^13C3-三硬脂酸甘油酯的合成与表征

^13C3-三硬脂酸甘油酯的合成与表征 ^13C3-三硬脂酸甘油酯的合成与表征 第24卷第1期 2011年2月 同位 Journalof 素 Isotopes Vo1.24N0.1 Feb.2O11 C3一三硬脂酸甘油酯的合成与表征 吴航宇,林 (1.北京化工大学理学院,北京100029;2. 琳,李蕾,陈大舟 中国计量科学研究院化学计量与分析科学研究所,北京100013) 摘要:以"C.一甘油和硬脂酸为原料,在无溶剂的条件下,采用Lipozyme酶为催化剂,直接酯化合成"Cs一三硬 脂酸甘油酯,产率为8o,产物无需纯化.经差示扫描量热分析(DSC),红外光谱(FT—IR),核磁共振(H NMR),质谱(MS)分析表征,结果表明,产物为目标产物"一三硬脂酸甘油酯,化学纯度>98,同位素丰度> 99,产物可作为同位素内标物使用. 关键词:甘油三酯;"C标记;Lipozyme酶;合成;表征 中图分类号:O612.4文献标志码:A文章编号:1000—7512(2011)01—0058—06 SynthesisandCharacterizationofC3一Tristearin WUHang—yu,LINLin,LILei,CHENDa—zhou (1.CollegeofScience,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China; 2.ChemicalMetrology~-AnalyticalScienceDivision,TheNationalInstituteofMetrology, Beijing100013,China) Abstract:Ahighlyefficientsynthesisof"C3labeledtriglyceridesofstearicacidsfromC3一 glycerolandstearicacids,byimmobilizedlipase—catalyzedinsolvent—freemediumW3Sde— scribed.Thestructureoftheproductwerecharacterizedbyfouriertransforminfraredspec— trum(FT-IR),nuclearmagneticresonance(NMR),massspectra(MS).Theresults showedthattriglyceridesofstearicacidscontainedthreeCatoms.Theisotopeabundance of?C3一tristearinwasmorethan99andtheyieldwas80ofC3一tristearinthroughcal— culation.Chemicalpurity(>98)wasobtainedbydifferentialscanningcalorimetry (DSC). Keywords:tristearin;Clabeling;lipase—catalyzed;synthesis;characterization 稳定同位素试剂广泛应用于生命科学,食品 安全,资源环境,新型材料,军事与安全等科学研 究领域,是同位素示踪技术的重要试剂. 传统的酯化反应所采用的催化剂为酸或 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通信作者: 碱,得到的硬脂酸甘油酯通常是一酯,二酯和 三酯的混合物,需要繁琐的提纯过程,不适合价 格昂贵的?C标记化合物的合成.为此,本工作 拟采用Lipozyme酶作为催化剂,利用酶的高选 2010-09—09;修回日期:2010—10—25 "十一五"国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (2006BAF07B03) 吴航宇(1985一),男,宁夏银川人,硕士研究生(导师:李蕾),有机合成与催化专业 李蕾,教授,博士生导师,Email:lilei@mail.buct.edu.cn 第1期吴航宇等:"C.