Способ получения этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот

Способ получения этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот

Реферат

Изобретение относится к пищевой и фармацевтической промышленности и может быть использовано для получения этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот (N-ацилэтаноламинов), обладающих высоким биологическим действием.

Ниже приведена формула этаноламида эйкозапентаеновой кислоты:

Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) вот уже в течение 3-х десятилетий пристально привлекают внимание исследователей, диетологов, медиков и ученых других специальностей как эссенциальные вещества живых организмов, задействованные практически во всех метаболических процессах как напрямую, так и в виде своих высокоактивных производных - простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов и прочих (А.Р.Simopoulos. Omega-3 Fatty Acids in Inflammation and Autoimmune Diseases // J. of the American College of Nutrition. (2002) Vol.21, No.6, 495-505). Структурная форма, в которой присутствует кислота, попадающая в организм, имеет очень большое значение. От этого зависит ее высвобождение, проникновение в биологическую мембрану, дальнейшие превращения.

Было замечено в литературе, что особые транспортные и биологические свойства проявляют жирные кислоты, карбоксильная группа которых связана с этаноламином.

Сейчас хорошо установлено, что длинноцепочечные этаноламиды жирных кислот и их предшественники - N-ацил-фосфатидилэтаноламины (N-ацил ФЭ) могут накапливаться в тканях млекопитающих в результате травмы. Например, в условиях некроза, такого как инфаркт миокарда, где имеет место разрушение мембран, их накопление может быть очень даже значительным. Увеличение этих липидов обнаруживается и при ишемии мозга, воспалении простаты и пр. Фактически, наблюдаемое нами посмертное сохранение различных животных тканей, особенно мозга, проистекает из-за синтеза и накопления этаноламидов жирных кислот и N-ацил ФЭ (C.Berger, P.C.Schmid, W-R.Schabitz et al. Massive accumulation of N-acylethanolamines after stroke. Cell signalling in acute cerebral ischemia? // J. Neurochem. (2004) 88, 1159-1167).

Поскольку оба этих продукта обладают мембрано-стабилизирующим эффектом in vitro, а этаноламиды еще и ингибируют проницаемость поврежденных митохондриальных мембран, то метаболизм, приводящий к их образованию, представляется как последовательность реакций, уменьшающих общее поражение и ускоряющих выживаемость клеток.

Приведенные данные показывают непосредственное активное участие ПНЖК в виде их этаноламидных производных при патологиях. При этом исследователи мало уделяют внимание жирной кислоте в составе этаноламидного производного. Однако известно на примере других производных ПНЖК - этиловых эфиров или триглицеридов, что при травме попадание омега-3 кислот в мембраны приводит к значительно более быстрому разрешению воспалительного процесса в сравнении с другими кислотами - насыщенными, моноеновыми или омега-6 серии.

Уникальность структур этих соединений обусловливает двойственный эффект их позитивного воздействия на клетку, находящуюся в патологическом состоянии. С одной стороны - наличие этаноламидного фрагмента обеспечивает взаимодействие с периферическими каннабиноидными рецепторами с последующим выраженным релаксационным эффектом. С другой стороны - этаноламиды жирных кислот являются уникальным транспортом жирных кислот в клетку, обеспечивая при этом необходимую для ингибирования ферментов каскада арахидоновой кислоты высокую концентрацию омега-3 полиненасыщенных жирных кислот. Тем не менее, выполняя свои транспортные функции, этаноламиды омега-3 ПНЖК сами могут являться субстратами для циклооксигеназ и липоксигеназ, выступая в роли конкурентных для арахидоновой кислоты агентов.

Омега-3 полиненасыщенные жирные кислоты с функциональной этаноламидной группой обладают более значительным противовоспалительным потенциалом, чем исходный материал. Возникает ситуация, при которой даже незначительные концентрации активного вещества обладают сильным результирующим эффектом. В настоящее время фармацевтические и косметические компании пытаются использовать в своих разработанных продуктах только натуральные вещества, при этом не всегда удается избежать снижения эффективности средств, в сравнении с использованием синтетических добавок. Поэтому поиск и применение природных соединений с высокой биологической активностью так важны.

