妊娠双烯醇酮醋酸酯合成工艺的改进

强西怀， 李 朦， 韩建明， 乔永洛

(1.陕西科技大学 资源与环境学院, 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 化学与化工学院, 陕西 西安 710021； 3.陕西理工学院 化工学院, 陕西 汉中 723001； 4.江西科技师范大学 化学与化工学院, 江西 南昌 330013)

0 引言

妊娠双烯醇酮醋酸酯[16-dehydropregnenolone]，简称妊娠双烯，化学名称为：5,16-孕甾双烯-3β-羟基-20-酮-3-醋酸酯，分子结构式如图1所示.该化合物是合成甾体激素类药物的中间体，属于典型的甾类化合物.妊娠双烯的工业生产是从天然资源中分离得到的甾体化合物原料经半合成制备而成，合成妊娠双烯的原料有甾类皂苷元中的薯蓣皂素、剑麻皂素、番麻皂素以及甾类生物碱中的澳洲茄茨碱两大类，常用的主要有茄次碱和薯蓣皂素[1].在国内薯蓣皂素是合成双烯的主要常见原料，有2%以上的含量，其根茎中富含薯蓣皂苷和薯蓣皂苷元[2].黄姜薯蓣皂素(分子式：C27H42O3，分子量：414.16)是一种白色针状结晶或结晶性粉末，不溶于水，能溶于常用的有机溶剂和醋酸中.妊娠双烯的工业化生产传统工艺是以薯蓣皂素为原料，经开环、氧化和水解进行合成，其原理是薯蓣皂素经开环反应得到中间产物假薯蓣皂素醋酸酯，对其进行氧化可得二酮衍生物，继而回流水解生成产物妊娠双烯，合成路线如图2所示.工业生产妊娠双烯的平均收率一般为72%～74%，但国外文献[3]报道总收率高达80%以上.

图1 妊娠双烯醇酮醋酸酯结构式

图2 以薯蓣皂素为原料的合成路线

目前国内生产中关键的氧化工艺以硫酸为催化剂，六价铬盐为氧化剂，生产中产生大量的废水和副产物，生产成本较高，污染环境严重.本实验主要针对氧化和水解工艺进行改进研究，采用30%双氧水为氧化剂，固载的12-钨硅酸为催化剂，对氧化和水解反应进行工艺优化，旨在探索一种经济效益良好的具有工业化应用前景的妊娠双烯绿色合成工艺.

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

(1)试剂：十二钨硅酸(AR)，薄层柱层硅胶(CR，青岛海洋化工厂)，乙腈(HPLC色谱纯，天津科密欧有限公司)，甲醇(HPLC色谱纯，天津科密欧有限公司)，妊娠双烯醇酮醋酸酯标品(98%).假薯蓣皂素开环液(含假薯蓣皂素醋酸酯30.57%，振华生物科技有限公司).

(2)仪器：旋转蒸发仪(RE-2000A，上海亚荣生化仪器厂)，高效液相色谱仪(Agilent1200安捷伦科技有限公司)，红外分光光度计(VERTEX70布鲁克仪器有限公司)，紫外可见分光光度计(Cary50美国瓦里安中国有限公司)，三用紫外分析仪(ZF-6上海佳鹏科技有限公司).

1.2 二氧化硅固载十二钨硅酸催化剂制备[4,5]

称取活化硅胶装于柱子中，用去离子水作为淋洗剂，过柱24 h.将过柱后的硅胶转移至干净烧杯中，于120 ℃下干燥备用.

称取一定量的钨硅酸溶于12倍质量分数的去离子水中，再加入一定量过柱处理的活化硅胶，磁力搅拌12 h，浸渍24 h，经旋转蒸发仪浓缩除去水分，取样先置于120 ℃烘干3 h，再在200 ℃下烘3 h后备用.

1.3 氧化反应

在装有磁力搅拌器、温度计的500 mL三颈烧瓶中，加入开环反应液160 g(含假薯蓣皂素醋酸酯30.57%)、冰醋酸30 mL以及硅胶负载12-钨硅酸催化剂4.5 g，置于0 ℃～5 ℃冷水浴中搅拌，并在2 h内缓慢滴加30%双氧水20 mL，加完双氧水后再继续氧化5 h.

