（应用化学专业论文）辅酶Q0的合成.pdf

a e 塞銮疆太堂亟堂焦途塞 虫塞揸鐾 中文摘要 摘要：辅酶q 1 0 是一种广泛应用于生物、制药以及化妆品中的化学制剂。而 辅酶q 0 ( 2 ，3 一二甲氧基一5 一甲基一1 ，4 一对苯醌) 是合成辅酶q 1 0 的重要中间 体，本文以3 ，4 ，5 一三甲氧基苯甲醛为起始原料，经过微波还原，双氧水氧化两 步反应制得辅酶q 0 ，此合成路线具有原料易得，条件温和等优点。 将原料经微波法，还原为3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯，此方法技术路线虽然比较 新颖，但是条件难以控制，产率也比较低，所以只适合于理论研究。第二步是经 氧化反应，将3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯氧化为辅酶q 0 ，经过正交实验，挑选出最 优的合成条件为：以无水甲酸为溶剂，磷钨酸铵为催化剂，用双氧水氧化，在2 0 条件下，反应1 h ，进行核磁共振、液谱一质谱分析，收率为6 5 。在辅酶q o 提 纯的工艺中，改变了以往文献中所述的柱分离，采用氯仿萃取，石油醚重结晶的 方法，纯度可以达到9 9 。并设计实验和理论推导，给出了由3 ，4 ，5 一三甲氧 基甲苯氧化为辅酶q o 的机理。 在文章的最后，提出要从催化剂以及反应的机理等方面加强努力，并期待有 新的突破。 关键词：辅酶q o ；3 ，4 ，5 一三甲氧基苯甲醛；3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯；正交实 验；机理 分类号； a b s t r a c t a b s t r a c t c 蛇y m eq 1 0i s w d lh o w no fi 忸诵l d 懈ei nb i o l o 影， p h a 册刚i c a l ，c o 锄c t i c c o e n z y i n eq o ( 2 ，3 一d i m e t l l o x y - 5 - m e l l l y l 1 ，4 p b 黜嗍咖一 o m ) i sav i t a li n t e 咖e d j a t eo fc o e 舷y m eq 1 0 i i lt h i sp a p c o e n z y m e ( 砷惭l lg e t 缸雌 3 ，4 ，5 一t r 王m 如o x y b z a l d e h y d e ，撕e r 伽os t c p s a c t i o n m i c f o w a v cf e d u c t i o n 柚d p e r o x i d eh y d r o g ，o x i d a t i o n 1 1 l i sr 伽曲ei sc h a r a c t c r i s t i co fc o r 岫e r d a l l ya v a i l a b l e m a t e f i a l m o d e 豫t ef e a c 吐o nc o r i d i t i o n s t h ef i f s ts t 印，3 ，4 ，5 t r i m e l l l o x y b e i l z a l d e h y d ei sr e d u c c dt 03 ，4 ，5 一埘m e l l l o x ”o - l u t e n c ，b yi i l i c r o w a v er 。d u c t i o n ，i sr e l a t i v e l yi n v a t i v e 丘d mt 既h i l i c a lp o i n t b u ti i lf h c t i t i sh 棚t oc o n 的l t l l i sc x p 础n e n tc o n d i t i o n a l m e 矗d d i s l o w 1 1 l eo x i d a t i 明o f 3 ，4 ，5 - 缸m e l l l o x y t 0 1 u t e n et oc o e n z y m e ( i so p t i l n i z o dt h 咖g ho n l l o 昏a lc x p e r i m e m 锄dm es y n t l l e t i c c o n d i t i o 邶黜：t l l ey i e l di s6 5 c o e n z y m eq oi s 咖f i e db yr c c r y s t a l l i z a t i o ni m t e a d o fc o l 啪nc h r o m a t o 乒a p h yw l l i c hd o c u m e n t sp r c s c n t a n dt l l ep r o d u c tp i l r i t yh 嬲g o t 9 9 n 锄、w 西v et l l ep o s s i b l em e c h 柚i s mt a k i n ga d v 孤t a g eo fe 】【p 甜m e n td 鹤i 班舭d t l l e o 珂d 耐u c t i o n a tt 1 1 el a s to fm i sp a p e r w ep 嘲锄tm a tc 砌y s i s 