盐酸－三氯化铁催化芝麻素差向异构化合成细辛素及机理探讨

汪学德黄雪刘帅崔英德

（1广东工业大学轻工化工学院，广东 广州510006；2仲恺农业工程学院化学化工学院，广东 广州510225；3广州科技职业技术学院，广东 广州510550；4河南工业大学粮油食品学院，河南 郑州450001）

引 言

芝麻油是中国重要的一种特色食用油料，具有浓郁的香味和丰富的营养。芝麻油中含有许多有益的生物活性物质，其中芝麻木脂素为芝麻的特征性成分，在芝麻中含量为0.5%～1.0%［1］。芝麻木脂素具有优异的抗氧化性能，具有保护肝脏、降低胆固醇及抗癌作用［2－3］，可用在功能食品和保健食品中［4］。研究发现，芝麻木脂素的主要组分为芝麻素、细辛素、芝麻酚、芝麻林素、芝麻素酚和芝麻林素酚等［5］。国内外的研究主要集中在芝麻素和芝麻林素的分离和纯化，而对芝麻素的同分异构体——细辛素的研究相对较少。

细辛素也被证明具有令人瞩目的生物活性，比芝麻素更强的抗氧化作用，抗真菌、抗肿瘤、抗过敏和某些杀虫剂的毒性增强等生理活性；对皮肤具有修复作用，可用于化妆品；还可以抑制大鼠心肌损伤代谢综合征和减少急性心脏移植排斥反应的可能性［6－7］。

在芝麻油精炼过程中，尤其是在活性白土吸附脱色过程中，芝麻素含量减少，而芝麻素的异构化物——细辛素则出现［8］。Morton和 Milton对芝麻素质子化的研究表明芝麻素在盐酸乙醇溶液中可以转化为细辛素。本研究以芝麻素为原料，分别选用盐酸、三氯化铁和盐酸－三氯化铁作为催化剂，对芝麻素催化差向异构化合成细辛素的条件进行研究，并探讨差向异构化机理，为今后芝麻素和细辛素的应用研究提供思路。

1 实验部分

1.1 实验材料

1.1.1 实验试剂 芝麻素，实验室自制，纯度96.6%；芝麻素标准品，上海晶纯生化科技股份有限公司；细辛素标准品，中国食品药品检定研究院；盐酸，分析纯，洛阳昊华化学试剂有限公司；三氯化铁，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；无水乙醇，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司。

1.1.2 仪器与设备 E2695型高效液相色谱仪，美国Waters公司；LC10A高效液相色谱仪，日本岛津公司；DF－101S集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；10～100μl移液枪，上海荣泰生物科技有限公司；BP211D型万分之一精密电子天平，Sartorius公司；SHZ－D （Ⅲ）循环水式多用真空泵，深圳市誉达科技有限公司；AVANCE AV型400MHz超导核磁共振谱仪，瑞士Bruker公司。

1.2 实验方法

1.2.1 芝麻素和细辛素含量测定 样品测定：取反应后溶液，迅速将其置于冰浴中冷却，然后摇匀溶液，转移部分溶液至10ml容量瓶中，经0.45μm微滤膜过滤，进行HPLC测定［9］。

高效液相色谱条件：色谱柱，Waters C18柱（4.6250mm，5μm）；柱温30℃；流动相为甲醇－水 （V甲醇∶V水＝70∶30），流速为 0.8ml·min－1；紫外检测器：芝麻素和细辛素的检测波长为287nm；进样量为10μl。在此条件下绘制芝麻素和细辛素的标准曲线，反应后溶液中芝麻素和细辛素根据相对保留时间定性，依据标准曲线计算相对含量。

1.2.2 盐酸用量对催化芝麻素异构化的影响 取自制芝麻素100mg于圆底烧瓶中，加入一系列体积分数 （下同）分别为0、5%、10%、15%、20%和25%的盐酸乙醇溶液，在85℃条件下搅拌回流1h。反应结束后，在冰浴中迅速冷却，量取1ml溶液转移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC检测变化。

1.2.3 三氯化铁用量对催化芝麻素异构化的影响

取自制芝麻素10mg于圆底烧瓶中，加入一系列质量分数分别为0、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%的三氯化铁乙醇溶液中，在85℃条件下，搅拌回流1h。反应结束后，在冰浴中迅速冷却，量取1ml溶液转移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC检测变化。

1.2.4 盐酸－三氯化铁用量对催化芝麻素异构化的影响 取自制芝麻素10mg于圆底烧瓶中，反应溶液中三氯化铁质量分数0.01%保持不变，盐酸添加 量 （体 积 分 数）分 别 为 0.01%、0.05%、0.1%、0.5%和1.0%，在85℃条件下搅拌回流1h。反应结束后，在冰浴中迅速冷却，量取1ml溶液转移定容至10ml容量瓶中，使用HPLC检测变化。

