甲磺酸催化合成高纯度山嵛酸糖醇单酯

王秀文，程 洋，韦 伟，金青哲，王兴国

(江南大学 食品学院，食品安全与营养协同创新中心，江苏 无锡 214122)

脂肪酸糖醇酯是广泛使用的非离子型表面活性剂。市售产品包括甘油单油酸酯、木糖醇脂肪酸酯和山梨糖醇单硬脂酸酯(Span 60)等[1]。通过改变糖醇头基数、酰基链长和酰基链数，可以开发具有不同理化性质的产品。这些两亲化合物具有较强的表面活性，在食品、药品和化妆品领域具有广泛的应用[2]。

糖醇酯的经典工业化生产反应为脂肪酸和糖醇的一步酯化反应。反应温度较高(150～250℃)，催化剂多为酸、碱化学催化剂如盐酸、磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠等。较高的温度可以带走酯化反应生成的水，同时使反应平衡向酯化反应方向进行[3-4]。但是高温反应会产生大量的副产物，通常为二酯、三酯和糖醇的脱水化合物等，后续的纯化步骤很难除去二酯、三酯。并且，纯化步骤复杂，如萃取、重结晶、蒸馏等，不仅费时费力，还会降低反应产率。为解决这些问题，学者们进行很多尝试，例如降低反应温度，采用脂肪酶在溶剂体系及无溶剂体系中催化反应进行[5-8]，采用新型溶剂如离子液体创造兼容性反应系统[9-10]等，但存在反应成本高，产物分离纯化难等问题。

本研究尝试建立一种简便、低成本的可用于食品药品工业生产的高纯度山嵛酸糖醇单酯的绿色化学催化方法。从目前报道中多用于酯化反应的绿色催化剂中筛选了2种Lewis acid(Sc(OTf)3，Cen(CF3SO3)XH2O)和1种Brønsted acid(甲磺酸)用于山嵛酸糖醇单酯合成的研究。目前，甲磺酸作为催化剂可用于酯化反应、聚合反应、硝化反应、多组分反应等有机合成反应[11-13]。其中，近几年研究最多的是手性甲磺酸结合其他催化剂对其位点、酸度、结构进行改变，催化不对称氢化反应进行，对天然产物和药物合成意义重大[14-15]。本文对3种催化剂在长链脂肪酸与糖醇的酯化反应中的催化效果进行了研究，为这类绿色催化剂有更广阔的应用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

Compritol® 888 ATO由BIONORD A/S公司(哥本哈根，丹麦)提供。三氟甲磺酸钪(Sc(OTf)3, 99%)，三氟甲磺酸铈(Cen(CF3SO3)XH2O, 19%～23%铈)，甲磺酸(MSA, 99.5%)，二氧化硅，沸石，三氧化二铝(孔径58 Å,150目筛)，MCM-41分子筛、氟罗里硅土(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%)和其他色谱纯的有机溶剂均购于Sigma-Aldrich(圣路易斯，美国)，赤藓糖醇(99%)购于VWR(韦斯特伯，丹麦)。薄层色谱板为Silica gel 60(默克公司，德国)。实验所用水为Milli-Q系统过滤的超纯水。山嵛酸木糖醇单酯、山嵛酸木糖醇双酯标准品，为前期合成样品[16]，经过HPLC鉴定纯度在95%以上，化合物结构经氢谱核磁共振和质谱鉴定。

Thermal Trace气相色谱仪,检测器为氢火焰离子化检测器(FID)。Agilent 1200系列高效液相色谱仪，检测器为Sedex 75型蒸发光散射检测器(Sedex 80, Alfortville, France)。RCT basic型磁力搅拌器，购自德国IKA。恒温水浴锅、旋转蒸发仪、烘箱。

