鹽酸－三氯化鐵催化芝麻素差向異構(gòu)化合成細(xì)辛素及機(jī)理探討

汪學(xué)德黃雪劉帥崔英德

（1廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州510006；2仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州510225；3廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510550；4河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州450001）

引 言

芝麻油是中國(guó)重要的一種特色食用油料，具有濃郁的香味和豐富的營(yíng)養(yǎng)。芝麻油中含有許多有益的生物活性物質(zhì)，其中芝麻木脂素為芝麻的特征性成分，在芝麻中含量為0.5%～1.0%［1］。芝麻木脂素具有優(yōu)異的抗氧化性能，具有保護(hù)肝臟、降低膽固醇及抗癌作用［2－3］，可用在功能食品和保健食品中［4］。研究發(fā)現(xiàn)，芝麻木脂素的主要組分為芝麻素、細(xì)辛素、芝麻酚、芝麻林素、芝麻素酚和芝麻林素酚等［5］。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在芝麻素和芝麻林素的分離和純化，而對(duì)芝麻素的同分異構(gòu)體——細(xì)辛素的研究相對(duì)較少。

細(xì)辛素也被證明具有令人矚目的生物活性，比芝麻素更強(qiáng)的抗氧化作用，抗真菌、抗腫瘤、抗過(guò)敏和某些殺蟲劑的毒性增強(qiáng)等生理活性；對(duì)皮膚具有修復(fù)作用，可用于化妝品；還可以抑制大鼠心肌損傷代謝綜合征和減少急性心臟移植排斥反應(yīng)的可能性［6－7］。

在芝麻油精煉過(guò)程中，尤其是在活性白土吸附脫色過(guò)程中，芝麻素含量減少，而芝麻素的異構(gòu)化物——細(xì)辛素則出現(xiàn)［8］。Morton和 Milton對(duì)芝麻素質(zhì)子化的研究表明芝麻素在鹽酸乙醇溶液中可以轉(zhuǎn)化為細(xì)辛素。本研究以芝麻素為原料，分別選用鹽酸、三氯化鐵和鹽酸－三氯化鐵作為催化劑，對(duì)芝麻素催化差向異構(gòu)化合成細(xì)辛素的條件進(jìn)行研究，并探討差向異構(gòu)化機(jī)理，為今后芝麻素和細(xì)辛素的應(yīng)用研究提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑 芝麻素，實(shí)驗(yàn)室自制，純度96.6%；芝麻素標(biāo)準(zhǔn)品，上海晶純生化科技股份有限公司；細(xì)辛素標(biāo)準(zhǔn)品，中國(guó)食品藥品檢定研究院；鹽酸，分析純，洛陽(yáng)昊華化學(xué)試劑有限公司；三氯化鐵，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；無(wú)水乙醇，分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備 E2695型高效液相色譜儀，美國(guó)Waters公司；LC10A高效液相色譜儀，日本島津公司；DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；10～100μl移液槍，上海榮泰生物科技有限公司；BP211D型萬(wàn)分之一精密電子天平，Sartorius公司；SHZ－D （Ⅲ）循環(huán)水式多用真空泵，深圳市譽(yù)達(dá)科技有限公司；AVANCE AV型400MHz超導(dǎo)核磁共振譜儀，瑞士Bruker公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 芝麻素和細(xì)辛素含量測(cè)定 樣品測(cè)定：取反應(yīng)后溶液，迅速將其置于冰浴中冷卻，然后搖勻溶液，轉(zhuǎn)移部分溶液至10ml容量瓶中，經(jīng)0.45μm微濾膜過(guò)濾，進(jìn)行HPLC測(cè)定［9］。

高效液相色譜條件：色譜柱，Waters C18柱（4.6250mm，5μm）；柱溫30℃；流動(dòng)相為甲醇－水 （V甲醇∶V水＝70∶30），流速為 0.8ml·min－1；紫外檢測(cè)器：芝麻素和細(xì)辛素的檢測(cè)波長(zhǎng)為287nm；進(jìn)樣量為10μl。在此條件下繪制芝麻素和細(xì)辛素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，反應(yīng)后溶液中芝麻素和細(xì)辛素根據(jù)相對(duì)保留時(shí)間定性，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算相對(duì)含量。

1.2.2 鹽酸用量對(duì)催化芝麻素異構(gòu)化的影響 取自制芝麻素100mg于圓底燒瓶中，加入一系列體積分?jǐn)?shù) （下同）分別為0、5%、10%、15%、20%和25%的鹽酸乙醇溶液，在85℃條件下攪拌回流1h。反應(yīng)結(jié)束后，在冰浴中迅速冷卻，量取1ml溶液轉(zhuǎn)移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC檢測(cè)變化。

