EMPO催化体系在糖伯羟基氧化中的应用进展

2022-08-05刘明松刘文清

河北工业科技 2022年4期

杨莎，刘明松，杨莹，刘文清

(河北科技大学化学与制药工程学院，河北石家庄 050018)

在自然界中，糖醛酸是糖类物质的基本结构单元，在细胞识别、信号传导、炎症以及肿瘤发展等多种生理过程中扮演重要角色[1-4]。借助化学合成的方法迅速高效地构建糖醛酸结构，对探索糖类介导的生物作用机制具有积极影响。合成糖醛酸的关键在于，氧化糖结构中的伯羟基为羧酸，传统重金属氧化等方法可能会导致环境污染和健康安全问题，与当今绿色可持续发展的理念相违背。因此，探索开发绿色且新颖的催化氧化体系，对保护环境、工业化生产具有重要意义。TEMPO，即2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基，是一种在化学和生物学中应用广泛的稳定自由基，其形成的催化体系具有反应高效、条件温和、选择性好等优点，近年来在糖醛酸氧化领域受到科研工作者的青睐[5-9]。

TEMPO属于亚硝酰自由基类，其未成对电子能够离域分布在氮和氧原子之间，形成共轭结构，显示良好的稳定性[10]。在反应过程中，TEMPO经单电子氧化产生具有氧化活性的亚硝鎓离子TEMPO+；TEMPO+在氧化伯羟基后被还原为羟胺TEMPOH(如图1所示)[11-13]。TEMPO结构中4个甲基的空间位阻效应，使其在伯羟基氧化中显示较强的区域选择性。此外，TEMPO商品易得，性质稳定，在催化氧化领域受到人们的广泛关注。

图1 TEMPO的氧化和还原状态Fig.1 Oxidation and reduction status of TEMPO

基于TEMPO氧化体系的诸多优点，经过多年的研究，TEMPO氧化法现在已发展为糖类伯羟基氧化的主要方法。TEMPO氧化体系主要有以下4类：1)TEMPO/次氯酸盐体系；2)TEMPO/BAIB体系；3)TEMPO/其他共氧化剂体系；4)TEMPO/有氧体系。

1 TEMPO/次氯酸盐催化氧化体系

TEMPO/次氯酸盐体系是一个循环再生的氧化体系，其中TEMPO为催化剂，次氯酸盐为共氧化剂。该体系相较其他体系便于操作，氧化产量高，是目前常用的一种方法。

1.1 TEMPO/NaOCl/Br-催化氧化体系

TEMPO/NaOCl/NaBr催化体系，一般采用水作为溶剂，在碱性环境中，选择性氧化糖伯羟基为羧酸。该体系可能的机理是：NaBr作为助催化剂首先与共氧化剂NaOCl生成氧化性更强的NaOBr，后者进而氧化TEMPO为TEMPO+，再通过氧化伯羟基为羧酸，从而实现有效的催化氧化循环(如图2所示)。该体系氧化活性强，选择性好，操作简单，具有较大的应用价值。

图2 TEMPO/NaOCl/NaBr氧化伯羟基可能的反应机理Fig.2 A proposed reaction mechanism of TEMPO/NaOCl/NaBr oxidation of primary alcohol

近年来，国内外基于TEMPO/NaOCl/NaBr体系，开展了糖伯羟基氧化的研究工作。1987年，ANELLI等[14]利用TEMPO/NaOCl/NaBr体系实现了氧化伯醇为醛。1993年DAVIS等[15]首次报道了TEMPO/NaOCl/NaBr体系，选择性氧化单糖伯羟基为糖醛酸的研究。更多的研究显示该氧化体系的反应收率为50%～83%[16-30](见表1)。2003年，DESAI等[31]利用TEMPO/NaOCl/NaBr组合，实现了以水为反应溶剂，氧化一系列未保护的糖苷为糖醛酸，收率为48%～74%。2011年，HERCZEG等[32]在肝素的二糖结构合成中，利用TEMPO/NaOCl/KBr组合，以饱和NaHCO3溶液为溶剂，室温反应2 h，可获得收率高达78%的二糖糖醛酸产物。2014年，XU等[33]重点探索TEMPO/NaOCl/NaBr体系，以水为溶剂，在单糖的糖醛酸氧化反应中，如何有效地除去反应过程中产生的无机盐，以提高产品纯度。

