微波輔助活性MnO2選擇氧化葡甲苷合成葡萄糖醛酸*

吳加雄，袁　華，張　培，張華良，吳元欣(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢　430073)

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微波輔助活性MnO2選擇氧化葡甲苷合成葡萄糖醛酸*

吳加雄，袁華，張培，張華良，吳元欣
(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430073)

摘要:葡甲苷經(jīng)微波輔助MnO2一級(jí)選擇氧化和H2O2二級(jí)氧化合成了葡萄糖醛酸，其結(jié)構(gòu)經(jīng)HPLC和LC-MS確證。探索了不同反應(yīng)條件對(duì)收率的影響。結(jié)果表明:活性MnO2在微波輻射條件下具有較好的氧化活性和選擇性，反應(yīng)時(shí)間短。最佳合成條件為:活性MnO2為氧化劑，水為溶劑，于80℃微波(400 W)反應(yīng)2 h，葡甲苷和活性二氧化錳質(zhì)量比為1∶4，收率79%。

關(guān)鍵詞:葡甲苷;活性MnO2;選擇氧化;微波輻射;葡萄糖醛酸;合成

有機(jī)合成反應(yīng)輔之以微波輻射，反應(yīng)速度可增加幾百倍到上千倍，相對(duì)于傳統(tǒng)有機(jī)反應(yīng)而言具有操作簡(jiǎn)單、易分離、產(chǎn)率高和符合綠色化學(xué)要求等優(yōu)點(diǎn)，近年來微波輔助的有機(jī)合成得到廣泛應(yīng)用并獲得迅速發(fā)展［1－2］。MnO2價(jià)格便宜、來源廣泛、毒性小，是一種環(huán)境友好型氧化劑，被廣泛應(yīng)用于各種有機(jī)氧化反應(yīng)中，同時(shí)MnO2的氧化性能較溫和，具有良好的氧化選擇性［3］。將微波輻射方法應(yīng)用于MnO2的氧化反應(yīng)，既能提高反應(yīng)效率，又可增加反應(yīng)的選擇性，且后處理簡(jiǎn)單，無毒副作用，應(yīng)用前景廣闊［4］。

葡萄糖醛酸可以轉(zhuǎn)化成葡萄糖醛酸內(nèi)酯，是生成葡萄糖醛酸內(nèi)酯的重要中間體。葡萄糖醛酸的合成路線主要有以下幾種:(1)生物發(fā)酵法:該法涉及菌株的培養(yǎng)和酶的篩選制備，合成高效，但過程復(fù)雜且成本較高，目前仍處于探索階段;(2)無機(jī)氧化法:該法主要是采用無機(jī)試劑氧化糖衍生物來制備醛酸，如NO2氧化法、CrO3氧化法及硝酸氧化法等。該類方法簡(jiǎn)單、原料來源廣泛，但氧化選擇性差、反應(yīng)收率低、環(huán)境污染大;(3)多相催化氧化法:該方法多將催化劑負(fù)載于載體，氧化糖類化合物。該類方法選擇性好，但多摻雜貴金屬，價(jià)格高昂且催化劑易失活。當(dāng)前生產(chǎn)葡萄糖醛酸內(nèi)酯的工藝是以淀粉為原料的硝酸氧化法，該工藝氧化選擇性差、淀粉利用率極低、且產(chǎn)品分離提純十分困難，能源消耗高、不符合綠色發(fā)展要求［5－6］，急需探索研究新的高效合成路線。本課題組袁華等［6］以葡甲苷(1)為原料合成葡萄糖醛酸進(jìn)行了大量研究，該方法采用Pd/La0.5Pb0.5MnO3催化體系對(duì)葡甲苷的6-位伯羥基進(jìn)行選擇性氧化合成了葡萄糖醛酸，1的氧化率約為50%。該法選擇性較好，但反應(yīng)使用了貴金屬Pd離子同時(shí)引入了重金屬Pb離子，生產(chǎn)成本增加的同時(shí)對(duì)環(huán)境造成了污染，需進(jìn)一步優(yōu)化。

鑒于此，本文擬將微波輻射和MnO2氧化反應(yīng)用于葡萄糖醛酸的合成。以1為原料，在微波輔助下利用活性MnO2將1的6-位伯羥基經(jīng)一級(jí)選擇性氧化為醛基制得中間體(2);再用H2O2將醛基經(jīng)二級(jí)氧化為羧基制得中間體(3); 3經(jīng)水解反應(yīng)合成了葡萄糖醛酸(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)HPLC和LC-MS確證。并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。