一三硬脂酸甘油酯的合成与表征59 择性直接合成三酯,同时在反应体系中不会引入 其他溶剂,所得产物无需纯化. 1主要仪器与试剂 傅立叶VECTDR22型红外光谱仪(KBr压 片),AV600核磁共振仪(溶剂为CDCl.):德国 Bruker公司;PYRISI型差示扫描量热仪(氮气 保护):美国Perkinelmer公司;MAT900XL型 双聚焦高分辨质谱仪:配电子轰击(E1)离子源, 美国THERMOFINNIGAN公司. 一 甘油("C同位素丰度为99%):美国 CambridgeIsotopeLaboratories公司;硬脂酸 (999/5):美国AlfaAesar公司;Lipozyme酶:美 国Sigma公司;三硬脂酸甘油酯 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 品:北京西 中化工厂. 2实验方法 2.1"C一三硬脂酸甘油酯的合成 "c.一三硬脂酸甘油酯的合成路线示于 图1[. o 【IH2H 'CH一OHH"C—O--C—C—C一 I"pozyme酶IoH.H CH--OH+3CH(CH)COOH=;====兰=H"C—O--C—C—C一 , 』.HH_C~--O--垦一基一 图1"C一三硬脂酸甘油酯的合成路线 将"C.一甘油和硬脂酸按一定摩尔比混合置 于50mL圆底烧瓶中,放入恒温水浴加热磁力 搅拌器中,开启搅拌使反应物混合均匀并加热, 待反应物完全熔融,保持15min,加入催化剂 Lipozyme酶,采用抽真空的方式去除产物中的 水,恒温水浴反应一定时间,不经过提纯,热过滤 将产物与酶分离,即得到产物C.一三硬脂酸甘 油酯.烘干,称重,计算产率. 由于"C同位素产品价格昂贵,本实验通过 对未标记三硬脂酸甘油酯的合成条件进行探索, 分别考察反应时间,反应温度,反应物比例,催化 剂用量和反应方式对三硬脂酸甘油酯纯度的影 响,确定最佳合成条件.此后,将原料替换成"C 同位素产品,在最佳条件下合成?C.一三硬脂酸 甘油酯. 2.2结构表征方法 采用差示扫描量热分析(DSC)确定产物熔 点,分别采用质谱,核磁共振和傅里叶变换红外 光谱(FT—IR)对产物进行表征. DSC分析条件:升温范围40,120?,升温 速率1O?/rain,载气(N2)流速1.2mI/min. 质谱条件:电子轰击(E1)离子源,电子能量 70eV,传输线温度275.C,离子源温度200?, 激活电压1.5V,质量扫描范围(/z)35,700. 核磁共振分析条件:液体高分辨NMR600 CH CH CH 一 CH ,. 一 CH;+3HzO l4一CH3 MHz,优质核磁管(5mrrl:0.6mI或4cm), CDC1.溶剂. FT一1R分析条件:测定波数范围为500, 3000cm,,参比物为空气,扫描次数32或16, 分辨率8或4cm,. 3结果与讨论 3.1合成条件优化 3.1.1反应时间 反应时间对三硬脂酸甘油酯纯度的影响示 于图2.由图2可知,三硬脂酸甘油酯的纯度随 时间延长而逐渐增大,10h后反应基本达到平 衡.为避免催化剂Lipozyme酶长时间处在高 温下及副产物的生成,确定最佳反应时间为 25h.产物纯度为98.4. 时间/h 图2反应时间对三硬脂酸甘油酯纯度的影响 同位素第24卷 3.1.2反应温度 反应物硬脂酸的熔点为68,72?,为了保 证反应物的熔融状态,条件实验中选择反应温度 为75,80和85C.此温度下合成的对三硬脂酸 甘油酯的纯度示于图3.催化反应速率随着温 度升高而加速,在75,8O?时,三硬脂酸甘油酯 的纯度随温度升高呈增大趋势;酶在高温下会失 活,8O,85?时,三硬脂酸甘油酯的纯度下降. 因此,确定最佳反应温度为8O?. 图3反应温度对三硬脂酸甘油酯纯度的影响 3.1.3硬脂酸与甘油的摩尔比 反应物比例对三硬脂酸甘油酯纯度的影响 示于图4.由图4可知,硬脂酸与甘油摩尔比为 2.8:1时,生成的三硬脂酸甘油酯的纯度高于 摩尔比为3.0:1时的纯度.