引言

胭脂作为化妆用品具有悠久的历史，早在古代中国、埃及与印度文明中，人们就利用植物资源提取红色染料。然而，美洲大陆上的人们则另辟蹊径，发现了含有红色色素的“宝藏”昆虫——胭脂虫，他们将雌性介壳虫（雄虫较小且寿命短，不产色素）收集、干燥后研磨，得到鲜艳持久的红色染料。随着殖民扩张的脚步，“胭脂虫红”由西班牙人在16世纪带回欧洲，很快就因其色泽稳定和着色力强的特点而备受青睐，一度成为重要贸易品。^[1]化学视角下，真正赋予胭脂虫红以独特性质的是其主要活性成分——胭脂红酸（Carminic acid）。

图1 寄生于仙人掌的胭脂虫（左）和古代收集胭脂虫提取色素（右）

（图片来源于维基百科）

胭脂红酸的结构及用途

胭脂红酸（C₂₂H₂₀O₁₃）是一种蒽醌类化合物的糖苷衍生物，占胭脂虫干重的1.5–3%。它属于天然多酚类色素，其结构核心是 9，10-二羰基蒽醌，在多个位置带有羟基和羧基，并通过 C-2 位与 β-D-葡萄糖基连接。值得注意的是，胭脂红酸最初的结构确定并不准确，20世纪中叶，科学家通过核磁共振与衍生物分析，确认其羧基位于 C-7 位，糖基为六碳葡萄糖而非此前认为的五碳糖，这些修正为后续合成与应用研究奠定了基础。^[2]

图2 胭脂红酸的分子式及化学结构

不同于胭脂虫产生红色素的目的是威慑捕食者，在合成染料出现前，胭脂红酸是纺织染料的重要来源。它可与金属离子（如 Al³⁺、Ca²⁺、Sn²⁺ 等）形成不同色调的配合物，特别是酸性条件下，加入明矾沉淀可进一步纯化胭脂红，生成一种颜色更为鲜艳的红色铝盐，即胭脂虫红铝（Carmine）作为不溶性的红色染料使用。^[3]它染色鲜艳且相对耐久，因此广泛用于羊毛和丝绸等高档织物的染色。值得注意的是，目前艺术品修复和传统手工艺仍会用到天然胭脂红酸染料。化学研究中，胭脂红酸在酸碱条件下会发生可逆性颜色变化，这是由于分子中的羟基与羧基逐步去质子化，改变了蒽醌骨架的共轭体系，进而影响光吸收峰的位置，因此胭脂红酸可用作天然的pH指示剂。^[4]此外，胭脂红酸具有很高的稳定性和安全性，因此还被广泛地应用于食品、化妆品、药品等多个领域。

图3 胭脂红酸在不同pH值溶液中的颜色变化

（图片来源于J. Chem. Educ. 2017, 94, 216–220）

胭脂红酸的生物合成

胭脂红酸的生物合成长期以来都是科学谜题，直到近十余年，科学家们才对其在胭脂虫体内的合成途径有了较为清楚的认识。胭脂红酸的生物合成包含两个关键步骤，即蒽醌骨架的构建和蒽醌骨架的糖基化。Rasmussen 等人通过代谢组学和同位素标记实验发现，胭脂红酸的骨架来自聚酮合成途径（polyketide pathway）。具体来说是利用起始原料乙酰辅酶 A（acetyl-CoA） 与丙二酰辅酶 A（malonyl-CoA）的多次缩合和环化反应来形成蒽酮类中间体FKA，随后该中间体进一步氧化生成具备完整蒽醌骨架的前体分子FK。^[5]然而，前文已经得知，胭脂红酸不仅是一个蒽醌骨架，还带有一个重要的葡萄糖基团。Kannangara 等人首次在胭脂虫中鉴定出一种膜结合型C-糖基转移酶（C-glucosyltransferase），能够将葡萄糖基直接通过碳-碳键连接到蒽醌骨架上，即C-糖基化（C-glycosylation）。^[6]需要指出的是，目前并无确凿证据表明从前体FK到产物所需的C-糖基化和羟基化的先后顺序。不同于多数天然产物糖基化反应发生在杂原子上（例如N-糖基化或O-糖基化），胭脂红酸中的C-糖苷更为稳定也不易水解。正因这种特性，胭脂红酸具备了高稳定性和防御功能，也让其在色素应用中表现出独特的耐久性。

