番茄红素的全合成

李恩民，潘晓军，查 娟，陈 龙，章潮军，商甜波，罗艳娟，吴春雷*

（1.浙江医药股份有限公司，浙江 绍兴 312500；2.脂溶性维生素浙江省工程研究中心，浙江 绍兴 312000；3.绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000）

类胡萝卜素（carotenoids）是一类具有功能特性的天然色素的总称，目前已经发现700 多种。其中，与食品有关的类胡萝卜素有100 多种，常见的有β-胡萝卜素、番茄红素、虾青素等[1]。其共同的结构特征是拥有多个共轭双键，是一类出色的抗氧化剂，具有良好的自由基猝灭作用，可有效阻断细胞内的链式自由基反应。科学证实，适当补充类胡萝卜素产品，是延缓或降低人体因氧化而受到危害的重要途径之一[2-3]。据不完全统计，全球每人每天消耗类胡萝卜素约5～20 mg。围绕着类胡萝卜素的产业开发正在逐步形成。番茄红素（图1）是类胡萝卜素之一，其清除自由基的能力比β-胡萝卜素强，番茄红素在对抗某些肿瘤、心血管疾病和眼部退行性疾病中都有不俗的表现[4-7]。从1950 年Karrer[8]开始，人们一直致力于人工合成番茄红素。其中最关键的是番茄红素分子中多个双键的引入和构型保持[9-15]。

图1 番茄红素的结构

本课题组已经开发了多条以Wittig-Horner缩合反应为特征的番茄红素合成工艺[16-19]。本研究以香叶醇（2）为原料，经氧化得到柠檬醛（3），3与C4-膦酸酯（4）反应得到C14-烯醇醚（5），5 水解得到C14-醛(6)，6 与偕二膦酸酯反应得到关键中间体C15-膦酸酯（7），最后7 与十碳双醛（8）缩合得到番茄红素（1）。合成路线见图2。

图2 番茄红素（1）的合成路线

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

所有试剂均为市售，无需进一步纯化。

红外光谱IR 通过Nicolet-6700 光谱仪测定，NMR 通过Bruker AVANCE DMX III 400M 测定，元素分析通过Euro vector EA 3000 CHN 分析仪测定，熔点通过BUCHI M-560 熔点仪测得。

1.2 番茄红素的合成

1.2.1 柠檬醛的合成

向500 mL 三口烧瓶中加入香叶醇(15.4 g，0.1 mol)、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）（0.01 mol，1.56 g）、相转移催化剂四丁基氯化铵（0.01 mol，0.28 g）、100 mL 二氯甲烷和100 mL NaHCO3溶液（0.5 mol/L），室温下开启搅拌；然后加入N-氯代丁二酰亚胺（0.1 mol，13.3 g），气相跟踪反应；反应完毕后，有机层用二氯甲烷萃取（2×100 mL），二氯甲烷层用饱和食盐水（2×100 mL）洗涤，无水硫酸镁干燥，减压蒸除溶剂，得到柠檬醛粗品14.2 g，收率为94.1%，气相含量为98.7%。IR (film):1678 cm-1。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.62 (s,3H),1.71(s,3H),1.92 (s,3H),2.13～2.27 (m,4H),4.85～4.99 (m,1H),5.82 (d,1H,J=8.8 Hz),9.96 (d,1H,J=8.8 Hz)。13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ=17.4,17.5,25.5,25.7,40.6,122.6,127.1,132.8,163.4,191.9。

1.2.2 1-甲氧基-2,6,10-三甲基-1,3,5,9-十一烷四烯（C14-烯醇醚）的合成

在N2保护下，向250 mL 三口烧瓶中加入KOt-Bu（6.15 g，0.055 mol）的四氢呋喃-二甲基亚砜（25 mL，体积比8:1）溶液，维持-30 ℃～-20 ℃，0.5 h 内滴加入C4-膦酸酯（11.1 g，0.05 mol）。上述反应液继续在-20 ℃搅拌1 h，然后将溶在上述四氢呋喃-二甲基亚砜混合溶剂中的柠檬醛(7.6 g,0.05 mol)在1 h 内滴加完毕。所得反应液继续搅拌30 min 直至反应完毕（GC 跟踪）。加入25 mL水和50 mL 乙醚，继续搅拌10 min。分液得到有机层，用食盐水(3× 15 mL)洗涤、无水硫酸镁干燥，减压蒸除溶剂得到7.7 g C14-烯醇醚粗品，为无色液体，GC 含量为93.7%，收率为65.8%。IR(film):3120,1683,1657,1250 cm-1。1H NMR(400 MHz,CDCl3):δ=1.61 (s,3H,CH3C=CHOCH3),1.68 (s,3H,CH3),1.69 (s,3H,CH3),1.78 (s,3H,CH=CCH3),2.05～2.17 (m,4H,CH2CH2),3.62 (s,3H,OCH3),5.06～5.16 (m,1H,CH),5.87 (s,1H,C=CHOCH3),5.94 (dd,J=11.2 Hz,5.6 Hz,1H,CH=CH),6.29 (dd,J=15.2 Hz,11.2 Hz,1H,C=CH),6.63 (dd,J=15.2 Hz,12.4 Hz,1H,CH=CH)。13C NMR (100 MHz，CDCl3):δ=14.5,17.7,24.0,25.7,26.6,26.8,32.7,40.1,59.8,112.8,123.2,126.7,129.0,138.0,144.8。13C DEPT135 (100 MHz,CDCl3):δ=14.5,17.7,24.0,25.7,26.6 (-)，26.8 (-),32.7 (-),40.1 (-),59.8,123.2,126.7,144.8。

