一种斑蝥黄的制备方法
阅读说明：本技术 一种斑蝥黄的制备方法 (Preparation method of cantharis yellow ) 是由 马瑞达 汤镇伟 谢德刚 赵家宇 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于化合物合成领域,涉及一种斑蝥黄的制备方法,该方法包括将β-胡萝卜素在氧化剂、催化剂以及二价锰离子的强酸盐的存在下于溶剂中进行氧化反应,氧化反应结束后静置分层,油层经洗涤净化后浓缩除去溶剂,之后加入异构溶剂进行异构反应,异构反应完毕后过滤并干燥,得到全反式斑蝥黄。采用本发明提供的方法制备斑蝥黄,氧化效果好,氧化剂用量较低,斑蝥黄收率较高,能够达到86％以上,所得斑蝥黄为紫红色针状结晶,含量大于90％。再则,采用本发明提供的方法对水层进行处理后回用,能够减少氧化剂的消耗,在降低成本的同时实现了无含卤酸盐废水的排放。(The invention belongs to the field of compound synthesis, and relates to a preparation method of canthaxanthin. The canthaxanthin prepared by the method provided by the invention has good oxidation effect, lower oxidant dosage and higher canthaxanthin yield which can reach over 86 percent, and the obtained canthaxanthin is purplish red needle-shaped crystal with the content of more than 90 percent. And moreover, the method provided by the invention is adopted to treat the water layer for recycling, so that the consumption of the oxidant can be reduced, the cost is reduced, and the discharge of the waste water without the halide is realized.)
技术领域
本发明属于化合物合成领域，具体涉及一种斑蝥黄的制备方法。
背景技术
斑蝥黄是一种类胡萝卜素，自然界存在于蘑菇、藻类、动物的甲壳、鱼虾、禽蛋等中，含量较少，其结构如式(1)所示。在食品行业中，斑蝥黄被广泛用于饮料、冰淇淋、饼干、调味酱汁、肉类制品等产品中。同时，斑蝥黄也被广泛用于饲料添加剂行业，主要用于提升禽蛋的颜色品质及特定鱼虾的生长。近年来，在医药及保健品行业中，斑蝥黄的作用也开始被人们所重视，大量研究表明，斑蝥黄对多种疾病具有预防及治疗的功效，这些功效与其抗氧化性及免疫促进等多种生物学活性相关联。
1977年，BASF公司提出一步氧化法，以氯酸钠为氧化剂，以碘化物或碘为催化剂，将β-胡萝卜素氧化为斑蝥黄，反应过程如式(2)所示。然而，该工艺副反应较多，收率在56％～78.5％之间，氧化剂用量大，需要β-胡萝卜素用量的10～60倍当量，并且会产生大量含氯酸钠废水，环境污染大且成本较高。
1980年，Toshiki Mori等人在此基础上采用氯酸盐或溴酸盐为氧化剂，采用卤化碘及碘化物一同作为助催化剂，将β-胡萝卜素氧化为斑蝥黄，收率可达76％，但是该方法需要使用较大量具有特殊毒性的挥发性的碘及卤化碘。
2005年，吴世林等人采用光催化法，以二氧化锰、二氧化硒、双氧水、卤酸盐等中的至少一种为氧化剂，将β-胡萝卜素氧化为斑蝥黄，反应条件温和，但收率仅为60％～70％。
2011年，金灿等人以碘为催化剂，采用固相研磨法，将β-胡萝卜素与氯酸钠混合后进行固相研磨，收率可达77％，该方法减少了大量有机溶剂的使用，但由于氯酸钠固相研磨具有一定危险性，因而不适用于工业生产。
发明内容
本发明的目的是为了克服采用现有的方法制备斑蝥黄收率较低、环境污染大的缺陷，而提供一种能够提高收率、绿色环保的制备斑蝥黄的方法。