图4 胭脂红酸的生物合成路径

胭脂红酸的化学合成

1991年Allevi等人首次报道了胭脂红酸的化学全合成，他们的核心策略是直接利用C-糖基化将合成的蒽醌前体和含保护基的糖苷进行连接从而构建胭脂红酸，该策略成功证明了含有C-糖苷-蒽醌结构的天然产物可以在实验室由人工合成的可行性。^[7]随后，Allevi等人在此基础上于1998年发展出一条更详细且可控性更强的合成路线，他们以2-chloronaphthazarin为起始原料和二烯体衍生物1通过Diels–Alder 反应后脱去保护基来构建蒽醌前体2，再经过一系列甲基化形成中间体3。随后在C-7位进行C-糖基化进而引入含苄基保护的葡萄糖苷得到中间体4，接着脱保护、酯水解、去甲基化、氧化和酰基化等多个官能团转换，得到胭脂红酸八乙酸酯5，水解后即可生成目标分子。^[8]值得注意的是，虽然胭脂红酸可以在实验室中人工合成，但路线较复杂且产率低，因而实际生产中胭脂红酸仍以从胭脂虫中提取为主要途径。

图5 胭脂红酸的化学全合成路线

结束语

胭脂红酸作为一种代表性的天然蒽醌类C-糖苷化合物，不仅是历史上重要的天然染料，更是化学、生物学与材料科学交叉研究的一个窗口。从古代美洲大陆的胭脂虫养殖，到现代食品与化妆品工业的应用，再到近几十年来对其生物合成途径与人工全合成策略的深入探索，胭脂红酸展示了天然产物在科学与社会双重层面的价值。胭脂红酸未来的研究将不仅停留在作为染料的应用，还可能扩展至新型功能材料、光敏化合物甚至药物化学先导结构的开发，看似古老的天然色素却仍然能在现代科学前沿不断焕发新生。

参考资料

• [1] 维基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Cochineal
• [2] Meloan, S. N.; Valentine, L. S.; Puchtler, H. On the Structure of Carminic Acid and Carmine. Histochemie 1971, 27, 87– DOI: 10.1007/bf00284950
• [3] 汤沈杨, 陈梦瑶, 肖花美, 李飞. 胭脂虫及胭脂虫红色素的应用研究进展[J]. 应用昆虫学报, 2019, 56, 969–
• [4] Liu, S.; Odate, A.; Buscarino, I.; Chou, J.; Frommer, K.; Miller, M.; Scorese, A.; Buzzeo, M. C.; Austin, R. N. An Advanced Spectroscopy Lab That Integrates Art, Commerce, and Science as Students Determine the Electronic Structure of the Common Pigment Carminic Acid. Chem. Educ. 2017, 94, 216−220. DOI: 10.1021/acs.jchemed.6b00644
• [5] Rasmussen, S. A.; Kongstad, K. T.; Khorsand-Jamal, P.; Kannangara, R. M.; Nafisi, M.; Van Dam, A.; Bennedsen, M.; Madsen, B.; Okkels, F.; Gotfredsen, C. H.; Staerk, D.; Thrane, U.; Mortensen, U. H.; Larsen, T. O.; Frandsen, R. J. N. On the biosynthetic origin of carminic acid. Insect Biochem. Mol. Biol. 2018, 96, 51−61. DOI: 1016/j.ibmb.2018.03.002
• [6] Kannangara, R.; Siukstaite, L.; Borch-Jensen, J.; Madsen, B.; Kongstad, K. T.; Staerk, D.; Bennedsen, M.; Okkels, F. T.; Rasmussen, S. A.; Larsen, T. O.; Frandsen, R. J. N.; Møller, B. L. Characterization of a membrane-bound C-glucosyltransferase responsible for carminic acid biosynthesis in Dactylopius coccus Costa. Commun. 2017, 8, 1987. DOI: 10.1038/s41467-017-02031-z
• [7] Allevi, P.; Anastasia, M.; Ciuffreda, P.; Fiecchi, A.; Scala, A.; Bingham, S.; Muir, M.; Tyman, J. The First Total Synthesis of Carminic acid. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991, 1319−1320. DOI: 10.1039/C39910001319
• [8] Allevi, P.; Anastasia, M.; Bingham, S.; Ciuffreda, P.; Pierangela, A. Synthesis of carminic acid, the colourant principle of cochineal. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 1998, 3, 575–582. DOI: 10.1039/A705145J