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神奇十月节重排反应啤酒化学开讲

作者：二麻博士夏厂长浏览数:1241次

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十月在人类历史文化上真是一个“多事之秋”，有十月革命，还有十月节（慕尼黑啤酒节的德语直译），尽管他们并非全都发生在十月。在有机化学领域，科学家（科研狗）非常喜欢把自己观察或者设计的化学反应进行命名。大师会有以自己名字命名的有机人名反应；然而也有一些反应会根据其相关历史人文内涵进行命名。当一类重排反应被命名为“十月节重排反应” （德语：Oktoberfest-Umlagerung；英语：Oktoberfest Rearrangement），那么自然这个反应是跟啤酒有关。作为曾经活跃在开反应，过柱第一线的有机合成民工，重温一下天然产物有机化学的内容，让夏厂长充满了幸福。

“十月节重排反应”的反应物与产物简介

酿造啤酒的科学与艺术已经绵延好几千年，在啤酒生产流程中有一道工序是将煮沸的麦汁与啤酒花混合，当初的目的是将啤酒花作为天然防腐剂；现在有一道加入海量啤酒花的工序，在家酿IPA中被称做“干投”，因为啤酒花能带来IPA特有的苦味。而苦味的产生就来自“十月节重排反应”。

请各位跟随夏厂长一起来学习下这个化学反应（Scheme1）。反应物是啤酒花中富含的阿尔法酸类化合物，各位对阿尔法酸的名字耳熟能详，其学名是Humulones，中文翻译为葎草酮或者草香苦酮类化合物，这个名字来源于啤酒花所属植物葎草属（葎草属下面的蛇麻，其雌性花朵就是我们的啤酒花，什么搞忘了？快去复习啤酒植物学！）；其实它还有另一个名字叫做阿尔法-蛇麻酸（α-lupulic acid），我想很多人看到这里，都被绕晕了，所以为了各位方便记忆，这类化合物简称阿尔法酸。请注意我用了一类化合物，是的，阿尔法酸不止一种，在Scheme1化学反应中反应物右侧用R表示不同的取代基，当R=异丁基（iso-butyl），阿尔法酸是葎草酮（Humulone）；当R=异丙基（iso-propyl），阿尔法酸是Cohumulone （此化合物无中文译名，根据一般命名原则，可考虑翻译为伴葎草酮）；当R=仲丁基（sec-butyl），阿尔法酸是近葎草酮（Adhumulone）；当。。。。。。

（Urban et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2013,1553）

当阿尔法酸类化合物在受热或者光照等条件下，这类化合物中间的不稳定六元环转化为五元环，这些产物我们称之为异阿尔法酸类化合物，或者异葎草酮类化合物；然而这一转化过程并没有结束，虽然化合物中间结构变稳定，但支链的不饱和双键会继续转化为四氢异阿尔法酸类化合物。这类稳定的化合物，才是贡献啤酒持久苦味的来源。

但是，只有头一步反应被命名为“十月节重排反应”，因为在天然有机化学中，这一类重排反应非常独特。聪明好学的读者如果还跟得上，肯定会问：这一重排反应为什么会从一种反应物变成两种产物，环状结构为什么变小了？

“十月节重排反应”机理推导

那么我们来看看“十月节重排反应”的反应机理（下图）：

（Roth, Chemie in Unserer Zeit/Wiley-VCH 2013）

根据立体化学定义，（-）-（S）葎草酮（6，一种阿尔法酸类化合物）的六位碳原子的绝对构型是S，如果你想到芙蓉姐姐，那就对了，这个6号碳非常奇特，因为在产物异阿尔法酸类化合物（9a，9b）中，原6号碳转化成为羰基（C=O）碳，换句话说她的空间立体构型特征消失了，据此应该发生消旋（Racemization）。然而，实验中并未完全发生消旋，因此很多有机化学和天然产物化学小组对此尽行了深入研究。我们把阿尔法酸类化合物（6）的结构简化下，只保留六元环结构（化合物12），环上的支链保留氧原子，其他都用R等替换掉，贼样做是为了去掉与发生反应无关的结构，去繁就简，突出重点。