甜i dm c c h a i l i s ms n 】d ys h o u l db e t l l ed i r e c t i o no f s t i l d y 锄dw i l lh a v en e wa c h i e v 锄饥t s k e y w o l m s ：c o z y m eq o ；3 ，4 ，5 一t r i m c 廿1 0 x y b e l l z a l d e h y d e ；3 ，4 ，5 一t r i m 如o x y t o l u t 舶c ； o i t h o 舒m a lc 】c p e r i m e n t ；mc c _ h a n i s m c 1 a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师，北京交通大学朱红教授的悉心指导下完成的， 从论文的选题、实验的方案、资料的收集以及论文的定稿，朱老师给予我诸多的 帮助和指导。朱红教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影 响。在此，我要特别感谢恩师在我求学期间的关心和关怀，使我逐渐的成长，并 对朱老师渊博的知识、严谨的治学态度和高尚的师德师风致以崇高的敬意。 在实验和论文的撰写工作中，北京交通大学化学所的杨玉国副教授、许韵华 副教授、江红副教授以及张忠秀老师，给予了我悉心的指导和热情的帮助。他们 都给予了我很大的关心和帮助，在此向诸位老师表示衷心的谢意。 还要特别感谢，张新卫、冯兰英、黄毅等同学跟我密切的配合，才能使我能 按时保质的完成实验；郭洪范、王芳辉、高平、邹静、朱磊以及焦元刚师兄和师 姐对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 另外也感谢家人的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第一章引言 1 1 辅酶q 0 的结构与基本理化性质 1 1 1 辅酶q o 的结构及性质 中文名称：辅酶q o 英文名称：c o z y m eq o ；u b i q u i n o n e 化学名称：2 ，3 二甲氧基5 甲基1 苯酮 2 ，3 d i l n e m o x y l - 5 - m e m y l 一1 ，4 - b 锄q u i n o 化学结构式如图1 1 ： o o 图1 1 辅酶q o 结构图 f i g 啉l ln e s 仃u c t i | r eo f 洲m 刁eq o 分子式：c 9 h l 0 0 4 分子量：1 8 2 1 8 b e i l n o ：1 6 4 0 4 2 2 c a n o ：6 0 5 9 4 7 理化性质：辅酶q o 是一种醌类化合物红色针状结晶固体，不含结晶水。无臭 无味，熔点5 9 6 0 ，易溶于氯仿、二氯甲烷、乙醚等溶剂；溶于石油醚，甲苯； 不溶于水。对温度和湿度较稳定。 1 1 2 用途 不。 辅酶q 0 的辅酶系列化合物的基体，辅酶q 系列化合物的结构通式如图l 2 所 北宝銮运太堂亟堂僮论塞箍= 童l 直 o h 3 h 图1 2 辅酶q 系列化合物结构图 f i g 珈屯l - 21 1 把s 蜘j c t l l 陀o f c o a l z y m eqs e f i 髓 从图中，我们可以看出，辅酶q 化合物的结构主要是有两部分组成：具有烯 醌结构的主环与异戊二烯侧链。n 代表侧链中异戊二烯的数目，并决定它的命名。 当无侧链异戊二烯时就是我们要研究的辅酶q o 。 辅酶q l i l ( c o 饥z y r ( 砸或c o q n ，n _ 1 1 3 ) ，由于其醌环的氧化还原特性以及多 烯侧链的理化性质，决定了辅酶q n 有许多重要的生理功能【”。而辅酶q 1 0 是作为 人体内唯一的辅酶q 类物质，其重要性是勿庸置疑的。辅酶q 1 0 是最早于1 9 4 8 年发现的，是一种脂溶性类化合物，由于它在生理方面的巨大作用，所以，人们 对它进行了深入的研究，研究历史如表1 1 所示。 表1 一l 辅酶q 1 0 研究历史 1 捌e l - lt h es t i i d yh i s t o r y o f c o 雠z 蛐eq l o 年份人名研究成果 从患维生素a 缺乏症的大鼠肝脏中首次分离 1 9 5 7m o r l o n 得至4c o q l 0 ，命名为泛醌 阐明了其化学结构并首次通过发酵手段获得 1 9 5 8 f 0 1 l 【哪 了该化合物 首次使用一种辅酶相关化合物辅酶q 用于治 6 0 年代中期，a n 】脚j f a 疗人类心脏疾病 1 9 7 2l i t t a m l 发表了心脏病患者缺乏c o q l o 的研究报告 运用化学渗透假说理论，揭示了生物体内能 7 0 年代中期 p e t c rm i t c h e l l 量的转换以及c o q l o 在能量转换体系中重要的质 子传递作用而荣获了1 9 7 8 年的诺贝尔化学奖 揭示出c o q l o 的抗氧化和自由基清除作用， 特别是日本实现了批量生产纯品c o q l o 的工业技 8 0 年代初 e m s t e r 术，极大地满足了临床试验对大量c o q l o 的需求， 有力地促进了临床研究的进展 2 j e 京銮逼太堂亟堂焦j 幺塞簋= 重i l 直 之后，由于色谱分析手段的应用，实现了高效液相色谱仪对血液和组织中 c o q l 0 含量的直接检测，使得c o q l o 的临床试验在数量和规模上都得到了迅猛 发展，继而不断地发现了c o q l o 的新的生理活性并不断拓展了其临床应用。 