但随着甘油用量的 进一步增加,这是由于甘油用量增加后,三硬脂 酸甘油酯的纯度呈下降趋势,会导致副产物双甘 酯,单甘酯的生成.因此,确定硬脂酸与甘油的 摩尔比最佳摩尔比为2.8:1. \ 图4反应物比例对三硬脂酸甘油酯纯度的影响 3.1.4催化剂用量 催化剂用量对三硬脂酸甘油酯纯度的影响 示于图5.由图5可知,三硬脂酸甘油酯的纯度 随着酶用量的增加而增大,当酶用量加到底物含 图5催化剂用量对三硬脂酸甘油酯纯度的影响 量的3.6时,反应基本达平衡.比较含酶量 7.6,5.6,3.6时产物的纯度可见,含酶量 为7.6的三硬脂酸甘油酯纯度略高(98.4), 考虑到产品质量和能源消耗,选择最佳催化剂用 量为底物含量的7.6. 3.1.5反应方式 酯化反应是可逆反应,除去产物水可以促使 反应向正向进行.采用抽真空,敞口自然蒸发及 封闭反应3种反应方式分别进行5组三硬酯酸 甘油酯的合成,其他条件不变,结果显示,抽真空 反应方式下,产物纯度最高,为98.27;敝口自 然反应方式次之,为96.14;封闭反应方式产 物纯度最低,为91.93.说明用抽真空的反应 方式可以更有效地去除水分.因此,最佳的反应 方式为抽真空. 综上所述,三硬脂酸甘油酯合成的最佳条件 为:硬脂酸与甘油摩尔比为2.8:1,催化剂Li— pozyme酶用量为底物总质量的7.6,反应时 间为25h,反应温度为80?,反应过程中抽真 空.最佳条件下,三硬脂酸甘油酯的合成产率 为8O. 3.2结构表征 3.2.1FT—IR分析 .C.一三硬脂酸甘油酯产品和三硬脂酸甘油 酯标准品的FT—IR谱图示于图6. 由图6可知,"C.一三硬脂酸甘油酯产品和 三硬脂酸甘油酯标准品的主要特征峰均吻合. 其中,2926cm和2854cm为脂肪族一CH 一 不对称振动吸收峰;1737cm为酯基的C一 ()的特征吸收峰;1179cm_1和1113cm为酯 基的C一()一c特征吸收峰;1467cm为脂肪 族一CHz一剪式振动;717crn为脂肪族 , (CHz)一的平面摇摆振动.利用OPUS谱图 第1期吴航宇等:"C.一三硬脂酸甘油酯的合成与表征6l 波长/cm 图6"G一三硬脂酸甘油酯的FT-IR谱图 a——合成产物;b——一三硬脂酸甘油酯标准品 检索软件,将产品与标准品进行比对,得到匹配 度为92.3.以上结果表明,产物为"C一三硬脂 酸甘油酯. 3.2.2核磁共振谱(HNMR,"CNMR) "C.一三硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油酯标 准品的HNMR谱图数据列于表1. 由于"C标记的化合物中,"C(自旋量子数 J==:1/2)会对同碳上的H(J偶合)或邻碳上的 H(J偶合)存在耦合,且同碳耦合,耦合常数较 大,一般大于lOOHz.由表1可知,产物一 5.26,一4.29,一4.13处"C对H均存在明显 的裂分,且其耦合常数-,分别为148.8Hz, 148.8Hz和l51.1Hz.而对应的三硬脂酸甘油 酯标准品=:=5.26,:4.28和84.14处均无相 关裂分.以上结果表明,合成产物为.C.一三硬 脂酸甘油酯. C.一三硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油酯标 准品的?CNMR谱图数据列于表2. 表l"c一三硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油酯标准品的HNMR 表2"C-三硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油酯标准品的"CNMR 与HNMR结果相似,在"C标记化合物 的"CNMR谱图上同样存在着"C对相邻碳的 耦合.由表2可知,产物在一68.8和一62.1 处均存在明显的耦合.一68.8处对应的官能 团为甘油酯中间的碳C—b,一62.1处对应官能 团为两端的碳C—a,其中C—a化学环境相同,皆 对C—b存在耦合,使得C—b生成三重峰 (-,===43.7Hz),同时C—a受C—b耦合生成双峰 (.,一43.7Hz).