（应用化学专业论文）固体酸催化合成氨基酸酯的工艺研究(1).pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 固体酸催化合成氨基酸酯的工艺研究 摘要 氨基酸酯的合成是近年来迅速发展起来的一个新研究领域，它在医药、 化工、食品、农业等方面有着越来越广泛的应用，可用作药物中间体、食品 添加剂、化妆品添加剂和杀菌灭虫合剂等，应用前景十分广阔。研究开发工 艺可靠、成本合理的氨基酸酯制备技术具有重要的理论和实际意义。 由于氨基酸属两性化合物，且难溶于有机溶剂，因此对其酯化反应条件 的选择、选择性的提高以及产物的分离提纯等都有着严格的要求。如能在制 备方法上进行改进，尤其是使用价格相对低廉的催化剂，将会进一步降低氨 基酸酯的生产成本。 本论文对氨基酸酯的合成工艺进行了研究，工作主要包括以下几方面： 1 对氨基酸及其酯的薄层色谱监测方法进行了改进，简化了操作、节 省了仪器和药品。 2 使用常规加热方法合成了七种氨基酸酯的对甲苯磺酸盐。考察各种 因素对酯化反应的影响，优化了氨基酸酯对甲苯磺酸盐的分离提纯条件。同 时通过运用红外光谱、核磁共振氢谱和核磁共振碳谱等检测方法确定了最终 产品的化学结构。 3 分别使用家用微波炉和d i s c o v e r 微波反应器替代传统加热方式，制 备了氨基酸苄酯的对甲苯磺酸盐，与常规加热方法进行了比较，归纳总结了 它们的优缺点。 4 用7 3 2 型阳离子交换树脂作催化剂合成八种游离的氨基酸甲酯和乙 酯。对各影响因素进行了分析，确定了最佳反应条件；同时对阳离子交换树 脂催化合成氨基酸酯的机理进行了初步的探讨。 关键词氨基酸酯；固体酸；酯化；微波 兰筌鎏登三查兰三主要圭兰堡兰銮 s t u d yo nt h es y n t h e s i st e c h n o l o g yo f a m i n oa c i de s t e r su s i n gs o l i d a c i d s a b s t r a c t a m i n oa c i d se s t e r s ，o fw h i c ht h es y n t h e s i sh a sr a p i d l yb e c o m ean e wr e s e a r c h f i e l d i nr e c e n ty e a r s , h a v eb e e ne x t e n s i v e l yu s e da sm e d i c a ls e m i - p r o d u c t ，f o o d a d d i t i v e s ，c o s m e t i ca d d i t i v e s ，m i n e r a lf l o t a t i o na s s i t i v e s ，g e n n i c i d e s , c t c s or e s e s r c h o i lt h es y n t h e s i so f a m i n oa c i d se s t e r si so f g r e a ts i g n i f i c a n c eb o t hi nt h e o r e t i c a la n d i np r a c t i c a ls i d e a m i n oa c i d sh a v et w op r o p e r t i e s , a n da d i f f i c u l tt od i s s o l v ei nt h eo r g a n i c s o l v e n t s w h i c hm a d et h e md i f f i c u l tt oc h o o s et h er i g h tc o n d i t i o n sf o re s i c r i f i c 砒i a n dt oi m p r o v et h es e l c c t i v i t ) ，a n dt o p a r a t ea n d 叫匆t h ep r o d u c l s i tc a nr e d u c e t h ec o s to fp r e p a r a t i o na m i n oa c i de s t e r si ft h em e t h o d so fp r e p a r a t i o nc a nb e i m p r o v e de s p e c i a l l yu s i n gt h ec o m p a r a t i v e l yi n e x p e n s i v ec a t a l y z e r s p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g i e so fas e r i e so f8 m m oa c i d s e s t e r sw e i es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y , a n di tc o n t a i n ss e v e r a la s p e c t s ： 1 t h em e t h o do ft l c w h i c hi su s e