咖啡酸衍生物的合成研究进展

刘 伟，韩立亚，毕艳兰

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

0 前言

咖啡酸（caffeic acid，CA，图1a）化学名为3，4-二羟基肉桂酸，是一种天然存在的酚酸，广泛分布在植物界中，如水果、谷物、咖啡、蔬菜等[1-2].近年来，咖啡酸作为一种天然抗氧化剂得到了广泛的关注和研究，并应用在食品、医药、化妆品等领域中，具有抗氧化[3]、抗肿瘤[4]、抗菌[5]等生物或生理活性.然而咖啡酸在常见溶剂体系中的溶解度和稳定性很低，固而限制了它的应用.因此，将咖啡酸与一些脂溶性较强的分子相结合，既可以保持其生物活性，又可以增强其亲脂性，从而扩大其应用范围[6].咖啡酸和其衍生物的抗氧化机制是多重的，包括清除游离自由基、金属离子螯合、对特殊的酶的抑制行为，从而减少游离自由基和脂质过氧化物的形成[7-8].因此，它们的抗氧化行为能够阻止油脂和含油食品的氧化酸败，以及和疾病相关的过氧化损害，比如癌症、糖尿病、冠心病等[9].由此可见，研究咖啡酸及其衍生物对食品等领域有重要的意义.作者综述了国内外合成咖啡酸衍生物的方法，为咖啡酸的研究开发提供参考.

1 咖啡酸酯类衍生物

1.1 咖啡酸苯乙酯及其类似物

咖啡酸苯乙酯（caffeic acid phenethyl ester，CAPE，图1b）是蜂胶中的主要活性成分,也是近年来研究的热点[10],具有抗氧化、抗肿瘤、抗艾滋病、抗炎等多种功效，因而在食品、医学以及其他领域都有广阔的应用前景[11].

图1 咖啡酸和咖啡酸苯乙酯的结构式

Grunberge 等[12]首次从蜂胶中提取分离得到了咖啡酸苯乙酯.直接催化酯化法是咖啡酸苯乙酯实现人工合成最先使用的方法.在此基础上不断改进合成方法，采用不同的催化剂，比如以对甲苯磺酸作催化剂，咖啡酸与苯乙醇回流3～4 d，分离得到咖啡酸苯乙酯，产率为40%[13].另外，以二环己基碳二亚胺（DCC）为催化剂，咖啡酸与苯乙醇在室温下反应8 h，分离得到咖啡酸苯乙酯，产率为38%，并合成了14 种衍生物，产率为40%～60%[14].

Bankova[15]用Witting 反应合成了CAPE 及其衍生物（图2），将三苯基膦乙酸醇酯基氯化物和3，4-二取代苯甲醛溶于三氯甲烷和1，4-二氧六环的混合液中搅拌，加入K2CO3在超声波作用下室温反应，产率为70%～80%.

图2 Witting 反应合成CAPE 及其衍生物

SON 等[16]用咖啡酸与β-苯基溴乙烷反应，具体过程为将咖啡酸和氢氧化钠溶于六甲基磷酰胺（HMPA）中，搅拌1 h 后，滴加β-苯基溴乙烷和HMPA 混合液，室温下反应，咖啡酸苯乙酯的产率可达70%.

由于HMPA 价格较贵，并且有毒，是潜在的致癌物，在后处理的过程中不容易完全除去.因此需要寻找能够代替HMPA 的溶剂，该溶剂要求无毒，价格低廉，并且反应收率要高.因此，张一丁等[11]以咖啡酸和β-苯基溴乙烷为原料，聚乙二醇（PEG）和水为混合溶剂，磷酸钾为催化剂，反应温度60 ℃，反应48 h 合成咖啡酸苯乙酯，产率达60%.

Nagaoka 等[17]采用酰氯法合成CAPE 及其衍生物（图3），产率最高达76%.

图3 酰氯法合成CAPE 及其衍生物

这些化学合成方法已经用于咖啡酸酯类衍生物的合成，然而化学合成方法存在许多问题，比如反应选择性差从而导致副反应的发生，污染严重，生产成本高[18].和化学方法相比，酶法合成有反应条件温和，专一性强能够减少副反应的发生，更好地控制反应[19]等优势.在酶催化合成咖啡酸苯乙酯的文献报道中，常用异辛烷和叔丁醇做溶剂.Chen 等[20]研究了Novozym 435 催化咖啡酸和苯乙醇在异辛烷体系中合成咖啡酸苯乙酯，反应59 h转化率达到91.7%.而Stevenson 等[21]利用Novozym 435 在叔丁醇体系中催化咖啡酸和苯乙醇酯化反应，产率达40%.