本发明的发明人经过深入且广泛的研究之后发现，造成β-胡萝卜素氧化为斑蝥黄收率较低的根源在于氧化剂及其副产物活性过高，在氧化反应(pH值较低)条件下极易对原料及产物造成破坏，而在氧化反应过程中加入二价锰离子的强酸盐作为助催化剂，不仅可以起到保护原料及产物的目的，而且还能够够在抑制副反应的同时使副产物得以充分利用，从而达到提高收率及减少氧化剂用量的目的。基于此，完成了本发明。
具体地，本发明提供了一种斑蝥黄的制备方法，其中，该方法包括将β-胡萝卜素在氧化剂、催化剂以及二价锰离子的强酸盐的存在下于溶剂中进行氧化反应，氧化反应结束后静置分层，油层经洗涤净化后浓缩除去溶剂，之后加入异构溶剂进行异构反应，异构反应完毕后过滤并干燥，得到全反式斑蝥黄。
进一步地，所述氧化反应的方式为将氧化剂、催化剂以及二价锰离子的强酸盐溶解于水中，将所得水溶液的pH值调节至3～5，接着再与β-胡萝卜素的有机溶液混合后保温以实现氧化反应。
进一步地，所述氧化剂为碱金属的卤酸盐，优选为氯酸钾和/或氯酸钠。
进一步地，所述氧化剂与β-胡萝卜素的摩尔比为(3～5):1。
进一步地，所述催化剂为活泼金属的碘化物，优选为碘化钾和/或碘化钠。
进一步地，所述催化剂与β-胡萝卜素的摩尔比为(0.03～0.15):1。
进一步地，所述二价锰离子的强酸盐为硫酸锰和/或氯化锰。
进一步地，所述二价锰离子的强酸盐与β-胡萝卜素的摩尔比为(0.06～0.2):1。
进一步地，所述氧化反应体系中的有机溶剂为卤代烷烃，优选选自二氯甲烷、三氯甲烷和二氯乙烷中的至少一种。
进一步地，所述有机溶剂与β-胡萝卜素的用量比为500mL:(10～30)g。
进一步地，所述氧化反应的条件包括反应温度为0～10℃、优选为0～5℃，反应时间为2～5h、优选为3～4h。
进一步地，所述异构溶剂为C2～C5的一元醇。
进一步地，所述异构溶剂与β-胡萝卜素的用量比为100mL:(5～15)g。
进一步地，所述异构反应的条件包括温度为70～100℃、优选为70～80℃；时间为5～10h、优选为7～8h。
进一步地，本发明提供的斑蝥黄的制备方法还包括将静置分层所得水层用酸调节pH值至3～5，之后在微真空条件下于30～50℃下保温0.5～2h后冷却，补足氧化剂及催化剂后继续套用于氧化反应。
进一步地，所述微真空的真空度为-0.005～-0.02MPa。
采用本发明提供的方法制备斑蝥黄，氧化效果好，斑蝥黄收率较高，能够达到86％以上，所得斑蝥黄为紫红色针状结晶，含量大于90％。再则，由于二价锰离子的强酸盐这一助催化剂的使用，能够使得氧化剂的用量从现有技术的为β-胡萝卜素的20倍左右下降到3～5倍。此外，由于将氧化反应产物经静置分层后所得水层富含碱金属的卤酸盐，环保处理压力极大，采用本发明提供的方法对水层进行处理后回用，较好地解决了这一问题，减少了氧化剂的消耗，在降低成本的同时实现了无含卤酸盐废水的排放。
具体实施方式
在本发明中，将β-胡萝卜素在氧化剂、催化剂以及二价锰离子的强酸盐的存在下于溶剂中进行氧化反应，具体地，可以将β-胡萝卜素、氧化剂、催化剂以及二价锰离子的强酸盐按照任意顺序溶于溶剂中之后进行氧化反应，例如，可以将β-胡萝卜素溶于有机溶剂并且分别将氧化剂、催化剂以及二价锰离子的强酸盐各自独立地溶于水中，再将所得有机溶液和各水溶液混合均匀之后进行氧化反应；也可以将β-胡萝卜素溶于有机溶剂并且将氧化剂、催化剂以及二价锰离子的强酸盐中的任意两种或者三种溶于水中，再将所得有机溶液和各水溶液混合均匀之后进行氧化反应。在一种优选实施方式中，所述氧化反应的方式为将氧化剂、催化剂以及二价锰离子的强酸盐溶解于水中，将所得水溶液的pH值调节至3～5，接着再与β-胡萝卜素的有机溶液混合后保温以实现氧化反应。其中，将所述水溶液与β-胡萝卜素的有机溶液混合时，可以将所述水溶液加入β-胡萝卜素的有机溶液，也可以将β-胡萝卜素的有机溶液加入所述水溶液中，还可以将所述水溶液和β-胡萝卜素的有机溶液并流混合。
在本发明中，所述氧化剂可以为碱金属的卤酸盐，具体可以为碱金属的氯酸盐和/或溴酸盐。其中，所述碱金属的氯酸盐例如可以为氯酸锂、氯酸钾、氯酸钠中的至少一种。所述碱金属的溴酸盐例如可以为溴酸锂、溴酸钾、溴酸钠中的至少一种。从原料易得性的角度考虑，所述氧化剂特别优选为氯酸钾和/或氯酸钠。此外，所述氧化剂与β-胡萝卜素的摩尔比优选为(3～5):1。
