微波辅助活性MnO2选择氧化葡甲苷合成葡萄糖醛酸*

吴加雄，袁　华，张　培，张华良，吴元欣(武汉工程大学化工与制药学院绿色化工过程教育部重点实验室，湖北武汉　430073)



微波辅助活性MnO2选择氧化葡甲苷合成葡萄糖醛酸*

吴加雄，袁华，张培，张华良，吴元欣
(武汉工程大学化工与制药学院绿色化工过程教育部重点实验室，湖北武汉430073)

摘要:葡甲苷经微波辅助MnO2一级选择氧化和H2O2二级氧化合成了葡萄糖醛酸，其结构经HPLC和LC-MS确证。探索了不同反应条件对收率的影响。结果表明:活性MnO2在微波辐射条件下具有较好的氧化活性和选择性，反应时间短。最佳合成条件为:活性MnO2为氧化剂，水为溶剂，于80℃微波(400 W)反应2 h，葡甲苷和活性二氧化锰质量比为1∶4，收率79%。

关键词:葡甲苷;活性MnO2;选择氧化;微波辐射;葡萄糖醛酸;合成

有机合成反应辅之以微波辐射，反应速度可增加几百倍到上千倍，相对于传统有机反应而言具有操作简单、易分离、产率高和符合绿色化学要求等优点，近年来微波辅助的有机合成得到广泛应用并获得迅速发展［1－2］。MnO2价格便宜、来源广泛、毒性小，是一种环境友好型氧化剂，被广泛应用于各种有机氧化反应中，同时MnO2的氧化性能较温和，具有良好的氧化选择性［3］。将微波辐射方法应用于MnO2的氧化反应，既能提高反应效率，又可增加反应的选择性，且后处理简单，无毒副作用，应用前景广阔［4］。

葡萄糖醛酸可以转化成葡萄糖醛酸内酯，是生成葡萄糖醛酸内酯的重要中间体。葡萄糖醛酸的合成路线主要有以下几种:(1)生物发酵法:该法涉及菌株的培养和酶的筛选制备，合成高效，但过程复杂且成本较高，目前仍处于探索阶段;(2)无机氧化法:该法主要是采用无机试剂氧化糖衍生物来制备醛酸，如NO2氧化法、CrO3氧化法及硝酸氧化法等。该类方法简单、原料来源广泛，但氧化选择性差、反应收率低、环境污染大;(3)多相催化氧化法:该方法多将催化剂负载于载体，氧化糖类化合物。该类方法选择性好，但多掺杂贵金属，价格高昂且催化剂易失活。当前生产葡萄糖醛酸内酯的工艺是以淀粉为原料的硝酸氧化法，该工艺氧化选择性差、淀粉利用率极低、且产品分离提纯十分困难，能源消耗高、不符合绿色发展要求［5－6］，急需探索研究新的高效合成路线。本课题组袁华等［6］以葡甲苷(1)为原料合成葡萄糖醛酸进行了大量研究，该方法采用Pd/La0.5Pb0.5MnO3催化体系对葡甲苷的6-位伯羟基进行选择性氧化合成了葡萄糖醛酸，1的氧化率约为50%。该法选择性较好，但反应使用了贵金属Pd离子同时引入了重金属Pb离子，生产成本增加的同时对环境造成了污染，需进一步优化。

鉴于此，本文拟将微波辐射和MnO2氧化反应用于葡萄糖醛酸的合成。以1为原料，在微波辅助下利用活性MnO2将1的6-位伯羟基经一级选择性氧化为醛基制得中间体(2);再用H2O2将醛基经二级氧化为羧基制得中间体(3); 3经水解反应合成了葡萄糖醛酸(Scheme 1)，其结构经HPLC和LC-MS确证。并对反应条件进行优化。

Scheme 1

1　实验部分

1.1仪器与试剂

D8 Advance型X-射线衍射仪(XRD，测试条件:CuKα，Ni滤波，管压40 kV，管流40 mA，扫描速率为6°·min－1，扫描范围2θ=10°～80°); Agilent 1260型高效液相色谱仪［固定相:Eclipse plus C18色谱柱(4.6 mm×150 mm)，流动相:乙腈/水=2/98(V/V)，流速:1.5 mL·min－1;进样量:20 μL;检测波长:194 nm］; AB Sciex API 3200型液质联用仪; XH-MC-1型实验室微波合成仪; JSM-5510LV型扫描电子显微镜(SEM); PHS-3C型数显酸度计。

1，分析纯，北京杨村化工有限公司;高锰酸钾，分析纯，天津津沽工商实业公司;一水合硫酸锰，分析纯，国药集团化学试剂有限公司;氢氧化钠，分析纯，天津市福晨化学试剂厂;环己烷，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司;无水乙醇，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司; H2O2(30%)，分析纯，医药集团化学试剂有限公司。

1.2合成

(1)活性MnO2的合成

向反应瓶中依次加入热水260 mL和KMnO440 g(0.25 mol)，搅拌下加入MnSO4·H2O 36 g(0.21 mol)水(80 mL)溶液和40% NaOH溶液50 mL，加毕(很快析出棕色MnO2沉淀)，反应1 h。减压抽滤，滤饼用水洗至中性，于110℃干燥2 h 得MnO2颗粒，研磨成粉末，用环己烷蒸馏制得活性MnO2［7－9］。

