的系统 体积的变化。溶质的偏摩尔体积可用来分析超临界溶解现象的最基本的宏观热力 学性质，它常在溶液的临界点附近出现反常现象。它是通过溶质在流体相中的逸 度系数来与溶解度直接相关的。如果加入溶质后系统的总体积减少，则溶质的偏 摩尔体积就为负值。在超临界水中，系统体积的减小程度可能会很大，有时溶质 的偏摩尔体积的绝对值比其摩尔体积要高出一、两个数量级，表明水分子紧密簇 集在溶质分子周围，导致溶液总体积下降。 上海大学硕士学位论文 1 3 2 ，2 超临界溶液中成簇 溶剂分子对超临界流体中的溶质的吸引，破坏了超临界流体溶剂的结构， 并导致了溶质分子周围局部组成和局部密度出现异常，即导致了不同于其整个 流体的密度值的空间区域产生【4 l 】。这个现象称作“成簇”，“局部密度增强”或 “分子魔”。这个现象是相当重要的，因为它能够促使溶质分子周围的局部环境 不同于全环境。实验和模拟研究的结果表明，在稀溶液中，溶质分子周围的超 临界溶剂的局部密度会提高。簇一般用来描述特殊的短距离效应，不同于近临 界流体中与长距离的效应有关的偏摩尔性质的临界行为，它一般与短距离的效 应有关。溶质分子周围的溶剂簇被认为是一个动力过程的结果，簇组成与全溶 剂分子的交换频率为p s ( 肛p s ) 数量级，簇可以存在到1 0 0 p s 。簇中较高的局部溶 剂密度可以改变与密度有关的性质的局部值，例如可改变介电常数，因而影响 到反应速率1 4 2 】，而且溶剂分子簇还可以围绕反应物和过渡态种类形成“笼”，并 因此改变了一些反应的进程。 1 3 2 3 溶质的电离和缔合 溶质的电离和缔合受到水介电常数的变化和电致缩作用的控制。对于等压 条件下温度的上升，水的介电常数会降低，有利于溶质的缔合：相反，等温条 件下压力的上升有利于溶质的分解。在高温低压的超临界条件下，当水的介电 常数小于1 5 时，水中溶解的溶质会发生大规模的缔合作用，对于l ：l 的电解质， 在稀薄条件下，水中溶质的种类主要是中性的离子对，随浓度的升高，多原子 体( 包括三离体、四离子体、五离子体和六离子体) 可以在溶液中大量存在1 4 3 】。 常温常压下的强电解质在高温低压的超临界条件下会变为弱电解质，而室温下 的弱电解质则形成中性的缔合的配合物。 1 3 3 超( 近) 临界水在化学反应中的应用 作为自然界最普遍、最清洁的溶剂，使用s c w 和n c w 作为有机反应的介 质，除了具有来源广泛、价格低廉等特点外，还具有如下特点： 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 通过改变温度和压力，可以获得物理性质的较大改变，且反应条件易 于控制。反应后随着温度和压力降低到常态，以超( 近) l 临界水为介质的有机 物分子将经历由弱极性到强极性的不同溶剂环境，可自行从水中分离。这将大 大降低分离所需的费用及能耗。 ( 2 ) 可以用作绿色化学中的环境友好溶剂和催化剂，从而代替或减少环境 有害溶剂和催化剂的使用。 ( 3 ) 提高反应的选择性，改善产物分布，减少副反应发生，从而简化合成 工艺，节约能源。 ( 4 ) 变多相反应为均相反应，降低传质阻力。 ( 5 ) 可以开发新的反应过程。 1 3 3 1 近临界水优于超临界水的特性 近几十年来，科学工作者对超临界水和近临界水的物性及应用进行了大量 的研究。