История открытия
Открытие витамина Е произошло в 1922 году Гербертом Эвансом и Кэтрин Скотт Бишоп. В своих экспериментах они показали, что крысы, которые питались лишь смесью казеина, сала, молочного жира, соли и дрожжей были бесплодными. Репродуктивную функцию можно было восстановить добавив листья салата или масло из зародышей пшеницы. Добавление рыбьего жира или муки не приводило ни к каким улучшениям. Из этого был сделан вывод, что «фактор X», содержащийся в определённых растительных маслах, был очень важным составляющим пищи. Так был обнаружен жирорастворимый витамин Е.
В 1931 году Маттилл и Олкотт описали антиоксидантную функцию витамина Е. В том же году было выяснено, что недостаток витамина Е вызывает мышечную недостаточность и энцефаломаляцию (поражение головного мозга).
В 1936 году α-токоферол был впервые выделен Эвансом. Название токоферол (от греч. tokos - потомство, phero - несу) было предложено Джорджем Калхауном, профессором греческого языка Калифорнийского университета.
В 1938 году была описана химическая структура α-токоферола, а Пауль Каррер смог его синтезировать.
Первое терапевтическое использование витамина Е был проведено в 1938 году Виденбауэром, который использовал масло зародышей пшеницы как добавку для 17 недоношенных новорожденных младенцев, страдающих от нарушений роста. Одиннадцать из них выздоровели и смогли возобновить нормальные темпы роста.
Строение
Витамин Е - группа природных и синтетических соединений - производных токола. Важнейшими соединениями этой группы являются токоферолы и токотриенолы. Последние значительно менее активны, чем токоферолы, и отличаются от них тремя двойными связями в положениях 3', 7' и 11'. Все асимметрические центры молекул природных токоферолов (положения 2, 4' и 8') имеют R-конфигурацию.
|
|
Токол является производным хромана (бензо [b] дигидропиран или бензо [b] оксинан) и представляет собой 6-гидрокси-2-метил-2 - (4', 8', 12'-триметилтридецил) - хроман.
В пищевых продуктах обнаружены α-, β- и γ-токоферолы, наиболее активным из них является α-токоферол. В настоящее время выделены из природных источников или получены синтетическим путем 7 химических аналогов α-токоферола, обладающих витаминной активностью.
Строение токоферолов
| № п/п | Соединение 1 | R(C5) | R' (с7) | R» (С8) |
| Токол | Н | Н | Н | |
| α-токоферол | СН3 | СН3 | СН3 | |
| β-токоферол | СН3 | Н | СН3 | |
| γ-токоферол | Н | СН3 | СН3 | |
| ζ-токоферол | СН3 | СН3 | Н | |
| δ-токоферол | Н | Н | СН3 | |
| ε-токоферол | СН3 | Н | Н | |
| η-токоферол | Н | СН3 | Н |
В молекуле токола и, следовательно, всех токоферолов имеются три асимметрических атомов углерода в положениях 2, 4' и 8'. В природном α-токофероле все асимметрические атомы имеют D (R) - конфигурацию. При химическом синтезе его получают смесь всех возможных стереоизомеров (2-Д L-, 4'-DL-, 8'-DL-), которую принято называть D, L-α-токоферол, или полный рацемат α-токоферола. Естественно, что природный и синтетический витамины, как по физическим, так и по биологическим свойствам несколько отличаются.
В настоящее время все перечисленные химические аналоги α-токоферола выделены в очищенном виде из растительных масел или получены синтетически. Установлено, что количество метильных групп, а также конфигурация асимметрических центров оказывают существенное влияние на биологическую активность токоферолов. Биологическая активность синтетического D, L-α-токоферола составляет 40% от активности природного a-токоферола, а β-, γ- и δ-токоферолов - соответственно 20-30, 10 и 1%. С уменьшением метильных групп в молекулах токоферолов их витаминная активность снижается, однако антиоксидантная эффективность - увеличивается.
