（物理化学专业论文）外消旋苯丙氨酸及其衍生物的合成与手性拆分.pdf

摘要 本论文研究t d l 一苯丙氨酸及其衍生物的合成及拆分方法。包括五方面的内 容：1 d l 一苯丙氨酸及其衍生物p - c 1 一d l p h e ，p - b r t d l p h e 的合成方法研究；2 d l p 一碘一苯丙氨酸的合成方法研究； 3 d l _ 苯丙氨酸及其衍生物的酶法拆分研 究；4 d l - 苯丙氨酸及其衍生物的化学拆分研究：5 手性非天然氨基酸n f m o c l 一8 一苯丙氨酸的合成。 1 d l 一苯丙氨酸及其衍生物p c 卜d l p h e ，p - b r d l p h e 的合成方法研究 ( 1 ) 通过对现有的d l 一苯丙氨酸合成路线的分析研究，在综合了几种反应路 线的基础上，选择了m e e r w e i n 法合成外消旋d l 一苯丙氨酸，以廉价易得的苯胺为 起始原料，经重氮化、丙烯腈加成、腈基水解、d 一氯氨解等四步反应合成d l 一 苯丙氨酸。 ( 在上述合成路线的基础上，我们分别选用对氯苯胺和对溴苯胺为起始原 料合成目标化合物。反应过程我们考察了反应溶剂和反应温度对重氮化和加成反 应的影响，大大提高了加成反应收率，达到8 5 以上。 ( 3 ) 我们通过改变反应溶剂和改变反应条件，优化合成工艺，提高产率，降 低成本，开发出一条适合工业化生产的工艺路线。 2 d l p - 碘一苯丙氨酸的合成方法研究 由于含碘化合物在商温及碱性条件下不稳定，在现有的文献中没有 m e e r w e i n 法合成，我们考虑自己设计反应路线进行尝试。最终我们改为以l 一苯 丙氨酸直接作为原料，经过直接硝化、还原、氧化铜鳌合、重氮化、碘代五步反 应制各p i d l p h e 。我们对反应过程中还原一步进行改进，并将昂贵的p d c 还 原改进为铁分还原，但是效果不是很好，产率不高。 3 d l 一苯丙氨酸及其衍生物的酶法拆分研究 采用乙酰化酶作为酶促拆分剂，对外消旋d l - 苯丙氨酸及其衍生物 p c 卜d l p h e ，p - b r - d l p h e 进行手性拆分，得到我们需要的l 一型产物。我们考 考察了酶促拆分的影响因素：1 ) 温度；2 ) p h 值；3 ) 溶剂；4 ) 底物和酶的配比量； 5 ) 拆分时间 4 d l 一苯丙氨酸及其衍生物的化学拆分研究 我们通过尝试，选择有效的拆分剂d - ( 一) - ( 2 s ，3 s ) 一酒石酸及其衍生物d 一( 2 s ，3 s ) 一二对甲苯甲酰酒石酸进行拆分。我们比较了1 ) 拆分溶剂的选择，2 ) 拆分剂和原 料的配比，3 ) 反应温度，4 ) 反应时间等条件，得到l 一型的产物，产率达到9 0 ，e e 值为9 0 。 5 手性非天然氨基酸n - f m o c l 一0 一苯丙氨酸的合成 d l 一苯丙氨酸在二氧六环和水作溶剂上f m o c 保护基团，以重氮甲烷为重氮化 试剂，成功地运用a r n d t e i s t e r t 合成，仅通过重氮甲基化和w o l f f 重排两步反 应，高效地合成了n - f m o c l 一8 一苯丙氨酸，反应过程产物立体构型保持不变。 经处理，总产率在7 0 左右，纯度在9 8 以上。 关键词：d l 一苯丙氨酸、衍生物、合成、拆分剂、酶拆分、化学拆分、d 一酒石 酸、重氮化 a b s t r a c t t h ec o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o nm a i n l ya r et h ep r e p a r a t i o na n dr e s o l u t i o n m e t h o d so fd l - p h e n y l a l a n i n ea n di t sd e r i v a t i v e sw h i c hc o n s i s to ff i v ep a r t s ：1 s t u d yo nt h es y n t h e s i so fd l - p h e n y l a l n n i n e p - c 1 d l - p h e n y l a l a n i n ea n dp - b r _ d l - p h e n y l a l a n i n e 。