【优秀毕业论文】 l-丙氨酸的消旋和d-丙氨酸的制备及l-丙氨醇的合成工艺研究.pdf

加 介 次掌 周近匕 学 之侧含岁忆 暴 论文题目 一 丙氨酸的消旋和 二丙 氨酸的制备 作者姓名 学号 指导教师 学科专业生物化工 所在学院 提交日期年月 摘 要 一丙 氨酸是一种重要的天然氨基酸 ， 是人体必需氨基酸 ， 是血液 中含量最 多 的氨基酸 ， 与糖代谢密切相关 ， 在转氨反应 中是主要的氨基供体 ， 具有 重要的生理功能 。 它 是一种营养 增补剂 ， 为 多种复方氨基酸输液的主要 组成部分 ， 还可以供作医药 中间体 ， 是 维 生素的 主要 原料 。一丙 氨醇 是合成第三代喳诺酮类广谱抗菌药左旋氧氟沙星 的关键中间体 。 左 旋氧 氟沙星 是氧 氟沙星氟嚓酸的型左旋光学异构 体 ， 抗菌活性是后者的两倍 ， 而且 毒副 作用 反应小 ， 水溶性大 ， 除口服剂 型外 ， 还可制成注射剂型 。 本文通过研究 一丙 氨酸在酸催化和碱催化下的消旋作用 和机理及实验数据 表 明溶剂 、 催化剂 、 温度 、 值和 反应时 间对 消旋化都有着重要的影响 ， 从而有利于指导实验和 工业 生产 。 本文还研 究了 一丙 氨酸 通过瓦 尔 登转化法从而获得了 一丙 氨酸 ， 并用酶促拆分法从 一丙 氨酸获得了 一丙 氨酸 ， 实验表 明 ， 酶促拆分法制备 一丙 氨酸更简便有效 ， 产率更高 。 本文采用手性源法以 一丙 氨酸为原料合成了 一丙 氨 醇 ， 并分 别以硼氢化钾 、 硼氢化锌 和硼氢化四甲基铰为催化剂进行还原 ， 得出 了最适合的催化剂及其用量 。 另外 ， 还考察了两 种酷化方法浓硫酸催化酷化法和氯化亚讽催化酷化法对制 备 一丙 氨醇的影 响 ， 从实验数 据得出这两种酷化 方法的收率都比较高 ， 达到以上 ， 但是氯 化亚枫酷化速度更快 ， 因此我们选择这种方法 。 本文还考 察了合成过程 中 一丙氨 醇 的消旋状 况 ， 得出 了合成 一 丙氨醇 的适宜的反应条 件 ， 达到 一 丙氨醇的单程收率 。 关键词 一丙 氨酸丙氨醇 醋化消旋化瓦尔登转化 酶促拆分 合成 一 ， 一， ，一 一 ， 一， 己 一一 么 ， 一一 一 ， ， 兀 ， 一， 勿 ， 往 ， 丫台 ， ， 多 目录 第一章文献综述 ， ， 概述 ， 立体化学中的概念与表征 ， 概念 表征 ， 消旋方法论述 酸催化 消旋 ， ， ， ， 碱催化 消旋 酶催化消旋 热 消旋 ， ， 通过氧化还原作用和自由基 消旋 ， 消旋方法选择 二 ， 二 ， ， ， ， ， 二 ， 二 ， 二 ， 二 ， 构 型转换方法及光学异构体的分离方法论述 拆分分离法 ， 结晶法 ， ， ， ， 化 学拆 分法 ， 膜拆分法 色谱拆分法 酶促拆分法 ， 一 ， 一 动 力学拆分 ， 不对称转换 瓦尔登转化 、 ， ， 巧 构型转换方法选择 ， 一 手性化合物的合成 方法论述 不对称 合成的方法 以非对称的化 合物 作为起始反应 物的不对称合成 ， 外消旋体的拆 分方法 ， 一丙 氨醇合成进展 不对称合成法 ， 以为催化剂合成 一丙 氨 醇 ， ， 以 一 为催化剂合成 一丙 氨醇 以 一 为催化剂合 成 一丙 氨醇 外 消旋体拆分法 ， ， 外消旋丙氨醇的制备 外消旋丙氨醇的拆 分 ， 液相法催化 加氢 ， ， 合成方法选择 ， ， ， 研究路线选择 ， 第二章反应机理及研 究方案 消旋机理 ， ， ， 消旋反应的动力学 ， ， 消旋反应机理 ， ， ， 矛 碱催化 消旋 的反应机理 ， ， 二 ， ， ， 酸催化消旋反应机理 ， ， ， 构 型转化 反应机理 ， 瓦 尔 登转化反应机理 ， ， ， 重氮化反应机理 重氮盐 卤素取代反应机理 卤代物氨解反应机 理 ， 二 ， 合成 反应机理 ， 酉旨化反应机理 ， ， 、 浓硫 酸催化酷化法 ， 氯化亚飒醋化法 ， 咒 还原 反应机理 ， ， 二 催化加氢 、 ， 金属氢化物还原 ， ， 研 究方案 第三章实验部分 实验 原料与 设备 ， ， 一 丙氨酸的消旋 实验 一丙 氨酸的酸催化消旋 一丙 氨酸的碱催化消旋 ， 一 丙氨酸 的合 成实验 ， 瓦 尔登转化制备 一丙 氨酸 一澳代 丙酸的制备 ， 一 澳代丙酸的氨化工艺 ， ， 一丙 氨酸的分 离 ， 一丙 氨酸酶促拆 分法制 备 一丙 氨酸 一 乙酞 一一 丙氨 酸的制备 一丙 氨酸的制 备 ， 一丙 氨酸的制备 ， ， ， 合成部分实验 ， 酉 旨化反应 ， ， ， 以浓硫酸为催 化剂的酷化反应 ， 以氯化亚飒为催化剂的酷化反应 ， ， ， ， 二 ， ， ， 还原反应 硼氢化钾还原法 硼氢化锌还原法 ， 二 ， ， 二 ， ， 硼 氢化四 甲基馁 还原法 氯化四 甲基 馁 再 生利用 ， ， ， 第四章 实验结果及讨论 一丙 氨酸的消旋 ， 一丙 氨酸的消旋动力学 一丙 氨酸的酸催化消旋 的影响因素 ， 