（有机化学专业论文）5氧代吡咯烷2羧酸n取代衍生物的合成与表征.pdf

摘要 在药物的研究与开发中，毗咯烷羧酸( 又名脯氨酸) 类衍生物等含氮杂环化 合物由于具有高选择性和生物活性，成为医药、农药研究的一大热点。为了合成 新的脯氨酸衍生物，以及改进脯氨酸衍生物的合成方法，提高合成物的产率以及 降低原料的成本，我们对其合成的基本原理和方法进行了研究，并对合成路线进 行了改进。 本文我们采用在室温条件下，利用叔丁醇作溶剂，q 酮戊二酸分别与4 一胺基 苯乙酸叔丁酯、( 4 胺基一苯基) 氧代乙酸叔丁酯、4 一胺基苯丙酸叔丁酯、3 胺基 苯丙酸叔丁酯、2 胺基苯丙酸叔丁酯反应，合成了n ( 4 乙酸叔丁酯苯基) 5 氧 代吡咯烷2 羧酸、n ( 氧代乙酸叔丁酯苯基) 5 氧代吡咯烷2 羧酸、n ( 4 丙酸叔 丁酯苯基) 5 氧代吡咯烷2 羧酸、n ( 3 丙酸叔丁酯苯基) 5 氧代吡咯烷2 羧酸、 n ( 2 丙酸叔丁酯苯基) 5 氧代吡咯烷2 羧酸等五种5 氧代吡咯烷2 羧酸n 取代 衍生物，并采用重结晶或柱层析的方法加以纯化，以i r ，1 hn m r 进行了表征。 我们探索了合成反应的机理，并对此作出了合理的推测。 实验结果表明：采用此种方法制备的脯氨酸衍生物，不但原料低廉，合成路 线简单，而且产率高，容易提纯。脯氨酸衍生物可以作为医药、农药的中间体， 因此本研究在药物的研究和合成方面有定的实际意义。 关键词：脯氨酸，衍生物，合成，表征 a b s t r a c t t h eh e t e r o c y c l i c c o m p o u n d s o fn - s u b s t i t u t e dd e r i v a t i v e so f p y r r o l i d i n e e a r b o x y l i ca c i d ( a sk n o wa sp r o l i n e ) h a v ea t t r a c t e dag r e a td e a lo fa t t e n t i o no f s c i e n t i s t s i nt h e i rs t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gn e wd r u g sa n dp e s t i c i d e sb e c a u s eo ft h e i r h i g hs e l e c t i v i t ya n db i o l o g i c a la c t i v i t y i no r d e rt of i n dn e ws y n t h e s i z e dr o u t e sa n d i m p r o v et h eh a r v e s t ，w eh a v es t u d i e ds o m eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fs y n t h e s i s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a k e t o g l u t a r a t ea c i dw a sr e a c t e dw i t h ( 4 - a m i n o - p h e n y l ) 一 a c e t i ca c i d t e r t - b u t y le s t e r ，( 4 一a m i n o - p h e n o x y ) 一a c e t i c a c i d t e r t - b u t y l e s t e r ， 3 - ( 4 - a m i n o - p h e n y l ) 一p r o p i o n i c a c i d t e r t - b u t y l ，3 - ( 3 - a m i n o p h e n y l ) - p r o p i o n i c a c i d t e r t - b u t y le s t e r , 3 一( 2 一a m i n o p h e n y l ) - p r o p i o n i ca c i dt e r t - b u t y le s t e r , u s i n gt e r t - b u t y l a l c o h o la s tt h es o l v e n ta tr o o m t e m p e r a t u r e ， a n d n 一( 4 一t e r t - b u t o x y c a r b o n y l m e t h y l p h e n y l ) - 5 o x o p y r r o l i d i n e 一2 一c a r b o x y l i c a c i d ，n 一( 4 一t e r t o b u t o x - y c a r b o n y l m e t h o x y - p h e n y i ) 5 一o x