在本发明中，所述催化剂可以为活泼金属的碘化物，具体可以为碘化锂、碘化钾、碘化钠中的至少一种，优选为碘化钾和/或碘化钠。此外，所述催化剂与β-胡萝卜素的摩尔比优选为(0.03～0.15):1。
本发明的关键点在于添加二价锰离子的强酸盐，其具体实例包括但不限于：硫酸锰、氯化锰、硝酸锰等中的至少一种，优选为硫酸锰和/或氯化锰。此外，所述二价锰离子的强酸盐与β-胡萝卜素的摩尔比优选为(0.06～0.2):1，例如，可以为0.06:1、0.07:1、0.08:1、0.09:1、0.1:1、0.11:1、0.12:1、0.13:1、0.14:1、0.15:1、0.16:1、0.17:1、0.18:1、0.19:1、0.2:1等。
在本发明中，所述氧化反应体系中的溶剂通常同时含有水和有机溶剂，其中，所述有机溶剂例如可以为脂肪烃、脂环烃、芳香烃、卤代烷烃、醇、醚、酯、酮等。所述脂肪烃的具体实例包括但不限于：戊烷、己烷、辛烷等。所述脂环烃的具体实例包括但不限于：环己烷、环己酮、甲苯环己酮等。所述芳香烃的具体实例包括但不限于：苯、甲苯、二甲苯等。所述卤代烷烃的具体实例包括但不限于：二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷等。所述醇的具体实例包括但不限于：甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇等。所述醚的具体实例包括但不限于：乙醚、环氧丙烷等。所述酯的具体实例包括但不限于：甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯等。所述酮的具体实例包括但不限于：丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮等。此外，所述氧化反应体系中水的用量与氧化剂用量的比值优选为250mL:(0.1～1)g。所述氧化反应体系中有机溶剂的用量与β-胡萝卜素用量的比值优选为500mL:(10～30)g。
本发明对氧化反应的条件没有特别的限定，只要能够使得β-胡萝卜素转化为斑蝥黄即可。例如，所述氧化反应的条件包括反应温度可以为0～10℃，优选为0～5℃；反应时间可以为2～5h，优选为3～4h。
本发明对所述油层洗涤净化所采用的洗涤剂以及洗涤方式没有特别的限定，只要能够将油层中残留的未反应原料以及副产物去除即可。在一种具体实施方式中，将油层先用硫代硫酸钠溶液洗涤一次，再用水洗涤一次。
在本发明中，所述异构溶剂优选为C2～C5的一元醇，其具体实例包括但不限于：乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇、特戊醇中的至少一种。此外，所述异构溶剂与β-胡萝卜素的用量比优选为100mL:(5～15)g。
本发明对异构反应的条件没有特别的限定，只要能够使得氧化反应产物中的斑蝥黄异构体转化为全反式斑蝥黄即可。例如，所述异构的条件包括温度可以为70～100℃，优选为70～80℃；时间可以为5～10h，优选为7～8h。
在本发明中，为了减少产物的损失，优选将异构反应产物降至常温之后再过滤。所述过滤的方式例如可以为压滤、抽滤等。
在一种优选实施方式中，本发明提供的斑蝥黄的制备方法还包括将静置分层所得水层用酸调节pH值至3～5，之后在微真空条件下于30～50℃下保温0.5～2h后冷却，补足氧化剂及催化剂后继续套用于氧化反应。采用该方法实现水层的回收套用，不仅可以减少氧化剂的消耗，而且还能够实现无碱金属的含卤酸盐废水的排放。此外，所述微真空的真空度优选为-0.005～-0.02MPa。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
以下实施例和对比例中，斑蝥黄含量按照如下方法进行检测：
仪器：Agilent 1200；色谱柱：大连依利特Hypersil ODS2 5um×4.6mm×250mm，检测器：UV；波长：465nm；柱温25℃，流速1.0mL/min，流动相为乙腈:水:正戊醇＝92:7:1(体积比)；进样量10.0μL。
实施例1
将0.30g(0.0018mol)碘化钾、0.46g(0.0036mol)氯化锰、19.43g(0.1825mol)氯酸钠溶于250mL水中，将所得水溶液的pH值用5％稀盐酸调节至4备用。
