（化学工艺专业论文）l脯氨酸和l缬氨酸构型转换的研究.pdf

摘要 氨基酸是含有氨基的有机酸，是构成蛋白质的基本单位。除甘氨酸外，氨基 酸都是手性化合物，有l 型和d 型两种镜像结构。d 一氨基酸在食品、农业和医药 中有着重要的用途。d 一脯氨酸是合成各种光学活性化合物，吡咯烷衍生物的重要 中间体，也是重要的手性试剂之一。d 一缬氨酸是一种重要的有机手性源，主要应 用于手性药物、手性添加剂、手性助剂等领域。 本文研究了以l 一脯氨酸和l 一缬氨酸为原料，通过构型转换制备d 一脯氨酸和 d 一缬氨酸的工艺。 以l 一脯氨酸为原料，正丁醛作催化剂，在正丁酸溶剂中，与( r ) 一酒石酸反 应制备d 一脯氨酸( r ) 一酒石酸。中间体在甲醇中加3 5 氨水调节p h ，处理得到 d 一脯氨酸，总收率为9 2 2 ，光学纯度为9 9 8 。着重研究了反应温度、反应时 间、羧酸溶剂用量和催化剂的用量对d 一脯氨酸( r ) 一酒石酸反应收率和光学纯 度的影响和碱对d 一脯氨酸制备的影响，获得了最佳工艺条件。即：反应温度为 9 0 ，反应时间为6 h ，正丁酸为溶剂( 1 5 m 1 ) ，l - p r o ：( r ) 一t a ：正丁醛 = l ：1 ：0 1 ( m 0 1 ) 。 l 一缬氨酸在醛的催化下，可在羧酸中消旋得到d l 一缬氨酸。实验表明，l 一 缬氨酸消旋反应的合适催化剂和溶剂为水杨醛和醋酸，并确定了温度控制在1 0 0 ，反应时间为3 h ，水杨醛用量和l 一缬氨酸的摩尔比为0 1 为佳。消旋收率为 8 5 1 ，光学纯度1 0 0 。 d l 一缬氨酸和l 一苯丙氨酸溶于n a o h 水溶液和一定的水中，用盐酸调节p h ， 在室温下加入乙醇反应得到d 一缬氨酸l 一苯丙氨酸固体。d 一缬氨酸l 一苯丙氨 酸的合成通过实验得到适宜的条件为：温度为室温，乙醇用量为8 0 m l ，搅拌时 间为9 0 m i n 。结晶盐的收率为8 8 9 。 将固体溶于少量的水中，再在水溶液中加入活性碳在室温中轻微搅拌，过滤， 滤液减压蒸干得到固体，经过后处理得到白色固体d 一缬氨酸。实验选择了粉末 状活性炭吸附在室温下进行，搅拌时间3 h ，得到最优吸附效果。d 一缬氨酸制备 收率为8 6 5 、光学纯度1 0 0 。 关键词：构型转换，消旋，拆分，l 一脯氨酸，l 一缬氨酸，d 一脯氨酸，d 缬氨酸 a b s t a c t a m i n oa c i d sa r eo r g a n i ca c i d si n c l u d i n ga m i n oa n dt h ef u n d a m e n t a lu n i to f c o m p o s i n gt h ep r o t e i n b e s i d e sg l y c i n e ，a m i n oa c i d sa r et h ec h i r a lc o m p o u n da n d h a v et h ec o n f i g u r a t i o n so fla n dd d - a m i n oa c i d sa r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f t h ef o o d ，t h ea g r i c u l t u r ea n dt h em e d i c i n e d p r o l i n ei sa ni m p o r t a n ti n t e r m e d i a t eo f a l lk i n d so fo p t i c a l l ya c t i v ec o m p o u n da n dp y r r o l i d i n ed e r i v a t i v e ，a n di sa l s oo n eo f i m p o r t a n tc h i r a lr e a g e n t s d - v a l i n ei so n ek i n do fi m p o r t a n to r g a n i cc h i r a ls o u r c e ， m a i n l ya p p l i e si nt h ec h