o p y r r o l i d i n e - 2 - c a r b o x y l i c a c i d ，n - 【4 一( 2 一t e r t - b u t o x y e a r b o n y l e t h y l ) 一p h e n y l 一5 一o x o p y r r o l i d i n e 一2 - c a r b o x y l i c a c i d , n - 【3 - ( 2 - t e r t - b u t o x y c a r - b o n y l e t h y l ) 一p h e n y l 一5 - o x o p y r r o l i d i n e 2 一c a r b o x y l i c a c i d ，n 一【2 - ( 2 一t e r t - b u t o x y c a r b o n y l - e t h y l ) - p h e n y l 一5 一o x o p y r r o l i d i n e - 2 一c a r b o x y l i ca c i d , w e r e o b t a i n e d a l lt h e s y n t h e s i z e dc o m p o u n d s w e r ep u r i f i e db yr e c r y s t a l l i z a t i o no rc o l u m nc h r o - m a t o g r a p h y a n dw e r ec h a r a c t e r i z e db y1 hn m r , i r 。a n ds o m ep o s s i b l er e a c t i o nm e c h a n i s m so f h a v eb e e nd i s c u s s e da n dp r o v i d e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ts o m es y n t h e s i sm e t h o d sh a v eb e e no p t i m i z e da n d b e t t e ry i e l d sa n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n sw e r eo b t a i n e d s i n c et h ed e r i v a t i v e so fp r o l i n e w e r ev e r yi m p o r t a n ti n t e r m e d i a t e s ，s ot h es t u d i e sa r em e a n i n g f u lf o rt h ep r o c e s so f s e a r c h i n gn e wd r u g s k e yw o r d s ：p r o l i n e ，d e r i v a t i v e ， s y n t h e s i s ， c h a r a c t e r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：挞是 签字日期：w 。暑年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：怒志芸 导师签名： 涉乏多磊 签字日期：弘电g 年6 月 2 - 日签字日期：卯哥年易月 日 第一章前言 第一章前言 本部分首先阐述了氨基酸化学研究的历史及现状，氨基酸的制备、应用以及 脯氨酸衍生物合成方法、药物活性等方面的研究，其次阐述了相关的吡咯化合物。 本文重点合成了含有苯环的脯氨酸衍生物。 1 1 氨基酸化学综述 氨基酸为分子结构中含有氨基( - n h 2 ) 和羧基( c o o h ) 的有机化合物。根据氨 基连结在羧酸中碳原子的位置，可分为a 、p 、丫、6 等氨基酸。伍氨基酸是 组成蛋白质的基本单位。蛋白质经水解，可生成多种0 l 氨基酸，如甘氨酸、丙氨 酸、天冬氨酸、谷氨酸等。根据其结合基团不同，a 氨基酸可分为脂肪族氨基酸、 芳香族氨基酸、杂环氨基酸、含硫氨基酸、含碘氨基酸等。根据来源的不同，可 分为天然氨基酸和非天然氨基酸。 1 1 1 天然氨基酸 天然氨基酸是指自然界中存在的各种氨基酸。天然氨基酸又可分为编码氨基 酸和非蛋白氨基酸。所谓编码氨基酸是指组成蛋白质的氨基酸，它们是组成蛋白 质的构件，均有各自的遗传密码，无种属特异性。编码氨基酸有2 0 余种。 天然氨基酸按不同方法可分为三类： ( 1 ) 根据氨基和羧基的位置不同，可将氨基酸分为伍氨基酸、p 氨基酸等。 ( 2 ) 根据连接在手性碳原子上各原子或基团在空间分布的不同，可将氨基酸 分为l 氨基酸或d 氨基酸。 ( 3 ) 根据氨基的不同，可将氨基酸分为氨基酸和亚氨基酸。 天然氨基酸理化特性： ( 1 ) 都是无色结晶。