CN113784939A - 用于产生合成角鲨烷和角鲨烷衍生物的方法 - Google Patents

用于产生合成角鲨烷和角鲨烷衍生物的方法 Download PDF

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李善和
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Abstract

本申请提供了一种用于合成角鲨烷和角鲨烷衍生物作为从天然产物中提取的角鲨烯的替代品的方法。特别地，本申请提供了一种用于产生化妆品、个人护理或药物组合物的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将Cn‑脂肪酸和Cm‑脂肪酸与溶剂组合以形成电解反应混合物，其中n+m之和是32；以及对所述电解反应混合物进行科尔伯电解；(b)使步骤(a)的产物进行加氢异构化反应以产生C30饱和支链烃或C30饱和支链烃的混合物；以及(c)用一种或多种成分配制所述C30饱和支链烃以产生所述化妆品、个人护理或药物组合物。还提供了包括通过此方法产生的角鲨烷和/或角鲨烷衍生物的化妆品、个人护理或药物组合物。

Description

用于产生合成角鲨烷和角鲨烷衍生物的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年5月2日提交的美国临时专利申请号62/842,128的优先权，将其以其全文并入本文。
技术领域
本申请涉及用于合成长链烃的方法的领域。更特别地，本申请涉及用于合成用于化妆品和药物制剂的长链烃的方法以及由此制造的制剂。
背景技术
角鲨烷是一种高端保湿剂，常见于个人护理产品，尤其是化妆品中。角鲨烷在皮肤护理产品的制造中充当润滑剂，并且当掺入皮肤护理产品时，它有助于为皮肤提供光滑且柔软的外观。角鲨烷也用于头发调理产品中。除了个人护理产品外，角鲨烷还用于制造疫苗中。
角鲨烷具有的分子式为C30H62，并且具有如下所示的化学结构。
Figure BDA0003331830780000011
可商购的角鲨烷是从橄榄油或鲨鱼肝中提取的，或者它是由甘蔗合成的。要产生约一吨角鲨烷，需要使用大约3,000条鲨鱼的肝脏。鉴于目前全球每年需求近2,500吨角鲨烷，这意味着每年杀死大约600万条深水鲨鱼。用于产生角鲨烷的若干种鲨鱼物种濒临灭绝，以及因此，现在世界大部分地方都禁止捕猎海鲨鱼。此外，诸如联合利华(Unilever)和欧莱雅(L’Oreal)等公司已宣布他们将不再为他们的化妆品产品采购鲨鱼肝角鲨烷，而是代替利用基于植物的来源的角鲨烷。因为鲨鱼肝一直是角鲨烷的第二大来源(仅次于橄榄油)，所以这些变化导致角鲨烷的供应量显著减少。
2015年，基于橄榄油的角鲨烷是角鲨烷市场的主导部分。基于橄榄油的角鲨烷是由从橄榄油提取的角鲨烯的氢化制成的。考虑到组成，来自第一次提取的橄榄油每100g持有大约400mg至450mg的角鲨烯，而精制橄榄油包含约25％更少。最优质品质的橄榄油每100g可以包含近700mg浓度的角鲨烯。
为了解决全球对来自橄榄油的角鲨烷的需求，需要500-600,000吨橄榄油，这对应于全球产量的约20-25％。然而，最近，苛养木杆菌(xylella fastidiosa)细菌已经毁灭了意大利橄榄油产生，除了破坏生病的树之外，没有已知的治疗。木杆菌属(Xylella)最近已经蔓延到甚至更大的西班牙橄榄产业，并威胁到希腊grooves(Greek grooves)，导致全球橄榄油产量总体减少。这使得由橄榄油获得角鲨烷变得更难，并且正在寻找更便宜的替代方案。
