（应用化学专业论文）β胡萝卜素的化学合成及其性质研究.pdf

类胡萝卜素是一类具有抗氧化性的天然色素，b 胡萝卜素是一种应用最广泛的类胡 萝卜素，具有多种功能。国内目前还不能大规模合成生产d 胡萝卜素，因此，研究d 胡萝卜素的化学合成具有重要的意义。本课题主要研究了b 胡萝b 素的全合成，摸索出 了一条步骤简化，操作较简单的合成路线，并将合成出的p 胡萝卜素与天然d 胡萝卜素 进行了鉴别和性质对比研究。 本实验通过六步反应合成了b 胡萝卜素，主要采用的反应是w i t t i g h o m e r 反应。 首先合成了类胡萝卜素的中间体2 ，7 二甲基2 ，4 ，6 辛三烯二醛，以1 ，4 二溴2 丁 烯与亚磷酸三乙酯进行磷叶立德反应，得到纯度为9 5 的2 丁烯1 ，4 亚磷酸四乙酯， 产率为7 1 5 ，优化实验得出最佳反应温度为1 2 0 ，最佳反应时间为8 h ，然后在碱性 条件与丙酮醛缩二甲醇反应生成2 ，7 二甲基2 ，4 ，6 辛三烯1 ，8 二醛缩四甲醇，优 化实验得出最佳萃取剂为石油醚正己烷( 1 ：1 ) ，再在酸性条件下水解得到纯度为9 7 的 2 ，7 二甲基2 ，4 ，6 辛三烯二醛，产率为4 2 5 ，优化实验得出最佳酸化反应时间为 5 h ：然后合成最终产物b 胡萝b 素，以l ，2 二溴乙烷与亚磷酸三乙酯进行反应，得到 纯度为9 5 的乙二膦酸四乙酯，产率7 4 6 ，优化实验得出最佳反应温度为1 2 5 ，最 佳反应时间为1 0 h ，再与b 紫罗兰酮在强碱性条件下发生反应生3 甲基5 ( 2 ，6 ，6 三 甲基环己烷1 基) 2 ，4 戊二烯基膦酸二乙基酯，优化实验得出强碱选用叔丁醇钾效果 最好，最佳反应温度为2 5 ，最后将上步反应产物与先前制得的辛三烯二醛反应，得到 纯度为9 6 的b 胡萝卜素，产率为8 1 5 8 ( 以辛三烯二醛计) ，优化实验得出反应溶剂 t h f 的最佳除水方法为n a 单质加热回流法。合成产物采用n m r ，i r ，u v ，g c ，g c m s ， l c ，l c m s 进行分析和表征。 本实验通过对合成b 胡萝b 素与天然b 胡萝卜素的红外，紫外，液相谱图的对比， 对两者进行了区别鉴定，为鉴定b 胡萝卜素的来源提供了简单的方法；研究了两者分别 在相同光照，加热和空气氧化条件下的稳定性，研究表明合成p 胡萝b 素较天然p 胡萝 卜素稳定，在三个因素中，加热的影响最大，光照影响次之，空气氧化影响相对最小。 本文的合成路线相对之前的研究较简单，具有一定的创新性，改变部分合成原料， 也可以作为其它某些类胡萝卜素的合成路线，合成过程中使用了3 次已经实现工业化的 w i t t i g h o m e r 反应，且实验使用的各种仪器设备都较为常见，原料价格低廉，较容易获 得，降低了合成成本，为我国类胡萝卜素的化学合成研究和工业化提供了一个参考，具 有一定的研究价值。 关键词：类胡萝卜素，p 一胡萝卜素，w i t t i g h o m e r 反应，合成，稳定性 a b s t r a c t a b s t r a c t c a r o t e n o i d sa r eac l a s so fn a t u r a lp i g m e n t sw i t ha n t i o x i d a n ta c t i v i t y 1 3 - c a r o t e n ei sak i n d o fc a r o t e n o i d s ，w h i c hi st h em o s tw i d e l yu s e dw i t hm a n yf u n c t i o n s l a r g e s c a l es y n t h e s i so f f l - c a r o t e n eh a sn o tb e e na c h i e v e di nd o m e s t i cp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h es y n t h e s i so f 1 3 - c a r o t e n eh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h es y n t h e s i so f1 3 一c a r o t e - n e ，w o r k i n go u tas y n t h e t i cr o u t ew i t hs i m p l i f i e dp r o c e d u r ea n do p e r a t i o n t h ep a p e ra l s o s t u d i e dt h ei d e n t i f i c a t