表1 TEMPO对单糖和二糖伯羟基的氧化

由此可见，TEMPO/NaOCl/Br-氧化组合可在仲羟基存在下选择性氧化糖伯羟基为糖醛酸，且不受底物中乙酰基、苄基等保护基的影响，显示出良好的区域选择性。该体系可避免传统氧化中的保护和脱保护步骤，操作更加简便，对未保护的糖氧化工艺具有优越性，展现良好的工业化应用前景。然而，该反应系统会产生大量无机盐，为了解决这个问题，需要进一步优化后处理方法。

1.2 不含溴负离子的TEMPO/NaOCl催化氧化体系

TEMPO/NaOCl/Br-是文献报道中最常见的氧化组合，其中Br-被称为共催化剂或助催化剂，它可以通过与NaOCl生成活性更强的NaOBr，加速氧化反应高效进行。但是，NaBr对人体有害，引入反应体系往往导致产品分离纯化困难，长期使用还会腐蚀设备和污染环境，因此探索无溴离子的TEMPO/NaOCl氧化体系迫在眉睫。

近年来，国内外对基于不含溴离子的TEMPO/NaOCl氧化体系进行了广泛研究。2000年，BRAGD等[34]率先提出无溴离子即Bromide-free的TEMPO/NaOCl氧化体系。作者以α-甲基葡萄糖苷为反应底物，水为溶剂，通过适当提高反应温度(20～30 ℃)来补偿溴负离子的共催化促进作用，经TEMPO/NaOCl氧化可得到选择性好、转化率高的糖醛酸产物。2014年，发明人杨玉金[35]报道了重庆华邦制药有限公司的“TEMPO存在的两相条件下无溴参与的糖类伯羟基氧化的方法”。它以海藻糖为例，在TEMPO/NaOCl催化体系下，以水和乙酸乙酯为溶剂，以四丁基氯化铵为相转移催化剂，于0 ℃反应3 h，可得到收率为92%的糖醛酸产物。

显而易见，相较于经典的TEMPO/NaOCl/Br-氧化体系，不含溴负离子的TEMPO/NaOCl反应体系中无机盐的种类减少，生成量降低，更有利于清洁生产和工业化应用推广[36-38](见表1)。然而，失去了溴负离子的助催化作用，该氧化体系的反应高效性能否保持，还有待更多的实验数据来证明。

1.3 TEMPO/NaOCl/NaClO2催化氧化体系

TEMPO/NaOCl/NaClO2体系是基于经典的TEMPO/NaOCl氧化组合发展而来的一种新型的糖醛酸氧化体系。该体系可能的反应机理是：首先，催化量的NaOCl氧化TEMPO为TEMPO+，后者氧化伯羟基为醛，并被还原为TEMPOH；醛被NaClO2进一步氧化为羧酸，并生成一分子NaOCl，进而实现催化循环(如图3所示)。研究显示，单纯的NaClO2氧化TEMPO的速率较慢，而一旦加入催化量的NaOCl，氧化体系被激活，NaOCl又可被持续再生，从而加速催化氧化过程。该体系反应收率高，产物手性中心无消旋现象。

图3 TEMPO/NaOCl/NaClO2可能的氧化机理Fig.3 A proposed mechanism of TEMPO/NaOCl/NaClO2 oxidation

近年来，TEMPO/NaOCl/NaClO2体系在糖醛酸氧化中得到广泛应用。1999年，ZHAO等[39]首次利用TEMPO/NaOCl/NaClO2组合，实现了选择性氧化醇类伯羟基为羧酸。2006年，HUANG等[40]利用TEMPO/NaOCl/NaClO2体系，氧化合成了一系列的糖醛酸衍生物，收率为82%～92%。2010年，VERMA等[41]在研究一种北海参三萜皂苷的提取物时，同样采用TEMPO/NaOCl/NaClO2体系，以二氯甲烷和水为溶剂，四丁基溴化铵为相转移催化剂，实现了四糖伯羟基的糖醛酸氧化。2015年，VETRO等[42]报道了利用TEMPO/NaClO2/NaOCl催化组合，以乙腈和磷酸缓冲盐为溶剂，室温反应3 h，可得收率为98%的葡萄糖醛酸二酰甘油产物，显示了该氧化反应的高效性。

