固醇酯和固烷醇酯的製備方法
2023-06-02 08:45:36 4
專利名稱：固醇酯和固烷醇酯的製備方法
技術領域：
本發明涉及在防染色劑存在的條件下，通過高效催化的路線製備單一的固醇酯和固烷醇酯。
飲食中添加植物固醇如β-谷甾醇可降低血清膽固醇水平。固醇降低血清膽固醇水平的機理是抑制腸對食物中的膽固醇的吸收，通過吸收膽汁酸膠束(micelli)取代膽固醇。最近發現，β-谷甾醇的飽和衍生物——β-谷甾烷醇可有效減少腸對膽固醇的吸收量。谷甾烷醇本身幾乎不可被吸收，因此它不能對體內血清固醇濃度的消耗起補充作用。令人遺憾的是，各種固醇和固烷醇在消化道的膠束相中不可溶，而且在油和/或脂肪或水中的溶解度有限。因此，游離的固醇或固烷醇本身不是最佳的用作降低膽固醇的藥劑或食療製劑。
美國專利US5,502,045公開了固烷醇和來源於食用油的脂肪酸酯間的酯交換作用，產生了一種蠟狀的固醇酯混合物，該混合物具有改良的脂溶性。具體地，該專利公開了通過鹼催化的轉酯反應，使固烷醇與來源於食用油(如菜油)甲基酯的脂肪酸之間實現酯交換。該方法在食品工業中廣泛使用。然而，從製藥學的觀點考慮，該酯交換過程存在明顯的缺陷。首先，由於固醇酯產物的成分分布取決於反應時所用食用油中脂肪酸的排列，因此其成分分布不易控制。此外，還必須小心除去本反應的副產物甲醇，以及使用過量的甲基酯以抑制再循環反應。
在另一種方法中，德國專利DE2035069公開了通過非食品級產品製備過程，固醇與脂肪酸之間進行酯化反應，形成固醇酯。具體地，亞硫醯氯用作反應物，反應中生成副產物氯化氫氣體。該方法不適用於食品級產品的製備，總的來說該方法是不理想的。
日本專利76-11113公開了一種不使用催化劑的固醇或相關維生素的高級脂肪酸的酯化方法。但是，該方法使用了過量摩爾數的脂肪酸，範圍為25％至50％，因此需要使用鹼提純步驟回收酯產物。化學計量過量的脂肪酸和分離技術可得到脫色的產物。
從製藥學的角度的考慮，非常需要通過食品級產品的批量製備步驟的，單一的固烷醇酯/固醇酯的合成方法。單一的化合物比混合物更有利的原因有三1)組分和性能更易於控制；2)更易於進行結構/活性研究；3)物理化學和化學特性可被控制。單一固醇酯/固烷醇酯的這些優點將在下文進一步詳述。
此外，對用作淺色食用色素的食品級固醇酯/固烷醇酯有需求。降低加工損失和設備成本的製備方法也有所需求。
本發明包含一種在防染色劑存在的條件下，使用催化劑將固烷醇或固醇直接酯化，生成單一固烷醇酯/固醇酯的方法。催化劑為常規的弱酸、路易斯酸、或常規鹼性物質。該方法提供了一種大規模合成固烷醇酯的路線，其產率高，而且通過食品級產品製備步驟獲得高純度，優選的實施方案中，該食品級產品製備過程中不使用有機溶劑或無機酸且產生較少的副產物。最終該方法提供了一種獲得具有各種物理和生物學特性的單一固烷醇酯/固醇酯的簡便步驟。
本發明提供了在酸或鹼催化劑條件下，通過固烷醇/固醇與脂肪酸反應，將固烷醇和固醇直接酯化的方法。最優選的起始物β-谷甾烷醇，在商業上，可通過β-谷甾醇加氫反應制而成，也可通過各種來源如從Raisio公司商業購得。
本發明反應中使用的酸，包括其相應的鹽，含有約4-24個碳原子。這些酸可包括飽和酸，但優選不飽和酸如多聚不飽和酸。