i o na n ds t a b i l i t yc o m p a r i s o nb e t w e e ns y n t h e t i c1 3 - c a r o t e n ea n dn a t u r a l l b - c a r o t e n eo b t a i n e db yp u r c h a s e t h i ss t u d ys y n t h e s i z e df l - c a r o t e n eb ys i x - s t e pr e a c t i o n sw i t ht h em a i nr e a c t i o no f w i t t i g - h o m e r f i r s t l y ，2 , 7 一d i m e t h y l o c t a - 2 ，4 ，6 - t r i e n e 1 ，8 - d i a l ，w h i c hi st h ei n t e r m e d i a t eo f c a r o t e n o i d s ，w a ss y n t h e s i z e d 2 - b u t e n y l 1 ，4 b i s p h o s p h o n a t ew a ss y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o n b e t w e e n1 ，4 - d i b r o m o b u t - 2 一e n ea n dt r i e t h y lp h o s p h a t e ，谢t ht h ep u r i t yo f9 5 a n dt h ey i e l d o f71 5 ，a n dt h eo p t i m u mr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a sl2 0 a n dt h eo p t i m u mr e a c t i o nt i m e w a s8h o u r si nt h i sr e a c t i o n t h e n2 , 7 d i m e t h y l o c t a - 2 ，4 ，6 - t r i e n e 一1 ，8 一t e t r a m e t h y la c e t a lw a s s y n t h e s i z e db yw i t t i g h o m e rr e a c t i o nb e t w e e n2 - b u t e n y l 一1 ，4 一b i s p h o s p h o n a t ea n dp y r u v i c a l d e h y d ed i m e t h y la c e t a li na l k a l i n ec o n d i t i o n s ，a n dt h eo p t i m u me x t r a c t i o nw a sp e t r o l e u m e t h e r h e x a n e ( 1 ：1 ) a tt h ee n do ft h i sr e a c t i o n t h e n2 , 7 - d i m e t h y l o c t a - 2 ，4 ，6 - t r i e n e - 1 ，8 - d i a lw a s s y n t h e s i z e db yh y d r o l y s i sr e a c t i o ni na c i d i cc o n d i t i o n s 、斩t 1 1t h ep u r i t yo f9 7 a n dt h ey i e l do f 4 2 5 ，a n dt h eo p t i m u mr e a c t i o nt i m ew a s5h o u r si nt h i sr e a c t i o n e t h a n e d i y l b i st e t r a e t h y l p h o s p h a t ee s t e rw a ss y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o nb e t w e e n 1 ，2 - d i b r o m o e t h a n ea n dt r i e t h y l p h o s p h a t e 谢t l lt h ep u r i t yo f9 5 a n dt h ey i e l do f7 4 6 ，a n dt h eo p t i m u mr e a c t i o n t e m p e r a t u r ew a s12 5 。