阿米利斯(Amyris)正在进行替代方法的实例，其通过金合欢烯(一种源自蔗糖(cane sugar)的分子)的二聚/氢化来制造角鲨烷。
由于供应不一致，角鲨烷的商业应用受到价格波动的限制。
仍然需要一种不依赖于使用鲨鱼肝或橄榄油的用于产生角鲨烷的具有成本效益的替代方案。
提供上述信息是出于使申请人相信的已知信息与本发明可能相关的目的。承认不必要是故意的，也不应当解释为任何前述信息构成与本发明相对的现有技术。
发明内容
本申请的目的是提供一种用于合成角鲨烷和角鲨烷衍生物的方法。根据本申请的方面，提供了一种用于产生化妆品、个人护理或药物组合物的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将Cn-脂肪酸和Cm-脂肪酸与溶剂组合以形成电解反应混合物，其中n+m之和是32；以及对所述电解反应混合物进行科尔伯(Kolbe)电解；(b)使步骤(a)的产物进行加氢异构化反应以产生C30饱和支链烃或C30饱和支链烃的混合物；以及(c)用一种或多种成分配制所述C30饱和支链烃以产生所述化妆品、个人护理或药物组合物。
根据另一方面，提供了通过用于产生化妆品、个人护理或药物组合物的方法产生的化妆品、个人护理或药物组合物，所述方法包括以下步骤：(a)将Cn-脂肪酸和Cm-脂肪酸与溶剂组合以形成电解反应混合物，其中n+m之和是32；以及对所述电解反应混合物进行科尔伯电解；(b)使步骤(a)的产物进行加氢异构化反应以产生C30饱和支链烃或C30饱和支链烃的混合物；以及(c)用一种或多种成分配制所述C30饱和支链烃以产生所述化妆品、个人护理或药物组合物。
附图说明
为了更好地理解如本文所述的申请及其其他方面和另外特征，参考将结合附图使用的以下描述，其中：
图1描绘了C30烷烃共混物(仅由棕榈脂肪酸产生)、C30-C34共混物(由棕榈脂肪酸和硬脂脂肪酸的组合产生的较重的润肤剂)和可商购的橄榄角鲨烷的重叠气相色谱图；以及
图2描绘了总结感官特征测试结果的蛛网图(spider diagram)。
具体实施方式
定义
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。
如在说明书和权利要求中所用，除上下文另外明确规定，否则单数形式“一个/种(a)”、“一个/种(an)”和“所述(the)”包括复数指示物。
如本文使用的术语“包括(comprising)”将被理解为意指以下列表是非详尽的，并且可能包括或可能不包括任何其他附加的合适的项目，例如视情况而定，一个/种或多个/种另外的特征、组分和/或成分。
本发明人已经发现角鲨烷、角鲨烷衍生物及其混合物可以使用包括科尔伯电解步骤以及随后的加氢异构化步骤的方法产生。如本文使用的，术语“角鲨烷衍生物”是指C30支链烷烃。然后将角鲨烷或角鲨烷衍生物或其组合配制成化妆品、个人护理或药物产品。
本申请的方法包括通过科尔伯电解使两种脂肪酸脱羧二聚以形成C30烃，其为烷烃或烯烃。然后使C30烃进行加氢异构化步骤以产生饱和且支链的C30烃。
在一种实例中，其中使用C16(棕榈)脂肪酸作为起始材料，产生了纯的C30烷烃(三十烷)流。C30烷烃的后续加氢异构化产生支链饱和烃，如角鲨烷。虽然不完全是像角鲨烷一样的立体化学构象，但该产品的感官体验将是相似的。棕榈脂肪酸可以容易地从油脂化学品供应商购买。
科尔伯电解