i r a lm e d i c i n e ，t h ec h i r a lc h e m i c a la d d i t i v e ，t h ec h i r a la s s i s t a n t a n ds oo n t h ep r e p a r a t i o no fd - - p r o l i n ea n dd - - v a l i n eb yc o n f i g u r a t i o nt r a n s f o r m a t i o nf r o m l - p r o l i n ea n dl - v a l i n eh a sb e e ni n t e n s i v e l ys t u d i e d d p r o ( r ) - t as a l tw a so b t a i n e dt h r o u g ht h er e a c t i o no fl p r ow i t h ( r ) - t ai n n b u t y r i c a c i d 、 ，i t h b u t y la l d e h y d ea sc a t a l y s t t r e a t m e n to ft h eo b t a i n e ds a l t d p r o ) - t aw i t h3 5 a m m o n i ai nm e t h a n o lg a v ed - p r ow i t ht h ey i e l do f9 2 2 a n dt h eo p t i c a lp u r i t yo f9 9 8 b a s e do nt h es t a r t i n gl - p r o t h ei n f l u e n c e so f t e m p e r a t u r e ，t i m e ，c a r b o x y l i ca c i dd o s a g ea n dc a t a l y s td o s a g eo nt h ey i e l da n do p t i c a l p u r i t yo fd - p r o f r ) - t a a n dt h ei n f u e n c e so fa l k a l io np r e p a r a t i o no fd - p r ow e r e d i s c u s s e d t h eo p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w i n g ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r e9 0 。c ， r e a c t i o nt i m e6 h ，n - b u t y r i ca c i da ss o l v e n t ( 15 m 1 ) a n dl - p r o ：( r ) 一t a ：b u t y la l d e h y d e = 1 ：1 ：o 1 ( m 0 1 ) l - v a l i n ec o u l db er a c e m i z e di nc a r b o x y l i ca c i d su s e da ss o l v e n t si np r e s e n c eo f a l d e h y d e sa sc a t a l y s t t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h ea p p r o p r i a t ea l d e h y d ea n ds o l v e n t f o rt h er a c e m i z a t i o no fl - v a l i n es h o u l db es a l i c y l a d e h y d ea n da c e t i ca c i d ，a n d g a v e t h eo p t i m a l p r o c e s sc o n d i t i o n s ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r