梭酸溶剂的影响 催化剂的影 响 口 温度的影 响 一 一丙 氨酸的碱催化消旋的影 响因素 ， 值对 消旋的影响 ， ， 温度对消旋的影响 ， 反应 时间对消旋 的影响 ， 一丙 氨酸的合成部 分 ， 瓦尔登转化法制 一丙 氨酸的影响因素 制备 一澳代 丙 酸的影响因素 反应温度的影 响 值的影响 二 ， ， 反应原料配比的影响 一澳丙 酸氨化工 艺 的影 响因素 ， ， 温度的影 响 ， 中和过程的影响 ， ， 中和剂的种类 ， 中和温度的影 响 ， 产品分离工艺 的讨 论 ， 酶促拆分法制 一丙 氨酸的影 响因素 反应温度的影响 ， 一 酶 用量的影 响 ，、 反应时 间的影 响 ， 合成 部分 酷化 反应 ， ， 浓硫酸催化酷 化法 氯化亚枫催化酷化法 ， 还原 反应 ， 第五章结论 参考文献 致谢 附录 一丙 氨酸甲酷盐酸盐红外 吸收光谱 附录 一丙 氨醇 一 吸收谱图 子 郭四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇的合成工 艺研究 第一章文献综述 概述 本文主要做了三个方面的研究 、 研究了 一丙 氨酸在不同条件下的消旋作用及其机 理 、 研究了 一丙 氨酸的构型转换从而获得了 一丙氨 酸 ， 并用酶促拆分法从 一丙 氨酸 获得了 一丙 氨酸 、 用手性源法以 一丙 氨酸为原料合成了 一丙 氨醇 ， 并考察了合成过程 中 一丙 氨醇的消旋状况 。 由于研究过程 中主要涉及到 的化合物均为手性的 ， 故对手性先做 简要介绍 。 分子结构互为镜像但不能重合的两个化合物称为对映体 ， 由相等数目的对映体分子 组成 外消旋体 。 对映体的分子式完全相同 ， 物理和化学性质大都相 同 ， 只是原子或原子团在空间 的取向不同 ， 它们彼此不能重合的性质称为手性 。 手性异构体对映体是自然界的一种 普通现象 ， 构成生物体的基本物质如氨基酸 、 糖类等都是手性分子 。 自年发现 旋光异构体的存在以来 ， 光学活性体愈来愈引起人们 的重视 。 生命界中普遍存在的糖为 型 ， 氨基酸为型 ， 蛋白质和的螺旋构象又都是右旋的 。 在医药化学领域 中这一点 尤为突出 ， 已知药物中约有 礴。 是手性的川 。 手性分子的重要性不仅表现在与 生物相 关的领域 ， 在功能材料领域 ， 如液晶 、 非线性光学材料 、 导电高分子方面也显示出诱人前景 。 随着对手性分子认识的不断深入 ， 人们对单一手性物质的需求量越来越大 ， 对其纯度的要求 也越来越高 。 生命体内许多 内源性化合物 ， 包括可与药物发生药动力学和药效学相互作用 的天然大 分子都具有手性 ， 不同手性的药物作用 于生物体时 ， 它们所起的作用是不同的 ， 在活性 、 代 谢过程及毒性等方面往往存在着显著差异 。 年美国食品药品管理局规定 ， 今 后凡研制具有不对称 中心 的药物 ， 必须给出手性拆分的结果 ， 欧共体也采取了相应的措施 。 故开发手性合成技术生产光学纯药已成为国际制药工业的共识 。 具手性结构的药物大多以外 消旋体的形式出现 ， 即含有等量的左旋体和 右旋体 。 而 以 单一的对映异构体形式出现的较少 。 但随着手性药物 的市场需求的迅速增长 。 刺激了手性药 物的研究与开发 ， 手性药物制药工业也因此迅速发展壮大目前手性药物的研究已成为国际 新药研究的新方 向之一 。 单一对映体药物制剂世界市场每年以以上的速度增长 。 年手性药物制剂世界市场为亿美元 ， 预计年格达到亿美元 。 世界正在开发 的 种新药中有三分之二是手性的 。 其中单一异构体 占 。 年世界各地批准 浙江大学硕士学位论文第页共页 郭四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇的合成工 艺研究 的新药 中有一半 以上是单一异 构体 。 广阔的应用前景和巨大的市场发展推动了探索新的更 有效的获得单一手性化合物方法的研究 。 单一手性化合物的获得方法有三种手性源合成法以手性物质为原料合成其他 手性化合物 。 这种方法是有机化学家最常用的方法 。 但是 由于天然手性物质的种类有限 ， 要 合成多种多样的 目的产物会遇到很大困难 ， 而且步骤繁多的合成路线也使得最终产物成本十 分高昂 。 不对称合成法是在催化剂或酶的作用下合成得到单一对映体化合物的方法 。 化学不对称合成和生物不对称合成近年来去得了长足进展 ， 并且己开始进入工业化生产 。 但是化学不对称合成高旋光收率如以上的反应仍然有限 ， 所得产物的旋光纯度对 于大多数实际应用来说仍不够高 。 生物不对称合成具有很高的对映选择性 ， 反应介质通常为 缓冲水溶液 ， 反应条件温和 ， 但对底物的要求高 ， 反应慢 ， 产物的分离困难 ， 因而在应用上 也受到一定的限制 。 外消旋体拆分法是在手性助剂的作用下 ， 将外消旋体拆分为纯对 映体 ， 这种方法己被广泛使用 。 