葡萄糖醛酸及其内酯制备方法的研究进展

葡萄糖醛酸及其内酯制备方法的研究进展

陈 辉 和娴娴

（河北科技大学石家庄 050018)

摘 要：对葡萄糖醛酸及其内酯的制备方法进行了简单的介绍,讨论了各方法的局限性,并且对其工艺进行分析。结合贵金属铂催化剂对葡甲苷的伯羟基进行选择性催化氧化，合成葡萄糖醛酸及其内酯的工艺进行讨论。指出催化氧化法合成葡萄糖醛酸及其内酯反应工艺条件温和、催化活性好、氧化选择性高，具有较好的工业应用前景。

关键词：葡萄糖醛酸 制备方法 催化氧化 研究进展

The research progress of preparation methods

on glucuronic acid and its lactone

CHEN hui ,HE xian xian

(The hebei university of science and technology, hebei shijiazhuang 050018)

Abstract: The preparation methods of glucuronic acid and its lactone is introducted briefly, and the process is analyzed. The catalyst used in this study was a combination of the noble metal palladium which had the advantage of selectively oxidizing primary hydroxide radical which was a unique assistant oxidant．It was conclued that the catalytic oxiding technology had some industrial feasibilitywith the moderate condition and the high oxidative selectivity．

Key Words: glucuronic acid; preparation methods；catalytic oxidation; research progress

引言

葡萄糖醛酸的分子结构为葡萄糖6位上的醇基被羧基置换。在人和动物体内，葡萄糖醛酸是以尿苷二磷酸葡萄糖醛酸（UDPGA）为葡萄糖醛酸的活性供体的形式存在的。在微生物中，葡萄糖醛酸常以细菌分泌的多糖形式出现，个别细菌也有从6-磷酸葡萄糖经过肌醇形成游离的葡萄糖醛酸的途径。以葡萄糖醛酸为基础, 制备了与铂的络合物具有抗肿瘤活性作用的药物[1]。在肝脏中以葡萄糖醛酸盐或配合物的形式存在葡萄糖醛酸能与含有羟基、羧基、巯基等有毒物质结合，形成无毒或低毒的配合物而由尿排出[2]。

葡萄糖醛酸内酯，其化学成分为：D-(+)-呋喃葡萄糖醛酸γ-内酯[3]，分子式为C6H8O6。在植物体内内酯通常以与其它碳水化合物形成聚合物形式存在；在人体器官中，形成无毒或低毒的葡糖醛酸结合物而由尿排出，起到保护肝脏及解毒作用，因此可作为一种肝脏解毒剂和免疫功能调节剂，是常规的保肝护肝良药。除在医药领域的应用外，葡醛内酯及其后续产品还是功能性饮料和食品、减肥药、化妆品等的主要添加剂，具有补充体能、改善缺氧、滋养肌肤、延缓衰老的功效，其市场需求量已经远远超过在医药领域的需求[4]。

1 葡萄糖醛酸及内酯制备方法概述

现行生产工艺中一般以多糖( 如淀粉)为原料，通过不同的氧化剂来氧化其结构单元中的伯

羟基得到糖类氧化物(如氧化淀粉) ，糖类氧化物经水解酯化得到葡萄糖醛酸内酯。

1.1 甘草酸铵制备法

在1990年，俄国科学家曾尝试用甘草酸铵制备醛酸[5]。甘草酸铵是甘草根的三萜皂甙，它含有两个葡萄糖醛酸基，占分子量的48%。该方法采用酶水解法，去掉甘草酸的两个葡萄糖醛酸基，沉淀生成甘草次酸，将剩余水解液经过4次重结晶，得到葡萄糖醛酸。

β-葡萄糖醛酸苷酶是一种糖苷类水解酶，能催化各种类型的β-葡萄糖醛酸苷水解，并且不同生物来源的β-葡萄糖醛酸苷酶具有催化不同底物和反应的特性[6-8]。Muraver IA[9]用β-葡萄糖醛酸苷酶通过发酵氨基甘草酸盐制备糖醛酸。在2009年，筛选得到菌种penlcillium purpurogenum Li-3可定向催化甘草酸合成GAMG。β-葡萄糖醛酸苷酶经层柱黏土固定后，其热稳定性得到显著提高[9]。

该法重结晶葡醛酸损失较多，产率不高。后人们发现去掉甘草酸的一个葡醛酸，生成单葡醛酸甘草酸，是一种高甜度、低热量的新型甜味剂，后人现已将研究重点放在单葡萄糖醛酸甘草酸生产上。

1.2 多糖水解法

通过水解自然界存在的多糖醛酸或从含糖醛酸的多糖中提取得到醛酸是多糖水解制备方法。例如，用热水萃取全纤维素、用碱碱解棉花和纤维素、氯水溶液氧化纤维素来制备醛酸的相关报道[4]，大量醛酸的生成说明纤维素链上的C6的氧化是明显的。

该方法中，连接糖醛酸的苷键一般稳定性高，水解困难，需要很强的酸碱水解条件，此条件下产物糖醛酸往往被分解，产品收率低，不能满足生产需要。由自然物制备的较好方法是利用酶水解，酶水解条件温和，糖醛酸不被分解且产率高。

