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【艾卓课堂】化妆品中对羟基苯乙酮体系生成氢醌机理初探

发布时间:2020-08-10 17:01:37

近日,一则广东省药品监督管理局行政处罚决定书在业界流传其中提到一款以辛酰羟肟酸及对羟基苯乙酮复配防腐体系的产品在食药监组织的2019年化妆品监督抽检中被检出含有违禁物质氢醌,该消息在业内引发热烈讨论。部分工程师认为“羟肟酸对残留的金属离子比如铁离子进行络合,使铁离子氧化催化效率提高,最终造成对羟苯乙酮被空气中氧气氧化成对苯二酚(氢醌)。”也有工程师认为:“羟肟酸具有过氧酸的性质,在常压、低温,无需催化剂的情况下即可使对羟基苯乙酮反应生产氢醌,并可能与多种化妆品原料发生反应。”

本着客观公正,探索求知的精神,我们设计并进行了实验去验证以下两个问题:

1:使用对羟基苯乙酮的体系是如何在反应中生成氢醌的?

2:辛酰羟肟酸是否在体系中起到了促进、催化氢醌产生作用?

 

反应机制猜想

 

对羟基苯乙酮可能与体系中的过氧化物发生拜耳-维利格氧化重排反应,从而生成对羟基乙酸苯酯,对羟基乙酸苯酯在水中自然降解为氢醌与乙酸。

拜耳-维利格氧化重排反应(Baeyer-Villiger oxidation rearrangement)是过氧酸将酮氧化成酯的氧化反应,反应中发生亲核重排。实际反应中,由于苯环的迁移能力大于甲基,最终对羟基苯乙酮与过氧化氢会在催化剂的催化下,生成的是对羟基乙酸苯酯。一部分酯在水中会发生水解反应,生成醇和酸,即氢醌和乙酸。具体可能的反应机理如下图所示:

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实验设计

基于对反应机制的猜测,若体系中同时存在对羟基苯乙酮和过氧化物,而生产、灌装设备、管路基本上都是304/316不锈钢,引入微量铁、锰、镍合等金属离子的可能性较大,则体系中很可能会产生氢醌。因此,基于上述猜想,我们设计以下实验方案以验证对羟基苯乙酮体系产生氢醌的机制,并同时引入辛酰羟肟酸或其他金属离子螯合剂,以验证金属离子螯合剂是否能催化该反应进行或增强金属离子的催化能力。

 

实验共分为9组,具体方案及检测结果如下:

样品编号 样品测试方案(标注浓度均为终浓度) 对羟基苯乙酮 氢醌
常温 常温
1 1%对羟基苯乙酮 0.93% 未检出
2 1%对羟基苯乙酮+0.55%双氧水(含量22.6%)(摩尔比2:1) 0.93% 未检出
3 1%对羟基苯乙酮+0.1%辛酰羟肟酸 0.93% 未检出
4 1%对羟基苯乙酮+(10ppm)FeCl3 0.93% 未检出
5 1%对羟基苯乙酮+0.55%双氧水(含量22.6%)+(10ppm)FeCl3 0.57% 207.6ppm
6 1%对羟基苯乙酮+0.1%辛酰羟肟酸+(10ppm)FeCl3 0.94% 未检出
7 1%对羟基苯乙酮+0.55%双氧水(含量22.6%)+0.1%辛酰羟肟酸 0.93% 未检出
8 1%对羟基苯乙酮+0.55%双氧水(含量22.6%)+0.1%辛酰羟肟酸+(10ppm)FeCl3 0.94% 未检出
9 1%对羟基苯乙酮+0.55%双氧水(含量22.6%)+0.1%EDTA+(10ppm)FeCl3 0.93% 未检出
实验方法

1. 按上述实验方案,准确配置溶液体系

2. 室温下不避光,放置72小时;

3. 样品处理:称取样品0.1g置于容量瓶中,使用流动相稀释至刻度,摇匀即可。(流动相=50%甲醇:50%-0.1%三氟乙酸水溶液)

4. 使用高效液相色谱对对羟基苯乙酮和氢醌含量进行检测。

实验结果

1. 配置完成后溶液表观情况如下:

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1.1 ①、②、③、号样品配置后透明澄清,其中①、②、③号样品没有铁离子,号样品,虽然有铁离子,但由于EDTA的螯合作用,所以溶液依旧表现透明澄清;

1.2 ④号样品,由于含有10ppm铁离子,所以颜色上呈现微黄色;

1.3 ⑤号样品为浅绿色,可能是由于体系中成分将铁离子还原为亚铁离子;

1.4 号样品,含有辛酰羟肟酸,螯合铁离子后,溶液呈现出淡黄色浑浊;

 

2. 72小时后溶液表观情况如下:

