CN108250118B - 一种氧化β-胡萝卜素制备角黄素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氧化β‑胡萝卜素制备角黄素的方法，β‑胡萝卜素在催化剂及助剂存在下，与氧化剂铜盐溶液反应制备角黄素，主要解决现有技术中产品中收率低、环境污染的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化β-胡萝卜素制备角黄素的方法。
背景技术
角黄素(或称为斑蝥黄)是一种类胡萝卜素，存在于某些蘑菇、甲壳类、鱼类、藻类、蛋、血液和肝脏中。1984年FDA/WHO批准斑蝥黄列入食品添加剂并制订了质量标准。斑蝥黄可以作为食品添加剂用于饮料、冰淇淋、华夫无辅料饼干、调味酱、番茄加工品和肉类加工品等。斑蝥黄加入鸡、鸭等家禽的饲料中，在蛋黄产生一种消费者喜爱的橘黄色。
1980年，Joachim Paust(US4212827)等人报道了氧化β-胡萝卜素制备斑蝥黄的方法。该方法是在催化剂存在下用氯酸盐或溴酸盐来氧化β-胡萝卜素，缺点是反应时间过长，引发较困难，工艺不稳定，使用较多的碘化物。
2000年，森俊树(CN1277191)等人用碱金属氯酸盐或溴酸盐氧化β-胡萝卜素，添加的催化剂为卤化碘、碘或金属碘化物。所用的卤化碘包括氯化碘、三氯化碘、溴化碘和三溴化碘，卤化碘可以单一种类使用或以多种混合使用。
2001年，Quesnel(EP1253131)研究报道用H2O2作氧化剂，I2为催化剂，选氯仿或氯苯为溶剂，室温条件下，产率可达40％，氧化剂H2O2无污染，但该方法产率不高。
Toshiki Mori(US6313352)等人在Joachim Paust(US4212827)的基础上进行了较好的改进，改进之后反应时间大大缩短。斑蝥黄的制备分三步：a)将β-胡萝卜素溶于二氯甲烷，将氯酸盐或溴酸盐的水溶液加于烧瓶中。b)加卤化碘或碘。c)加碘化钾或碘化钠。斑蝥黄的产率达76％，缺点是用到的卤化碘具有特殊的毒性和挥发性且收率较低，以及卤化碘具有不稳定性。
2003年，G·C·施勒默尔(CN1417207)发明的方法是用亚硫酸、亚硫酸氢盐或酸式亚硫酸盐和溴酸盐相结合产生的次溴酸作氧化剂，使得斑蝥黄获得很好的产量，同时明显地缩短了反应时间。该方法的缺点是生成的次溴酸不稳定，难以应用到工业化中。
2003年，Dubner Frank(EP1371642)等人报道氧化剂NaClO溶液适合β-胡萝卜素氧化制备斑蝥黄，I2为催化剂，该方法反应产率达71％。吴世林(CN1793098)等人发明用酸调好pH值为2-5的氧化剂水溶液，在200-800W的灯光照射条件下氧化β-胡萝卜素制备斑蝥黄。
2008年，皮士卿(CN101633633)等人发明的β-胡萝卜素氧化制备斑蝥黄方法是H2O2作催化剂，氧化剂为碱金属氯酸盐或溴酸盐。该方法反应产率达78％。
因此，针对现有技术中产品收率低，环境污染的问题，需要开发一种新的方法，用于角黄素的制备。
发明内容
本发明提供了一种氧化β-胡萝卜素制备角黄素的方法。在催化氧化反应中以铜盐为氧化剂，以活泼金属碘化物为催化剂催化氧化β-胡萝卜素合成角黄素，该方法反应条件温和，收率高，环境友好。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种氧化β-胡萝卜素制备角黄素的方法，β-胡萝卜素在催化剂及助剂存在下，与氧化剂铜盐溶液进行氧化反应制备角黄素。
作为本发明的一种具体的方案，β-胡萝卜素溶于有机溶剂中，加入活泼金属碘化物水溶液，助剂，混合均匀，搅拌，滴加铜盐水溶液，生成包括角黄素的产物，再经过过滤，水洗，取有机相除去溶剂，重结晶，过滤干燥得到角黄素产品。
本发明中，所述的催化剂为活泼金属碘化物，优选碘化钾和/或碘化钠，更优选碘化钾；所述催化剂的质量为β-胡萝卜素质量的1-8％，优选3-6％。
本发明中，所述的助剂为5wt％～8wt％的硫酸水溶液，硫酸水溶液用量与催化剂的重量比为1:1～4:1。氧化反应过快会导致角黄素过度氧化，在助剂5wt％～8wt％硫酸水溶液提供的酸性环境，铜盐氧化碘离子的反应更加温和，进而合成角黄素的反应稳定进行，使角黄素在反应液中更稳定，不易变质。
本发明中，所述的铜盐为水溶性铜盐，例如硝酸铜、硫酸铜、醋酸铜等，优选硫酸铜；铜盐的质量为β-胡萝卜素质量的10-50％，优选20-30％。
本发明中，所述铜盐溶液中铜盐与水的重量比为1:5～20，优选为1:10～15。
本发明中，所述的有机溶剂选自二氯甲烷、二氯乙烷、乙醚、正己烷中的一种或多种，优选二氯甲烷，溶剂用量是原料β-胡萝卜素重量的20-25倍。
本发明中，优选地，氧化反应先在反应温度为-10～0℃，反应1～3h，然后以1～5℃/min升温速率升温至40～50℃保温1～3h；优选先在反应温度为-9～-5℃，反应1.5-2h，然后以1～3℃/min升温速率升至41～48℃，保温1.5-2h。持续高温环境下原料β-胡萝卜素易变质，生成杂质，先低温反应一段时间原料β-胡萝卜素转化为稳定性较好的碘取代中间体后，再程序升温反应生成角黄素，既保证了较高的生产效率又保证了角黄素的高收率，减少了杂质的生成。
本发明中，所述的铜盐溶液滴加到包含β-胡萝卜素、催化剂和助剂的反应液中，铜盐滴加时间为1～2h，优选1.5-1.8h(未计算在反应时间内)。滴加法加入铜盐保证反应温和进行，避免剧烈反应导致角黄素变质。
本发明中，重结晶所用的溶剂选自丙酮、二氯甲烷、乙醇、乙醚、正己烷、环己烷、乙酸正丙酯中的一种或多种，优选丙酮。
本发明中，反应压力为常压。
本发明所述的一种氧化β-胡萝卜素制备角黄素制备的方法的反应机理为：