1.2 实验方法

1.2.1 游离山嵛酸的制备

将25 g Compritol® 888 ATO、5.75 g氢氧化钾、11 mL蒸馏水、66 mL乙醇(95%)，在80℃水浴中反应1 h。反应产物加入60 mL蒸馏水，用100 mL正己烷提取两次有机相，弃去正己烷相。用1 mol/L的盐酸中和皂化物，用50 mL正己烷提取，并加入无水硫酸钠过夜除去水分。抽滤除无水硫酸钠后旋转蒸发除正己烷得到混合脂肪酸。取50 g混合脂肪酸在500 mL重结晶溶剂中60℃加热回流至少1 h，然后将温度缓慢下降至30℃，并在一定温度下静置24 h，用布氏漏斗抽滤得到白色雪片状高纯度山嵛酸。

1.2.2 山嵛酸糖醇单酯的制备

山嵛酸糖醇单酯采用催化剂Lewis acid和Brønsted acid在相同温度下的叔丁醇体系中进行酯化反应制备。将5～6 mmol糖醇、0.5 mmol山嵛酸和0.5 mmol固定化材料加入5 mL叔丁醇中，反应混合物在玻璃反应器中加热到相应温度平衡30 min，然后加入1.5 mmol催化剂开始反应。反应温度为30～60℃，反应时间为3～24 h。反应进程采用薄层色谱板进行监测，采用高效液相色谱测定反应的转化率。

1.2.3 产物的分离纯化

产物先过滤除去固定化材料，然后旋转蒸发除有机溶剂。乙二醇、甘油和赤藓糖醇的反应产物溶解于50 mL二氯甲烷中，用饱和碳酸钠溶液洗涤3次除去未反应的山嵛酸，再用饱和氯化钠溶液洗涤3次除去过量的糖醇，分离得到有机相后加入无水硫酸钠除水，旋转蒸发有机溶剂。季戊四醇、阿拉伯糖醇和木糖醇反应产物先用正己烷反复萃取3次除去未反应的山嵛酸，抽滤得到固体产物后用超纯水洗涤3次除去过量的糖醇，将最终得到的产物置于60℃烘箱中干燥12 h。山梨糖醇采用与季戊四醇相似的纯化步骤，用二氯甲烷代替正己烷进行萃取。

1.2.4 检测方法

1.2.4.1 气相色谱测定脂肪酸组成

样品甲酯化方法参照GB/T 17376—2008。气相色谱采用配备FID的Thermal Trace气相色谱仪，色谱柱为Supelco毛细管柱(Omegawax，30 m×0.25 mm)。色谱条件为:从100℃以60℃/min升温至200℃，再以5℃/min升温至240℃，并在240℃保留10 min,进样口温度及检测器温度均为260℃。使用氦气作为载气，流速1 mL/min。参照脂肪酸甲酯混标17AA(Nu-Chek Prep, MN, USA)对气相色谱峰进行定性。定量方法为面积归一化方法，每个样品脂肪酸含量测定3次。

1.2.4.2 薄层色谱板监控反应进程

采用薄层色谱板(TLC)监测化学反应进行。反应产物溶解在氯仿-甲醇(体积比3∶1)中，并在5 cm×10 cm薄层色谱板上点样。在展开剂氯仿-甲醇-水 (体积比64∶10∶1)中展开至6 cm取出，干燥后在氯仿-甲醇-乙酸 (体积比97.5∶2.5∶1)展开至8 cm。板子干燥后均匀喷显色剂后观察，显色剂为30%的硫酸-甲醇溶液。

1.2.4.3 高效液相色谱测定产物组成

根据Franka等[9]的HPLC方法，改进后测定产物组成。高效液相色谱采用配备Sedex 75型蒸发光散射检测器的Agilent 1200系列高效液相色谱仪。Supelcosil LC-18色谱柱(250 mm×4.6 mm×5 μm)；流动相为甲醇-乙腈-水(体积比75∶20∶5)；流速0.8 mL/min。通过电脑程序KyPlot 5 以最小二乘拟牛顿法[17]估算非线性方程。山嵛酸的方差系数为0.997 0，山梨糖醇单硬脂酸酯的方差系数为0.999 2。