|
|
Физические свойства
Токоферолы представляют собой светло-желтые вязкие жидкости, не растворимые в воде, хорошо растворимые в большинстве органических растворителей: хлороформе, эфире, гексане и др., хуже - в ацетоне и этаноле, разлагаются при облучении УФ-светом, устойчивы при нагревании до 100 °С в атмосфере инертного газа. Растворы интенсивно флуоресцируют (максимум возбуждения 295 нм, излучения - 320-340 нм). Устойчивы к действию минеральных кислот и щелочей. При взаимодействии с O2 и другими окислителями превращаются в хиноны (сложные эфиры витамина значительно более устойчивы к окислению). Разлагаются при действии ультрафиолета. В атмосфере инертного газа стабильны при нагревании до 100 °С.
Химические свойства
Важнейшие соединения группы витамина Е: токоферолы и токотриенолы. Последние значительно менее активны и отличаются от них тремя связями в положениях 3', 7' и 11'. Все асимметричные центры природных токоферолов имеют R-конфигурацию. Натуральный токоферол обозначают как RRR-α-токоферол (раньше также использовалось d-α-токоферол), а полученный синтетически - all-rac-α-токоферол (он является смесью восьми стереоизомеров, 7 из которых в природе не найдены). Если для синтеза используется фитол, то получается смесь RRR-α-токоферола и 2S, 4’R, 8’R-α-токоферола (2-epi-α-токоферола) называется 2-ambo-α-токоферол (раньше dl-α-токоферол). Все формы являются активными антиоксидантами, однако только изомеры с 2R-конфигурацией имеют высокую биологическую активность.
|
|
Все токоферолы легко окисляются, но устойчивы к восстановителям. В зависимости от природы окислителя образуют производные хинонов или продукты расщепления хроманового цикла:
Токоферолы легко образуют сложные и простые эфиры.
С изоформой циановой кислоты (изоциановой кислотой HN =C =0) токоферолы образуют так называемые аллофанаты, которые хорошо кристаллизуются и служат для идентификации витамина Е.
Кислоты и щелочи не оказывают разрушающего действия на токоферолы. Витамин Е содержится главным образом в липопротеиновых мембранах клеток и субклеточных органелл, где локализован благодаря межмолекулярному взаимодействию с жирными ненасыщенными кислотами.
Витамин Е находится практически во всех пищевых продуктах. Наиболее богаты витамином Е растительные масла, особенно кукурузное (40-80 мг в 100 г.), подсолнечное (40-70 мг), хлопковое (50-100 мг) и масло из пшеничных зародышей (100 - 400 мг).
Значение и применение
Биологическая активность витамина обусловлена его способностью образовывать устойчивые свободные радикалы за счет отщепления атома водорода от гидроксильной группы, которые могут взаимодействовать со свободными радикалами, участвующими в образовании органических пероксидов. Тем самым витамин Е предотвращает окисление ненасыщенных липидов (а также витамина А) и предохраняет от разрушения биологические мембраны. α-Токоферол является антикоагулянтом и предотвращает свертывание крови в сосудах. При недостатке витамина Е возникают мышечная дистрофия, некроз печени и др.
В медицинской практике витамин Е применяется в виде α-токоферилацетата («А-токоферола ацетата») для лечения мышечной дистрофии, при угрозе выкидыша, нарушении функций половых желез, сердечных заболеваний, сосудистых расстройствах, ревматоидных артритах и др. В последнее время витамин Е находит применение в косметике, пищевой промышленности и животноводстве.
Существует мнение, что витамин Е является эликсиром молодости, так как имеются данные о взаимосвязи между витамином и старением организма.
Методы выделения токоферолов из природных объектов
Существуют разные методы выделения витамина Е из природных объектов. Наибольшее значение имеют:
1. Экстракция неомыляемого остатка масел органическими растворителями. После отгонки растворителя и отделения стеринов кристализацией из спирта, витамин Е очищают высоковакуумной перегонкой (молекулярной дистилляцией).
Более чистые концентраты витамина получают, применяя адсорбционную хроматографию. Для стабилизации концентрата используют антиоксиданты - гидрохинон или аскорбиновую кислоту.