1.4 水解反应

待将氧化反应结束后，添加回流冷凝管装置，开动磁力搅拌器并逐渐加热至反应液沸腾，并回流水解1.5 h.

1.5 产物分离及结晶纯化

将水解液在旋转蒸发仪减压浓缩回收冰醋酸，浓缩液用100 mL环己烷溶解萃取，连续萃取4次，将4次环己烷萃取合并后用200 mL 60 ℃的热水洗涤，静置分出水层，连续洗涤3次，以除去残留的冰醋酸.将洗涤后的环己烷萃取液用旋转蒸发仪减压浓缩除去环己烷，得到粗产品妊娠双烯[6].用少量微沸无水乙醇完全溶解粗妊娠双烯产品，室温下析出白色颗粒妊娠双烯，经过抽滤、干燥得白色颗粒状妊娠双烯，并重复一次结晶纯化.产物为29.2 g，产品总收率80.3%(HPLC外标法)，mp169.5 ℃～172.8 ℃(文献值167 ℃～172 ℃)[1].

2 结果与讨论

2.1 氧化过程中催化剂用量对反应的影响[7]

固定开环液的用量为160 g(含假薯蓣皂素醋酸酯30.57%)，冰醋酸的量为30 mL，加入不同量的硅胶负载的钨硅酸催化剂，置于冰水浴中，并于2 h匀速滴加相同量20 mL的30%双氧水，氧化反应时间为5 h，再水解反应1.5 h.通过分离萃取、结晶、称量双烯粗产物的质量，来考察不同量的催化剂用量对反应的影响.

图3 催化剂用量对反应的影响

由图3可见，催化剂的用量过少时，催化的速率较慢，产物的收率较低.随着催化剂用量的增加，收率会随着增加，但是当催化剂的用量过多时，收率会渐渐趋于减慢，可能是因为催化剂较多引入了杂质，导致催化剂中毒，所以收率降低，因此催化剂的用量选择为4.5 g.

2.2 氧化时间对反应的影响

开环液160 g(含假薯蓣皂素醋酸酯30.57%)，冰醋酸30 mL，并于2 h匀速滴加相同量的20 mL 30%双氧水，催化剂4.5 g，置于冰水浴中，水解反应1.5 h.考察不同的氧化反应时间对产物收率的影响，结果如图4所示.

图4 不同的氧化反应时间对反应的影响

由图4可以看出，随着氧化反应时间的延长，反应逐渐进行完全，收率增加.但随着反应时间过长，收率反而下降.可能是由于反应的时间过长，副反应的增多，使得收率下降.可以得出，适宜的氧化反应时间为5 h.

2.3 双氧水用量对反应的影响

固定开环液的用量为160 g(含假薯蓣皂素醋酸酯30.57%)，冰醋酸的量为30 mL，加入4.5 g的硅胶负载的钨硅酸催化剂.反应置于冰水浴中，并于2 h匀速滴加不同量的30%双氧水，氧化反应的时间控制在5 h，水解反应1.5 h.由此可得双氧水与开环液的不同配比对反应的影响.

图5 双氧水的量对反应的影响

由图5可以看出来，随着氧化剂的用量增加，产物的收率会逐渐增加.当双氧水的用量超过30 mL时，总收率反而有所下降，这可能是由于氧化剂的量过多，导致了其他的副反应相对增多.而在20～30 mL其产物量基本稳定，本着资源节约，低成本原则，其30%双氧水量宜在20 mL.

2.4 温度对氧化反应的影响

固定开环液的量为160 g(含假薯蓣皂素醋酸酯30.57%)，冰醋酸的量为30 mL，加入4.5 g的硅胶负载的钨硅酸催化剂.于2 h滴加的20 mL30%双氧水，氧化反应的时间控制在5 h，水解反应1.5 h.考察不同的氧化反应温度对氧化反应的影响，结果如图6所示.

图6 氧化反应温度对氧化反应的影响

由于反应本身是强放热反应[8]，而温度升高使副反应的速率增加[9]，因而低温对主反应有利.由图8可以得出，当温度超过18 ℃，产品收率几乎接近0.因此，该反应的适宜反应温度为5 ℃～10 ℃.