本發明反應中使用的飽和脂肪酸具有以下結構式CH3-(CH2)n-CO2H，其中n為2至22之間的整數，優選12至20。術語脂肪酸是本領域技術人員所公知的，參見Hawley’s Condensed Chemical Dictionary第11版。該術語包括酸及其這些酸的鹽。脂肪酸包括飽和酸，如硬脂酸、丁酸、月桂酸、棕櫚酸等。不飽和脂肪酸如多聚不飽和脂肪酸，也可用於本發明。合適的不飽和脂肪酸包括油酸、亞油酸、亞麻酸、二十二碳六烯酸、共軛亞油酸等。正如美國專利US5,554,646第1欄第44-48行的描述，共軛亞油酸為9，11-十八碳二烯酸、10，12-十八碳二烯酸、及其它們的混合物。本發明包括直鏈和支鏈的酸，其中直鏈酸優選。
本發明中，固醇和固烷醇的結構式如圖I
其中R1應理解為包括直鏈或支鏈脂肪族碳鏈基團，長度約為C3-C24，優選C6-C22，最優選C12-C21，R2應理解為包括直鏈或支鏈脂肪族碳鏈基團，長度為C3-C15，優選C6-C12，最優選C9。更優選地，R2選自下列基團(C1-C12)烷基、(C1-C8)烷氧基、(C2-C8)鏈烯基、(C2-C8)鏈炔基、(C3-C8)環烷基、(C2-C8)滷代鏈烯基、(C2-C8)滷代鏈炔基，其中滷素應理解為包括氯、氟、溴、碘等。烷基包括直鏈和支鏈的碳鏈基團。通常的烷基基團包括甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、仲丁基、異丁基、叔丁基、正戊基、新戊基、異戊基、己基、庚基等。烷基基團可被一個、兩個、三個或更多個滷素原子滷代。
術語鏈烯基和鏈炔基包括至少含有一個不飽和鍵的直鏈或支鏈烴。
C5位的不飽和提供了相應的固醇酯。任何帶有功能化羥基的固烷醇或固醇均適用於本發明的酯化反應。本發明中可被酯化的固烷醇/固醇的結構通式如下。
R2應理解為上述定義。
可通過本發明方法酯化的固烷醇包括但不限於β-谷甾醇(圖III所示)、以及其它相關的化合物，如膽固烷醇、麥角固烷醇、芸苔固烷醇、燕谷甾烷醇、α-香樹素、cyclartenol、羽扇豆烯醇等。
例如，本方法也適於固醇如谷甾醇(C5位不飽和，見圖III所示)酯化反應起始物的摩爾比，特別是固烷醇/固醇與脂肪酸的摩爾比，按化學計量水平計算。在優選的實施方案中，脂肪酸過量5-10％以便使固烷醇反應完全。過量的未反應的脂肪酸易於從產生的殘渣中回收。
任何合適的催化劑均可用於本發明。催化劑可以是弱酸、路易斯酸、或鹼催化劑。合適的酸催化劑在美國專利US5,892,068中公開，在此引入作為參考。合適的酸催化劑包括甲基苯磺酸、甲磺酸、磷酸氫鈉、硫酸氫鈉、但是不優選無機酸。合適的路易斯酸催化劑包括氯化鐵、氧化鐵、氧化鎂、氧化錳、氯化錳、氫氧化鈉、氯化鎳、氧化錫、氯化錫、以及氧化鋅和氯化鋅。反應中用作催化劑的鹼性物質也如氫氧化鈉。如果提供反應物摩爾量1％的催化劑，該用量通常是足夠的。這裡使用的路易斯酸催化劑應該理解為具有潛在電子對受體的化合物。催化劑的用量可根據所需的反應速度而增加或減少，但是如果使用過多的催化劑將有更多的副反應發生和副產物生成。其它適用的路易斯酸催化劑包括三氟化硼、氯化鋁等。任何合適的路易斯酸均可用作催化劑，優選的是氧化鋅。催化劑可以固體、液體或氣體的形態存在。
本發明最顯著的內容之一是在乾淨的條件下進行反應，反應混合物中沒有使用任何溶劑，因為酸，優選實施方案中為熔化狀態的脂肪酸，既為反應物，又起到溶劑的作用。
為了從反應混合物中除去水，以使得反應能順利完成，同時增加酯的產率，本反應適宜在真空條件下進行。由於水不溶於產物相，則要求較低用量的脂肪酸，以使反應完成。