dt oi n s p e c ta m i n oa c i d sa n dt h e i re s t e r s , w a si m p r o v e d i tm a d et h em e t h o dr e d u c eo p c r a t i o u sa n ds a v et h ei n s t r u m e n t sa n d r e 她e n t s 2 e s t e r i f i c a t i o no fa m i n oa c i d su s i n gp - t o l u e n e s u l f o n i ca c i db yc o m m o n h e a t i n gm e t h o d sa f f o r d ss e v e np - t o l u e n e s u l f o n i ca c i ds a l to fa m i n oa c i d se s t e r s 1 1 艟 i n f l u e n t i c a lf a c t o r sw e i s t u d i e da n do p f u n i z e d f i n a lp r o d u c t sw e r ec h a 瑚t c r i z e db y m e l t i n gp o i n td e t e r m i n a t i o n , k1 h - n m r , ”c - n m r 3 m i c r o w a v ei r r i d a t i o nw a si n t r o d u c e si nt h ep - t o l u e n e s u l f o n i ca c i ds a l to f a m i n oa c i d se s t e r s t h e s e st w ot e c h n o l o g i e sw e r ea n a l y z e ds u m m a r i z e d 4 p r e p a r i n gf r e ea m i n oa c i de s t e r sw e r es t u d i e de s t e r i f i e db ys t r o n ga c i d r e s i n , i to f f o r d se i g h tf r e ea m i n oa c i dm e t h y la n de t h y le s t e r s 1 1 地i n f l u e n t i c a l f a c t o r sw e r es t u d i e da n do p t i m i z e d f i n a lp r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi r , 1 h - n m l l a n dt h em e c h a n i s mo fe s t e r i f i t i o no f 锄i l l oa c i du s i n gs t r o n ga c i dr e s i na s i i ：玺鎏矍三奎：三兰翟圭兰竺鎏三 c a t a l y s tw a sp r i m a r i l yd i c u s s e d k e yw o r d s a l i i n oa c i de s t e r ；s o l i da c i d ：e a s t e r i f i c a t i o n ；m i c r o w a v e m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文固体酸催化合成氨基酸酯的工 艺研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：春粮日期：如0 7 年6 月w 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 固体酸催化合成氨基酸酯的工艺研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：王+ 春颖 日期： 砷年石月如日 导师签名：哟名日期：力叩年占月加日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 选题的意义 第1 章绪论 氨基酸酯类是近年来迅速发展的一个新的研究热点，在医药、化工、农 药、食品、化妆品等方面有着越来越广泛的应用。在药品和香料行业i l j ：消旋 的苯丙氨酸的甲酯在酶催化下合成人造甜味剂天( 门) 冬氨酰苯丙氨酸甲酯【2 】， d 苯甘氨酸和d 对羟基苯甘氨酸的酯是青霉素和头孢霉素半合成的主要中间 体1 3 1 ；在化工行业：可以通过酶催化溶解多种氨基酸的甲酯和乙酯来得到手性 氨基酸1 4 1 ；在化妆品行业：n - 单乙酰基酯在护发和护肤品中显示了很优秀的乳 化性、起泡性和增溶性；在食品工业：氨基酸酯代替氨基酸用于食品添加剂， 可改变食品的口味和风味，增加食品的保鲜期及提高食品的营养成分l q 。 通过酯化反应来保护氨基酸中的羧基，在氨基酸和肽化学中极其重要。