胆固醇制备7-脱氢胆固醇的研究进展

王子强，姚园园，王庆华，张洪真

（杭州下沙生物科技有限公司，浙江杭州310018）

医药化工

胆固醇制备7-脱氢胆固醇的研究进展

王子强，姚园园，王庆华，张洪真

（杭州下沙生物科技有限公司，浙江杭州310018）

7-脱氢胆固醇作为制备维生素D3及其衍生物的关键中间体，主要通过胆固醇烯丙位取代消除反应来合成。综述了7-脱氢胆固醇几种代表性的合成方法，并对合成方法进行了分析总结。

胆固醇；7-脱氢胆固醇；烯丙位取代；选择性消除

维生素D3是人和动物生长、发育、繁殖、维持生命和保持健康必不可少的一种脂溶性维生素。其主要生理作用有促进钙磷在肠内的吸收；保证体内钙磷的充分供应；促进骨骼的正常钙化和维持血钙和血磷平衡。临床上用于治疗佝偻病、软骨病和甲状腺机能减退等症。大多数高等动物体内的维生素D3来源于其表皮和皮肤组织中的7-脱氢胆固醇在阳光或紫外光照射下，经光化学反应而转化得到[1]。日常生活中我们服用的维生素D3来源主要有两大途径，一是从金枪鱼肝油中的提取，另一种就是通过对7-脱氢胆固醇的光化学反应合成，且转化率最高可达96%[2]。这使得7-脱氢胆固醇的制备成为在维生素D3制备过程中的关键步骤[3-4]。本文将对目前常用的7-脱氢胆固醇的制备方法进行综述。目前以胆固醇为原料制备7-脱氢胆固醇的化学方法主要有如下几种。

Scheme 1

1 溴化/脱溴化氢法

该方法利用胆固醇烯丙位较为活泼的化学性质，首先采用溴代试剂将烯丙位溴化，随后在合适的条件下发生消除反应形成共轭5，7双烯。科学家们根据对溴化试剂以及消除试剂的改进，产生如下几种方法

1.1 自由基烯丙位溴化/碱性脱溴

由Ziegler[5]首先报道了通过烯丙位溴化制备7-脱氢胆固醇的方法（Scheme 1），他首先是使用酸酐将3-OH保护起来防止其在接下来的反应中被溴试剂氧化，然后选择一个合适的溴化试剂例如N-溴代琥珀酰亚胺在5-双键的烯丙位发生溴取代反应，最后在碱性条件下脱去一分子的溴化氢，从而得到目标产物。

然而这种方法存在一个极为明显的缺点：在溴取代的时候会得到一组异构体的混合物3，这就直接导致了在接下来的脱溴化氢的过程中不仅仅会有5，7-共轭二烯胆固醇酯4，同时也产生了4，6-共轭二烯胆固醇酯5这一杂质。造成这一现象的原因如图2所示，是由于甾环的椅式构象，当7位溴原子的空间构型为α时，其在空间上接近C8位上的氢原子并且共平面，所以消除时所需能量较低，优先生成的产物为5，7-二烯胆固醇酯；若7位溴原子的空间构型为β时。其在空间上接近C4位上的氢原子，导致4，6-二烯胆固醇酯副产物的生成。该副产物的生成是7-脱氢胆固醇合成中的一个巨大的阻碍。接下来许多科学家针对这一问题改进了合成的工艺，主要改进方法有改进脱溴过程防止副反应以及改进溴代反应，减少7-β构型的溴代物生成。

1.2 改进烯丙位脱溴化氢的方法

Confalone[6]的团队为解决上述问题，使用苯硫酚取代烯丙位溴化引入的溴，经过氧气氧化后，得到亚砜的手性混合物（S/R=1/2），最后脱掉一分子的苯基亚砜酸，得到5，7-共轭二烯胆固醇酯（Scheme 2）。

Scheme 2

对于这种特异性的消除，文章通过纽曼式图（Scheme 3）进行了解释：由于苯环本身存在的空间位阻，以及甾体自身的桥式结构，导致了苯环与C8处于同平面异侧这一能量最低的平面结构；此外，由于该反应属于动力学控制的反应，在50℃的温和条件下，两种手性分子之间会发生互变，最终趋向于1∶1，而在70℃的反应温度下，即发生特异性的7位消除。值得一提的是，文章在烯丙位上溴的这一步中发现，用过量的溴化锂处理反应得到的异构体，可以使得α/β的比率由1.15提高至4.0。何剑洋等[7]在此基础上，将该步反应做了改进及优化，使用溴化锂作为催化剂，加入二甲苯，在低温条件下使β构型产物发生转变，经该步转化得到的7-α-溴-△5-胆苯酯，收率约为82%。