Однако научные исследования и практическое применение этаноламидов ПНЖК сильно тормозится ввиду отсутствия успешных методов их получения.

На данный момент из научной и патентной литературы нам ничего неизвестно о методах получения этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот.

Известен способ получения гидрокси-алкиламидов высших жирных кислот (Patent GB N523466 "Improved process for the manufacture of hydroxyalkylamides", 30.12.1938) с длиной цепи более 8-ми атомов углерода из метиловых или этиловых эфиров жирных кислот, растительных масел (триглицеридов), восков и моногидроксиалкиламинов, имеющих 2-4 атома углерода. Способ заключается в смешивании компонентов, например, этиловых эфиров жирных кислот и моноэтаноламина в соотношении 1:1,05, моль/моль, в сторону избытка моноэтаноламина, нагрева смеси при 80-95°С в течение 9-18 часов, после чего выделяют из смеси целевой продукт реакции.

Способ имеет ряд недостатков:

- процесс рассчитан, в первую очередь, на получение этаноламидов насыщенных жирных кислот из эфиров лауриновой и стеариновой кислот, кокосового масла (полностью насыщенный состав);

- в примерах приведено использование способа на метиловом эфире олеиновой кислоты (одна двойная связь в углеродной цепочке), арахисовом и касторовом маслах (в них присутствует линолевая кислота с 2-мя двойными связями), об использовании в методе других более ненасыщенных жирных кислот или жиров их содержащих авторы даже не упоминают;

- для всех смесей в процессе используется одна и та же температура - 80-95°С - что некорректно, поскольку слишком разные химические свойства у насыщенных кислот, не подвергающихся никакому окислению в данных условиях, и у ненасыщенных, двойные связи которых достаточно неустойчивы к воздействию температуры, в результате продукт приобретает темноватый оттенок и неприятный запах (как это происходит при порче обыкновенных растительного или сливочного масел), это снижает выход, а главное, качество целевого продукта.

Известен способ получения гидрокси-алкиламидов жирных кислот (US Patent N2,863,888 "Process for the production of fatty acid hydroxy amides", 09.12.1958, Inv.: J.V.Schurman), включающий в себя следующие условия получения: в специальную оборудованную емкость загружают метиловый эфир жирной кислоты (в примерах только метиловый эфир лауриновой кислоты, двойные связи отсутствуют) и гидрокси-алкиламин (включая моноэтаноламин) в соотношении 1:1,05-1,3, моль/моль, катализатор - щелочной металл, гидрооксид щелочного металла или амиды щелочного металла в количестве 0,05-0,19%, по массе, в реакционной смеси в расчете на щелочной металл и смесь быстро нагревают до 70-175°С в течение 10-60 секунд, после чего охлаждают до 55°С и целевой продукт выделяют. Однако условия данного способа не приемлемы для получения этаноламидов ПНЖК по следующим причинам:

- способ использует щелочной катализатор, что крайне нежелательно при получении этаноламидов ненасыщенных жирных кислот ввиду их активной порчи - изменении цвета, состава, накоплении побочных продуктов и т.д.;

- температура реакции - до 175°С - невероятно высокая для ненасыщенных неустойчивых соединений, вкупе с агрессивной средой, создаваемой катализатором, это приведет к максимальному ухудшению качества продукта, даже несмотря на столь незначительное время нагрева - до 1 минуты.

Известен способ получения амидов жирных кислот из не третичных аминов (US Patent N3,257,436 "Preparation of amides of hydroxyl non-tertiary amines", 21.06.1966, Inv.: P.L.Evanston), включающий в себя приготовление реакционной смеси из метиловых эфиров жирных кислот и гидрокси-алкиламина (включая моноэтаноламин) в соотношении 1:1-2, моль/моль, катализатора натрия метилата в растворе метанола, нагрев смеси до 30-50°С в течение 1¹/₂-2³/₄ часов, выделение целевого продукта.