羧 基被保护以后，可以起到如下两个作用：第一，在接肽反应中，可防止当反应 羧基用某些方法活化时，不需要反应的羧基也会被活化而带来的副反应；第 二，能使氨基组分的氨基不能同羧基形成内盐而完全游离出来，从而便于同羧 基组分反应形成肽键。但是，氨基酸同时连有氨基和羧基，且难溶于有机溶 剂，因此对酯化反应的条件的选择、选择性的提高以及如何更有效地进行产物 的分离提纯等都有更严格的要求。 氨基酸属两性化合物，由于其特殊的理化性质，使其发生酯化有相当的难 度。现在国内的氨基酸酯价格相对较高。全国最大的多肽、多肽试剂生产基 地吉尔生化( 上海) 有限公司报价如下：d - 异亮氨酸1 4 4 元5 0 克，而d 异亮 氨酸甲酯盐酸盐4 8 0 元5 0 克；d 脯氨酸1 2 8 元，1 0 0 克，而d 一脯氨酸甲酯盐酸 盐3 6 0 元2 5 克。如能在制备方法上进行改进，尤其是催化剂的改进，将会使 氨基酸酯的生产成本大幅降低，从而更好地满足国内外市场的需求。 常规氨基酸酯化法用氯化氢气体做催化剂，操作非常繁琐，且消耗过量的 醇：而用硫酸做催化剂时，因其具有强氧化性和脱水性而使原料的选择受到限 制；另外，如对甲苯磺酸法、二氯亚砜法等，因催化剂在反应结束后不能分离 而无法回收，使产品成本降不下来。 微波合成即j 技术具有高效、快速、对环境友好等优点，同时伴随着商业 化的微波合成设备的出现和无溶剂技术的发展，微波在有机合成中应用越来越 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 泛。更为重要的是微波合成技术可以缩短化合物合成的反应时间。微波加热与 传统的加热方式不同的是，微波辐射能量只被反应体系吸收，反应体系中样品 的温度将会是均匀的上升，可减少副产物的生成和产物分解。 在大力倡导“创建节约型社会”的今天，将固体酸和微波辐射技术应用到 科研生产中，势必带来可观的经济效益。 1 2 氨基酸酯合成方法研究进展 氨基酸属两性物质，具有不同于普通脂肪酸的性质，使其酯化反应比常规 酯化方法要困难许多。在氨基酸酯化过程中，催化剂的使用直接影响酯化反应 的速率和酯收率，并决定了酯化反应是否有工业化价值。通过查阅大量的文 献，总结归纳出制备氨基酸酯最常用的方法为氯化氢法、浓硫酸法、对甲苯磺 酸法、二氯亚砜法、酯交换法、酶催化法等。 1 2 1 气、液催化剂 1 2 1 1 气体催化剂氯化氢法氯化氢法是f i s c h e r 最早研究出的氨基酸酯 化的方法。几乎所有的l 一氨基酸甲酯和乙酯的盐酸盐都可用该方法来制备。 1 9 5 3 年，h o w a r d s a 等嘲用干燥的氯化氢作催化剂，制备了l 型、d 型的 谷氨酸苄酯和二苄酯盐酸盐，以及他们的游离酯，并由c u r t i u s 等人对此工艺 进行了改进，至今仍在工业上广泛应用。这项工艺包括：( 1 ) 反应阶段：将氨 基酸分散在甲醇中，通入氯化氢气体。( 2 ) 粗处理阶段：反应结束后，除去未 反应的醇，再加入新甲醇以便增加反应物的浓度。重复此操作，接着反应液脱 水，得到粗产品。( 3 ) 精制阶段：最终的粗产品用乙醚或石油醚重结晶，得到 目标产物。然而这一系列工序存在不足之处：( 1 ) 为了除去反应体系中生成的 水，消耗了大量的甲醇。( 2 ) 在重复浓缩步骤中会发生水解反应，因此经过过 滤干燥后的酯化产物的产率较低。( 3 ) 在生成的氨基酸酯的盐酸盐中存在水解 反应将产生大量的氨基酸，给精制阶段的产物提纯带来了困难。( 4 ) 因为乙醚 难处理回收，用它做重结晶溶剂在工业上是不适用的。 为了避免这些缺点，1 9 8 9 年日本的a j i o k a 等【9 】进一步的改进了该工艺。采 用直接把产物从甲醇中析出，过滤，滤饼在2 肚8 0 下干燥，再用有机溶剂 ( 最好是甲苯) 除去多余的甲醇；滤液再重复使用的方法，得到了高纯度高产 率的产物。此项专利合成了苯丙氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、赖氨酸的 甲酯盐酸盐及苯丙氨酸甲酯的硫酸、磷酸盐。同时，s t a n l e y 等【i o l 用该方法制备 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 了高纯度的苯丙氨酸甲酯，产率达到9 6 - - , 9 7 。 陈帆”1 i 在制备新型手性氨基酸衍生物时制备了丙、缬、亮、异亮氨酸的乙 酯，以l 苯丙氨酸乙酯的合成为例，方法为在冰水浴和磁力搅拌下，在装有回 流冷凝管、分水器的1 0 0 0 m l 三口瓶中，通入干燥的氯化氢，同时加入 4 0 m m o l l - 苯丙氨酸，加热回流，回流温度6 0 7 0 ，t l c 监测，反应至酸点消 失，蒸出醇，处理方法( 1 ) ：用n a 2 c 0 3 溶液中和至p h = 8 ，用5 0 m l 乙酸乙酯 萃取5 次，无水n a 2 s 0 4 干燥，蒸出乙酸乙酯，真空干燥得l 苯丙氨酸乙酯； 处理方法( 2 ) ：加入溶剂丙酮1 6 0 m l ，并加入三乙胺，( 三乙胺与l 苯丙氨酸 乙酯盐物质的量比l ：1 ) ，室温下搅拌至细小颗粒，滤出沉淀，用丙酮洗涤沉淀 3 次，蒸出丙酮，真空干燥得。苯丙氨酸乙酯。产率8 9 0 ，反应方程式如下： 啪h + p 吖叩、罢等名 l , h 2 。 。 8 ， 该合成工艺重现性好，反应周期短，催化剂易得，产物易分离，有利于工 业化生产。