e i0 0 * c ，r e a c t i o nt i m e 3 h ， l - v a l ：s a l i c y l a d e h y d e = 1 ：0 1 d l v a l i n ew a so b t a i n e dw i t ht h ey i e l do f8 5 1 a n d 10 0 o p t i c a lp u r i t y d l - v a l i n ea n dt h el - p h e n y l a l a n i n ew e r ed i s s o l v e di na q u e o u ss o d i u mh y d r o x i d e a n dt h ec e r t a i nw a t e r t h ep hw a s a d j u s t e dw i t ht h eh y d r o c h l o r i ca c i d d l v a l i n e l - 。 p h e n y l a l a n i n ew a sf o r m e dw h e nt h es o l u t i o nw a ss t i r r e da tr o o mt e m p e r a t u r ea f t e r a d d i n ge t h a n 0 1 t h eo p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w i n g ：r o o mt e m p e r a t u r e ， d o s a g e o fe t h a n o li s8 0 m l ，s t i r r i n gt i m e9 0 m i n t h ey i e l do fa d d u c ti s8 8 9 t h ep r e c i p i t a t i o nw e r ed i s s o l v e di nam i n i m u ma m o u n tw a t e lt h ea q u e o u s s o l u t i o nw a sa d d e da c t i v ec a r b o na n dt h em i x t u r ew a ss l o w l ys h a k e n t h em i x t u r e w a sf i l t e r e da n dt h ef i l t r a t ew a se v a p o r a t e dt od r y n e s su n d e rr e d u c e dp r e s s u r e p u r e d - v a l i n ew a sa b t a i n e da f t e rd i s p o s a l t h ee x p e r i m e n tc h o s et h ep o w d e r ya c t i v e c a r b o nt oa b s o r bu n d e rt h er o o mt e m p e r a t u r ea n ds t i r r i n gt i m e3 ht oo b t a i nt h em o s t s u p e r i o ra d s o r p t i o ne f f e c t d v a l i n ew a so b t a i n e d 谢lt h ey i e l do f8 6 5 a n d10 0 o p t i c a lp u r i t y k e y w o r d ：c o n f i g u r a t i o n st r a n s f o r m a t i o n ，r a c e m i z a t i o n ，r e s o l u t i o n , l p r o l i n e 上一v a l i n e ， d - p r o l i n e ，d v a l i n e 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，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 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谢意。 