催化氢化联合SFC制备β-细辛醇工艺研究

孙 颖，李 斌，樊沛楠，刘 佩，白育军，刘大伟，李 霞，白亚军,4，郑晓晖

1. 西北大学生命科学学院，陕西 西安 710069；

2. 陕西省食品药品监督检验研究院，陕西 西安 710065；

3. 江苏汉邦科技有限公司，江苏 淮安 223200；

4. 西北大学化学与材料科学学院，陕西 西安 710127；

β-细辛醇（顺式2,4,5-三甲氧基苯基丙烯醇，化学结构见图1中1a），先后发现于传统中药金钱蒲（Acorus gramineusSoland，Araceae）[1]与传统中药石菖蒲（Acorus calamusvar.angustatusBesser）中[2]。2015年，Cartus等[3]报道该化合物为β-细辛醚在肝微粒体中的代谢产物。近期研究表明，β-细辛醇具有显著的神经细胞保护作用[2]。2014年，本课题组报道了α-细辛醇（反式2,4,5-三甲氧基苯基丙烯醇，化学结构见图1中1b）作为α-细辛醚的代谢产物具有更好的抗癫痫活性[4]。考虑到传统中药石菖蒲中β-细辛醚含量显著高于α-细辛醚[5]，且具有较好的镇定与降温活性[6]，推测β-细辛醇也具有相类似的生物活性及较低的毒性。由于天然提取获得β-细辛醇较为困难，故本工作将采用化学方法研究β-细辛醇的制备工艺。

通常直链烯键化合物的反式构型较顺式构型稳定。利用Knoevenagel反应及酯的还原可高产率获得α-细辛醇[7-8]，但难以高产率获得β-细辛醇。本课题组尝试以2,4,5-三甲氧基苯甲醛为原料经Wittig反应生成相应的肉桂酸酯衍生物，再经还原得到α-与β-细辛醇混合物，其中α构型和β构型比大于2:1。因此，该法也不适于β-细辛醇放大合成。考虑到炔烃的Lindlar催化加氢是制备顺式烯烃的有效方法[9]，故本工作以2,4,5-三甲氧基苯基丙炔醇（细辛炔醇见图1中2）为原料，经Lindlar催化加氢获得以β-细辛醇为主的还原产物，并利用超临界流体色谱法（SFC）[10]高效分离α/β-细辛醇顺反异构体，从而获得高纯度β-细辛醇。具体合成路线见图1。

图1 Lindlar催化氢化细辛炔醇制备β-细辛醇合成路线及反应副产物Fig.1 The synthesis of β-asaronol by catalytic hydrogenation asaronyl alcohol with Lindlar catalyst/hydrogen system and reaction byproducts 2: 3-(2,4,5-trimethoxyphenyl)prop-2-yn-1-ol; 1a: β-asaronol; 1b: α-asaronol; 1c: 3-(2,4,5-trimethoxyphenyl)propan-1-ol

1 实验部分

1.1 合成方法

细辛炔醇与α-细辛醇及二氢细辛醇（对照品）均实验室自制；Pd/BaSO4（钯的负载量为5%，质量分数），Pd/CaCO3[Lindlar催化剂，钯的负载量为5%（质量分数），该催化剂经Pb(OAc)2钝化处理]，Pd/C（钯的负载量为5%，质量分数，含水50%）购自陕西开达；喹啉购自百灵威；纯化硅胶购自烟台江友；其他溶剂购自国药。

250 mL不锈钢压力釜中，依次加入细辛炔醇，溶剂与一定比例的钯催化剂（或含抑制剂），分别在不同温度（5～60 ℃），不同压力条件下（常压至1 MPa），使用分析型超临界流体色谱系统跟踪反应。泄压（氢气），过滤催化剂（回收再利用），滤液减压浓缩，待制备分离。

1.2 SFC分离纯化

分析型SFC设备采用江苏汉邦科技有限公司的NS8001系统（泵：Hanbon NP 7001，检测器：Hanbon NU 3000），测试条件：色谱柱Chiralpak AD-RH（4.6 mm×150 mm×5 μm），改性剂为H3PO4-MeOH（H3PO4体积分数为0.5%，H3PO4-MeOH与CO2体积比为20:80），流速为3.0 mL/min，背压为16 000 kPa，柱温为40 ℃。

制备型SFC设备采用江苏汉邦科技有限公司的NS8002系统，色谱柱为纳微UniChiral OZ-5H（21.2 mm×250 mm×5 μm），分别对背压、添加剂、改性剂、柱温以及上样量进行优化，得到最佳分离条件。

1.3 表征与分析

采用上海易测仪器设备有限公司（WRS-1B）熔点仪测定样品的熔点，其值为58.2～59.9 ℃；采用美国安捷伦公司HPLC1260-MS6520型液相-质谱联用，质谱检测条件为电喷雾离子化法（ESI），检测模式为正离子模式，干燥气（N2）流速为10 L/min，干燥气温度为350 ℃，电喷雾压力为310 kPa，毛细管电压为3 500 V，裂解电压为 135 V；采用瓦里安Gemini 2000（600 MHz）核磁共振仪进行分析。