2 p r e l i m i n a r y t e s to ft h es y n t h e s i so fp - i - d l - p h e n y l a l a n i n c 3 s t u d yo nt h ee n z y m a t i cr e s o l u t i o n 4 s t u d y o nt h ec h e m i c a lr e s o l u t i o n 5 s y n t h e s i so fu n n a t u r a lc h i r a la m i n oa c i dn - f m o c l - b p h e n y l a l a n i n e 1 s t u d y o nt h es y n t h e s i so fd l 广p h e n y l a l a n i n e ,p _ a d l - p h e n y l a l a n i n e ，a n d p b r d l - p h e n y l a l a n i n e ( 1 ) t h r o u g h t h es y s t e m i cs t u d yo nt h es y n t h e t i cr o u t eo fd l - p h ei nt h e l i t e r a t u r e ，m e e r w i n er e a c t i o nw a sc o n s i d e r e dt ob et h em o s ta t t r a c t i v e r o u t et o s y n t h e s i s d l - p h ef r o mt h e c h e a p a n df a c i l ea n i l i n ev i at h i s f o u r - s t e p p r o c e d u r e ：d i a z o t i z a t i o n ，a c r y l o n i t r i l ea d d i t i o n ，n i t r i l eh y d r o l y s i s ，a m m o n o l y s i s ( 2 ) b a s i co nt h es y n t h e s i so fd l p h e ，p c i - d l - p h ea n dp b r - d l - p h ew e r e p r e p a r e df r o mr a wm a t e r i a l sp - c h l o r o - a n i l i n ea n dp - b r o m o - - a n i l i n er e s p e t i v e l y t h e e f f e c to fr e a c t i o nv a r i a b l e si n c l u d i n gd i f f e r e n tr e a c t i o ns o l v e n ta n dt e m p e r a t u r ew e r e i n v e s t i g a t e dt og r e a t l yi m p r o v et h ep r o d u c ty i e l dt o8 0 o ) t h ep o i n to ft h ep a r tw a st oo p t i m i z et h er e a c t i o nc o n d i t i o nt oi m p r o v et h e p r o d u c ty i e l d ，r e d u c et h ec o s t ，s i m p l i f yt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n de x p l o i tas u i t a b l e i n d u s t r i a lt e c h n o l o g y 2 p r e l i m i n a r yt e s to f t h es y n t h e s i so f p i d l - p h e n y i a l a n i n e i o d o c o m p o u n d s w e r eu n s t a b l eu n d e r h i g ht e m p e r a t u r e a n db a s i c c i r c u m s t a n c e s ，a n dt h e r ew a sn or e l a t e dl i t e r a t u r ea b o u tt h ep r e p a r a t i o ni nm e e r w i n e a r y l a t i o n an e wr o u t ef o rs y n t h e s i so fp - i d l o p h ew a sd e s i g n e da n dt r i e d ，a n df i n a l l y a f i v e s t e pp r o c e d u r ei n c l u d i n gn i t r a t i o n ，r e d u c t i o n ，c h e l a t i n g ，d i a z o t i z a t i o na n d i o d o n a t i o nw a sa d o p t e dt os y n t h e s i sd i r e c t l yf r o ml - p h e p d cr e d u c t i o nr e a c t i o nw a s t r i e dt ob es u b s t i t u t e db yc h e a pf