同样方法，反应溶液中三氯化铁质量分数分别保持为0.05%、0.1%、0.5%和1.0%，盐酸添加量梯度不变，反应并检测变化。

1.2.5 反应时间对芝麻素异构化的影响 取自制芝麻素100mg于圆底烧瓶中，加入质量分数0.05%的三氯化铁和体积分数0.1%的盐酸乙醇溶液。在85℃条件下搅拌回流，在10、20、30、40、50、60、70、80和90min时取样并检测变化。

1.2.6 反应温度对芝麻素异构化的影响 取自制芝麻素100mg于圆底烧瓶中，加入质量分数0.05%的三氯化铁和体积分数0.05%的盐酸乙醇溶液。设置温度梯度分别为25、35、45、55、65、75和85℃，搅拌回流1h，取样并检测变化。

1.2.7 纯化物结构鉴定 采用1H NMR、13C NMR和MS方法对纯化物质进行结构鉴定。

2 结果与讨论

2.1 盐酸用量对催化芝麻素异构化的影响

随着盐酸用量的增加，芝麻素含量逐渐减少，细辛素含量逐渐增加，在盐酸用量为20%时芝麻素含量和细辛素含量大致相同，如图1所示。这说明盐酸在芝麻素异构化过程中有着重要的作用。在一定范围内，芝麻素的异构化随盐酸用量增加而加剧，在盐酸用量达到20%时异构化逐渐趋于平衡。

图1 盐酸含量对芝麻素异构化的影响Fig.1 Effects of hydrochloric acid content on isomerization of sesame

2.2 三氯化铁用量对催化芝麻素异构化的影响

使用三氯化铁作催化剂时，反应后检测发现细辛素含量很少且反应后溶液中出现大量砖红色沉淀。这表明三氯化铁在沸腾的乙醇中发生了水解反应，其反应过程如下

三氯化铁由于水解导致其Lewis酸性能力减弱［10］，不能提供质子，三氯化铁催化芝麻素异构化过程终止。

2.3 盐酸－三氯化铁用量对催化芝麻素异构化的影响

单独使用三氯化铁作催化剂极易发生水解，导致不能催化芝麻素的异构化；单独使用盐酸乙醇溶液催化芝麻素，需要体积分数20%的盐酸才能催化芝麻素异构化。而在三氯化铁中加入盐酸乙醇溶液后形成三氯化铁－盐酸复合催化剂，其异构化结果如图2～图6所示。

图2 0.01%三氯化铁下不同盐酸添加量对异构化的影响Fig.2 Isomerization effect of 0.01%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

图3 0.05%三氯化铁下不同盐酸添加量对异构化的影响Fig.3 Isomerization effect of 0.05%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

图4 0.1%三氯化铁下不同盐酸添加量对异构化的影响Fig.4 Isomerization effect of 0.1%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

图5 0.5%三氯化铁下不同盐酸添加量对异构化的影响Fig.5 Isomerization effect of 0.5%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

图6 1.0%三氯化铁下不同盐酸添加量对异构化的影响Fig.6 Isomerization effect of 1.0%ferric chloride under different content of hydrochloric acid

由图2～图6可知，在质量分数为0.01%～0.5%的三氯化铁浓度下，芝麻素异构化过程虽有波动，但整体上随盐酸含量增加异构化过程趋向加强直至平稳。但当三氯化铁质量分数为1.0%时，水解作用占据主要作用，对芝麻素的异构化作用迅速减弱，对异构化作用不明显。

2.4 反应时间对芝麻素异构化的影响

由图7可知，反应10min后即达到平衡。在盐酸－三氯化铁共同作用下，芝麻素异构化能够在较短的时间内完成，并达到稳定。这符合催化剂对反应的加速作用。

2.5 反应温度对芝麻素异构化的影响

反应温度对芝麻素异构化的影响较为特殊 （图8）。如芝麻素的异构化过程并没有随温度升高而逐渐加剧，而是在达到体系中乙醇沸点之后反应加速。催化反应过程需要一定的活化能才能进行，由此推断催化芝麻素异构化的过程中活化能需要在乙醇沸点以上才能达到。

图7 反应时间对芝麻素异构化的影响Fig.7 Effect of reaction time on isomerization of sesamin

图8 反应温度对芝麻素异构化的影响Fig.8 Effect of reaction temperature on isomerization of sesamin