Scheme 1

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

D8 Advance型X-射線衍射儀(XRD，測(cè)試條件:CuKα，Ni濾波，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速率為6°·min－1，掃描范圍2θ=10°～80°); Agilent 1260型高效液相色譜儀［固定相:Eclipse plus C18色譜柱(4.6 mm×150 mm)，流動(dòng)相:乙腈/水=2/98(V/V)，流速:1.5 mL·min－1;進(jìn)樣量:20 μL;檢測(cè)波長:194 nm］; AB Sciex API 3200型液質(zhì)聯(lián)用儀; XH-MC-1型實(shí)驗(yàn)室微波合成儀; JSM-5510LV型掃描電子顯微鏡(SEM); PHS-3C型數(shù)顯酸度計(jì)。

1，分析純，北京楊村化工有限公司;高錳酸鉀，分析純，天津津沽工商實(shí)業(yè)公司;一水合硫酸錳，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠;環(huán)己烷，分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司;無水乙醇，分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司; H2O2(30%)，分析純，醫(yī)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2合成

(1)活性MnO2的合成

向反應(yīng)瓶中依次加入熱水260 mL和KMnO440 g(0.25 mol)，攪拌下加入MnSO4·H2O 36 g(0.21 mol)水(80 mL)溶液和40% NaOH溶液50 mL，加畢(很快析出棕色MnO2沉淀)，反應(yīng)1 h。減壓抽濾，濾餅用水洗至中性，于110℃干燥2 h 得MnO2顆粒，研磨成粉末，用環(huán)己烷蒸餾制得活性MnO2［7－9］。

(2)葡萄糖醛酸的合成

在微波反應(yīng)器中，在三口燒瓶中依次加入1 2.5 g(0.01 mol)，活性MnO210 g(0.11 mol)和水70 mL，于80℃微波輻射(400 W)反應(yīng)2 h。抽濾，濾餅用水洗滌，合并濾液和洗液得中間體2溶液。用1 mol·L－1NaOH溶液調(diào)至pH 9～11，緩慢滴加H2O21 mL(滴加NaOH溶液控制pH 9～11)，滴畢，于50℃反應(yīng)0.5 h合成3溶液。滴加鹽酸調(diào)至pH 1～2，于80℃水解反應(yīng)2 h。于40℃～60℃(0.09 MPa)減壓蒸干(濃縮過程中出現(xiàn)白色黏稠液體)，用無水乙醇溶解，過濾，濾液于40℃～60℃(0.09 MPa)減壓蒸干得白色固體葡萄糖醛酸，MS m/z:217{［M + Na］+}，233{［M + K］+} ;取樣進(jìn)行HPLC檢測(cè)分析［10－11］，保留時(shí)間為0.968 min，與標(biāo)樣的保留時(shí)間0.972 min相吻合。

2　結(jié)果與討論

2.1活性MnO2的表征

圖1分別為活性MnO2和商品MnO2的XRD譜圖。從圖1可以看出，活性MnO2譜線的衍射峰在2θ=37°左右存在寬的特征峰，說明其為α-MnO2(JCPDS卡號(hào)44-0141)［12］，α-MnO2是活性二氧化錳的一種，被廣泛應(yīng)用于醇的氧化［4］。商品MnO2的XRD譜圖表明其為β-MnO2(JCPDS卡號(hào)24-0735)，β-MnO2不屬于活性二氧化錳，實(shí)驗(yàn)也證明β-MnO2反應(yīng)產(chǎn)率較低。

圖1　活性MnO2和商品MnO2的XRD圖Figure 1　XRD patterns of active MnO2and commercial MnO2

圖2　活性MnO2的SEM圖Figure 2　SEM image of active MnO2

圖2為活性MnO2的SEM圖。由圖2可見，活性MnO2呈顆粒堆積狀，分散比較均勻，球狀顆粒堆積有助于形成大的比表面積，增加與反應(yīng)物的接觸面積，加快反應(yīng)速率。

2.2一級(jí)氧化反應(yīng)條件優(yōu)化

為了尋找最佳反應(yīng)條件，分別考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及原料和氧化劑質(zhì)量比［γ=m(1)∶m(MnO2)］對(duì)一級(jí)氧化反應(yīng)的影響。

(1)反應(yīng)溫度

以活性MnO2為氧化劑，水為溶劑，γ=1∶1，反應(yīng)時(shí)間為2 h，考察反應(yīng)溫度對(duì)葡萄糖醛酸收率的影響，結(jié)果見表1。由表1可以看出，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，葡萄糖醛酸產(chǎn)率隨之增加;當(dāng)溫度達(dá)到80℃時(shí)產(chǎn)率最高(70%);繼續(xù)升高溫度產(chǎn)率反而降低。可能是隨著溫度的升高，微波輻射功率隨之增大，反應(yīng)的活化能降低［13］，伯羥基之外的仲羥基也隨之被氧化導(dǎo)致氧化選擇性降低，副產(chǎn)物增多，從而影響葡萄糖醛酸的產(chǎn)率。