天然氨基酸大多没有确切的熔点，熔融时分解并放出c 0 2 ； 都能溶于强酸和强碱溶液中，除胱氨酸、酪氨酸、二碘甲状腺素外，均溶于水： 除脯氨酸和羟脯氨酸外，均难溶于乙醇和乙酬1 。 ( 2 ) 有碱性( - - 元氨基一元羧酸，例如赖氨酸) ；酸性( 一元氨基二元羧酸，例 如谷氨酸) ；中性( 一元氨基一元羧酸，例如丙氨酸) - - 种类型。大多数氨基酸都呈 显不同程度的酸性或碱性，呈显中性的较少。由于同时含有氨基和羧基，所以既 第一章前言 能与酸结合成盐，也能与碱结合成盐。 ，( 3 ) 除甘氨酸外都有不对称的碳原子，呈旋光性。根据连在手性碳上的不同 基团空间的排列位置不同，可分为两种构型：d 型和l 型，组成蛋白质的氨基酸， 都属l 型。 编码氨基酸在生物体内主要有以下功能【2 】： ( 1 ) 在生物新陈代谢过程中作为合成蛋白质的原料，2 0 种基本氨基酸主要作 为蛋白质的基本组成单位而存在于蛋白质分子之中。许多氨基酸主要通过肽键相 连而形成线状、环状或分枝状的蛋白质多肽链。蛋白质是构成生命的重要物质基 础之一，它不仅是生物体的重要组成成分，而且更重要的是，它以酶或激素等形 式调节新陈代谢的过程。就目前所知，生物体内几乎所有的化学反应都是在酶的 催化下进行的。而绝大部分酶的化学本质都是蛋白质。 ( 2 ) 转变成糖和脂肪。根据氨基酸与糖和脂肪的关系可将氨基酸分为生糖氨 基酸、生酮氨基酸和生糖兼生酮氨基酸。生糖氨基酸经脱氨后生成伍酮酸，后者 经一系列反应步骤转变成糖。生酮氨基酸在分解代谢过程中可分解成许多乙酰辅 酶a 。乙酰辅酶a 可用于合成脂肪酸，后者是合成脂肪的原料。生糖兼生酮氨 基酸分子中的一部分碳原子转变成糖，另一部分转变成脂肪。 ( 3 ) 用于合成其他含氮物质。生物体内的含氮物质除了蛋白质和氨基酸外， 还有嘌呤、嘧啶、胆碱、肌酸，以及一些维生素和激素等。它们都具有重要的生 物学意义。这些物质的合成大多是直按或间接地以氨基酸为原料的。如色氨酸是 合成维生素p p 的前体，酪氨酸在甲状腺内被碘化后即形成甲状腺素。 ( 4 ) 氧化供能。氨基酸脱氨后生成的伍酮酸除了可以转变成糖外，还可以进入 分解代谢途径彻底氧化分解成c 0 2 和h 2 0 ，并释放出可供机体利用的能量。 ( 5 ) 氨基酸在诸如体液的组成、物质的贮存、转运及解毒等许多方面起着十 分重要的作用。如谷氨酰胺是动物和人体内氮贮存、运输和解氨毒的重要形式。 自然界除了组成蛋白质的2 0 种氨基酸外，还存在许多非蛋白质氨基酸，现 据统计已测分子结构的非蛋白氨基酸已多达4 0 0 多种【3 】，其中在植物中发现的约 有2 4 0 多种、在动物中发现5 0 多种，其余多存在微生物中，这些天然产物大都 具有芳香或杂环的结构，存在于各种细胞或组织中，有的呈游离状，有的虽呈结 合状，但并不存在于蛋白质中，它们大多数是蛋白质中存在的a 氨基酸的衍生物， 也发现有p 、补5 氨基酸，有些非蛋白氨基残存在于d 一构型中，如纽菌细胞壁存 在d 一谷氨酸。对于这些氨基酸的生物学功能尚不太清理，现在倾向于认为多数是 作为植物的次生物质，但也有人认为，既然非蛋白质氨基酸较大量地存在于某些 动植物及微生物中，说明它在植物的个体发育或种的生存中是有一定作用的。 对于一些有较明确的生物学功能的非蛋白氨基酸来说，近来一般认为有下列 2 第一章前言 三方面的作用 4 1 ： ( 1 ) 作为自身保护的特殊代谢物质。在非蛋白氨基酸中有很大一部分是有毒 的，它们可以以不同的方式干扰动物，植物及微生物的生长和代谢，这类氨基酸 对植物本身来说是有明确意义的，那就是保护自身：免受其它物种的侵犯而使本 种属能够生存和发展。例如一些植物中含有对动物有毒的氨基酸，这可以免遭食 草动物及人类的侵害。还有一些植物的种子在萌芽时可产生一种有毒的氨基酸， 并释放到土壤中去，这样可以抑制周围其他不同种植物及微生物的生长。有毒氨 基酸中有许多是作为蛋白质氨基酸的类似物而起作用的。 ( 2 ) 作为氨基酸( 包括蛋白质氨基酸) 和其他含氮物质的中间产物。许多非蛋白 氨基酸是代谢中的前体物质或中间产物，例如p 丙氨酸是维生素泛酸的前体，胍 氨酸和鸟氨酸是合成精氨酸的前体。通过高丝氨酸可以合成苏氨酸和甲硫氨酸 ( 蛋氨酸) 。 ( 3 ) 在氮源贮藏和运输上起作用。例如丫- 亚甲基谷氨酸和r 亚甲基谷氨酰胺 在落花生植株中大量存在，但在种子里没有，在落花生体液中，丫- 亚甲基谷氨酰 胺可占全氮的9 5 。 ( 4 ) 除上所述的几种功能外，非蛋白质氨基酸在医药及食品工业上也起作用， 例如丫氨基丁酸是神经传导的化学物质，茶叶中合有大量的茶氨酸，它与茶叶的 品质很有关系，因此，非蛋白氨基酸的研究，近年来广泛地引起人们的重视i 引。 1 1 2 非天然氨基酸 非天然氨基酸是指自然界中不存在，由人工或人工诱导合成的一类氨基酸。 主要以天然氨基酸为母本，在侧链增加或改换不同基团，或者将a 氨基酸转换为 p 、丫- 氨基酸，形成的氨基酸称为非天然氨基酸【6 】o 主要用于有机及药物合成f 7 】o 1 2 氨基酸的制备 目前氨基酸的制备方法常见的有以下四种： 1 2 1 发酵法 由微生物利用糖类、氨等廉价碳氮源直接生产l 氨基酸，是借助微生物具有 合成自身所需各种氨基酸的能力，通过对菌株的诱变等处理，选育出各种营养缺 陷型及抗性的变异株，以解除代谢调节中的反馈与阻遏，达到过量合成某种氨基 酸的目的 8 - 1 0 】。