辅酶q 1 0 除在人体内大量存在外，还以极低的含量广泛存在于其他动物、植 物、微生物等细胞内，并能在所有的机体组织中进行合成。表1 2 列出了一些生物 细胞中辅酶q l o 的含量【2 j 。 表1 2 生物组织中辅酶q 1 0 的含量 t a b k l - 2t h ec o l l 妇l to f c o 锄z y 玎q 1 0i no 曙缸d s m 动物 植物微生物 名称含量名称含量 名称含量 ( 彻l g )( 枷o l g )( 衄0 1 西 脱氨极毛杆 羊肉 2 8 0 烟叶 2 1 4 01 2 9 0 菌 羊心 2 0 0 麸皮 4 6 3 烟曲霉 5 0 0 猪心 9 8 菠菜 4 9 郑孢酵母 4 6 3 罗伦隐球酵 牛心8 5 大豆 3 54 2 0 母 经过研究，我们发现：辅酶q 1 0 是人体维持生命的必需物质，它在动植物、 微生物细胞等体内与线粒体内膜结合，是有与能量转换有关的若干酶系统的辅助 因子，并且它还能为黄素蛋白类和细胞色素之间的一种特殊灵活的载体起作用； 另外，其醌式及侧链异戊烯基的结构特点，使其在氧化呼吸链中起传递电子和质 子的重要作用，并且还能产生天然的抗氧化剂和细胞代谢激活剂，改善细胞膜的 恢复，稳定膜电位以及保护膜结构的完整性。 总之，辅酶q l o 在维持生命的延续和机体的健康等诸多方面起着不可替代的 作用。研究发现，三分之一的人群由于摄入不足、合成障碍、过度消耗辅酶q l o 而致使人体各种重要机能下降。研究还发现，辅酶q l o 对治疗中风、高血压、心 脏病、动脉硬化、肺部疾病都有明显的效果。所以，补充外源性辅酶q l o 已经成 为治疗很多重大疾病的重要手段之一，这种方法的效果相当显著且目前仍没有发 现任何副作用。辅酶q l o 的作用如表1 3 所示。 表l - 3 辅酶q 1 0 的作用 1 a b k l 一3t h ef i i r 硎o f 巧m eq 1 0 应用方面作用原理 具体效用 加强心肌的保护作用心脏病、心绞痛 治疗疾病 治疗呼吸肌疲劳脑血管疾病 稳定生物膜口腔病、慢性肝炎 保健预防 加强呼吸功能作用肺病 自由基清除作用 抗衰老化妆品 抗氧化与抗过氧化 1 1 3 市场前景 从上文的分析可以看出，辅酶q 1 0 作为人体内唯一的泛醌类化合物，用途十 分广泛，随着它在医药、化妆品以及添加剂等领域的广泛应用，市场前景十分广 泛，国内外的市场缺口都很大。很多厂家以及科研工作者都正在着力开展这方面 的研究。 据报道，近几年市场对辅酶q 1 0 的年需求量在4 0 吨以上，并且以2 0 左右 的速度增长。由于其治疗保健效果确切，无副作用，辅酶q l o 在欧美很受欢迎； 而且随着国内对健康投入的逐渐加大，对辅酶q l o 的需求也在增加，但是因为我 国消费的绝大部分依赖进口，所以此项研究可以填补国内用量的缺口。 1 2 辅酶q 0 的合成路线综述 1 2 1 以对甲酚为起始原料 1 9 8 1 年，m o r 蚰o t o 【3 培人报道了，经过溴化、甲氧基化、氧化三步合成辅酶 q o 的方法。虽然对甲酚的来源丰富，但是其产率比较低，由于氧化二溴化合物时 采用了带有腈根的亚铜盐作为催化剂，容易产生环境污染。具体的反应过程如图 1 3 所示。 针对以上合成路线使用腈化物的弊端，我国的科技工作者古练全【4 l 作了很大的 改进，合成路线如图1 4 所示。此方法用碘化亚铜取代了以上的腈化亚铜，而且最 后一步的氧化产率较高，使整个反应的产率提高。 以对甲酚为原料，1 9 8 7 年，k c i n a n l 5 】提出了自己的一套合成路径，方法如图 4 j e 塞窑煎太堂臻堂色论室蓥= 重曼i 畜 1 5 所示。他的研究团队仍然采用了腈化亚铜为催化剂，其中中间产物的纯度都很 高，但是由于所使用的2 ，6 一二羧酸吡啶等试剂价格昂贵，危险性高，限制了其 在工业上的应用。 通过对以上三种方法中所需的原料价格及其理化性质( 如毒性等) 、反应长短、 条件及产品收率等进行综合考虑，可以认为以对甲酚为原料，m o r i i n o t o 及古练权 等人提出的合成路线较为合理。该路线原料对甲酚来源丰富，价格便宜。第一步 溴化反应理论上是一个定量反应，且在常温下即可进行操作简单，产品纯度高， 几乎没有单溴或三溴等副产物；第二步和第三步中，所用到得甲醇钠易制备，反 应条件并不复杂，总收率也较高；第四步氧化反应所用的浓硫酸及过硫酸胺也方 图1 3m o 血t t o 的合成方法 f i g u r | e 1 3t ks y n l h e t i cm 眦h o do f m o 血m o t o ( n h 4 ) 2 s 2 0 4 c h 3 c 0 0 hh 2 s 0 4 o m e 图l _ 4 古练全改进合成方法 f j g u r c l 41 1 l e8 ”m e l i cm e t h o do f g i ll i 锄- q 1 枷 5 t 审却每冷 图1 5 k e i 啪合成方法 f i g u 糟l 一51 k8 ”曲硝cm 汕o do f j i m 1 2 2 以3 ，4 ，5 一三羟基苯甲酸为起始原料 2 0 0 1 年印度科学家c l l i d a a s 等7 1 以2 ，3 ，4 一三羟基苯甲酸为原料采用图1 6 所示的路线合成了辅酶q o 。 