但是由于该工艺操作繁琐，并且需要消耗大量的醇，使其应用受到 限制。 1 2 1 2 液体催化剂使用液体催化剂合成氨基酸酯的方法主要有以下几种： 1 h 2 s 0 4 法 浓硫酸是普通羧酸酯化反应的一个经典催化剂，用于制备氨基酸酯时，得 到的不是硫酸盐，而是硫酸单酯盐，其反应通式如下： 瑚 s q h m 珂蹯【0 0 0 崦 i 马 反应的产物较复杂，分离难度增大。而且浓硫酸虽然价格便宜，催化活性 较高，但是反应复杂，副产物多，后处理繁琐，且得到的产品色泽较深。 目前，文献报道用硫酸法制备的氨基酸酯，主要是高级醇酯，如月桂醇、 癸醇等。用该方法可将高级烷醇( 如月桂醇) 直接加到角蛋白的水解液，得到 混合氨基酸的月桂醇酯。在该反应中，硫酸既是蛋白水解的催化剂，又是氨基 r 旺 毛 艇 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 酸酯化的催化剂，得到的混合氨基酸酯不需分离即可使用，具有一定的意义。 2 0 0 3 年，冯光炷等l ”】在以浓硫酸为催化剂，加入少量的聚乙二醇作相转移 催化剂的条件下，用由菜籽粕水解制得的混合氨基酸浓缩液和月桂醇反应合成 了混合氨基酸月桂醇酯。合成方法如下：摩尔比为l ：2 的月桂醇与复合氨基 酸，在甲苯溶剂中回流分水，反应温度1 1 0 - 1 2 2 ，反应时间为4 小时，催化 剂浓h 2 s 0 4 的用量为复合氨基酸的8 ，制得的产品具有良好的泡沫稳定性。 王钝等【1 3 l 用该方法制备了d 苯丙氨酸乙酯。具体的合成路线为：在4 0 0 m l 乙 醇中，加入d 苯丙氨酸6 1 8 9 ( o 3 8 m 0 1 ) ，搅拌使其溶解，滴加浓硫酸1 5 6 m l ( 0 3 m 0 1 ) 和乙醇1 0 0 m l 的混合液，加热回流2 小时，反应完毕后，减压蒸出 溶剂，残留物加2 0 0 m l 水使其全部溶解后，冰水浴下滴加1 4 氨水调 p h 9 - , 1 0 ，用乙醚提取水层，合并醚层，水洗，干燥，减压蒸除乙醚，残留物 减压蒸馏，收集9 2 , 9 4 0 c 1 9 k p a 馏份，收率7 6 ，反应方程式如下： 八：c 0 2 h i h 2 s 0 4 , e t o h , 2 h ，回流 7 6 y a m a m o t o 等叫l 也用浓h 2 s 0 4 作催化剂制备了氨基酸酯。反应方程式如下： n h 2社o i i h + h 0 2 c 一譬一c n i 忑五磊五丁n c 一簧一c 一吣 浓硫酸法还可用于以烯烃为酯化剂的反应。但因浓硫酸具有强氧化性和脱 水性，所以对于易脱水的醇、易氧化的氨基酸和多羟基的醇等都不适宜使用此 法。 2 二氯亚砜法 合成氨基酸酯的另一种有效的方法是通过氨基酸和二氯亚砜( s o c l 2 ) 反 应生成活性较高的酰氯( 酰氯中羰基碳的正电性较高) ，然后与醇发生亲核取 代反应生成相应的酯。该方法不需要通入h c i ，且产率较高，无副产物生成。 对于那些对酸、热敏感的氨基酸，如色氨酸；高温下易分解易挥发的醇，如烯 丙醇，甲醇等，更利于使用此法。1 9 6 5 年，r a v i n d r a 等i l ，l 用该方法合成了甘氨 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 酸苄酯、苯丙氨酸苄酯、苄基半胱氨酸苄酯及谷氨酸二苄酯的盐酸盐。实验方 法如下：把氨基酸悬浮在苄醇中，冷却至5 后，缓慢加入s o c l 2 ，加热回 流，加入乙醚直到有浑浊液产生冷却数小时，让苄酯盐酸盐结晶，过滤，在 无水乙醇一乙醚的混合液中重结晶。此外，蒋耀忠等用该方法合成了氨基酸甲 酯；思洋等【l l 合成了丝氨酸、天冬氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、缬氨酸、苯丙氨 酸、亮氨酸、甘氨酸、半胱氨酸的乙酯盐酸盐，以及丝氨酸、蛋氨酸、酪氨 酸，缬氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、及甘氨酸的甲酯盐酸盐；龙姝等1 1 1 制备了丙 氨酸，苯丙氨酸，苯甘氨酸的乙酯等中间体。 但是二氯亚砜法的毒性较大，体系要求温度低，增加了工业上的成本，不 利于工业化生产。 3 氯磺酸催化法 早在1 9 8 6 年，k h i m 等就以硫酸氢甲酯作催化剂来酯化脂肪氨基酸，但在 反应过程中，需要3 7 5 当量的硫酸氢甲酯，而且需要较长的反应时间。后来， 美国的b o e d t e n 等【吲直接用氯磺酸作催化剂，酯化氨基酸，避免了这些缺点。 该方法首先将氯磺酸和醇反应生成硫酸氢酯( 结构式为r o s 0 3 h ，其中r 代表 烷基) ，然后与氨基酸作用生成酯，再通过用碱中和的方法得到游离的氨基酸 酯。反应中只需要1 肛1 3 当量的催化剂，反应时间相对较短，最高转化率能 达到9 9 ，而且用它作催化剂时伯醇的酯化效果更好。其中氨基酸甲酯的反应 条件及收率见表1 1 表1 - 1 氯磺酸催化合成氨基酸甲酯 序号 氨基酸转化率，时间m i n产率o o 1 l 苯丙氨酸 9 93 0 9 4 2l 苏氨酸 9 92 0 8 3 3l 脯氨酸9 82 5 4 d l - 苯甘氨酸 9 93 0 9 5 反应温度6 9 7 5 但是氯磺酸吸湿性强，可与空气中的水分发生剧烈反应，生成盐酸和硫 酸，有强腐蚀性，因此在一定程度上限制了该方法的应用。 