1.3 化学氧化法

化学氧化法在制备醛酸中是常用的制备方法，应用也比较广泛，综合来看工业制备中常见有无机氧化法和催化氧化法。在Bi或Pb调制的Pt 电极上氧化葡萄糖得到了醛酸，但氧化的主要产物是葡萄糖酸[5]。

1.3.1 无机氧化法

利用无机试剂氧化醛酸及其内酯的前体或中间体来制备就是无机氧化法的基本原理，从起始原料来看主要的制备途径有两种，分别为还原适当的糖二酸单内酯和氧化醛糖的伯羟基。氧化醛糖的伯羟基制备葡醛酸的途径主要包括H202氧化法[11]、高锰酸盐氧化法、Cr03氧化法、淀粉硝酸氧化法、海藻糖氧化法、N02氧化法等。Salam和Isbell[12]报道甲苷和碱性H202在铁盐存在下室温反应生成相应的酸，脱水则转化为γ-内酯，在氧化及环的转变过程中，甲苷键仍然保留，并且微潮的甲苷酸内酯在室温下放置5~6天后自然转化为晶态的葡醛内酯。

现行的工业生产方法是以淀粉为原料的硝酸氧化法，该方法沿用了1951年由G.Serchi等用硝酸氧化淀粉制备葡醛酸及其内酯的生产工艺[13,14]，其生产流程为淀粉经硝酸氧化、加压水解，在酸性条件下将葡醛酸水溶液内酯化。酯化液经结晶脱水即得粗品，然后再经溶解、脱色、过滤、结晶，烘干后得到葡醛内酯成品。

该工艺反应体系比较复杂，氧化选择性差，副反应多、氧化程度无法有效控制，产物分离困难，产品收率仅为10%左右，且能耗高，环境污染严重。

1.3.2 催化氧化法

近几年来，以葡萄糖及其衍生物为原料，采用分子氧氧化的催化氧化工艺是目前合成葡醛酸较有工业应用价值的崭新研究方向。可克服传统硝酸氧化法不足，反应选择性高且污染少。

在糖类化合物的催化氧化技术中，通过负载贵金属铂催化剂对其伯羟基进行催化氧化具有较高的活性和选择性，但使用铂成本昂贵[15]。Schuurman等[16]研究了甲苷在Pt／C催化剂上的氧化，在转化率为0.02到0.10的范围内，甲苷氧化为甲苷酸钠的选择性为100％，甲苷-α-D-葡萄糖二醛作为反应中间体出现，还发现石墨载体上的铂的活性比活性炭上的低。钙钛矿型复合金属氧化物的特殊结构，作为催化剂助剂具有良好的助氧化还原能力，以钙钛矿型复合金属氧化物为载体

的载钯催化剂在氧化羰基化反应中显示了较好的催化活性和反应选择性[17]。甲基葡萄糖苷全称甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷，现在国内生产，广泛用于日化、石化等行业。

多相催化氧化反应具有反应条件温和、选择性高、反应易于控制、反应装置简单等优点。通过对催化剂的选择可以改变反应活性和提高反应选择性, 从而提高反应效率、降低成本、减少环境污染、增加企业效益, 因而催化氧化法具有很好的工业应用前景[3]。

2．葡萄糖醛酸及内酯生产工艺现状分析

在工业生产方法中，首先, 氧化虽然有一定的选择性，但葡糖单元上的所谓次位羟基也会有一部分同时被氧化；其次, 淀粉在氧化期间会有一部分发生水解, 且水解产物是葡萄糖以外的物质如双醛等；再次是水解是在强碱性(或高温高压、强酸性) 条件下进行的, 水解的同时会有一些已生成的葡醛酸分解。氧化淀粉的水解是葡醛内酯生产中非常关键的步骤。传统的做法是加温加压下的酸法水解, 该法水解条件的选择和水解终点的确定都比较困难。林培喜等[14]通过理论分析和试验研究了碱法水解。碱法水解可以在常压下完成, 水解终点易于确定, 且最终产率比现有的酸法水解的产率高。

在糖类化合物及其衍生物的催化氧化技术中，通过负载贵金属铂催化剂对其伯羟基进行催化氧化具有较高的活性和选择性，但使用铂成本高昂。那么选择合适的助剂可有效提高贵金属的催化活性。由于钙钛矿型复合金属氧化物的特殊结构，作为催化剂助剂具有良好的自身氧化还原能力，以钙钛矿型复合金属氧化物为载体的负载钯催化剂在氧化羰基化反应中显示了较好的催化活性和反应选择性。因此，袁华等[18]人通过探索以钙钛矿型复合金属氧化物为载体的载钯催化剂对糖类化合物伯羟基的选择催化氧化。研究表明Pd／La0.5Pb0.5Mn03负载型催化剂用于催化氧化甲苷合成葡萄糖醛酸具有较好的催化活性。

虽然现在越来越多的专业人士参与到了葡萄糖醛酸生产工艺的研究当中，但都是从化学方法的角度进行研究的，并且也取得了不少的成果。这些项目的改进都不仅提高了产品收率，并且简化了分离过程，缩短了生产所需要的时间，大幅度降低了能耗，从而降低了生产成本，提高了企业效益。然而，这些改进后的工艺或是采取的一些优化措施都无法从根本上解决葡酸制备中存在的不足，也无法真正解决生产过程中由于重金属作为催化剂的使用而造成对环境的严重污染。因此，研究出一种全新的生产工艺具有极其重要的意义。

参考文献

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（略）