反應的溫度範圍約為75℃至225℃。優選溫度範圍約為100℃至220℃，最優選為140℃至180℃。反應時間可在較大範圍內變化，但為獲得最佳的結果和從經濟的角度考慮，反應應該完全充分。通常反應時間應在12小時以上，但不是必要的。本發明的一個優點是該方法所得酯產物的產率高。本方法獲得產率大於90％，優選大於95％。
本發明的反應非常緩和，製備的酯通過在現有技術中公開的方法無法合成。尤其是，本發明提供了一種製備DHA(順-4，7，10，13，16，19-二十二碳六烯酸)和CLA(十八碳二烯酸)與上述的固醇/固烷醇的反應酯產物的方法。由於DHA和CLA被報導具有降低膽固醇的性能，對這些產物產生了一定的興趣。因此，具有未定的酯功能性的固烷醇或固醇，當水解時，可產生另一種控制膽固醇的物質，含有這種固烷醇或固醇的化合物具有極高的商業價值。由於據報導，DHA和CLA在體內通過各種機制，降低膽固醇的含量，比固醇和固烷醇更有效，因此這些功能的組合也是有利的。
CLA和固醇/固烷醇的酯產物如下
固醇/固烷醇十八碳二烯酸酯；9，11-十八碳二烯酸結構如上所述，10，12-異構體是一般的。最優選的是
β-谷甾醇十八碳二烯酸酯類似地，DHA與固醇/固烷醇的酯產物如下
固醇/固烷醇二十二碳六烯酸酯，且更優選的是
β-谷甾醇二十二碳六烯酸酯和β-谷甾烷醇二十二碳六烯酸酯本發明也提供了一種降低血清膽固醇方法，因為有效劑量的CLA酯和DHA酯可降低血清膽固醇。通常，其用量約為1-20克/天，優選3-15克/天，更優選6-9克/天。
下面的三種分離技術用於分離酯反應產物。
方法A通過水/有機溶劑抽提分離步驟，回收固烷醇酯。常用的有機溶劑包括二氯甲烷、氯仿或甲苯。通過常規的水/有機相分離，酯被抽提進入有機溶劑中，蒸發後即刻分離獲得。例如，反應混合物冷卻至室溫，接著加入二氯甲烷。然後碳酸氫鈉水溶液洗滌所得溶液數次。脂肪酸鹽進入水溶液相，能夠易於回收。剩餘的有機相中含有被分離的酯，將有機相通過無水硫酸鈉乾燥，並用活性炭脫色。當使用輕質的非氯代有機溶劑(即己烷)提取時，可發現其形成了一種不可分離的乳液。在旋轉蒸發器中除去溶劑且冷卻後，即可回收純的白色固體或油狀物形態的酯。
方法B在優選使用的分離技術中，當反應用弱酸作催化劑時，氫氧化鈉的量至少等於但不超過酸摩爾用量的10％，酯溶於反應混合物總量的10-15％水中，再加入氫氧化鈉。緩慢混合水後，排出皂鹽。產物漂白，並通過與食用油工業相同的步驟除臭。由於大部分過量的脂肪酸仍存在於酯產物，洗滌後，從除臭劑中再回收脂肪酸。
方法C在進一步優選的使用鹼性催化劑和一些路易斯酸催化劑的分離技術中，酯反應產物僅使用水進行分離。粗反應混合物用10％的水進行洗滌，分離1至2小時後排出。將所得的酯用食用油漂白粘土或矽石為基礎的漂白助劑漂白和除去存在的少量皂鹽並除臭，以除去過量的脂肪酸，脂肪酸不使用其它的步驟而直接回收。
雖然，所有的三種方法產生的酯在純度上是相同的，但就提取的產量(大於96％)而言，方法C較好。方法C也適於大規模的合成，因為其沒有使用危險的非食品級溶劑而獲得了高純度的產品。該方法中原料之間的相互作用較小，因而可提高產率和降低產物損失。方法B優於方法A，因為方法B與方法A相比，其產率較高。方法B和方法C均易於回收過量的脂肪酸，降低生成成本。