据统计 ， 大约有的非天然手性药物是由外消旋体或中间 产物拆分得到 的 。 氨基酸广泛应用于营养食品 、 饲料添加剂 、 医药等领域 ， 通过化学合成法得到的是外消 旋混合物 ， 以往人们认为生命物质只存在 一氨基酸 ， 并将冠 以 “ 天然 ”， 而 一氨基 酸就成了 “ 非天然 ”， 然而随着分析方法的发展 ， 人们相继地在海洋动物 、 陆生动物 、 种子 植物和人体种发现了各种 ， 从而意识到与一样 ， 作为医药 、 农药 、 和食品的重要 组成起着重要作用 ， 所以氨基酸地合成研究一直受到人们地关注 。 一丙 氨酸是一种重要的天然氨基酸 ， 是人体必需氨基酸 ， 是血液中含量最 多的氨基酸 ， 与糖代谢密切相关 ， 在转氨反应中是主要的氨基供体 ， 具有重要 的生理功能 。 它是一种营养 增补剂 ， 为多种复方氨基酸输液的主要组成部分 ， 还可以供作医药 中间体 ， 是维生素的 主要原料 。一丙 氨醇是合成第三代喳诺酮类广谱抗菌药左旋氧氟沙星的关键 中间体 。 左旋氧 氟沙星是氧氟沙星氟嗦酸的型左旋光学异构体 ， 抗菌活性是后者的两倍 ， 而且毒副 作用 反应小 ， 水溶性大 ， 除口服剂型外 ， 还可制成注射剂型 。 一丙 氨醇的基本性质如卜 一丙 氨醇的结构式 拭 尹 分子式 剑 浙江大学硕士学位论文 第页共页 郭四化丙氨酸的消旋和 一丙氨醇的合成工艺研究 英文名 一 分子量 性状 一丙 氨醇是一种无色透明的液体 ， 无臭无毒 。 沸点 ， 比旋光度 誉 ，。 立体化学中的概念与表征 概念 ， 对映体 分子结构互为镜像但不 能重合的两个化合物称为对映体 ， 它们彼此不能重合的性质称为 手性 非对映异构体 具有相同的化学组成 ， 但不是镜像 ， 在分子中的一个或多个不对称中心具有不同的构型 的物质 差向异构体 只有一个不对称碳原子 的构型相反的两个非对映异构体 差 向异构化 含多个手性中心的化合物 中一个手性中心 的构型发生变化的过程 ， 这一过程会使旋光度 发生变化 ， 但至少一个手性中心构型不发生转变 ， 因此其光学活性不会全部失去 外 消旋体 等量的对映体的混合物 ， 由于对映体旋光作用的相互抵消而 失去了旋光性 。 固态外消旋 体有三种类型 ， 即外消旋混合物 、 外消旋化合物 、 外消 旋固溶体 外消旋物 等摩尔量的两个异构体的混合物 。 对称反应 在反应体系中 ， 整个反应过程的各个步骤都是对称 的更确切 的说是 “ 对映的 ” 进行 ， 其特征是无论是否在反应物分子中引入新的不对称中心 ， 作为反应终了的产物其整体必定不 呈旋光性 。 要从对称反应 中分离出旋光性的立体异构体 ， 在操作 中不可避免必须包括外消旋 浙江大学硕士学位论文第页 共页 郭四化 一丙氨酸 的消旋和 一丙氨醇的合成工艺研究 体的拆分 。 表征 对映体过量百分率 。 当不存在外部手性影响时 ， 对映体具有完全相同的化学和物理性质 。 但对映体有一种性 质是彼此不同的手性分子的每个对映体都把偏振光旋转到一定的角度 ， 其数量相等但方向 相反 ， 这种性质称为光学活性 。 因此 ， 如果一个对映体的量超过了另一个 ， 手性化合物就可 能是光学活性的 。 获得对映体组成 ， 对于研究立体化学十分重要 。 样品的对映体组成可用术语 “ 对映体过量 ”， 或 “ ” 来描述 。 它表示 一个对映体 对另一个对映体的过量 ， 通常用百分数表示 。 在一般情况下 ， 常假设旋光性与产物的组成成直线的正 比关系 ， 所以 “ ” 即等于 “ 对映体过量 百分率 ”。 对映体过量百分率 【 一 【 十 【 一 其中 为主要对映体产物的量假定它 的结构属于构型 ， 为次要对映体产物的量 。 选向率 当产物的两个立体异构体为非对映立体异构体时 ， 则这种关系被称为立体选向百分率或 不对称合成百分率 ， 并可表示 为 立体选 向百分率选向率 一 二 一 反应的对称一不对称属性可 以根据 “ 选向率 ” 进行区分选向率等于零 ， 反应则为对称 反应选向率大于零 ， 反应则为不对称反应 。 由于不同体系选向率的值大小相 差甚巨 ， 所以对产物的性质影响很大 。 当选向率的值 偏低时 ， 产物近似于 一外消旋体 而当选 向率较高时 ， 则产物接近于纯的立体异构体 ， 于 是自它们分离出纯净的立体异构体的操作步骤也不尽相 同 ， 有的类似于 一体的拆分 有的 则类似于一般的重结晶提纯 。 一般地说 ， 当然是选向率越高的反应的产物 ， 其分离提纯就 越容易 。 。 比旋光度的测量 用于对映体的组成的术语之一是光学纯度 。 它是指对映体样品的测定 的旋光与最大 浙江大学硕士学位论文第页共页 郭四化 一丙氨酸 的消旋和 一丙氨醇 的合成工艺研究 或绝对旋光之比 。 对于任何一个其纯对映体的旋光为已知的化合物 ， 。 值可以直接 从测定的旋光值来计算 。 口 。 刀， 、 砂一 、，、 “ 八 儿 式中 ， 为测定 的旋光 为样品池路长度 ， 为浓度 为用于测定 的光波长线 为温度 。 