2.5 水解反应时间的影响

固定开环液的量为160 g(含假薯蓣皂素醋酸酯30.57%)，冰醋酸的量为30 mL，加入4.5 g的硅胶负载的钨硅酸催化剂.于2 h匀速滴加的20 mL30%双氧水，氧化反应的时间控制在5 h.考察不同的回流水解时间对产物的收率影响.结果如图7所示.

图7 水解反应时间对反应的影响

由图7可以看出随着回流水解时间的延长，产物的收率也逐渐增加.由于水解反应存在连串副反应，所以当水解反应时间过长时，反应的收率呈现下降趋势，所以水解反应的时间应控制在1.5 h.

2.6 妊娠双烯结构表征

制备的妊娠双烯与标准品的高效液相和IR光谱图分别如图8、图9所示.

(a)标准品的高效液相图 (b)产品的高效液图图8 标准品、产品的高效液相图

从图8可以看出，实验制备样品与标准品在结构上具有一致性，制备过程是成功的.利用高效液相色谱法，采用上述色谱条件在UV-240 nm下，可以定量分析妊娠双烯合成工艺中产品的含量，从而可计算氧化-水解反应收率.按上述色谱分析条件，进行八次平行测定，试样的相对标准偏差(RSD)为0.39%，利用增量法计算回收率(n=6).试样测定回收率为98.1%～102.4%[9,10].该法简单、快速、准确，适用于工业分析.

图9 产物样品与标准品红外图

图9显示了制备产物样品与标准样品的红外光谱图，(a为标准品红外图，b为产物样品红外图)对比情况，经过分析可知：3 000～2 750 cm-1间的峰为饱和C-H键的伸缩振动峰，2 939.8 cm-1是-CH3的不对称伸缩振动峰，较弱的两个峰分别对应的是-CH2的不对称伸缩振动峰和-CH2的对称伸缩振动峰.2 500～2 000 cm-1出现的2 361.5 cm-1强吸收峰为环内双键积累的振动峰，即为CO2分子振动峰.1 800～1 580 cm-1间出现的强吸收峰为羰基的伸缩振动特征峰，1 728.5 cm-1是3位-C=O羰基振动峰，又因为在1 426～1 415 cm-1无振动峰，即说明3位无亚甲基，该振动峰是酯基中的羰基峰.1 659.6 cm-1是20位反式酮C=O振动峰.1 583.2 cm-1峰相对较弱，且在1 640～1 580 cm-1间，此峰为双键的伸缩振动峰.1 480～1 300 cm-1峰有1 440.8 cm-1、1 367.9

cm-1、1 319.4 cm-1三个峰，其中1 440.8 cm-1为环内-CH2的弯曲振动峰，1 367.9 cm-1为-CH2-C=C-的弯曲振动峰，1 319.4 cm-1为叔丁基的弯曲振动峰.1 240.1 cm-1为酯基中的C-O的伸缩振动峰.976.9 cm-1为甾体中A/B环反式并联伸缩振动峰.可以看出样品与标品所具有的官能团相同，并且结构相同，因此可以判断出产物样品为妊娠双烯醇酮醋酸酯[11,12].

3 结论

(1)针对合成妊娠双烯醇酮醋酸酯氧化和水解工艺进行改进研究，采用30%双氧水为氧化剂，固载的12-钨硅酸为催化剂，对氧化和水解反应进行工艺优化，产品总收率达到80%以上，较工业平均生产水平有较大提高，是一种经济效益良好的具有工业化应用前景的妊娠双烯绿色合成工艺.

(2)较佳工艺技术是：在开环液的质量为160 g(含假薯蓣皂素醋酸酯30.57%)，加入冰醋酸的量为30 mL，加入4.5 g的硅胶负载的十二钨硅酸为催化剂，并于5 ℃～10 ℃条件下，在2 h内缓慢滴加20 mL的30%双氧水，然后再氧化5 h，并接着升温回流水解反应1.5 h，经分离提纯妊娠双烯总收率可达80.3%.

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