ep o w e rr e d u c t i o n ，b u tt h er e s u l tw a sn o ta sg o o da s w ee x p e c t e d 3 s t u d yo nt h ee n z y m a t i cr e s o l u t i o n a c e t y le n z y m ew a su s e dt ob et h ec h i r a lr e a g e n tt or e s o l u t ep - c 1 - d l - p h e a n d p b r - d l - p h e ，a n dl - p r o d u c t sw e r eo b t a i n e d w i t ha b o u t3 2 y i e l d t h ei n f l u e n c i n g f a c t o r s o f e n z y m a t i c r e s o l u t i o nw e r e i n c o n s i d e r a t i o n ：1 ) t e m p e r a t u r e ，2 ) p h v a l u e ，3 ) s o l v e u t ，4 ) r a t i oo fs u b s t r a t e a n de n z y m e ，5 ) t i m e 4 ，s t u d yo nt h ec h e m i c a lr e s o l u t i o n t h r o u g hr e l a t e d r e f e r e n c e sa n dt e s t s ，c h i r a lr e a g e n t s d - t a r t a r i ca c i da n d d d i p o l u o y l t a r t a r i ca c i dw e r es u c c e s s f u l l ya p p l i e d i nc h e m i c a lr e s o l u t i o no fd 1 p h e ， p - c 1 d l - p h e a n dp - b r d l - p h et og e t l - p r o d u c t s w i t h 9 0 y i e l d ，e e v a l u e 9 0 s e v e r a lr e a c t i o n v a r i a b l e sw e r ec o m p a r e da n do p t i m i z e d ：1 ) r e s o l u t i o n s o l v e n t ，2 ) r a t i oo fc h i r a lr e a g e n ta n ds u b s t r a t e ，3 ) t e m p e r a t u r e ，4 ) t i m e 5 s y n t h e s i so f u n n a t u r a lc h i r a la m i n oa c i dn f m o c l - b - p h e n y l a l a n i n e t h ea m i n og r o u po fl - p h ew a sp r e p r o t e c t e db yf m o c - g r o u pi nam i x t u r es y s t e m o fd i o x a n ea n dw a t e r a n di nt h es u b s e q u e n tr e a c t i o n s ，d i a z o m e t h a n ew a su s e da s d i a z o t i z a t i o nr e a g e n tt oe f f e c t i v e l ys y n t h e s i so fn f m o c l - 1 3 一p h e n y l a l a n i n et h r o u g h a r n d t - e i s t e r tr e a c t i o nw i t ht h es t e r e o s t r a c t u r er e m a i n i n g ，t h ey i e l dw a sa b o u t7 0 w i t hp u r i t ya b o v e9 8 k e y w o r d ：d l p h e n y l a l a n i n e ，d e r i v a t i v e s ，s y n t h e s i s ，c h i r a l r e a g e n t ，d t a r t a r i c a c i d e n z y m a t i cr e s o l u t i o n ，c h e m i c a lr e s o l u t i o n ，d i a z o t i z a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：短旌 日期：趁：。