（应用化学专业论文）L谷氨酰胺乙酯盐酸盐的合成.pdf

摘要 摘要 l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐是近年来在国外兴起的一种保健品成分，它在保持了 l _ 谷氨酰胺优点的基础上，克服了其应用上的一些缺点，是一种有应用前景的新 型前药。 本文以l - 谷氨酰胺为原料，探索了两条合成l - 谷氨酰胺乙酯盐酸盐的工艺路 线：一是由l - 谷氨酰胺合成l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐，再利用复分解反应转化为 l - 谷氨酰胺乙酯盐酸盐，并通过正交试验对工艺参数进行了优化。二是将l - 谷 氨酰胺转化为l - 谷氨酰胺盐酸盐，再酯化为l _ 谷氨酰胺乙酯盐酸盐，对工艺路 线进行了优化，对酯化催化剂进行了筛选，同时，对目标产物的分离方法进行了 研究；用红外光谱、液相色谱对产品进行了表征。 研究结果表明：先将l 谷氨酰胺转化为l 谷氨酰胺盐酸盐，再用浓硫酸催 化酯化合成l 谷氨酰胺乙酯盐酸盐的工艺路线为本研究的较佳工艺路线。其优 化工艺参数为：l 一谷氨酰胺盐酸盐为5 9 ，浓硫酸用量为1 5 m l ，乙醇用量为2 0 m l ， 反应温度为6 5 ，反应时间为5 h ，产率为8 1 2 。 研究结果为l 谷氨酰胺开发了一个有价值的下游产品，为今后l - 谷氨酰胺 乙酯盐酸盐的工业化奠定了基础。 关键词：蝴氨酰胺，嘲氨酰胺乙酯硫酸盐，l 广一谷氨酰胺盐酸盐，【广_ 谷 氨酰胺乙酯盐酸盐，氨基酸酯化反应 摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l - g l u t a m i n ee t h y l e s t e rh y d r o c h l o r i d ei sar i s eo fe l e m e n t si nt h e f o r e i g nh e a l t hp r o d u c t s b a s e d0 ni t sa p p l i c a t i o n , i tp r e s e r v e st h ea d v a n t a g e so f l - g l u t a m i n ea n do v e r c o m e ss o m es h o r t c o m i n g s , i ti sap r o m i s i n gp r o - d r u g b a s e do nl - g l u t a m i n ea sr a wm a t e r i a l s , t h ep a p e re x p l o r e dt h es y m h e s i so f l - g l u t a m i n ee t i l y l e s t e rh y d r o c h i o r i d eo f t w om l i t 鹤：t e c h n o l o g yo n ei st h es y n t h e s i s o fl g l u t a m i n ee t h y ls u l f a t ef r o ml - g l u t a m i n e , t h e nu s em c t a t h e s i si n t od - g l u t a m i n e e t h y l e s t e rh y d r o c h l o r i d e a n dc h o i c eo p t i m u mp r o c e s sb yo r t h o g o n a lt e s t s e c o n d ， l - g l u t a m i n ei sm a d ei n t ol - g l u t a m i n eh y d r o c h l o r i d e , t h e ns y n t h e s i so fl - g l u t a m i n e e t h y l e s t e rh y d r o c m o r i d e s t u d yo fo p t i m i z a t i o no ft h ep r o c e s sc o n d i t i o n s , f i l t r a t e c a t a l y s t , m e t h o df o rt h es e p a r a t i o no fp r o d u c t s , a n dt h ep r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e d b y i r a n d h p l c t h er e s u l t ss h o w ：l - g l u t a m i n ei sm a d ei n t ol - g l u t a m i n eh y d r o c h l o r i d ea tf i r s t , t h e n , u s ec o n c e n t r a t e ds u l f u r i ca c i da sc a t s tt os y m h e s i z el - g l u t a m i n ee t h y l e s t e r h y d r o c h l o r i d ei sab