由此可见，TEMPO/NaOCl/NaClO2体系在二糖、三糖、四糖、六糖等糖胺聚糖结构片段的糖醛酸合成中，显示出底物适用范围广、官能团耐受性好以及分子内糖苷键不受影响等优点。然而，该反应过程伴随生成的大量无机盐也是其推广应用中亟待解决的难题。

1.4 TEMPO/Ca(OCl)2催化氧化体系

TEMPO/Ca(OCl)2氧化体系中的共氧化剂Ca(OCl)2相较于市售的NaOCl溶液，具有性质稳定、投料可控性好、操作简便等优势，在糖伯羟基氧化领域得到广泛应用。

近年来，国内外很多学者基于TEMPO/Ca(OCl)2体系对糖伯羟基进行了氧化。1995年，GYÖRGYDEK等[43]利用TEMPO/Ca(OCl)2/KBr体系，选择性氧化葡萄糖、半乳糖、甘露糖等一系列未保护的糖苷为糖醛酸(见表1)。鉴于该氧化过程中产生大量无机盐，干扰产物的分离纯化，作者增加了甲酯化和乙酰化两步反应以便通过柱层析的方式提纯产物[44]。显而易见，该后处理方法路线长、成本高、工作量大。2003年，YING等[45]在GYÖRGYDEK的工作基础上，探索反相HPLC法纯化糖醛酸，此方法无需衍生化，简单直接，产物纯度高(见表1)。2004年，LIN等[46]利用TEMPO/Ca(OCl)2/KBr体系，在水相中合成了一系列部分保护的单糖、二糖等糖胺聚糖的糖醛酸衍生物，反应高效，氧化区域选择性好(见表1)。2012年，马彦等[47]利用不加溴化物的TEMPO/Ca(OCl)2体系，氧化甲基葡萄糖苷合成糖醛酸。作者借助 pH 计监控反应进程，利用UV和HPLC分析中间体和产物，重点考察了氧化条件对葡萄糖醛酸收率的影响。结果显示，该体系对伯羟基的氧化具有较好的催化活性和选择性，葡萄糖醛酸收率可达92%。此方法与传统的淀粉HNO3氧化法制备葡醛酸相比，具有经济、环保的优势(见表1)。

显而易见，TEMPO/Ca(OCl)2氧化糖伯羟基为糖醛酸的反应体系，与经典的TEMPO/NaOCl组合相比，更具备操作上的简便性。该氧化反应可在纯水或两相溶剂中进行，因此具有较广的底物适用范围。但是Ca(OCl)2与水溶剂反应生成不溶性的Ca(OH)2，反应体系呈混悬态，这在未来工业化生产中可能会带来传质问题，有待进一步优化。

2 TEMPO/BAIB催化氧化体系

TEMPO/BAIB(二乙酰氧基碘苯)体系中的BAIB是一种应用广泛的有机氧化剂。相较于经典的TEMPO/次氯酸盐氧化组合，该体系显著的优势在于避免了无机盐的引入。BAIB在反应中的副产物为低毒的碘苯和乙酸，易于从反应体系中除去，因而该方法在糖醛酸氧化中得到了广泛应用[48-54]。