在1000mL反应釜中加入20gβ-胡萝卜素(98.0％，0.0365mol)和500mL二氯甲烷，开启搅拌，加入上述水溶液，抽空补氮三次，降温至0～5℃，保温3h。保温结束后静置分层，油层用150mL 2.5％w/v硫代硫酸钠溶液洗一次，水洗一次，之后浓缩至干，加入200mL乙醇，于70℃下保温异构8h，降至常温，减压过滤，烘干，得到19.91g全反式斑蝥黄，含量为95.5％，收率为92.2％。
实施例2
将0.18g(0.0011mol)碘化钾、0.28g(0.0022mol)氯化锰、11.66g(0.1095mol)氯酸钠溶于250mL水中，将所得水溶液的pH值用5％稀盐酸调节至4备用。
在1000mL反应釜中加入20gβ-胡萝卜素(98.0％，0.0365mol)和500mL二氯甲烷，开启搅拌，加入上述水溶液，抽空补氮三次，降温至0～5℃，保温3h。保温结束后静置分层，油层用150mL 2.5％w/v硫代硫酸钠溶液洗一次，水洗一次，之后浓缩至干，加入200mL乙醇，于70℃下保温异构8h，降至常温，减压过滤，烘干，得到19.71g全反式斑蝥黄，含量为90.5％，收率为86.5％。
实施例3
将0.61g(0.0037mol)碘化钾、0.92g(0.0073mol)氯化锰、19.43g(0.1825mol)氯酸钠溶于250mL水中，将所得水溶液的pH值用5％稀盐酸调节至4备用。
在1000mL反应釜中加入20gβ-胡萝卜素(98.0％，0.0365mol)和500mL二氯甲烷，开启搅拌，加入上述水溶液，抽空补氮三次，降温至0～5℃，保温3h。保温结束后静置分层，油层用150mL 2.5％w/v硫代硫酸钠溶液洗一次，水洗一次，之后浓缩至干，加入200mL乙醇，于70℃下保温异构8h，降至常温，减压过滤，烘干，得到20.11g全反式斑蝥黄，含量为93.2％，收率为90.9％。
实施例4
将0.27g(0.0018mol)碘化钠、0.55g(0.0037mol)硫酸锰、13.42g(0.1095mol)氯酸钾溶于250mL水中，将所得水溶液的pH值用5％稀盐酸调节至5备用。
在1000mL反应釜中加入20gβ-胡萝卜素(98.0％，0.0365mol)和500mL二氯甲烷，开启搅拌，加入上述水溶液，抽空补氮三次，降温至5～10℃，保温5h。保温结束后静置分层，油层用150mL 2.5％w/v硫代硫酸钠溶液洗一次，水洗一次，之后浓缩至干，加入200mL乙醇，于70℃下保温异构8h，降至常温，减压过滤，烘干，得到19.87g全反式斑蝥黄，含量为90.8％，收率为87.5％。
实施例5
将0.30g(0.0018mol)碘化钾、0.46g(0.0036mol)氯化锰、19.43g(0.1825mol)氯酸钠溶于250mL水中，将所得水溶液的pH值用5％稀盐酸调节至3备用。
在1000mL反应釜中加入20gβ-胡萝卜素(98.0％，0.0365mol)和500mL二氯甲烷，开启搅拌，加入上述水溶液，抽空补氮三次，降温至0～5℃，保温3h。保温结束后静置分层，油层用150mL 2.5％w/v硫代硫酸钠溶液洗一次，水洗一次，之后浓缩至干，加入200mL乙醇，于70℃下保温异构8h，降至常温，减压过滤，烘干，得到20.35g全反式斑蝥黄，含量为90.4％，收率为89.2％。
实施例6
取实施例1静置分层所得水层，用5％稀盐酸调pH值至4，在真空度为-0.01MPa下加热至40℃，保温1h，之后降至常温，测得水溶液中含氯酸钠、碘化钾及氯化锰的量，将此水层按实施例1配方，加入足量氯酸钠、碘化钾及β-胡萝卜素后继续进行氧化反应，其他试验条件同实施例1。按照以上方法套用5次，所得结果如下表1所示。
表1
套用次数
1
2
3
4
5
斑蝥黄含量
94.9％
94.7％
95.7％
94.2％
95.0％
收率
91.8％
92.0％
92.4％
91.4％
91.9％
对比例1
按照实施例1的方法制备斑蝥黄，不同的是，未加入氯化锰，其余条件与实施例1相同，得到13.18g全反式斑蝥黄，含量为70.4％，收率为45.0％。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。