Способ имеет следующие недостатки:

- в качестве сырья служат насыщенные кислоты C₁₂-C₁₄ - лауриновая и миристиновая, показан только один пример с использованием олеиновой кислоты (1-а двойная связь);

- реакционная смесь содержит токсичный и не приемлемый для пищевой промышленности метиловый спирт;

- присутствие в смеси натрия метилата, как катализатора, ускоряет не только процесс получения целевого продукта, но и ускоряет процессы деградации ненасыщенных жирных кислот - миграцию двойных связей в цепочке кислоты, окисление по двойным связям и прочее, что сразу отражается на качестве продукта - он более темного цвета, имеет повышенное содержание перекисей и фрагментов распада жирных кислот; такой продукт подлежит дополнительной очистке более затратной и масштабной, чем само его получение.

Наиболее близким к заявляемому нами способу является способ получения гидрокси-алкиламидов жирных кислот, в том числе этаноламидов жирных кислот (US Patent N2,394,833 "Wax composition", 12.02.1946, Inv.: H.H.Young, D.Rubinstein). Способ осуществляют составлением реакционной смеси из эфиров жирных кислот (включая этиловые эфиры жирных кислот) и гирокси-алкиламина (включая моноэтаноламин) в соотношении 1:1-3, моль/моль, нагрев смеси при температуре выше 100°С, выделение целевого продукта.

К недостаткам данного способа следует отнести:

- температура способа указана неопределенно - выше 100°С, а время самого процесса не упоминается в патенте ни разу, однако, основываясь на том, что этим методом авторы расщепляют триглицериды на глицерин и свободные жирные кислоты, образующие далее амиды, можно с уверенность утверждать, что это не менее 130°С и не менее 2-3-х часов нагрева или того более;

- при использовании в процессе столь жестких условий авторы допускают ухудшение качества продукта реакции, его потемнение, изменение запаха, для чего предлагают после выделения продукта подвергнуть его еще двум стадиям очистки - отбелке и дезодорации;

- в патенте в одной из строчек указано, что «жирные кислоты, встречающиеся в морских жирах, также удовлетворяют целям этого изобретения», но больших уточнений ни по конкретным кислотам, ни по условиям процесса, ни по продуктам реакции нет; исходя из описания самого патента можно заключить, что авторы получают, в основном, этаноламиды насыщенных и мононенасыщенных кислот, так как по тексту отмечено использование гидрированных масел - хлопкового, соевого, в том числе, вероятно, и гидрированного морского жира, в противном случае, условия процесса, которые предлагают авторы, неприемлемы для высоконенасыщенных кислот морских жиров - будут проходить реакции окисления, полимеризации и другие, что в случае применения данного способа для получения этаноламидов ПНЖК потребует обязательного включения в технологический процесс стадии или несколько стадий очистки, что сделает производство продукта из данного вида сырья экономически невыгодным.

Задача, решаемая изобретением, - разработка нового способа получения этаноламидов жирных кислот, позволяющая получать этим способом этаноламиды полиненасыщенных жирных кислот, обладающих биологически активными свойствами, с высоким качеством и выходом продукта, а также снижение затрат производства.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в известном способе получения этаноламидов жирных кислот, включающем взаимодействие этиловых эфиров жирных кислот с моноэтаноламином при нагревании с последующим выделением целевого продукта, новым является использование в качестве этиловых эфиров жирных кислот этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот, реакцию ведут при соотношении этиловые эфиры полиненасыщенных жирных кислот: моноэтаноламин, равном 1:2-5, моль/моль, при температуре 55-65°С в течение 4-5 часов, после чего реакционную смесь выдерживают не менее 12 часов, при постоянном перемешивании и барботировании инертным газом или вакуумировании.