学雠文作者虢赫 签字吼碱年彭月蟛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解立昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权壹虽塞鲎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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 海金、l 一 翮签名：缅夥 签字日期：即6 年6 月舀日签字日期：沙毒年月，么日 l 脯氨酸和l 缬氨酸构型转换的研究 第一部分文献综述 1前言 随着科学技术的发展，手性化合物的合成越来越受到人们的重视，在医药中间 体方面更为突出。除甘氨酸外，氨基酸都是手性化合物，有l 型和d 型两种镜像结 构。组成蛋白质的氨基酸都是l 氨基酸，而d 氨基酸不能合成蛋白质，所以长期以 来人们侧重于l 氨基酸的研究。但近年来，d 氨基酸的一些独特性质逐渐引起人 们的注意。l 氨基酸和d 氨基酸的物理和化学性质大都相同，但是它们在生化 和药理方面却不完全相同，甚至相差很大，所以对手性药物的制备及拆分就显得 越来越重要了。 历来认为生命物质中只存在着l 氨基酸【l 】，甚至到了1 9 6 9 年c o r r i g a n 2 1 在评 论许多昆虫中发现d 氨基酸时，仍然提出在哺乳动物中尚没有可靠的证据表明存 在d 氨基酸的结论。随着分析方法的发展，人们相继在海洋动物、陆生动物、脊 椎和无脊椎动物、种子植物和人体中发现了各种d 氨基酸【3 卅之后，d 氨基酸才 引起人们的重视，并意识到d 氨基酸是医药、农药和食品等的重要组成部分。因 此，关于d 氨基酸制备研究的报道也越来越多了【5 引。 目前，手性化合物的制备和性质是最热门的研究方向之一，氨基酸作为其中 的一类，受到了广泛的关注。l 氨基酸大多数可用作食品和饲料添加剂；在临床 中输液，加入各种l 氨基酸，既可以使患者抵抗力增强，也可以增加营养；有 的l 氨基酸还作为合成新型甜味剂的中间体。几十年来，发表了大量关于它们 制备的研究论文和专利。近年来，随着科学研究的深入和各种新药的开发，人们 对d 氨基酸的重要性也有了深入的认识，发现其在生命以及药物制备中具有l 氨基酸所不能替代的地位，特别是作为p 内酰胺类抗生素的中间体。对于一些 l 氨基酸，通过简易制备过程就可得到，并且来源广泛，价格低廉，而d 氨基 酸很难从天然产物中大量获得，且合成路线复杂、价格昂贵。所以，由l 氨基 酸通过构型转换制备d 氨基酸具有重要的意义。 2d 氨基酸【3 】 2 1d 氨基酸的分布 d 氨基酸存在于人的体液、组织、动物、植物、微生物中。其中微生物中存 在的比较多。主要的见表1 1 ： 表1 - 1 氨基酸在微生物中的存在9 】 t a b l e1 1a m i n oa c i d se x i s ti nm i c r o o r g a n i s m d 氨基酸种类存在微生物 天冬氨酸 丙氨酸 亮氨酸 谷氨酸 脯氨酸 细菌的细胞壁、枯草杆菌素a 乳酸菌、细菌的细胞壁、杆菌属的孢子 短杆菌肽、多粘菌素、宜他霉素、分枝杆菌属 炭疽杆菌、肠膜杆菌、枯草杆菌的细胞外胶质物 麦角的生物碱 在小鼠、大鼠、人体肝脏、肾的组织、眼组织蛋白、人的牙齿中都有d 氨基 酸的存在，高等植物中如大豆、玉米、豌豆、葱、亚麻等少数植物中也有d 氨 基酸的存在。具体的见表1 2 ： 表1 - 2d 一氨基酸在动、植物中的存在9 】 t a b l el 2d a m i n oa c i d se x i s ti na n i m a la n dp l a n t d 氨基酸种类存在 谷氨酸 色氨酸 蛋氨酸 亮氨酸 丙氨酸 丝氨酸 脯氨酸 章肉碱形式存在于章鱼肉中 游离态存在于绿色植物中 游离态存在玉米中 同上 以二肽、卜l 谷酰胺丙氨酸形式存在于玉米豌豆等植物中 游离体存在于鳞翅目的蛹中 以反4 羟甲基化d 脯氨酸形式存在于枇杷种子中 2 2d 氨基酸的特点及代谢 d 氨基酸不构成蛋白质，其在营养方面作用不多。