科尔伯电解反应(H.Kolbe,Liebigs Ann.Chem.1849,69,257-294)是一种用于在制造烃的过程中使羧酸脱羧的化学反应过程。该反应可用于电化学氧化羧酸以产生烷烃、烯烃、含烷烃的产物、含烯烃的产物(即，分别包括烷烃和烯烃的化合物，诸如由科尔伯电解反应产生的取代的烷烃和取代的烯烃)及其混合物。反应通过自由基中间体进行以产生基于这些自由基的二聚的产物，使得Cn-酸将与Cm-酸结合以形成包括m+n-2个碳的烷烃和/或烯烃连同两个二氧化碳分子和一个氢分子。自由基中间体还可以通过歧化导致较短的烷烃和/或烯烃产物。在科尔伯电解中，只有羧基基团参与反应，并且脂肪酸链中可能存在的任何不饱和度都保留在反应产物中。
科尔伯电解反应过程可以使用单一羧酸(在这种情况下，Cn-脂肪酸和Cm-脂肪酸是相同的)或羧酸的混合物(在这种情况下，Cn-脂肪酸和Cm-脂肪酸彼此不同)。当使用羧酸的混合物时，该混合物包括Cn-脂肪酸和Cm-脂肪酸，其中n+m之和是32。
在本申请的方法的一种实施方式中，科尔伯电解步骤包括：将Cn-脂肪酸和Cm-脂肪酸与溶剂组合以形成电解反应混合物，其中n+m之和是32；以及对该电解反应混合物进行科尔伯电解。
可用于本申请的方法的脂肪酸可以是饱和的(即，不包含任何双键)或不饱和的(即，沿脂肪酸链包含一个或多个烯基官能团)。合适的饱和脂肪酸的常见实例是：
-酪酸(丁酸)：CH3(CH2)2COOH或C4:0；
-羊油酸(己酸)：CH3(CH2)4COOH或C6:0；
-羊脂酸(辛酸)：CH3(CH2)6COOH或C8:0；
-羊蜡酸(癸酸)：CH3(CH2)8COOH或C10:0；
-月桂酸(十二烷酸)：CH3(CH2)10COOH或C12:0；
-肉豆蔻酸(十四烷酸)：CH3(CH2)12COOH或C14:0；
-棕榈酸(十六烷酸)：CH3(CH2)14COOH或C16:0；
-硬脂酸(十八烷酸)：CH3(CH2)16COOH或C18:0；
-花生酸(二十烷酸)：CH3(CH2)18COOH或C20:0；以及
-山萮酸(二十二烷酸)：CH3(CH2)20COOH或C22:0。
合适的不饱和脂肪酸的常见实例是：
-油酸：CH3(CH2)7CH＝CH(CH2)7COOH或顺式-Δ9C18:1
-亚油酸：CH3(CH2)4CH＝CHCH2CH＝CH(CH2)7COOH或C18:2
-α-亚麻酸：CH3CH2CH＝CHCH2CH＝CHCH2CH＝CH(CH2)7COOH或C18:3
-花生四烯酸CH3(CH2)4CH＝CHCH2CH＝CHCH2CH＝CHCH2CH＝CH(CH2)3COOH或C20:4
-二十碳五烯酸或C20:5
-二十二碳六烯酸或C22:6
-芥子酸：CH3(CH2)7CH＝CH(CH2)11COOH或C22:1
如本文使用的，命名法“Cx:y”用于依据脂肪酸中的碳原子数目来定义脂肪酸；其中x是脂肪酸链中的碳原子数目，并且y是双键的数目。当y为0时，脂肪酸是饱和脂肪酸。术语“Cx”在本文中用于是指在脂肪酸链中具有x个碳原子的饱和以及不饱和脂肪酸两者。
通过非限制性实例，科尔伯电解可以使用以下进行：以下的混合物：C4脂肪酸和C28脂肪酸、C5脂肪酸和C27脂肪酸、C6脂肪酸和C26脂肪酸、C7脂肪酸和C25脂肪酸、C8脂肪酸和C24脂肪酸、C9脂肪酸和C23脂肪酸、C10脂肪酸和C22脂肪酸，或以下的混合物：C11脂肪酸和C21脂肪酸、C12脂肪酸和C20脂肪酸、C13脂肪酸和C19脂肪酸、C14脂肪酸和C18脂肪酸或C15脂肪酸和C17脂肪酸。这些脂肪酸可以是饱和的或不饱和的，或其任何组合。
在本申请的方法的另一种实施方式中，科尔伯电解使用C16脂肪酸进行。C16脂肪酸可以是饱和或不饱和脂肪酸，或者它可以是C16脂肪酸的混合物。
