乳清酸的硝化工藝優(yōu)化

田 華，張海亮，唐蓉萍，伍家衛(wèi)，甘黎明

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

乳清酸也稱為維生素B13，但它能被人體和腸內(nèi)菌合成，因此又不列為維生素。它具有酮式結(jié)構(gòu)(1,2,3,6-四氫-2,6-二氧-4-嘧啶羧酸)和烯醇式結(jié)構(gòu)(2,6-二羥基嘧啶-4-羧酸)，作為合成尿嘧啶核酸的重要中間產(chǎn)物及DNA、RNA生物合成的前體物，是一種非常重要的嘧啶衍生物。目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出以乳清酸為基礎(chǔ)的系列化藥物，如硝基乳清酸、氨基乳清酸、氨嘧酰胺乳清酸鹽(阿卡明)等，可以治療多種肝臟疾病，乳清酸的某些衍生物對心臟病也具有顯著的療效。

圖1 不同路線制備硝基乳清酸

得到硝基乳清酸的常用方法是6-甲基尿嘧啶先后經(jīng)過硝化反應(yīng)和氧化反應(yīng)，如圖1(a)所示，本實驗直接以乳清酸作為反應(yīng)物硝化制備硝基乳清酸，如圖1(b)所示，早在1924年就有德國人用發(fā)煙硝酸直接硝化乳清酸，但描述不詳細(xì)，后來也沒有確切的文獻(xiàn)或報告應(yīng)用。該方法的難度在于羧基的引入，由于鈍化及位阻效應(yīng)導(dǎo)致反應(yīng)更難進(jìn)行，且條件若控制不好，副產(chǎn)物較多。本實驗考察了硝酸與硫酸的物質(zhì)的量比，反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間等工藝參數(shù)的影響，在最優(yōu)條件下成功制得硝基乳清酸。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Phenom Pro臺式掃描電子顯微鏡，Nicolet iS5 FT-IR紅外光譜儀，Agilent 1260高效液相色譜儀，上海滬析85-2WS磁力攪拌器， 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

99%乳清酸，65%硝酸，98%硫酸，乙酸乙酯，甲醇。

1.2 實驗操作

攪拌作用下將乳清酸分批加入到裝有一定量98%濃硫酸的250mL圓底燒瓶中，使溶解，再控制溫度逐滴加入一定量65%濃硝酸，攪拌反應(yīng)一段時間后，控制溫度將溶液分批次加入大量水中，再用乙酸乙酯萃取后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，得到目標(biāo)產(chǎn)物并進(jìn)行產(chǎn)品分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析方法

2.1.1 掃描電鏡(結(jié)構(gòu))

圖2是產(chǎn)品硝基乳清酸的掃描電鏡圖片。

圖2 硝基乳清酸的掃描電鏡

2.1.2 紅外光譜(官能團)

原料和產(chǎn)品采用KBr壓片法進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析，得到的譜圖如圖3。

從IR譜圖中可得，與(a)相比，(b)圖中明顯出現(xiàn)了一些新峰，根據(jù)紅外光譜吸收特征峰分析，1574.65cm-1和1368.91cm-1處分別為-NO2的反對稱和對稱伸縮振動峰，890cm-1附近的峰為C-N伸縮振動帶，此外其余如-COOH，-NH-CO-等特征峰仍舊存在。以上可以證明-NO2已成功接到乳清酸上，得到的產(chǎn)物為硝基乳清酸。

圖3 乳清酸(a)和硝基乳清酸(b)的紅外光譜

2.1.3 液相色譜(純度)

將少量樣品溶于甲醇中，通過液相色譜進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示，該方法制得樣品純度為90.77%，多次試驗純度均大于90%。

圖4 產(chǎn)物的HPLC譜圖

2.2 工藝條件的優(yōu)化

2.2.1 混酸組成的影響

雖然5-位的羧基造成的鈍化及位阻等效應(yīng)對4-位的硝化反應(yīng)不利，但由于尿嘧啶結(jié)構(gòu)是酮式和烯醇式結(jié)構(gòu)互變異構(gòu)，考慮到羥基可以起到活化作用，且羥基作為典型的鄰、對位定位基，對4-位硝基的引入也可起到積極的作用，這在一定程度上降低了反應(yīng)進(jìn)行的難度。因此本實驗與其他報道不同，并未直接制備混酸，而是先將乳清酸溶解分散在一定量的濃硫酸中，再加入濃硝酸使硝化。并與混酸中反應(yīng)的方案進(jìn)行對比，得出的產(chǎn)率和樣品純度均比混酸效果好。

在其他條件不變的前提下，改變加入硝酸的量對產(chǎn)物的純度影響較大，試驗參考一些文獻(xiàn)更加細(xì)化了濃硫酸與濃硝酸的物質(zhì)的量比，加入5g乳清酸，控制在0～15℃反應(yīng)12h，得出的結(jié)果如表1所示。

表1 混酸的組成對樣品產(chǎn)率及純度的影響

2.2.2 原料與硫酸的比例

在其他條件不變的前提下，考察硫酸與溶解的原料的物質(zhì)的量投料比，使硫酸與硝酸的物質(zhì)的量比為2.5∶1，控制在0～15℃反應(yīng)12h，得出最優(yōu)的投料比為1∶1，若再增大酸量，原料的溶解量增大的幅度極小，而且在反應(yīng)后處理時由于硫酸及硝酸量的增加需要更多的水溶，增加了萃取的次數(shù)和萃取劑的用量，濃縮萃取液時推測可能存在少量酸液，很難濃縮至完全干，影響試驗結(jié)果。

2.2.3 反應(yīng)溫度的影響

根據(jù)文獻(xiàn)報道該反應(yīng)的溫度為40～80℃進(jìn)行實驗，實際結(jié)果是除得不到高產(chǎn)率和高純度的產(chǎn)物外，還會生成有毒的副產(chǎn)物NO2，因此該實驗設(shè)計了方案考察溫度對產(chǎn)物的影響，結(jié)果如表2所示。通過研究發(fā)現(xiàn)溫度對該反應(yīng)的結(jié)果起著至關(guān)重要的作用，一旦溫度高于15℃，得到的產(chǎn)率就大大下降，且通過FTIR分析得到的譜圖在3100cm-1附近有很強的吸收峰的出現(xiàn)，推測高溫下反應(yīng)物易發(fā)生如水解等反應(yīng)，導(dǎo)致整個反應(yīng)的失敗，因此要嚴(yán)格按照低于15℃的溫度控制整個硝化過程。

表2 反應(yīng)溫度對樣品產(chǎn)率及純度的影響

2.2.4 反應(yīng)時間的影響

實驗考察了1h、3h、6h、9h、12h、18h、24h的反應(yīng)時間對產(chǎn)率及純度的的影響，結(jié)果表明，反應(yīng)12h，產(chǎn)率和純度均能達(dá)到85%以上，反應(yīng)超過12h，產(chǎn)率與純度的變化不大，因此，反應(yīng)時間選擇12h。

3 結(jié)論

本實驗以乳清酸為反應(yīng)物，用一定比例的濃硫酸和濃硝酸構(gòu)成的混酸直接硝化反應(yīng)物得到硝基乳清酸，考察了混酸的物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等條件對硝化作用的影響。項目從高產(chǎn)、高純度、安全、綠色化工等角度考慮選擇轉(zhuǎn)化方法，并優(yōu)化條件，最終確定了理想的工藝路線。硝基乳清酸的產(chǎn)率可達(dá)到80%以上，純度達(dá)90%以上。