2.6 反应体系对芝麻素异构化的影响

采用减压装置验证芝麻素异构化的活化能是否在乙醇沸点之上才能达到。调节减压阀，减小反应体系内压强使反应体系中乙醇的沸点降至40℃。同时更换反应体系，使用比乙醇沸点低的甲醇作为反应体系，并设置简单的温度梯度。结果如图9所示。

由图9可知，在甲醇反应体系中甲醇的沸点为64.7℃，控制水浴温度65℃时未检测出细辛素，这可能是水浴达到65℃但反应体系内部并未达到甲醇沸点而导致芝麻素异构化不能顺利进行。75℃之后，芝麻素成功进行了异构化过程。常压下，乙醇反应体系在40℃并未达到沸点，芝麻素异构化尚未进行。在减压装置中，乙醇反应体系在40℃下达到沸腾，检测结果表明在沸腾状态下芝麻素进行了异构化过程。即反应体系的温度应控制在反应体系中乙醇的沸点之上。

2.7 合成化合物结构鉴定

采用1H NMR、13C NMR和MS方法对制备的物质进行结构鉴定，测定数据如下。

图9 不同反应体系对芝麻素异构化的影响Fig.9 Effect of different reaction systems on isomerization of sesamin

1H NMR （CDCl3，400MHz）：6.85～6.75（6H，m，Ar—H）；5.94 （2H，s，OCH2O）；5.95（2H，s，OCH2O）；4.80 （1H，d，J＝5.20Hz，2－H）；4.36 （1H，d，J＝6.85Hz，6－H）；4.11（1H，d，J＝9.28Hz，4－Hendo）；3.84～3.82（2H，m，4－Hexo，8－Hendo）；3.31～3.28 （2H，m，1－H，8－Hexo）；2.86～2.82 （1H，m，5－H）。

13C NMR （CDCl3，400MHz）：148.0，147.7，147.2， 146.6， 135.2， 132.4， 119.5， 118.7，108.3，106.5，106.4 （aromatics）；101.2，101.1（OCH2O）；87.9 （C－6）；82.2 （C－2）；71.0 （C－4）；69.7 （C－8）；54.7 （C－5）；50.2 （C－1）。

ESI－MS （正离子源），m／z：377 ［M＋Na］＋。

以上波谱数据与文献 ［11－12］数据一致，纯化后的合成物质可鉴定为细辛素。

2.8 芝麻素差向异构化机理探讨

芝麻素是木脂素类天然产物，它的主要结构式由双 四 氢 呋 喃 （2，6－二 芳 基－3，7－二 氧 杂 双 环［3.3.0］辛烷）连接两个亚甲基二氧基苯基环组成［13］。Morton和 Milton研究认为，芝麻素四氢呋喃结构不稳定，在酸性条件下极易进行质子化。Li等［14］研究认为，芝麻素在极性溶剂中其环状结构容易在溶剂氢键的作用下打开。Aldous等［12］在合成研究中发现，芝麻素和细辛素结构上的差异在于其中一个亚甲基二氧基苯基环在四氢呋喃环上空间位置。对四氢呋喃结构中碳氧键断裂与重组，可以改变亚甲基二氧基苯基环的空间位置。在基础有机立体化学［15］中，位于芝麻素四氢呋喃结构中3位和7位的氧原子在质子作用下可以形成一种中间过渡状态，这种中间过渡状态不稳定，极易分解。

芝麻素异构化过程如图10所示。芝麻素在酸性条件下经过质子化作用，四氢呋喃结构打开，形成中间过渡态，这种中间过渡态极其不稳定，很快分解并重新生成环状结构，亚甲基二氧基苯基环的空间位置在此过程中翻转，生成细辛素，而且这一过程是可逆的。

图10 芝麻素异构化的可能机理Fig.10 Possible mechanism of isomerization of sesamin

芝麻素结构为双四氢呋喃结构，拥有两个立体源中心，立体化学认为只有其中一个立体源中心在亲核取代中进行构型翻转，所以芝麻素只有一个四氢呋喃结构断裂重组，而不是两个结构都断裂重组生成细辛素。

实验采用盐酸－三氯化铁作为催化剂，在发生上述作用时铁离子也可能参与其中。其过程类似单电子自由基历程 （SET）［16］，产生分子内的顺反异构过程。芝麻素四氢呋喃结构氧原子在铁盐及酸单电子诱发作用下开环形成单电子自由基中间体，单电子自由基中间体与上述中间过渡态相似，都很不稳定，容易失去电子，重新形成环状结构。亚甲基二氧基苯基环在此过程中经过立体空间结构重新选择，生成细辛素。

采用PM3量子化学方法计算得到芝麻素和细辛素 的 生 成 热 分 别 为 －636.10kJ· mol－1和－626.39kJ·mol－1，即芝麻素比细辛素更稳定。在体系中乙醇沸腾状态下加入盐酸－三氯化铁复合催化剂，能降低反应体系的活化能，从而加快芝麻素转变为细辛素的进程。

