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(武漢工程大學化工與制藥學院綠色化工過程教育部重點實驗室，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
(武漢工程大學化工與制藥學院綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北武漢430073)

摘要:葡甲苷經微波輔助MnO2一級選擇氧化和H2O2二級氧化合成了葡萄糖醛酸，其結構經HPLC和LC-MS確證。探索了不同反應條件對收率的影響。結果表明:活性MnO2在微波輻射條件下具有較好的氧化活性和選擇性，反應時間短。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2 h，葡甲苷和活性二氧化錳質量比為1∶4，收率79%。

關鍵詞:葡甲苷;活性MnO2;選擇氧化;微波輻射;葡萄糖醛酸;合成

有機合成反應輔之以微波輻射，反應速度可增加幾百倍到上千倍，相對于傳統有機反應而言具有操作簡單、易分離、產率高和符合綠色化學要求等優點，近年來微波輔助的有機合成得到廣泛應用并獲得迅速發展［1－2］。MnO2價格便宜、來源廣泛、毒性小，是一種環境友好型氧化劑，被廣泛應用于各種有機氧化反應中，同時MnO2的氧化性能較溫和，具有良好的氧化選擇性［3］。將微波輻射方法應用于MnO2的氧化反應，既能提高反應效率，又可增加反應的選擇性，且后處理簡單，無毒副作用，應用前景廣闊［4］。

葡萄糖醛酸可以轉化成葡萄糖醛酸內酯，是生成葡萄糖醛酸內酯的重要中間體。葡萄糖醛酸的合成路線主要有以下幾種:(1)生物發酵法:該法涉及菌株的培養和酶的篩選制備，合成高效，但過程復雜且成本較高，目前仍處于探索階段;(2)無機氧化法:該法主要是采用無機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。該類方法簡單、原料來源廣泛，但氧化選擇性差、反應收率低、環境污染大;(3)多相催化氧化法:該方法多將催化劑負載于載體，氧化糖類化合物。該類方法選擇性好，但多摻雜貴金屬，價格高昂且催化劑易失活。當前生產葡萄糖醛酸內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、且產品分離提純十分困難，能源消耗高、不符合綠色發展要求［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行了大量研究，該方法采用Pd/La0.5Pb0.5MnO3催化體系對葡甲苷的6-位伯羥基進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，但反應使用了貴金屬Pd離子同時引入了重金屬Pb離子，生產成本增加的同時對環境造成了污染，需進一步優化。

鑒于此，本文擬將微波輻射和MnO2氧化反應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-位伯羥基經一級選擇性氧化為醛基制得中間體(2);再用H2O2將醛基經二級氧化為羧基制得中間體(3); 3經水解反應合成了葡萄糖醛酸(Scheme 1)，其結構經HPLC和LC-MS確證。并對反應條件進行優化。

Scheme 1

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

D8 Advance型X-射線衍射儀(XRD，測試條件: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)，流動相:乙腈/水=2/98(V/V)，流速:1.5 mL·min－1;進樣量:20 μL;檢測波長:194 nm］; AB Sciex API 3200型液質聯用儀; XH-MC-1型實驗室微波合成儀; JSM-5510LV型掃描電子顯微鏡(SEM); PHS-3C型數顯酸度計。

1，分析純，北京楊村化工有限公司;高錳酸鉀，分析純，天津津沽工商實業公司;一水合硫酸錳，分析純，國藥集團化學試劑有限公司;氫氧化鈉，分析純，天津市福晨化學試劑廠;環己烷，分析純，天津市富宇精細化工有限公司;無水乙醇，分析純，天津市富宇精細化工有限公司; H2O2(30%)，分析純，醫藥集團化學試劑有限公司。