(2)葡萄糖醛酸的合成

在微波反应器中，在三口烧瓶中依次加入1 2.5 g(0.01 mol)，活性MnO210 g(0.11 mol)和水70 mL，于80℃微波辐射(400 W)反应2 h。抽滤，滤饼用水洗涤，合并滤液和洗液得中间体2溶液。用1 mol·L－1NaOH溶液调至pH 9～11，缓慢滴加H2O21 mL(滴加NaOH溶液控制pH 9～11)，滴毕，于50℃反应0.5 h合成3溶液。滴加盐酸调至pH 1～2，于80℃水解反应2 h。于40℃～60℃(0.09 MPa)减压蒸干(浓缩过程中出现白色黏稠液体)，用无水乙醇溶解，过滤，滤液于40℃～60℃(0.09 MPa)减压蒸干得白色固体葡萄糖醛酸，MS m/z:217{［M + Na］+}，233{［M + K］+} ;取样进行HPLC检测分析［10－11］，保留时间为0.968 min，与标样的保留时间0.972 min相吻合。

2　结果与讨论

2.1活性MnO2的表征

图1分别为活性MnO2和商品MnO2的XRD谱图。从图1可以看出，活性MnO2谱线的衍射峰在2θ=37°左右存在宽的特征峰，说明其为α-MnO2(JCPDS卡号44-0141)［12］，α-MnO2是活性二氧化锰的一种，被广泛应用于醇的氧化［4］。商品MnO2的XRD谱图表明其为β-MnO2(JCPDS卡号24-0735)，β-MnO2不属于活性二氧化锰，实验也证明β-MnO2反应产率较低。

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

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

图2为活性MnO2的SEM图。由图2可见，活性MnO2呈颗粒堆积状，分散比较均匀，球状颗粒堆积有助于形成大的比表面积，增加与反应物的接触面积，加快反应速率。

2.2一级氧化反应条件优化

为了寻找最佳反应条件，分别考察了反应温度、反应时间及原料和氧化剂质量比［γ=m(1)∶m(MnO2)］对一级氧化反应的影响。

(1)反应温度

以活性MnO2为氧化剂，水为溶剂，γ=1∶1，反应时间为2 h，考察反应温度对葡萄糖醛酸收率的影响，结果见表1。由表1可以看出，当温度逐渐升高时，葡萄糖醛酸产率随之增加;当温度达到80℃时产率最高(70%);继续升高温度产率反而降低。可能是随着温度的升高，微波辐射功率随之增大，反应的活化能降低［13］，伯羟基之外的仲羟基也随之被氧化导致氧化选择性降低，副产物增多，从而影响葡萄糖醛酸的产率。

(2)反应时间

反应温度为80℃，其余反应条件同2.2(1)，考察反应时间对葡萄糖醛酸产率的影响。实验结果见表2。从表2可以看出，反应时间为0.5 h时，产率很低，只有29%，说明反应时间较短，氧化反应不完全;随着反应时间的逐渐延长，葡萄糖醛酸产率随之增加;当反应时间达到2 h时产率最高，达到70%;继续延长反应时间葡萄糖醛酸产率反而降低，说明氧化时间过长会导致其他基团如仲羟基或糖苷键被氧化从而降低产率。

表1　反应温度对氧化反应的影响*Table 1　Effect of the temperature on oxidation reaction

表2　反应时间对氧化反应的影响*Table 2　Effect of the reaction time on oxidation reaction

表3　γ对氧化反应的影响*Table 3　Effect of γ on oxidation reaction

(3)γ

反应时间为2 h，其余反应条件同2.2(2)，考察γ对葡萄糖醛酸产率的影响，实验结果见表3。由表3可以看出，葡萄糖醛酸产率随着活性MnO2用量增大而提高;当γ为1∶4时，产率最高(79%);继续增加氧化剂用量，产率反而降低。可能是因为氧化剂比例的提高，造成过度氧化，使伯羟基之外的仲羟基也被氧化，导致产率降低。

2.3二级氧化及水解反应

1是葡萄糖的C-1位醛基与C-5位羟甲基及甲醇形成的缩醛，在酸性条件下缩醛极易水解为半缩醛，进而继续水解成醛和醇。在用H2O2将2的醛基经二级氧化为羧基合成3的过程中，由于滴加H2O2氧化醛基的过程中生成酸，使得pH降低，所以滴加H2O2的同时需滴加1 mol·L－1NaOH溶液控制pH 9～11，避免缩醛水解暴露出C-1位醛基从而被H2O2氧化为二羧酸产物。同时，滴加H2O2氧化醛基的二级氧化过程中得到酸，故pH会变小，当醛基被氧化完后，继续滴加H2O2时pH不会再变化。氧化过程中检测pH变化，当检测到pH不再变化时，表明二级氧化完成。3在酸性条件下于80℃水解2 h得醛酸。

3　结论

葡甲苷经微波辅助MnO2一级选择氧化和

H2O2二级氧化合成了葡萄糖醛酸。最佳合成条件为:活性MnO2为氧化剂，水为溶剂，于80℃微波(400 W)反应2 h，葡甲苷和活性二氧化锰质量比为1∶4，葡萄糖醛酸收率79%。该工艺过程反应条件温和，环境污染小，后处理简单，符合绿色化学发展要求。

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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

作者简介:吴加雄(1990－)，男，汉族，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事有机合成研究。E-mail:1157665770@ qq.com

基金项目:国家自然科学基金资助项目(21276201);武汉工程大学研究生教育创新基金资助项目(CX2014113)

收稿日期:2015-07-06

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

文献标识码:A

中图分类号:O643.3; TQ426

通信联系人:袁华，教授，Tel.027-87195680，E-mail:yuanhua@ wit.edu.cn