该反应经过了五步，将没石子酸氧化为3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯，经过锌汞齐 还原及双氧水的氧化生成辅酶q o 。但是其中经过的步骤偏多，而且使用了有毒的 锌汞齐，对人体和环境将产生危害。所以此法只适用于实验室研究使用。 f e ( c n k c h o 图i 击c l l i n d aa s 厶成路线图 f i 鲫1 61 1 他s y n l l l e i i cm e c h o do f c h i n d aa s 6 j e 塞变通太堂亟堂位j 金奎玺= 重l 直 1 2 3 以3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯为起始原料 以3 ，4 ，5 三甲氧基甲苯( n 订t ) 为原料合成辅酶q o 是一个非常重要的研 究方向。从1 9 7 9 年开始至今，几乎每几年就有一篇关于此法的的文章，所以如何 对待这种实验路线，如何改进这个实验步骤，对发展辅酶q 产业有极其重大的意 义和价值。3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯在我国己有工业品销售且价格适中，因此被许 多的科研实验选用作为c o q o 合成的起始原料。 实际上，不同的文章，都是从溶剂、氧化剂、催化剂、反应时间和温度去求 得反应的最佳条件，以便我们找到最佳反应路线，降低制备成本，从表1 - 4 我们就 能看出各方法的异同。 表l - 4 以3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯为原料的合成方法 t a b i e l 4 m8 y n 删c 蛳t h o d 丘啪刑t 溶剂氧化剂反应温度催化剂产率 二氯甲烷+ 三 氟乙酬s 】 6 0 双氧水一5 无 6 8 2 乙腈水【9 】3 0 双氧水室温铁氰化钾 2 3 6 冰乙酸【1 0 】5 0 双氧水室温浓硫酸 2 5 一定温度的氮 甲酸【1 1 1双氧水磷铝酸 5 7 气氛围 甲酸【1 2 】双氧水 3 0 甲酸 4 8 冰乙酸【1 3 】双氧水 5 超强酸树脂 6 2 甲酸1 1 4 】5 0 双氧水室温磷钼酸 8 0 这些反应都是一步反应的结果，由于氧化反应的收率普遍偏低，所以有文献 提出了新的想法：将3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯与三氯氧磷进行甲酰化反应，接着用 过氧化氢在氢氧化钠溶液中处理，再用重铬酸钠一硫酸氧化得到辅酶q o l l 5 1 或者直 接将甲酰化后得到的2 ，3 ，4 一三甲氧基一6 一甲基苯甲醛用过氧乙酸氧化为辅酶 q o 【1 6 1 。具体过程用图1 7 表示。 7 韭塞空通太堂亟堂焦j 幺奎簋二童j i 直 蝎c r 0 7 q o 图1 7 辅酶q 0 合成新法 f i g u l - 7t h en e wg y n t h 甜c 砌5 t 量1 0 do f c 0 舶动咖eq o 1 2 4 其他合成方法 除了以上三大类的合成方法以外，还有多种合成路线。 1 9 7 2 年，s a t o 等人【1 7 1 通过研究，设计了以下的合成路线，以3 ，4 。5 一三甲 氧基水杨酸为原料，经过脱羧反应、甲基化以及氧化三步反应路线合成了辅酶q o 。 反应路线如图卜8 所示： m e 0 c u c r o 竺 q o k 2 c 2 0 6 h c l 图i 8 s a t o 的合成方法 f i g u r e l 一8 t h es y l l t h e t i c m e m o d o f s a t o 在此反应的过程中，用到了有毒的甲醛，铬催化，并且所需的条件也比较苛 刻，需要干燥的环境，需要氢气的压力等等。这样看来，此反应路线所用的原料 来源比较困难，虽然氧化反应的产量较高，但是前面两步的反应产率过低，使得 矗 j 哀交通太堂亟兰照论室筮二童曼l 畜 此种方法失去了工业应用的价值。 1 9 8 3 年，n i p p o n 过氧化物公司【姗，用n 0 2 气体在室温下对2 ，3 ，4 一三甲氧 基一5 甲基苯酚反应，经处理后得到了纯净的红色晶体辅酶q 0 ，而且产率达到了 9 9 ，具体的合成路线如图1 9 所示。 m e o o m e e n 0 2 一q o 图1 - 9n i p p o n 公司的合成方法 f i g u r c l - 9t h es y n l l l e 6 cm e i l l o do f n i p p c 蚴p 锄y 以3 一甲氧基一4 一羟基苯甲醛为原料进行反应，是早期的科研工作者所采用 的经典路线，主要有两种方法，但是实际上两条线路的原理基本一样，只是其中 所用的试剂有所不同。只取其中收率较大的一种进行叙述。 1 9 6 7 年，w e i n s t o c k 等人【1 卅用无机自由基一离子型的亚硝基二磺酸钾盐做氧 化剂，虽然可以获得较高的收率，但其价格昂贵，使用价值不大，如图卜1 0 所示。 