1.2.3 2,6,10-三甲基-2,5,9-十一烷三烯-1-醛（C14-醛）的合成

在N2保护下，向150 mL 三口烧瓶中加入C14-烯醇醚（5.5 g，0.025 mol）、50 mL 四氢呋喃、0.8 g 对甲苯磺酸和11 g 水，所得反应液在20 °C～25 °C 搅拌24 h。根据GC 判断水解反应结束，加入9% NaHCO3溶液（12 mL），减压蒸除四氢呋喃。加入50 mL 环己烷，有机层用15 mL 水洗，无水MgSO4干燥，减压蒸馏得C14-醛粗产品4.5 g，收率为69.9%，气相含量为93.5%。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.11 (t,J=7.6 Hz,3H,CH3CCHO),1.51 (s,3H,CH3C=CH),1.63 (s,3H,CH3),1.70 (s,3H,CH3),1.85～1.89 (m,2H,CH2CH2),2.18～2.29 (m,2H,CH2CH2),2.24～2.33(m,2H,CH2),5.11～5.12 (m,1H,CH),5.67 (s,1H，CH3C=CH),6.51 (t,J=7.2 Hz,1H,CH=CCHO)，9.44 (s,1H,CHO)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.7,17.6,18.3,23.4,25.6,26.4,39.4,115.5,123.9,131.6,140.7,143.0,156.8,194.4。13C DEPT135(100 MHz,CDCl3):δ=12.7,17.6,18.3,23.4 (-),25.6,26.4 (-)，39.4 (-)，115.5,123.9,156.8,194.4。GC-MS:m/z (%)=206,191,177,163,109,91,77,69(100%)，53,41,27。

1.2.4 3,7,11-三甲基-1,3,6,10-四烯十二烷-1-膦酸二乙酯（C15-膦酸酯）的合成

在N2保护下，向150 mL 三口烧瓶中加入NaH（60%含量,1.1 g,0.0275 mol）的甲苯溶液(10 mL)，维持温度在10 °C～15 °C，开启搅拌，慢慢滴加偕二膦酸酯(8.6 g,0.03 mol) 的甲苯溶液（20 mL），反应液继续搅拌30 min。在15 °C 下，将C14-醛(5.1 g,0.025 mol)的甲苯溶液(20 mL)慢慢滴加入上述反应液中，加毕继续搅拌30 min。加入20 mL 水继续搅拌10 min。有机层用10%NaCl 溶液(80 mL)洗涤，无水MgSO4干燥，减压蒸馏收集得C15-膦酸酯粗品7.5 g，为浅棕色液体，收率为88.5%，气相含量为93.2%。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=0.98 (t,J=7.6 Hz,3H,CH3),1.32 (t,J=6.8 Hz,6H,2 × OCH2CH3),1.46 (s,3H,CH3),1.63 (s,3H,CH3),1.70 (s,3H,CH3),1.96～2.04 (m,2H,CH2CH2),2.04～2.14 (m,2H,CH2CH2),2.15～2.20 (m,2H,CH2),4.03～4.10 (m,4H,2 ×OCH2CH3),5.10～5.11 (m,1H,CH),5.55～5.56 (m,1H,CH),5.51 (dd,J=16.8 Hz,20.0 Hz,1H,CH=CHP),5.86 (t,J=7.2 Hz,1H,CH),7.08 (dd,J=17.6 Hz,21.6 Hz,1H,CH=CH)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,15.9,16.0,17.0,17.3,22.7,25.3,25.9,38.6,61.0,60.9,112.4 (d,J=189.4 Hz),118.2,123.7,131.2,135.5 (d,J=24.1 Hz),141.0,142.7,151.3。13C DEPT135 (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,15.9,16.0,17.0,17.3,22.7 (-),25.3,25.9 (-),38.6 (-),61.0 (-),60.9 (-),112.4 (d,J=189.4 Hz),118.2,123.7,142.7,151.3。GC-MS:m/z (%)=340,325,284,271,243,217(100%),205,192,159,105,79。