应用发酵法生产氨基酸产量最大的是谷氨酸，其次为赖氨酸。但 3 第一章前言 发酵法中菌种的选育相当麻烦，且不好控制。生产的产品单一，纯度不高，有伴 生氨基酸产生。随着现代生物技术和工程技术的发展，发酵生产氨基酸呈现诱人 前景1 1 1 。 1 2 2 蛋白质水解法( 提取法) 以动物蛋白质为原料，经强酸水解后，得到各种氨基酸l l2 1 。提取法原料廉价， 所需的原料种类少，且在中国大陆原料资源相当丰富。工业生产时可同时得到十 多种氨基酸产品，生产规模易扩大，容易实现工业化生产。利用蛋白质为资源， 进行氨基酸的工业化生产，在中国大陆己成为发展氨基酸工业的重要途径i l 引。另 外，许多医药用氨基酸品种必须依靠提取法提供。现在全世界医药用氨基酸中至 少有6 种尚须用提取法生产，它们分别是组氨酸、精氨酸、丝氨酸、肤氨酸、脯 氨酸及酪氨酸【1 4 j 。提取法的发展潜力很大。 1 2 3 酶法 是用微生物菌体或从菌体中提取的酶，把有机物转变成所需要的l 氨基酸 1 5 - 1 7 1 ，此方法存在生物工程菌的生产、酶的提取以及酶、菌体的固定化等现代生 物工程技术的许多问题。 1 2 4 化学合成法 化学合成法是借助有机合成及化学工程相结合的技术生产氨基酸，虽然可用 于制造目前所有己知的氨基酸，但并不意味着具有工业生产价值，这是由于应用 化学合成法所得的氨基酸一般是外消旋体，必须经过拆分才能得到光学纯产物。 故用化学合成法生产氨基酸时除考虑合成工艺条件外，还要考虑异构体的拆分与 异构体的消旋利用，三者缺一势必将影响其应用 1 8 - 2 2 】。而应用不对称合成方法进 行合成，又面临成本昂贵，对于大量需求的氨基酸无实用价值。化学合成法对于 部分特需氨基酸则有意义，如l 多巴，己经可以工厂化手性加氢合成1 2 引。本文就 是用有机合成的方法得到了含有苯环的脯氨酸类化合物。 1 3 氨基酸的应用 氨基酸是构成蛋白质的基本单位，广泛用于食品、医药、添加剂及化妆品行 业。随着生物工程技术产业逐渐成为2 l 世纪全球的主要产业之一，氨基酸的需 求量越来越大，品种变更越来越快，工艺改革越来越新。目前全世界氨基酸每年 4 第一章前言 的产量为1 0 0 万吨，但需求总量是8 0 0 万吨，其中蛋氨酸2 5 万吨，赖氨酸5 0 万 吨；中国氨基酸的需求总量为l o 一1 5 万吨( 实际产量为3 万吨) ，其中蛋氨酸5 万吨，赖氨酸6 4 万吨1 2 4 1 。从组成上看，中国自2 0 世纪6 0 年代起，食品工业的 氨基酸用量占6 1 ，饮料工业的氨基酸用量占3 0 ，医药、日用化工、农业、 冶金、环保、轻工、生物工程技术等方面占用的比例逐年增加。近几年来，在研 究、开发和应用氨基酸方面均取得重大进展，发现的新氨基酸种类和数量己由 6 0 年代5 0 种左右，发展到8 0 年代的4 0 0 种，目前己达1 0 0 0 多种。其中用于药 物的氨基酸及氨基酸衍生物的品种达1 0 0 多种。6 0 年代初世界氨基酸产量不过 1 0 万吨，现在己跃上百万吨，产值超百亿美元。氨基酸作为发展中的产业，市 场潜力很大，前景十分诱人。 1 3 1 在化妆品行业的应用 氨基酸及其衍生物与人体皮肤结构相似，易被皮肤吸收，使老化和硬化的表 皮恢复水合性和弹性，延缓皮肤衰老。近几年来，由于氨基酸制造技术的进步， 可以得到比较廉价的氨基酸，利用其多官能基团、光学活性或氨基酸支链的多种 功能，可以制成各种功能的表面活性剂。对氨基酸类表面活性剂的研究开发，首 先是在化妆品领域，接着在各种领域，其种类、用途也正在扩展。迄今为止，可 提供的氨基酸及其衍生物有：天然或合成氨基酸及其盐；氨基n 一酰化、n 一烷 基化的衍生物；羧基酯化衍生物：各种氨基酸支链官能团上的衍生物；合成或天 然( 包括蛋白质衍生物) 的聚氨基酸( 即多肽) ；以及以上氨基酸复合物的衍生物。 氨基酸在日用化工上的应用已有取代常用化工原料的趋势，如氨基酸和高级脂肪 酸制成的表面活性剂、抗菌剂，已成为最高效的添加剂而被广泛作用；精氨酸、 甘氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸的碳酸盐、聚天门冬氨酸等制成的护发剂、染发剂、 永久型烫发剂，发展成为时兴商品供应市场【2 孓2 引。用氨基酸合成的氨基酸羧酸型 两性表面活性剂，具有毒性低、刺激小、柔软、抗静电、杀菌等性能，在洗涤用 品、化妆品、纺织印染、制药等方面有较大用途。 1 3 2 在医药行业的应用 ，氨基酸是合成人体蛋白质、激素、酶及抗体的原料，在人体内参与正常的代 谢和生物活动：用氨基酸及其衍生物可治疗各种疾病，可作为营养剂、代谢改良 剂，具有抗溃疡、防辐射、抗菌、治癌、催眠、镇痛及为特殊病人配制特殊膳食 的功效。 由几种、十几种氨基酸按一定比例配比组成的氨基酸输液，能治疗多种疾病。 第一章前言 目前其使用量己从1 1 种发展到2 0 种；输液中氨基酸含量由低浓度的3 发展到 1 2 ，甚至达到16 的高浓度输液；品种由单一营养发展到尿毒症用、肝病用 等专用输液。