环氧氯丙烷开环合成1-棕榈酸-3-氯丙醇酯的研究

郭芳，胡志雄*，王维曼，齐玉堂，张维农

（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉430023）

环氧氯丙烷开环合成1-棕榈酸-3-氯丙醇酯的研究

郭芳，胡志雄*，王维曼，齐玉堂，张维农

（武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北武汉430023）

以棕榈酸、环氧氯丙烷为原料，使用醋酸铬为催化剂开环合成得到1-棕榈酸-3-氯丙醇酯，该方法成本低廉、产率高、选择性好。所得产物使用红外光谱及液相色谱、电喷雾离子质谱等手段进行表征，并对合成反应条件进行了优化，最佳条件为反应温度80℃，反应时间30h，催化剂用量8 mmol/L，棕榈酸/环氧氯丙烷物质的量比1∶1.2，该条件下其产率可达92%。

1-棕榈酸-3-氯丙醇酯；合成；醋酸铬；环氧氯丙烷

食品中的氯丙醇污染已成为国际关注的食品安全问题，其中3-氯-1,2-丙二醇（3-monochloro-1,2-propan diol，3-MCPD）是氯丙醇类食品污染物中最常见的代表物质[1]，毒理学研究表明，3-MCPD具有生殖、肾脏和神经毒性，可能具有致癌和致突变作用[2]。食品添加剂和污染物联合专家委员会（joint FAO/WHO expert committee on food additives，JECFA）以及欧盟食品科学委员会（scientific committee for food，SCF）等暂定了人体每日最大耐受量（tolerable daily intake，TDI）为2μg/kg[3]。

3-氯-1，2-丙二醇酯（3-MCPD酯）是3-氯丙醇与脂肪酸的酯化产物，SVEJKOVSKA B等[4]首次在多种加工食品中发现了3-MCPD酯的污染。近几年的研究进一步发现，许多食品中都含有不同水平的3-MCPD酯[5-8]，尤其精炼食用油3-MCPD酯含量大大超过其游离态3-MCPD的含量，有的超过千倍[9-10]。虽然目前尚无直接证据表明3-MCPD酯有毒性，但有研究表明，3-MCPD酯在胰脂酶作用下会释放出游离3-MCPD，随后被快速吸收[11]，健康风险极高，因此，在食品加工过程中对3-MCPD酯的监测与控制十分必要。

在3-MCPD酯的检测与控制等基础研究过程中，高纯的3-MCPD酯标准品是必不可少的，目前，国外已有少量厂家提供该产品，但样品量极少而价格极为昂贵；由于3-MCPD酯中脂肪酸的种类繁多，并且有单酯与双酯等不同类型[12]，使得相关研究面临许多现实困难，因此探索开发经济、便捷的3-MCPD酯合成方法具有十分重要的意义。BUKOWSKI W等[13]曾以醋酸铬为催化剂，使用低碳酸对环氧氯丙烷开环合成了氯丙醇脂肪酸酯，该方法具有较好的选择性与较高的得率。在此基础上采用长链脂肪酸（如棕榈酸）为原料，优化合成条件制备了氯丙醇sn-1棕榈酸酯，产物经柱色谱纯化后，使用红外光谱、质谱进行表征。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

软脂酸（纯度99%）、环氧氯丙烷（纯度99.5%）、二乙二醇二甲基醚（纯度99%）、醋酸铬（纯度99.9%）：上海晶纯实业有限公司；甲醇（色谱级）：美国Merk公司，1-棕榈酸-3-氯丙醇酯标准品（纯度98%）：加拿大TRC公司。

1.2 仪器与设备

DF-1型集热式磁力搅拌器：常州国华电器有限公司；AVTAR-370傅里叶变换红外光谱仪：美国尼高力公司；1260型高效液相色谱仪、Agilent 1260四元泵、Agilent 1260紫外检测器、Agilent 1260柱温箱：美国Agilent公司；色谱柱为Weltech C18色谱柱（4.6mm×150mm，5μm）。LTQ Orbitrap XL液相色谱-质谱联用仪：美国Thermo Fisher公司。

1.3 实验方法

1.3.1 1-棕榈酸-3-氯丙醇酯的合成方法

取适量环氧氯丙烷和棕榈酸溶于30mL二乙二醇二甲基醚中，转入100mL三口圆底烧瓶中并磁力搅拌均匀，然后再加入醋酸铬作催化剂。装上分水装置、温度计，室温条件下缓慢水浴升温加热（0.2℃/10min），升至80℃后保温反应一段时间[5]。反应完成后冷却至室温，待分离纯化并计算产率。

1.3.2 分离纯化

先将十八烷基硅烷（octadecylsilyl，ODS）填料柱活化，纯甲醇洗脱8mL，15%甲醇/水洗脱15mL，当液面与柱子填料接近时，上样1mL，在样品溶液进入柱子后，加15%甲醇/水洗脱醋酸铬。然后用50%甲醇/水洗去二乙二醇二甲基醚。最后，加2mL纯甲醇，洗脱氯丙醇脂肪酸酯。挥干甲醇，重新用定量甲醇溶解。待检测。