e t t e rp r o c e s so f t h i ss t u d yl i n e o p t i m i z i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ：t h e d o s a g eo fl - g l u t a m i n eh y d r o c h l o r i d ei s5 9 , c o n c e n t r a t e ds u l f u r i ca c i di s2 0 m l ，t h e r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s6 5 ( 2 a n dt h er e a c t i o nt i m ei s5h o u r s , t h ey i e l do f 8 1 2 t h e r e s u l t so f t h i sp a p e rd e v e l o p e dav a l u a b l ep r o d u c ti nt h ed o w n s t r e a mf o rl - g h t a m i n e , l a y i n g t h ef o u n d a t i o nf o rf u t u r ei n d u s t r i a l i z a t i o no fl - g l u t a m i n e e t h y l e s t e r h y d r o c h l o r i d e k e yw o r d s ：l - g l u t a m i n e , l - g l u t a m i n ee t h y ls u l f a t e , l - g l u t a m i n eh y d r o c h l o r i d e , l - g l u t a m i n ee t h y l e s t e rh y d r o c h l o r i d e ，a m i n oa c i de s t e r i f i c a t i o n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：童】盟指导教师签名：垣垒坠学位论文作者签名：殳l 鳖指导教师签名：蝗! 兰坠 灭旬年垂月菇日如7 年 月形日) 年皇月力日如年 月弘日 f i 。 西北大学学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它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 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：交1 昭 弘1 年 月彳日 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1l 一谷氨酰胺的基本性质 l 一谷氨酰胺也称l 一谷酰胺，是l 一谷氨酸一y 一氨基酰化的一种氨基酸， 其基本性质如下： e o o 蚪 结构式： 辩 c o n i - i z 分子式：c s h l o n 2 0 3 c a s：5 6 - 8 5 - 9 英文名：l - g l u t a m i n e缩写：h 1 n 分子量：1 4 6 1 4 性状：白色斜方晶系晶体或结晶性粉末，无臭无毒，有微甜香味。溶于水 ( 4 2 5 、1 0 0 m l ，2 5 下) ，比旋光度 q 0 2 0 - + 3 2 2 5 0 ( c = 1 0 ，2 n h c l ) 熔点：1 8 4 1 8 5 1 1 2l 一谷氨酰胺的制各方法 目前主要的生产方法有化学酰化法、酶法和直接发酵法“”。 ( 1 ) 化学酰化法 该法是以l - - 谷氨酸为原料在甲醇溶液中酸催化生成l - - 谷氨酸一y 一甲 酯，并加入适量的二硫化碳保护氨基，阻止l 一谷氨酸一y 一甲酯的环化而生成 l _ 吡咯烷酮羧酸铵，在酸胺化后，经过酸化能自动地放出二硫化碳而生成l - - 谷 氨酰胺。这种直接由l - - 谷氨酸通过浓硫酸作脱水催化剂，进行部分酯化反应制 成l 一谷氨酸一y 一甲酯，对中间产物l - - 谷氨酸一y 一甲酯不经过分离和纯化， 直接在二硫化碳的存在下与液氨的甲醇液进行反应而得l 一谷氨酰胺的方法，缩 短了反应时间。但是化学酰化法生产l - - 谷氨酰胺成本比较高，从而限制了l - - 谷氨酰胺的使用。 ( 2 ) 酶法 酶法是用n h + 和谷氨酸作原料，经谷氨酰胺合成酶催化生产l - 谷氨酰胺， 在转化中必需有a t p 存在。然而，由于a t p 价格昂贵，难以在工业上应用；同时， 酶反应底物硼。+ 副产物a d p 都明显抑制l - 谷氨酰胺的生成。反应终了时只有微 量的l 谷氨酰胺生成。因而酶法生产l - 谷氨酰胺还有待进一步深人研究。 ( 3 ) 直接发酵法 。 用发酵法生产l 谷氨酰胺是选择合适的菌种，控制培养基成分及浓度给微生 物以最佳的环境，利用微生物的新陈代谢，可以大幅度提高l 谷氨酰胺的产量。 目前工业生产多采用这种方式。 1 1 3l 一谷氨酰胺的应用 l - - 谷氨酰胺是目前所知道的最重要的氨基酸之一。