ca n dt h eo p t i m u mr e a c t i o nt i m ew a s10h o u r si nt h i sr e a c t i o n t h e n 3 - m e t h y l - 5 - ( 2 ，6 ，6 - t r i m e h t y l - 1 - c y c o l h e x - e n y 1 ) - 2 ，4 一p e n t a d i e n y l p h o s p h o n a t e sw a ss y n t h e s i z e d b yt h ew i t t i g h o m e rr e a c t i o nb e t w e e n1 3 - i o n o n ea n de t h a n e d i y l b i st e t r a e t h y lp h o s p h a t ee s t e r i ns 仃o n ga l k a l i n ec o n d i t i o n s ，a n dt h eo p t i m u mb a s ew a sp o t a s s i u mt e r t - b u t o x i d ea n dt h e o p t i m u mr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s2 5 * c i nt h i sr e a c t i o n a tl a s t ，1 3 - c a r o t e n e ，t h ea i m p r o d u c t ，w a ss y n t h e s i z e db yw i t t i g h o m e r r e a c t i o nb e t w e e n3 - m e t h y l - 5 - ( 2 ，6 ，6 t r i m e h t y l 一1 c y c o l h e x - e n - y 1 ) 一2 ，4 - p e n t a d i e n y l p h o s p h o n a t e sa n d2 , 7 一d i m e t h y l o c t a 2 ，4 ，6 一t r i e n e - 1 ，8 d i a lw i t h t h ep u r i t yo f9 6 a n dt h ey i e l do f81 5 8 ( c o u n t e db y2 , 7 一d i m e t h y l o c t a - 2 ，4 ，6 t r i e n e l ，8 - d i a l ) a n dh e a t i n gu n d e rr e f l u xw i t hn aw a st h eo p t i m u mm e t h o dt od r yt h es o l v e n to ft h f t h e s y n t h e t i cp r o d u c t sw e r ec o n f i r m e db yn m r ，i r , u v ，g c ，g c - m s ，l c ，l c m si nt h i ss t u d y s y n t h e t i c1 3 - c a r o t e n ew a si d e n t i f i e da n dc o m p a r e dt h es t a b i l i t y w i t hn a t u r a l1 3 - c a r o t e n e i nt h i ss t u d y t h es t u d ys h o w e dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns y n t h e t i c1 3 - c a r o t e n ea n dn a t u r a l 1 3 - c a r o t e n eb yc o m p a r i n gt h es p e c t r u mo fi r , w a n dl c ，w h i c hp r o v i d e sas i m p l em e t h o dt o i d e n t i f ys y n t h e t i c1 3 - c a r o t e n ea n dn a t u r a lp - c a r o t e n e t h i ss t u d ya l s oc o m p a r e dt h es t a b i l i t yo f s y n t h e t i c1 3 - c a r o t e n ea n dn a t u