垄 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 瘴l 膨缸 崩一 师 耻 孙 嗍 华，d 耵范大掌司e 士爿誓屯 第一章绪论 1 。1 概述 氨基酸是生命机体之营养，生存和发展极为重要的物质，在生命体内物质代 谢调控、信息传递方面扮演重要角色。氨基酸的功能一直引起人们的浓厚兴趣， 氨基酸作为人类营养添加莉、调味剂、饲料添加剂、医药、农药等在医药、食品 工业、农业、畜牧业及人类健康、化妆品、保健品等诸多方面有着广泛的应用。 我国许多氨基酸研制仅停留在实验室阶段，有的品种只停留在公斤级，与生 产能力相比我国氨基酸产品的市场可谓非常庞大 本部分阐述了氨基酸在生活、研究领域的应用及发展现况，综合现代有机化 学和药物化学发展方向，运用先进的分离、分析手段，对氨基酸的合成、提取、 纯化、拆分及应用前景进行评述，在此基础上确定了本文的研方向和内容。 1 2 氨基酸的作用与研究意义【1 7 1 1 8 】 据1 9 9 3 年公布的资料统计，全世界氨基酸产量达1 0 0 万t ，据估计现在已 不低于1 2 0 万吨。其中作为调味品及食品添加剂的约占5 0 ，饲料添加剂约3 0 ， 药用和保健、化妆品及其他用途的氨基酸约为2 0 ，但世界市场总需求量至少为 2 0 0 万t 。由于氨基酸需求量太，价格贵，世界各大氨基酸生产国的厂商积极发 展氨基酸生产技术，抢占世界市场，竞争十分激烈 1 2 1 在医药行业的应用 医药是氨基酸相对用量不大但品种最多的一个部门，目前世界上用于药物的 氨基酸及氨基酸衍生物的品种达1 0 0 多种。在医药方面，氨基酸衍生物作为治疗 药用于临床目前相当活跃，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、消炎等方面都已广泛使用，用于治疗的氨基酸衍生物不下数百种。 如4 一羟基脯氨酸在治疗慢性肝炎、防止肝硬化方面都很有效。n 一乙酰一l _ 谷酰胺 铝、二羟基铝一l 一组氨酸、组氨酸一维生素u 一蛋氨酸、n 一乙酰色氨酸的铝、钛、 铋均为抗溃疡病有效药物。n - 二甲基氨基一乙基一n 一乙酰谷氨酸能恢复疲劳、治疗 郁抑症和脑血管障碍引起的运动失调。l - a 一甲基一0 一酪氨酸与胼基苯丙氨酸脱羟 酶的合剂，0 - 3 一巯基一2 一甲基丙酰基一l 脯氨酸和利尿药合剂，都是很好的抗高血 压药。精氨酸阿司匹林、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 一乙酰半胱氨酸甲酯盐酸对支气管炎有很好疗效。 华寒堋f 范大学硬士论文 氨基酸聚合物现正成为一种新的外科材料被用于临床试验。如以亮氨酸和酯 化的谷氨酸或天门冬氨酸共聚而成的仿天然皮肤的层状伤口裹敷物，包扎伤口后 可以不必再解开而成为皮肤一部分。 多肽类药物也是氨基酸类药物应用的一个重要方面，如谷胱甘肽是一种用于 治疗肝病、药物中毒、过敏性疾病及预防白内障的有效药物。由9 个氨基酸综合 的加压素，对细动脉、毛细血管的血压有促进上升作用，还有抗利尿作用。 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 一酰化氨基酸、用高级醇经酯化而成的氨基酸酯、用低级醇把n 一酰化氨基酸酯 化成的n 一酰基氨基酸酯，对革兰氏阳性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。再如青礤素g 和溶菌酶中加入氮基酸 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。 氨基酸衍生物已广泛用作抗肿瘤药物，其作用方式有：( 1 ) 以氨基酸作为载 体的抗肿瘤药物，如苯丙氨酸芥子气，l 一缴氨酸、l 一谷氨酸、l 一赖氨酸与苯二胺 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达 到抗肿瘤的目的，如s 一氨甲酰- 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 - 磷酸乙酰一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。 1 2 2 在食品工业的应用 在食品工业方面，氨基酸衍生物己广泛用作食品调味剂、添加剂和抗氧防腐 剂，如6 一氮色氨酸的甜度比蔗糖高1 3 0 0 倍，低热量的二肽甜味剂( l 一天门冬氨 酰一l 一苯丙氨酸甲酯) 比蔗糖甜1 5 0 倍。我国研制的l 一天门冬氨酰氨基丙二酸甲 葑酯的甜度超过蔗糖2 3 万倍。补钙食品一氨基酸蛰合钙和天门冬氨酸钙已商 品化。 l i2 3 在饲料添加剂行业的应用 从世界看，最大的氨基酸市场是饲料添加剂，饲料市场的最新动向就是采用 低蛋白、高氨基酸、高能量的饲料，用必需氨基酸( 尤其是蛋氨酸和赖氨酸) 作为 2 华东师范夫掌硕士论文 补充饲料，为禽业和养猪业带来巨大生产效益。