4 离子液体催化法 与传统的有机溶剂、水、超临界流体相比，离子液体具有许多优点： ( 1 ) 对许多无机和有机材料都表现出良好的溶解能力，利于均相反应的进 行； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 离子液体不易燃烧，热稳定性好： ( 3 ) 蒸汽压小，不挥发，可以用于高真空度下的反应和取代常规挥发性溶 剂，符合绿色化学的要求； ( 4 ) 离子液体为化学反应提供了不同于传统分子溶剂的环境，可能改变反 应机理，使催化剂的催化活性、稳定性更好，反应的转化率、选择性更高； ( 5 ) 全部由离子组成，极性大，但配位能力弱，对均相络合物催化剂不会 产生负面影响。 ( 6 ) 与一些常用的有机溶剂( 如乙醚，正己烷等) 不互溶，不仅可以提 供一个无水、极性可调的两相体系，而且易于产物的分离和剩余离子液体的回 收利用； ( 7 ) 可以通过调节其阴阳离子组成而调节其物理化学性质，促进反应的 进行； ( 8 ) 易于制备，且原料价格不贵。 离子液体目前已被广泛地应用在有机合成中2 0 0 3 年，美国的h u a 小组1 1 9 1 首次把绿色催化剂离子液体i e t p y c f 3 c o o 应用到了氨基酸酯的合成中， 以n - 乙酰基氨基酸( 包含非天然的氨基酸) 为原料，合成了丝氨酸、亮氨 酸、2 氯甘氨酸、2 苯甘氨酸、4 氯苯丙氨酸、h o m o - 苯丙氨酸、2 二氢吲哚甲 酸和色氨酸的乙酯和异丙酯。在温和的反应条件下，2 氯甘氨酸和色氨酸乙酯 的产率较高，分别为9 3 2 和9 4 8 ，然而它们的异丙酯的产率相对较低，仅 有5 1 9 和5 4 4 ，其它酯的产率都在8 0 左右。 严。蛔眦 卜c _ 一0 0 伽一 i - i 触a e i d + r r o h i e t p y + l l c v c x x r l + l 驴 5 多聚磷酸法 b e r n a r d 等1 2 0 1 报道了用多聚磷酸做催化剂直接酯化氨基酸，反应温度在 9 0 - - 1 0 5 ，反应4 d 时，合成了l 丙氨酸，d i e 苯丙氨酸，l 亮氨酸，l 苯丙氨 酸，l 酪氨酸，l 半胱氨酸，【广胱氨酸的苄酯盐酸盐。其中，d i e 苯丙氨酸苄 酯盐酸盐的具体实验方法：在检测管中，将5 9 多磷酸溶解在2 5 m l 苄醇中，加入 2 9 ，( o 0 1 2 m 0 1 ) d i e 苯丙氨酸，混合液在油浴上搅拌加热4 d , 时，温度控制在 品 一对 手 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 9 0 - 9 5 将溶液倒入含有1 0 m l 浓盐酸的2 0 0 m l 的水中，用乙醚萃取，醚层用 2 h c i 水溶液洗3 次合并所有的水层，用碳酸钠调至p h = 1 0 ，用1 0 0 m l 的乙 醚洗3 次。醚层用硫酸镁干燥，并用h c l 气体饱和。沉淀下来的d l 苯丙氨酸苄 酯盐酸盐2 3 9 。粗产品熔点为1 9 5 - - 1 9 6 ( 2 ，在乙酸乙酯和石油醚中重结晶。 1 2 2 固体催化剂 1 2 2 1 均相反应 1 对甲苯磺酸法 用对甲苯磺酸法制备氨基酸酯，是研究的较早和较多的一种方法。早在上 世纪6 0 年代，人们就开始制备各种氨基酸酯的对甲苯磺酸盐。该方法不需要 特殊的无水条件和氮气保护。具体的合成方法：将氨基酸在稍过量( 摩尔比为 l ：1 1 ) 的对甲苯磺酸存在下同醇进行反应，反应产生的水同苯或四氯化碳共沸 蒸馏除去，反应完全后得到氨基酸酯的对甲苯磺酸盐。p 碳原子上带有侧链的 缬氨酸( ) 和苏氨酸( 1 1 l r ) 的酯化需要较长的回流反应时间，反应过程用 薄板层析进行监测。这也是制备苄酯的一个非常通用的方法。 对于这一方法，文献有很多报道。i s a l n u l 2 ”用这该方法制备了对强酸敏感 的色氨酸乙酯和苄酯。m a c l a r e n 等1 2 2 1 用该方法制备了s 苄基l 半胱氨酸苄 酯。r o e s k e 等叫以异丁烯为酯化剂，用硫酸或对甲苯磺酸的二氧六环混合液作 催化剂，直接把游离的氨基酸转化成叔丁酯，产率可达6 0 0 7 5 。a k i n t o l a 等 2 4 1 先用对甲苯磺酸作催化剂合成氨基酸的对甲苯磺酸盐，然后氨基酸的对甲苯磺 酸盐在n ，n 二甲基甲酰胺( d ，) 中和联苯重氮甲烷( d d m ) 反应，最后 得到氨基酸联苯甲酯的对甲苯磺酸盐。h a l u y o 2 5 1 等用该方法在整个体系在有 肼、联肼或在无氧的条件，或者是这两种条件同时存在时，用光学活性的氨基 酸和苄醇进行反应，得到光学纯很高的各种氨基酸苄酯的对甲苯磺酸盐。2 0 0 4 年，安广杰等 2 6 1 报道了以该方法将蛋氨酸与不同链长的醇( 乙醇、丁醇、辛醇 和月桂醇) 进行酯化反应，再经过进一步结晶纯化，得到了多种蛋氨酸的酯。 2 苯磺酸法 较早合成氨基酸苄酯的方法是往苄醇中通入干燥的h c i 气体，由氨基酸盐 酸盐与苄醇偶合制备氨基酸苄酯盐酸盐。后来b e r g m a n n 等人用氨基酸的n - 羧 基内酸酐和苄醇偶合的方法。