Получение этаноламидов ПНЖК из этиловых эфиров ПНЖК и моноэтаноламина

В качестве эфиров полиненасыщенных жирных кислот, в частности, могут быть взяты эфиры линолевой, линоленовой, арахидоновой, эйкозапентаеновой, докозапентаеновой, докозагексаеновой кислот.

Наиболее целесообразно использовать в качестве этиловых эфиров полиненасыщенных жирных кислот этиловые эфиры полиненасыщенных жирных кислот с 4-6 двойными связями, поскольку получаемые этаноламиды указанных кислот обладают наибольшей биологической активностью и представляют несомненный интерес для медицины.

Использование соотношения в реакционной смеси этиловых эфиров жирных кислот - моноэтаноламин, равного 1:2-5, моль/моль, способствует увеличению скорости реакции и сдвигу ее в сторону образования целевого продукта. Во время реакции между этиловыми эфирами ПНЖК и моноэтаноламином выделяется этиловый спирт, который сдвигает равновесие в сторону образования исходных продуктов. Существенный избыток моноэтаноламина в среде позволяет, отчасти, преодолеть это препятствие. Благодаря этому появилась возможность отказаться от использования щелочных катализаторов, которые действительно ускоряют процесс, но столь же быстро ухудшают целевой продукт. Выход за рамки установленных значений в случае с уменьшением доли моноэтаноламина, менее 2-х кратного избытка, приводит к неполному протеканию реакции, а при увеличении этих показателей - для моноэтаноламина более чем 5-ти кратный избыток уже не оказывает никакого положительного эффекта, так как реакция идет хорошо и дополнительный избыток не задействован.

Проведение процесса при температуре 55-65°С в течение 4-5 часов при нагреве и не менее 12 часов при комнатной температуре вкупе с другими условиями процесса позволяет использовать в качестве исходного продукта этиловые эфиры полиненасыщенных жирных кислот и позволяет достичь высокого качества и выхода целевого продукта. Снижение температуры реакции ниже 55°С приводит к неполному ее протеканию, а повышение свыше 65°С негативно отражается на качестве продукта: ухудшается цветность, запах, накапливаются побочные продукты реакции.

Вакуумирование или барботирование инертным газом способствует удалению этилового спирта из реакционной смеси в виде его паров. Этиловый спирт образуется во время реакции между этиловыми эфирами жирных кислот и моноэтаноламином и его накопление сдвигает реакцию в сторону исходных продуктов. Удаление образующегося этанола позволяет резко сократить продолжительность реакции (до 4-5 часов) и снизить основную температуру нагрева (до 55-65°С). Этот прием в равной степени эффективности был осуществлен как путем вакуумирования реакционного сосуда и постоянного удаления паров этилового спирта, так и барботированием инертных газов через реакционную смесь - этанол удалялся из смеси вместе с этими газами.

Способ позволяет получать качественный продукт с высоким выходом в результате комплекса заявленных конкретных условий процесса, щадящего для полиненасыщенных кислот. Эти кислоты, при прочих условиях, сильно подвержены влиянию температуры, быстро окисляются, полимеризуются, разрушаются по двойным связям, образуя фрагменты альдегидной или кислотной природы; подвержены влиянию кислорода воздуха и других агрессивных сред. В качестве иллюстрации данного пункта можно сравнить характеристики общей ненасыщенности исходных продуктов, используемых в известных технических решениях, в г йода/100 г, с исходным продуктом, по заявляемому способу:

стеариновая (или миристиновая и т.д.) кислота	0
арахисовое масло	95
морской жир (жир мойвы)	144
концентрат ПНЖК	550

Как видно из приведенных показателей, концентрат ПНЖК содержит, по крайней мере, в 5 раз больше двойных связей, чем растительное масло (или жирные кислоты масла), и в 4 раза больше, чем у обыкновенного морского жира. Очевидно, что такие большие различия требуют совершенно другого подхода к планированию и проведению реакции аминолиза с полиненасыщенными жирными кислотами.