在调节人体蛋白质的合 成、抑制蛋白质的降解、刺激细胞生长、激活免疫、提高生长激素水平方面起着 重要作用嘲 ( 1 ) 在药学上的应用 l - 谷氨酰胺作为药用氨基酸在国外已得到广泛的应用，由于其在胃溃疡、胃 炎、十二指肠溃疡等疾病方面有很好的疗效而在德国已载入药典；在日本，l - 谷氨酰胺作为胃肠类药物及健脑产品己得到普遍的使用；美国用于治疗胃溃疡等 疾病的保健药品对l 谷氨酰胺的使用也相当广泛；l _ 谷氨酰胺的口服制剂已有 商品出现，如日本寿制药株式会社研制的麦粒胺( 用于治疗胃炎、肠炎，其中l _ 谷氨酰胺含量9 9 9 以上) 。 在我国，山东鲁抗医药股份有限公司承担的“l - 谷氨酰胺原料药及胶囊项 目”荣获“2 0 0 6 年国家级火炬计划项目”。该项目产品是由山东鲁抗医药股份 有限公司和山东大学微生物国家重点实验室联合开发的一种治疗胃病药物，已于 2 0 0 4 年l o 月获得国家药品监督管理局颁发的新药证书和生产批文( 国药 2 h 2 0 0 4 1 4 4 8 ) ，目前胶囊剂已批量生产并开始销售。 ( 2 ) 在运动产品中的应用 健美爱好者及竞技运动员在进行高强度的力量训练时，体内l 一谷氮酰胺的 水平可下降5 0 ，此时，若不能通过饮食或自身合成得到足够的谷氨酰胺，肌 肉蛋白就会发生分解，以满足机体对谷氨酰胺的需求。这不仅影响了肌肉的体积， 也会降低机体的免疫能力，因为免疫系统的谷氨酰胺主要来源于骨骼肌的释放。 长时间、力竭性运动后血浆谷氨酰胺水平更低，有的人可能维持低水平达几周、 几个月甚至数年之久。及时补充l 一谷氨酰胺以便于有效地防止肌肉蛋白的分 解，通过细胞的水合作用，增加细胞的体积，促进肌肉的生长。 ( 3 ) 对胃肠道的保护作用 在创伤、手术、肿瘤放、化疗及严重感染、重症胰腺炎等应激状态或长期进 行肠外营养情况下，胃肠道粘膜的结构和功能可能受到严重损害，可导致胃肠功 能衰竭( 障碍) ，甚至出现多器官功能衰竭而危及生命。有文献报道嘲，在胃肠 疾病、手术后、严重创伤、大面积烧伤和肿瘤放、化疗、肾功能不全、严重感染 的病人，细胞对谷氨酰胺的摄取明显增加，从而极容易出现。肠粘膜饥饿” ( m e e s t i n a lm u c o s a ls t a r v a t i o n ) 而加重疾病的过程。及时补充l - - 谷氨酰胺改 善氮平衡可明显提高存活率。 ( 4 ) 其他方面的应用 谷氨酰胺是非必需氨基酸，机体许多组织能合成谷氨酰胺，但在剧烈运动、 创伤、感染等应急和高分解代谢状态下，谷氨酰胺的需要量太大超过了机体合成 谷氨酰胺的能力，此时机体谷氨酰胺含量降低，导致蛋白质合成减少，影响免疫 功能。因此近年来被称为“条件必需氨基酸”。谷氨酰胺是腹粘膜上皮细胞、肾 小管细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、成纤维细胞和肿瘤细胞的重要能量物质在促进 免疫功能，维持肠道机能及提高机体对应激的适应方面有着极其重要的药理作 用，谷氨酰胺与免疫功能谷氨酰胺具有促进机体免疫功能的作用。 现有资料表明嘲：l - 谷氨酰胺不仅是淋巴细胞和巨噬细胞的重要能量物质。 甚至可能是各种免疫细胞的主要能源物质，这些细胞对l 一谷氨酰胺的利用类似 对糖的利用，在需要量上甚至超过了糖，未分化的淋巴细胞对谷氨酰胺的利用率 也很高。生理浓度的谷氨酰胺能满足免疫细胞的需要，但机体谷氨酰胺的合成量 不足会影响到这些细胞的功能淋巴细胞对谷氨酰胺的利用率下降能影响它们的 增殖率将淋巴细胞置于含不同浓度谷氨酰胺的培养基中培养发现，一定剂量 的谷氨酰胺可提高淋巴细胞对p h a 的转化率。在实验中发现；当基质中谷氨酰胺 、一， 浓度降低时，淋巴细胞分裂增殖速度迅速下降，巨噬细胞的吞噬能力减低。现认 为谷氨酰胺影响免疫系统的原因可能是：谷氨酰胺是淋巴细胞嘧啶和嘌呤核苷酸 合成的前体物，是合成核酸的不可缺少的氮源。 除此之外，l 一谷氨酰胺还被广泛用于食品添加剂、饲料添加剂、化工中间 体”等。 i 1 4l 一谷氨酰胺在药物应用中目前存在的不足 目前l - - 谷氨酰胺在i f 每床上应用还比较困难，这是由于l 一谷氨酰胺水溶液极 不稳定，它很容易水解成焦谷氨酸、谷氨酸与氨，加热后容易形成毒性物质，同 时它的溶解度低( 在2 5 c 时l o o m l 水只能溶解谷氨酰胺4 2 5 9 ) 。l 一谷氨酰胺进入 人体后氧化产生的大量a t p 反馈抑制了l - - 谷氨酰胺的利用率。 近年来随着氨基酸酯类衍生物合成及应用的迅速发展，它们在医药方面有着 越来越广泛的应用。通过酯化反应来保护羧基，在氨基酸和肽化学中极其重要。 基于此国外提出了用l 一谷氨酰胺乙酯( 盐酸盐) 代替l - - 谷氨酰胺( 盐酸盐) ，解 决l 一谷氨酰胺在胃中水解成谷氨酸和氨的缺陷。同时还研究了l - - 谷氨酰胺的 一些衍生物如n - 甘氨酰一l 一谷氨酰胺、l - 丙氨酰- l 一谷氨酰( c a s ：3 9 5 3 7 - 2 3 - 0 ) 、 n _ l - 丙氨酰_ l 一谷氨酰胺( c a s ：3 9 5 3 7 2 3 - 0 ) 、l - 丙氨酰一l 一谷氨酰胺( 二肽) 等用 以提高氨基酸的水解稳定性。 1 1 5l 一谷氨酰胺乙酯( 盐酸盐) l 一谷氨酰胺乙酯( 盐酸盐) 的研究及商品化在国外也是近年来才有少许报 道( 主要是美国和英国) 。英国“m y p r o t e i n ”公司号称是世界上第一家批量生 产l 一谷氨酰胺乙酯二盐酸盐的公司，报价为每1 0 0 克8 9 5 英镑( l - - 谷氨酰胺 报价为1 0 0 克2 8 9 英镑) 。