而在未标记的nCNMR谱图 中,化学位移一68.8和一62.1处呈现的则是 两个单峰.因此进一步 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 合成产物为"G一三 硬脂酸甘油酯. 62同位素第24卷 3.2.3质谱(MS)准品的质谱检测结果列于表3. " 一 三硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油酯标 表3"G一三硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油酯标准品的质谱裂解碎片离子 267 344 398 61O HH: C--C--C--(CH)『_CH H,c一0' f HH: H"C—o—C一('_C--(CHz)—CH3 0 , ?H 一 1+ H一"C一0一C—C—CH "HO lIHH 267 341 395 HC一.一墓兰HC(CH4--CH+"一0一c—c_一()' I H HH. 07 H213C—o—C—C—C--(CH),4--CH, H C--C--C--(CH)广CH 1' HC—OH I HHH HC--O--C--C--C--(CH2)4--CH3 0 IIH1+ HC一0一c—c—cH I HHH HC一0一C一(,尸C--(CH2)--CH3 H:HII2 Hc--O--C--C--C--(CH)『-c H H.H HC—O—C—c_C--(CH.)4"-CH, 在质谱分析中,[RCO],[M—RCOO], [Rc()+74]以及ERCO+128]是4类用于鉴 定三硬脂酸甘油酯的碎片离子].由表3可 知,"C.一三硬脂酸甘油酯上述特征离子m/分 别为267,344,398,610,而非标记三硬脂酸甘油 酯m/z分别为264,341,395和607,两者对比, /z相差3,这是因为有"C.同位素的存在.此 结果说明合成的标记产物为"C.一三硬脂酸甘 油酯. 根据质谱峰强度可计算产物C.一三硬脂酸 甘油酯中的?C丰度. 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 为"C丰度一 [JM+./(,M++.)]x100(,为碎片离子强 度),利用质量数398计算"C丰度,计算结果列 于表4.由表4可见,"C丰度为99.49. 表4根据质谱峰强度计算"C- 三硬脂酸甘油酯中"C的丰度 (M+3)/MIM+s/(IM4-IM+S)"C丰度/ 3.2.4产物熔点测定 "C.一三硬脂酸甘油酯和三硬脂酸甘油酯标 准品的差示扫描量热分析(DSC)谱图示于图7. 由图7可知,合成的产物熔点为56.496?,三硬 脂酸甘油酯标准品的熔点为59.669.C,均在三 硬脂酸甘油酯熔点范围53,62?l7内,说明合 成的产物为三硬脂酸甘油酯.根据图7计算得 其化学纯度>98. 55 ?45 旨 \ 35 25 l5 608OlOOl2O 温度/~c 图7"G一三硬脂酸甘油酯的DSC谱图 a——合成产物.b——三硬脂酸甘油酯标准品 第1期吴航宇等:"Cs一三硬脂酸甘油酯的合成与表征63 3小结 以摩尔比"(硬脂酸):n("C3一甘油)一2.8: 1,采用生物Lipozyme酶作为催化剂,在无毒有 机溶剂的存在下,直接酯化合成"c.一三硬脂酸 甘油酯,产物无需纯化,产率可达80.产物经 差示扫描量热分析(DSC),红外光谱(FT—IR), 核磁共振(HNMR),质谱(MS)分析表征,结果 表明,合成产物为"C.一三硬脂酸甘油酯,且化学 纯度>98,同位素丰度>99,均符合技术指 标要求.与传统工艺比较,该合成工艺高效,经 济合理,具有重要应用价值. 参考文献: I-1]徐大刚,钟授富.稳定同位素的分离与应用[J]. 化学进展,1997,5(2):41-46. 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