在日本作为饲料添加剂得到认可 的有蛋氨酸、赖氨酸、色氨酸、苏氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸等 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，增加产量：提高饲料利用率，降低成本。国际上饲料 的发展趋势是维生素+ 矿生物+ 氨基酸。 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，也 可用于猪、牛的配合饲料，还可配合豆类饲料使用代替鱼粉。赖氨酸具有促进畜 禽食欲、提高抗病能力、促进外伤制愈的作用，是合成脑神经和生殖细胞、核蛋 白和血红蛋白的必要物质。 1 2 4 在日用品行业的应用 氨基酸及其衍生物与人体皮肤结构相似，具有易被皮肤吸收，使老化和硬化 的皮肤恢复水合性和弹性。延缓皮肤衰老。近几年来，对氨基酸表面活性剂的研 究使其在化妆品、洗涤用品等日用品行业得到广泛的应用。氨基酸在日用化工上 的应用已经有了部分取代了常用化工原料的趋势，如氨基酸和高级脂肪酸制成的 表面活性剂和抗菌剂，精氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸等制成的护发剂、染发剂已经 发展成为稳定的商品供应市场。 1 3 手性氨基酸化合物的来源【1 】 1 3 1 化学合成法 化学合成法是借助有机合成和化学工程相结合的技术生产氨基酸。由于化学 合成法生产得到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 d 一异构体的消旋利用。 不对称合成需要在反应体系中引入不对称因素，如手性试剂、催化剂等。 在底物分子上引入手性辅助基团控制反应立体选择性，需要大量手性物质，操作 繁琐，应用化学计量不对称合成法进行合成，又面临成本昂贵，因此不对称合成 除应用廉价天然手性源外，均难以实现工业化，对于大量工业化生产的氨基酸无 实用价值，对于部分特殊的氨基酸则有意义。6 0 年代后期出现的手性配体过渡 金属络合物催化的不对称合成，明显优于化学计量不对称合成。他仅用少量的手 性催化剂即可将大量手性底物对映体选择性地转化为手性化合物。现在已经发展 华东师囊；大学硬士论文 成为最经济有效的合成手性化合物的方法。 1 3 2 蛋白质水解法 以动物蛋白质为原料，用强酸进行水解后，得到各种氨基酸。该方法原料廉 价，所需的原料种类少，且原料资源相当丰富。工业生产时可同时得到十多种氨 基酸产品，容易实现工业化生产。该方法在中国已经成为发展氨基酸工业的重要 途径。另外有些医药用的氨基酸必须依靠提取法提供。 l3 3 发酵法 由微生物利用糖类、氨等廉价碳氮资源直接生产氨基酸，是借助微生物具有 合成自身所需各种氨基酸的能力，通过对菌株的诱变处理，选育出各种营养缺陷 型及抗性的变异株，达到过量合成某种氨基酸的目的。发酵法生产氨基酸产量最 大的是谷氨酸，其次为赖氨酸。但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，且纯度不高，有伴生氨基酸的产生。 1 3 4 酶法 是用微生物菌体或从菌体中提取的酶，把有机物转化成所需的l 一氨基酸。 此方法在生物工程及酶的提取及固定化等现代生物工程技术上存在一定的技术 问题。 l4 外消旋物质拆分分离方法及研究【 】 坞 手性是自然界中最重要的属性之一，分子手性识别在生命活动中起着极为重 要的作用。同一化合物的两个对映体之间不仅具有不同的光学性质和物理化学性 质，而且他们具有不同的生物活性，比如在药理上，手性药物的对映体的生物学 活性、毒性、代谢和药物素质完全不同。手性化合物的制备已经成为当前国内外 热门的研究课题之一。 氨基酸对映体的分离分析，在蛋白质多肽的研究、有机化学不对称合成以及 医药、食品、卫生等领域都具有重要意义。针对外消旋体的拆分已开发了优先结 晶法、形成非对映体立体异构体结晶法，化学拆分法、酶促法、色谱法( 包括： 液相色谱、气相色谱、薄层色谱、配位色谱、离子交换色谱) 毛细管电泳法和萃 取法等。这些方法的研究与应用促进了手性化合物的研究与发展。 纵观多年来对氨基酸拆分方法的研究进展，拆分方法已越来越多样化，越来 越简单，倾向于多种方法的联合应用，拆分率也越来越高( 1 0 0 e e ) ，成本越 4 华东师寅l 大掌硬士论文 来越低，预期将有更多的紧缺对映体纯氨基酸可大规模应用于医药、食品、饲料、 保健品的生产，市场的需求将极大地推动外消旋氨基酸拆分方法的研究与探索。 手性化合物的生产一般通过手性合成和手性拆分两大途径。虽然，手性合成 可以直接得到纯度较高的光学纯物质，但其产率普遍较低。相反，若采用恰当的手 性拆分技术，就可以得到较高产量的对映异构体。本文将针对迄今在实验室或工 业领域中使用的手性拆分技术进行简要的综述。手性拆分技术主要分为5 类，包 括直接结晶拆分法、化学拆分法、动力学拆分法、色谱拆分法和手性膜拆分法， 并指出了各种方法的优缺点，侧重比较了它们在工业领域中进行规模生产的可能 性 1 4 1 结晶法 ( 1 ) 手性溶剂结晶法 在适宜的条件下，成核与晶体的生长并不一定需要特定对映异构体的接种。 手性溶剂拆分就是利用外消旋体的两个对映体与手性溶剂的溶剂化作用力的差 异。