目前全世界输液量估计在8 亿瓶以上，中国自19 8 0 年开始生产氨 基酸输液，现在年产量约为7 0 0 0 万瓶。 以氨基酸为原料的激素、抗菌素、抗癌剂等生物活性多肽日益增多，已在工 业上生产的多肽有谷肽甘肽、促胃液素、催产素、促a c t h 及降钙素等。近年来 又开发了复方氨基酸制剂，如赖氨酸一一维生素滴剂、精氨酸和脱氧胆酸复合剂、 赖氨酸一一泛酸盐口服液等，具有促进儿童生长发育、治疗各种梅毒及提高血细 胞数等疗效口7 | 。 市场对手性药物需求的日益增长也促进了药用氨基酸的增长。氨基酸被广泛 用作药物分子的活性结构模块而为药物分子引入手性【2 引。如苯丙氨酸是合成某些 抗癌药物的中间体，如苯丙氨苄、甲酸溶肉瘤素等。脯氨酸是合成心血管药卡托 普利、依那普利等a c e 抑制剂的主要中间体【2 9 】。 1 3 3 在饲料添加剂行业的应用 中国在饲料添加剂行业用的氨基酸主要有蛋氨酸和赖氨酸。其功效主要是： 促进动物生长发育；改善肉质，提高畜禽生产能力，增加产量；提高饲料利用率， 节省蛋白质饲料；降低成本。国际上配合饲料的发展趋势是以“维生素+ 矿物质+ 氨基酸”为主要添加剂，以缓解蛋白质饲料资源供需矛盾。据饲料工业发展规划， 届时所需的蛋氨酸为3 万吨以上，赖氨酸2 5 - - 3 0 万【j 。 蛋氨酸具有促进肾上腺素合成胆碱、抗脂肪肝的作用。主要用于鸡饲料，亦 可用于猪、牛的配合饲料；在目前鱼粉供应不足的情况下，蛋氨酸与豆类饲料配 合使用，还可以部分代替鱼粉。赖氨酸具有增强畜禽食欲、提高抗病能力、促进 外伤治愈的作用，是合成脑神经及生殖细胞、核蛋白质及血红蛋白的必需物质。 赖氨酸主要用于猪，亦可用于家禽和犊牛。 1 3 4 在其他行业的应用 在生物工程方面，半胱氨酸等正被开发成新的保护剂，亮氨酸、胱氨酸正作 为发酵工业中多种氨基酸生产菌的添加剂而被应用。在轻工业方面，聚氨酸和聚 丙氨酸正在被研制具有良好保温性和透气性的人造皮革和高级人造纤维1 3 。在农 业方面，以氨基酸为原料合成的除草剂、防腐剂，作为无污染环境、无公害的新 型农药出现在田野上【3 2 1 。在贵金属提取和电镀工业方面，天门冬氨酸、组氨酸、 丝氨酸在溶金液中应用，使溶金能力提高1 0 0 - - 2 0 0 倍；谷氨酸等可用于电镀工 6 第一章前言 业的电解溶液，胱氨酸可用于铜矿探测，氨基酸烷基酮可用于海上流油回收等 【3 3 3 7 】 o 1 4 氨基酸衍生物和多肽的药用价值和发展前景 无论在治疗肝性疾病、心血管疾病，还是溃疡病、神经系统疾病等方面，：氨 基酸衍生物都己被广泛使用。如4 羟基脯氨酸在治疗慢性肝炎、防止肝硬化方面 都很有效。n 一乙酰l 一谷酰胺铝、二羟基铝l 组氨酸、组氨酸维生素u 蛋氨酸、 n 一乙酰色氨酸的铝、钛、铋均为抗溃疡病有效药物。n 二甲基氨基乙基n 乙酰 谷氨酸能恢复疲劳、治疗抑郁症和脑血管障碍引起的运动失调。l 甲基b 酪氨 酸与肼基苯丙氨基酸脱羟酶的合剂，d 3 疏基2 甲基丙酰基l 脯氨酸和利尿药 合剂，都是很好的抗高血压药。赖氨酸阿司匹林，既保持了阿司匹林镇痛作用， 又能降低副作用。n 乙酰半胱氨酸甲酯盐对支气管炎有很好疗效【3 8 】。 氨基酸衍生物还可作为抗生素和抗菌增效剂。如用长链脂肪酸酰化而成的 n - 酰化氨基酸、由高级醇经酯化而成的氨基酸酯、用低级醇把n 酰化氨基酸酯化 成的n 酰基氨基酸酯，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有广谱的抗菌活性，对霉 菌也有作用，广泛用作活性剂和防腐剂。再如青霉素g 和溶菌酶中加入氨基酸衍 生物，特别是加入氨基酸酯，则青霉素g 和溶菌酶表现出强烈的抗菌力和溶菌力 【3 9 】 o 氨基酸衍生物已广泛用作抗肿瘤药物，如：( 1 ) 以氨基酸作为载体的抗肿瘤药 物。如苯丙氨酸芥子气，l 缬氨酸、l 谷氨酸、l 赖氨酸与苯二胺氮芥共结合物。 ( 2 ) 利用氨基酸衍生物作为肿瘤细胞所需氨基酸的结构类似物，以达到抗肿瘤的 目的。如s - 氨甲酰l 半胱氨酸。( 3 ) 氨基酸衍生物作为酶抑制剂的抗肿瘤药物。 如n 一磷酸乙酰- l - 天门冬氨酸是一个天门冬氨酸转氨甲酚基酶的过渡状况抑制 剂，利用这个抑制剂可中断嘧啶核苷酸的合成途径，达到抗肿瘤目的。( 4 ) 氨基 酸衍生物作为中间产物的肿瘤抑制剂。( 5 ) 使癌细胞逆转的氨基酸衍生物。现已 发现偶氮丝氨酸、羟基甘氨酸、n 甲基酪氨酸、n 氮乙基胺基l 苯丙氨酸等抗 肿瘤活性大于自力霉素。专家认为这是抗肿瘤药物一个很有希望的发展方 3 9 - 4 1 】。 多肽：该类药品也是今后的发展重点之一。多肽在临床上使用非常广泛，主 要用于治疗癌症、h i v 病毒和免疫系统功能减退、对传统抗生素产生抗体的感染 以及疫苗等。已在工业上生产的多肽有谷胱甘肽、促胃液素、催产素、促a c t h 、 降钙素等。全球合成多肽原料药的产量在1 0 0k g 左右，但销售额达2 5 亿一3 亿 美元，而做成制剂的销售额则达2 5 亿- - 3 0 亿美元【4 2 】。多肽原料药需求量的年增 长率在1 0 以上。