光学纯度 尸可由下式来计算 尸一 术 。 ， 测定样品光学纯度的经典方法是使用旋光仪 ， 在本实验中所用 一 自动数显旋光 消旋度 消旋过程 中的消旋程度可用其旋光度改变的相对量 ， 即消旋度 来表示 一 消旋方法论述 酸催化消旋 ， 酸催化消旋有有两种机理在手性中心原子位上 的双键的杂原子质子化 ， 在从手 性 中心上去质子 ， 从而达到消旋图 一。 如果在手性中心有一个取代基 ， 被质子化 后转化为易离去 的离去基团 ， 从而转化为平面的碳阳离子而消旋图 一 。 ， 由 户匕 曰 尸 ， 夕戈、且份 、 、 二 岁 二二二二二之 丫 、二二二二二二 少 一 叹 十日 一 丫 曰 八 一 二 尹 一护一 欠 一 浙江大学硕士学位论文第页 共页 郭四化丙氨酸的消旋和 一丙氨醇的合成工艺研究 图 一 酸催化消旋法机理 此消旋方法同样需有一取代基能充当离去基团 ， 也能使功能团稳定 ， 因此其取代基更 为严格 ， 故局 限性更大 。 酸催化消旋要求强酸 ， 反应温度大于 。 如丙氨酸 ， 解氨酸 ， 亮氨酸和苯丙氨酸在 下 ， 一 之间消旋 ， 获得了较高的收率 。 大多数氨基酸及其衍生物能在酸性条件下成功消旋 。 表 一 所示为部分氨基酸 的及其衍生物的消旋 。 表 一 氨基酸及其衍生物的酸催化消旋 一一 ， ， ， 一 ， ， 一 拭 。日 ， ， ， 一 酸催化消旋是氨基酸消旋研究最广泛的消旋方法 。 这是由于氨基酸能同多种醛或酮 反应 生成碱 ， 使的消旋反应变得容易进行 。 表 一 为氨基酸及其衍生物在碱的催 化下 的酸催化消旋 。 表 一 氨基酸及其衍生物在碱的催化下的酸催化消旋 一一 沈 鱿 一 ， ， ， 一 一 一 ， 一 一， ， 一 一 ， 一 ， 浙江大学硕士学位论文第页 共 页 郭四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇的合成工艺研究 碱催化消旋 碱催化消旋法为最为常用的消旋方法 。 其消旋机理是通过使手性中心上的氢离去 ， 形成 负碳离子 。 但此负碳离子不稳定 ， 故在手性中心上必需有能稳定负碳离子的基 团 ， 如 ， ， 等 ， 或能同时发生消除反应 。 表 一 为部分氨基酸及其衍生物的碱催化消旋 。 碱催化要求底物有较高酸性 ， 因此一般都要求首先转化为相应的衍生物 ， 使其酸性增大 。 因此需引入多余的反应步骤 ， 且衍生物能重新转化为底物 ， 故从工业角度看 ， 此消旋方法不 佳 。 用于消旋的碱一般为氢氧化物 ， 金属酞胺 ， 不胺 。 氨基酸的碱催化消旋主要用氢氧化物 ， 其消旋收率通常较好 。 如氨基酸在的水溶液 中 ， 在存在 时 ， 加热到一 ，消旋 。 表 一 氨基酸及其衍生物的碱催化消旋 一一 凡凡 幻。 ， “ ， 一 ， 日。汽 一气了一 ， 内侧 几 一一 ， 一 ， 一 ， 一 ， ， 浙江大学硕士学位论文第页 共页 郭 四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇 的合成工艺研究 酶催化消旋 大量 的酶和相关的生物催化系统能使旋光性物质消旋 。 此类消旋反应的底物有两个特 点 手性中心有一个质子 同手性 中心相连的为拨基或能增强酸性的取代基 。 氨基酸作为消旋底物作了大量的研究 ， 表 一 为部分氨基酸及其对应的消旋酶 。 用 于消 旋的酶主要是外消旋酶 ， 另外需有辅助因子 ， 如或二价金 属离子使底物能顺利消旋 。 表 一 为部分氨基酸及其衍生物和消旋酶 。 表 一 消旋酶及其底物 飞恤 一 即 一一一一一一 热消旋 许多具有光学活性的化合物能在适当的温度下加热消旋 ， 而不需要加另外的试剂 。 因此 此消旋反应的一个要求是底物有足够的热稳定性的 ， 故此法消旋的局 限性较大 。 在室温下 ， 若能缓慢消旋则称为自动消旋 。 热消旋有多种机理可通过单键旋转消旋 ， 分子重排消旋 ， 或几个键同时断裂而消旋等 。 氨基酸衍生物可利用热法消旋 。 氨基酸及其衍生物的热消旋如表 一 所示 。 氨基酸及其衍生物在没有催化剂 的情况下热消旋有一定的困难 ， 尤其是在水溶液中 。 这 些消旋反应一般是在高温下进行 ， 而且需一定的压力条件 。 但此消旋方法价格比较便宜 ， 因 此在工业上还是 比较吸引 。 对于氨基酸及其衍生物的热消旋的关键在于如何减少产品分解 的 里 旦 。 浙江大学硕士学位论文第页 共贝 郭四化 一丙氨酸 的消旋和 一丙氨醇的合成工 艺研究 早 ， 表 一 氨基酸及其衍生物的热消旋 式 。 恤 一 “ 一、以 勺 夕 ， ， 八口 几 ， ， ， ， ， ， 内 ， 通过氧化还原作用和自由基消旋 【 通过氧化还原反应可以使具有旋光活性物质发生消旋 。 氧化过程使得不对称碳原子上的 氢离去 ， 产生一个有平面结构的中间体 。 