1999年，EPP等[55]报道了利用TEMPO/BAIB氧化核苷5′-伯羟基为羧酸的研究(如图4所示)。该氧化体系显示出条件温和、反应高效以及良好的官能团耐受性等优点。2016年，LU等[56]利用TEMPO/BAIB体系，以水和乙腈为溶剂，室温反应15 h，选择性氧化葡萄糖甲苷为糖醛酸，产物杂质少，纯度高，收率为100%(见表1)。但作者指出，该反应需加入NaHCO3以提高TEMPO的催化氧化活性，否则反应速率会减慢，收率会降低。2018年，YADAV等[57]报道了TEMPO/BAIB选择性氧化一系列未保护和部分保护的单糖、二糖及三糖为糖醛酸，产物收率为75%～92%(见表1)。此研究发现，通过调控反应温度在室温与0 ℃交替循环(warming-cooling cycles)，该氧化体系的催化效率得到显著提高。作者推测，升温可促进反应物的溶解，降温有助于增加氧化态亚硝鎓离子的稳定性，因而能够加快反应速率。2020年，ZHANG等[58]在研究具有潜在抗凝血活性岩藻糖基硫酸软骨素(FuCS)的化学合成中，利用TEMPO/BAIB体系，在二氯甲烷和水溶剂中，选择性氧化部分保护的葡萄糖苷为糖醛酸；产物经甲酯化后分离纯化，两步收率为75%。该反应显示出良好的官能团耐受性和较强的区域选择性(见表1)。

图4 TEMPO/BAIB氧化核苷为5′-羧基Fig.4 Oxidation on nucleoside to 5′-carboxylate by TEMPO/BAIB

目前，TEMPO/BAIB体系在糖伯羟基氧化中占据重要地位，尤其是脂溶性糖衍生物糖醛酸制备的首选方法。该体系采用的共氧化剂BAIB是一种温和的有机氧化试剂，与经典的次氯酸盐无机氧化剂相比，其反应的副产物碘苯和乙酸易于除去，避免了无机盐的产生，产物品质更高。此方法操作简便易行，氧化选择性高，适用于带有保护基的糖类以及核苷的伯羟基氧化。

3 其他TEMPO/共氧化剂氧化体系

3.1 TEMPO/CBI催化氧化体系

TEMPO/CBI催化体系在室温下可选择性氧化伯羟基为糖醛酸。CBI，即1-氯-1,2-苯碘酰-3-酮，属于高价碘氧化剂，在室温和空气中十分稳定，且容易制备，商品易得。该氧化体系对乙酰基、苄基、苯甲酰基等保护基显示良好的官能团耐受性。据推测该体系可能的反应机理是：CBI与水反应生成次氯酸和2-碘苯甲酸，次氯酸氧化TEMPO为亚硝鎓离子，后者进一步氧化伯羟基；TEMPO的还原产物TEMPOH又可以被次氯酸重新氧化为TEMPO，从而实现催化氧化循环。

2018年，TIWARI等[59]以二氯甲烷和水为溶剂，室温反应2 h，可得收率为93%的糖醛酸产物(如表1、图5所示)。

图5 TEMPO/CBI选择性氧化伯羟基为糖醛酸Fig.5 Selective oxidation on primary hydroxyl to uronic acid by TEMPO/CBI

TEMPO/CBI体系适用于部分保护的糖伯羟基氧化，显示出较高的反应活性。但该体系多用低沸点的含卤有机溶剂，在未来工业生产上存在环境污染的隐患。

3.2 TEMPO/Laccase催化氧化体系

TEMPO/Laccase(漆酶)有氧催化合成中的Laccase是一种氧化还原酶，通过借助化学“介质”TEMPO来实现对糖伯羟基的氧化。Laccase扮演共氧化剂角色，负责将催化量的TEMPO氧化为活性亚硝鎓离子，后者进一步氧化伯羟基为羧酸。2006年，BARATTO等[60]报道了利用该氧化体系合成糖醛酸的研究(如图6所示)。

图6 TEMPO/Laccase氧化单糖为糖醛酸Fig.6 Laccase/TEMPO mediated oxidation of monosaccharide to uronic acid

该氧化反应利用化学与生物学相结合的催化体系，实现了选择性氧化伯羟基为糖醛酸的目的。值得注意的是，该生物转化是在弱酸体系中进行，而其他常见的TEMPO氧化反应是在碱性条件下完成的。因而，此方法可作为TEMPO催化氧化的重要补充，尤其适用于分子结构中含有碱性敏感基团的反应底物。