蒸馏来自任何原料的脂肪酸，使得从存在于原料中的其他脂肪酸中萃取所需脂肪酸。例如，对于高产率的C16脂肪酸，棕榈和棕榈油精是良好的来源。然而，也可以使用来自其他原料材料的C16。C16的科尔伯电解的主要产物是C30分子。
脂肪酸的重要可再生来源来自植物油和动物脂肪的甘油三酯的水解。
表1 给出了来自各种植物油和动物脂肪的脂肪酸的标称组成。
Figure BDA0003331830780000071
可用于科尔伯电解的脂肪酸也可以由甘油三酯水解产生，诸如酸或碱或酶催化的水解。可能存在于科尔伯电解反应溶液中的水解反应的产物可以包括一些未反应的甘油三酯、甘油二酯、甘油单酯或甘油，这取决于原料。在本发明中，优选地水解反应包括显著的水性相并且被设计成使得所有原料脂肪和油被水解成水不溶性游离脂肪酸相，该相漂浮在水性相的顶部。优选地水解反应的甘油副产物完全溶解到水性相中。对于科尔伯电解反应，保留或回收来自水解反应的溶剂和/或碱可以是有利的。
用于科尔伯电解的合适溶剂包括例如C1-C3醇。例如，科尔伯电解反应中采用的溶剂是甲醇或乙醇或C1-C3醇的混合物。科尔伯电解反应耐受水的存在，并且水可以最高达按体积计40％的量存在于该反应中。在某些实施方式中，反应组分的溶解度和电解溶液的电导率可以在包括醇和水的混合物的溶剂体系中得到改善。因此，在一些实施方式中，溶剂包括按体积计约2％至约50％、约5％至约45％、约10％至约40％或约20％至约30％的量的水(例如，在乙醇中的水)。
用于科尔伯电解反应的初始反应混合物在环境温度(22℃)下可能不是溶液(其中原料和其他组分溶解)。在科尔伯电解反应期间，脂肪酸的中和(即盐)形式必须在溶液中。游离脂肪酸可以作为单独的相存在。当脂肪酸的羧酸根离子形式在电解期间转化为烃时，在该反应中形成的碱与游离脂肪酸反应以形成盐，从而将更多的脂肪酸(以其盐形式)吸入到溶液中。这继续直到所有的脂肪酸都被消耗。在一种实施方式中，脂肪酸被连续供应到反应中，并且烃产物被连续去除，这有助于保持恒定的反应速率，并在稳态模式下进行科尔伯电解。
在本发明的一些实施方式中，可以在低于或高于室温的温度下进行科尔伯电解。科尔伯电解反应在约0℃至约100℃，或约0℃至约80℃，或约15℃至约80℃的范围内的温度下进行。可以采用比大气压力更高的压力来防止溶剂损失或反应混合物沸溢。
在科尔伯电解反应中，可以在科尔伯反应开始经历电解之前或在科尔伯反应经历电解期间添加碱以将脂肪酸的羧酸基团部分转化为羧酸盐。在一些实施方式中，脂肪酸将被中和约1％至80％、1％至60％或1％至25％的范围。在这种情况下，百分比意指相对于总羧酸摩尔浓度以摩尔单位计的中和的脂肪酸的浓度。用于中和脂肪酸的合适碱是钠或钾的氢氧化物、醇盐或碳酸盐。也可以使用胺碱。
在一些实施方式中，可以将电解质添加到科尔伯反应混合物中以增加科尔伯反应混合物电导率。适当地，用于改善科尔伯反应混合物电导率的电解质可以选自由以下组成的组：钠或四烷基铵的高氯酸盐、对甲苯磺酸盐或四氟硼酸盐或其混合物。除了来自这些电解质之外或除了底物羧酸的羧酸根之外的阴离子可能干扰并且不应当存在。混合物电导率的增加与混合物电阻率的降低一致。
科尔伯电解中阴极的材料通常是不锈钢、镍或石墨，但是也可以使用其他合适的材料，包括铂或金。阳极的材料通常是铂，至少在阳极的反应表面处。阳极可以是由阳极材料组成的箔或板，或者阳极材料可以镀在或固定在支撑材料，诸如钛、铌、石墨或玻璃上，其中优选的支撑材料是钛或铌。例如，由电镀有1微米铂的1mm-厚钛板组成的阳极可以用于科尔伯电解，以给出与使用铂箔阳极所发现的生产率值大约相等的生产率值。其他材料也可以用作阳极，包括无孔石墨、金或钯。