1.3.3 1-棕榈酸-3-氯丙醇酯产率的计算

1-棕榈酸-3-氯丙醇酯的产率通过高效液相色谱法进行测定，流动相为甲醇-水（v/v，86∶14），流速1.0mL/min，进样量20μL，紫外检测波长为220nm；配制1-棕榈酸-3-氯丙醇酯标准溶液（质量浓度分别为6mg/mL、4mg/mL、3.3mg/mL），按峰面积作标准曲线，确定目标物的产率。

1.3.4 产物的表征

产物经分离纯化后，使用红外光谱与质谱进行表征。样品经KBr压片后使用傅里叶变换红外光谱仪进行透射扫描，扫描次数16。产物纯化后用适量甲醇稀释，并直接进样进行电喷雾电离质谱（electrosprayionization mass spectrometry，ESI-MS）分析，注射器流速设定为10μL/min，喷雾电压为4.5kV，扫描范围为50～500m/z。

2 结果与讨论

2.1 反应机理

脂肪酸对环氧氯丙烷开环合成氯丙醇单酯的反应机理如图1所示。环氧氯丙烷结构中含有活性很强的环氧乙基，易与含活泼氢的化合物进行开环加成反应，当使用脂肪酸作为加成底物时，可反应生成sn-1和sn-2两种不同氯丙醇酯异构体，其位置选择性的影响因素较多，其中催化剂与溶剂类型的影响非常明显[14]，文献报道[15]，酸性催化剂、碱性催化剂的位置选择性较差，而过渡金属催化剂的选择性较好，以二乙二醇二甲基醚为溶剂，以醋酸铬为催化剂，sn-1氯丙醇酯的纯度最高可达97.7%。BUKOWSKI A等[15]认为醋酸铬与环氧乙基中的氧可形成配位键，从而使得环氧氯丙烷中的α-碳更易受酸根阴离子的攻击，从而形成sn-1氯丙醇酯。由于二乙二醇二甲基醚/醋酸铬体系具有显著的位置选择性，所以本实验采用该体系对长链的棕榈酸氯丙醇酯的合成进行了较深入研究。

图1 脂肪酸对环氧氯丙烷开环合成氯丙醇单酯的反应机理Fig.1 Synthetic mechanism of chlorine propanol monoester through ring-opening of epichlorohydrin by fatty acids

2.2 产物表征

2.2.1 红外光谱表征

将反应混合溶液按1.3.2的方法分离纯化后，取适量样品制作KBr压片，进行红外光谱扫描，所得结果如图2所示。

图2 棕榈酸氯丙醇酯样品红外光谱图Fig.2 Infrared spectrum of the 1-palmitate-3-chloropropanediol samples

由图2可知，谱图中3424cm-1处为-OH的伸缩振动吸收峰；2918cm-1、2 850cm-1处为饱和脂肪烃链中-CH2的C-H伸缩振动吸收峰；1 738cm-1、1 728cm-1处为酯的C=O伸缩振动吸收峰；1468cm-1处为-CH2的剪式振动吸收峰；1174cm-1、1 113cm-1处为棕榈酸氯丙醇酯中C-O-C键的不对称伸缩振动峰；722cm-1处为棕榈酸碳链（n>4）中-CH2的平面摇摆振动吸收峰。以上分析结果表明该方法合成、纯化后的产物可初步确证为棕榈酸氯丙醇酯。

2.2.2 产物的液相色谱与质谱定性分析

将反应产物与sn-1棕榈酸氯丙醇酯标准品按1.3.3中的液相色谱方法进行分析，其色谱图如图3所示。由图3可知，sn-1棕榈酸氯丙醇酯标准品的保留时间为28min，反应产物的谱图中同样在28min有一较强色谱峰，同时在其附近还有较弱的杂质峰，为了对产物的结构进一步定性分析，对目标强峰进行收集，然后将其直接进样作电喷雾电离质谱分析。图4为产物收集液的一级、二级质谱结果，其中一级质谱4（A）中荷质比371.11为M+Na-H的准分子离子峰，在电喷雾电离质谱条件下，电负性氯易与Na+结合形成准分子离子，失去2位羟基的氢后即得该丰度较强的准分子离子峰，与sn-1棕榈酸氯丙醇酯标准品的谱图（未附图）一致；类似地，荷质比387.11处的峰为M+K-H的准分子离子峰；荷质比313.18处的次强峰为M-Cl离子峰；荷质比238.99的离子峰为棕榈酸失去-OH形成的碎片离子峰；荷质比101.90的峰为碎片HO-CH-CH2Cl（m/z=79.5）+Na-H形成的碎片离子峰。以荷质比为371.11的离子作为母离子，得到二级质谱如图4（B）所示，其中出现的丰度很强的313.18m/z碎片离子峰，与sn-1棕榈酸氯丙醇酯标准品的谱图相吻合。综合以上红外、色谱、质谱数据结果可知，产物确证为sn-1棕榈酸氯丙醇酯，该醋酸铬催化环氧氯丙烷开环合成方法具有非常好的选择性。