r a l1 3 - c a r o t e n eu n d e rt h ec o n d i t i o n so fh e a t i n g ，l i g h t i n g ，a n da i r o x i d a t i o n , a n dt h er e s u l ts h o w e dt h a ts y n t h e t i c1 3 - c a r o t e n ei sm o r es t a b l et h a nn a t u r a l i b - c a r o t e n e i ta l s os h o w e dt h a th e a t i n gh a dt h eg r e a t e s ti m p a c ti nt h et h r e ef a c t o r s ，f o l l o w e db y l i g h t i n ga n da i ro x i d a t i o nw a st h el a s to n e 1 1 1 i ss y n t h e t i cr o u t ei si n n o v a t i v ea n ds i m p l e rt h a np r e v i o u ss t u d i e s w h i c hc a n a l s ob e u s e da st h es y n t h e t i cr o u t eo fs o m eo t h e rc a r o t e n o i d sw h i l ec h a n g i n gs o m er a w m a t e r i a l s w i t t i g h o m e rr e a c t i o n ，w h i c hh a sb e e ni n d u s t r i a l i z e d ，w a su s e d3t i m e si nt h e s y n t h e s i s t h ei n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t su s e di nt h es y n t h e s i sa r ec o m m o na n dt h er a w m a t e r i a l sa r ec h e a p ，w h i c hr e d u c et h ec o s t so ft h es y n t h e s i s t h e r e f o r ，t h i sp a p e r s u p p o r t sa v a l u a b l er e f e r e n c ei nt h es y n t h e s i sr e s e a r c ha n di n d u s t r i a l i z a t i o no fc a r o t e n o i d si no u r c o u n t r y k e y w o r d s ：c a r o t e n o i d s ，1 3 - c a r o t e n e ，w i t t i g - h o m e rr e a c t i o n ，s y n t h e s i s ，s t a b i l i t y i i i i i i 1 1 1 2 2 3 4 1 2 1p 胡萝b 素的性质和作用简介4 1 2 2p 胡萝b 素的制备方法介绍5 1 3w i t t i g h o m e r 反应的简介7 1 4d a r z e n s 反应的简介8 1 5 本课题立题依据8 第二章2 ，7 二甲基2 ，4 ，6 辛三烯二醛的合成1 1 2 1 引言一1 l 2 22 丁烯1 ，4 亚磷酸四乙酯的合成1 2 2 2 1 实验部分1 2 2 2 2 定性分析1 3 2 2 3 合成2 丁烯1 ，4 亚磷酸四乙酯的反应优化15 2 327 二甲基2 ，4 ，6 辛三烯二醛的合成1 6 2 3 1 实验部分1 6 2 3 2 产物的纯化1 7 2 3 3 产物的定性分析1 7 2 3 4 反应的优化2 0 2 4 本章小结与讨论2 2 第三章b 胡萝b 素的合成2 3 3 1 引言2 3 3 21 - ( 2 ，6 ，6 - 三甲基- 1 一环己烯基) 3 - 甲基一2 - 丁烯- 4 - 醛( 碳十四醛) 的合成2 5 3 2 1 甲醇钠的制备2 5 3 2 21 ( 2 ，6 ，6 三甲基1 环己烯基) 3 甲基2 丁烯4 醛的合成。2 5 3 2 3 小结与讨论2 5 3 3 乙二膦酸四乙酯的合成2 6 3 3 1 实验部分2 6 3 3 2 产物纯化及副产物分析2 6 3 3 3 产物的定性分析2 8 目录 3 3 4 反应的优化3 0 3 4b 胡萝卜素的合成3 1 3 4 1 实验部分3l 3 4 2 产物的纯化。