1.2.3 三氯化鐵用量對(duì)催化芝麻素異構(gòu)化的影響

取自制芝麻素10mg于圓底燒瓶中，加入一系列質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%的三氯化鐵乙醇溶液中，在85℃條件下，攪拌回流1h。反應(yīng)結(jié)束后，在冰浴中迅速冷卻，量取1ml溶液轉(zhuǎn)移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC檢測(cè)變化。

1.2.4 鹽酸－三氯化鐵用量對(duì)催化芝麻素異構(gòu)化的影響 取自制芝麻素10mg于圓底燒瓶中，反應(yīng)溶液中三氯化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%保持不變，鹽酸添加 量 （體 積 分 數(shù)）分 別 為 0.01%、0.05%、0.1%、0.5%和1.0%，在85℃條件下攪拌回流1h。反應(yīng)結(jié)束后，在冰浴中迅速冷卻，量取1ml溶液轉(zhuǎn)移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC檢測(cè)變化。

同樣方法，反應(yīng)溶液中三氯化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別保持為0.05%、0.1%、0.5%和1.0%，鹽酸添加量梯度不變，反應(yīng)并檢測(cè)變化。

1.2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響 取自制芝麻素100mg于圓底燒瓶中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的三氯化鐵和體積分?jǐn)?shù)0.1%的鹽酸乙醇溶液。在85℃條件下攪拌回流，在10、20、30、40、50、60、70、80和90min時(shí)取樣并檢測(cè)變化。

1.2.6 反應(yīng)溫度對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響 取自制芝麻素100mg于圓底燒瓶中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的三氯化鐵和體積分?jǐn)?shù)0.05%的鹽酸乙醇溶液。設(shè)置溫度梯度分別為25、35、45、55、65、75和85℃，攪拌回流1h，取樣并檢測(cè)變化。

1.2.7 純化物結(jié)構(gòu)鑒定 采用1H NMR、13C NMR和MS方法對(duì)純化物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽酸用量對(duì)催化芝麻素異構(gòu)化的影響

隨著鹽酸用量的增加，芝麻素含量逐漸減少，細(xì)辛素含量逐漸增加，在鹽酸用量為20%時(shí)芝麻素含量和細(xì)辛素含量大致相同，如圖1所示。這說(shuō)明鹽酸在芝麻素異構(gòu)化過(guò)程中有著重要的作用。在一定范圍內(nèi)，芝麻素的異構(gòu)化隨鹽酸用量增加而加劇，在鹽酸用量達(dá)到20%時(shí)異構(gòu)化逐漸趨于平衡。

圖1 鹽酸含量對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響Fig.1 Effects of hydrochloric acid content on isomerization of sesame

2.2 三氯化鐵用量對(duì)催化芝麻素異構(gòu)化的影響

使用三氯化鐵作催化劑時(shí)，反應(yīng)后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)細(xì)辛素含量很少且反應(yīng)后溶液中出現(xiàn)大量磚紅色沉淀。這表明三氯化鐵在沸騰的乙醇中發(fā)生了水解反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程如下

三氯化鐵由于水解導(dǎo)致其Lewis酸性能力減弱［10］，不能提供質(zhì)子，三氯化鐵催化芝麻素異構(gòu)化過(guò)程終止。

2.3 鹽酸－三氯化鐵用量對(duì)催化芝麻素異構(gòu)化的影響

單獨(dú)使用三氯化鐵作催化劑極易發(fā)生水解，導(dǎo)致不能催化芝麻素的異構(gòu)化；單獨(dú)使用鹽酸乙醇溶液催化芝麻素，需要體積分?jǐn)?shù)20%的鹽酸才能催化芝麻素異構(gòu)化。而在三氯化鐵中加入鹽酸乙醇溶液后形成三氯化鐵－鹽酸復(fù)合催化劑，其異構(gòu)化結(jié)果如圖2～圖6所示。

圖2 0.01%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對(duì)異構(gòu)化的影響Fig.2 Isomerization effect of 0.01%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

圖3 0.05%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對(duì)異構(gòu)化的影響Fig.3 Isomerization effect of 0.05%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

圖4 0.1%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對(duì)異構(gòu)化的影響Fig.4 Isomerization effect of 0.1%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

圖5 0.5%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對(duì)異構(gòu)化的影響Fig.5 Isomerization effect of 0.5%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

圖6 1.0%三氯化鐵下不同鹽酸添加量對(duì)異構(gòu)化的影響Fig.6 Isomerization effect of 1.0%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