这两种方法反应条件苛刻且产率很低，主要是因 为形成的氨基酸盐酸盐及氨基酸的n 羧基内酸酐在苄醇中的溶解度小因 此，h e r b e r t 等人印l 改用苯磺酸为催化剂，由于氨基酸苯磺酸盐的形式使氨基 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 酸可溶于苄醇，所以反应获得了较高收率的酯化产物。该实验未使用带水剂， 而是像工业生产那样使用过量的醇在真空中加热回流使反应向产物方向进行， 例如l m o l 甘氨酸初次反应时消耗5 0 0 9 苄醇。用乙醚析出租产品后，再消耗 5 0 0 9 苄醇与粗产品反应。氨基酸苄酯苯磺酸盐可用下列方法转化为氨基酸苄酯 盐酸盐进行纯化：氨基酸苄酯苯磺酸盐在低温下悬浮于氯仿中，缓慢加入三乙 胺和乙醚，静置。三乙胺苯磺酸盐沉淀析出，过滤，乙醚溶液在真空中浓缩， 得淡黄油状物。浓缩液中不断通入h c i 气体直到没有盐酸盐沉淀生成。甘氨酸 苄酯盐酸盐和苯丙氨酸苄酯盐酸盐可在苄醇中重结晶进一步纯化；亮氨酸苄酯 盐酸盐在氯仿环己烷( v ：v = l ：1 4 ) 中重结晶，滤液通过加入环己烷( 根据所 用氨基酸的量而定) 析出晶体，析出的晶体在氯仿环己烷中重结晶。通过对 其旋光度的测定，证明了在反应中未发生外消旋。j a m e s 等嗍用该方法制备了 氨基酸的苄酯和对硝基苄酯，其中包括l 苯丙氨酸，l 丙氨酸，l 组氨酸等氨 基酸的对硝基苄酯。反应时醇和氨基氮的比例在1 5 , - - 3 5 之间，产率在5 0 - - 9 0 之间。 3 甲磺酸催化法 c h r i s t o p h e r ” 报道了用甲磺酸做催化剂合成氨基酸的长链酯。实验方法： k 酪氨酸( 8 9 ，4 4 r e t 0 0 1 ) 和十八碳醇( 3 0 9 ，1 1 0 r e t 0 0 1 ) 混合，加热至1 2 2 反应5 分钟后加入甲磺酸( 4 0 m l ，6 2 m m 0 1 ) 。在1 2 4 - 1 2 9 下搅拌2 5 小时。 反应完毕后将反应液倾倒在$ 0 0 m l 冷却的乙醚中( 干冰丙酮浴) ，室温下搅拌 2 小时，过滤，残余固体用3 0 0 m l 的乙醚洗涤3 次，真空干燥，得到粗产品甲 磺酸酯盐2 3 o g ，熔点为1 2 5 , - - 1 2 7 ，再转化为盐酸盐，产物的产率都超过 5 0 。4 三光气法 光气的毒性很大，而三光气作为一种固体化学品，储存和运输都十分方 便，是一种理想的光气替代品。由于它参加的化学反应条件温和，产物的选择 性好，收率高，使用安全方便，俄罗斯的r i v e r o i h 在2 0 0 1 年把三光气应用到了 氨基酸酯的合成中，反应通式如下； 时。竹哪 o q 卜o h r i ( 2 ) n h z r i 刽一专 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 三光气( 1 ) 和氨基酸( 2 ) 反应生成n 羧基弘氨基酸酐( 3 ) ，再加入醇得到 氨基酸酯( 4 ) ，最终得到的氨基酸酯不发生外消旋，各种氨基酸酯的产率如表 l - 2 所示。 表l - 2 三光气催化酯化氨基酸 氨基酸酯 产率，氨基酸酯产率 d 苯丙氨酸甲酯 9 5 l 丙氨酸甲酯 9 1 【广苯丙氨酸甲酯 9 5 l 脯氨酸甲酗 8 7 d 苯丙氨酸乙酯 7 6 l 色氨酸甲酯 7 6 l 苯丙氨酸乙酯 7 6 甘氨酸甲酯 8 2 1 2 2 2 非均相反应 1 二甲亚砜作助溶剂 a l e k s a n d e 等川利用二甲亚砜作催化剂，在碱性条件下，可以方便快速地 酯化氨基酸，反应仅需2 小时，产率在7 0 铷之间，且最终得到的氨基酸 酯不发生构型转化，纯度非常高。 玛q 之。一一 ：i 叫一 c o 州：地 一 丽丽丽i ； x , a , b r , o , s 0 2 , rr ，c 羽5c h z n ，a 1 2 p h n o 工 实验原理：用二甲亚砜( d m s o ) 作烯胺合成和烷基化的共溶剂，在一个 反砬器中苯和二甲亚砜的共沸混合物在氢氧化钾和乙酰乙酸乙酯存在下能迅速 溶解晶状氨基酸，几分钟内就可生成烯胺的钾盐。然后将烷基化试剂加到混合 物里生成氨基酸酯。为了除去乙酰乙酸乙酯保护基，可将氯化氢、溴化氢或对 甲苯磺酸溶于有机溶剂中而生成氨基酸酯盐。 2 树脂催化法 作为固体酸催化剂的一个门类，离子交换树脂有如下优点：( 1 ) 反应可在 室温或者稍微加热的条件下进行，副反应少；( 2 ) 催化干燥剂可循环使用、 成本低；( 3 ) 催化一干燥剂不溶于反应介质，产品易于分离提纯，操作简便， 所以离子交换树脂己广泛地用于有机合成中。1 9 9 8 年，印度的r a m e s h 等 3 t 2 1 首次 喜l r 哪 一 r 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用大孔树脂a m b e r l y s t - 1 5 做催化剂，以手性氨基酸为原料，在室温下和甲醇或 乙醇搅拌得到高纯度和产率的游离的氨基酸的甲乙酯，如丙氨酸、缬氨酸、亮 氨酸、丝氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、脯氨酸、酪氨酸的甲乙酯。该方法反应条 件温和，后处理和分离十分简单，树脂可以重复使用。