还原过程或加氢氢化过程能保持原先的无立体选择 性的混合状态 ， 从而产生外消旋物图 一 。 其中 ， 自由基反应也能使不对称碳原子上的 氢离去 。 “， ， 。 勺卜 巴四竺猫 丫 “， ， ， 一日了 日 ， ， 一 ，卜 习 “， ， 一 全 十 一若、 一 决 走 门勺 了 日 一 过 图 一 氧化还原消旋反应机理 氧化还原消旋可通过单步反应完成 ， 而不需专门分离中间产物 。 单步氧化还原消旋的底 物必须有芳基活化 ， 如布洛芬的消旋图 一。 同时也可通过多步反应完成 ， 但需分离氧化 的中间产物 。 此消旋反应也能用于有两个相邻手性中心的化合物的消旋 ， 如 浙江大学硕士学位论文第页 共页 郭四化 一丙 氨酸的消旋和 一丙氨醇 的合成工艺研究 轻基 一一氨基酸酷一一一 记 能通过氧化消旋反应是两个手性 中心 同时 消旋 。 沁拿 上 。 一 二 亡 一 二 一 图 一 布洛芬 的氧化还原消旋 消旋方法选择 消旋的方法有很多 ， 都有各自的优缺点 ， 因针对反应的底物来选择合适的消旋方法 。 热消旋法为最为简单的消旋方法 ， 不需加任何催化试剂 ， 此消旋方法可用于许多旋光性物质 。 热消旋方法的底物需较高的热稳定性 ， 而氨基酸容易在高温下分解 ， 因此浪费较大 。 酶催化 消旋针对每一种物质需专门 的消旋酶 ， 此酶价格昂贵 ， 自制也较困难 ， 保存条 件苛刻 ， 因此在本实验条件下不作研究 。 氧化还原消旋反应条件苛刻 ， 反应温度也较高 ， 步 骤复杂 ， 同时需加入多种催化剂 。 另外 ， 除上述的几种主要的消旋方法外 ， 氨基酸也可通过反应消旋 ， 但此反应 历时很长 ， 消旋度也较差 ， 不能作为专门的消旋用于工业化 。 由于本 消旋实验主要是为 了研究 一丙 氨酸在酸性溶液中的消旋化状况 ， 以作为 一丙 氨醇合成的参考 ， 故在本研究中 分别采用 了两种消旋方法 ， 酸催化消旋和碱催化消旋 ， 以对 一丙 氨酸在酸性溶液和碱性溶 液中的消旋状况加 以研究 ， 为制备 一丙 氨酸和 一丙 氨醇的反应提供一定的借鉴和依据 。 构型转换方法及光学异构体的分离方法论述 拆分分离法 在构型转化的各种途径中 ， 消旋物的拆分最重要 ， 也是研究得最多的方法 ， 是有机合成 领域目前研究热点之一 。 拆分分离法是将所需转化的对映体用化学或酶催化 ， 使其消旋 ， 再 进行拆分从而达到构型转化的目的 。 拆分有各种各样的方法 ， 从原理上划分 ， 所有 的方法可 归纳为三种利用物理性质一溶解度 、 吸附力 、 等的差异拆分 ， 例 如结晶法层析法 等利用化学反应速度差异 的动力学拆分法利用酶的高度特异性的催化反应的酶 拆分法化学通报 ， 一 用化学或酶催化使其消旋 ， 再进行拆分 ， 从而达到 构型转化的目的 。 浙江大学硕士学位论文第页共页 郭四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇的合成工艺研 究 氨基酸的光学拆分可分为两种类型一种是使用氨基酸的立体特异性的物理或化学方 法另一种是在酶存在下建立或细胞中的氨基酸 的特性上的生物法或酶法 。 这两种方法的基 本原理是确立的 。 结晶法 ， 这种方法实际上是机械分离法 。 分部结晶法代替结晶法即属 于这种方法 。 在这两种方法 中 ， 分部结晶法用得最普遍 。 这种方法直到最近还用 于 一谷氨酸工业生产 中 。 其生产工艺 如下在预先添加少量 一谷氨 酸的 一谷氨酸 一 的饱和溶液中只有 一谷氨酸结晶 出来 。 然后再从残留母液中分离出 一谷 氨酸 。一谷氨酸 可从 一谷氨酸 饱和 的残余溶液中得 到 。 用硫酸加热法将一谷氨酸转化为消旋混合物 。 采用这种方法可连续制取 一谷氨 酸 。 天 冬氨酸 ， 组氨酸 ， 色氨酸 ， 多巴和其他一些氨基酸也可用类似方法拆分 。 化学拆分法 ， 经典成盐拆分法 化学拆分法是通过化学反应的方法 ， 用手性试剂将外消旋体中的两种对映体转化为非对 映异构体 ， 然后利用非对映体之间物理性质和化学性质的不 同将两者分开 。 拆分成功的关键 是选择合适的拆分剂 。 合适的拆分剂应该易与对映体生成非对映体 ， 且溶解度差别较大 ， 经 拆分后 ， 又易再生还原为原来的对映体 。 虽然这种方法一直被作为重要的拆分方法 ， 但其局 限性也很明显拆分剂和溶剂的选择较为盲目拆分的产率和产品的旋光纯度不 高适用 于手性拆分的化合物的类型不多 。 近年来 ， 随着主客体化学的深入研究而开 发出来的包结拆分和组合拆分等新型手性拆分技术 ， 在一定程度上解决了经典成盐拆分方法 的不足 。 包结拆分 由日本化学家教授发 明的包结拆分与经典成盐拆分相比 ， 所拆分 的化合物不 再局 限于有机酸或者有机碱 。 此法主要利用主一客体分子之间存在很强的分子识别作用 ， 而使得 手性化合物通过氢键及分子间次级键作用选择性地与某一个对映异构体形成稳定的包结络 合物而析出 ， 从而实现对映体的分离 。 