其提供的l 一谷氨酰胺乙酯二盐酸盐技术指标如表卜l 所示： 4 表1 - 1l - - 谷氨酰胺乙酯二盐酸盐技术指标 表1 - 2 含l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐的保健品胶囊组成 c e m - a k g ( c r e a t i n ee s t e rm a l a t e a k g ) ( 肌酸乙酯苹果酸盐) 3 0 0 0n g c r e a t i n ee t h y le s t e rh c l ( 肌酸乙酯盐酸盐) c r e a t i n ea l p h ak e t o g l u t e r a t e ( 肌酸a 一酮戊二酸盐) h a l i ca c i d ( 苹果酸) d i - 6 1 u t a n i n ee s t e r ( 双组分谷酰胺乙酯) 2 0 0 0 i g l - g l u t a m n ee t h y le s t e ri t c l ( l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐) l _ g l u t m i n eh c l ( l 一谷氨酰胺盐酸盐) a k g ( a 1 p h ak e t o g l u t a r i ca c i d ) ( a 一酮戊二酸) 5 美国n e t n u t r i 公司销售含有l - - 谷氨酰胺乙酯盐酸盐的保健品胶囊( 组成 见表i - 2 ) ，据称该胶囊的功效在于能够促进肌酸的完全吸收、恢复疲劳、增强 肌肉的力量，同时有利于a t p 的转化。需要我们关注的是：在这种胶囊中是将l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐和l 一谷氨酰胺盐酸盐混合使用，同时添加有肌酸乙酯苹 果酸盐、肌酸q 一酮戊二酸盐及维生素系列。说明国外对l - - 谷氨酰胺乙酯的使 用也刚刚开始。 经过我们在陕西省科学技术信息研究所( 国家一级科技查新咨询单位) 的查 新显示，关于l - - 谷氨酰胺乙酯盐酸盐的合成工艺目前在公开的数据库中尚属空 白( 查新报告见附件一) 。 1 1 6 氨基酸酯化反应的方法 氨基酸同时有氨基和羧基，方面难溶于有机溶剂，另一方面0 一氨基在剧 烈条件下易脱掉，因而，酯化反应的转化率、选择性和产物的分离、提纯等都对 反应条件有着严格的要求，使得催化剂的选择成为氨基酸酯化的难点。 氨基酸酯化一般有两种途径旧：一是直接酯化；二是将氨基保护后酯化，再 除去保护基团前一种方法简单易操作，但不适用于对酸、热不稳定的氨基酸， 而且产率较低。后一种方法，产率较高，适用于任何氨基酸但工艺路线较长 ( 1 ) 酸催化法 氨基酸直接酯化一般用酸来做催化剂，酸性介质很好的保护了氨基。酯化后 一般得到氨基酸的盐。常用的酸有：氯化氢、浓硫酸，对甲苯磺酸等。 氯化氢法是一种经典的氨基酸酯化方法，反应产率高、产物易分离、生成的 氨基酸盐酸盐可以直接作为原料药使用。具体操作为：将干燥的氯化氢气体通入 氨基酸和醇的混合液里回流。目前，用这种方法已经成功的合成了大多数氨基酸 的甲酯、乙酯，高级酸的醇酯，而且合成了氨基酸的糖酯、核酸酯、胆碱酯、氨 基醇酯“1 等。但因为氯化氢气体毒性较大，操作不便，而且此方法工艺较为复杂， 所以工业化受到限制。 浓硫酸法是普通酯化催化的一种经典催化剂。用于催化酯化氨基酸时，得到 的是硫酸盐“】，而硫酸盐一般不能直接使用，所以必须进行处理，置换成盐酸盐 或者除掉硫酸根离子由于浓硫酸具有强氧化性和脱水性，所以易脱水的醇、易 6 氧化的氨基酸都不适合选其作为催化剂。 对甲苯磺酸制备氨基酸酯是研究较多的一种方法，早在6 0 年代人们就开始 研究各种氨基酸酯的对甲苯磺酸盐，用对甲苯磺酸催化无需对氨基进行保护，而 且结晶的酯纯度高、易分离。但此反应需要时间较长( 一般需回流2 0 小时) ，但 如果体系中加入对甲苯磺酰氯可以大大缩短反应时间( 一般只需回流1 - 2 小时) ， 已经成功的制备了氨基酸的甲酯、乙酯、长链烷基酯、萜烯酯等。氨基酸酯的对 甲苯磺酸盐可以通过以下方法转化为盐酸盐：( 1 ) 用n a c 0 3 溶解氨基酸酯的对甲 苯磺酸盐，一次加入乙酸乙酯和含有h c l 的n a c l 溶液，提取、洗涤、重结晶， 即得氨基酸酯的盐酸盐。( 2 ) 用甲基胍的氯仿溶液将氨基酯的对甲苯磺酸盐分解 为游离的氨基酸酯和对甲苯磺酸。用乙醚提取，加入醇的h c l 溶液，结晶，纯化。 即得氨基酸酯的盐酸盐 ( 2 ) 氯化亚砜法 此方法酯化直接得到氨基酸酯的盐酸盐，其基本反应方程式为： 旷i h c o o h + s o c i 2 一r 广p c i + s 0 2 娑r 1 - i h c o o r 2 由h 2n h 2 h c i 由h 2 h c i 此方法优点是：酯化率高，易于分离，易于操作。缺点是：氯化亚砜毒性大， 实验室和工业化有一定的困难。 树脂催化法 ( 3 ) 树脂催化法 适用强酸性阳离子树脂做催化剂，无水硫酸钙作为干燥剂进行的酯化反应， 是一种较好的酯化方法，具有以下优点： 反应可在室温或者微热条件下进行，副反应少： 催化干燥剂可循环使用，成本低： 干燥剂不溶于反应体系，易于分离。 目前，此方法还不是很成熟，如何选择树脂，树脂如何活化处理等方面还 有很多工作要做。 ( 4 ) 酯交换法 酯交换法用于氨基酸酯化的报道不多，因为一般的酯交换为可逆反应，产率 较低。但采用原酸酯作为酯基转移基团或者用分子量较大的、沸点较高的醇酯换 7 分子量较小、沸点较低的醇，可以取得较好的效果。 1 2 本课题的研究意义 基于以上国内外对l 一谷酰胺及氨基酸酯化研究的现状，我们受国内某大型 制药企业的委托，探索研究l 一谷酰胺乙酯盐酸盐的合成、分离、纯化及检测方 法。为l - - 谷酰胺乙酯盐酸盐的应用奠定基础，赶上国际同步水平。 1 3 本课题的研究内容及思路 由l 一谷氨酰胺的基本物理特性及分子结构分析可知；l 一谷氨酰胺遇酸、 碱、热水均不稳定，这就给羧基上的酯化反应带来了很大的障碍，所以催化剂选 择和温度的确定就成了本试验的难点。由于没有文献可以参考，本研究尝试用一 般氨基酸酯化的方法和催化剂进行实验。 经过理论分析和大量的探索性实验，确定了以下两条合成l - - 谷氨酰胺乙酯 盐酸盐的思路： 第一条思路为：以l 一谷氨酰胺为原料用浓硫酸直接催化酯化，得到l 一谷 氨酰胺乙酯硫酸盐，再利用复分解反应置换为l - - 谷氨酰胺乙酯的盐酸盐。该路 线为今后制备l - - 谷氨酰胺乙酯有机酸盐奠定基础。 第二条思路为：先将l 一谷氨酰胺进行盐酸盐化，以保护l - - 谷氨酰胺的氨 基和酰氨基，提高稳定性，再筛选催化剂进行酯化。 8 2 1 主要原料及仪器 2 1 1 主要仪器 第二章实验部分 表2 - 1 实验主要仪器设备 高效液相色谱 s c l - i o av p 日本岛津公司 9 2 1 2 主要原料 表2 - 2 主要原料 2 2 由l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐制备l 一谷氨酰胺乙醢盐酸盐 路线如下： 2 2 1 实验步骤 ( 1 ) 在装有温度计、回流冷凝器、恒压滴定管和搅拌器的四口烧瓶中，加入一 定量的l - - 谷氨酰胺和无水乙醇，恒温搅拌均匀后，慢慢( 1 m 1 1 5 m i n ) 滴加浓硫 酸； ( 2 ) 浓硫酸滴完后，继续恒温反应数小时； ( 3 ) 反应结束后，搅拌降至室温，抽滤，滤液回收，滤渣用无水乙醇洗涤，再 重结晶、真空干燥即得l - - 谷氨酰胺乙酯硫酸盐； ( 4 ) 称量l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐的重量，再称取一定量的c a t l 。，各用一定量 的水溶解。将c a c l ：溶液缓慢加入l - - 谷氨酰胺乙酯硫酸盐的溶液中，边加边搅 拌； ( 5 ) 将上述浊液抽滤，滤渣烘干称重，滤液低温旋转蒸发至一定量，再静置结 晶。所得晶体即为l - - 谷氨酰胺乙酯盐酸盐。 2 2 2 实验装置 图2 - - 1 浓硫酸催化酯化的实验装置图 2 3 由l 一谷氨酰胺盐酸盐制备l - - 谷氨酰胺乙酯盐酸盐 路线如下： 0 。h 娜h 一各峨 2 3 1 l 一谷氨酰胺盐酸盐的制备 实验步骤： 在冰水浴中，将l 一谷氨酰胺搅拌溶于一定量水中，滴加浓盐酸，当p h 值接近、 1 5 时，减缓滴加速度，直至溶液完全透明后，再滴加少量浓盐酸直至溶液再 混浊。低速搅拌2 分钟，静置2 4 , 时。真空抽滤，滤液保留待用，滤渣精制、 低温真空干燥，即得l - - 谷氨酰胺盐酸盐； 母液循环。滤液中补加适量水，再加入与上述产品l - - 谷氨酰胺盐酸盐摩尔数 相当的l 一谷氨酰胺，搅拌，并滴加浓盐酸，重复( 1 ) 操作，可得l 一谷氨酰 胺盐酸盐。 2 3 2l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐的合成 ( 1 ) 以浓硫酸为催化剂 实验步骤： 在装有温度计、回流冷凝器、恒压滴定管和搅拌器的四口烧瓶中，加入一定 量的l 一谷氨酰胺盐酸盐，再加入一定量的无水乙醇，恒温下，搅拌； 反应物温度与水浴温度一致后，慢慢( 1 m l s m i n ) 滴加浓硫酸。滴完后，恒 温反应数小时； 搅拌降至室温，抽滤，滤液回收； 滤渣用无水乙醇洗涤，直到取少量滤渣用b a c l 。水溶液检验，无沉淀。精 制、结晶，即得l - - 谷氨酰胺乙酯盐酸盐。 实验装置：同图2 - 1 ( 2 ) 以对甲苯磺酸为催化剂 对甲苯磺酸作为一种常用的酯化催化剂，其酸性比浓硫酸低，吸水性也比 浓硫酸差。但对甲苯磺酸能溶于溶剂乙醇，有利于催化剂作用在反应体系中的充 分发挥。于是，本研究考察了以对甲苯磺酸作为催化剂合成l 一谷氨酰胺乙酯盐 酸盐。通过实验我们发现：若直接用对甲苯磺酸对l 一谷氨酰胺盐酸盐进行酯化， 一次酯化的产率比较低，于是还考察了二次酯化的方法。 一次酯化 工艺流程简图如下所示： l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐 图2 2 对甲苯磺酸催化一次酯化工艺流程简图 实验装置图如下所示： 二次酯化 图2 3 对甲苯磺酸催化酯化的实验装置图 其工艺流程简图如下所示： 对甲苯磺酸 图2 - 4 对甲苯磺酸催化二次酯化工艺流程简图 实验装置：同图2 3 ( 3 ) 以氯化亚砜为催化；i l i 氯化亚砜是较为常规的一种氨基酸酯化的催化剂，酯化后可以直接得到氨基 酸的盐酸盐。本研究曾用氯化亚砜直接催化酯化l 一谷氨酰胺，但由于l 一谷氨酰 胺低温下在溶剂中的溶解性很差，而使产率很低。而以l - - 谷氨酰胺盐酸盐为原 料，保护了氨基，同时可以增加其溶解性。 