3 s q k ：逛 翻1 1 0w b i l l s t o c k 的合成方法 f i g 1 l o1 1 l es ”m 鲥cm e t h o do f 晡n s t o c k 1 9 9 0 年。r u e t t i m 籼a 等【2 0 】以丙二酸二乙脂为原料，经过反应，最后得到了 辅酶q o 。此方法的思路非常特别，是一种典型的教科书式制备方法。大家都知道 9 j b 塞交通太堂亟堂焦j 金塞 簋二重i l 言 辅酶q o 是一种醌类化合物，起始原料一般为芳香族化合物，但是r u e t t i m 锄n a 等人的合成路线却是用了脂类化合物，再经过成环反应，制得了苯环结构，然后 进一步反应制得辅酶q o ，其反应式如图1 1 1 n e bz 棚2 m e s i am a o i m d ， l ，0 m e a n a t h f oo h 0 o m 0 0 h 岛h 2 c 1 2 n a hb r c h 2 c 0 0 n o h 图卜1 1r u c t t i m ma 的合成方法 f i g i l r e l 一l lt h e8 y n l 甜cm e m o d o f r u c t t h n a 蚴a 从以上的文献综述中，我们可以看出，制取辅酶q 0 的方法很多，但是我们会 很自然的发现这个问题：古练全的方法是科研工作者经常使用的路线；而将3 ，4 ， 1 0 * 婶 韭京銮煎太堂亟堂僮：i 金室 箍二重i 直 5 一三甲氧基甲苯直接进行氧化收率普遍很低，且通常需要大量的强酸作为催化 剂，对工业设备的腐蚀严重；有些催化剂如：磷钼酸，价格较贵，限制了发展。 其它方法如用硝酸铈胺，间氯过苯酸等直接氧化n 盯，收率也不高，用催化量的 k 3 f e ( c n ) 6 进行催化虽有所改善，收率一般低于6 0 ；成环反应的线路步骤太多， 以3 ，4 ，5 一三甲氧基水杨酸为原料，以及用无机自由基一离子型的亚硝基二磺酸 钾盐做氧化剂的合成方法也不是特别理想。 1 3 合成路线的选择 通过对相关文献的分析，再结合当前市场行情，以及对基础理论研究的需要， 特别设计了图1 1 2 所示的合成方法。 h 3 h 3 c o 图1 1 2 本论文的合成路线 f i g u l 1 2t h es y n l e t i ci d u 廿n ei l it h i sp a p e f 3 3 以上的合成方法运用两步合成，由于当前3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯的价格比较 低廉，而且黄鸣龙反应又是一个非常经典的反应，副反应较少，产物比较集中； 而前面的有些反应路线，不是产率低，就是反应试剂比较昂贵，这样极大的限制 了该方法的应用。而第二步的实验方案的选择，实际上前人已经做了很多的工作， 但是对催化剂的选择、以及对机理研究等方面，还是比较欠缺。本文就从以上反 。审。 即t即i 磺呱 北立交通太堂亟堂僮论奎篡= 室量i 直 应历程来做一些这方面的工作。 1 4 本论文研究的意义 从文献综述中，我们可以看出：在辅酶q 系列中，以辅酶q l o 的药理作用最 大，研究最广，最有商业发展前景，到目前围绕辅酶q 系列化合物展开的研究， 他们的最终归宿都是为合成辅酶q 1 0 而服务的。 从上世纪5 0 年代人们发现辅酶q l o 开始，科技工作者就没有间断过对此类化 合物的研究，迄今主要的合成方法主要有：动植物组织提取法、生物发酵法和化 学合成法。前面的两种制备方法，不仅需要昂贵的设备，更需要高级的分离技术， 这不仅需要大量的资金投入，更关键的是这两种方法的收率都相当低，而且我国 也不具备这样的能力。从目前的国际形势看，人们都将精力放到了化学合成辅酶 q l o 方向上来，而辅酶q o 作为化学合成的必需中间体，它的研究更有重大的意义。 首先，开新路。辅酶q o 的合成有很多方法，而且要和辅酶q l o 的后续合成 紧密相连。此项研究的开展，可以开辟出一条新路。尤其是其中的机理研究，可 以为以后类似的工作提供理论依据；作为基础性研究工作，它的意义非凡。 其次，创效益。辅酶q 1 0 的小包装，市场价为3 0 美金克，每一步的合成都 需要控制成本。开发低成本的辅酶q o 的合成路线，可以为我国节省不少外汇，并 能打入国际市场。 第三，树国威。辅酶q l o 的生产主要是由日本的日清制粉和协和发酵株式会 社，两家公司垄断。此项工作的开展，对我国打破垄断并形成具有我国自行知识 产权的辅酶0 1 0 生产技术具有重要的意义。 1 2 第二章3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯的制备 2 1 实验试剂及仪器 表2 1 试剂及仪器一览图 t a b l e 2 一lm 讪砘o f a g t sa n di n ! | 蚋l m 觚t 药品仪器级别型号生产厂家 乙酸乙酯a r北京化工厂 石油醚a r北京化工厂 上海康文医药中间体有 3 ，4 ，5 三甲氧基苯甲醛a r 限公司 水合肼a r国药集团化学试剂公司 一缩二乙二醇a r 天津化学试剂六厂分厂 氢氧化钠a r北京化工厂 微波炉w p 8 0 0格兰仕微波炉厂 2 2 实验步骤 微波以3 ，4 ，5 一三甲氧基苯甲醛为原料，经历微波加热的黄鸣龙反应，制得 3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯。具体的反应方程式如下： l 、在锥形瓶中称取5 9 左右的3 ，4 ，5 一三甲氧基苯甲醛，量取一定量的一缩 二乙二醇将其溶解，之后再加入8 0 的肼，溶液有些微黄；将锥形瓶放入 玻璃制的水槽中，并在水槽中加入一定量的冰；将反应器一并放入微波炉 中； 2 、用微波炉约7 5 的功率加热5 分钟； 3 、将水槽取出，称取4 9 氢氧化钠，加入到锥形瓶中，并将氢氧化钠全部溶解； 4 、用微波炉约9 5 的功率加热l o 分钟； 5 、将水槽取出，溶液变为青色，冷却之后，继续加热5 分钟； 6 、冷却，置于冰箱中，过夜； 7 、将其中的固体滤出，用乙酸乙脂溶解，将不溶物滤出； 8 、重结晶，得到白色固体； 9 、称重，计算产率。 2 3 产物分析 将重结晶得到的白色固体，用b n l l 【e r d p x 一3 0 0 m h z 的核磁共振议进行检测， 检测结果见附图l 。从图中我们可以很明显的分析出这个物质的结构，并且跟东京 化学公司生产的标准品( 附图2 ) 作对比，图中的数据如表2 2 、2 3 可以确认其结 构就是3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯。 表2 - 23 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯标准品的h n m r 数据 t a b l e 2 21 1 圮h 咖d a t ao f n 盯s t a i l d a f d 化学位移( p p m ) 积分面积 可能基团 6 3 8 8 6 92 o 0 0 0苯环上的两个氢 3 8 3 3 6 2 9 0 6 5 3三个甲氧基团中的氢 3 8 1 6 1 5 2 3 0 7 7 83 0 3 4 4 甲基中的氢 表2 - 33 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯产品的h - n m r 数据 t a b l e 2 _ 3t h eh - n m rd a t ao f n 胛p m d u c t 化学位移( p p m ) 积分面积可能基团 6 3 9 3 0 52 o o o o 苯环上的两个氢 3 8 4 3 3 5 9 0 7 7 5三个甲氧基团中的氢 3 8 1 8 6 8 2 3 1 4 3 93 0 2 2 0 甲基中的氢 h 3 ” 3 a 图2 一l3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯氢位置图 f i g u r c 2 一lt h eh 1 p o s i t i o no f t m t 1 4 幽钠 t r tt 丁了t 图2 _ 2 t m r r 标准品h _ n m r 截图图2 3 n 栅产品h - n m r 截图 f i g i l r e 2 - 2t h eh 砌s e l e 甜o f l m ts t a l l d 捌f i g u r e 2 31 k h - n m r s e l e c 衄o f n 胛p f o d i l c t 一般来讲，苯环上的氢一般是在6 5 9 p p m 这个范围内，而在标品以及产品 中，我们可以看到苯环上的氢的化学位移稍向高场偏移，可能是因为三个甲氧基 的弱给电子作用，使得苯环内部的电子云密度上升，屏蔽效应增强，而是氢向高 场移动。 1 m t 标准品与产品图谱截图如图2 - 2 、2 3 所示，表2 4 给出了具体的数据。 为了方便分析，图2 1 给出了氢的标号。对于甲氧基团而言，它的化学位移一般是 在4 5 p p 忸之内，而仪器测出的值均略小于4 p p m 。这是仍然是由于三个给电子的 甲氧基的诱导作用，使得其所带的氢向高场移动。对于这三个甲氧基团，有两个 ( b ，b ) 是完全对称的，有一个( a ) 与这两个不同。峰的归属可以这样分析，处 于物质结构中b j 位置的甲氧基团，由于两侧甲氧基团的给电子，它的电子云密度 要相对大一些，所以，它的位置应该更靠近高场，所以产品中化学位移值6 = 3 8 1 8 6 8 的峰，所描述的应该为中间甲氧基的氢( a ) 的化学环境。从核磁检测中，我们也 可以证实我们的理论分析，从下图可以得出此结论。 表2 41 m t 甲氧基中氢峰归属比较圈 标样产品 化学位移( p p m ) 3 8 3 3 6 23 8 1 6 1 53 8 4 3 3 53 8 1 8 6 8 积分面积6 o o o o3 0 8 1 9 6 o o o o3 0 7 6 2 氢原子个数63 6 3 对于甲基中的氢( c ) ，甲烷中的氢的化学位移一般是0 2 0 p p m ，由于苯环形成 共轭体系的需要，使得甲基上的电子向苯环转移的趋势，所以甲基中的氢向低场 移动。 从以上理论分析，以及跟标样的对比，我们可以推断，所做出的产品就是3 ， 4 ，5 一三甲氧基甲苯。 2 4 原理讨论 本实验中3 ，4 ，5 一三甲氧基苯甲醛被还原为3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯是黄鸣 龙反应，黄鸣龙反应的机理已经比较清楚，大家普遍认为的反应机理如图2 4 所示。 