氨基酸作为发展中的产业，市场潜力很大，前景十分诱人。 7 第一章前言 1 5 氨基酸工业的发展趋势 1 5 1 传统的氨基酸生产方法的发展 氨基酸工业从1 9 0 8 年开始，先后开发了蛋白质水解抽提法、化学合成法、 微生物发酵法和酶法等生产方法。其中蛋白质水解法是最传统的氨基酸生产方 法，从1 9 1 0 年日本味之素公司采用酸水解大豆蛋白提取谷氨酸钠开始，到1 9 5 7 年发酵法生产谷氨酸成功前，全部氨基酸产品都是采用抽提法制备的。化学合成 法是2 0 世纪5 0 年代发展起来的方法，目前蛋氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、色氨酸 等主要采用此法生产。化学合成法生产的氨基酸品种占总量的2 0 。酶法生产 氨基酸始于2 0 世纪7 0 年代。日本1 9 7 3 年用固定菌体成功进行了天冬氨酸的生 产，开创了应用酶法生产氨基酸的先例。酶法生产的氨基酸品种占总量的1 0 。 发酵法是1 9 5 7 年由日本首先成功开创的，当时由于成本问题，该项技术没用于 工业化生产。近年来，随着遗传生化学和生物工程技术的发展，发酵法已成为目 前生产氨基酸的主要方法【4 5 1 。其生产的品种占总量的6 0 左右。目前，世界 上氨基酸的主要生产国家有日本、美国、德国、法国、印尼、泰国、韩国、中国 等，日本在氨基酸方面的研究、开发、生产技术、品种及产量上均居世界领先地 位。 1 5 2 运用基因工程手段生产氨基酸 传统的生产氨基酸的提取法、酶法和化学合成法，较于前体物的成本高，工 艺复杂，难以达到工业化生产的目的，而国内目前大多采用的诱变筛选获得的菌 株发酵法生产氨基酸，也有较大的局限性，所以国内虽然有不少生产氨基酸的厂 家，但由于生产工艺技术滞后，产品质量及其成本都难以参与国际竞争。2 0 世 纪7 0 年代兴起的基因工程为发酵工程，使发酵工业呈现欣欣向荣的景象。 通过基因突变和重组选育的大批优良菌株，不仅提高了传统产品的产量，而 且开发了新产品。应用d n a 重组，基因定向诱变，可进行生产菌的定向育种， 并能打破种种界限，集中不同菌株的优点，从而培育出高产、优质、易于自动化 生产的基因工程菌j 。目前国内用于氨基酸生产的基因工程菌的研究刚刚起步， 构建的菌株还不能用于生产，但为满足氨基酸市场的需求，对基团工程菌的研究 势在必行，科研人员在广泛而深入地研究大肠杆菌载体一受体系统的基础上，对 棒状杆菌载体一受体系统的研究取得了可喜的成绩；针对代谢过程还建立起一系 烈的研究手段，如营养缺陷型互补法等；在调控研究中，运用定点突变，插入失 活及计算机分子空间构象模拟等手段，揭开了许多关键酶如何受反馈抑制的谜 8 第一章前言 底，为代谢工程注入了新的活力，为获得高产、优质且易于自动化生产的菌株打 下了基础l 蚓。可以推测，运用基因工程手段生产氨基酸将成为未来的趋势。 1 5 3 氨基酸及其衍生物用于药用中间体 氨基酸及其衍生物逐渐成为药用中间体。2 0 世纪9 0 年代以前，氨基酸通常 被作为营养性输液原料( 占药用氨基酸的8 0 ) ，2 0 世纪9 0 年代后期起，氨基酸 及其衍生物逐渐成为合成活性药物的重要原料。据国外统计数字表明，1 9 9 8 年 全球5 0 0 种畅销药物中约有1 8 ( 9 0 种) 使用氨基酸及其衍生物作为基本中间体 或关键体1 4 列；1 9 9 8 年作为合成药物中间体的氨基酸原料销售额首次超过营养性 ( 输液用) 氨基酸原料的确切销售额。这是氨基酸工业发展史上的一个里程碑。目 前作为活性药物合成中使用频率最高的几种氨基酸是l 脯氨酸、d 一苯甘氨酸、 d 羟基苯甘氨酸、l 缬氨酸及苯丙氨酸【4 8 1 。目前，药用氨基酸中间体原料除用传 统方法生产的天然氨基酸外，许多新药( 如蛋白酶抑制剂类抗艾滋病药) 均使用人 工合成的“非天然氨基酸。德国d e g u s s 公司与d s m 公司是少数几个既能生产天 然氨基酸，又能生产非天然氨基酸的大公司。现在至少合成出3 0 多种菲天然氨 基酸，可作为合成活性药物的重要原料【4 9 1 。近几年氨基酸的大公司都在大力发展 药用氨基酸中间体原料的生产，以便为新药合成提供坚实的基础。天然氨基酸产 品中以谷氨酸、蛋氨酸和赖氨酸等的产量最大，但附加值较低，而新型d 氨基酸 虽然生产数量较少，但附加值较高。因此氨基酸行业提高企业效益的发展新方向， 是生产新型合成药所需的高附加值非天然氨基酸。当前手性药物已成为世界新药 研究与开发的新方向和热点之一【5 们。手性技术的开发方兴未艾，手性制药工业正 在发展壮大。氨基酸在手性药物合成中的应用包括三个部分，即手性中间体、手 性原料药和手性药物制剂。 1 6 吡咯烷酮羧酸类衍生物合成方法综述 脯氨酸，是蛋白质中常见的2 0 中氨基酸之一，天然存在的是l 型的，熔点： 2 2 2 ，最早是从小麦水解后的麦醇溶蛋白中提取得到的。其结构式为： c o o h i h 吡咯烷酮羧酸是脯氨酸衍生物的一种，其常规合成主要是以l 谷氨酸为原 料，分子内脱水缩合，反应式： 9 第一章前言 h o o cc h o h 2 c h 2 c o o h 一 l 。 