Scheme 3

1.3 针对烯丙位选择性溴代的方法

对于7-位上溴的反应，除了使用传统的沃尔-齐格勒（Wohl-Ziegler）烯丙位溴化反应外，也有一些新的溴化试剂的尝试。查娟等[8]使用2，4，4，6-四溴-2，5-环己二烯酮作为溴化剂，仅在胆固醇酯的7α位引入溴原子，该步收率可达到89.8%。并且对该催化剂反应的特异性进行了讨论（Scheme 4）。该催化剂属于一个平面共轭结构，C4位上的碳-溴键相对较长，易断裂，反应活性高。在酸性条件下，经酸化的催化剂经过重排产生溴正离子，取代胆固醇乙酸酯上C7位活泼氢，对于特异性的得到α构型，推测是因为甾体的特异性椅式构像以及催化剂的平面构像在反应时双键相互接近，形成具有空间位阻的远程共轭体系，诱导了α构型的产生。

Scheme 4

2 氧化/还原/消除法

俄罗斯科学家Yablonskaya等[9]使用三氧化铬将胆固醇的烯丙位氧化成酮，再通过与对甲苯磺酰肼反应制得3-乙酰基-胆固醇-7-对甲苯磺酰腙，最后通过班福德-史蒂文（Bamford-Stevens）[10]反应，在氢化锂的催化下制得7-脱氢胆固醇，总收率达到63%（Scheme 5）。由于该反应的中间体为卡宾自由基，所以不会产生双烯位移的副产物，但是由于氧化过程中使用了三氧化铬作为氧化剂，不仅产率偏低，还会导致显著的环境污染。

针对氧化反应收率偏低以及环境污染等问题，科学家进行了许多尝试，例如：张立[11]将以上反应做了系统性的优化，并进行了放大实验[12]：将原有的三氧化铬改为三氧化铬与过氧叔丁醇的混合氧化剂，其中三氧化铬用量为0.025 eq，铬的用量大大减少符合绿色化学的改进理念。李荣杰等[13]在尝试使用其他氧化体系，例如：二氧化硒、三氧化二钴/氧气、氢氧化钾/氧气体系等，发现各种氧化剂在使用时效果相差不大，产率在75%上下浮动；与此同时，他还对在班福德-史蒂文反应中使用到的碱进行了对比，其中以乙醇钠的脱腙效果最佳。

3 热分解法合成7-去氢胆固醇

除了上述两种主流合成方法之外，热分解法也被用于7-脱氢胆固醇的合成中。例如：Wintersteiner[14]在二氧化碳保护的条件下，用二甲基苯胺作为回流溶剂，将7-苄基胆固醇通过热分解得到7-脱氢胆固醇，这是已知的最早的同时也是产率最高的一种热分解制备7-脱氢胆固醇的方法。

2006年，Jean Michel Brunel[15]在此基础上使用钯试剂进行特异性的C7位消除：首先，在铜催化的条件下，在胆固醇的C7位引入三氟乙酰基，随后在二苄叉丙酮钯的催化下，使用丁基磷作为配体，将酰基还原得到7-脱氢胆固醇（Scheme 6）。该反应对于溶剂以及反应温度要求很高，温度高于80℃时将会有大量C4位脱氢胆固醇副产物。

Scheme 6

4 生物转化法

相对于化学法合成7-脱氢胆固醇工艺流程长，步骤多，副产物去除过程复杂等缺点，酶促生化反应专一性强、条件温和、反应速度快、效率高等特点促使科学家们着眼于使用酶促反应进行7-脱氢胆固醇的制备[16]。

4.1 催化酶的研究

Rudolph等[17]系统研究了体内以胆固醇底物转化为7－脱氢胆固醇的机理。在体内实验过程中，通过示踪法，向活螃蟹中注入[3H]标记的胆固醇，12 h后取出器官并提取类固醇。经反相高效液相色谱分离后，用放射性液体闪烁检测器检测，发现只存在两个放射性物质峰，分别是7-脱氢胆固醇和胆固醇。实验发现，螃蟹的蜕皮抑制激素，可能会抑制7－脱氢胆固醇的生成。而催化酶主要分布于螃蟹的线粒体、微粒体和内质网三个细胞器中。

4.2 体外条件合成7-脱氢胆固醇的研究

Warren等[18]在此基础上，同样使用示踪法研究胆固醇转化7－脱氢胆固醇在体外的转换情况，实验结果表明：若是在体外条件合适的情况下，是可以实现胆固醇向7-脱氢胆固醇转化的。

4.3 破碎细胞对转化率的影响

Grieneisen等[19]发现，破碎细胞效果能提高胆固醇转化为7－脱氢胆固醇的转化率，这说明大多数酶是存在于细胞器中，并且酶是否存在于细胞中对于催化的效果影响不大。James T Warren等[20]用超速离心机分离匀浆破碎的前胸腺细胞的微粒体，进行胆固醇转化实验，最终转化率可达42.5%。

4.4 微粒体酶液催化胆固醇合成7-脱氢胆固醇

2011年，黄时海等[21]将摘除眼柄的刀额新对虾（Metapenaeusensis）Y-器官，匀浆、离心制备的微粒体酶液，用来催化胆固醇的反应可以积累相对较多的7-脱氢胆固醇，并且对酶反应的温度、光照以及反应时间进行了探究，发现在22℃条件下避光反应6 h，反应效果最佳。

5 小结

[1]Kanis,John A.Vitamin D analogs from renal bone disease to osteoporosis[J].Kidney International Supplement,1999, 73:77-81.