3.3 TEMPO/电极催化氧化体系

TEMPO电化学氧化由TEMPO与电极构成，主要特点是活性亚硝鎓离子由电极氧化产生(如图7所示)[61]。1999年，SCHNATBAUM等[62]利用TEMPO电极催化氧化合成了一系列单糖的糖醛酸衍生物。2001年BELGSIR等[63]尝试将Nafion©修饰的TEMPO固定在石墨毡电极上，实现了单糖伯羟基氧化，获得了满意的效果(见表1)。

图7 TEMPO/电极介导的电化学氧化Fig.7 Electrode/TEMPO mediated electrochemical oxidation

该氧化体系具备反应温和、后处理简单、TEMPO可回收再利用等优点，在糖醛酸氧化领域具有一定的应用前景。未来随着技术的提高，TEMPO电催化氧化有望实现工业化推广。

4 TEMPO/过渡金属/有氧催化体系

近年来，以O2为氧化剂的TEMPO/过渡金属有氧催化体系逐渐成为研究的热点。显而易见，分子氧经济、环保、可再生，是一种理想的绿色氧化剂。美国化学品研究委员会在发表的“Technology vision 2020”中指出O2为氧化剂的选择性氧化是有机合成中的精髓。因此，发展O2为氧化剂的新型催化体系是绿色化学发展的必然趋势。

目前，TEMPO有氧催化体系在醇伯羟基氧化上不断取得进展，成为开拓绿色氧化的践行者。然而，基态为三线态的氧分子与基态为单线态的醇在温和条件下由于自旋禁阻而很难反应。因此，仅有TEMPO和氧气无法完成有效的氧化循环，而需辅助添加过渡金属如Ag，Au，Pd，Ru，Pt，Cu等助催化剂来促进氧化反应的进行[64-68]。

图8 TEMPO/Fe(NO3)3/KCl有氧氧化伯醇为羧酸Fig.8 TEMPO/Fe(NO3)3 aerobic oxidation of primary alcohol to carboxylic acid

以JIANG等[69-70]报道的TEMPO/Fe(NO3)3/KCl有氧催化体系为例(如图8所示)，该组合可高效地氧化脂肪醇和苄醇的伯羟基为羧酸，且反应条件温和，官能团耐受性好，底物适用范围广。

尽管TEMPO/过渡金属有氧催化体系得到了迅速发展，成为绿色氧化领域的研究热点，但该氧化组合目前还仅限于醇的伯羟基氧化，而在糖醛酸的合成中还鲜有报道。因此，以糖为底物的TEMPO有氧催化是未来重要的探索方向之一，具有较大的研究价值。

5 讨论与展望

5.1 讨论

通过分析TEMPO/次氯酸盐、TEMPO/BAIB、其他TEMPO/共氧化剂，以及TEMPO/过渡金属/氧气这4种TEMPO催化体系，发现这4种氧化组合各有利弊，针对不同的底物类型选择合适的体系是实现氧化糖伯羟基为糖醛酸的正确方式。4种氧化系统的对比结果见表2。

表2 糖伯羟基氧化为糖醛酸的4种TEMPO催化氧化体系的对比

TEMPO/次氯酸盐组合是未加保护的水溶性糖伯羟基氧化的首选。该体系摒弃了传统方法中的保护基策略，采用廉价易得的次氯酸盐为共氧化剂，操作简便，反应高效，区域选择性好，最具有工业应用前景。对于含有保护基的脂溶性糖，其伯羟基的氧化，较多利用TEMPO/BAIB系统。该反应通常在有机和水的两相环境中进行，反应区域选择性高，其反应的副产物碘苯和乙酸易于除去，避免了无机盐的产生，后处理简单，产物品质更高，在糖结构修饰和改造中应用最多。对于TEMPO-生物酶法和TEMPO-电化学法，都有各自的优点，但二者成本较高，在未来工业化应用上仍面临挑战。以O2为氧化剂的TEMPO/过渡金属催化体系是目前科学家关注的焦点。显而易见，采用经济、环保和可再生的分子氧为氧化剂，是绿色化学发展的必然趋势，该氧化体系值得深入探索和研究。