有些d 氨基酸有明显的 毒性，如某些氨基酸对鱼类有驱避作用，d 天门冬氨酸对小鸡的生长有抑制作用， d 丝氨酸能毒害东果蝇类。 d 氨基酸的代谢在过去很长时间里只知道有d 氨基酸氧化酶，现在研究发 现了3 0 余种d 氨基酸代谢酶，如d 氨基酸环化酶、d 氨基酸转移酶等。d 谷 氨酸环化酶存在于大鼠、小鼠、人的肾脏、胰脏、脑等各组织中，能催化d 谷 氨酸分子内脱水成环，生成d 吡咯烷酮羧酸。d 氨基酸转移酶存在于生物体中， 其对l 氨基酸和( o 氨基酸完全没有作用p j 。 2 3d 氨基酸的用途 d 氨基酸在食品、农业、医药中有着很多的用途。 2 - 3 1d 氨基酸在食品工业中的用途 由于d 氨基酸及其衍生物大都味甜可做为食品甜味剂，且适合肥胖症、糖 尿病人食用。如由d a l a 和l a s p 合成的天丙二肽( 阿力甜) 甜度为蔗糖的2 0 0 0 倍且稳定性高。 2 3 2d 氨基酸在农业上的用途 d 氨基酸虽然没有杀虫能力，但是d 氨基酸的氟化物能抑制昆虫酶系统活 性，并有一定杀虫作用。一些d 氨基酸替代l 氨基酸制备的农药杀虫剂，其效 果更好，毒性更低，如用d v a l 代替l v a l 制备的菊酯杀虫活性提高5 0 0 0 倍， 对大鼠的毒性降低1 0 倍【l o 】。 2 3 3d 氨基酸在医药上的用途 d 氨基酸在医药上的应用更加广泛。用d 氨基酸合成的多肽可以提高动物 的免疫力，减少过敏反应的发生【1 1 】；d 氨基酸难于被细菌降解，不易产生抗药 性，还可延长药物的半衰期。d 苯丙氨酸的多肽可以作为凝血酶抑制剂，如： h d p h e 一( n c y c l o p e n t y l ) 一g l y l y s - ( 2 一t h i a z o l y l ) ；d 一苯丙氨酸肽类可以作为糜蛋白 酶抑制剂【1 2 】；d 苯丙氨酸可以用于制备杂环二肽及其类似物，用作促进生长素 的分泌【1 3 】；d 苯丙氨酸的杂环多肽可以作为血管紧张肽酶原和逆病毒蛋白酶的 抑制剂【1 4 】；d 苯丙氨酸还可以用于止疼药和镇静剂；d 苯丙氨酸小的寡肽可以 作为口服药的传递药剂。 缬氨霉素【1 5 】由链霉菌分离，为一种抗生素。它对结合钾离子有高度的选择 性。其为一个移动性的离子载体，广泛应用于人工膜或生物膜的许多重要功能的 研究中。 多粘菌素b 【1 6 】由多粘芽孢杆菌产生，对革兰氏阴性菌，特别是对绿脓杆菌有 很好的杀灭作用。短杆菌肽“1 5 】为一种有利于多种阳离子跨膜运输的线性抗生 素，由15 个氨基酸组成，l 型和d 型交替排列。右旋苯丙胺( d e x 锄p h e t 锄i n o ) u 7 】 为一食欲抑制剂，可做为减肥药物。生长抑制素八肽类似物( o c t r e o t i d e ) 1 8 】，为目 前唯一一种成功用于治疗的胃肠激素类似物，可以治疗v i p 瘤，类癌综合症及 胃泌素瘤等。四肽a l a d g l u d t r p g l y 在化疗中可以促进血红素的再生【1 9 】。 以d 氨基酸为侧链的半合成抗生素，其肽键难被p 内酰胺酶作用，稳定性高， 并且吸收快，药力持久，毒性小，抗菌谱广，过敏性低。 田边制药公司以d a s p 为中间体来合成阿扑西林( a s p o x i c i l l i n ，a s p c ) 为第一 个用于临床的氨基酸型注射青霉素。对革兰氏阳性菌中的葡球菌、链球菌、粪链 球菌、肺炎球菌有很强的抗菌作用。对大肠杆菌、流感杆菌等革兰氏阴性菌也有 良好的抑菌作用。j o r g e 等人以d a s p 为前体合成d 天冬氨酸p 羟胺( d a h ) 。 d 天冬氨酸b 羟胺为一种治疗病毒感染的药物，尤其对一些逆转录病毒具有抗 性，可以治疗a i d s 、肿瘤等。 3 脯氨酸和缬氨酸的基本特性 3 1 脯氨酸的基本特性 脯氨酸学名氢化吡咯甲酸，是一种重要的五元环状氨基酸2 1 1 。脯氨酸是构 成蛋白质的一种氨基酸，主要用于医药上配制氨基酸输液，合成抗高血压及多肽 药物等。另外它有一定甜味，国外已经开始应用于食品工业。脯氨酸能增加胶原 蛋白的合成，防止其因年龄增长而合成减少，因而能改善皮肤质量。它还有助于 修复软骨，加强关节、肌腱和心肌。