1)碘化反应与氯化和溴化反应不同，由于C-I键的平均键能在C-X键中最小，同时生成的碘化氢具有很强的还原性，因此，碘化反应都具有可逆性，为避免可逆反应的发生，应设法除去反应中生成的碘化氢，以使用亲电性较强的碘三负离子I3-。去除碘化氢的方法就是加入氧化剂铜盐(以硫酸铜为例)，使还原性较强的碘化氢被氧化成单质碘，再和活泼金属碘化物(以碘化钾为例)络合，形成碘三负离子I3-，以重复参加反应：
2)硫酸铜和碘化氢进行氧化还原反应，生产单质碘。单质碘再和碘化钾络合，形成碘三负离子I3-：
I-+Cu2+→CuI↓+I2
3)通过以上β-胡萝卜素的碘化反应，生成了烯丙位的碘化物，该类型碘化物具有较强的活泼性，可直接进行水解反应，得到C40醇和碘化氢：
4)C40醇再一次经过碘化反应，生成碘化物：
5)碘化物经过水解，生成C40双醇：
6)C40双醇在酸性条件下经过脱水反应，从而生成角黄素：
本发明的积极效果在于：基于角黄素易被氧化变质、卤化碘具有毒性污染，本发明利用铜盐作为氧化剂，硫酸为助剂，活泼金属碘化物作为催化剂,催化氧化β-胡萝卜素制备角黄素。该方法反应条件温和，低温常压即可，环境友好，原料及产物对环境无毒害，角黄素酸性体系稳定不易氧化变质，采用程序升温提高了生产效率和收率，反应总时长小于4h，收率高达98％以上。
具体实施方法
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
分析仪器设备：
带可见分光光度检测器的高效液相色谱仪(HPLC(VIS))或多波长检测器的高效液相色谱仪(HPLC)，液相色谱--质谱(LC/MS)
分析方法：
1)HPLC
检测器：VIS或DAD(波长：470nm附近最大波长)。
填充剂：十八烷基甲硅烷基化硅胶(粒径2～5μm)，内径2.0～6.0mm、长100～250mm。
柱温：40℃
流动相：0.05％三氟乙酸：甲醇(3:97)混合溶液。
保留时间标准：7～10分钟
2)LC/MS
填充剂：十八烷基甲硅烷基化硅胶(粒径2～5μm)，内径2.0～6.0mm、长100～250mm。
柱温：40℃
流动相：0.05％三氟乙酸：甲醇(3:97)混合溶液。
主离子(m/z)：ESI+565
保留时间标准：7～10分钟
实施例1
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，-5℃搅拌，加入催化剂碘化钾0.17g(1mmol)，加入助剂5wt％硫酸水溶液0.17g混合均匀，然后取硫酸铜1.29g(10mmol)用15ml水溶解，逐滴加入烧瓶中(滴加时间1.5h)，-5℃、反应压力常压、反应时间为2h，1℃/min升温速率升至45℃保温2h，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素5.53g，收率98.05％。
实施例2
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，-10℃搅拌，加入催化剂碘化钾0.17g(1mmol)，加入助剂5wt％硫酸水溶液0.34g混合均匀，然后取硫酸铜2.58g(20mmol)用30ml水溶解，逐滴加入烧瓶中，(滴加时间1.5h)，-10℃、反应压力常压、反应时间为2h，2℃/min升温速率升至45℃保温2h，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素5.36g，收率95.04％。
实施例3
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，0℃搅拌，加入催化剂碘化钾0.34g(2mmol)，加入助剂8wt％硫酸水溶液0.34g混合均匀，然后取硫酸铜1.29g(10mmol)用13ml水溶解，逐滴加入烧瓶中，(滴加时间1.5h)，-5℃、反应压力常压、反应时间为1.5h，3℃/min升温速率升至45℃保温1.5h，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素5.41g，收率95.92％。
实施例4
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，-10℃搅拌，加入催化剂碘化钾0.34g(2mmol)，加入助剂6wt％硫酸水溶液0.34g混合均匀，然后取硫酸铜1.29g(10mmol)用19ml水溶解，逐滴加入烧瓶中，(滴加时间1.5h)，-10℃、反应压力常压、反应时间为2h，2℃/min升温速率升至45℃保温1.5h，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素5.47g，收率96.98％。
实施例5
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，-10℃搅拌，加入催化剂碘化钾0.68g(4mmol)，加入助剂5wt％硫酸水溶液1.36g混合均匀，然后取硫酸铜1.29g(10mmol)用15ml水溶解，逐滴加入烧瓶中，(滴加时间1.5h)，-10℃、反应压力常压、反应时间为1h，3℃/min升温速率升至45℃保温2h，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素5.07g，收率89.89％。
实施例6