而且过量的醇也可以从 氨基酸酯的体系中倾倒出来重复使用。n o r b e r t 等【3 ，i 已经成功的用聚苯乙烯基磺 酰氯树脂作为固体负载的缩合剂酯化羧酸和醇，所以他们又尝试用此催化剂酯 化保护的氨基酸。近几年氨基酸酯的研究主要集中在把氨基酸结构单元和羟基 化的固体负载物结合应用到固相的肽合成中，为了减少消旋量又引入了不同的 脱水剂，例如2 ，6 - 二氯苯甲酰氯( d c b c ) 州和1 ( 1 3 ，5 三甲基苯2 磺酰 基) - 3 硝基1 2 ，4 三唑烷( m s n t ) p s i 。在2 0 0 3 年，德国的n o r b e r t 等【3 6 】以聚 苯乙烯磺酰氯树脂( p s s 0 2 c ) 和自制的聚苯乙烯磺酰基3 硝基1 2 ，4 三唑烷 树脂( p s s 0 2 n t ) 作催化剂酯化f m o c - 保护的氨基酸，并对这几种催化剂进行 了比较( 如表1 3 所示) ，其中p s s 0 2 n t 可减少目标化合物的消旋，甚至可以使 f m o c - 保护的组氨酸不发生消旋p 哪。 3 沸石催化法 众所周知，当用酸催化酯化氨基酸时就会有盐生成，这就意味着需要额外 的碱中和才能得到游离的氨基酸酯，因此将损失大量的酸催化剂。2 0 0 1 年，荷 兰的w c g m a n 等鲫制定了一种催化酯化氨基酸酯的方法，采用超稳定的沸石 y ( h - u s ，一种石脑油裂解物质为催化剂，在1 0 0 - 1 3 0 c ( 1 5 - 2 0 b a r ) 条件下， 将几种游离氨基酸和甲醇反应制备氨基酸的甲酯，该方法避免了传统方法中有 当量的盐生成的缺点，随着氨基酸链长的增加，转化率会减少例如，苯甘氨 酸、对羟基苯甘氨酸和苯丙氨酸的转化率分别是8 7 ，8 3 ，7 0 ，3 2 。这 种规律的发生原因有两种：( 1 ) 随着氨基酸链长的增加，提高了氨基酸的憎水 性；( 2 ) 底物基团的增大妨碍了活性基团的接触机会。反应结束后回收的 y ( h - u s 催化剂由于吸水而降低了活性，但是通过焙烧它的活性可以完全恢 复，重复使用，降低了生产成本，更利于工业化生产 1 2 3 酶催化法 1 9 8 5 年，k i s e 等【蚓用小胰凝乳蛋白酶催化合成n - 乙酰基色氨酸乙酯，但 它不适用于催化芳香氨基酸的酯化。1 9 8 8 年，台湾的s h u i - t c i n 等用固定的 木瓜酶做催化剂，用离子交换树脂x a d - 8 做其吸附剂，甲醇、乙醇、正丙 醇、异丙醇、正丁醇及苄醇作亲核试剂，合成了几种常见的n 保护氨基酸的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 酯，收率为7 肛8 0 。然而这种方法生成的酯容易发生消旋化。2 0 0 4 年，土耳 其的y e s i m 等 , s o l 通过吸附的方法把胰蛋白酶吸附在聚乙烯醇上，在极性有机溶 剂中，稳定性较高，可以有效地催化合成b z - 精氨酸的乙酯、正丙酯和正丁 酯，且对于氨基酸和乙醇的酯化反应，这种固定的胰蛋白酶比游离的胰蛋白酶 具有更高的催化活性。反应体系中水的含量是影响此反应的速率和转化率的重 要因素，当用聚乙烯醇固定胰蛋白酶做催化剂时，水含量大约在3 时可得到 高产率的酯；此外，聚乙烯醇和胰蛋白酶的比例是影响反应的另一个重要的因 素，当聚乙烯醇和胰蛋白酶的质量比为4 0 时，氨基酸酯的产率最高。 1 2 4 微波协助催化法 近年来，微波辐射在有机合成中应用越来越广泛，几乎涉及了有机合成的 各个领域。微波合成技术是一种清洁能源，具有高效、快速、对环境友好等优 点。2 0 0 2 年，印度的v a s a n t h a k u m a r 等俐用未改装的家用微波炉，以对甲苯 磺酸或二氯亚砜为催化剂，合成了多种氨基酸的苄酯的对甲苯磺酸盐和盐酸 盐，如：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸的 苄酯对甲苯磺酸盐和甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸的盐酸盐，反应通式 如下： b f ! h ，c 。h - s o ， h z n - - - c ，- - c o o h + c s h s c h 2 0 h 二二m w 攀, 4 0 - 6 0 ”ct 。o h i - i z n - - ，c 一c o o c h z c , h s r - h ；c h 3 ；c h ( c h 3 ) 2 ；c h z c h ( c h 3 h ；c h ( c h 3 ) c 2 u s ；c n 2 c 6 u s ；c h 2 c 6 h 4 0 h 传统的方法需要在苯溶液中回流分水3 - 4 小时。而v a s a n t h a k u m a r 等在微 波功率为4 0 的条件下，辐射4 0 - - - 6 0 秒，氨基酸酯的产率就可达到9 2 以上， 其中，苯丙氨酸苄酯对甲苯磺酸盐的产率可达到9 7 1 2 5 无催化剂法 用质子酸等作催化剂酯化氨基酸非常耗时，并且在需要的酯化条件下，氨 基酸的侧链也会发生反应，从而导致氨基酸酯的分解。因此，迫切需要一种简 单、廉价的合成方法。