实验步骤： 在装有温度计、回流冷凝器、恒压滴定管和搅拌器的四口烧瓶中，加入一定量 的无水乙醇，降温搅拌； 在低温下，将一定量的氯化亚砜滴加到烧瓶中，并不断搅拌； 滴加完毕后，向烧瓶中加入定量l 一谷氨酰胺盐酸盐，保持温度不变，继续 搅拌一定时间； 缓慢升温，搅拌反应数小时搅拌降至室温，抽滤，滤液回收； 滤渣用无水乙醇洗涤、精制、结晶即得l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐。 实验装置：同图2 - 1 。 ( 4 ) 以氨基磺酸为催化剂 工艺流程简图如下： 氨基磺酸 l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐 图2 - 5 氨基磺酸催化酯化工艺流程简图 实验装置：同图2 - 3 。 2 3 3 产品的精制 对象为由l - - 谷氨酰胺盐酸盐通过各种催化剂制备的l - - 谷氨酰胺乙酯盐酸 盐粗品。 实验步骤： ( 1 ) 向所得粗产品中加入水制成饱和溶液； ( 2 ) 滤掉不溶的少量杂质，再向滤液中加入数倍于水量的无水乙醇，一定温度， 一定时间，结晶； ( 3 ) 过滤，并用无水乙醇洗涤滤渣，滤渣低温真空干燥后即得产品。 2 4 贮存 l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐极易吸潮，且遇热不稳定，应置于干燥、低温避光环 境下。 2 5 产品含量的测定 日本岛津公司s c l - i o av p高效液相色谱 色谱条件：水为溶剂；乙腈：水= 7 0 ：3 0 为流动相，磷酸二氢钾缓冲溶液为流动 相， = 2 1 5 n m ，氨基健合硅胶柱。 第三章结果与讨论 3 i 由l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐制备l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐 3 1 1l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐的合成 h 晋厶b 叱 h 乒& o 一 生旦2 坚2 q 坚- 镢再j 两一 所以，在整个反应过程中体系的温度应控制在4 0 以下。 有机羧酸和醇的酯化反应是通过双分子历程进行的，其反应机理如下： r e o 韩+ p 号声蜀= = 皂 i i o 一一c 睁彤一 l 1 1 r 一_ o 一彤；# = 0 2 l l ll o h h 瓣卜c o o h h + r 一一册十即9 2 一r 一一洲。ri l i l “ + o ho 1 7 ( z ) 合成工艺参数的确定 反应时间对产率的影响 反应时间是酯化反应的个重要影响因素。固定l 一谷氨酰胺5 9 、无水乙醇 3 0 m l 、浓硫酸3 6 m l 、反应温度2 5 1 2 ，来考察产率随反应时间的变化。 结果图3 - 1 所示： l1 522 533 544 555 566 5 时问( h ) 图3 一l 反应时间对产率的影响 由以上图可以看出：从时间增至3 小时之后产率基本不再随时间的增加有明 显的变化。说明3 小时之后反应体系在此条件下达到平衡，即此时l 一谷氨酰胺 与乙醇发生酯化反应的速度等于l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐的水解速度，因而产率 不再上升。所以，适宜反应时间为3 小时。 反应温度对产率的影响 通过对实验原理的分析可知，温度的选择对本实验至关重要。由于随着酯化 反应的进行，产生了少量的水，如果温度过高，原料l - - 谷氨酰胺易发生副反应， 所以将温度控制在4 0 1 2 以内进行反应。固定l 一谷氨酰胺5 9 、无水乙醇3 0 m l 、 浓硫酸3 6 m l 、反应时间3 h ，来考察产率随反应温度的变化。 结果图3 - 2 所示： 1 8 5 5 5 0 4 5 s4 0 袭3 5 3 0 2 5 2 0 581 11 41 72 02 32 62 93 23 53 84 l4 4 温度( ) 图3 - 2 反应温度对产率的影响 通过以上实验可以看出，温度达到2 5 以后，产率开始慢慢下降。这是因 为强酸性条件更增加了l 一谷氨酰胺的不稳定性，使得到温度达2 5 c 后，就会发 生一些副反应。所以，2 5 1 2 是此条件下的适宜温度。 浓硫酸用量对产率的影响 此反应中浓硫酸不仅是催化剂而且还是反应物之一。浓硫酸如果用量过大， 容易引起副反应，甚至引起碳化现象；如果用量过小，则不利于酯化反应的进行。 作为反应物浓硫酸与l 一谷氨酰胺的理论摩尔比2 ：1 ，计算如下： ( 兰二查塑堕壁箜堕里 l 一谷氨酰胺的摩尔质量 2 浓硫酸的摩尔质量) pt n = 3 6 ( - 1 ) 所以，以浓硫酸的添加量3 6 m l 为起点来考察其对产率的影响。 固定l 一谷氨酰胺5 9 、无水乙醇3 0 m l 、反应温度2 5 c 、反应时间3 h ，来考 察产率随浓硫酸用量的变化，所得实验结果如图3 - 3 所示。 由图3 3 分析可知：浓硫酸的滴加量为3 9 m l 时，反应产率最高。所以，我 们取浓硫酸的滴加量为3 9 m 1 1 9 5 3 5 2 5 1 ，、5 0 l i 4 9 钆4 8 4 7 4 6 4 5 33 2 53 53 7 544 2 54 54 7 5 浓硫酸的量( m 1 ) 乙醇用量对产率的影响 图3 - 3 浓硫酸的量对产率的影响 本研究中乙醇用量应该过量，这样不但有利于酯化反应地进行，而且避免了 因浓硫酸的添加量多而引起的碳化现象。