单酯的选择性=单酯含量/(单酯含量+二酯含量+副产物含量)×100%

2 结果与讨论

2.1 山嵛酸的纯化

Compritol® 888 ATO是一种含有18%的甘油单酯、52%的甘油二酯和28%的甘油三酯的混合物，其中88%的脂肪酸组成为山嵛酸[16-17]。为了保证所有的反应物溶解，皂化反应在80℃下进行。从Compritol® 888 ATO得到的脂肪酸混合物除含有88%山嵛酸外，其余较高含量的脂肪酸包括C18∶0、C20∶0和C24∶0。选择丙酮、乙醚和石油醚作为重结晶溶剂进行结晶处理，以进一步提高山嵛酸的纯度，结果如表1所示。

表1 不同溶剂、温度、料液比下重结晶后晶体、液体中山嵛酸含量及产率

注：产率为晶体中山嵛酸的产率。

由表1可知，料液比越高、纯化温度越高，晶体中山嵛酸含量越高。山嵛酸在丙酮和乙醚中的溶解温度远高于溶剂的沸点，尽管有冷凝，实验过程中仍有大量有机溶剂挥发。考虑到操作的方便程度和节省能源，选择的纯化条件为：石油醚，料液比1∶10，纯化温度20℃，纯化时间24 h。在此条件下连续三次重结晶，产物的脂肪酸组成见表2。

表2 石油醚三次重结晶产物的主要脂肪酸组成%

脂肪酸原料一次重结晶二次重结晶三次重结晶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，二次重结晶后，山嵛酸含量从88%升高到96.1%。长链脂肪酸和不饱和脂肪酸几乎都被除去，剩余脂肪酸主要为C20∶0和C24∶0。因为与山嵛酸的理化性质比较相似，这两种脂肪酸(尤其是C24∶0)很难被完全除去。三次重结晶使山嵛酸产率下降到77.9%，表明更多次数重结晶使山嵛酸产率下降较快，含量变化小。因此，在以石油醚为重结晶溶剂、料液比1∶10、纯化温度20℃、纯化时间24 h、重结晶两次的条件下，可获得产率为78%左右、纯度为96.1%的白色雪片状结晶体山嵛酸。

2.2 产物的分离

为确定反应产物中山嵛酸糖醇单酯的含量，采用高效液相色谱对反应产物进行分离。通过标准物的出峰时间和出峰顺序确定产物组成成分，图1为反应产物的HPLC谱图。由图1可知，在设定的色谱条件下，出峰顺序为甲磺酸(2.9 min)、木糖醇(3.2 min)、山嵛酸木糖醇单酯(15.4 min)、山嵛酸(19.7 min)和山嵛酸木糖醇双酯(26.7 min)。各成分出峰时间间隔明显，分离效果佳。

图1 甲磺酸催化山嵛酸和木糖醇酯化反应产物的HPLC谱图

2.3 催化剂对木糖醇和山嵛酸酯化反应的影响

以木糖醇为例，山嵛酸与木糖醇摩尔比为1∶10，研究3种催化剂在不同反应条件下对木糖醇和山嵛酸酯化反应的影响，结果如表3所示。

表3 不同催化剂对木糖醇和山嵛酸酯化反应的影响

从表3可以看出，在没有催化剂的反应条件下，酯化反应几乎不能发生。在有催化剂的反应中，较高的反应温度使得反应有较高的转化率，同时较高的反应温度会导致反应产物选择性降低。甲磺酸在60℃温和条件下催化反应，山嵛酸转化率为30%，选择性为97%。而甲磺酸在80℃条件下催化反应，山嵛酸转化率提高了12个百分点，但反应选择性却降到88%，大大增加了产物分离的难度。不同催化剂的催化效果之间也存在显著差异，2种Lewis acid的催化效率不如甲磺酸高。Sc(OTf)3在120℃下催化反应1 h时，山嵛酸转化率高达65%，但选择性只有10%，不符合高纯度山嵛酸糖醇单酯合成的要求。Cen(CF3SO3)XH2O在高温(120℃)条件下催化反应的选择性达到88%，但山嵛酸转化率仅为11%，会造成大量原料浪费。综合考虑，选择甲磺酸在反应温度60℃、反应时间24 h下，达到较高的反应转化率(30%)和高的选择性(97%)，保证高纯度山嵛酸糖醇单酯的制备。

