戰(zhàn)秀志，譚偉強(qiáng)

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 生物環(huán)保與綠色化工研究中心，山東 青島 266033)

辣根過(guò)氧化物酶催化間苯三酚硝化反應(yīng)研究

戰(zhàn)秀志，譚偉強(qiáng)

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 生物環(huán)保與綠色化工研究中心，山東 青島 266033)

辣根過(guò)氧化物酶；三硝基間苯三酚；硝化反應(yīng)

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(tǒng)工藝合成三硝基間苯三酚是以混酸對(duì)間苯三酚進(jìn)行硝化而得[1-5]，反應(yīng)中由于混酸的稀釋腐蝕，生產(chǎn)成本較高，因此，實(shí)現(xiàn)TNPG的高效、綠色合成成為亟待解決的重要課題。

1 實(shí)驗(yàn)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(zhì)聯(lián)用儀，美國(guó)Thermo公司。

反應(yīng)試劑均為國(guó)產(chǎn)；反應(yīng)溶劑均為市售分析純。

1.2 催化硝化反應(yīng)條件

以間苯三酚為原料，經(jīng)亞硝酸鈉、H2O2和HRP在緩沖溶液中，常溫催化硝化反應(yīng)，反應(yīng)方程式見(jiàn)式圖1。

圖1 間苯三酚硝化反應(yīng)

室溫下將辣根過(guò)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?cái)嚢?，恒壓滴液漏斗緩慢加入過(guò)氧化氫的甲醇溶液，滴加完畢后室溫?cái)嚢?。鹽酸調(diào)節(jié)pH值至5～6，加入3 50 mL乙酸乙酯萃取，無(wú)水硫酸鈉干燥過(guò)夜后，減壓濃縮，硅膠柱層析粗分離后，樣品經(jīng)HPLC-MS分析消化產(chǎn)物HPLC-MS見(jiàn)圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)底物對(duì)產(chǎn)物的影響

分別考察了反應(yīng)底物對(duì)硝化產(chǎn)物的影響，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，反應(yīng)體系中缺少H2O2和亞硝酸鈉幾乎無(wú)硝化產(chǎn)物，適宜pH緩沖溶液會(huì)影響硝化產(chǎn)物收率，辣根過(guò)氧化酶存在下硝化產(chǎn)率有所提高。從產(chǎn)物上來(lái)看，主要以單、三硝化產(chǎn)物存在，三硝化產(chǎn)物收率低于10%。

圖2 硝化產(chǎn)物HPLC-MS

反應(yīng)條件硝化產(chǎn)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(yīng)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(jié)果說(shuō)明，辣根過(guò)氧化酶在一定程度上對(duì)硝化反應(yīng)有促進(jìn)(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(yīng)。反應(yīng)底物中硝化劑是硝化活性中間體的來(lái)源，而H2O2是硝化反應(yīng)進(jìn)行必不可少的底物。另外，反應(yīng)體系在無(wú)酶的條件下也有硝化產(chǎn)物的生成，這可能與亞硝酸鈉在H2O2的存在下易產(chǎn)生硝化活性中間體有關(guān)。

2.2 pH值對(duì)硝化反應(yīng)的影響

由于溶液pH值對(duì)酶活性影響較大，根據(jù)HRP酶活的特點(diǎn)，分別考察了中性、弱酸性和弱堿性緩沖體系對(duì)硝化反應(yīng)及產(chǎn)物的影響，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，緩沖體系酸堿性對(duì)硝化反應(yīng)收率及硝化產(chǎn)物都有影響，弱堿性體系不利于酶催化硝化反應(yīng)的進(jìn)行，而弱酸性體系會(huì)略降低硝化反應(yīng)收率，幾乎無(wú)三硝化產(chǎn)物。

表2 pH值對(duì)產(chǎn)物的影響a

注：a 反應(yīng)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(jié)果說(shuō)明，適當(dāng)控制溶液的酸堿性有利于酶催化硝化反應(yīng)的進(jìn)行，這與HRP在中性介質(zhì)中高活性有關(guān)，另外，適宜的pH值也有利于三硝化產(chǎn)物的生成。

2.3 硝化劑量對(duì)硝化反應(yīng)的影響

為了解硝化劑量對(duì)硝化產(chǎn)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(duì)硝化產(chǎn)物的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 硝化劑量對(duì)產(chǎn)物的影響a

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

2.4 H2O2濃度對(duì)硝化反應(yīng)的影響

過(guò)氧化氫具有較強(qiáng)的氧化性，易氧化間苯三酚，降低硝化反應(yīng)的收率，為考察過(guò)氧化氫對(duì)產(chǎn)物的影響，分別考察了不同過(guò)氧化氫量下對(duì)反應(yīng)收率的影響，見(jiàn)表4。

表4 催化劑量對(duì)產(chǎn)物的影響a

注：a 反應(yīng)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(jié)果可以看出，隨著H2O2量的加大，硝化產(chǎn)物收率加大，且有三硝化產(chǎn)物，但高濃度的H2O2不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，這與間苯三酚本身易被H2O2氧化有關(guān)。

3 結(jié)論

系統(tǒng)研究了辣根過(guò)氧化物酶作為催化劑對(duì)間苯三酚的硝化反應(yīng)，考察了反應(yīng)底物、pH、硝化劑量和H2O2濃度對(duì)硝化反應(yīng)及產(chǎn)物的影響。結(jié)果表明，辣根過(guò)氧化物酶作為催化劑可有效的催化間苯三酚硝化反應(yīng)，反應(yīng)條件對(duì)催化活性和產(chǎn)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(shí)，硝化反應(yīng)收率最高可達(dá)45%，且有三硝化產(chǎn)物生成，為實(shí)現(xiàn)TNPG的綠色合成提供了一種新的方法。

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(本文文獻(xiàn)格式：戰(zhàn)秀志，譚偉強(qiáng).辣根過(guò)氧化物酶催化間苯三酚硝化反應(yīng)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(zhàn)秀志(1990—)，碩士研究生，主要從事催化合成方法學(xué)研究；通訊聯(lián)系人，譚偉強(qiáng)，副教授。

O625.61

A

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