由于主一客体分子之间不发生 任何化学反应 ， 因而很容易通过溶剂交换过程以及逐级蒸馏等手段实现主体与客体的分离 ， 使得溶剂可以重复使用 。 因此 ， 包结拆分操作简单 、 成本低廉 、 易于规模生产 、 具有很高的 生产价值 。 光学纯的联二苯酚的制备一直是一个难题 ， 但最近公司的等采用乙氰为 拆分溶剂 ， 使用 略过量 的氯化 一节基辛可尼定作为手性主体 ， 与 一一联 二苯酚形成包结 浙江大学硕士学位论文 第页 共乡 运 郭四化丙氨酸的消旋和 一丙氨醇 的合成工艺研究 晶体 ， 留在母液 中的 一一联 二苯酚的光学纯度可以达到 ， 包结晶体通过甲醇萃取 不 但可交换得到手性主体 ， 还可以进一步提高 一联二 苯酚的光学纯度 。 这 种方法极易放大 ， 具有良好的工业应用前景 。 组合拆分 随着组合化学在药物先导化合物筛选 中的作用日益显著 ， 人们开始将组合方法引入手性 拆分剂的设计和筛选之 中 。 首次将组合方法应用于化学拆分中 ， 他们设计了一系列 芳香环取代的衍生物组成不同的拆分剂家族 。 研究表 明这类拆分剂的组合几乎能以高的收率 和近于与所有的实验消旋体迅速地形成非对映体的结 晶 ， 这在拆分方法学上是一个 重大的突破 。 膜拆分法 膜分离拆分是一种节能技术 ， 从连续性和能量有效的观点出发 ， 通过手性膜拆分是很有 应用前景 。 氨基酸的生物转移通常是由埋在生物膜 中的载体蛋白质来传递 的 ， 这种转移 的对映体选择性是非常高的 。 通过膜分离进行旋光异构体的拆分正是这种生物过程 的模拟 ， 分为液体膜拆分法和手性固体膜拆分法 。 前者基于选择性萃取 ， 择性比较好 ， 选择的种类和 程度取决于所使用 的载体分子手性选择剂 ， 的性质 。 载体分子通常为大分子配体化 合物 ， 如冠醚 ， 穴状配体等 。 后者基于对映体间亲和性的差异 ， 通过调节手性识别位置 周围 的亲水 一疏 水性质 ， 来增大 固定在膜上 的手性识别位置 的拆分能力 。 将具有手性识别 能力的 膜放在一个被控制的亲水 一疏 水微环境中 ， 根据它们 的分配或渗透行为 ， 得到对旋光物质更 高的选择性 。 从大量制备的角度看膜法具有优势 ， 但目前选择性和效率还比较差 。 色谱拆分法 色谱拆分法可分为气相色谱法和液相色谱法 。 气相色谱法仅适于分子量低且对热稳定 的 化合物的分析 ， 液相色谱法的适用范围大 ， 且可用于制备分离 。 在液相色谱法 中 ， 手性衍生 化法是外消旋体与手性衍生化试剂先反应后再用常规色谱法分离 ， 手性流动相 法是将手性试剂加入到流动相中用常规色谱柱分离 。 浙江大学 的徐秀珠以内含奎宁的二氯甲 烷和 正戊醇为流动相 ， 在硅胶柱上成功地分离了 一苯丙氨酸的衍生物 。 以上两种方法 分离后均需将手性试剂除去 ， 才能得到单一 的对映体 。 手性固定相法是利用手性固定 相直接拆分对映体 。 这种方法在液相色谱拆分中更具优势 。 酶促拆分法 酶的催化作用表现在酶蛋白质 的活性中心是一个不对称环境 ， 有利于识别消旋体 ， 在一 浙江大学硕士学位论文 第页 共页 郭四化 一丙 氨酸的消旋和 一丙氨醇 的合成工艺研究 定条件下 ， 酶只 能与消旋体 中的一个对映体发生反应而成为不同的化合物 ， 从而使两个对映 体分开 ， 反应产物的对映过剩百分率值可达 。 因此 ， 用催化效率高 、 专一性强 的 酶拆分消旋体是获取对映纯化合物的捷径 。 酶促作用的生物化学析解 ， 对于制备旋光性的氨 基酸特别有用 。 较常用 的是利用氨基酞化酶的立体专一 的水解作用拆分氨基酸 。 如猪 肾酞化 酶对 一 乙酞 一一氨基酸 的水解反应 。 罕 一 一 乙酞 一一氨 基 酸 猪 “酞化酶 ， 一 乙酞 一一氨 基酸 竿 一氨 基酸 酸水 解 一氨 基 酸 一一一一 图一猪肾酞化酶拆分 一 乙酞 一 氨基酸示意图 除天门冬氨酸外 ， 猪肾酞化酶对普通氨基酸 一 乙酞化衍生物的不对称水解都是有效 的 ， 对于天门冬氨酸必须用猪肾酞化酶才能奏效 。 动力学拆分 ， ， 外消旋化合物的两个对映异构体 ， 在不对称环境中反应速度不 同 ， 因此当反应 进行到一定程度时在剩余反应底物中和的量将不相等 ， 分离纯化后可得到由快反应 底物转化而来的产物或 ， 同时能回收慢反应底物或 ， 这就是经典动力学拆分 图 一。 一丝 纽分 凡 一丘分只 浙江大学硕士学位论文第页 共页 郭四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇的合成工艺研究 一 图一经典动力学拆分 显然经典动力学拆分有其固有的缺点从起始的外消旋原料出发 ， 得到的光学纯产 物的最大产量只为回收底物和产物 的对映体纯度受反应转化程度的影响 ， 拆分 反 应的选择性与 时间有关 ， 底物转化为产物的量越多 ， 值越低在许多情况下 ， 只有一 个异构体是所需的 ， 而另一个对映体很少或几乎没用 。 