与维生素c 配合应用，能维持结缔组织的 健康。 d 脯氨酸【5 】( d p r o l i n e 简写d p r o ) 是合成各种光学活性化合物，吡咯烷衍 生物的重要中间体，也是重要的手性试剂之一【2 2 1 。用于制备5 一氨基一4 羟基己酸 的二肽衍生物，该二肽衍生物是艾滋病毒蛋白酶抑制剂；用于研究人类免疫缺陷 病毒感染的发病机理研究；用于预防、治疗和检测艾滋病。d 脯氨酸一般存在于 亚麻种子和枇杷种子中，并且是以y l 谷氨酰i 氨基d 脯氨酸和反4 羧甲基化 d 脯氨酸的形式存在，所以难以从天然产物中获得。目前随着手性技术在化工、 医药行业中的广泛应用，能够方便，经济地得到具有光学活性的手性中间体己经 成为迫在眉睫的需求【2 3 1 。下面表1 3 和表1 4 列出d 脯氨酸在新药研制上的部分 情况【2 4 4 4 】和脯氨酸的两种对映体的物理化学性质。 表1 3d 脯氨酸在新药研制上的部分情况 t a b l el 3p a r t i a ls i t u a t i o no fd - p r o l i n ei nn e wm e d i c i n ed e v e l o p m e n t 新药名称或类别 药理作用 镇静药 金属蛋白酶抑制剂 抗艾滋病药 紫杉醇酚( t a x o l ) 多巴类药物 抗菌药 止痛药 蛋白酶抑制剂 利尿药 嘿吟类药物 啥睫类药物 抗a i d s 抗h i v 1 病毒 d p r o 带4 弃0 d p r o 制剂 强心剂 生长激素调节剂 镇静作用 治疗关节炎 可抑制h i v 1 病毒在r n a i 为) b 的复制和转录 抗癌药物，可替代我国云南省的紫杉树树皮的提取物 快速降血压，可持续1 5 2 1 0 分钟 作为毗咯及唾吩的衍生物，抗真菌 抗炎、止痛 胰蛋白酶e 的抑制剂 抗利尿激素药物 抗癌药 抗癌药 抗艾滋病药 抗艾滋病药 治疗淀粉样变性病 预防、治疗动脉硬化 治疗心脏充血不足，促进荷尔蒙分泌 调节哺乳动物生k 激素的分泌 5 表1 4 脯氨酸的物理化学性质 t a b l ei - 4 p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f p r o l i n e 3 2 缬氨酸的基本特性 1 ) 缬氨酸的发现 1 8 5 6 年，g r o u p b e s a n e t 4 5 】在研究不同腺器官的乙醇提取物时，除了鉴定出亮 氨酸和酪氨酸，他还意外地发现了一种从热乙醇中结晶析出的速度比亮氨酸快的 未知物质，并推出这种物质的分子式为c 5 h 1 1 n 0 2 。1 8 8 3 年，s c h u l z e 和b a r b i e r i 【4 6 】研究从不同的植物胚芽中得到乙醇提取物时也发现了同样成分的新物质。直 至u 1 9 0 6 年才t 主t f i s c h e r l a l 4 7 1 通过实验真正地认识这种物质的结构，把它同其它的同 分异构体区别开来，正式命名为v a l i n e ( 中文名：缬氨酸) ，并且测出了它的d 型和l 型光学异构体在盐酸中比旋光度。 2 ) 缬氨酸的性质 缬氨酸是人体和畜禽必需的8 种氨基酸之一，如缺乏可引起神经障碍、停止 发育、体重下降和贫血等。作为一种营养增补剂，缬氨酸目前主要用于与其它必 需氨基酸共同配制氨基酸输液、综合氨基酸制剂和饲料添加剂等。 缬氨酸又称0 【氨基异戊酸或3 甲基2 氨基丁酸，有特殊苦味，无臭，白色晶 体或结晶性粉末，在乙醇中晶体为小叶片状单斜晶系晶体，相对密度1 2 3 ( 2 5 ) 。 缬氨酸的两种对映体l 型和d 型，在自然界中存在的绝大多数缬氨酸都是l 型。所 以由廉价易得的l 缬氨酸通过构型转换制备d 缬氨酸是非常有价值的。缬氨酸的 两种对映体的物理化学性质如表1 5 所示。 表1 5 缬氨酸的物理化学性质 t a b l e1 5 p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fv a l i n e l 缬氨酸d 缬氨酸 英文名l v a l i n e ( l v a l ) 分子量 分子式 结构式 【a 】答 m p 溶解性 晶体 d - v a l i n e ( d v a l ) 1 1 7 1 5 c s h ii n 0 2 c 0 2 h 0 0 2 h h 2 n 一千一hh 彳一n h 2 h 3 c 一甲一hh 一甲一c h 3 c h 3 e h 3 + 2 8 8 。