酶催化有机溶剂体系中合成咖啡酸苯乙酯有许多优势，然而传统有机溶剂往往存在易挥发、毒性大、生物相容性差等缺点，其使用会给工业化生产带来严重的污染.离子液体是完全由离子组成的有机盐，熔点低于100 ℃.由于离子液体不易挥发的热稳定特性，被认为是一种“绿色溶剂”[22].和传统的有机溶剂应用在生物催化反应中相比，离子液体能够溶解极性、非极性的，有机、无机和聚合的化合物.离子液体作为反应介质能够提高反应速度、选择性和酶的稳定性[23-24].离子液体作为反应介质已广泛使用在酶催化反应中.

Ha 等[25-26]研究了离子液体作为反应介质对酶催化反应的影响，在所用的9 种离子液体中，以[Emim][Tf2N]作为介质得到了最高的转化率，反应48 h 后转化率达92%；继续优化反应条件，反应60 h 后转化率最高达96.6%.张磊霞等[27]以咖啡酸甲酯和苯乙醇为原料，Novozym 435 和离子液体[B mim][Tf2N]分别为催化剂和反应介质，酶促转酯化合成咖啡酸苯乙酯，反应24 h 后产率达66.4%.

1.2 咖啡酸其他酯类衍生物的合成

咖啡酸其他酯类衍生物为咖啡酸与不同碳链长度的脂肪醇、维生素C 等酯化合成的酯，从而改变了咖啡酸的亲水性，提高了其亲油性，扩大了其应用范围.

研究发现，咖啡酸丙酯在其一系列烷基酯中有很高的抗氧化活性.Fiuza 等[28]采用Fischer 酯化，硫酸作催化剂合成了咖啡酸丙酯.Uwai 等[29]通过咖啡酸和亚硫酰氯在1，4-二氧己烷溶液中回流17 h，合成咖啡酸丙酯，产率达86%.然而强酸催化合成的主要缺点在于环境污染，并且腐蚀设备从而增加生产成本.Pang 等[30]通过Novozym 435 催化咖啡酸甲酯和咖啡酸乙酯分别与丙醇反应，在[Bmim][CF3SO3]离子液体体系中合成咖啡酸丙酯.试验结果显示，以咖啡酸甲酯为原料产率最高，达82.7%.

Chen 等[31]研究了Novozym 435 催化咖啡酸和辛醇反应合成咖啡酸辛酯，反应55 h 后转化率达90.34%.Wang 等[32]以对甲苯磺酸为催化剂，催化咖啡酸和甲醇合成咖啡酸甲酯，并对酯化反应动力学进行了研究.结果表明，反应4 h 后产率达84%，对甲苯磺酸显示了很高的催化活力.

维生素C 是一种人体必需的水溶性维生素，具有优良的抗氧化性，目前广泛应用于食品、医药、化妆品等领域.刘菊香等[33]将咖啡酸和维生素C 两个活性结构单元相结合得到咖啡酸维生素C酯，保持了咖啡酸和维生素C 的抗氧化性能和生理活性，而且在非水体系中的溶解性和稳定性均有显著提高，增加了对自由基的清除能力.在催化剂SO4-2/ZrO2的作用下，以3，4-二羟基苯甲醛、丙二酸和维生素C 为原料合成咖啡酸维生素C 酯，产率达85.1%.

2 咖啡酸酰胺类衍生物

Rajan 等[34]研究了咖啡酸与胺类化合物在卡特缩合剂（BOP）的作用下生成咖啡酸酰胺类衍生物（图4）.具体过程为咖啡酸溶解在三甲基甲酰胺和三乙胺混合液中，将此溶液在冰水浴中冷却，加入不同的胺基化合物，最后加入溶解在二氯甲烷中的BOP，反应混合物先在0 ℃下搅拌30 min，之后在室温下搅拌2 h.通过脂质过氧化试验来评价其抗氧化性能，结果表明咖啡酸酰胺是一类非常有潜力的抗氧化剂.