许多实验证明，用离子型的金属有机络合物在含羟基的光活性溶剂中进行结 晶时，能观察到溶解度的差别。w y n b e r y 等用( 一) 一n 一蒎烯作溶剂，通过直接结晶 法拆分了类似七环杂螺烯的外消旋体。但这种方法需要寻找特殊的手性溶剂，且 适于拆分的外消旋混合物的范围相当狭窄，故实际工业生产的意义不大。 ( 2 ) 接种晶体析解法 此法一般在一个外消旋混合物的热饱和溶液中加入纯对映体之一的晶种，然 后冷却，则同种对映体将附在晶体上析出，滤去晶体后，母液重新加热，并补加外 消旋混合物使之饱和，然后加入另一种对映体的晶种，冷却使另一种对映体析出。 由于此种方法工艺简单、成本低、效果好，因此是比较理想的大规模拆分方法， 目前该法已经应用在大规模生产氯霉素、( 一) 一薄荷醇以及抗高血压药甲基多巴等 手性药物上。据统计，这种选择性接种结晶法占规模等于或者大于l k g 的生产总 量的1 5 。但是在生产过程中为了使外消旋混合物饱和，必须采用间断式结晶，这 无疑延长了生产的周期，增加了生产成本。 1 4 2 手性膜拆分法 膜分离是种节能技术，从连续性和能量有效的观点出发，通过手性膜拆分 是很有应用前景的。膜分离的机理类似于采用手性配体交换色谱法拆分外消旋氨 5 华j u 即范大掌硬士论文 基酸的机理。它主要依赖于氨基酸对映体与溶液中的金属阳离子及载有手性选择 离子的固定相形成三元配合物的稳定性差异，通常l 一氨基酸形成的配合物比d 一 型异构体的稳定，待拆分的消旋氨基酸对映体选择性吸附在手性渗透膜上，然后 被吸附的氨基酸脱附，并通过浓度差驱动扩散至透过溶液。关于外消旋体拆分膜 已有相当报道：如手性冠醚膜、环糊精载体膜、聚氨基酸衍生物膜、氨基酸缩聚 体膜、衍生纤维素膜、血清蛋白膜、含蒎基的膜。如应用手性冠醚膜作为氨基酸 对映体选择性的中间媒介，几乎所有的氨基酸都可通过他们的对映体形式分离， 旋光性随氨基酸的亲油性增加而增加，其加大空间位阻基团的氨基酸会有较高的 光学拆分率。现已成功地拆分了d l m e t ，光学活性氨基酸也可以通过膜片溶解， 但它们的溶解率同它们对应的氨基酸相比要小得多，要同时获得高对映体选择性 和高渗透率尚有困难，又因膜的制备不易( 主要是因为手性选择子有较高的专一 性) ，这些极大地限制了膜分离法的应用，目前尚无膜分离法用于大规模生产的报 导。 膜分离由于具有低能耗、稳定性强、易于连续操作等优点，是大规模进行手 性拆分中比较有潜力的方法之- - 3 0 1 。手性拆分的膜系统可以分为3 类：第一类为 用于专一性底物催化的膜系统【3 1 】：另外两类膜系统是以非专一性反应为基础的， 一类为支撑液膜，另一类为致密固膜。支撑液膜简称s l m 是膜拆分法中最早使用 的方法，但其稳定性较差，为近年来手性固膜的发展提供了动力。 ( 1 ) 支撑液膜 在支撑液膜中，具有手性选择能力的载体溶解于一定的液体溶剂之中，通过 与某个对映异构体特异性的结合，将其从上相运输到下相，从而实现手性分离。在 支撑液膜中，环糊精、酒石酸的衍生物、冠醚等都是常用的特异载体。由于支撑 液膜的稳定性较差，其工业应用一直受到很大限制。 ( 2 ) 致密固膜 为了克服液膜的不稳定性，致密固膜得到了很大的发展。在固膜中，不同的异 构体是通过选择性的吸附或扩散过程来完成穿膜过程的。因此，可以将用于手性 拆分的固膜分为：扩散性选择固膜及吸附性选择固膜。 扩散选择性固膜一般都不带有特殊的手性选择剂，扩散性选择形成的原因是 一种对映体比另一种对映体在固膜中更容易扩散。 华j u 啊冀i 大掌硬士论文 吸附性选择固膜主要是利用嵌在聚合物母体中的手性选择剂来进行手性拆 分的。其手性拆分是基于待分离物与手性选择剂之间特殊的分子间作用。通常一 种异构体被较多地选择性吸附在手性选箨剂上，而另一种异构体则较多地游离在 聚合物母体之中。吸附性选择固膜的制备方法大致分为两类，一种采用了分析分 离中常用的手性选择剂，包括环糊精、冠醚、p r i k l e 型选择剂等。另一种则利用 了新兴发展起来的分子印记技术。小牛血清蛋白( b s a ) 和卵糖蛋白具有对某些氨 基酸衍生物和药物异构体的识别位点，可作为手性选择剂来制备手性拆分膜。用 此膜进行d l t r p 的手性拆分，分离因子达到1 2 ，并且稳定性很好，具有较大的工 业应用前景【柏j 【4 1 1 。 1 4 3 色谱拆分法 手性气相色谱拆分法是手性色谱学( c h i r a lc h r o m a t o g r a p h y ) 的重要分支， 一般可分为直接和间接拆分法这两种方法的共同点都是以气相色谱( g c ) 为基础， 引入新的不对称中心，使对映体的性质产生差异，进而被拆分【3 】。间接拆分法又称 手性试剂衍生化法( c h i r a ld e r i v a t i z a t i o nr e g e n t ，c d r ) 。这种方法先通过共价 结合作用，在对映体分子中引入另一个手性中心，形成非对映体后再用非手性g c 拆分。这种方法对手性衍生化试剂要求较高，有关合适衍生化试剂的选择，已有大 量的研究结果。与经典法比较，这种g c c d r 法具有快速、高化学和光学纯度等优 点。