2 0 0 5 年，德国的m u n s t e r 等1 4 2 1 提出了一种耗时少、产率 高的合成氨基酸酯及其盐的方法，该方法不需使用任何催化剂或活化剂，只用 自制的反应器，以聚肽、蛋白质或氨基酸为原料和相应的醇直接进行酯化，其 中，反应的条件是压力和温度两个参数都在反应的醇的超i 临界状态的5 以 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 上，用此方法制备了包括甘氨酸、赖氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、亮氨酸、异 亮氨酸、丝氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等多种氨基酸及常见的氨基酸衍生物和高 分子量的蛋白质的不同链长的酯，得到了较好的收率；并采用简单的引入质子 酸的水溶液来使这些氨基酸酯形成盐，而这些盐比游离的氨基酸的稳定性好很 多 1 2 6 其他酯化方法 1 9 7 9 年，u e d a e 4 3 1 用对甲苯磺酸乙酯做催化剂，酯化氨基酸，反应2 4 - 3 0 d 、 时，生成氨基酸乙酯对甲苯磺酸盐。色氨酸在对甲苯磺酸中不稳定，但是采用 该方法能够合成其对甲苯磺酸盐，产率为8 1 。 2 0 0 5 年，邓斌等 4 4 1 以谷氨酸和月桂醇为原料；固体酸s n c h 5 h 2 0 c 为催化 剂合成了谷氨酸月桂酯，正交实验得出最佳的反应条件为：月桂醇1 0 0 r e t o o l ， n ( 谷氨酸) ：n ( 月桂醇户l ：l ，s n c h 5 h 2 0 c 1 2 9 ，1 3 5 反应4 d 时，醇转化率 9 7 9 。 2 0 0 6 年，s a t h e 等 4 5 1 把二氯亚砜负载在硅石上，再催化各种n - 保护的氨基 酸。该方法的优点是反应条件温和，反应时间短，产率高，后处理简单，在酯 化羧基的同时，又能移除n - b o o 保护基团。 同年，孙建军等闱以谷氨酸和月桂醇为原料，用固体超强酸z r 0 2 s 0 4 2 作催 化剂合成谷氨酸月桂醇酯表面活性剂，并探讨了反应温度、反应时间、物料配 比和催化剂用量对合成反应的影响，结果表明该类催化剂催化效果良好，月桂 醇转化率高，可达9 6 以上 1 3 氨基酸酯的应用 研究氨基酸酯的制备方法，目的是为了开发它的应用而造福人类。这一工 作，在我国研究报道很少，而在日本，自上世纪7 0 年代以来，已作了大量的 研究和开发，它们被广泛应用于化工、医药、食品等许多领域。 1 作羧基活化和保护的基团 ，在多肽合成中，除了将参与反应的羧基活化外，其它不反应的羧基都存在 一个保护其不参与反应的问题。羧基被保护以后，除了可以防止在肽合成反应 中带来的副反应以外，还可使氨基不能同羧基形成内盐而完全游离出来，从而 便于其同羧酸组分反应形成肤键。一般是采用成酯的形式对羧基进行保护 s c h r i d e r 将羧基制成一些酯，如甲酯、乙酯、2 - ( 1 金刚烷基) 2 - 丙醇酯等，是将 羧基保护起来，让氨基进行反应。而j o n e s 将羧基制成另外一些酯，如三甲基 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 硅烷酯、对氯四氟苯基酯、6 氯2 吡啶基酯等，可大大地提高氨基的活性和选 择性，这对肽链合成的固定化酶技术和自动合成技术有着重大的意义。 2 用于医药工业 在医药工业中，用作药物或者药物中间体，是氨基衍生物目前和未来的发 展目标。我们利用氨基酸对生物体的特殊的渗透性和酶催化的专一性，将其作 为药物作用于机体。用氨基酸作为载体，将有抗菌作用的分子或基团引入机 体，增强了药物在体内的溶解和吸收，既抑制了细菌，又降低了药物的毒副作 用。 目前，文献已报道多例氨基酸酯直接或间接的用于治疗不同病症的例子： 如苯丙氨酸酯可抗肿瘤：半胱氨酸月桂酯具镇咳、化痰、消炎、退烧、止痛等 疗效，可用于治疗呼吸系统疾病；消旋的苯丙氨酸的甲酯在酶催化下合成人造 甜昧剂天冬氨酰苯丙氨酸甲酯，m 苯甘氨酸和d 对羟基苯甘氨酸的酯是青霉 素和头孢霉素半合成的主要中间体；甘氨酸高级醇酯有很好的抗菌性能，其中 甘氨酸癸酯的抗菌性最好。赖氨酸月桂酯对金黄色葡萄球菌的呼吸有抑制作 用，从而抑制了该细菌对细胞基质的氧化作用；氨基酸苄基酯很容易渗透到红 细胞，低浓度时可抗贫血：多种氨基酸酯可用作局部麻醉剂的成份，降低了麻 醉剂的副作用；此外，氨基酸酯还具有很强的抗氧性，使机体延缓衰老。由此 可见，氨基酸酯用于防病治病的开发研究有着广阔的前景。 3 用于化妆品工业 氨基酸酯类衍生物用于化妆品工业，最早在日本开发，现已大量投入生产 和销售，并且取得多项专利。氨基酸的多羟基酯、n 取代二羧基甘油酯、n 长 烃链取代的低级烷基酯、n 单乙酰基酯等均被用于护发和护肤品中，显示了很 好的乳化性、起泡性和增溶性，可使头发柔软、膨松、光泽而柔韧；令皮肤光 滑柔嫩、保温、抗氧化。此外，氨基酸可渗入机体，如半胱氨酸酯可用作冷烫 精的成分，比巯基乙酸配成的冷烫精具备了更多的优点。集保健美容于一体， 氨基酸用于化妆品有很好的市场前景。 4 用于食品工业 氨基酸酯代替氨基酸用于食品添加剂，可改变食品的口感和风味，增加食 品的保鲜期和提高食品的营养成分 4 7 j 例如含氨基酸酯的酒类饮料，室温下贮 存4 个月未见有微生物的生长；含氨基酸酯的饮料和口香糖有长久的清凉感 觉；l 高丝氨酸油酸酯可使食品乳化