( c = l ，5 m o l l h c l ) - 2 8 8 0 ( c = 1 ，5 m o l l h c l ) 2 9 3 3 1 5 易溶于水，不溶于乙醇、乙醚、氯仿 白色结晶或结晶性粉末，无臭，味微 白色结晶或结晶性粉末，味甜 苦 3 ) 缬氨酸的作用 d 缬氨酸( d v a l i n e 简写d ) 是一种重要的有机手性源，主要应用于手 性药物、手性添加剂、手性助剂等领域，在制药行业作为手性合成的手性源。作 为一种光学活性的有机酸，在某些手性化合物的不对称合成过程中具有不可替代 的作用，目前主要用于生产新型广谱抗生素、d 一缬氨醇、多肽合成过程的缬氨酸 保护剂。 d 缬氨酸广泛应用于医学科研中，如可以用于生物医药研究中抑制纤维细胞 的生长【4 8 1 ，应用于影响肺动脉内皮细胞的形态和功能研究【4 9 】和阻止子宫内膜间 质状纤维细胞增生等研究【5 0 1 。d 缬氨酸也是重要的手性药物原料，广泛应用于 医药的合成。如可用于合成抗肿瘤药物二芳基硼氨类化合物【5 卜”j ，合成具有治疗 乳腺癌显著疗效的抑制剂m m p ，还可以合成抗糖尿病药物n 二芳甲基氨基酸酰 胺衍生物【5 5 】及合成治疗糖尿病、肥胖症及预防慢性糖尿病并发症的异吲哚类衍 生物药物。d 缬氨酸也是合成抗菌性药物的重要原料，如合成抗菌活性药物更生 霉素的中间体及二碘代苯二甲酰衍生物药物，合成青霉素前体苯酰基l 半胱氨 酰d 缬氨酸二硫化物原料，合成具有增强免疫力抵抗a i d s 等疾病的作用的青 霉胺类衍生物，合成具有增强生物体抵抗病原体的a 酰基胞壁二肽衍生物【5 6 铘】。 l 缬氨酸【5 9 】是营养必须氨基酸，广泛用作食品和饲料添加剂，也用于临床氨 基酸输液。属于分枝链氨基酸，也是人体必需氨基酸之一，具有多种生理功能，主要 用于配制复合氨基酸输液，合成多肽类药物及食品抗氧化剂等。 4 国内外研究现状 4 1d 脯氨酸的制备 当前，国内外对于d 脯氨酸的合成研究甚少。但国外对于d 脯氨酸的合成 研究开发起步比较早，取得了令人瞩目的成功。要得到d 脯氨酸，可以通过d 谷 氨酸转化的方法【6 0 】；也可以采用微生物分解d l 脯氨酸中的l 脯氨酸以获得d 脯氨酸；还可以通过l 脯氨酸的消旋得d l 脯氨酸，然后再用酒石酸拆分制得 d 脯氨酸。 1 9 8 9 年，s h i r a i w a 6 1 1 等以廉价的l 脯氨酸为原料，在酸性溶液中，在催化剂 及手性试剂的存在下，发生不对称转换而成为d 一脯氨酸，反应步骤短，收率较 高，转化完全，达到了很好的经济效益。 国内洪镛裕【6 2 】等利用不对称转换法方法由l 脯氨酸生产制备d 脯氨酸。以 来源广泛的l 脯氨酸为起始原料，在醛的作用下先消旋化，然后与( 2 r ，3 r ) 酒石酸 成盐，利用两者在同一溶剂中溶解度的不同，使d 一脯氨酸( 2 r ，3 r ) 一酒石酸盐优先 析出。最后经氨水游离得到d 脯氨酸陆6 4 1 ，转化率达到8 1 7 3 。 现在有文酬6 5 1 报道，以( 2 s ，3 8 ) 酒石酸为拆分剂，不对称转化方法由l 脯氨 酸制得d 脯氨酸，得到d 脯氨酸固体，转化率达到8 5 6 2 。 4 2d 缬氨酸的制备 关于d 缬氨酸的制备，文献报道【6 6 m 】的方法主要有诱导结晶法，微生物不 对称转换法和化学拆分法。 19 6 5 年，s u s e n mt a t s u m i 6 6 】等报道，在饱和或超饱和的外消旋缬氨酸盐酸盐 溶液中加入晶种，可以优先结晶出d 缬氨酸的盐酸盐，中和d 缬氨酸盐酸盐后 得到d 缬氨酸，光学纯度为9 3 ，收率低于1 0 。 1 9 8 8 年，n o h i r ah i r o y u k i 等在d l 蛋氨酸盐酸盐，d l 丙氨酸盐酸盐和磺酸 存在下，通过诱导结晶，让d 缬氨酸盐酸盐优先从溶液中析出；它还在对二甲 苯磺酸存在下进行诱导结晶，得到d 缬氨酸，其光学纯度8 9 8 。诱导结晶法 制取d 缬氨酸周期长，收率低，光学纯度也不高。 