o ，义 船 n 岿h 图2 4 还原反应机理图 f i g u r c 2 4t h em e c h a l l i s mo f f e d o x 凇c t i o n t 6 一r r 2 5 实验结果及讨论 2 5 1 实验结果 对于黄鸣龙反应原先的方法来进行这个反应，将要进行几个小时，虽然这里 使用了微波反应法，减少了反应时间，但是产物的产率只有接近2 0 ，不足以使 用，还是只能限于实验室的研究使用。 2 5 2 实验讨论 微波法应用于有机合成中是从1 9 8 6 年开始的，之后微波在合成中的作用逐渐 被发现，由于内部加热原理，使得吸热反应能够在微波环境中快速高效的进行， 所以一直是科技工作者追捧的对象。但是，应该发现的是，微波反应是相当难控 制的，内部、外界对它的影响都比较大，所以条件的摸索相当困难。 对于微波法合成3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯的方法，程传杰等人【2 l 】已经做过研究， 进行了大量的摸索实验之后发现，由于反应体系的温度很难控制，所述文献中的 结构难以达到。实验步骤中给出的，只是一个经验方法，在实验过程中有很多可 能的现象发生，所以此实验的重复性比较差。 在这个实验中需要注意以下几个方面的问题： l 、将3 ，4 ，5 一三甲氧基苯甲醛溶于一缩二乙二醇中的时候，一定要将其溶 解完全，否则只有少量的原料被转变为腙，而包在内部的原料由于微波的加热将 结块； 2 、在将反应器放入微波炉中的时候，一定要在水槽中放入适当的冰。冰少， 锥形瓶中的温度过高，容易产生氮杂苯类的化合物；冰如果太多，使得锥形瓶中 的温度过低，生成的水不能很容易的蒸发，将使平衡偏向，不利于腙的生成； 3 、在加入氢氧化钠的时候，一定要将锥形瓶冷却后再加入，否则很容易将产 物交联；本反应是分步骤进行的，所以不能将氢氧化钠在第一步中就加入，那么 就极有可能发生砍尼扎罗反应； 4 、氢氧化钠要充分溶解于一缩二乙二醇溶液中，否则可能可能发生多相反应， 不利于反应的进行 1 7 i k 立交道太堂亟堂僮论塞簋三童箍酶q q 的制备 3 1 实验试剂及仪器 第三章辅酶q 0 的合成 表3 1 试剂及仪器一览图 t a b l e 3 一lt h ep l o to f a g 衄协柚di l l s 仃啪锄t 药品仪器级别型号生产厂家 3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯自制 三氯化碳 a r北京化工厂 石油醚 a r 北京化工厂 碳酸氢钠a r北京化学试剂公司 过氧化氢a r国药集团化学试剂公司 磷铝酸 a r 国药集团化学试剂公司 钼酸铵 a r天津市化学试剂四厂 磷钨酸铵 a r北京化工厂 无水甲酸 a r 北京化学试剂公司 冰醋酸 a r 国药集团化学试剂公司 广东省汕头市西陇化工 8 8 甲酸 a r 厂 硫酸镁 a r 北京化学试剂公司 乙腈 a r 北京化工厂 过氧乙酸 a r 北京化学试剂公司 浓硫酸 a r 北京化工厂 甲醇 a r 北京化工厂 环己烷 a r 北京化工厂 硅胶板h s g f 一2 5 4烟台化学工业研究所 紫外灯w f h 一2 0 3 上海精科实业有限公司 3 2 实验步骤 l 、称取一定量的3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯，放入三口烧瓶中； 2 、溶于溶剂中并加入催化剂，放入超级恒温水浴中调节温度，搅拌； 3 、反应结束后，将反应溶液迅速过滤到烧杯中，用氯仿萃取； 4 、用l o 氯化铁溶液洗涤； 5 、用5 碳酸氢钠溶液洗涤； 6 、用无水硫酸镁干燥； 7 、重结晶，在冰箱中过夜； 8 、称重，计算产率，进行检测。 3 2 1 溶剂及氧化剂的选择 关于溶剂的选择，前人已经做了不少的工作，包括选择什么类型的，并且需 要多大的剂量，已经有一个粗略的估计，这样可以减少许多不必要的麻烦，这里 我们选择了不同浓度的甲酸与乙酸作为溶剂，并且根据实验的需要，在机理的实 验中，我们引入了乙腈，以及环己烷作为溶剂。 对于氧化反应而言，因为双氧水的环境友好性，因此无论是在合成上，还是 生物氧化上，用它作为氧化剂来氧化酚都是具有非常大的吸引力的。所以此篇论 文选择了双氧水作为氧化剂。 3 2 2 催化剂的选择 以苯酚为底物，双氧水为氧化剂，经催化羟化制备邻、对苯二酚已成为催化 和精细化工领域中一项十分引人关注的研究课题，就使用的催化剂而言，主要是 分三类：1 、无机酸【冽；2 、过渡金属离子及其有机配合物【”2 4 】；3 、杂原子分子筛 【2 5 绷。 以无机酸，比如硫酸、硝酸、卤酸为催化剂，在反应的过程中很容易出现磺 化、硝化、卤化等副反应，而且这些无机强酸很容易腐蚀设备，并带来环境污染； 象铁、铜和钼等过渡金属，也经常用于双氧水氧化酚的反应中，可是，这些体系 给出的结果非常复杂，很难应用于有机合成中【2 8 】；杂原子分子筛可以说是工业上 最有前途的一种催化剂，而且研究也比较活跃，但是成本较高，而且有很多的问 题还没有解决。根据实际情况，我们这次实验选择了同杂多酸类作为反应的催化 剂。 杂多酸催化剂泛指杂多酸及其盐，是一类由中心原子( 即杂原子，如p 、s i 等) 和配位原子( 即多原子，如m o 、w 等) 通过氧原予桥联方式进行空间组合的多氧簇 金属配合物( 叫y o x o m e t a l a 旧，作为催化材料广泛应用于均相与多相催化反应体 系近年来，杂多酸在催化领域中受到越来越多关注1 2 ”n 。