2 结果与讨论

2.1 产品分析

10 g细辛炔醇经优化条件后（硫酸钡钯作催化剂，与细辛炔醇的质量比为0.2:1，甲醇作溶剂，室温，常压，反应4 h）反应，得粗品9.8 g，原料转化率99.5%，β-细辛醇占86.5%。其中，顺反细辛醇质量比为9.5:1；经SFC分离纯化，得β-细辛醇7.5 g，纯度99.4%（图9c），色谱纯化产率为88.2%，总产率为75.5%。重复做3次，顺反细辛醇比例为(9.5～9.7):1，纯度大于99%，色谱纯化产率为88%～94%，总产率为74%～81%。分离出的α-细辛醇及二氢细辛醇经核磁、质谱鉴定与文献[11-12]一致。其中，β-细辛醇核磁氢谱（见图3a）显示烯键上两个氢的化学位移值分别为6.64（C7H =）与5.87（C8H =），并由化学位移计算得耦合常数（J）为11.5，证实该烯键为顺式构型[13-14]。此外，β-细辛醇质谱：[M+H]+225.110 9（图2），氢谱（图3a），碳谱（图3b）与文献[15-16]报道一致。

图2 β-细辛醇的质谱图Fig.2 MS spectrum of β-asaronol

图3 β-细辛醇的核磁共振图谱Fig.3 1H and 13C NMR Spectroscopy of β-asaronol

2.2 催化剂的影响

2.2.1 催化剂种类的影响

催化剂种类对反应的选择性有较大的影响。分别选用Pd/C、Pd/BaSO4、Pd/BaSO4加喹啉以及Pd/CaCO3各10%（相对于细辛炔醇的质量分数）为催化剂，在甲醇中，于室温常压（氢气）下，反应4 h，考察催化剂种类对反应选择性的影响，SFC分析结果如图4所示。由图可知，Pd/C作为催化剂不具反应选择性，主要产物为化合物二氢细辛醇（图4a）。Pd/BaSO4催化效果最好，顺式产品β-细辛醇所占比例可达87%，反式产品α-细辛醇占10%，二氢细辛醇占1%（图4b）。与文献报道相反[17-18]，喹啉未钝化Pd/BaSO4的催化活性，反而有活化催化剂的效果，使得反式产品α-细辛醇与二氢细辛醇均大幅度增加（图4c）。Pd/CaCO3催化活性最低，产物β-细辛醇含量低至1%（图4d），说明Pb(OAc)2抑制催化能力较强。

图4 催化剂种类对反应选择性比较Fig.4 Comparison of catalyst types on reaction selectivity

选择Pd/BaSO4与Pd/CaCO3为催化剂，考察反应压力对反应进程及顺反比例的控制问题。在催化剂和细辛炔醇的质量比为1:10，室温下，甲醇作溶剂，反应4 h，考察不同氢气压力（常压、0.5和1.0 MPa）对反应的影响，SFC分析结果如表1。

表1 压力对原料转化率及产物选择性的影响Table 1 The influence of pressure on the conversion and product selectivity

由表1可知，Pd/BaSO4作为催化剂，随反应压力升高，转化率升高，然而顺反化合物比例（β-细辛醇与α-细辛醇之比）降低，二氢细辛醇比例上升；Pd/CaCO3作为催化剂，4 h内原料未完全转化，β-细辛醇与二氢细辛醇含量随反应压力的升高而升高，说明二氢细辛醇的生成并未受到显著抑制，且β-细辛醇选择性较Pd/BaSO4作为催化剂时低。因此，Pd/CaCO3不适合做该反应催化剂，而以Pd/BaSO4为催化剂，在常压状态下获得β-细辛醇更具选择性优势。

2.2.2 催化剂与原料配比的影响

以Pd/BaSO4作催化剂，甲醇作溶剂，于室温常压下，反应4 h，考察催化剂用量对原料转化率及产物选择性的影响，结果见表2。由表可知，催化剂用量越大，原料转化率越高。β-细辛醇在20%配比时含量最高，约占88.4%，随催化剂含量升高，β-细辛醇含量逐渐降低，同时副产物α-细辛醇与过氢化产物二氢细辛醇含量升高。说明高含量催化剂显著提高原料转化率，但产物的选择性有所降低。催化剂与原料质量比为0.2较为合适。

表2 催化剂/原料配比对转化率及产物选择性的影响Table 2 Effect of catalyst/raw material ratio on conversion and product selectivity

2.2.3 催化剂使用次数的影响

Pd/BaSO4作催化剂（催化剂与原料质量比为0.2），甲醇作溶剂，于室温常压下，反应4 h，考察催化剂的使用次数对反应的影响，结果如图5所示。由图可知，催化剂在连续使用3次后，转化率逐渐降低，依次约为99%，94%和83%，第4次催化后转化率下降至65%左右。催化剂在重复使用3至4次后，分别加入5%或10%的新催化剂，原料转化率可相应增加至98%和93%左右。故催化剂在使用2次后需重新处理再用，或在使用3次后，补加5%的新鲜催化剂再次使用，以便获得较好的原料转化率。综上所述，选择Pd/BaSO4为催化剂，添加量为20%（催化剂与细辛炔醇质量比），该催化剂连续使用2次或第3次补加5%较为合适。