由圖2～圖6可知，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.5%的三氯化鐵濃度下，芝麻素異構(gòu)化過(guò)程雖有波動(dòng)，但整體上隨鹽酸含量增加異構(gòu)化過(guò)程趨向加強(qiáng)直至平穩(wěn)。但當(dāng)三氯化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，水解作用占據(jù)主要作用，對(duì)芝麻素的異構(gòu)化作用迅速減弱，對(duì)異構(gòu)化作用不明顯。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響

由圖7可知，反應(yīng)10min后即達(dá)到平衡。在鹽酸－三氯化鐵共同作用下，芝麻素異構(gòu)化能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成，并達(dá)到穩(wěn)定。這符合催化劑對(duì)反應(yīng)的加速作用。

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響

反應(yīng)溫度對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響較為特殊 （圖8）。如芝麻素的異構(gòu)化過(guò)程并沒(méi)有隨溫度升高而逐漸加劇，而是在達(dá)到體系中乙醇沸點(diǎn)之后反應(yīng)加速。催化反應(yīng)過(guò)程需要一定的活化能才能進(jìn)行，由此推斷催化芝麻素異構(gòu)化的過(guò)程中活化能需要在乙醇沸點(diǎn)以上才能達(dá)到。

圖7 反應(yīng)時(shí)間對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響Fig.7 Effect of reaction time on isomerization of sesamin

圖8 反應(yīng)溫度對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響Fig.8 Effect of reaction temperature on isomerization of sesamin

2.6 反應(yīng)體系對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響

采用減壓裝置驗(yàn)證芝麻素異構(gòu)化的活化能是否在乙醇沸點(diǎn)之上才能達(dá)到。調(diào)節(jié)減壓閥，減小反應(yīng)體系內(nèi)壓強(qiáng)使反應(yīng)體系中乙醇的沸點(diǎn)降至40℃。同時(shí)更換反應(yīng)體系，使用比乙醇沸點(diǎn)低的甲醇作為反應(yīng)體系，并設(shè)置簡(jiǎn)單的溫度梯度。結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，在甲醇反應(yīng)體系中甲醇的沸點(diǎn)為64.7℃，控制水浴溫度65℃時(shí)未檢測(cè)出細(xì)辛素，這可能是水浴達(dá)到65℃但反應(yīng)體系內(nèi)部并未達(dá)到甲醇沸點(diǎn)而導(dǎo)致芝麻素異構(gòu)化不能順利進(jìn)行。75℃之后，芝麻素成功進(jìn)行了異構(gòu)化過(guò)程。常壓下，乙醇反應(yīng)體系在40℃并未達(dá)到沸點(diǎn)，芝麻素異構(gòu)化尚未進(jìn)行。在減壓裝置中，乙醇反應(yīng)體系在40℃下達(dá)到沸騰，檢測(cè)結(jié)果表明在沸騰狀態(tài)下芝麻素進(jìn)行了異構(gòu)化過(guò)程。即反應(yīng)體系的溫度應(yīng)控制在反應(yīng)體系中乙醇的沸點(diǎn)之上。

2.7 合成化合物結(jié)構(gòu)鑒定

采用1H NMR、13C NMR和MS方法對(duì)制備的物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定，測(cè)定數(shù)據(jù)如下。

圖9 不同反應(yīng)體系對(duì)芝麻素異構(gòu)化的影響Fig.9 Effect of different reaction systems on isomerization of sesamin

1H NMR （CDCl3，400MHz）：6.85～6.75（6H，m，Ar—H）；5.94 （2H，s，OCH2O）；5.95（2H，s，OCH2O）；4.80 （1H，d，J＝5.20Hz，2－H）；4.36 （1H，d，J＝6.85Hz，6－H）；4.11（1H，d，J＝9.28Hz，4－Hendo）；3.84～3.82（2H，m，4－Hexo，8－Hendo）；3.31～3.28 （2H，m，1－H，8－Hexo）；2.86～2.82 （1H，m，5－H）。

13C NMR （CDCl3，400MHz）：148.0，147.7，147.2， 146.6， 135.2， 132.4， 119.5， 118.7，108.3，106.5，106.4 （aromatics）；101.2，101.1（OCH2O）；87.9 （C－6）；82.2 （C－2）；71.0 （C－4）；69.7 （C－8）；54.7 （C－5）；50.2 （C－1）。