4 “，结果表明，n c w 除了与s c w 一样具有传质性能好( 低粘度、高扩 散系数) 的优点外，还具有以下三个特性： ( 1 ) 在饱和蒸汽压下，n c w 的电离常数在2 7 5 附近有一极大值，约为 1 0 “m o l l k 9 2 ，其值是常温常压水的1 0 0 0 倍，且电离常数随压力的增加而增大。 因此，n c w 中的矿和o 盯浓度已接近弱酸或弱碱，自身具有酸催化与碱催化的 功能。 ( 2 ) n c w 的介电常数、相对密度与丙酮相近，因此n c w 对大多数有机物具 有非常好的溶解能力m l 。 ( 3 ) n c w 反应条件( 通常使用温度2 0 0 c 3 0 0 c ) 与s c w 相比较为温和， 易于操作及宜于实现工业化等。 1 3 3 2 近临界水中的化学反应 由于n c w 具有以上特性，使它既可作为溶剂，又可用作反应物和催化剂。 利用其自身具有的酸催化与碱催化功能，可使某些酸碱催化反应不必加入酸碱 催化剂，从而避免酸碱的中和、盐的处理等工序；由于具有能溶解有机物的特 上海大学硕士学位论文 性，使n c w 能用于替代有毒有害的有机溶剂。因此，在近临界水( n c w ) 中的 绿色化工过程已开始引起人们的广泛关注。 在国外，从2 0 世纪9 0 年代初开始，对在n c w 中的有机化学反应进行了探 索。c h a n a d l e 等j k 4 7 。8 1 在没有外加酸催化剂的n c w ( 2 5 0 3 5 0 ) 中成功的使用 叔醇、仲醇甚至伯醇实现了苯酚和对甲苯酚的烷基化，合成了一系列用作聚合 物抗氧化剂的位阻酚。在没有h 2 s 0 4 或h c i 作催化剂的条件下，在2 7 5 c 时，邻 苯酰基苯甲酸发生分子内酰化反应生成了葸醌。h a r a n o 等人【5 0 1 也证明了环戊 二烯与甲基乙烯基酮在s c w 中进行d i e l s - a 1 d e r 曼应时，超临界水中反应速率比 普通水中的反应速率高。x u $ f l a n t a l 研究了在2 5 0 ( 2 ，3 4 5 m p a 的n c w 中，叔丁 醇脱水的唯一产物是叔丁烯，且反应速度非常快，在约3 0 s 后即达平衡。k r a m m e r 研究了乙酸乙酯在2 0 - - 3 0 m p a 和2 5 0 c - - 4 0 0 c 条件下的水解，对温度及压力对于 转化率和选择性的影响作了详细的研究m 1 。 在国内，n c w 中的有机化学反应研究才刚刚起步，中科院广州化学所的朱 志强等5 0 ”1 利用n c w 的溶剂和催化剂性能，成功地使苯甲醛与丙酮( 苯乙酮l 在 n c w 中进行y c l a i s e l l s c h m i d t 缩合反应以及苄叉乙酰苯的合成。上海大学朱宪 等研究了在近临界水中，无催化剂条件下，用过氧化氢作为氧源氧化甲苯生 成苯甲醛的工艺以及反应动力学。该方法以水为溶剂，且避免了使用催化剂， 对环境无污染，取得了较好的效果5 ”】。浙江大学吕秀阳等分别研究了乙酸苯 酯在近临界水中以及果糖在近临界水中的水解反应动力学数据，结果表明在无 任何外加催化剂的情况下，乙酸苯酯和果糖均能够顺利进行水解反应1 5 6 , 5 7 】。浙 江工业大学林春锦等则研究了s 酸的降解反应及其动力学，取得了较好的应用 效果嘲。 