Для реализации способа используют концентрат ПНЖК, представляющий собой этиловые эфиры полиненасыщенных жирных кислот, полученный известным способом (Патент РФ №1581737 от 21.05.1993 «Способ получения концентрата этиловых эфиров эйкозапентаеновой и докозагексаеновой кислот», Касьянов С.П., Латышев НА., Глушенко Т.В.).

Концентрат ПНЖК имеет следующие характеристики:

консистенция	легкоподвижная маслянистая жидкость, не замерзает при минус 40°С
цвет	светло-желтый
запах	свойственный, без прогорклости

Состав основных жирных кислот используемого концентрата ПНЖК

№	Сокращенное обозначение	Общеупотребимое название	Содержание, %, от общей суммы
1	16:4ω1/ω3*	-	2,5
2	18:4ω3	Стеаридоновая	4,7
3	20:4ω6	Арахидоновая	0,6
4	20:4ω3	-	1,2
5	20:5ω3	Эйкозапентаеновая	35,5
6	22:5ω3	Докозапентаеновая	2,1
7	22:6ω3	Докозагексаеновая	17,4
Сумма полиненасыщенных жирных кислот	66,4

* - первая цифра дроби обозначает число атомов углерода в жирной кислоте,
вторая - число двойных связей, цифра после греческой буквы «омега» обозначает начало первой двойной связи с метильного конца жирной кислоты.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. Получение этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот

Состав реакционной смеси и условия осуществления способа:

- полиненасыщенные жирные кислоты в виде этиловых эфиров

(концентрат ПНЖК), чистота более 99,5% - 300,0 г (1 моль),

- моноэтаноламин, чистота более 99,5% - 122,2 г (2 моль),

соотношение:

этиловые эфиры жирных кислот - моноэтаноламин - 1:2, моль/моль,

- температура реакционной среды:

А) 65°С в течение 4-х часов,

Б) комнатная температура, 12 часов,

- другие параметры:

А) интенсивное перемешивание,

Б) вакуумирование, остаточное давление 2 мм рт. столба.

В реакционный сосуд из химического стекла с нагревом, мешалкой, герметичной крышкой и барбатером объемом 2 л загружают 300,0 г этиловых эфиров ПНЖК, добавляют 122,2 г моноэтаноламина (соотношение 1:2, моль/моль). Крышку плотно закрывают, аппарат вакуумируют, включают нагрев и перемешивание. Смесь нагревают при 65°С в течение 4-х часов, затем нагрев прекращают и выдерживают при комнатной температуре под вакуумом и с перемешиванием в течение 12 часов. После чего смеси дают отстояться 1 час. Непрореагировавший моноэтаноламин (нижний слой) отделяют от верхнего жирового слоя, представляющего собой полученные в реакции этаноламиды жирных кислот, и регенерируют для повторного использования. Для удаления остатков моноэтаноламина жировой слой трижды промывают 2-х кратным объемом 0,5%-ного раствора натрия хлористого, подогретого до 50°С, до нейтральной среды промывных вод (рН=6-7 по универсальному индикатору «Chemapol», Чехия). Далее для удаления влаги этаноламиды ПНЖК сушат под вакуумом в течение 1 часа при 50°С.

Получено: - 301,0 г этаноламидов ПНЖК.

Чистота: - 99,0%.

Выход: - 95,6% от теоретического.

Пример 2. Получение этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот

Состав реакционной смеси и условия осуществления способа:

- полиненасыщенные жирные кислоты в виде этиловых эфиров,

чистота более 99,5% - 300,0 г (1 моль),

- моноэтаноламин, чистота более 99,5% - 183,3 г (3 моль),

соотношение:

этиловые эфиры жирных кислот - моноэтаноламин - 1:3, моль/моль,

- температура реакционной среды:

А) 60°С в течение 4-х часов,

Б) комнатная температура, 12 часов,

- другие параметры:

А) интенсивное перемешивание,

Б) вакуумирование, остаточное давление 2 мм рт. столба.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, за исключением того, что соотношение компонентов составляет 1:3, моль/моль, а температура 4-часового нагрева - 60°С.