(2)反應(yīng)時(shí)間

反應(yīng)溫度為80℃，其余反應(yīng)條件同2.2(1)，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)葡萄糖醛酸產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看出，反應(yīng)時(shí)間為0.5 h時(shí)，產(chǎn)率很低，只有29%，說明反應(yīng)時(shí)間較短，氧化反應(yīng)不完全;隨著反應(yīng)時(shí)間的逐漸延長，葡萄糖醛酸產(chǎn)率隨之增加;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到2 h時(shí)產(chǎn)率最高，達(dá)到70%;繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間葡萄糖醛酸產(chǎn)率反而降低，說明氧化時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致其他基團(tuán)如仲羥基或糖苷鍵被氧化從而降低產(chǎn)率。

表1　反應(yīng)溫度對(duì)氧化反應(yīng)的影響*Table 1　Effect of the temperature on oxidation reaction

表2　反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化反應(yīng)的影響*Table 2　Effect of the reaction time on oxidation reaction

表3　γ對(duì)氧化反應(yīng)的影響*Table 3　Effect of γ on oxidation reaction

(3)γ

反應(yīng)時(shí)間為2 h，其余反應(yīng)條件同2.2(2)，考察γ對(duì)葡萄糖醛酸產(chǎn)率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可以看出，葡萄糖醛酸產(chǎn)率隨著活性MnO2用量增大而提高;當(dāng)γ為1∶4時(shí)，產(chǎn)率最高(79%);繼續(xù)增加氧化劑用量，產(chǎn)率反而降低。可能是因?yàn)檠趸瘎┍壤奶岣撸斐蛇^度氧化，使伯羥基之外的仲羥基也被氧化，導(dǎo)致產(chǎn)率降低。

2.3二級(jí)氧化及水解反應(yīng)

1是葡萄糖的C-1位醛基與C-5位羥甲基及甲醇形成的縮醛，在酸性條件下縮醛極易水解為半縮醛，進(jìn)而繼續(xù)水解成醛和醇。在用H2O2將2的醛基經(jīng)二級(jí)氧化為羧基合成3的過程中，由于滴加H2O2氧化醛基的過程中生成酸，使得pH降低，所以滴加H2O2的同時(shí)需滴加1 mol·L－1NaOH溶液控制pH 9～11，避免縮醛水解暴露出C-1位醛基從而被H2O2氧化為二羧酸產(chǎn)物。同時(shí)，滴加H2O2氧化醛基的二級(jí)氧化過程中得到酸，故pH會(huì)變小，當(dāng)醛基被氧化完后，繼續(xù)滴加H2O2時(shí)pH不會(huì)再變化。氧化過程中檢測(cè)pH變化，當(dāng)檢測(cè)到pH不再變化時(shí)，表明二級(jí)氧化完成。3在酸性條件下于80℃水解2 h得醛酸。

3　結(jié)論

葡甲苷經(jīng)微波輔助MnO2一級(jí)選擇氧化和

H2O2二級(jí)氧化合成了葡萄糖醛酸。最佳合成條件為:活性MnO2為氧化劑，水為溶劑，于80℃微波(400 W)反應(yīng)2 h，葡甲苷和活性二氧化錳質(zhì)量比為1∶4，葡萄糖醛酸收率79%。該工藝過程反應(yīng)條件溫和，環(huán)境污染小，后處理簡(jiǎn)單，符合綠色化學(xué)發(fā)展要求。

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Synthesis of Glucuronic Acid by Selective Oxidation of Methyl Glucoside with Active MnO2under Microwave

WU Jia-xiong，YUAN Hua，ZHANG Pei，ZHANG Hua-liang，WU Yuan-xin
(Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education，School of Chemistry Engineering and Pharmacy，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，China)

Abstract:Glucuronic acid was synthesized by selective oxidation with active MnO2under the microwave radiation and oxidation with H2O2from methyl glucoside.The structure was confirmed by HPLC and LC-MS.The effects of different oxidative conditions on the yield were studied.The results showed that active MnO2exhibited good oxidative activity and selectivity under the microwave radiation，and greatly shortened the reaction time.The optimum reaction conditions were as followed:active MnO2as the oxidant，mass ratio of methyl glucoside and active MnO2was 1∶4，under microwave(400 W)，at 80℃for 2 h，the yield was 79%.

Keywords:methyl glucoside; active manganese dioxide; selective oxidation; microwave radiation; glucuronic acid; synthesis

作者簡(jiǎn)介:吳加雄(1990－)，男，漢族，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事有機(jī)合成研究。E-mail:1157665770@ qq.com

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21276201);武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(CX2014113)

收稿日期:2015-07-06

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.11.1056 *

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):O643.3; TQ426

通信聯(lián)系人:袁華，教授，Tel.027-87195680，E-mail:yuanhua@ wit.edu.cn