2. Прямая молекулярная дистилляция растительных масел. При 200-240°С (0,004 мм рт. ст.) отбирают нужную фракцию. Двойная дистилляция позволяет получить продукт с концентрацией токоферолов до 60%.
7. Промышленные методы синтеза α-токоферола и «α-токоферола ацетата»
В промышленных масштабах производят в основном наиболее активный из соединений группы витамина Е α-токоферол и продукт его ацетилирования. Важнейшие методы синтеза α-токоферола заключаются в конденсации триметилгидрохинона с фитолом или его производными - изофитолом, фитилхлоридом или фитилбромидом, углеродный скелет которых состоит из четырех конденсированных частично гидрированных изопреновых фрагментов.
Существует несколько схем синтеза триметилгидрохинона (ТМГ).
. Получение триметилгидрохинона из м-крезола. При метилировании м-крезола образуется смесь продуктов, из которой выделяют 2,3,6 - триметилфенол, окисляют, а затем восстанавливают, что приводит к образованию ТМГ.
. Получение триметилгидрохинона из нитромезитилена путем избирательного восстановления его в мезитилгидроксиламин, который превращают в тримегилги - дрохинон с использованием реакции Бамбергера:
3. Получение триметилгидрохинона из псевдокумола с использованием методов сульфирования (бромирования), нитрования, восстановления, окислительного замещения аминогруппы на оксогруппы и их восстановления.
Псевдокумол является продуктом коксохимического производства и входит в состав одной из выделяемых фракций при переработке каменноугольной смолы. Сульфирование фракции позволяет не только ввести в молекулу псевдокумола сульфогруппу, но и выделить продукт в чистом виде. К сожалению метод многостадийный, отличается большой трудоемкостью, пожаро- и взрывоопасностью.
Технология получения триметилгидрохинона из псевдокумола
Сульфирование ведут в реакторе с мешалкой и обратным теплообменником. Из мерника в аппарат сливают концентрированную серную кислоту, нагревают ее до 50 °С и при этой температуре загружают псевдокумол. Реакционную массу выдерживают 1 - 1,5 ч при 50 °С и передают в нитратор, где ее охлаждают до 15 °С подачей рассола в рубашку аппарата.
Для нитрования используют концентрированную азотную кислоту, которую сливают из мерника при температуре 15-25 °С, и нитрат калия, который загружают через люк аппарата. Реакционную массу перемешивают до тех пор, пока она полностью не загустеет, после чего в нитратор загружают воду, не допуская повышения температуры более 80˚С, и образовавшуюся массу передают в кристаллизатор, где охлаждают до 2-4˚С. Выпавший осадок 3,6 - динитропсевдокумол-5-сульфокислоты фильтруют на центрифуге, промывают водой до слабокислой реакции и направляют на гидрирование.
Процесс гидрирования проводят в водной среде в присутствии никель-хромового катализатора. Для этого в реактор загружают воду и 3,6 - динитропсевдокумол-5-сульфокислоту, реакционную массу нагревают до кипения и выдерживают до полного растворения субстрата. Затем отключают мешалку и раствор отстаивают 20-30 мин, охлаждая до 70-75˚С, после чего его передают в автоклав, куда затем загружают водную суспензию никель-хромового катализатора. Автоклав продувают азотом, после чего подают водород, создавая давление до 6 МПа. Реакционную массу нагревают до 70-80 °С и ведут гидрирование до прекращения поглощения водорода (ок. 1,5 ч). По окончании процесса давление водорода сбрасывают через «воздушку», реакционную массу охлаждают до 60-70 °С и передают на нутч-фильтр. Водный раствор 3,6 - диаминопсевдокумола передают на окисление.
Окисление амина проводят оксидом марганца (IV) в присутствии серной кислоты. В реактор загружают водный раствор 3,6 - диаминопсевдокумола, из мерника сливают концентрированную серную кислоту и через люк аппарата загружают оксид марганца (IV). Реакционную массу перемешивают 2-3 ч при 18-20 °С, после чего передают в аппарат для отгонки триметил-n-бензохинона с водяным паром, при этом продукт собирают в сборнике с толуолом. Образовавшийся толуольный раствор передают на стадию восстановления.
