辣根過氧化物酶催化間苯三酚硝化反應研究

戰秀志，譚偉強

(青島理工大學 環境與市政工程學院 生物環保與綠色化工研究中心，山東 青島 266033)

辣根過氧化物酶催化間苯三酚硝化反應研究

戰秀志，譚偉強

(青島理工大學 環境與市政工程學院 生物環保與綠色化工研究中心，山東 青島 266033)

辣根過氧化物酶；三硝基間苯三酚；硝化反應

2,4,6-三硝基-1,3,5-苯三酚(TNPG)是合成高能鈍感炸藥2,4,6-三硝基-1,3,5-三氨基苯(TATB)的重要前體原料，傳統工藝合成三硝基間苯三酚是以混酸對間苯三酚進行硝化而得[1-5]，反應中由于混酸的稀釋腐蝕，生產成本較高，因此，實現TNPG的高效、綠色合成成為亟待解決的重要課題。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1200型高效液相色譜儀，安捷倫公司；LTQ XL型液質聯用儀，美國Thermo公司。

反應試劑均為國產；反應溶劑均為市售分析純。

1.2 催化硝化反應條件

以間苯三酚為原料，經亞硝酸鈉、H2O2和HRP在緩沖溶液中，常溫催化硝化反應，反應方程式見式圖1。

圖1 間苯三酚硝化反應

室溫下將辣根過氧化酶(HRP)和100 mL緩沖溶液(0.1 mol/L)加入到帶有恒壓滴液漏斗的三口燒瓶中。向三口燒瓶中加入亞硝酸鈉和間苯三酚(162 mg, 1.0 mmol)，室溫攪拌，恒壓滴液漏斗緩慢加入過氧化氫的甲醇溶液，滴加完畢后室溫攪拌。鹽酸調節pH值至5～6，加入3 50 mL乙酸乙酯萃取，無水硫酸鈉干燥過夜后，減壓濃縮，硅膠柱層析粗分離后，樣品經HPLC-MS分析消化產物HPLC-MS見圖2。

2 結果與討論

2.1 反應底物對產物的影響

分別考察了反應底物對硝化產物的影響，結果見表1。可以看出，反應體系中缺少H2O2和亞硝酸鈉幾乎無硝化產物，適宜pH緩沖溶液會影響硝化產物收率，辣根過氧化酶存在下硝化產率有所提高。從產物上來看，主要以單、三硝化產物存在，三硝化產物收率低于10%。

圖2 硝化產物HPLC-MS

反應條件硝化產物收率b/%單硝化三硝化HRP+NO-2+H2O2(CS)～45～10CS-H2O2trace-CS-NO-2trace-CS-buffer～20-CS-HRP～30～5

注：a 反應條件如前述完全體系(CS): 間苯三酚 : 亞硝酸鈉:H2O2:HRP=1.0 mmol:20 mmol:3.4 mmol : 0.5 mg, 磷酸鹽緩沖溶液 (0.1 M, pH值7.0。b HPLC收率。

結果說明，辣根過氧化酶在一定程度上對硝化反應有促進(催化)作用，緩沖溶液的存在可保持酶的活性，有利于酶催化硝化反應。反應底物中硝化劑是硝化活性中間體的來源，而H2O2是硝化反應進行必不可少的底物。另外，反應體系在無酶的條件下也有硝化產物的生成，這可能與亞硝酸鈉在H2O2的存在下易產生硝化活性中間體有關。

2.2 pH值對硝化反應的影響

由于溶液pH值對酶活性影響較大，根據HRP酶活的特點，分別考察了中性、弱酸性和弱堿性緩沖體系對硝化反應及產物的影響，結果見表2。可以看出，緩沖體系酸堿性對硝化反應收率及硝化產物都有影響，弱堿性體系不利于酶催化硝化反應的進行，而弱酸性體系會略降低硝化反應收率，幾乎無三硝化產物。

表2 pH值對產物的影響a

注：a 反應條件如前述完全體系(CS): 間苯三酚 : 亞硝酸鈉:H2O2:HRP = 1.0 mmol : 20 mmol : 3.4 mmol : 0.5 mg, 磷酸鹽緩沖溶液 (0.1 M, pH值 7.0)。b HPLC收率。

結果說明，適當控制溶液的酸堿性有利于酶催化硝化反應的進行，這與HRP在中性介質中高活性有關，另外，適宜的pH值也有利于三硝化產物的生成。

2.3 硝化劑量對硝化反應的影響

為了解硝化劑量對硝化產物的影響，分別以硝化劑量為間苯三酚量的3.2、10和20倍考察對硝化產物的影響，結果見表3。

表3 硝化劑量對產物的影響a

注：a 反應條件: 間苯三酚 : H2O2:HRP=1.0 mmol : 3.4 mmol : 0.5 mg, 磷酸鹽緩沖溶液 (0.1 M, pH值 7.0)。b HPLC收率。

從結果可以看出，亞硝酸鈉量為間苯三酚3.2倍時，不改變H2O2的量，幾乎無三硝化產物的生成，相對單硝化產物的收率也較低(20%)，將亞硝酸鈉量提高至10倍時，單硝化產物產物收率提高到45%，同時有三硝化產物生成，而繼續提高亞硝酸鈉的量，收率和產物幾乎不再提高。間苯三酚：NaNO2：H2O2反應比為1：3.2：3.4時收率較低的原因，可能與亞硝酸鈉易被氧化有關。

2.4 H2O2濃度對硝化反應的影響

過氧化氫具有較強的氧化性，易氧化間苯三酚，降低硝化反應的收率，為考察過氧化氫對產物的影響，分別考察了不同過氧化氫量下對反應收率的影響，見表4。

表4 催化劑量對產物的影響a

注：a 反應條件: 間苯三酚 : 亞硝酸鈉 = 1.0 mmol : 20 mmol , 磷酸鹽緩沖溶液 (0.1 M, pH 值7.0), 常溫。b HPLC收率。

從結果可以看出，隨著H2O2量的加大，硝化產物收率加大，且有三硝化產物，但高濃度的H2O2不利于硝化反應的進行，這與間苯三酚本身易被H2O2氧化有關。

3 結論

系統研究了辣根過氧化物酶作為催化劑對間苯三酚的硝化反應，考察了反應底物、pH、硝化劑量和H2O2濃度對硝化反應及產物的影響。結果表明，辣根過氧化物酶作為催化劑可有效的催化間苯三酚硝化反應，反應條件對催化活性和產物影響較大，間苯三酚：亞硝酸鈉： H2O2= 1.0 mmol : 20 mmol : 3.4 mmol，體系pH值為7時，硝化反應收率最高可達45%，且有三硝化產物生成，為實現TNPG的綠色合成提供了一種新的方法。

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(本文文獻格式：戰秀志，譚偉強.辣根過氧化物酶催化間苯三酚硝化反應研究[J].山東化工，2016，45(24)：28-29，31.)

Nitration of Phloroglucinol Catalyzed by Horseradish Peroxidase

Zhan Xiuzhi, Tan Weiqiang

(Research Center of Environmental Biology and Green Chemistry, School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China)

horseradish peroxidase; 1,3,5-benzenetriol-2,4,6-trinitro; Nitration

2016-11-10

戰秀志(1990—)，碩士研究生，主要從事催化合成方法學研究；通訊聯系人，譚偉強，副教授。

O625.61

A

1008-021X(2016)24-0028-02