本發明與現有技術相比，具有多個優點。本發明提供了一種合成基本上單一的固烷醇酯的方法，而不是固烷醇酯的混合物。這裡所述的基本上單一應理解為反應產物，即所需的酯在總反應產物所佔的比例極高。通常所需的酯至少佔反應產物重量的90％以上，優選至少98％以上，如果反應完全，可至少佔99％以上。本發明可提供一種基本上單一的固烷醇(固醇)酯，其含有低於0.2％重量的其他酯。現有技術中的酯化方法獲得的固烷醇酯的混合物。例如，現有技術中的方法獲得的固烷醇酯的混合物，其固烷醇酯的範圍較寬(例如4種酯的混合物，重量百分比分別為30，30，20，20)。另外，現有技術中直接酯化的方法使用了危險有害的試劑。
單一固烷醇酯/固醇酯產品與其他方法生成的固烷醇酯/固醇酯混合物相比，具有幾個重要的優點。首先，單一化合物具有嚴格的性能規格(即熔點、特定重量結構的種類純度)。這是因為與混合物相比，單一化合物的性能可更準確地控制。因此，與混合物相比，單一酯的合適性能特點和質量更易於得到保證。
此外，由於本發明提供了單一固烷醇酯/固醇酯的合成方法，在一定脂肪酸鏈長度範圍內的結構/活性關係可得以確定。結構/活性關係的確定，主要以合理的藥物研製為基礎，僅當篩選單一化合物時，才具有意義。
固烷醇酯/固醇酯總的物理和生理特性可得以控制，原因在於這些特性取決於所使用的是那一種脂肪酸。例如，不飽和脂肪酸(即油酸)的酯化可獲得低熔點的固體或甚至是液體產品，相反，飽和脂肪酸(即硬脂酸)傾向於形成高熔點的易流動固體。這一如此廣泛控制高熔點固醇物理性質的能力是沒有預料到的。
本發明可選擇不同的酯以滿足所需的物理性質。固態的自由流動的物質可用於製備壓製片劑，或者與固烷醇酯一起製成烘焙產品。油狀的固烷醇酯/固醇酯用於製備軟凝膠劑，或者摻入到色拉調料或乳酪中更為有利。
本發明的另一個優點是本發明在反應過程中可加入合適用量的防染色劑。通常防染色劑的用量約為反應物總重量的0.05％至1％，優選0.15％至0.5％，最優選0.25％至0.35％。合適的防染色劑包括碳、木炭和炭黑；食用油、漂白土、或漂白矽土如Trisil(Grace Chemical)；其中木炭和活性炭優選。防染色劑用於保護產物以防變色，即非白色物質，防染色劑優選與固烷醇/固醇和酸一起加入反應容器中。
本發明所得的產物是白色的、無臭味且不含揮發性的無味物質。所得的固烷醇酯/固醇酯產品通過加納爾色標測定，其加納爾色值小於8，通常小於6左右，優選小於4左右，最優選小於3左右。加納爾色標是本領域公知的常識。反應產物形成塊狀，該色塊與預定的顏色的樣品相比較。現有技術製得的產品，其色值較高，例如根據美國專利US5,892,068生產的固烷醇酯，其加納爾色值約為9-12。根據日本專利JP 76-11113中介紹的方法製得的產品，其加納爾色值約為10-12。
反應產物可溶於油脂中，且可加入到含有油脂組分的任何食品中。
本發明的另一優點是在洗滌產物以鈍化或除去產物中殘留的催化劑時，無需除去過量的皂鹽。這樣提高了產量，降低了損失，加速了反應器周轉的時間。本反應的另一優點是易於回收過量的脂肪酸，無需附加的步驟。
本發明的另一優點是獲得的產品，其顏色較淺。本發明的另一優點是使用低過量的脂肪酸。在一些現有技術中，使用高過量的脂肪酸，可以使得反應完全(通常為2摩爾的脂肪酸比1摩爾的固烷醇/固醇)。這使得反應後的清洗過程、後處理過程變得困難，且費用較高。使用高過量脂肪酸降低了某一反應器中所得產物的數量，增加了獲得每磅產品所需的資金投入、勞動力投入。
此外，本發明的另一優點是在相同的溫度下，與不使用催化劑的反應相比，因加入催化劑加快了反應的時間。除了縮短了反應時間，所得產物也具有較好的顏色。例如，在250℃下進行非催化反應，反應時間大於13小時。然而，在相同條件(如批量大小和反應器類型)下的催化反應，可在較低的溫度170℃下進行，且完全反應所需的時間僅為13小時。本發明通常的反應時間約為8-15小時，優選10-14小時，最優選12-13小時。