以上的缺点可通过动态动力学拆分法 来克服 。 所谓动态动力学拆分 ， 就是在拆分过程 中伴随有底物的现场消旋化 ， 从而使消旋的起 始原料更 多地转化为产物的一个单一对映体图 一。 当的立体异构化速度相对于反应速 度足够快时 ， 即大于 ， 或 ， 且选择性 二 ， 值足够大时 ， 这一动力学二级不 对称反应原则上可从起始的消旋原料得 到对映体纯的产物或 ， 产率大于 ， 理论 上可达到 。 这一方法不仅排除了冗长的分离步骤 ， 更为重要的是 ， 产物的对映体过量 只 与反应的选择性值有关 ， 不再受底物转化程度的影响 ， 因而拆分过程的对映专 一性更强 。 当反应伴随有新的手性 中心产生 时 ， 也可以对映选择性合成某一 非对映异构体 。 。 一鱼 二 卜 二 。 一生 一 图 一 动态动力学拆分 不对称转换 不对称转换是 以上述的经典成盐拆分法为基础的 ， 是将外消旋物转化为单一的纯对映体 或其中某一对映体 过量的 混合 物 ， 或 转 化为单一 的 非对映 异构体 或其 中一 个 非对映异构体过 量 。 因此不对称 转 化也称 为去消 旋反应 。 如果一个具有手性的两个对映体可以自由的相互转化 ， 并将等量 的另一个单一对映体异构体 一 加入到外消旋物的溶液中 ， 于是形成加和物 一。 在溶液中存在两种非对映异构体 一一一 和 一一 关的平衡 ， 并且其 中一 个非对映异构体过量 。 浙江大学硕士学位论文 第页共页 郭四化 一丙氨酸 的消旋和 一丙氨醇的合成工艺研究 如果在此平衡系统中两种非对映异构体溶解度有有较大的差异 ， 于是其中一个 ， 例如 一一一， 会从溶液中结晶 出来 。 于是反应体系 的平衡作用和并发 的结晶会不断进行 ， 直 至所有或大部分底物结晶析出 。 因此此结 晶诱导不对称转化称为二级不对称转化 。 特殊情况是将 一 加入到单一构型的异构体的溶液中如 一， 则形成一个非对映异构 体卜 一 卜 ， 此非对映异构体在平衡体系中也结晶析出 一一一 。 通常可用 马钱子碱 、 奎 宁和麻黄素等旋光纯的生物碱拆分酸性外消旋体用酒石酸 、 樟 脑磺酸等旋光纯的有机酸拆分碱性外消旋体 。 在文献中都有很成功的例子 表 一 氨基酸的不对称转换 一 爪 一， ， 一 一， 时 一 乙睛 一 ， 一 一 盐 ， 纯度 一苯甘氨酸 一 ， 转化率 。 光学纯度的 一一 一 一一 ， 转化率 。 人 ， ， 一 一， 了 人 ， 一 一， 即 瓦尔登转化 ， 有旋光性化合物的手征性碳原子上的一个基或原子用表示被另一个基或原子取 代时 ， 如份子内部不发生重排反应 ， 则取代基必占据的位置 。 但在特种情况下 ， 生成的构型可能与原来化合物相反 。 例如 ， 某一种旋光性化合物在 浙江大学硕士学位论文 第页共页 郭四化 一丙氨酸 的消旋和 一丙氨醇的合成工 艺研究 普通情况下取代可得到化合物 ， 但有时可得化合物 。 入人入 交注笋尸 一 众二乡尹 今注，户 扭 一 图 一 瓦尔登转化原理示意图 此种构型的转变现象首先由瓦尔登在年发现 ， 后来费歇尔称这种 变化叫 “ 瓦尔登转化 ” 么 。 丫 一 卜 丫 一澳一丙酸 内 官 一 ”一 录 基一丙” “均 丫 一 日 一 丫 一 卫一澳一丙酸 一 图 一 奴一氨基一丙酸 、自 一 一氨 基 一丙 酸的瓦尔登转化 构型转换方法选择 各种拆分试剂都有各 自的优缺点 。 拆分分离法中拆分方法较多 ， 其 中结晶法比较原始 ， 多用于某些特定物质的拆分 ， 效率低下膜拆分法目前的选择性和效率还比较差色谱拆分 法在本实验室条件下无法展开组合拆分法是目前研究的前沿 ， 但设计手性拆分试剂库需做 大量的工作而经典成盐拆分方法的收率不高最高 。 总的来说 ， 化学拆分方法的收 率较低 ， 一般其一次性理想最高收率也只有 ， 而且需专 门的消旋步骤 。 传统的拆分技 术缺点是其反应过程相对复杂 ， 最终产物不可预测 。 底物或拆分试剂在消旋过程中分解 ， 从 浙江大学硕士学位论文第页 共页 郭四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇的合成工艺研究 而导致产物纯度下降 ， 即使极少量的杂质也能对结晶产物产生很大的影响 。 理论 上一次性收率可以达到 ， 而在实际过程中如果收率能超过 ， 旋光纯度大于就 算比较好 。 动态动力学拆分是现阶段研究较多的构型转化方法 ， 其优点是不需专门的消 旋 ， 构型转化的同时伴随着消旋反应 ， 因此其收率可超过 ， 在理论上可以达到 。 但动态动力学拆分需针对不同的反应底物和拆分试剂控制不同的反应时间 ， 以提高反应的对 映体过量或非对映体过量不对称转化法需要选用特殊的拆分试剂和催化剂 ， 不适合本 实验的研究 。 