[2]明长江，金昌泰，周桂兰，等.激光辐照时间及下OHC浓度对维生素D3的光化学影响[J].激光杂志，1989，10（1）:20-22.

[3]Vanmaele L J，De Clercq P J，Vandewalle M.A stereocontrolled partial synthesis of 1a-hydroxy vitamin D3[J]. Tetrahedron Lett.，1982，23（9）:995-998.

[4]Vanmaele L J，De Clercq P J，Vandewalle M.An efficient synthesis of 1a，25-dihydroxy vitamin D3[J].Tetrahedron，1985，41（1）:141-144.

[5]Ziegler K，Spath A，Schaaf E，et al.Insaturated substances in the allyl posier sources[J].Justus liebigs Ann.Chem., 1942，551:80-119.

[6]Pat N C，Irina D K，Milan R U.Anew synthesis of 7-dehydrocholesterols[J].J.Org.Chem.，1981，46:1030-1032.

[7]何剑洋，黄波，吴轶.胆苯酯制备7-去氢胆苯酯中上溴的方法:CN，101074265[P].2007-11-21.

随着我国社会及经济的不断发展，商品外包装已经不再是单纯的包装作用，还应能通过商品外包装体现出商品自身的文化特质、质量特点等，进而确保这些商品能更好的在市场上占据一席之地。陶瓷在现代酒类包装设计中的应用将能更好的提升商品包装的价值。使用陶瓷作为酒类产品包装容器，消费者不需要将商品包装作为废品进行处理，陶瓷器具本身具备非常高的艺术欣赏价值。结合这些内容来说，除了提升商品质量之外，保证商品外包装的价值和品质也是非常重要的，因此，在现代酒类包装设计过程中，相关设计人员应能将陶瓷器具及陶瓷元素等灵活的应用起来。

[8]查娟，高启楠，张丹丹，等.7-脱氢胆固醇的合成工艺研究[J].绍兴文理学院学报，2009，29（10）:33-35.

[9]Yablonskaya E V，Segal M G.Synthesis of 7-dehydrocholesterol acetate[J].Khimiya Prirodnykh Soedineii.，1973，（6）:739-741.

[10]Bamford W R,Stevens T S.The decomposition of p-tolylsulfonylhydrazones by alkali[J].J.Chem.Soc.,1952：4735.

[11]张立，7-脱氢胆固醇的制备方法[D].北京:北京化工大学，2008.

[12]谭天伟，张立.7-脱氢胆固醇的制备方法:CN，101220075 [P].2008-07-16.

[13]李荣杰，尚海涛，吴鹏举，等.一种制备7-去氢胆固醇的方法:CN，102030794[P].2011-04-27.

[14]Wintersteiner O，William L R.7-Benzoxysterols and their use in the preparation of 7-dehydrosterols[J].J.Am.Chem. Soc.，1942，64:1177-1179.

[15]Diane D，Jean M B.Synthesis of 7-dehydrocholesterol through a palladium catalyzed selective homoannular conjugated diene formation[J].Journal of Molecular Catalysis A:Chemical.，2006，253:119-122. [16]夏小斌，吴孔阳，李湘萍，等.生物法合成7-脱氢胆固醇研究进展[J].食品工业科技，2009，30（11）:339-341.

[17]Paul H R，Eugene S，Wenan L W.Formation of ecdysteroids by Y-organs of the crab，menippe mercenariaI. biosynthesis of 7-dehydrocholesterol in Vivo[J].General and Comparative Endocrinology，1992，88:224.

[18]Warren J T，Hetru C.Ecdysone biosynthesis:pathways，enzymes，and the early steps problem[J].Invertebr Reprod Dev，1990，18:91-99.

[19]Grieneisen M L，Warren J T，Sakurai S，et al.A putative route to ecdysteroids:Metabolism of cholesterol in vitro by mildly disrupted prothoracic glands of Manduca sexta[J]. Insect Biochem，1991，21:41-51.

[20]James T W，Lawrence I G.Metabolism in vitro of cholesterol and 25-hydroxycholesterol by the larval prothoracic glands of manduca sexta[J].Insect Biochem Molec Biol，1996，26:917-929.

[21]黄时海，何鑫平，于配配，等.虾Y-器官7、8-脱氢酶转化胆固醇为7-脱氢胆固醇研究[J].安徽农业科学. 2011，39（25）:15397-15399.

The Synthesis Development of 7-Dehydrocholesterols from Cholesterol

WANG Zi-qiang，YAO Yuan-yuan，WANG Qing-hua，ZHANG Hong-zhen
（Hangzhou Xiasha Biochemical Tech.Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）

7-Dehydrocholesterols are the key intermediates for the preparation of Vitamin D3and its derivatives.It can be synthesized by allylic substitution and selective elimination from Cholesterol.This article summarized some representative synthetic methods of the 7-dehydrocholests and reviewed the advantages and disadvantages of these methods.

Cholesterol;7-dehydrocholesterol;allylic substitution;selective elimination.

1006-4184（2017）4-0008-05

2016-10-09

王子强（1978-），男，山东莘县人，高级工程师，从事精细化工研究。E-mail:wangzi_qiang@163.com。