Восстановление триметил-n-бензохинона осуществляют дитионитом натрия. Раствор триметил-n-бензохинона в толуоле промывают водой, загружают в реактор, добавляют воду и дитионит натрия и перемешивают 1 ч. Реакционную массу отстаивают и делят слои. Верхний слой - раствор триметилгидрохинона в толуоле - дважды промывают водой, фильтруют от примесей, «упаривают» и продукт кристаллизуют при 5-10 °С. Осадок фильтруют на центрифуге и сушат в вакуум-сушилке при 60-70 °С в токе азота.
Выход триметилгидрохинона 40% на псевдокумолсульфокислогу, содержание основного вещества не ниже 96%.
4. Синтез триметилгидрохинона из фенола через основание Манниха, метизол и хинол считается наиболее совершенным и широко используется за рубежом.
5. Синтез триметилгидрохинона из диэтилкетона и кротонового альдегида или из метилвинилкетона через триметилциклогексанон. В производство эта схема внедрена за рубежом. В России она опробована на опытно-промышленной установке, но из-за дефицита сырья в промышленности этот метод не применялся.
Изофитол или фитилгалогенид (хлорид, бромид), как уже указывалось, производятся на смежных предприятиях.
Конденсация триметилгидрохинона с изофитолом (фитолом, фитилбромидом или фитилхлоридом) идет в присутствии катализаторов.
Технология получения триметилгидрохинона из кротонового альдегида
Производство триметилгидрохинона из кротонового альдегида включает следующие стадии:
1. очистка кротонового альдегида;
2. конденсация кротонового альдегида с диэтилкетоном - получение триметилциклогексенона (ТМЦГ);
3. получение 2,4,6 - триметилфенола (ТМФ);
4. синтез триметил-n-бензохинона (ТМБХ);
5. получение триметил-n-гидрохинона.
Очистка кротонового альдегида проводится на ректификационной колонне с ситчатой гофрированной насадкой (насадка Зульценра), что позволяет получить кротоновый альдегид с содержанием основного вещества не менее 99,5%.
Конденсацию кротонового альдегида с диэтилкетоном проводят в реакторе, снабженном мешалкой и обратным теплообменником. В аппарат загружают твердый гидроксид калия и диэтилкетон, массу нагревают при перемешивании до 94 «С и медленно в течение 2 ч сливают смесь кротонового альдегида и диэтилкетона. После завершения загрузки реактивов реакционную массу выдерживают 20 мин, охлаждают до 25 °С и делят слои. Органический слой, содержащий 2,5,6 - триметил-2-циклогексен-1-он (ТМЦГ) и диэтилкетон, нейтрализуют соляной кислотой до рН 6-7 и продукт выделяют с использованием роторно-пленочного испарителя и ректификационной колонны. Выход ТМЦГ 51,6% (в расчете на кротоновый альдегид) с содержанием основного вещества 98%.
,4,6 - Триметилфенол (ТМФ) получают ароматизацией 2,5,6 - триметил-2-циклогексен-1-она в присутствии палладия на активированном угле. В реактор загружают приготовленную суспензию катализатора в толуоле и из мерника сливают ТМГЦ. При работающем обратном теплообменнике в токе азота реакционную массу нагревают и кипятят 5-8 ч, до тех пор, пока содержание ТМГЦ в ней будет не более 7%. После этого реакционную массу охлаждают, добавляют метиленхлорид и передают на друк-фильтр. Фильтрат собирают в сборник и передают на отгонку метиленхлорида. Технический ТМФ очищают на ректификационной колонне. Выход продукта 69% в расчете на ТМЦГ.