Получено: - 304,2 г этаноламидов ПНЖК.

Чистота: - 99,0%.

Выход: - 96,6% от теоретического.

Пример 3. Получение этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот

Состав реакционной смеси и условия осуществления способа:

- полиненасыщенные жирные кислоты в виде этиловых эфиров,

чистота более 99,5% - 300,0 г (1 моль),

- моноэтаноламин, чистота более 99,5% - 244,3 г (4 моль),

соотношение:

этиловые эфиры жирных кислот - моноэтаноламин - 1:4, моль/моль,

- температура реакционной среды:

А) 60°С в течение 5 часов,

Б) комнатная температура, 15 часов,

- другие параметры:

А) интенсивное перемешивание,

Б) барботаж азотом.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, за исключением того, что соотношение компонентов составляет 1:4, моль/моль, температура 5-часового нагрева - 60°С, а вакуум в аппарате для удаления паров этилового спирта заменен барботированием через реакционную массу азота.

Получено: - 302,3 г этаноламидов ПНЖК.

Чистота: - 99,0%.

Выход: - 96,0% от теоретического.

Пример 4. Получение этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот

Состав реакционной смеси и условия осуществления способа:

- полиненасыщенные жирные кислоты в виде этиловых эфиров,

чистота более 99,5% - 300,0 г (1 моль),

- моноэтаноламин, чистота более 99,5% - 305,4 г (5 моль),

соотношение:

этиловые эфиры жирных кислот - моноэтаноламин - 1:5, моль/моль,

- температура реакционной среды:

А) 55°С в течение 5 часов,

Б) комнатная температура, 18 часов,

- другие параметры:

А) интенсивное перемешивание,

Б) барботаж аргоном.

Способ осуществляют аналогично примеру 1, за исключением того, что соотношение компонентов составляет 1:5, моль/моль, температура 5-часового нагрева - 55°С, выдержка при комнатной температуре - 18 часов, а вакуум а аппарате для удаления паров этилового спирта заменен барботированием через реакционную массу аргона.

Получено: - 307,1 г этаноламидов ПНЖК.

Чистота: - 99,0%.

Выход: - 97,5% от теоретического.

Полученные в примерах 1-4 этаноламиды ПНЖК имели следующую характеристику:

консистенция	маслянистая жидкость, подвижна при 0°С, замерзает при минус 20°С
цвет	от светло-желтого до желтого
запах	свойственный, без прогорклости

Как видно из приведенных примеров, способ позволяет получать этаноламиды ПНЖК с высоким выходом - 95,6-97,5%.

Таким образом, разработан новый технологический способ получения этаноламидов полиненасыщенных жирных кислот, учитывающий особенности используемого сырья и обеспечивающий высокий выход и качество получаемого продукта.

В НИИ питания РАМН (Москва) были исследованы образцы этаноламидов ПНЖК, полученные по данной технологии, на их безвредность и возможность использования в пищу. В предоставленном заявителю отчете показана безвредность препарата и отмечено положительное влияние целевого продукта на обменные процессы организма. В настоящий момент для подачи в Роспотребнадзор (Москва) готовится нормативная документация (технические условия и технологическая инструкция) на новую биологически активную добавку к пище БАД «Омегамарин» - источник полиненасыщенных жирных кислот 3-й серии.

1. Способ получения этаноламидов жирных кислот путем реакции этиловых эфиров жирных кислот с моноэтаноламином при нагреве с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве этиловых эфиров жирных кислот берут этиловые эфиры полиненасыщенных жирных кислот, реакцию ведут при соотношении этиловые эфиры полиненасыщенных жирных кислот: моноэтаноламин, равном 1:2-5 моль/моль, при температуре 55-65°С в течение 4-5 ч, после чего реакционную смесь выдерживают не менее 12 ч при постоянном перемешивании и барботировании инертным газом или под вакуумом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве этиловых эфиров жирных кислот используют этиловые эфиры полиненасыщенных жирных кислот с 4-6 двойными связями.