3 结 论

（1）在芝麻素异构化为细辛素的过程中使用盐酸－三氯化铁作为复合催化剂能有效减少盐酸用量，使用质量分数0.05%～0.5%的盐酸－三氯化铁催化剂即可达到盐酸体积分数20%的催化效果，同时也避免了单独使用三氯化铁在反应过程中发生水解的问题。

（2）盐酸－三氯化铁作为复合催化剂，反应温度控制在反应体系乙醇的沸点以上反应才能进行，反应时间以10min为宜。

（3）盐酸－三氯化铁作为复合催化剂，芝麻素结构中只有一个四氢呋喃结构断裂重组，铁离子也参与其中，过程类似单电子自由基历程，产生分子内的顺反异构过程。能降低反应体系的活化能，加快芝麻素转变为细辛素的进程。

［1］ Yoshida H， Kajimoto G. Microwave heating affects composition and oxidative stability of sesame（sesamum indicum）oil［J］.J.FoodSci.，1994，59 （3）：613－616.

［2］ Chen Fengxiang （陈凤香），Cao Wenming （曹文明），Cao Guowu （曹 国 武），etal.Research progress on sesame lignans ［J］.Cereals＆Oils（粮食与油脂），2012， （6）：1－6.

［3］ Jong－Sik Jin， Masao Hattori.A new mammalian lignan precursor，asarinin ［J］.FoodChemistry，2011，124 （3）：895－899.

［4］ Afaf Kamal－Eldin，Ali Moazzami1，Sidiga Washi.Sesame seed lignans：potent physiological modulators and possible ingredients in functional foods ＆ nutraceuticals ［J］.Recent PatentsonFood，Nutrition＆Agriculture，2011，2：17－29.

［5］ Feng Zhiyong （冯 志 勇 ），Gu Keren （谷 克 仁 ）.Composition，structure and physiological function of lignans in sesame seed ［J］.ChinaOilsandFats（中 国 油 脂），2004，29 （7）：56－59.

［6］ Nakai M，Harada M.Novel antioxidative metabolites in rat liver with ingested sesamin ［J］.JournalofAgricultural andFoodChemistry，2003，51 （6）：1666－1670.

［7］ Huang Kai（黄凯），Yang Jieren （杨解人），Zhou Yong（周勇）.Inhibitory effect of L－sesamin on myocardial damage of metabolic syndrome rats ［J］.ChineseJournalof PharmacologyandToxicology（中国药理学与毒理学杂志），2008，22 （5）：341－347.

［8］ Mitsuo Namiki，Yasuko Fukuda，Yoko Takei.Changes in functional factors of sesame seed and oil during various types of processing／／Food Phytochemicals for Cancer Ⅱ：Teas.Spices，and HERB ［C］.Washingtong D C：American Chenical Society，2002：85－104.

［9］ Dai Hongping （戴 洪 平），Wang Xingguo （王 兴 国），Jin Qingzhe（金青哲）.Determination of sesamin in sesame oil by HPLC ［J］.JournaloftheCerealsandOilsAssociation（中国粮油学报），2004，19 （6）：86－88.

［10］ Song Yang （宋 阳 ），Tang Xuesong （唐 雪 松 ），Hou Xiaomeng （侯晓萌），etal.Advances of iron （Ⅲ）chloridecatalyzed organic reactions ［J］.ChineseJournalofOrganic Chemistry（有机化学），2013，33 （1）：76－89.

［11］ Aldous D J，Batsanov A S，Yufit D S，etal.The dihydrofuran template approach to furofuran synthesis ［J］.Org.＆Biomol.Chem.，2006，4：2912－2927.

［12］ Aldous D J，Dalencon A J，Steel P G.A short synthesis of（± ）－epiasarinin ［J］.OrganicLetters，2002，7 （4）：1159－1162.

［13］ Shi Jiangong （石建功）.Lignin Chemistry （木脂素化学）［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2010.

［14］ Li Chia－Ying， Chow Tahsin J， Wu Tian－Shung. The epimerization of sesamin and asarinin ［J］.J.Nat.Prod.，2005，68：1622－1624.

［15］ Eliel E L， Wilen S H，Doyle M P. Basic Organic Stereochemistry（基础有机立体化学）［M］.Deng Bing（邓并），trans.Beijing：Science Press，2005.

［16］ Fan Jinmin （范 锦 敏 ）.Studies on the synthesis of heterocyclic compounds catalyzed by iron salt ［D］.Hefei：University of Science and Technology of China，2010.