施加到科尔伯电解的电流密度，定义为供应到电极的电流除以电极的有效表面积，可以在约10至约1000mA/cm2的范围内。
在本发明的一些实施方式中，当不饱和脂肪酸是脂肪酸混合物的一部分时，添加乙酸以降低科尔伯电解中的钝化电压，例如，如国际PCT申请WO 2016/0080335中所描述的。乙酸的量在总羧酸的约0.2重量％至约20重量％之间。
科尔伯电解的烃产物可以使用反应产物分离器从反应混合物中分离，其中反应产物分离器是可以从液体溶液中分离液体或固体反应产物的任何装置。反应产物分离器的实例包括但不限于离心分离器、旋风分离器、重力驱动分离器、沉降罐、过滤系统和蒸馏系统。
加氢异构化
该方法的下一步骤是将科尔伯电解反应的C30烃产物加氢异构化以改变烃的特性，使得其更适用于化妆品、个人护理或药物组合物。
加氢异构化反应在氢气和具有催化骨架异构化的金属组分的催化剂存在下进行，产生具有与科尔伯电解步骤的起始C30烃产物相同的分子量的饱和支链烃。所得烃材料对氧化更稳定，并且在较低温度下更具流动性，这是理想的特性。
在加氢异构化反应的实例中，催化剂是包含浸渍的铂族金属的基于二氧化硅/氧化铝的沸石，反应温度在约250℃至约400℃或约275℃至约400℃之间，反应压力在约10巴至约400巴或约10巴至约100巴之间，并且氢气与烃的比率为约100至约1000或约400至约1000。
加氢异构化过程的副反应是烃裂化，其产生短链烃。加氢异构化的粗产物是角鲨烷和角鲨烷衍生物(长链烃)以及碳数目小于30的短链烃的混合物。通过蒸馏或本领域技术人员已知的任何其他分离技术将角鲨烷和角鲨烷衍生物与短链烃分离，使得最终产品是可以包括一种或多种角鲨烷衍生物(有或没有角鲨烷)的任何组合的C30烷烃的共混物。
制剂
随后根据本领域公知的常规方法将加氢异构化步骤的产物配制成化妆品、个人护理或药物组合物。化妆品、个人护理或药物组合物可以包括一种或多种赋形剂、稀释剂或活性成分，如将由配制方法学的技术人员基于组合物的最终用途容易地确定的。
为了更好地理解本文描述的本发明，陈述以下实施例。应当理解，这些实施例仅用于说明目的。因此，它们不应当以任何方式限制本发明的范围。
实施例
实施例1：
使用棕榈酸和硬脂酸的原料共混物进行科尔伯电解，以产生C30–C34烃的共混物。仅使用棕榈酸原料进行第二次科尔伯电解以产生C30烃的共混物。使用包含浸渍的铂的基于二氧化硅/氧化铝的沸石作为催化剂，在275℃与400℃之间的反应温度、10巴与100巴之间的反应压力下，对所得烃各自进行加氢异构化。在每种情况下，氢气与烃的比率在400与1000之间。通过蒸馏去除裂化副反应的短链烃产物来纯化烷烃产物。
图1示出了C30烷烃共混物(仅由棕榈脂肪酸产生)、C30-C34共混物(由棕榈脂肪酸和硬脂脂肪酸的组合产生的较重的润肤剂)和可商购的橄榄角鲨烷的气相色谱图的比较。由棕榈酸原料制成的共混物与角鲨烷比由棕榈酸和硬脂酸的组合制成的共混物更接近匹配，从而证实该方法产生了非常接近角鲨烷的烷烃的共混物。
将包括共混物(i)C30-C34烷烃；以及(ii)C30烷烃的加氢异构化的材料的感官特征与商业购买的角鲨烷进行比较。测试方法在下表中给出。
Figure BDA0003331830780000111
Figure BDA0003331830780000121
该测试的结果定性地示出在图2的蛛网图中。结果表明，C30共混物在感官特征上与商业角鲨烷惊人地相似，比C30–C34共混物更相似，基于共混物中的窄尺寸范围，将预期其具有更多相似的特征。因此，根据本文所述的方法产生的C30共混物可以用作从天然来源提取的角鲨烷的合成替代品。