n h 2 实现上述合成的工艺路线有多种。 1 6 1 生物催化法 h o + h ；o 以谷氨酸为原料，经微生物产碱杆菌素( a l c a l i g e n e sf a e c a l i s ) 催化缩合得到吡 咯烷酮羧酸。谷氨酸水溶液中加入粉末产碱杆菌素( o 2g c ) 和z n c l 2 ( 5 x 1 0 5 m o l l ) ，于5 0 和p h = 7 4 的条件下反应1h 转化率9 5 【5 。 另外据报道，一种从各种产碱杆菌和假单胞菌培养分离得到的5 一氧代脯氨酸 酶( 焦谷氨酸酶) 对谷氨酸脱水环化和焦谷氨酸的开环水解具有双重的活性。这种 酶的最适p h = 7 2 - - 7 4 ，最适温度4 0 - - 4 5 ，分子量4 7 0 0 0 t 5 2 j 。 1 6 2 干法热解 l 谷氨酸直接加热熔融，并维持在15 0 下分解生成吡咯烷酮羧酸【5 3 】。反应 物溶于水，经活性炭脱色得p h = 2 5 的l 一吡咯烷酮羧酸溶液，进一步蒸发浓缩， 可得无色棱形结晶。实际上，l - 谷氨酸的熔点大2 0 0 ( 并开始升华) ，5 - 氧代毗 咯烷酮羧酸的熔点1 6 2 1 6 3 ，故在1 5 0 下反应体系不可能出现熔融状态， 文献中说直接加热熔融不十分的确切。 1 6 3 湿法热解 l 谷氨酸水溶液加热回流过夜，可得到吡咯烷酮羧酸溶液( 转化率8 5 8 6 ) ，未转化的l 谷氨酸用阳离子交换树脂除去【5 4 1 。或将lw e 谷氨酸溶于3 份 水，加热分解生成吡咯烷酮羧酸，然后用乙醇重结晶【5 5 】。粗毗咯烷酮羧酸还可溶 解于8 0 的醋酸，冷却、结晶后分别用丙酮一一醋酸和水洗涤，并于4 0 下真 空干燥5 6 1 。 1 7 吡咯化合物综述 吡咯本身是于1 8 5 8 年第一次从骨焦油中分馏出来的，近年又从某些烘烤食 品中发现它是烤香成分之一。毗咯的各种形式的衍生物广泛地存在于整个自然 界。在生物体的发育、生长、能量贮存和转换、生物之间的各种信息传递和自身 1 0 第一章前言 防御，乃至死亡腐烂等各个过程的化学作用物质中，几乎无不有吡咯衍生物的参 与。可以说，毗咯衍生物，是生命过程的一个重要要素，天然存在的、具有生物 活性的吡咯衍生物的数量是非常庞大的。吡咯衍生物按其所含吡咯环个数的不同 可分为单吡咯环化合物、连吡咯环化合物、多吡咯环化合物。 1 7 1 单吡咯环化合物 在自然界和生物体中发现的活性单吡咯环化合物，几乎涉及到各种类型的取 代吡咯，如烷基取代吡咯、卤代吡咯、吡咯醛、酮、吡咯羧酸及其酯，以及羟甲 基吡咯、羟乙基吡咯等。这些化合物一般都是比较小的分子，但却具有很强的生 物活性或特殊用途，如有特殊的药效或可作为香料等等。 ( 1 ) 卟吩胆色素原( p o r p h o b i l i n o g e n ) 这是迄今为止人们所知道的最重要的天然存在的单吡咯化合物。其化学结 构式为： h o o c c h 2 c h 2 在生物体中，通过各种专门酶的作用卟吩胆色素原能转化成为卟啉、叶绿素、 维生素b 1 2 等。它可以用化学方法合成【5 7 1 。 它的合成方法如下所示： 第一章前言 o i i h 3 c - - c c h c h 2 c o q c 2 h 5 i + ，、 ，o 夕u c h 2 c h 2 2 c 2 h 5 h o o c c 2 h 5 h h 2 c o o c 2 h 5 c h o h 2 c o o h h o o c h 2 c c h o 【o 】 1 ) o h 。 - - - - - - - - - - - - - 2 ) h 3 0 + i h h z c o o h c h o m 心洲户瓜洲乒0 0 h 竺! ! 竺- n 入c h 一删二一 h i i h = n 【j h h o o c c h 2 c h 2 i h ( 2 ) 具有抗菌活性的单取代吡咯 近二十年来，人们在研究海洋生物的过程中，发现了各种卤代吡咯，其中绝 1 2 二 第一章前言 大多数都具有抗菌作用，例如从海洋细菌中得到的溴代吡咯衍生 牡p y r r o l o n i t r i n l 5 8 】，是具有抗真菌活性的化合物，其化学结构式为： b r 近年来从假单胞菌铜绿中得到的藤黄绿脓菌素( p y o l u t e o r i n ) 1 5 9 ，也是一种 有效的单取代毗咯类抗菌素。这个化合物可以方便地从吡咯合成。 1 ) a l c l 3 c 6 h 5 c i + 2 ) a c 2 0 c 6 h 6 h h 3 0 + 。却 l h c o o h h c 1 2 h o a c i h ( 3 ) 吡咯香料 6 0 年代中期，人们从一些食品中发现了五十多种吡咯衍生物，有的现已正 式作为食品香料使用硎，它们大多是些n 取代和2 取代吡咯，如： i h c o c h 3 i c h 3 c o c h 3 书 飞芦 归 一 n l 嫩、l 第一章前言 i h c o o h 这些化合物主要是在咖啡、烤花生、玉米花和烟草中发现的，属于烤香型香 精。特别是n 一取代吡咯衍生物已得到较广泛地应用。 ( 4 ) 昆虫激素 有的昆虫激素是一个极简单的吡咯衍生物，例如，切叶蚁激素，这是它外出 行动的信息标记，是蚂蚁世界的一种“导航路标，所以称之为追踪激素1 6 1 1 。它 是一个结晶状的固体，熔点7 3 ，其结构式如下所示： h 3 c c o o c h 3 i h 这个化合物虽然早就能够合成，但一般产率较低，近年s o n n e t 提出一个合成 方法，产率较耐6 2 1 。即： o h c 1 ) 三锸擞酐n ，n 一二甲基苯胺 2 ) o h l h c 0 2 c h 3 1 ) c h 2 n 2 c o o h 2 ) c 1 2 c h c o c h 3 a i c l 3 h 3 c h 2 ，p d c i h c 0 2 c h 3 从雄性斑蝴蝶中得到一种毗咯嗪酮，是现今唯一确定了的昆虫催淫物质【6 3 】， 其结构式为： 1 4 o 队上 心j n f h 之 第一章前言 1 7 2 联吡咯化合物 典型的联吡咯化合物灵菌红素，是从土壤中分离出来的一种红色抗菌 素，有显著的抗真菌能力，它是一系列的伍一联吡咯中的一种，其基本结构骨架 如图所示： 灵菌红素的成熟的合成方法如- - f 6 3 】： n i h o c h 3 + c 0 2 c 2 h 5 p d ，c k n q o c h 3 h c i ，c h 3 0 h i h o c h 3 c 0 2 c 2 h 5 o c h 3 1 ) n h 2 n h 。2 ， 1 ) n h ， ， c 0 2 c 2 h 5 c h o 2 一甲基一3 一基吡咯 1 7 3 多吡咯化合物 2 ) t o s c i p y s 3 ) n a 2 c 0 3 ，h o c h 2 c h 2 0 h 5 h 1 1 天然存在的多吡咯衍生物中，最重要的化合物是绿色植物中的光合作用催化 剂一一叶绿素和动物血液中运送氧和二氧化碳的载体一一血红蛋白，以及由动物 第一章前言 肝脏中提取的一种深红色晶体一一维生素b 1 2 等。 以上三种化合物，都是生物体中维系生命现象的重要活性物质，虽然它们分 别存在于植物和动物体中，但是在分子结构上有极大的相似性，都有一个由四个 五元杂环连成的封闭的氮穴结构。穴中都有一个金属离子。也许就是这些原因， 几十年来吸引着许多科学家试图以这类物质为窗口来揭示生命现象的奥秘。 1 8 选题的研究目的及意义 脯氨酸主要作为氨基酸类药，是复方氨基酸大输液原料之一，用于营养不良、 蛋白质缺乏症、严重肠胃道疾患、烫伤及外科手术后的蛋白质补充，也是制备巯 甲丙脯胺酸( c a p t o p r i l ，治疗顽固性高血压和充血性心力衰竭的药物) 的原料，我 国于1 9 8 0 年首先研制成功；1 9 8 2 年上海药物研究所合成了治疗帕金森氏症有前 途的新药三肽，其组成为l 脯氨酸l 亮脯氨甘氨酰胺，可见l 脯氨酸是其重要 原科；1 9 8 4 年西德上市的第二代抗高血压药物a c e i ( 血管紧张素转化酶抑制 剂) ，该药的主要成份为：苯丁酯丙脯酸，是一种疗效高、作用时间长、副用小 的药物；1 9 8 5 年中国科学院生物化学研究所从l 脯氨酸出发，合成了b p p 三肽 类似物：异亮氨酸脯氨酸脯氨酸及异亮氨酸l 丙氨酸脯氨酸、异亮氨酸d 丙 氨酸脯氨酸、谷氨酸丙氨酸脯氨酸等，它们都具有抑制a c e i 血管紧张的 功能。近年来l 脯氨酸作为药物合成的中间体，广泛地使用在新药的研究开发 上。 此外，在合成工业上，脯氨酸可参与诱导不对称反应，可作为氢化、聚合、 水解等反应的催化剂，具有活性强，立体专一性好等特点。 由于l 脯氨酸具有一定的甜度，于食品工业上作添加剂；在农业上，也曾有 报导，用l 脯氨酸作为农作物的“补药”，来提高农作物的质量，如用4 浓度 的l 脯氨酸喷洒到生长的玉米株上可使玉米产量提高2 0 ：把l 脯氨酸的稀溶 液，在水稻抽穗前作为追肥施加，并配合其他条件，可使产量增加5 0 。 正是因为实际应用的需要促进了l 脯氨酸的研究和开发以及生产的不断发 展。 本文通过对国内外脯氨酸的研究动态的发展的研究，通过多种方法的尝试， 用低成本的合成原料，优化合成路线，成功的合成了几种含有苯环的脯氨酸类有 机化合物，其药用价值以及生理活性有待于以后的迸一步研究。 1 6 第二章实验部分 2 1 实验仪器与药品 2 1 1 实验仪器 第二章实验部分 s h z - d ( i i i ) 型循环水式真空泵 g g l 7 型旋转蒸发器 e m s 9 a 型加热磁力搅拌器 8 5 1 型磁力搅拌器 8 4 3 型磁力加热搅拌器 x 4 型数字显示显微熔点测定仪 2 1 2 实验药品 一氯乙酸 叔丁醇 水合联氨 对硝基苯酚 对硝基苯丙酸 对硝基苯乙酸 六水三氯化铁 a 酮戊二酸 碳酸钾 冰醋酸 氰基氢硼化钠 二甲亚砜 n ，n 二甲基甲酰胺 对硝基苯丙酸 无水乙醇 无水乙醚 甲醇 乙腈 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 1 7 山东甄城华科技仪器厂 上海亚荣仪器厂 天津欧诺仪器仪表有限公司 山东鄄城华鲁电热仪器有