這裡使用的術語酸用於描述作為反應物的酸，應理解為包括脂肪酸、飽和包括多聚飽和酸和多聚不飽和酸。下面的實施例用於進一步說明本發明，但本發明不限定於如下實施例。實施例本發明的固烷醇脂肪酸酯按如下酸催化的酯化反應方法製備固烷醇(10毫摩爾)、脂肪酸(12毫摩爾)和硫酸氫鈉(0.12毫摩爾)在真空150℃下，攪拌反應16小時。所得固烷醇酯產物通過上述的方法A(使用水和有機溶劑)或方法B(水溶液分離步驟)進行分離。當玻璃態的產物在方法A中形成時，冷卻至0℃以下，使其轉變為自由流動的固體。粗反應產物通過氣相色譜分析，表明反應完全程度達到95％以上。最後根據上述方法A或B處理殘留液。
5種代表性的固烷醇酯的分析數據如下所述。膽固醇酯的分析數據，以及其他的示例也包括在內。實施例1將β-谷甾烷醇和硬脂酸反應，製得硬脂酸β-谷甾烷醇酯。硫酸氫鈉作催化劑，用上述的方法A分離硬脂酸豆固烷醇酯。分離的硬脂酸豆固烷醇酯的分析結果如下1HNMR(CDCl3)4.60(五重峰，1H)，2.19(t，8，2H)，1.88(d，12，1H)；IR(cm-1，KBr)1739(s，C＝O)，1454(m)，1388(m)，1182(s，C-O)，725(m)；元素分析C47H86O2計算值C82.55％，H12.59％，實測值C82.70％，H12.50％；熔點(DSC)103-105℃。實施例2將β-谷甾烷醇和硬脂酸反應，製得硬脂酸β-谷甾烷醇酯。硫酸氫鈉作催化劑，用上述的方法B分離豆硬脂酸硬脂酸酯。
分離的化合物的分析結果如下1HNMR(CDCl3)4.62(五重峰，1H)，2.18(t，8，2H)，1.88(d，12，1H)；IR(cm-1，KBr)1739(s，C＝O)，1467(m)，1381(m)，1176(s，C-O)，718(m)；元素分析C47H86O2計算值C82.55％，H12.59％，實測值C82.31％，H12.63％；熔點(DSC)101-104℃；H2O百分含量(卡爾.費歇爾方法)0.73％。實施例3將β-谷甾烷醇和棕櫚酸反應，製得棕櫚酸β-谷甾烷醇酯。硫酸氫鈉作催化劑，用上述的方法A分離棕櫚酸豆固烷醇酯。分離的棕櫚酸豆固烷醇酯的分析結果如下1HNMR(CDCl3)4.68(五重峰，1H)，2.24(t，8，2H)，1.95(d，12，1H)；IR(cm-1，KBr)1739(s，C＝O)，1460(m)，1394(m)，1176(s，C-O)，725(m)；元素分析C45H82O2計算值C82.57％，H12.54％，實測值C82.59％，H12.53％；熔點(DSC)102-104℃。實施例4將β-谷甾烷醇和油酸反應，製得β-谷甾烷醇油酸酯。硫酸氫鈉作催化劑，用上述的方法B分離油酸豆固烷醇酯。分析結果如下1HNMR(CDCl3)5.27(m，2H)，4.62(五重峰，1H)，2.23(t，8，2H)；IR(cm-1，純)1739(s，C＝O)，1461(m)，1387(m)，1176(s，C-O)，1010(m)，718(m)；元素分析C47H84O2計算值C82.80％，H12.33％，實測值C82.98％，H 12.36％；熔點(DSC)41-44℃。實施例5將膽固烷醇和油酸反應，製得膽固烷醇油酸酯。