ESI－MS （正離子源），m／z：377 ［M＋Na］＋。

以上波譜數(shù)據(jù)與文獻(xiàn) ［11－12］數(shù)據(jù)一致，純化后的合成物質(zhì)可鑒定為細(xì)辛素。

2.8 芝麻素差向異構(gòu)化機(jī)理探討

芝麻素是木脂素類天然產(chǎn)物，它的主要結(jié)構(gòu)式由雙 四 氫 呋 喃 （2，6－二 芳 基－3，7－二 氧 雜 雙 環(huán)［3.3.0］辛烷）連接兩個(gè)亞甲基二氧基苯基環(huán)組成［13］。Morton和 Milton研究認(rèn)為，芝麻素四氫呋喃結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在酸性條件下極易進(jìn)行質(zhì)子化。Li等［14］研究認(rèn)為，芝麻素在極性溶劑中其環(huán)狀結(jié)構(gòu)容易在溶劑氫鍵的作用下打開。Aldous等［12］在合成研究中發(fā)現(xiàn)，芝麻素和細(xì)辛素結(jié)構(gòu)上的差異在于其中一個(gè)亞甲基二氧基苯基環(huán)在四氫呋喃環(huán)上空間位置。對(duì)四氫呋喃結(jié)構(gòu)中碳氧鍵斷裂與重組，可以改變亞甲基二氧基苯基環(huán)的空間位置。在基礎(chǔ)有機(jī)立體化學(xué)［15］中，位于芝麻素四氫呋喃結(jié)構(gòu)中3位和7位的氧原子在質(zhì)子作用下可以形成一種中間過(guò)渡狀態(tài)，這種中間過(guò)渡狀態(tài)不穩(wěn)定，極易分解。

芝麻素異構(gòu)化過(guò)程如圖10所示。芝麻素在酸性條件下經(jīng)過(guò)質(zhì)子化作用，四氫呋喃結(jié)構(gòu)打開，形成中間過(guò)渡態(tài)，這種中間過(guò)渡態(tài)極其不穩(wěn)定，很快分解并重新生成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，亞甲基二氧基苯基環(huán)的空間位置在此過(guò)程中翻轉(zhuǎn)，生成細(xì)辛素，而且這一過(guò)程是可逆的。

圖10 芝麻素異構(gòu)化的可能機(jī)理Fig.10 Possible mechanism of isomerization of sesamin

芝麻素結(jié)構(gòu)為雙四氫呋喃結(jié)構(gòu)，擁有兩個(gè)立體源中心，立體化學(xué)認(rèn)為只有其中一個(gè)立體源中心在親核取代中進(jìn)行構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，所以芝麻素只有一個(gè)四氫呋喃結(jié)構(gòu)斷裂重組，而不是兩個(gè)結(jié)構(gòu)都斷裂重組生成細(xì)辛素。

實(shí)驗(yàn)采用鹽酸－三氯化鐵作為催化劑，在發(fā)生上述作用時(shí)鐵離子也可能參與其中。其過(guò)程類似單電子自由基歷程 （SET）［16］，產(chǎn)生分子內(nèi)的順?lè)串悩?gòu)過(guò)程。芝麻素四氫呋喃結(jié)構(gòu)氧原子在鐵鹽及酸單電子誘發(fā)作用下開環(huán)形成單電子自由基中間體，單電子自由基中間體與上述中間過(guò)渡態(tài)相似，都很不穩(wěn)定，容易失去電子，重新形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。亞甲基二氧基苯基環(huán)在此過(guò)程中經(jīng)過(guò)立體空間結(jié)構(gòu)重新選擇，生成細(xì)辛素。

采用PM3量子化學(xué)方法計(jì)算得到芝麻素和細(xì)辛素 的 生 成 熱 分 別 為 －636.10kJ· mol－1和－626.39kJ·mol－1，即芝麻素比細(xì)辛素更穩(wěn)定。在體系中乙醇沸騰狀態(tài)下加入鹽酸－三氯化鐵復(fù)合催化劑，能降低反應(yīng)體系的活化能，從而加快芝麻素轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)辛素的進(jìn)程。

3 結(jié) 論

（1）在芝麻素異構(gòu)化為細(xì)辛素的過(guò)程中使用鹽酸－三氯化鐵作為復(fù)合催化劑能有效減少鹽酸用量，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%～0.5%的鹽酸－三氯化鐵催化劑即可達(dá)到鹽酸體積分?jǐn)?shù)20%的催化效果，同時(shí)也避免了單獨(dú)使用三氯化鐵在反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生水解的問(wèn)題。

（2）鹽酸－三氯化鐵作為復(fù)合催化劑，反應(yīng)溫度控制在反應(yīng)體系乙醇的沸點(diǎn)以上反應(yīng)才能進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間以10min為宜。

（3）鹽酸－三氯化鐵作為復(fù)合催化劑，芝麻素結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)四氫呋喃結(jié)構(gòu)斷裂重組，鐵離子也參與其中，過(guò)程類似單電子自由基歷程，產(chǎn)生分子內(nèi)的順?lè)串悩?gòu)過(guò)程。能降低反應(yīng)體系的活化能，加快芝麻素轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)辛素的進(jìn)程。

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