3 2 3 4 3 产物的定性分析3 3 3 4 4 反应的优化3 7 3 5 本章小结与讨论3 8 第四章合成p 胡萝1 - 素与天然p 胡萝卜素的对比研究4 1 4 1 引言4 l 4 2 合成b 胡萝卜素与天然b 胡萝b 素的鉴别。4 2 4 2 1 红外鉴别方法4 2 4 2 2 紫外鉴别方法4 3 4 2 3 液相鉴别方法4 4 4 2 4 ，j 、结4 5 4 3 合成d 胡萝卜素与天然p 胡萝b 素的稳定性对比研究4 6 4 3 1 吸光度与浓度的线性关系考察4 6 4 3 2 光照对稳定性的影响4 7 4 3 3 温度对稳定性的影响4 8 4 3 4 空气对稳定性的影响5 0 4 3 5 小结5 0 4 4 本章小结与讨论5 0 第五章总结与展望5 3 j 女谢5 5 参考文献5 7 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文。6 1 u 虾青素、藏红花素等( 图1 一1 ) ，呈现从黄色到深红色系列的颜色跨度，在光合作用中起 辅助色素的作用，是自然界动植物呈现各种颜色的主要原因。长期以来，研究人员始终 认为，人类和动物自身不能合成类胡萝卜素，必须从外界通过饮食获得。没有文字记载 表明动物能够靠自身的能力制造类胡萝卜素，但美国亚利桑那大学研究人员最新公布的 研究成果发现1 2 j ，一种名为豌豆蚜虫的昆虫能够生成自身所需要的基本营养成分类胡萝 卜素，其自身即含有类似于细菌体内具有的制造类胡萝卜素生物功能的d n a ，这个发 现尚属首例。植物的类胡萝i - 素主要储存在有色质体中，如叶子，花卉，果实等；动物 体内的类胡萝i - 素一般与蛋白质结合在一起，如脂肪，羽毛，鳞片，甲壳等。类胡萝卜 素与蛋白质结合时能够呈现出绿色或蓝色，如鲜虾体内含有的虾青素与虾壳中的蛋白质 结合呈现青绿色，当虾被煮熟后，虾青素与蛋白质分离，呈现出原来的红色，这也是熟 虾呈红色的原因。很多类胡萝卜素的名称是根据它们第一次被分离出来的来源命名的， 如番茄红素、p 胡萝i - 素、藏红花素等。按照特性可将类胡萝卜素分为三类：胡萝卜素， 胡萝卜醇及类胡萝卜素酸。胡萝卜素的特点是易溶于石油醚，如番茄红素、b 胡萝卜素、 q - 胡萝i - 素等；胡萝卜醇是胡萝卜素的非酸性氧衍生物，含有羟基，酮基，环氧基等基 团，如虾青素、辣椒红素、玉米黄素等；类胡萝i - 素酸是胡萝i - 素的羧酸衍生物，能溶 于碱溶液，如藏红花素、胭脂树橙和红酵母红素等。 曩。 图1 1玉米黄素、虾青素、辣椒红素的结构示意图 f i g 1 - lt h es 仃u c t u r eo fz c a x a n t h i n a s t a x a n t h i na n d c a p s a n t h i n 江南大学硕十学位论文 1 1 2 类胡萝卜素的性质 类胡萝卜素在结构上是聚异戊二烯的复合物，所有类胡萝卜素都是由4 0 个碳骨架 演变而来的，为有机物质，难溶于水和乙醇，易溶于脂类和有机弱极性溶剂，所以也称 脂色素，在机体内，类胡萝卜也是存在于亲脂性组织中的，如动物脂肪等。由于类胡萝 b 素中的共轭双键长链的存在，其特征吸收光谱在4 0 0 5 0 0 n m 之间，这一特点使得用紫 外分光光度计检测类胡萝i - 素具有很高的灵敏度。类胡萝i - 素对光和热等因素不稳定， 容易发生降解和氧化，但当类胡萝b 素与生物组织相结合时，稳定性会大大提高，因此 常将类胡萝i - 素纯品溶于植物油中避光低温保存，能够得到良好的保存效果【3 j 。 1 1 3 类胡萝卜素的作用 1 1 3 1 光合作用 不同植物往往都含有自己的特殊类胡萝卜素，如番茄中的番茄红素，柑橘中的枳橙 黄质，辣椒中的辣椒红素等，这些类胡萝i - 素位于色素母细胞内，以非共价键与蛋白质 结合，在光合作用中起着必不可少的作用【4 】。类胡萝卜素在光捕获系统中可以吸收 4 5 0 5 7 0 n m 的光，并将能量传递给叶绿素，在植物体内起这种作用的主要有叶黄素、紫 黄质、p 胡萝i - 素和新黄质，其中p 胡萝卜素是光系统i 和中的核心成分，在光系统 i i 的反应中含有1 5 顺式1 3 胡萝b 素。 1 1 3 2 抗氧化性作用 自由基是机体氧化反应中产生的有害化合物，含有一个不成对电子的原子团，具有 强氧化性，可损害机体的组织和细胞，进而引起慢性疾病及衰老。类胡萝卜素具有很强 的抗氧化性，是优良的自由基淬灭剂，能够有效阻断机体内的自由基反应，在这一过程 中，被激活的类胡萝卜素的能量可以通过与溶剂间的振动被分散，从而使类胡萝卜素保 持原来状态。这一性质使得类胡萝卜素具有很多特殊的生理功能，国外有人研究利用棕 榈油中浓缩的类胡萝b 素配合激素来辅助治疗乳腺癌，并且发现类胡萝b 素不会干扰雌 激素调节因子【5 】。