实验发现：乙醇用量少于3 0 m l 时，反 应极易发生碳化现象，所以，固定l 一谷氨酰胺5 9 、浓硫酸3 9 m l 、反应温度2 5 、反应时间3 h ，以3 0 m l 乙醇添加量为起点考察其对产率的影响。所得实验结 果图3 - 4 所示： 5 5 5 0 ；4 5 ；4 0 l3 5 3 0 2 5 2 0 2 0 2 53 0 3 54 04 55 05 56 06 5 乙醇的量( m 1 ) 。 图3 _ 4 乙醇用量对产率的影响 由以上图表以得出；当乙醇添加量达到4 0 m l 时，产率最高。当乙醇的量再 增加时，稀释了催化剂，降低了催化效率，从而使产率下降。即乙醇量为4 0 m l 时，浓硫酸在体系中的浓度为其催化的较佳浓度，催化效果较为明显。所以，乙 醇用量应取为4 0 m l 。 ( 3 ) 合成工艺参数优化 为了更好的确定试验的最佳条件，在以上单因素实验的基础上，本研究进行 了正交实验。以浓硫酸的量、反应温度、乙醇用量为因素，选择了三个水平进行 实验，反应时间确定为3 小时。以产率为指标，考察了浓硫酸的量( a ) 、反应 温度( b ) 、乙醇用量( c ) 对反应的影响。实验设计和实验分析见表3 - 1 ，表3 - 2 ， 表3 - 3 。 表3 - 1 正交实验因素水平表 因素 abc 承乎 浓硫酸的量( 1 1 )反应温度( )乙醇的量( 1 1 1 ) 13 62 0 3 0 23 ，92 54 0 34 23 05 0 表3 - 2 正交实验结果 实验号 abc 产率( ) ll1l4 7 9 21225 5 2 3l334 6 1 42l25 2 8 5 22 3 4 9 7 6 2314 6 6 73134 7 5 ，832 l。4 9 7 93 324 7 9 表3 - 3 正交实验结果分析 abc i 1 5 0 8 1 5 1 8 1 5 5 8 1 5 0 91 4 5 41 4 4 1 1 5 4 91 5 9 41 。5 6 7 i 3 o 5 0 3o 5 0 6 0 5 1 9 3o 5 0 30 4 8 50 4 8 0 m 30 5 1 60 5 3 1o 5 2 2 极差 o 0 1 30 0 4 60 0 4 2 注：理论产量= l 一谷氨酰胺的质量 l 一谷氨酰胺的摩尔质量 l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐的摩尔质量 = 1 2 6 6 ( g ) 通过以上正交实验，从分析结果来看，影响因素主次顺序为： 反应温度 乙醇用量 浓硫酸用量 可以得出最佳工艺条件为a ，b 2 g ，即浓硫酸用量为3 6 m l ，反应温度为 2 5 ，乙醇用量为4 0 m l ，反应时间为3h ，产率为5 5 2 。 ( 4 ) 结构表征 囊o ，箩： 、 一 ；t ， ， ，、，；。5 | ：。l 、j | 。；i 。：i ：。：! ：l ，： ，7：j ， ：i i ： ： 8 、“7 7 7 j j ，嚣 、 j 一 ； 4 ；， ， ， ：一 ， l ll l ，i；霾i i ；ll i 缓l 荔荔； 雾弦墨i ；i 荔il 荔荔霉 嫩蝴黼嬲确e 始鳓 簟鳓嘲啪螂蛳 图3 5l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐粗产品的红外谱图 ；，、 。 柏 ；， ， 、 “ 簿嚣嚣舞毒 萎藿童辱嚣麓嗥啜 图3 - 5 是l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐粗产品的i r 谱图，由图可见： 1 2 3 6 0 3 c m - 1 、1 1 7 9 9 2c m - 1 为y 气。和y 乞。的吸收带，而且峰强度大而宽为谱 图中的第一强峰；1 7 2 5 1 8c m - 1 为yc = o 的吸收带；1 1 1 5 0 6 、1 0 5 5 4 l 、6 2 2 1 3 、 5 9 3 3 4 为s o l 2 一的特征吸收带。对比图3 _ 6 原料l 一谷氨酰胺的红外谱图可以证 明：发生了酯化和成盐反应。 葭7 _ 酒 墓8j?j；j ；强；乐 譬k t 妻芗彩爹 卜宾 咎 ：，。；? 雾 ，蠡嚣；嚣；懑攀熬鬟篓i 繇i 鬻瑟毳 弱麓i ii ；躲饕磐塾嚣酶i i i l 羹嚣嚣嚣 图3 - 6 原料l 一谷氨酰胺的红外谱图 在正交实验所选较佳工艺条件下做出粗产品( 未重结晶) 为样品作高效液相 色谱，测l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐的含量。 图3 _ 7 为l - - 谷氨酰胺乙酯硫酸盐粗产品的四l c 图，通过对比l - - 谷氨酰胺 和l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐标准品的液相出峰时间，可以判断1 4 9 7 2 m i n 为l - - 谷氨酰胺( 硫酸盐) 的峰，9 2 0 0 m i n 为l - - 谷氨酰胺乙酯硫酸盐的峰，将图面积 进行积分计算可知：产品中l - - 谷氨酰胺乙酯硫酸盐的含量为5 5 2 。 耋 图3 - 7l - - 谷氨酰胺乙酯硫酸盐粗产品的高效液相色谱 由以上实验分析可知：直接用浓硫酸催化酯化l 一谷氨酰胺，由于要控制温 度以减少副反应的发生，而使酯化不能够完全进行，从而酯化率较低，产率较低。 