[科普中国]-羟基化

羟基化是指向有机化合物分子中引入羟基的反应。通过羟基化反应可制得醇类与酚类化合物。

羟基化反应的重要性通过羟基化反应可制得醇类与酚类化合物。这两类物质在精细化工中具有广泛的用途，主要用于生产合成树脂、各种助剂、染料、农药、表面活性剂、香料和食品添加剂等。另外，通过酚羟基的转化反应还可以制得烷基酚醚、二芳醚、芳伯胺和二芳基仲胺等许多含其他官能团的重要中间体和产物。1

羟基化方法向化合物分子中引入羟基的方法很多，其中包括还原、加成、取代、氧化、水解、缩合和重排等多种类型的化学反应。例如，采用还原方法将脂肪酸及其酯或其它含氧化合物（如醛或酮）还原，以及在催化剂存在下芳烃与环氧乙烷缩合成醇的方法，都是工业生产中合成醇类化合物的重要方法。1

苯直接羟基化制备苯酚主要有以下几种方法：（1）苯与一氧化二氮 反应；（2）苯与分子氧直接氧化法；（3）苯与双氧水直接氧化。研究虽多，但都存在不足，如：以N2O作氧化剂的气相反应，反应温度较高，成本也太高；以O2（空气）作为氧化剂廉价易得，有成本优势，气相分子氧氧化液相苯，反应温度不高，但反应的 收率和选择性都不好；以H2O2做氧化剂，在实验室条件下便于达到，相比用（O2）作氧化剂苯酚的收率和选择性相对较高，因此本实验选用H2O2做氧化剂来进行苯直接羟基化制备苯酚的研究。

1. 催化剂的制备

目前用于本实验的催化剂种类非常多，在实验室的条件能达到20%以上的收率和90%以上的苯酚的选择性。本实验采用固体催化剂，选择适当的载体，负载一定量的活性组分，采用浸渍法或公浸渍法制备。

2. 实验操作步骤

（1） 磁力搅拌器，回流冷凝管的二颈瓶中加入1mL苯，3mL双氧水，20mL乙腈和0.25克催化剂（分别为cms；GAC(Blank)-450℃；GAC(Fe)-450℃）在70℃下反应5小时，2小时后取样一次； （2） 5小时后停止反应，取样，稀释定容，用高效液相色谱检测。1

甾体生物转化羟化反应生物转化涉及的反应类型很多，如加氢、脱氢、氨化、脱氨、酞化、轻化、脱梭、水解、缩合、环氧化、酞胺化；卤化、酷化、脱水、甲基化、磷酸化、糖基转移反应以及底物分子的歧化、异构化、消旋化等。生物转化已经成功地应用于甾体化合物的研究与生产中，特别是甾体的羟化反应。最早应用于工业生产的羟化反应就是利用黑根霉转化黄体酮生成Ⅱα羟基衍生物。本文概述在生物转化甾体化合物中羟化反应的研究进展。2

羟化反应机理同位素示踪试验的研究表明，转化到甾体化合物上的羟基是直接取代甾体碳架上的氢位置，并且取代过程中没有发生立体构型的变化，也不是通过形成烯的中间体来完成的，即羟基取代的立体构型（α或β构型）是由氢原子原来所处的空间位置决定。羟化作用的氧不来自于水中的氢氧基（-OH）而是来自于空气中的氧。这一点从理论上说明工业上用黑根霉转化甾体时需要充分供氧的原因。Hoyam曾将C11和C12位上的氢被H3取代的孕甾-3,20-二酮作为底物用黑根霉转化来进行研究，结果说明甾体的酶促羟化反应是羟基化位置上的氢被直接取代。2

底物溶解率的影响在甾体化合物的生物转化过程中，由于甾体底物溶解性差、培养基传质效率低、底物产物的反馈抑制和全细胞生物催化副产物多等原因，菌株的转化能力和甾体的转化效率仍然偏低，是甾体生物转化技术实现工业化的主要瓶颈。

中国是甾体化合物原料及其制剂的主要生产国，原料药年产值近100亿元，其中70%出口，且皮质激素类原料的生产规模已居世界之首。薯蓣皂素的日渐枯竭造成原料成本价格上升，同时合成的低端产品又缺乏国际竞争力，这给我国甾体药物产业带来了严重的危机。因此，需要积极努力开发新型甾体原料资源，研究收率高、成本低、环境污染小的绿色工艺。

甾体化合物的原料包括植物甾醇，包括β-谷甾醇、豆甾醇、油菜甾醇等，它们主要来自于豆类植物或炼油下脚料。它们具有甾体化合物的母核结构，因而将其“变废为宝”能有效解决水解黄姜所带来的环境污染问题。

其他甾醇原料，如存在于酵母及真菌中的麦角甾醇，又称麦角固醇，是一种重要的医药化工原料，可用于氢化可的松、黄体酮等药物的生产。

因为原料的溶解性问题对甾体化合物的生产占据较大影响，所以寻找新型、有效的甾体药物前体原料仍是未来甾体生物转化方向的主要研究方向。2

甾体羟化酶的研究早在1981年，Ghosh等首次研究了Aspergillusochraceus的无细胞抽提液对孕酮的Ⅱα羟化，并对Ⅱα羟化酶进行了初步研究。研究表明该酶是一种诱导酶，主要存在于无细胞抽提液经离心的线粒体后的上清液中，进一步对该上清液离心分离得到微粒体和微粒体后上清液，两者单独存在都不能进行羟化反应，而微粒体部分在添加NaIO4后显示有羟化酶活性，推测羟化酶可能是一种多酶体系，其血红蛋白部分在微粒体中，而微粒体后上清液中可能含有羟化酶系统的非血红蛋白部分。酶的体外羟化活性被氰化物刺激、美替拉酮（metyrapone，细胞色素P450依赖的羟化酶抑制剂）抑制进一步证实微生物羟化反应是由细胞色素P450介导。2

本词条内容贡献者为:

李廉 - 副教授 - 中国矿业大学