它是一种兼具酸性和 1 9 氧化还原特性的双功能催化剂，通过改变组成原子种类，可使这两种性质发生系 统性的变化，可以达到不同反应类型的要求；特别是它的环境友好性，尤为值得 青睐。另外，因许多杂多酸及其盐在水相和含氧等有机溶剂中溶解度甚大，并且 相当稳定，因此可形成所谓的“假液相”的独特反应体系。 前人已经有一些文献报道了关于杂多酸的文章和专利p ”9 】，并且指出不同的 多酸催化剂有不同的催化性能，在众多的多酸中，选择了三种具有代表性的，磷 钨酸具有最强的酸性，而磷钼酸具有最强的氧化性，它们都属于k e g 百n 型杂多酸， 再选择钼酸铵作为同多酸的代表。当然，在机理实验中，我们还引入了硫酸作为 催化剂。 3 3 正交实验 3 3 1 实验数据 面对从3 ，4 ，5 一三甲氧基甲苯氧化为辅酶q o 的反应，其中涉及到的因素比 较多，但是从综述中，我们已经发现，最重要的是溶剂、催化剂、反应温度和反 应时间，众多的文献都是围绕这几个因素展开的。面对如此庞大的实验，论文选 择了在实验中普遍采用的正交实验法，正交实验及数据如表3 2 、3 3 、3 4 。 表3 - 2 正交实验基本数据表 t a b i e 3 21 1 l eb i cd a t ao f o r d l o g o n a l “p e r i m e n t l23456789 t m t 量( g ) 4 3 4 54 3 0 64 2 9 54 2 9 74 3 0 24 3 34 3 1 74 3 0 04 3 1 7 理论产量( g ) 4 3 4 4 4 3 0 54 2 9 44 2 9 64 3 0 04 3 2 95 3 1 64 3 0 04 3 1 6 实际产量( g ) 2 8 3 l1 3 3 2o1 4 8 82 0 4 53 0 6 82 9 3 22 1 4 63 0 2 7 产率( ) 6 5 43 0 9 o 3 4 64 7 67 0 95 5 24 9 9 7 0 1 纯度( ) 9 8 39 7 6o9 6 69 9 o8 8 79 9 11 1 59 2 7 实际产率( ) 6 4 13 0 103 3 44 7 16 2 95 4 75 7 46 5 o 表3 - 3 因素水平表 t a b t e3 31 1 i ed e s i 弘o f o n h o g o n a ie x p 甜m e n t 淤要 催化剂反应温度( )反应时间( h ) 溶剂 l 磷钼酸 2 0l 无水甲酸 2 钼酸铵3 5 2 8 8 甲酸 3 磷钨酸铵 01 5冰醋酸 表3 - 4 正交实验结果l 9 ( 3 t a b l e 3 - 4t h e 懈u l t so f o r m o g a l 镊p 盯j l i l tb ( 3 4 ) 反应温度反应时间 。心 催化剂( a )溶剂( d ) 产率指标 ( b )( c ) 试验款弓 l23 4 y i l1ll1 y l = o 6 4 l 2l222 y 2 _ 0 3 0 l 3l333 y 3 = 0 o o 42l23y = o 3 3 4 52231 y f 印4 7 l 6231 2 y 6 = o 6 2 9 73l32y = o 5 4 7 832l3 y 8 = o 0 5 7 9332ly 庐劬6 5 0 k u o 9 4 21 5 2 21 3 2 71 7 6 2 k 2 j 1 4 3 4o 8 2 91 2 8 5 1 4 7 7t = y i k 3 j 1 2 5 4 1 2 7 91 0 1 8o 3 9 l = 3 6 3 _ k u o 3 1 4o 5 0 7o 4 4 20 5 8 7 _ - i ；1 k 2 j o 4 7 80 2 7 6o 4 2 8o 4 9 2 9 - k 3 j o 4 1 8o 4 2 6o 3 3 9o 1 3 0 = o 4 0 3 r j 0 4 9 20 6 9 3o 3 0 91 3 7 1 因为正交实验及处理有多种方法，所以有必要进行以下符号说明i 帅】： kh = 第j 列上水平号为i 的各实验结果之和； 乏目= ( 1 s ) k i j ，其中s 为第j 列上水平号i 出现的次数。嚣日表示第j 列的因素取 水平i 时，进行实验所得实验结果的平均值； r j = m a ) 【 硒 - 一m i n ) i l j 称为第j 列的极差或其所在因素的极差。 我们的目的是让产率指标越大越好，所以可以从正交表中得出结论，影响因 素的主次关系是溶剂 反应温度 催化剂 反应时间。 3 3 2 最优方案的工程平均 在一个因素的方差分析模型中，表示第i 个水平所对应的总体均值，i i 为理 2 l j e 塞交通太堂亟堂位i 金塞差三童摘醛q q 数制备 论总均值并且定义了因素的第i 水平效应。仿此原理，由于指定因素的第i 水平的 总体均值及理论均值p 我们现在均不知道，我们只能用样本均值来估计，因而 定义【柚】： a i = k n y ( 3 一1 ) 称为因素a 的第i 水平效应；其中y 为正交表上所有实验指标的总平均。类似的 我们也可以定义因素b 、因素c 、因素d 第i 水平效应b i 、c ；、d ；。运用以上定 义，我们可以得到表3 5 。 表3 5 水平效应表 1 h b l e 3 - 5t h ee 伍t so