我们先来考虑反应环境和以往的生产经验，此反应定量发生在热水中，而且加入碱性物质（含OH-）可能加速该反应速率。这说明该反应的速控步骤跟阴离子（OH-）有关。另外，理论上异阿尔法酸类化合物可以产生四种，但实际检测只有两种产物（9a，9b），这两种产物的绝对构型可通过X光单晶衍射实验得出。现在人们已经知道这两个产物是一对“非对映体异构物”（diastereomers）什么你不知道这种立体化学概念？那就把它们想成一对龙凤胎吧--根据机理，阿尔法酸类化合物本有能力“生出”一对男双胞胎和一对女双胞胎，但结果只有一男一女活了下来。科学家们发现，他们两个在4号碳的绝对构型都是S；在9a中5号碳是R构型，而9b中的5号碳是S构型。9a被叫做顺式异葎草酮，9b为反式异葎草酮，取名顺反，跟4,5-位取代基在五元环的方位有关。

我们仔细研究了反应条件，以及反应物产物的结构，根据这些证据就可以推导反应是碱催化的阿尔法-羰基醇重排（α-ketol rearrangement），其中R2位的叔醇在羟基阴离子（OH-）作用下发生1,2-位移，从羰基阿尔法碳转移到原羰基碳的另一侧，图示如下：

R1CO–C(OH)R2R3 → R1R2C(OH)–COR3

当（-）-（S）葎草酮（6）的1号羰基在去质子化（deportation）之后得到化合物12，此时1号碳和6号碳之间的化学键断裂，1号碳由于负氧离子保持高电负性，对5号保持电正性的羰基碳发起亲核进攻，一般来说这种亲核进攻可以从六元环的正面和背面发动，但是由于6号碳是S型，携带的羟基处于六元环正面，因此亲核进攻得避开位阻，只能从六元环背面发动（图中红色虚线）。五元环随即成环，此时六元环的5号碳被记为五元环中的4号碳（13）；此时的五元环1号碳的羟基可由羟醛异构至3号碳，根据电荷效应，5号碳保持最强电负性，且为平面构型的碳负离子（14）。最后，由于反应环境中存在的质子（H+）可以从五元环正反两面同时进攻5号碳负离子，因此得到9a和9b两种产物，他们的区别仅仅在于5号碳上H原子的位置不同，用楔形线和虚线表示与五元环的空间关系。

另外，阿尔法酸类化合物在光照下，只会专一地产生反式异葎草酮（9b）。在有机化学里称为立体专一反应产物；这类化合物产生的气味俗称“光臭”，是啤酒生产中应该避免的，也是啤酒瓶偏爱使用大绿棒子或者棕色瓶子的原因。

研究“十月节重排反应”的意义

令人遗憾的是，“十月节重排反应”的产物收率很低，主要原因是啤酒花中只有30%的阿尔法酸类化合物能发生此反应。这也是为什么啤酒花是酿酒原料里最贵的。为了提高产率降低成本，在加工工艺中采取的方法多是将啤酒花粉碎，或者制成压缩颗粒，以求提高阿尔法酸类化合物的浸出率。现在溶出并提取阿尔法酸类化合物的尖端技术，称作二氧化碳超临界流体萃取，其原理主要是利用达到超临界状态的二氧化碳作为溶媒，在低温高压条件下无损而高效萃取阿尔法酸类化合物。这一技术类似的应用还有咖啡因的提取（低咖啡因咖啡），牛奶脂肪的提取（脱脂牛奶）等等。

（二氧化碳超临界流体萃取示意图，wikipedia）

通过研究此重排反应，能够确定“干投”啤酒花的麦汁的化学成分，因为“十月节重排反应”产物异阿尔法酸类化合物及其氢化衍生物将决定麦汁的颜色，风味，香味，进而最终决定啤酒的风格。实际上，通过蒸发麦汁水分得到固态可溶物的质量百分比，是控制初生麦汁（Original Wort）的重要指标，一般来讲应该在4-20%。

另外通过研究反应机理优化反应条件，除了能提高反应产率，还可以特异性增加一种非对映异构体的产率。比如加入某一类型的催化剂或者生物酶，使得上述反应多产出9a，增加苦味，节约成本，少产生9b，消除光臭，无影无踪。

最后，学界关于啤酒花的药用价值研究也很广泛，有很多帖子介绍啤酒花的化学成分能治疗糖尿病，某些癌症和炎症，更有人说啤酒花的异阿尔法酸类化合物可以减肥，使得很多人得出喝啤酒减啤酒肚等等说法。实际上，事物相生相克，不同的异阿尔法酸类化合物可能有益，也可能有害，当他们混合在一起，好坏抵消；而决定其好坏的原因取决于结构，归根结底取决于他们五元环上4,5号碳原子的绝对构型。而到底哪种化合物有利，哪种有害，还有待药理学的进一步实验。