类胡萝i - 素可以有效延缓衰老，降低由于紫外线照射导致皮肤瘙痒红 肿的机率，常食用富含类胡萝i - 素的食物，如南瓜、西红柿、菠菜、胡萝卜等，可以提 高人体免疫力，保护机体免受病毒和细菌的侵害。类胡萝卜素与维生素e 及维生素a 结 合服用可以抑制多种癌细胞的生长，如肺癌，结肠癌，皮肤癌等【6 】，目前番茄红素和1 3 胡萝i - 素已用来作为癌症的辅助治疗药物。另外，在动物机体中类胡萝卜素可以阻碍脂 类的过氧化作用，保护生殖细胞免受氧化反应的破坏，从而增强动物的繁殖能力。在植 物进行光合作用时，类胡萝卜素可以从叶绿素中吸收三线态能量，淬灭氧自由基，保护 植物细胞在强光下免受0 2 的损害。 1 1 3 3 着色性及其应用 类胡萝卜素是高度不饱和的化合物，其结构中的长链共轭双键是有效的生色团，其 2 第一章综述 颜色随共轭双键的数目不同而从黄色至深红色变化，双键越多，颜色越向红色偏移。类 胡萝b 素在植物体内赋予了花朵和果实不同的颜色，可以吸引昆虫为其授粉传播种子， 同时为人类带来观赏价值。很多类胡萝b 素可作为品质优良的着色剂使用，广泛应用于 食物、化妆品、药品等生活用品中，有效改善其外观和性能，如番茄红素、b 胡萝卜素、 胭脂树橙、辣椒红素等。例如类胡萝卜素可以在家禽体内沉积，对禽蛋类的着色有良好 的效果，从而提高禽蛋类品质。另有研究表明【7 j ，家禽对不同来源的类胡萝卜素的吸收 沉积有差异，化学合成的类胡萝卜素较从天然类胡萝卜素更容易在家禽体内沉积。 目前我国使用量最大应用最广泛的合成色素是胭脂红，化学名为1 ( 4 磺酸1 萘偶 氮) - 2 - 羟基一6 ，8 萘二磺酸三钠盐，它是一种单偶氮类人工合成色素，色泽鲜艳，配色方 便，着色力强，价格低廉。但是偶氮类化合物会在人体内代谢生成可导致突变的前原体 芳香胺类化合物，芳香胺内化合物被代谢活化后生成的亲电子产物可与d n a 或r n a 结 合，从而诱发基因突变，对人体造成伤害【8 】，已被禁止使用的苏丹红i 就属于偶氮类色 素。有人对体外培养小鼠胚胎成纤维细胞株n i h 3 t 3 的研究表明，胭脂红对d n d 具有 损伤作用，浓度越高，损伤越严重【9 】。美国、加拿大等欧洲国家已禁止使用胭脂红，我 国目前仍在广泛使用中，只是对它的添加用量有了严格的规定，但在抽查过程中仍发现 滥用现象，应该引起进一步的重视。在代替胭脂红成为新型广泛使用的合成色素方面， 类胡萝卜素的抗氧化性和消除自由基的能力有着明显的优越性，另外类胡萝卜素的着色 力也较强，随着浓度的变化颜色能呈现从淡黄、金黄到深红、暗红的系列，是未来代替 胭脂红广泛使用的优良色素。 1 1 3 4 不同类胡萝卜素的特殊生理功能 不同的类胡萝卜素具有各自不同的特殊生理功能。黄体素主要存在于人的视网膜 中，能够保护接受光氧粒子的感光细胞，在阻止视网膜斑点恶化方面有重要作用，它比 p 胡萝b 素和番茄红素能更有效的沟通连接细胞间隙和抑制脂肪过氧化反应。番茄红 素，有“植物黄金”之称，在欧美等发达国家，人们十分推崇“番茄保健”的理念，血清中 的番茄红素含量与前列腺癌、胰腺癌、膀胱癌的概率成反比，尤其在治疗前列腺疾病的 过程中，番茄红素的补充是必不可少的。虾青素是迄今为止人们发现的自然界中抗氧化 性最强的物质，是类胡萝卜素物质中的最高合成级别，其清除自由基能力是维生素e 的 1 0 0 0 倍，葡萄籽的1 7 倍，p 胡萝卜素的1 0 倍，虾青素也是唯一能通过血脑屏障的一种 类胡萝卜素。辣椒红素可以加速脂肪的新陈代谢，防止体内脂肪聚集，从而达到减肥的 效果；在古代辣椒常被用来止痛，近来研究才发现原因是由于辣椒红素可以耗尽神经传 导物质，阻止疼痛信息的传递。 1 1 4 国内外研究状况 早在1 9 世纪初期，欧洲就出现了有关类胡萝卜素的论著，其后在整整一个世纪里， 类胡萝卜素的研究发展都很缓慢，原因包括研究工作的困难和缺少商业利益的刺激。直 到1 9 0 7 年，人们才用燃烧法和相对分子质n _ n 定法准确测出了b 胡萝卜素的分子式， 江南大学硕士学位论文 1 9 3 0 年，瑞士化学家k a r r e r 证明了某些类胡萝卜素的对称结构，并逐一确定了完整结构。 2 0 世纪5 0 年代，瑞士化学家o t t oi s l e r 先后研发出了维生素a 、维生素e 及p 胡萝卜素 的人工合成技术，并成功实现了产业化，类胡萝卜素的研究从此进入了一个新纪元。现 今类胡萝卜素的制备方法主要有化学合成法、天然提取法和微生物发酵法。目前科研人 员已合成出了近2 0 0 种天然类胡萝卜素，其中也包括结构复杂的品种。我国对类胡萝b 素的研究起步较晚，在科研机构中已合成了部分类胡萝b 素，但还不能进行大规模的生 产，国内浙江大学在类胡萝卜素的合成方面研究的较多uo 】。