图4 BOP 缩合合成咖啡酸酰胺类衍生物

Son 等[35]采用同样的方法合成了咖啡酸酰胺类衍生物，结构式如图5 所示，产率分别为76%、45%、57%、45%，并评价了该类物质的DPPH 自由基清除活力和抗氧化活力.结果显示，咖啡酸酰胺类衍生物都显示出很强的抗氧化活力和清除DPPH 自由基能力.

图5 咖啡酸酰胺类衍生物结构式

Yoo 等[36]合成了一系列咖啡酸酰胺类衍生物（图6），首先通过EDC、BtOH 作用使苯烯丙基酸与羟基胺耦合成酰胺，再经过Dess-Martin 氧化剂作用合成咖啡酸酰胺类衍生物，并通过试验发现该系列化合物有较强的抗氧化性、DPPH 自由基清除超氧阴离子自由基和抑制脂质过氧化作用.

图6 合成咖啡酸酰胺类衍生物

3 咖啡酸二聚物

咖啡酸多肽的衍生物有较高的抗氧化活力，根据所结合氨基酸的类型和序列的不同而有所不同[37-41].肽核酸（peptide nucleic acids，PNA）是一类以多肽骨架取代糖磷酸主链的DNA 类似物，不带负电荷，与DNA 之间不存在静电斥力，因而结合的稳定性和特异性都大为提高.由于肽核酸的物理、化学和生物的特性，其在化学和生物领域已经得到了广泛的关注.Gaglione 等[42]将咖啡酸和肽核酸结合，合成PNA-CA 酰胺衍生物，并证实了结合到咖啡酸上的含鸟嘌呤的PNA 二聚物根据核酸碱基的组成和序列显示不同的生物活性.

4 咖啡酰奎宁酸类衍生物

咖啡酰奎宁酸类衍生物是一类由奎宁酸与数目不等的咖啡酸通过酯化反应缩合而成的酚酸类天然成分，广泛存在于植物界中[43]，包括单咖啡酰奎宁酸、二咖啡酰奎宁酸、三咖啡酰奎宁酸等.绿原酸（Chlorogenic acid，图7）是其中一种重要的代表性物质，是一种重要的生物活性物质，具有抗氧化、清除自由基[44]、抗菌消炎、抗病毒、降糖、降脂等多种生物活性，其抗氧化能力要强于咖啡酸、对羟基苯甲酸、阿魏酸、丁香酸、丁基羟基茴香醚（BHA）和生育酚，与丁基羟基甲苯（BHT）抗氧化能力相当.目前，绿原酸主要是通过从植物中提取分离得到，绿原酸是植物中的葡萄糖经过一系列的酶促反应生物合成得到的，葡萄糖在酶的催化下转化成莽草酸，后者再转化成苯丙氨酸，最后经合成酶的作用得到绿原酸.但从植物中提取分离存在很大的局限性，因此经过合成反应，生成所需要的目标产物成为研究的热点.Sefkow 等[45]首次以奎尼酸起始的4 步化学反应合成了绿原酸，总产率达到65%.Ma 等[46]合成出大量的绿原酸的类似物和衍生物，其中安奈德绿原酸（acetonides of chlorogenic acid）显示出超强的抗HIV 活性，而另一些衍生物则表现出超强的抗氧化活性.在先前研究的基础上，为了获得具有更高生物活力的咖啡酸的类似物和衍生物，Ma 等[47]利用保护的绿原酸或其类似物与辛氧基苯胺（octyloxyaniline）和选择的氨基酸偶联，合成出其他绿原酸类似物或衍生物.

5 结束语

图7 绿原酸的结构式

咖啡酸作为一种天然抗氧化剂，具有多种生物活性，然而其在疏水介质中的溶解性和稳定性限制了它的使用，咖啡酸衍生物解决了这一问题，并成为近年来研究开发的热点.酶催化合成咖啡酸衍生物反应条件温和，反应选择性高，副反应少，相比化学合成有着明显的优势，但要应用于工业生产中，如何解决使酶循环利用，从而减少生产成本，是未来研究的一个方向.相信随着科研工作的深入，咖啡酸衍生物的种类将更加多样，对生物活性的研究将更加深入，其应用前景也将更加广阔.

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