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2.1 ①、③、号样品在72小时后,依旧保持澄清透明,其中①、③、号样品,没有铁离子,号样品存在铁离子但由于EDTA的作用,已被螯合;

2.2 ②号样品在72小时后,明显偏黄,其中不含铁离子,但配置过程及搅拌均使用了铁器,不排除引入了痕量金属离子催化对羟基苯乙酮与双氧水反应,生成了少量某种淡红棕色物质;
2.3 号样品,含有辛酰羟肟酸,液体呈现微黄色,出现黄色絮状沉淀;
2.4 ⑤号样品呈现出明显的棕色,可能是由于对羟基苯乙酮在铁离子催化下,与过氧化氢生成大量棕色物质导致。
 

3. 高效液相色谱谱图分析

共测试9组样品,获得谱图,按其出峰情况,可分为以下三类:
3.1 ①、③、④、号样品出峰均呈现以下谱图情况,,6分钟主峰为对羟基苯乙酮,另3.3分钟处有一有微量成分不明物质出峰;
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3.2 ②号样品出峰呈现以下谱图情况,6分钟主峰为对羟基苯乙酮,另外4.7分钟处有一出峰,成分不明,该成分与⑤号样品一致。个人认为4.7分钟处出峰可能为对羟基乙酸苯酯,它是水解为氢醌的前体,但水解反应受平衡抑制,所以生成的氢醌含量会很低,本次测试,氢醌线性检测下限为100ppm,受制于检测精度,无法判断氢醌的有无。

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3.3 ⑤号样品出峰呈现以下谱图情况,6分钟主峰为对羟基苯乙酮,但对比其他组,出现了明显下降,3.8分钟氢醌处可见有出峰,表明有氢醌产生,另外4.7分钟处有一明显的出峰,可能为对羟基乙酸苯酯。
 
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4. 统计数据分析:

对羟基苯乙酮含量与氢醌含量统计结果如下图所示:
 

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4.1 除第5实验组外,其他实验组均无氢醌检出;

4.2 第5实验组对羟基苯乙酮含量出现明显下降,约下降43%,从0.073mol/L下降至0.042mol/L,氢醌有检出,氢醌生成量为207ppm,约0.0019mol/L,氢醌增量远小于对羟基苯乙酮的减少量,而4.7分钟出峰的物质增加明显,个人认为可能为降解为氢醌的前体物,对羟基乙酸苯酯,关于这一点,需要后续实验加以验证;另外,CH3COO-与Fe3+相遇生成红棕色乙酸铁,其溶液色度与Fe(CH3COO)3含量在一定浓度范围内存在线性关系,这可能是反应后体系变为红棕色的原因。
4.3 第2实验组没有添加氯化铁,但引入了痕量金属离子,对羟基苯乙酮下降不明显,氢醌未检出,但从出峰情况看,4.7分钟出峰物质与第5实验组一致,可能为对羟基乙酸苯酯,其可能水解出极微量的氢醌,本次实验无法检测,体系变成淡红棕色可能与Fe(CH3COO)3的生成有关。
4.4 第8实验组在第5实验组基础上加入了辛酰羟肟酸,结果显示,羟基苯乙酮含量没有下降,且未检出氢醌,表明辛酰羟肟酸加入后,螯合了铁离子,而被螯合后的铁并不能催化对羟基苯乙酮和过氧化氢反应生成氢醌;

4.5 在第9实验组,我们尝试使用螯合性能更强的EDTA代替辛酰羟肟酸进行实验,发现结果与第8实验组相似,对羟基苯乙酮含量没有下降,且未检出氢醌,表明金属离子螯合剂不但不能促进对羟基苯乙酮转化为氢醌,反而能因减少体系中的金属离子,而抑制氢醌的产生。

实验结论

1. 对羟基苯乙酮、过氧化物与金属离子同时存在的情况下,体系会有氢醌产生,并伴随明显的变色;

2. 在无铁离子引入的情况下,辛酰羟肟酸与对羟基苯乙酮复配使用,不会变色,不会产生氢醌;

3. 在有铁离子存在的情况下,辛酰羟肟酸与对羟基苯乙酮复配使用,体系可能会发生变色,但不会产生氢醌;

4. 辛酰羟肟酸或其他金属离子螯合剂,并不能催化或促进对羟基苯乙酮转化为氢醌,相反由于辛酰羟肟酸的螯合作用可以一定程度下抑制氢醌的生成。

由上述实验结果及结论可看出辛酰羟肟酸与对羟基苯乙酮复配体系导致氢醌产生的原因并不在于辛酰羟肟酸,更多关于本次实验详细数据可联系艾卓实验室。同时,卓也持续地关注市面上新型抑菌剂的使用动态,若有化妆品微生物及抑菌剂使用相关问题可主动联系我们,这里有行业内最专业的团队以及最优质的服务向各位提供。

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