目前，国际上产业化了的类 胡萝b 素主要有b 胡萝卜素、虾青素、叶黄素、斑蝥黄素、番茄红素、胭脂橙红、玉米 黄质，其中b 胡萝b 素、虾青素、叶黄素、斑蝥黄素占了交易总额的8 5 ，我国出口的 主要是b 胡萝卜素、虾青素、番茄红素的天然提取粗品，但对于在自然界存量相对极少 的类胡萝卜素来说，人工化学的大量合成具有重要的意义。 天然提取的类胡萝b 素主要依靠生物的合成，生物合成法在近几十年有了较系统的 研究，研究成果主要集中在基因和基因产物两个方面。有研究通过改善生物体内酶和基 因的方法生产类胡萝卜素，如我国的西瓜产量较大，西瓜瓤中含有多种类胡萝卜素，通 过改良西瓜基因可以得到含类胡萝b 素更多的西瓜品种【l 。 由于天然类胡萝卜素在植物中的含量较少，提取率很低，有文献报道，先对植物体 进行加压处理，可以有效提高萃取效率【l 到。超临界流体萃取是目前较新的一种萃取类胡 萝卜素的方法，它是利用超临界流体在温度和压力处于临界状态附近时所具有的特殊性 能而进行的一种萃取分离方法。最常用的萃取剂是超临界c 0 2 ，因为超临界c 0 2 可以有 选择性的提取弱极性化合物，对类胡萝卜素物质具有良好的溶解力。萃取出的类胡萝卜 素物质具有不稳定的特点，有人对超临界c 0 2 萃取番茄红素的储存条件作了研究，研究 表明储存条件在低温避光、隔离氧化剂、添加适量还原剂并有氮气保护时效果最好，其 中，温度及氧化剂的改变对番茄红素的稳定性有显著的影响【1 3 】。类胡萝卜素的天然产品 是人们最感兴趣的，但其所面临的问题有三个：成本较人工合成类胡萝卜素要高得多； 受多种因素制约产量很低；相对于合成类胡萝卜素的性能优势问题没有明确。 微生物体内的类胡萝b 素是通过生物自身合成的，研究发现通过对环境和培养基因 的刺激，如通过改变光和温度，添加化学物质，可以提高微生物单位体积类胡萝卜素的 含量。但是目l j 对类胡萝卜素的遗传途径和其他代谢途径的了解不充分，所以会遇到一 些问题，未来利用基因工程改变生物合成途径是可能实现类胡萝卜素高产的u 4 。 1 2p 一胡萝卜素的介绍 1 2 1 p 一胡萝卜素的性质和作用简介 p 胡萝b 素( 图1 2 ) 是类胡萝卜素的一种，分子式为c 4 0 h 5 6 ，分子量为5 3 6 8 8 ， 熔点为1 8 1 ，纯品为深红色至暗红色有光泽的斜六面体或结晶体粉末，有轻微的异味， 易溶于二硫化碳、二氯甲烷、氯仿、苯，能溶于石油醚、乙醚、丙酮、己烷，微溶于甲 醇、乙醇，是最早引起人们关注的类胡萝卜素。 4 第一章综述 图1 - 21 3 - 胡萝卜素的结构示意图 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo fp c a r o t e n e b 胡萝i - 素是对抗自由基最有效的抗氧化剂之一，能够提高人体免疫力，降低癌症、 心脏病、心血管疾病等疾病的发生机率【l5 ，1 6 j 。有研究通过对血清中所含1 3 胡萝卜素 的分析，表明经常补充1 3 胡萝卜素，能有效清除体内的过氧化物，减少外周血淋巴细胞 d n a 的损伤，从而达到预防癌症及慢性疾病的目的【l 。但当氧浓度高及氧化还原状态 不平衡时，高剂量的p 胡萝卜素反而对抗氧化作用没有效果【l 引，甚至会增加某些疾病 的发生机率，如进食过量1 3 胡萝i - 素保健品，易患上胡萝卜素血症【1 9 1 ，尤其是在吸烟时 服用高剂量的1 3 胡萝i - 素，会增加患肺癌和结肠癌的风险，这是由于吸烟时肺部的氧气 压会升高 2 0 , 2 1 。因此，在服用p 胡萝i - 素时应慎重考虑剂量等问题。 b 胡萝卜素是重要的维生素a 来源，在人体内一分子的1 3 胡萝卜素可以分解为两分 子的维生素a 。维生素a 不仅仅在视觉问题上有着重要作用，而且在细胞分化和发育方 面也有着多重作用，具有重要的临床意义【2 2 】。当人体缺乏维生素a 时，会导致夜盲症、 干眼病、上皮组织细胞变性等疾病，过量补充维生素a 会中毒，而适量补充的1 3 胡萝l - 素则是在人体需要维生素a 时才会自动分解成维生素a ，所以d 胡萝i - 素是安全的维生素 a 源。绿色蔬菜和有色水果中均富含b 胡萝卜素，如胡萝i - 、西兰花、菠菜、番薯、 荠菜等。应当适量补充p 胡萝卜素的人群有免疫力低下者、长期面对电脑者、呼吸系统 受感染者、视力功能下降者、皮肤干燥粗糙者等。d 胡萝i - 素还能够有效提高动物的繁 殖能力，有研究表明，在种畜的饲料中添加p 胡萝i - 素，配合维生素e 和蛋氨酸锌复合 使用，能明显提高种畜的免疫能力和繁殖能力，以及初生幼畜的质量 2 3 , 2 4 】。b 胡萝卜素 在人体内的作用机制还没有被人们完全了解，因此深入研究其生理功能和相关机制是十 分必要的【2 5 1 。 