图5 催化剂使用次数对转化率的影响Fig.5 Effect of catalyst use times on conversion

2.3 溶剂的影响

反应溶剂对转化率影响较大。以Pd/BaSO4作催化剂（催化剂与原料质量比为0.2），于室温常压下，分别使用甲醇（MeOH）、二氯甲烷（DCM）和四氢呋喃（THP）作为溶剂，反应4 h，原料转化率结果见图6。由图可知，甲醇作溶剂反应效果最好（转化率为100%），二氯甲烷次之（转化率约为92%），四氢呋喃对反应有抑制作用（转化率低于12%）。推测四氢呋喃与催化剂形成配合物，导致原料与催化剂无法充分接触，阻碍反应继续进行。故选择甲醇作为反应溶剂。

图6 不同溶剂对转化率的影响Fig.6 Effect of different solvents on conversion

2.4 反应温度的影响

反应温度对原料转化率也有影响。催化剂（Pd/BaSO4）与原料质量比为0.2，常压，甲醇作溶剂，反应4 h，通过分析型SFC监控反应，结果如图7所示。由图可知，低温条件下，反应较为缓慢（5 ℃，转化率约50%）；25 ℃（转化率约90%）及50 ℃（转化率约93%）转化率相差不大。考虑到操作方便、安全及放大功耗等问题，在室温下反应较为合适。

图7 反应温度对转化率的影响Fig.7 Effect of reaction temperature on conversion

2.5 反应时间的影响

固定催化剂与原料质量比为0.2，甲醇作溶剂，于常压室温下，应用SFC对不同反应时间的转化率进行监控，结果如图8所示。由图可知，随反应时间延长，原料含量在1 h内迅速降低，反应4 h原料含量低于1%，产物含量约为88%。与此同时，副产物α-细辛醇与二氢细辛醇的含量逐渐升高，α-细辛醇升高较快，4 h其含量约为9%，二氢细辛醇升高缓慢，4 h其含量约为1%。为避免副产物进一步升高，反应在4 h左右终止。

图8 反应时间对转化率及产物选择性的影响Fig.8 Effect of reaction time on conversion and product selectivity

2.6 SFC分离方法的优化

由于薄层色谱（TLC）、高效液相色谱以及重结晶难以将α-细辛醇与β-细辛醇有效分离。故选择手性色谱填料（UniChiral OZ-5H，5 μm），采用SFC法进行分离纯化。经表3条件优化，在分析型SFC设备上初步建立半制备分离条件：乙腈（ACN）为改性剂，无添加剂，背压为12 MPa，温度为35～40 ℃，波长为310 nm，上样量为40 μL，流速为3 mL/min，流动相比例为0～60，ACN为5%～35%（体积分数）。

表3 改性剂、添加剂、温度及背压对产物分离度的影响Table 3 Effect of modifier, additive, temperature and back pressure on product separation degree

以上述分析SFC条件为基础，固定改性剂比例（35% ACN），即流动相比例为二氧化碳与乙腈比为65:35，在半制备SFC设备依据上述色谱条件，改变流速（16 mL/min）并在半制备色谱柱上获得较好的分离结果[图9a，上样量为6.7 mg（40 μL）/针]，提高上样量[100 mg（600 μL）/针，图9b）]分离效果变化不大，两者洗脱时间均为35 min。按此条件，连续进样，共分离粗品24.8g（纯度84.2%），最终获得纯度为99.4%（图9c）的β-细辛醇19.6 g，色谱分离产率为93.8%。

图9 分离纯化前后SFC色谱图（a）纯化前进样量40 μL/针（半制备色谱柱），（b）纯化前进样量600 μL/针（半制备色谱柱）和（c）纯化后（分析色谱柱）Fig.9 SFC chromatogram before and after purification (a) sample before purification, 40 μL/time (semi prepared column);(b) sample before purification, 600 μL/time (semi prepared column); (c) sample after purification (analysis column)2: 3-(2,4,5-trimethoxyphenyl)prop-2-yn-1-ol; 1a: β-asaronol; 1b: α-asaronol; 1c: 3-(2,4,5-trimethoxyphenyl)propan-1-ol

3 结 论

以细辛炔醇为原料，通过对催化剂种类、物料比、溶剂种类、温度、时间、压力以及催化剂循环使用次数的系统研究，获得一种β-细辛醇占优势（约90%）的催化氢化合成工艺（Pd/BaSO4催化剂与反应物的质量比为0.2，甲醇作溶剂，于室温常压下，反应4 h）。此外，通过制备型SFC纯化工艺（背压、添加剂、改性剂及柱温）优化，获得纯度大于99%的β-细辛醇，为深入研究β-细辛醇的生物活性提供物质支持。