2.4 固定化材料对甲磺酸催化酯化反应的影响

利用固定化材料和催化剂之间的物理吸附作用固定化学催化剂，可提高催化稳定性及催化效率。在甲磺酸催化木糖醇和山嵛酸酯化反应合成山嵛酸木糖醇单酯的反应中探究了三氧化二铝、二氧化硅、沸石、MCM-41分子筛和氟罗里硅土5种固定化材料对酯化反应的影响，反应条件为山嵛酸与木糖醇摩尔比1∶10，1.5 mmol甲磺酸在60℃催化反应24 h。固定化材料对酯化反应转化率和选择性的影响见图2。

图2 固定化材料对酯化反应转化率和选择性的影响

从图2可以看出，以二氧化硅为固定化材料，反应转化率高达57%，比其他固定化材料的反应转化率高20个百分点左右，但其反应选择性为72.8%，不利于后期产物分离获得高纯度的山嵛酸糖醇单酯。其他4种固定化材料之间的反应转化率和选择性差异不大，选择性均在85%以上。其中，三氧化二铝为固定化材料的反应选择性最高，达到了93.77%，同时其反应转化率较高。综合考虑，选择三氧化二铝为固定化材料。

2.5 甲磺酸催化山嵛酸与不同糖醇的酯化反应

在优化反应条件(山嵛酸与木糖醇摩尔比1∶10，1.5 mmol甲磺酸固定在0.5 mmol三氧化二铝上，60℃反应24 h)基础上，采用甲磺酸在叔丁醇体系较低的温度下催化山嵛酸与其他糖醇的反应，并对反应条件进行调整。反应温度为糖醇和山嵛酸同时可以在叔丁醇中溶解的最低温度，反应时间由TLC监控，TLC显示微量二酯生成即将反应停止。结果见表4。

表4 甲磺酸催化山嵛酸与不同糖醇的酯化反应

从表4可以看出，在甲磺酸催化下，山嵛酸与不同糖醇反应的转化率受糖醇羟基数量的影响。羟基数比较小的糖醇如乙二醇和甘油反应最快，在60℃下反应4 h后，反应转化率分别达到94%和72%，山嵛酸甘油单酯、山嵛酸乙二醇单酯含量均为96%；当反应在低温(30、40℃)下反应8 h时，反应转化率可分别达到74%和62%，并且选择性达到100%。羟基数量较多的糖醇的反应速率明显较慢，除赤藓糖醇外，其他糖醇在60℃条件下反应时间均需24 h。季戊四醇和山梨糖醇的反应转化率分别为27%和18%，低于其他糖醇的原因可能与其独特的理化性质相关。季戊四醇有4个伯醇基团，分子内存在氢键作用；山梨糖醇在叔丁醇中溶解度低。此外，同分异构体阿拉伯糖醇和木糖醇的反应转化率相差13个百分点，表明立体结构差异也会影响物质的反应性能。

3 结 论

从脂质辅料Compritol®888 ATO中提取游离脂肪酸，以石油醚为重结晶溶剂，在料液比1∶10、纯化温度20℃、纯化时间24 h条件下，通过两次重结晶获得纯度为96.1%的山嵛酸。高纯度山嵛酸为原料在甲磺酸的催化下合成了一系列超长碳链脂肪酸糖醇单酯，以木糖醇为代表得到山嵛酸糖醇单酯的最优合成条件为：山嵛酸与木糖醇摩尔比1∶10，1.5 mmol甲磺酸固定在0.5 mmol三氧化二铝上，60℃反应24 h，山嵛酸木糖醇单酯的转化率和选择性分别为30%和97%。并通过与两种Lewis acid催化相比，发现甲磺酸催化反应选择性高且转化率也较高。将甲磺酸催化用于山嵛酸与不同糖醇的酯化反应，发现该反应也适用于其他糖醇。