d 胡萝卜素是国际公认的安全又营养的食品添加剂，目前世界上有5 2 个国家和地 区已经批准使用，国内也已将b 胡萝卜素作为着色剂列入中华人民共和国国家标准。由 于西方发达国家对b 胡萝卜素的人工合成研究起步较早，已能大量生产，因此在作为新 型添加剂方面较其它类胡萝卜素在价格和产量上有着一定的优势【2 6 】。作为一种脂溶性色 素，随着p 胡萝卜素在溶剂中的浓度从小到大，颜色可涵盖由淡黄至深红的所有色系， 非常适合用于油溶性食品的着色，如人造奶油、素食产品、速食面的调色等，而经过微 胶囊处理的p 胡萝i - 素，可转化为水溶性色素，几乎所有的食品都可应用。另外，d 胡 萝卜素在饲料、化妆品等方面也有着重要用途。 1 2 2 p 一胡萝卜素的制备方法介绍 目前p - 胡萝卜素主要是通过化学合成、天然提取和生物发酵制得的。市场上的1 3 一 胡萝卜素大都是化学合成的p 胡萝卜素，国外可以产业化生产p - 胡萝卜素的公司主要是 荷兰的d m s 公司和德国的b s f a 公司，p 胡萝i - 素的工业化始于1 9 5 4 年，r o c h e 公司 5 江南大学硕士学位论文 最先以c 1 9 + c 2 + c 1 9 路线合成，该路线长达1 2 个步骤，反应过程及其复杂，产率很低， 已被淘汰。还在应用的合成路线主要以b a s f 公司的c 1 5 + c l o + c 1 5 路线为主，该路线起 步于1 9 5 6 年，b a s f 公司一直沿用至今，如图1 3 所示： 汝兴 故火h 2 卧 。h 厶吣吖 汝尽明 明弓矿故出 1 瓦矿r 一 音汝k 蓐 图1 - 3b a s f 公司合成b - 胡萝卜素的反应路线 f i g 1 - 3t h es y n t h e s i so fp _ c a r o t e n eb yb a s f 该路线以p - 紫罗兰酮和乙炔钠为原料，经炔化、酸化、部分加氢、溴化重排、w i t t i g 反应，最终合成p - 胡萝卜素，反应条件苛刻，能耗大，三苯基膦对环境的污染也较大。 我国在8 0 年代曾用维生素a 酯作为原料先制得维生素a 醛和维生素a - - 苯基膦盐， 再用维生素a 醛与维生素a 三苯基膦盐发生w i t t i g 反应制得p 胡萝卜素【2 7 】，反应路线 如图1 4 所示： 一f 图1 - 4 我国8 0 年代合成p - 胡萝卜素的反应路线 f i g 1 - 4t h es y n t h e s i so ff l - c a r o t e n eb yc h i n ai n1 9 8 0 s 由于w i t t i g 反应产生的副产物三苯基氧膦的污染问题不能很好的解决，加之该反应 路线原料成本高，产率低，不能够实现大规模的生产。 2 0 0 5 年浙江大学实验室以p 紫罗兰酮为原料，采用传统路线c 1 5 + c l o + c 1 5 ，合成了 p 胡萝t - 素，路线如图1 5 所示【2 8 j ： 鞠0 丑- c h 3 0 i i - - - - - - - - - - - i 卜 6 ，一 t a b 1 1t h ec o n t e n to 邛c a r o t e n ei nn a t u r a lp l a n t 琐复杂，工业生 植物中胡萝卜素 天然植物提取法受季节、气候条件所限，植物中所含p 一胡萝卜素的量也相对较少， 因此在产量上很有限，提取过程中能耗高，导致天然产品的成本也很高。 1 3w i t t i g - h o r n e r 反应的简介 目前已报道的构造多烯链的反应有w i t t i g 反应、h o m e r - e m m o n s 反应、g r i g n a r d 反 应等，w i t t i g 反应是指醛或酮与磷叶立德( 也称磷内筠盐，即w i t t i g 试剂) 作用，c = o 转变成c = c 的反应。但w i t t i g 反应的缺点是反应生成的副产物三苯基磷氧化物难以除 去，造成了分离提纯过程中的困难，而且反应所用的三苯基膦对环境污染较大。 w i t t i g h o m e r 反应是用亚磷酸三乙酯代替三苯基膦制得磷叶立德，磷叶立德试剂与醛、 酮发生亲核加成，形成不稳定的偶极中间体，分解即得到烯烃【2 9 1 。w i t t i g h o m e r 反应是 最重要的制备烯烃的方法之一，目前已应用于工业生产中，其优点是亚磷酸三乙酯价格 低廉，容易得到，磷酸酯碳负离子的亲核很强，在较温和条件下即可与醛酮反应，产物 易于分离，副反应较少【3 0 1 。w i n g h o m e r 反应的反应机理如图1 - 6 所示： 执一蹬：二 o 一瓣一：+ e 佣 图1 - 6 w i t t i g h o m e r 反应的机理 7 江南大学硕士学位论文 1 4d a r z e n s 反应的简介 d a r z