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请都指示本发明所属领域技术人员的技能水平，并且通过援引并入本文，其程度就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被特别地和单独地指出为通过援引并入一样。
因此描述了本发明，将显而易见的是可以以许多方式改变本发明。这样的变化不被视为背离本发明的精神和范围，并且如对于本领域技术人员而言将显而易见的所有这样的修改旨在包括在以下权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种用于产生化妆品、个人护理或药物组合物的方法，包括以下步骤：
(a)将Cn-脂肪酸和Cm-脂肪酸与溶剂组合以形成电解反应混合物，其中n+m之和是32；以及对所述电解反应混合物进行科尔伯电解；
(b)使步骤(a)的产物进行加氢异构化反应以产生C30饱和支链烃或C30饱和支链烃的混合物；以及
(c)用一种或多种成分配制所述C30饱和支链烃以产生所述化妆品、个人护理或药物组合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述Cn-脂肪酸和Cm-脂肪酸两者都是C16脂肪酸。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述Cn-脂肪酸是C8脂肪酸并且所述Cm-脂肪酸是C24脂肪酸，所述Cn-脂肪酸是C9脂肪酸并且所述Cm-脂肪酸是C23脂肪酸，所述Cn-脂肪酸是C10脂肪酸并且所述Cm-脂肪酸是C22脂肪酸，所述Cn-脂肪酸是C11脂肪酸并且所述Cm-脂肪酸是C21脂肪酸，所述Cn-脂肪酸是C12脂肪酸并且所述Cm-脂肪酸是C20脂肪酸，所述Cn-脂肪酸是C13脂肪酸并且所述Cm-脂肪酸是C19脂肪酸，所述Cn-脂肪酸是C14脂肪酸并且所述Cm-脂肪酸是C18脂肪酸，或者所述Cn-脂肪酸是C15脂肪酸并且所述Cm-脂肪酸是C17脂肪酸。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(a)中，1-25mol％的所述脂肪酸用碱中和。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(a)在约10至约1000mA/cm2的电流密度下且在约0℃至约80℃的温度下进行。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，步骤(b)的所述加氢异构化在氢气和催化剂存在下进行。
7.根据权利要求7所述的方法，其中，所述催化剂是包含浸渍的铂的基于二氧化硅/氧化铝的沸石。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述加氢异构化反应温度在约275℃至约400℃之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述加氢异构化反应压力在约10巴至约100巴之间。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，在所述加氢异构化反应中，所述氢气与烃的比率为约400至约1000。
11.一种通过根据权利要求1至10中任一项所述的方法产生的化妆品、个人护理或药物组合物。
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