直接拆分方法是通过使用一个具有光学活性的环境，即手性固定相，来提供拆 分所需的手性中心，又称为手性固定相法( c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e s ，c s p ) 。它 与c d r 的区别是不需要柱前手性衍生化反应。氨基酸对映体的分离多用环糊精及 其衍生物作为g c - c s p ，其特点是能分离大量l c 难以或不能拆分的脂肪族、芳香 族和缺乏官能团的手性化合物。显然，通过形成非对映异构体衍生物进行拆分的 间接法不如用手性固定相进行拆分的直接法方便准确。但在实践中间接法仍然受 到极大的重视，因为问接法可使用廉价的非手性固定相，应用时十分灵活，引入某 些基团后，不仅可增加化合物的挥发性，而且还能增强检测灵敏度，费用也较直接 法经济。 近年来，利用手性色谱柱拆分对映体得到不断发展【7 1 0 1 ，它比利用对映体与 旋光衍生试剂反应生成非对映体后再拆分更简单。手性柱拆分是利用对映体与手 性固定相( c s p ) 之间的立体作用差异而进行的。c s p 一般含有多个手性碳原子，被 华束师范大掌硬士沧文 分析物与c s p 之间有n 一“作用力和授受质子的氢键作用力等，根据它与对映体 空间作用力的不同，可用于氨基酸对映体的拆分。一般来说高效液相色谱流动相 在分离过程中起着特殊重要的作用，有关流动相对于拆分对映体影响的研究已有 报道1 1 1 1 ，例如利用脲衍生物型手性固定相的正相色谱和反相色谱不同流动相及其 组成对手性分离的影响，较好地分离了苏氨酸( t h r ) 、丝氨酸( s e r ) 、苯丙氨酸( v h e ) 与d n b c ( 3 ，5 = 硝基苯甲酰氯) 衍生化的n d n b 氨基酸酯。对于正相色谱，氨基酸 衍生物与c s p 间的作用是以偶极一偶极重叠占优势，氢键处于次要地位：反相色 谱分离过程发生变化，氢键机理占据优势。 高效液相色谱手性流动相法( 又称手性添加剂法c m p 或c m a s ) 的特点是拆分 化合物不需以手性试剂衍生，也不需价格昂贵的手性固定相，而是将手性试剂加 到流动相中，使用常规的正相或反相柱分离。由于该方法简单，引起了广泛的注 意。用这种方法对甲状腺激素对映体进行分离已有报道。 1 4 4 化学拆分法 化学拆分法如果选择好的拆分剂也能得到高产率的产物，而且有些拆分剂价 格低，可回收循环利用。常用的拆分剂有苯乙胺、酒石酸、溴化樟脑磺酸、苯碘 酸等。 ( 1 ) 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：( 1 ) 拆分剂和溶剂的选 择较为盲目：( 2 ) 拆分的产率和产品的旋光纯度不高：( 3 ) 适用于手性拆分的化合 物的类型不多。近年来，随着主一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。 8 警射何襄l 大掌硬士嘲瞠 表1 1 经典成盐拆分法在药物生产中的实例 药物拆分试剂 磷霉素( f o s f o m y c i n ) r 一( + ) 一苯乙胺 ( r 一( + ) 一p h e n e t h y l a n i n e ) 甲砜霉素( t h i a m p h e n i c 0 1 )d - ( 一) 一酒石酸 ( d 一( 一) 一t a r t a r i ca c i d ) 氯霉素( c h l o r a m p h e n i c 0 1 ) d 一樟脑磺酸 ( d - c a m p h o r s u l p h o n i ca c i d ) 包结拆分法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( i n c l u s i o n c o m p l e x ) 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各一直是一个难题， 但最近m e r k 公司的c a i 等采用乙氰为拆分溶剂，使用略过量的氯化n 一苄基辛可 尼定作为手性主体，与r 一( + ) 一联二苯酚形成包结晶体，留在母液中的s 一( 一) 联二 苯酚的光学纯度可以达到9 9 e e ，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r 一( + ) 一联二苯酚的光学纯度( 9 9 8 e e ) 。这种方法极 易放大，具有良好的工业应用前景。 1 4 5 酶促拆分法 酶促拆分法具有催化效率高、专一性强、收率高、反应条件温和、步骤简便 的特点，而且拆分产物旋光度高、副产物少、产品较易分离提纯。特别是氨基酰 化酶是较理想的适合拆分的酶，因为其造价低、不需昂贵的辅助因子、对有机溶 剂耐受力强，对氨基酸有较好的立体选择性。 由于酶本身就是一个手性催化剂，能选择性地作用于对映异构体中豹某一异 构体而对另一异构体则不起作用，从而起到拆分作用。另外酶催化的副反应很少、 产率高、反应的条件也较为温和，而且酶无毒、易降解、不会造成环境污染，这些 都使得用酶拆分外消旋体成为理想的选择用。