1 ，3 4 $ b - m 和n 洲反应系统中的特点 由于在s c w 和n c w 中进行有机合成反应的研究开始较晚，并且对于s c w 和n c w 的各种物理化学性质尤其是微观性质的认识还不充分，因而目前对 s c w 和n c w 对于化学反应影响的内在机理的了解还不深刻。另外，高温高压 特别是超( 近) 临界条件下多组分水溶液系统的热力学及相平衡数据比较缺乏， 上海大学硕士学位论文 而这些基础数据对于正确描述化学反应的动力学及其工业化应用设计都是必不 可少的。 另外，高温高压水溶液对反应器材料有一定的腐蚀性。目前，使用特殊陶 瓷衬底的反应器可以较有效的解决这一问题。因而，在进行有关化学反应应用 研究的同时，h q 有必要对s c w 和n c w 中的热力学数据进行深入研究。 1 4 本课题的立题和研究内容 1 4 1 本课题的研究目的和意义 目前，工业上普遍采用直接酸水解法来提取薯蓣皂苷元，该工艺存在以下 缺点： ( 1 ) 由于薯蓣植物根状茎质地坚硬和大量淀粉存在，不易水解彻底，薯蓣 皂苷元的收率较低： ( 2 ) 大量的纤维渣贯穿于生产始末，使损耗增大： ( 3 ) 由于在强酸回流的条件下进行水解，薯蓣植物中其他成分遭到破坏， 不利于资源的综合利用。 在其他生产工艺中，自然发酵法虽然可以提高一些产率，但是占原料重量 4 0 5 0 的淀粉仍基本损坏未加利用，且产品质量不够稳定：酶解法能较明显的 提高薯蓣皂苷元的产率，但酶价格太昂贵且大部分酶不能利用淀粉：微生物发 酵法同样如此，同时由于发酵或酶解需要较长的一段时间，这些方法的生产周 期往往较长。 重要的是上述工艺中由于都采用了强酸溶液进行水解，因而水解后需加碱 中和，用水多次洗涤，使得水消耗量很大，且水洗过程中半成品容易流失。另 外，其中淀粉成分的水解导致滤液中b o d 、c o d 增高，颜色加深，环境污染 较为严重。 随着甾体药物需求量越来越大，作为其原料的薯蓣皂苷元的需求量也迅速 增加。同时，我国作为薯蓣资源大国，薯蓣属植物资源比较丰富。因此，开发 新的工艺以提高产品收率、合理利用薯蓣资源以及减少环境污染，已成为人们 上海大学硕士学位论文 所日益关注的课题，并且具有重要的应用价值。 为此，本文采用近临界水技术，利用近临界水自身具有的酸碱催化特性及 其对有机物良好的溶解能力，使薯蓣皂苷在近临界水中水解生成薯蓣皂苷元， 方法如下： 首先，将黄姜根茎加入去离子水适当浸泡，粉碎干燥后，采用乙醇溶液以 提取黄姜粉末中的薯蓣皂苷。由于淀粉和其它活性成分较少溶出，仍存在于植物 粉末中，且未受破坏，仍可加以利用：乙醇则可通过减压蒸发加以回收利用。然 后以近临界水为反应介质，利用近临界水的酸碱催化特性使薯蓣皂苷水解生成 薯蓣皂苷元。当近临界水恢复常态后，由于薯蓣皂苷元不溶于水将会自行析出。 由于采用近临界水为反应介质，避免了酸催化剂的使用，从而可省去加碱 中和及水洗的工艺，可以减少水的消耗量以及半成品的流失，对环境友好，并 且水解后产品易于分离、提取。本文通过大量实验对工艺条件进行了优化，研 究表明，这是一种环境友好且有前景的提取薯蓣皂苷元的新工艺。 1 4 2 研究内容 本文采用b ( 3 4 ) 正交实验设计法，以薯蓣皂苷提取率为指标，以乙醇浓 度、乙醇用量、回流时间和回流次数为因素，采用高效液相色谱法测定薯蓣皂 苷含量，优化并确定了薯蓣皂苷的醇提工艺。 本文着重研究了在近临界水中薯蓣皂苷水解生成薯蓣皂苷元的工艺，根据 近临界水的特性和反应特点，确定了反应温度、反应压力以及反应时