图3 棕榈酸氯丙醇酯标准品(A)与样品(B)的高效液相色谱图Fig.3 HPLC chromatogram of 1-palmitate-3-chloropropanediol standard(A)and sample(B)

图4 棕榈酸氯丙醇酯样品一级(A)、二级(B)电喷雾电离质谱图Fig.4 The ESI-MS of 1-palmitate-3-chloropropanediol level one(A) level two(B)

2.3 棕榈酸氯丙醇酯合成条件的优化

2.3.1 反应温度和反应时间对产率的影响

通常酯化反应时间越长反应越完全，产率也越高，为了考察反应时间对棕榈酸氯产率的影响，实验选择棕榈酸/环氧氯丙烷物质的量比1∶1.2，反应温度80℃，催化剂用量10mmol/L，考察了反应时间0～48h范围内产率的变化情况，其结果见图5（A）所示。从图5（A）可以看出，随着反应时间的延长，0～24h内棕榈酸氯丙醇酯产率增加非常显著，24h后产率约为90%，其后产率增加明显减缓，30h时，产率为92.5%，时间继续延长时产率基本无变化，故选择最佳反应时间为30h。

酯化温度是影响反应速度快慢、反应物反应程度的重要因素。实验控制酯化时间30h，棕榈酸/环氧氯丙烷物质的量比1∶1.2，催化剂用量10mmol/L，选择70～110℃范围内考察温度对酯化反应产率的影响。结果如图5（B）所示，从图5（B）可以看出，温度为80℃时，酯化产率为92.5%，随温度的增加，酯化产率增加不明显，因此选择80℃为后续实验的反应温度。

2.3.2 棕榈酸/环氧氯丙烷物质的量比对产率的影响

控制酯化反应温度80℃，酯化时间30h，催化剂用量10mmol/L，考察了环氧氯丙烷和棕榈酸在物质的量比1∶1～1∶1.8范围内对氯丙醇棕榈酸酯产率的影响。其影响如图5（C）所示，从图5（C）可以看出，棕榈酸/环氧氯丙烷物质的量比为1∶1.2时，产率最高，可能是由于稍过量的环氧氯丙烷有助于脂肪酸的快速反应，而环氧氯丙烷在高温下，自身可能开环发生自聚反应生成相应聚合物，环氧氯丙烷比例越大，这种自聚物产生的几率越大，甚至可能影响到目标产物的产率。

2.3.3 催化剂用量对反应产率的影响

文献[7]报道，醋酸铬是催化脂肪酸开环酯化反应最好的催化剂，本实验以醋酸铬为催化剂，在2～10mmol/L范围内考察了其对酯化反应产率的影响，结果如图5（D）所示，由图5（D）可以看出，随着催化剂用量的增加，2～8mmol/L范围内产率不断升高，继续增加催化剂用量产率增加不明显，因此，选择8mmol/L为最佳催化剂用量。

图5 反应时间(A)、温度(B)、棕榈酸/环氧氯丙烷物质的量比(C)及催化剂用量(D)对产率的影响Fig.5 Effect of reaction time(A),reaction temperature(B),molar ratio of palmitic acid to epichlorohydrin(C)and catalyst amount(D)on product yield

3 结论

以二乙二醇二甲基醚为溶剂，以醋酸铬为催化剂使用棕榈酸对环氧氯丙烷进行开环合成得到棕榈酸氯丙醇酯，红外光谱、液相色谱与电喷雾离子质谱结果表明，产物主要为1-棕榈酸3-氯丙醇酯，该方法具有成本低廉、产率高、选择性好等优点。对合成反应条件进行了优化，其最佳条件为：反应温度80℃，反应时间30h，催化剂用量8mmol/L，棕榈酸/环氧氯丙烷物质的量比1∶1.2，该条件下其产率可达92%。

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Synthesis of 1-palmitate-3-chloropropanediol by ring-opening of epichlorohydrin

GUO Fang,HU Zhixiong*,WANG Weiman,QI Yutang,ZHANG Weinong
(College of Food Science and Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

In this paper,the synthesis of 1-palmitate-3-chloropropanediol catalyzed by chromium(III)acetate was studied,taking palmitic acid and epichlorohydrin as raw material.The approach provided the advantages of low cost,high yield and good selectivity.The products were analyzed by infrared spectrum,liquid chromatography and electrospray ionization mass spectrum.The synthetic reaction condition was optimized as follows:temperature 80℃,reaction time 30h,catalyst amount 8mmol/L and the molar ratio of palmitic acid to epichlorohydrin 1∶1.2.Under the optimized condition,the product yield reached up to 92%.

1-palmitate-3-chloropropanediol;synthesis;chromium acetate;epichlorohydrin

TS227

B

0254-5071（2014）03-0109-04

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.03.026

2014-01-03

国家粮食公益性行业科研专项（201313007）；武汉轻工大学食品营养与安全研究院重大项目培育专项（2011z02）

郭芳（1988-），女，硕士研究生，研究方向为食品质量与安全。

*通讯作者：胡志雄（1974-），男，副教授，博士，研究方向为食品质量与安全。