1.2.5 番茄红素（1）的合成

在N2保护下，向150 mL 三口烧瓶中先加入溶在30 mL THF-DMSO 混合溶剂（体积比为8:1）中的KOt-Bu（2.3 g,0.021 mol）溶液，然后在0.5 h内将C15-膦酸酯(6.8 g,0.02 mol)逐滴加入，温度维持在-30 ℃～-25 ℃，所得反应液继续搅拌5 h。将溶在10 mL THF-DMSO 混合溶剂中的C10-双醛(1.6 g,0.0098 mol)溶液在20 min 内逐滴加入。上述反应液先在-30 ℃～-25 ℃下搅拌15 min，再升温至20 ℃～25 ℃下搅拌1 h。加入CHCl3（100 mL），分出有机层，用NaCl 溶液（5%,3×75 mL）洗涤，无水MgSO4干燥，减压蒸除溶剂得红色粗产品番茄红素。CH2Cl（230 mL）重结晶。然后将所得固体放在30 mL 乙醇中，于75 ℃～80 ℃下回流搅拌5 h，至顺式体转化成反式体，得到产品3.1 g，收率为61.6%。IR (film):1627,968 cm-1。1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ=1.43～2.21 (m,8H),1.55 (s,12H,4 × CH3),1.62 (s,6H,2 × CH3),1.69(s,6H,2×CH3)，2.13 (s,6H,2 × CH3),5.11,5.98～6.94 (m,16H,=CH)。13C NMR (100 MHz,CDCl3):δ=12.8,12.9,17.0,18.4,25.7,26.7,40.3,124.0,124.8,125.2,125.7,130.1,131.6,131.8,132.7,135.4,136.2,136.6,137.4,139.5。13C DEPT135(100 MHz,CDCl3):δ=12.8,12.9,17.0,18.4,25.7,26.7 (-),40.3 (-),124.0,124.8,125.2,125.7,130.1,131.6,132.7,135.4,137.4。

2 结果与讨论

首先，柠檬醛和C4-膦酸酯在四氢呋喃和二甲基亚砜组成的混合溶剂中，以叔丁醇钾为强碱，用量为柠檬醛的1.1 倍量，在-20 ℃下反应可得到C14-烯醇醚，收率为68.4%。该步反应所用原料C4-膦酸酯结构比较特殊，其所带的带角甲基的不饱和片段恰好符合类胡萝卜素类化合物的结构要求。此外，由于该反应过程是先在碱性条件下，C4-膦酸酯的一号碳失去一个质子成为碳负离子，而其两边的取代基磷酸酯基和双键恰好可以分散该负电荷，使得中间体碳负离子趋于稳定，从而使反应能更顺利地进行。

C14-烯醇醚水解时，经过条件优化对甲苯磺酸的催化效果较盐酸和三氟乙酸好，反应温度不宜过高，否则气相显示反应所得产物较杂。因此，研究得到该水解工艺的较佳条件为：以对甲苯磺酸作为烯醇醚水解的催化剂，用量为C14 烯醇醚的5 mol%，四氢呋喃为溶剂，加水，于25 ℃下反应24 h，气相跟踪显示水解完成，收率为70.5%。

最后一步由C15-膦酸酯和C10-双醛经Wittig-Horner 反应缩合成番茄红素。该步反应由关键中间体C15-膦酸酯为1,3-二烯-C-15-膦酸酯，而制备番茄红素需要将1,3-二双键-C15-膦酸酯经双键移位为2,4-二双键-C15-膦酸酯（图3）。因此，本步工艺先研究C15-膦酸酯的双键移位，通过强碱条件将1,3-二双键-C15-膦酸酯转变成2,4-二双键-C15-膦酸酯；再研究其与十碳双醛缩合成番茄红素（1）的反应。经过条件研究，只需在-30 ℃～-25 ℃间，使1,3-二双键-C15-膦酸酯在强碱KOt-Bu 的四氢呋喃和二甲基亚砜混合溶剂中搅拌24 h，即可完成双键移位。之后和C10-双醛的缩合较为顺利。

图3 1，3-二双键-C15-膦酸酯双键移位

反应所得的番茄红素粗品中仍有不少顺式异构体，而根据相关标准，要求反式体占98%以上，这就涉及到顺反转位反应。本工艺以乙醇为转位反应的溶剂，回流反应5 h，即可将反式体含量提升至98%以上。

3 结论

本研究开发了一条全反式番茄红素的全合成的路线：由香叶醇（2）经氧化得到柠檬醛（3），3与C4-膦酸酯缩合制备C14-烯醇醚（4），4 与偕二膦酸酯缩合得到十五碳膦酸酯，最后与十碳双醛反应得到番茄红素，五步总收率为23.5%。本合成路线具有环境友好、步骤少、工艺简单、反应收率高等特点，具有较大的工业化潜力。