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，-10℃搅拌，加入催化剂碘化钾0.34g(2mmol)，加入助剂5wt％硫酸水溶液0.34g混合均匀，然后取硫酸铜0.65g(5mmol)用15ml水溶解，逐滴加入烧瓶中，(滴加时间1.5h)，-10℃、反应压力常压、反应时间为3h，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素5.07g，收率88.02％。
对比例1
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，-5℃搅拌，加入催化剂碘化钠0.34g混合均匀，然后取过氧化氢
0.34g(10mmol)用15ml水溶解，逐滴加入烧瓶中，(滴加时间1.5h)，-5℃、反应压力常压、反应时间为2h，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素2.25g，收率39.89％。
对比例2
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，-5℃搅拌，加入催化剂碘0.34g混合均匀，然后取过高碘酸钠2.12g(10mmol)用15ml水溶解，逐滴加入烧瓶中，(滴加时间1.5h)，-5℃、反应压力常压、反应时间为2h，，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素2.21g，收率39.18％。
对比例3
将取β-胡萝卜素5.36g(10mmol)置于500ml三口烧瓶中，加入100ml二氯甲烷，-5℃搅拌，加入催化剂二氧化锰0.34g混合均匀，然后取饱和次氯酸钠水溶液15g，逐滴加入烧瓶中，(滴加时间1.5h)，-5℃、反应压力常压、反应时间为2h，过滤，用水洗涤3次，分离有机相，旋干，然后用丙酮重结晶，得到紫红色角黄素3.31g，收率58.77％。
Claims (18)
1.一种氧化β-胡萝卜素制备角黄素的方法，其特征在于，β-胡萝卜素在催化剂及助剂存在下，与氧化剂铜盐溶液进行氧化反应制备角黄素；所述的催化剂为活泼金属碘化物；所述的助剂为浓度为5wt％～8wt％的硫酸水溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂的质量为β-胡萝卜素质量的1-8％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的催化剂为碘化钾和/或碘化钠，所述催化剂的质量为β-胡萝卜素质量的3-6％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的催化剂为碘化钾。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述的助剂的用量与催化剂的重量比为1:1～4:1。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述的铜盐为水溶性铜盐；铜盐的质量为β-胡萝卜素质量的10-50％。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的铜盐为硫酸铜，铜盐的质量为β-胡萝卜素质量的20-30％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铜盐溶液中铜盐与水的重量比为1:5～20。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述铜盐溶液中铜盐与水的重量比为1:10～15。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的氧化反应在溶剂存在下进行，溶剂选自二氯甲烷、二氯乙烷、乙醚、正己烷中的一种或多种，溶剂用量是原料β-胡萝卜素重量的20-25倍。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的溶剂为二氯甲烷。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，氧化反应先在反应温度为-10～0℃，反应1～3h，然后以1～5℃/min升温速率升温至40～50℃保温1～3h。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，氧化反应先在反应温度为-9～-5℃，反应1.5-2h，然后以1～3℃/min升温速率升至41～48℃，保温1.5-2h。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铜盐溶液滴加到包含β-胡萝卜素、催化剂和助剂的反应液中，铜盐滴加时间为1～2h。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，铜盐滴加时间为1.5-1.8h。
16.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，反应生成的包括角黄素的产物经过滤，水洗，除溶剂后重结晶得到角黄素产品。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，重结晶所用的溶剂选自丙酮、二氯甲烷、乙醇、乙醚、正己烷、环己烷、乙酸正丙酯中的一种或多种。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，重结晶所用的溶剂选自丙酮。
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