3 1 2l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐的置换反应 ( 1 ) 反应基本方程式 n h ? h o s 0 3 h ( 2 ) 工艺条件及结论 屹c 啦三始h 2 c h 3 + 2 c a s o i 通过多次试验得出以下最佳的工艺条件，结果列于下表： 表3 - 4 工艺条件及结果 c a s 0 4 沉淀的量 工艺条件 产量( g )产率( ) 理论 实际 1 0 的c a c l z 水溶液3 1 9 l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐5 9 溶解用蒸馏水2 5 e l 2 8 1 92 8 0 9 2 1 76 5 o 旋转蒸发( o 0 9 5 m p 。5 0 ) 至1 0 - l 静置结晶1 0 h 注：理论产量 l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐的质量 l 谷氨酰胺乙酯盐酸盐的摩尔质量= 3 3 4 ( g ) 由上表可以看出，c a s 0 沉淀的量与理论量基本相等，所以说c a c l 。中的c a 2 + 已经完全沉淀生成c a s 0 ，即硫酸盐已完全被置换。 ( 3 ) 结构表征 图3 _ 8 为l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐粗产品的职l c 图，通过对比l 一谷氨酰胺 乙酯盐酸盐和l 一谷氨酰胺标准品的液相出峰时间，可以判断9 2 5 2 m i n 为l 一谷 氨酰胺乙酯盐酸盐的出峰时间，1 4 9 3 8 m i n 为l 一谷氨酰胺盐酸盐的峰，将图面 积进行积分计算可知：产品中l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐的含量为7 7 0 2 。 r ：一o ； ”；- 髀丫棚鬈；喁 一； ； 三 ：薹 ”鬈麴i l ；ll l r 鬈麴聪；lll ； 一；：= = = = ：= ：生曼曼冀! 三! = = = 告：! ：。：苎：三i ：+ = = = = ! ：= ：= = j ：= = ：= = ：! 童t * - 图3 - 8l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐粗产品的高效液相色谱图 由以上实验结果和分析可知：应用c , a g l ：置换l - - 谷氨酰胺乙酯硫酸盐中的 s o , ”，方法简单，但产生了大量工业废料c a s 0 4 ，而且分离较困难，所得产物收 率较低、纯度也不高。 3 1 3 小结 首先以l - - 谷氨酰胺为原料合成l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐，再以l - - 谷氨酰 胺乙酯硫酸盐为原料合成l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐的工艺路线，虽然具有原料便 宜易得，工艺简单易操作等优点，但其缺点在实验中也暴露出来： ( 1 ) 所得产品总产率较低： 总产率= ( 产率) ，x ( 产率) ：= 5 5 2 x 6 5 0 9 6 = 3 5 9 。 ( 2 ) 由于催化剂浓硫酸的使用量大，为避免碳化现象的发生，使乙醇的使用量 提高，增加了回收负担，不利于节约能源。而且大量浓硫酸的使用，极易腐蚀设 备。 ( 3 ) 如果工业化生产，会产生大量工业废料c a s o 。，这又给环保化处理带来了一 定的负担。 所以，以l 一谷氨酰胺为原料经l 一谷氨酰胺乙酯硫酸盐合成l 一谷氨酰胺 乙酯盐酸盐的工艺路线的工业化价值并不大。但它为本研究寻求更好的工艺路线 提供了重要的思路和方法，是寻求更加合理、产率更高的合成l 一谷氨酰胺乙酯 盐酸盐的实验路线不可或缺的一步。同时，该路线也为今后制备l 一谷氨酰胺乙 酯有机酸盐奠定基础。 3 2 由l 一谷氨酰胺盐酸盐制备l 一谷氨酰胺乙酯盐酸盐 3 2 1l 一谷氨酰胺盐酸盐的制备 ( 1 ) 机理 本研究从对l 一谷氨酰胺官能团分析来了解反应机理m 1 。 氨基：它是胺的官能团，很多化学反应都发生在氨基的氮原子上。这是由于 胺与氨相似，分子中氮原子上具有未共用电子对的缘故。正是因为胺分子的这种 结构特征，使得胺具有碱性，还具有亲核性，能与一些亲电性的化合物如酸( i + ) 、 卤代烷、羰基化合物等发生反应。 和氨相似，胺分子中氮原子上的未共用电子对，能与一个质子结合形成铵离 子，即胺是一个l e w i s 碱。 r n i - 1 2 * l + ；# = l t n h 3 + 胺是弱碱，当胺溶于水时，存在下列平衡： r n h 2 + h 2 0 宁r n i - i ；+ o h 此外，l 一谷氨酰胺中的氨基位于羧酸的a 位，增加了其活性。 酰胺基：酰胺不能使石蕊变色，一般认为它是中性化合物，但在强酸水溶液 中它会显示出了弱碱性： r c h o n h 2 + h +r c i - i o n h ： 通过对l 一谷氨酰胺活泼官能团的了解我们知道jl 一谷氨酰胺在水溶液中 用盐酸调节p h 值时，有如下平衡： 一娜h 以 当溶液酸性增强时，平衡向右进行，当p h 值高于1 5 时，l 一谷氨酰胺主要 的形式存在，而此时由于溶液的酸性过