Синтез триметил-п-бензохинона (ТМБХ) осуществляют окислением 2,4,6 - триметилфенола в аппарате колонного типа непрерывного действия. Окислительную смесь (азотная и соляная кислоты) подают сверху. Толуольный раствор ТМФ закачивают в нижнюю часть колонны с помощью насоса. Окислы азота, образующиеся в результате реакции, отводятся через воздушную линию и улавливаются в специальных установках. Отработанные кислоты отводятся из нижней части колонны. Органический слой, содержащий продукт реакции и ТМФ, отводят из верхней части колонны, нейтрализуют 5%-ным раствором соды (также непрерывным способом в аппарате колонного типа) и передают на ректификационную колонну насадочного типа, а затем на роторно-пленочный испаритель для выделения триметил-n-бензохинона. Выход ТМБХ 53,7% в расчете на ТМФ.
Триметилгидрохинон (ТМГ) получают гидрированием триметил-n-бензохинона водородом с использованием в качестве катализатора палладия на активированном угле. В автоклав загружают суспензию катализатора в толуоле, из мерника сливают толуольный раствор ТМБХ и ацетон, подают водород и процесс гидрирования ведут при 65±5 °С, 0,6 МПа, постоянном перемешивании и работающим обратном теплообменнике 4-6 ч до содержания ТМБХ в реакционной массе менее 0,03%. По окончании процесса катализатор отфильтровывают на друк-фильтре и промывают ацетоном. Из фильтрата на ректификационной колонне отгоняют ацетон, и после охлаждения до 20 °С из толуола кристаллизуют ТМГ. Осадок отфильтровывают на центрифуге и сушат в вакуум-сушилке при 60˚С. Выход продукта 90% в расчете на ТМБХ, содержание основного вещества 97%.
При наличии сырья приведенная выше технология более совершенна, чем технология получения триметилгидрохинона из псевдокумола.
За рубежом применяют в основном реакцию триметилгидрохинона с фитилбромидом или фитилхлоридом в присутствии кислот Льюиса (чаще всего BF3 в виде комплексов с эфиром или уксусной кислотой):
Выход а-токоферола ацетата 65-69% на фитилбромид.
В отечественной промышленности применяют методы, основанные на конденсации триметилгидрохинона с фитилхлоридом в присутствии BF3·2AcOH и с изофитолом В присутствии небольших количеств НВг и НС1, микроколичеств H2S04 либо ZnCl2. Перечисленные методы внедрены в производство и имеют свои достоинства и недостатки.
Конденсацию триметилгидрохинона с фитилхлоридом с использованием BF3·2AcOH в качестве катализатора проводят при 115-118 ˚С до полного выделения хлороводорода. Полученный технический токоферол ацилируют уксусным ангидридом при 120-130 °С с отгонкой избытка уксусного ангидрида и выделившейся уксусной кислоты. Из реакционной массы продукт экстрагируют толуолом, который затем отгоняют под вакуумом, а технический «α-токоферола ацетат» очищают перегонкой в глубоком вакууме. Выход продукта в расчете на фитилхлорид 65-69%.
К недостаткам этой технологии следует отнести: а) большую длительность процесса (25-45 ч); б) применение токсичного и дефицитного BF3; в) большое количество кислых отходов; г) использование толуола.
Конденсацию триметилгидрохинона с изофитолом в присутствии небольших количеств НВr или НС1 ведут в уксусной кислоте при 80-85 °С в течение 2-2,5 ч с последующей отгонкой уксусной кислоты при 95-100 °С. Ацилирование α-токоферола ведут уксусным ангидридом при 120-130 °С в присутствии ацетата натрия в течение 3-3,5 ч с последующей отгонкой уксусного ангидрида и выделившейся уксусной кислоты под вакуумом. Технический α-токоферилацетат промывают водой до рН 6,5-7,0 и очищают вакуумной перегонкой. Выход «α-токоферола ацетата» 74 - 75% в расчете на изофитол.
Преимуществами этого метода являются: а) более простая технология; б) более высокий выход; в) сокращение количества кислых отходов; г) сокращение длительности процесса; д) исключение толуола из технологии.