硫酸氫鈉作催化劑，用上述的方法A分離油酸膽固烷醇酯。分析結果如下1HNMR(CDCl3)5.30(m，2H)，4.65(五重峰，1H)，2.22(t，8，2H)；IR(cm-1，純)1725(s，C＝O)，1454(s)，1367(m)，1168(m，C-O)，1003(m)，711(m)；元素分析C45H80O2計算值C82.67％，H12.25％，實測值C82.64％，H12.34％；熔點(DSC)20-25℃。對比實施例通過酯化路線，將canola油與固烷醇反應，得到一種混合產品，具有以下非重複的大約重量組分油酸固烷醇酯67％亞油酸固烷醇酯19％亞麻酸固烷醇酯9％棕櫚酸固烷醇酯3％實施例6油酸比固烷醇過量1.05摩爾，以0.2％硫酸氫鈉作催化劑進行反應。反應開始前加入0.2％活性炭。反應物加熱至165℃，冷凝器中開始出現水。當脂肪酸的含量已經停止下降時，將反應加熱至170℃，加入水，並從混合物中分離。產物的顏色為加納爾色標上的值的8。實施例7重複實施例6，但不使用炭，產物洗滌後的顏色為11+。實施列8重複實施例6，但使用0.2％的氧化鋅作催化劑。產物在加納爾色標上的值為9。實施例9和實施例10用於證實本發明中使用防染色劑的便利。通過改變防染色劑的用量以及方法中其他變量，顏色可得以進一步改善。實施例9重複實施例6的反應，但不使用催化劑。溫度升至200℃以上，反應才開始發生，而且在235℃或更高的反應溫度下反應10小時以上，才能完成反應。這證實了本文所述催化劑的優勢，可以使得反應在較低的溫度下以更快的速度進行。
權利要求
1.一種製備固烷醇酯/固醇酯的方法，其中含有以下步驟提供結構式如下的固烷醇/固醇；
提供一種酸、將所述的固烷醇/固醇和酸在足夠劑量的催化劑和防染色劑存在的條件下反應，生成基本單一的相應的固烷醇酯/固醇酯，其結構式如下
其中R1為長度約C5-C25的碳鏈，R2為長度約C3-C15的碳鏈。
2.權利要求1所述的方法，其中反應為淨相反應，以酸作溶劑。
3.權利要求1所述的方法，其中催化劑為鹼的水溶液。
4.權利要求3所述的方法，其中催化劑為氧化鋅。
5.權利要求1所述的方法，其中相應的固烷醇酯/固醇酯的重量產量不低於約98％。
6.權利要求1所述的方法，其中固烷醇酯/固醇酯R1的長度約C12-C21。
7.權利要求1所述的方法，其中反應溫度約為100至220℃。
8.權利要求1所述的方法，其中防染色劑為木炭或活性炭。
9.權利要求1所述的方法，其中防染色劑的用量約為反應物總重量的0.05％至1％。
10.一種製備固烷醇酯/固醇酯的方法，其中含有以下步驟提供結構式如下的固烷醇/固醇；
提供一種酸，在足夠劑量的路易斯酸催化劑存在的條件下，和任選使用足夠劑量的防染色劑，將所述的固烷醇/固醇和酸反應，生成基本單一的相應的固烷醇酯/固醇酯，結構式如下
其中R1為長度約C3-C24的碳鏈，R2為長度約C3-C15的碳鏈。
全文摘要
本發明提供了一種在顏色減活化劑存在的條件下,使用酸或鹼催化劑將固烷醇或固醇直接酯化,生成固烷醇酯/固醇酯的方法。該方法提供了一種大量合成酯的高產量路線。優選的實施方案中不使用有機溶劑或無機酸,而獲得食品級產品。
文檔編號C07J75/00GK1251837SQ9912164
公開日2000年5月3日 申請日期1999年8月25日 優先權日1998年8月25日
發明者A·羅登, J·L·威廉斯, R·布魯斯, F·德特萊諾, M·H·波耶爾, J·D·希金斯三世 申請人:麥克尼爾-Ppc公司