d 一苯甘氨酸和d 一对羟基苯甘氨酸是 9 华东师囊0 大掌硬士论文 生产半合成青霉素和头孢菌类抗生素的重要侧链。d s m 公司( g l e e n ，荷兰) 利用恶 臭假单胞菌的l 一氨肽酶拆分d l 一氨基酸酰胺获得了d 一苯甘氨酸和d - 对羟基苯甘 氨酸。拆分过程中生成的不要的对映体可通过与苯甲醛形成酰胺的s c h i f f 碱形 成加合物，在升高p h 值时发生外消旋化，外消旋后的氨基酸酰胺可重复利用a 抗 炎止痛药酮酪酸，其( 一) 一s 异构体的药效比( + ) 一r 异构体强。在p t t = 9 7 的碱性条 件下，由于烯醇化作用很容易消旋化，用从灰色链霉菌中提取的蛋白酶进行动态 动力学拆分，可得到高效产物( 一) 一s 一异构体，产率为9 2 ( e e = 8 5 ) 。尽管酶法拆 分外消旋体在实验室制备或工业生产手性化合物中都己取得长足的进步，但是仍 然存在不少局限。 酶法以选择性好，收率高，反应条件温和，步骤简便，公害少且能完成一些化 学这方法难以进行的反应等优点被广泛地应用在食品、医药、饲料生产中，酶法 拆分已成为制备手性氨基酸的有效手段之一，其原理如下：外消旋氨基酸先生成 其衍生物如外消旋酯、酰胺，然后被酶或微生物选择性水解成旋光纯氨基酸，再通 过常规化学物理方法从反应混合物中分离。近年来，人们相继在海洋动物、陆生 动物、脊椎动物和无脊椎动物、种子植物和人体中发现了各种d 一氨基酸( 右旋氨 基酸) 之后，d 一氨基酸逐渐引起人们的重视，并意识到d 一氨基酸作为医药，农药和 食品的重要组成所起着的重要作用。d 一氨基酸种类少、价格昂贵，是国际上的研 究热点，尤其是生物转化与拆分技术制备d 一氨基酸受到了极大重视。至今，绝大 多数氨基酸都可以用酶法拆分得到旋光纯的对映体。 酶法拆分中常用酶有腊肪酶、酯酶、蛋白酶等。水解酶价格低廉，不需辅酶， 拆分率和立体选择性高，由于底物、反应条件和所用酶的吓同，拆分率有较大差 别。南京化工大学曾在两相体系中用固定化胰凝乳蛋白酶成功地拆分d l - p h e ，纯 度达9 8 6 但反应过程中产生的d l p h e 积累到一定程度将会抑制进一步拆分， 因而降低了摩尔拆分率。利用微生物发酵所产生酶制得高对映体选择酶，底物在 发酵液中溶解度低( 极少数倒外) ，限制了生产能力。氧化还原酶虽能应用，但价格 高，稳定性差，而且尚待解决辅酶再生问题。脂肪酶催化不对称水解或酯化进行氨 基酸拆分生产成本低，不需昂贵的辅酶，拆分反应操作简便，并可用于无水有机溶 剂，但要求反应底物浓度极稀，反应时间长，不利于大规模生产。固定化生物催化 剂因其能反复利用，使用寿命较游离酶有明显提高，可极大降低成本，在氨基酸拆 1 0 华赢师范大掌| 委士幸l 托赶 分中得到了成功的应用。早在1 9 6 9 年日本的t a n a b es w i y a k u 公司利用离子结合 法固定化酰化氨基酸水解酶进行m e t 、v a l 、p h e 的拆分，并使该工艺工业化，这是 固定化酶技术在实际生产中应用的第一例。葡业酶铡剂方便易得且可采用有机相 酶催化技术，大大提高了底物浓度，其缺点是粗酶制品中杂蛋白很多，降低了酶的 选择性而结晶酶纯度高，故其选择性也高，在各种环境中均有很高的稳定性，正好 弥补这一缺点因而交联结晶酶技术将成为酶法拆分的新热点。 1 4 6 不对称转换法 不对称转换作为光学活性化合物的拆分方法，较早是由h a v i n g a 等在1 9 5 4 年应用于碘化n 一甲基n 一乙基一n 一烯丙基苯胺的拆分。它是将过饱和体系中光学异 构体的分步结晶和其对映异构体( 或非对映异构体) 的同时消旋化( 或差向异构化) 相结合，使结晶拆分和消旋化一起进行，把外消旋混合物转化成一种光学异构体。 这种方法省去了经典拆分中的消旋化步骤，避免了另种对映体的损失，使拆分 效率大大提高，也避免了经典拆分方法中因对映体浓度增加而导致的夹带析出现 象，使光学纯度得到了保证。 近年来，人们将不对称转换应用于氨基酸钧拆分，得到了令人满意的结果，显 示出广阔的应用前景。不对称转换作为一种拆分方法，应用于手性氨基酸的制备， 具有拆分效率高，光学纯度高，不需消旋化步骤，成本低等优点，在氨基酸的工业 生产中有着广阔的应用前景。不对称转换方法在上述两种氨基酸的拆分中有着极 大的应用潜力，因此，开展这方面的研究己成为我国化学工作者面临的课题。但是， 不对称转换的研究还有待进一步深入，有些问题还没有解决。如由于催化剂使异 构体的溶解度增大而导致拆分效率降低：还没有一个系统的理论来指导人们选择 高效易得的拆分剂和拆分体系：对不对称转换过程的动力学及热力学研究不够、 理论尚不完善等，这些问题都值得人们去研究探索。 1 l 年来师喇l 大学硪士沧文 第一章d l - 苯丙氨酸及其衍生物p c l d l p h e ，p b r d l p h e 的合成方法研究 第一节d l 一苯丙氨酸的合成 2 1 前言 在生命科学研究中1 ，人们对氨基酸、多肽、蛋白质的生物作用研究日趋深 入，发现了越来越多的生物活性多肽，如毒素、抗生素、激素、酶抑制剂等。由此 对氨基酸结构、