Конденсацию триметилгидрохинона с изофитолом в присутствии микроколичеств концентрированной серной кислоты и ацетилирование токоферола проводят в реакторе при перемешивании и работающем обратном теплообменнике. В реактор загружают уксусную кислоту, триметилгидрохинон, изофитол и катализатор. Смесь нагревают в атмосфере азота до 80-85 °С и выдерживают при этой температуре 1 ч, затем в течение часа увеличивают нагрев до 100-115 °С и далее до 115-120 ˚С, после чего делают анализ на окончание процесса конденсации. При положительном анализе отгоняют уксусную кислоту, реакционную массу охлаждают до 80-85˚С и в аппарат сливают уксусный ангидрид. По мере загрузки ацетилирующего агента реакционную массу нагревают до 120-125 °С, выдерживают 15 мин и определяют концентрацию α-токоферола, которая должна быть не более 0,5%. После окончания процесса ацилирования реакционную массу охлаждают до 20 °С, серную кислоту (катализатор) нейтрализуют раствором аммиака, температуру доводят до 90-110 °С и отгоняют остатки уксусной кислоты и уксусного ангидрида, после чего ее охлаждают до 60-65 °С. Полученный технический α-токоферилацетат очищают фракционной вакуумной перегонкой, собирая основную фракцию при 120-130 °С и остаточном давлении 0,5-0,7 мм рт. ст. Выход витамина Е ацетата 83-84%, содержание основного продукта 98%.
Основной недостаток метода - образование ди-О-ацетил-триметилгидрохинона.
Конденсация триметилгидрохинона с изофитолом в присутствии ZnCl2 дает витамин Е ацетат более высокого качества. Реакцию проводят в различных растворителях (карбоновые кислоты, бутилацетат, о-ксилол и др.).
Наилучшие результаты были получены при использовании бутилацетата с добавлением небольших количеств Na2S203•5Н-, 0 и о-ксилола. Выход «а-токоферола ацетата» в этом случае 87-88% в расчете на изофитол, однако процесс сопровождается частичным гидролизом бутилацетата.
Основными химическими стадиями синтеза являются: С-алкилирование триметилгидрохинона изофитолом в присутствии катализатора ZnCl2 (реакция электрофильного замещения в бензольное кольцо) с одновременным замыканием гидропиранового цикла (образование простой эфирной связи - О-алкилирование), и О-ацилирование фенольного гидроксила.
Технология получения «α-токоферола ацетата»
В реактор с мешалкой и обратным теплообменником, соединенным с водоотделителем, загружают ТМГ, хлорид цинка и о-ксилол. Массу нагревают до 135 - 140 °С и при постоянном перемешивании, постепенно в течение 1 ч из мерника сливают изофитол, в который добавляют раствор 0,01-0,1 г йода в о-ксилоле. Процесс сопровождается азеотропной отгонкой воды и заканчивается через час после окончания загрузки изофитола. Полученную реакционную массу в делительной воронке промывают смесью уксусной кислоты и спирта (для удаления хлорида цинка и йода), и в вакуум-отгонном аппарате отгоняют о-ксилол. Оставшийся в аппарате после отгонки ксилола а-токоферол сжатым азотом передают на ацетилирование, которое проводят уксусным ангидридом в присутствии серной кислоты при 130-138 °С в течение 0,5 ч до остаточного содержания α-токоферола в реакционной массе не более 0,5%. Образовавшуюся массу охлаждают до 20-25 °С и из мерника сливают водный раствор аммиака для нейтрализации серной кислоты. Затем ее нагревают до 90-140 °С и отгоняют уксусную кислоту и уксусный ангидрид до прекращения погона, после чего остатки уксусной кислоты и уксусного ангидрида отдувают из реакционной массы азотом. Остаток охлаждают до 63-66 °С и передают на вакуум-перегонку. Выход фармакопейного продукта 91-93,5%.
Преимуществами этой схемы являются высокий выход витамина Е ацетата и возможность осуществления процесса непрерывным методом.
Список литературы
триметилгидрохинон витамин токоферол синтез
1. Морозкина Т.С., Мойсеёнок А.Г. Витамины. - Минск: Асар, 2002. - С. 66-72.
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Е308
. Кнунянц И.Л. и др. Т. 1 А-Дарзана // Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - С. 386-387. - 100 000 экз.