本文利用酶促拆分法将 一丙 氨酸拆分为 一丙 氨酸和 一丙 氨酸 ， 所选用酶为猪 肾酞化 酶酞化酶 ， 酶促拆分法有以下优点 可以高选择性 ， 高收率的获得所需要 的光学活性的氨基酸 反应多在水溶液 中 ， 温和 的条件下进行 反应操作简单 ， 经济可行 。 对于 一丙 氨酸的构型转化本文采用瓦尔登转化法 ， 瓦尔登转化是通过取代反应达到构 型翻转 ， 所选用 的取代剂价廉易得 。 收率也可超过 ， 理论上可达 反应在低温下进行 ， 反应时 间的控制的要求不是十分严格 反应操作简单 ， 经济可行 。 手性化合物的合成方法论述 目前光学活性化合物的合成主要分为两大类不对称合成和外 消旋体的拆分 。 不对称合 成是指在反应 中 ， 反应物分子整体中一个对称的结构单位被一个试剂或催化剂转化 为一个不 对称的单位 ， 而产生不等量的立体异构体产物而拆分则是将一对具有光学活性的对映体分 离开来 。 不对称合成的方法 一 为 了使反应过程 中呈现不对称性和提高选向率 ， 而达到不对称合成的目的 ， 可 以采用如 下几种方法选用非对称的光学纯态 的化合物作为起始反应物 。 如果起始反应物是 对称 的化合物 ， 那么可根据所进行的反应的特点 ， 采取下面相应的途径 在反应物的分子中至少 引入一个不对称中心 ， 使之成为非对称 的反应物进入反应 选用非对称试剂进行反应 选用含不对称因素 的催化剂催化反应的进行 浙江大学硕士学位论文 第页共页 郭四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇的合成工 艺研究 选用非对称的溶剂作为反应 的介质 以圆偏振光照射反应体系绝对不对称合成 总而言之 ， 无论是选用非对称的反应物或试剂 ， 还是选用含不对称因素的催化剂或非对 称的溶剂 ， 以促使不对称反应 的发生 ， 都是向反应体系的作用物引入空间阻碍性质的立体非 对称性的结果 。 这种由于基团的形象 、 相对大小和所处空间相对位置即构型和构象的差 异 ， 而导致各立体异构的产物在产率上的差别的反应 ， 被称为 “ 相对的不对称合成 ”。 用 圆 偏振光照射反应体系 ， 当然也是在反应体系中引入非对称因素 ， 但这种非对称因素是 非分子 的 ， 实质和作用方式都很不清楚 ， 一般也就称之为 “ 绝对的不对称合成 ”， 以便与 “ 相对的 不对称合成 ” 区别开来 。 以非对称的化合物作为起始反应物的不对称合成 年 ， 自 一阿拉伯糖和 发生经腊化反应 ， 随后进行加成产物高一级的糖 睛的酸性水溶液水解反应 ， 结果以内酷 的形式分离出量的 一甘 露糖酸和 一葡萄糖酸 。 这 既是第一次以非对称化合物为起始反应物的不对称合成 ， 也是所有不对称合成 的第一个实 例 ， 开创了不对称研究领域 ， 至今己有多年的历史 ， 而不对称反应发展历史经历了个阶 段 手性源的不对称反应 。 手性源指的是价格低廉 、 来源方便的天然产物 。 如氨基酸 、 轻基酸 、 碳水化合物及其衍生物 、 菇类 、 生物碱等 ， 这些手性底物 ， 我们可 以通 过适当的化学手段 ， 包括构型保留 、 转化 、 手性转换等方法用来合成具有光学活性 的化合物 。 这种方法的特征是化学家利用 反应原料亦称底物中的手性因素去诱导新的手性 中心产 生 。 有机化学中的规则 ， 就是因此类型而提出的 。 底物诱导的不足之处是必须存在原有 的不对称中心 ， 因此不适合于底物为非手性的情况 。 但是此种方法并非一无是处 ， 特别是对 于氨基酸类衍生物的合成 ， 大多采用此种方法 。 因为这种方法工艺简单 ， 手性源氨基酸来源 丰 富 。 另外 ， 为 了解决底物诱导不足的情况 ， 人们提出 了许多新 的办法解决非手性底物的不 对称合成 问题 。 手性助剂的不对称反应 。 所谓手性助剂 ， 就是一些有手性的化合 物或基团 ， 在反应前被引入非手性底物 中去 ， 使反应原料具有手性而进行诱导 ， 在反应 结束 后 它们又从反应产物 中解离下来 ， 因为它在整个不对称反应中 ， 它们只是辅助底物进行诱导 ， 故名助剂 ， 需要具有三个条件 ， 即诱导效果 良好 、 “ 能上 能下 ”、 廉价易得 。 这种 “ 过河拆桥 ” 的方法 ， 就是第二代不对称合成技术 。 藉助于手性助剂得到新 的手性产物 ， 手性助剂可 回收 。 浙江大学硕士学位论文 第页 共页 郭 四化 一丙氨酸的消旋和一丙氨醇的合成工 艺研究 很 明显 ， 寻找合适的手性助剂是关键 ， 但是 ， 不论手性助剂多么理想 ， 都存在操作上的不便 ， 甚至出现 “ 请神容易送神难 ” 的问题 ， 更何况理想的手性助剂本身就不多 。 手性试剂的不对称反应 。 针对手性助剂的 困惑 ， 科学家们提出了一 种 “ 一劳永逸 ” 的方法 ， 来解 决非手性底物的不对称合成问题 ， 这就是年以后的第三代 不对称合成技术一使用手性基 团的存在 ， 改性后得到的手性试剂在进行正常反应的同时 ， 也 实