1.2合成

(1)活性MnO2的合成

向反應瓶中依次加入熱水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0.5 h合成3溶液。滴加鹽酸調至pH 1～2，于80℃水解反應2 h。于40℃～60℃(0.09 MPa)減壓蒸干(濃縮過程中出現白色黏稠液體)，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］+} ;取樣進行HPLC檢測分析［10－11］，保留時間為0.968 min，與標樣的保留時間0.972 min相吻合。

2　結果與討論

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44-0141)［12］，α-MnO2是活性二氧化錳的一種，被廣泛應用于醇的氧化［4］。商品MnO2的XRD譜圖表明其為β-MnO2(JCPDS卡號24-0735)，β-MnO2不屬于活性二氧化錳，實驗也證明β-MnO2反應產率較低。

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，增加與反應物的接觸面積，加快反應速率。

2.2一級氧化反應條件優化

為了尋找最佳反應條件，分別考察了反應溫度、反應時間及原料和氧化劑質量比［γ=m(1)∶m(MnO2)］對一級氧化反應的影響。

(1)反應溫度

以活性MnO2為氧化劑，水為溶劑，γ=1∶1，反應時間為2 h，考察反應溫度對葡萄糖醛酸收率的影響，結果見表1。由表1可以看出，當溫度逐漸升高時，葡萄糖醛酸產率隨之增加;當溫度達到80℃時產率最高(70%);繼續升高溫度產率反而降低。可能是隨著溫度的升高，微波輻射功率隨之增大，反應的活化能降低［13］，伯羥基之外的仲羥基也隨之被氧化導致氧化選擇性降低，副產物增多，從而影響葡萄糖醛酸的產率。

(2)反應時間

反應溫度為80℃，其余反應條件同2.2(1)，考察反應時間對葡萄糖醛酸產率的影響。實驗結果見表2。從表2可以看出，反應時間為0.5 h時，產率很低，只有29%，說明反應時間較短，氧化反應不完全;隨著反應時間的逐漸延長，葡萄糖醛酸產率隨之增加;當反應時間達到2 h時產率最高，達到70%;繼續延長反應時間葡萄糖醛酸產率反而降低，說明氧化時間過長會導致其他基團如仲羥基或糖苷鍵被氧化從而降低產率。

表1　反應溫度對氧化反應的影響*Table 1　Effect of the temperature on oxidation reaction

表2　反應時間對氧化反應的影響*Table 2　Effect of the reaction time on oxidation reaction

表3　γ對氧化反應的影響*Table 3　Effect of γ on oxidation reaction

(3)γ

反應時間為2 h，其余反應條件同2.2(2)，考察γ對葡萄糖醛酸產率的影響，實驗結果見表3。由表3可以看出，葡萄糖醛酸產率隨著活性MnO2用量增大而提高;當γ為1∶4時，產率最高(79%);繼續增加氧化劑用量，產率反而降低。可能是因為氧化劑比例的提高，造成過度氧化，使伯羥基之外的仲羥基也被氧化，導致產率降低。

2.3二級氧化及水解反應

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，進而繼續水解成醛和醇。在用H2O2將2的醛基經二級氧化為羧基合成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氧化為二羧酸產物。同時，滴加H2O2氧化醛基的二級氧化過程中得到酸，故pH會變小，當醛基被氧化完后，繼續滴加H2O2時pH不會再變化。氧化過程中檢測pH變化，當檢測到pH不再變化時，表明二級氧化完成。3在酸性條件下于80℃水解2 h得醛酸。

3　結論

葡甲苷經微波輔助MnO2一級選擇氧化和

H2O2二級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2 h，葡甲苷和活性二氧化錳質量比為1∶4，葡萄糖醛酸收率79%。該工藝過程反應條件溫和，環境污染小，后處理簡單，符合綠色化學發展要求。

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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

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

基金項目:國家自然科學基金資助項目(21276201);武漢工程大學研究生教育創新基金資助項目(CX2014113)

收稿日期:2015-07-06

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

文獻標識碼:A

中圖分類號:O643.3; TQ426

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