微生物不对称转换法有大量报道，2 0 世纪8 0 年代，日本首创了用微生物转 换技术生产d 缬氨酸的新技术【6 7 1 。基本步骤是以异丁醛为原料，经b u c h e r e r 反 应合成5 异丙基海因的外消旋体。再以d 海因水解酶，选择水解生成n 氨甲酰 d 氨基酸，经n 氨甲酰d 氨基酸水解酶，脱氨甲酰得到d 缬氨酸。有关能产 生d 海因水解酶和n 氨甲酰d 氨基酸水解酶的微生物的研究，有大量文献报 道。d c l e e 6 8 】报道细菌b a c i l l u ss t e a r o t h e r m o p h i l u ss d 1 产生的酶能催化d l 5 海因水解。m s u g i e 6 9 等报道用菌株t u i m s0 3 3 ( 只含d 转氨酶) 与d l 缬氨酸 3 0 。c 下反应4h ，d 缬氨酸的转化率可达9 9 5 。h e m h e h n e s 【7 0 1 等用 e n t e r o b a c t e r a r e a e 菌属的细菌k l e b s i e l l a ( 含氨基酸消旋酶) 等，在d 苯甘氨酸的催 化下，与d l 缬氨酸于3 0 下反应1 7 h ，d 缬氨酸的转化率可达6 0 。与此类似 的还有j m m a n n i n g 7 1 】等的研究。 有代表性是意大利科学家m b a t t i l o t t i 和u b a r b e r i n i l 7 2 j 用富含海因水解酶和 氨甲酰水解酶的放射形土壤杆菌( a g r o b a c t e r i u mr a d i o b a c t e r ) 来催化水解d l 5 异 丙基海因，认为放射线土壤杆菌不仅含有以上两种酶，还含有能使l 5 异丙基海 因消旋化的消旋酶，几种酶综合作用的结果，使d l 5 异丙基海因转变为d 缬氨 酸。产率为6 0 。该方法的缺点是反应的前体d l 5 异丙基海因需用剧毒的氢氰 酸制备，而且收率也不太高。 化学拆分法是一种成熟而又年轻的方法。用化学拆分方法拆分、制备d 缬 氨酸国外仅有少量报道。1 9 3 4 年d f h o l m e s t 7 3 】用薄荷醇合成的手性试剂l 薄荷 醇氧基乙酰氯与d l 缬氨酸生成非对映体酰胺，通过分级结晶将其分开，酰胺在 乙醇水溶液中与h b r 反应得光学活性d 缬氨酸。所用手性拆分剂合成需四步完 成，整个拆分工艺过程比较繁琐。 1 9 8 4 年，t a d a s h is h i r a i w a 7 4 1 由d l 缬氨酸制备d 缬氨酸。利用l 苯丙氨酸 和d 缬氨酸形成结晶盐，再将其溶于水用活性炭吸附除去l 苯丙氨酸得到d 缬氨酸，产率为4 9 ，光学纯度为8 4 1 0 0 ，方法简单易行。但产物的收率不够 古 同。 国内，徐海清【7 5 】等用l 缬氨酸通过消旋化和化学拆分法制备d 缬氨酸。苯 甲酰氯和d 酒石酸反应生成d 2 ，3 二苯甲酰酒石酸酐，后者于丙酮水溶液中水 解得到拆分剂d 2 ，3 二苯甲酰酒石酸。在醛的催化下，l 缬氨酸于1 0 0 1 1 0 。c 消 化3 h 得到d l 缬氨酸，d l 缬氨酸在无机酸存在下与d 2 ，3 二苯甲酰酒石酸8 4 9 5 。c 反应生成非对映体盐。当温度降低至1 5 。c ，d 2 ，3 二苯甲酰酒石酸d 缬氨 酸形成的盐沉淀出来，用碱处理该盐后得到d 缬氨酸，收率为7 0 8 0 ，光学纯 度达到9 8 以上。 综上所述，国内外对d 脯氨酸和d 缬氨酸的制备有大量报道，但是以廉 价易得的l 脯氨酸和l 缬氨酸为原料，通过构型转换制备d 脯氨酸和d 缬氨酸 的报道很少，所以我们的研究是很有必要和价值的。 5 光学活性氨基酸的构型转换方法论述 5 1 消旋一拆分法 消旋拆分方法是将对映体用化学或酶催化，使其消旋成外消旋体，再将外 消旋体进行拆分，最终达到构型转换的目的。下面将对光学活性氨基酸消旋和外 消旋体拆分的方法进行详细论述。 1 0 5 1 1 光学活性氨基酸消旋的方法 ( 1 ) 目前，光学活性氨基酸的消旋方法有好多种，总结可分为以下六种【7 6 】： 在强酸和强碱下与水共热消旋： 在无强酸或强碱的情况下，在封闭的管中，1 5 0 , - - - , 2 5 0 。c 和水一起加热； 在中性或弱碱性环境下，在醛及金属离子的存在下与水共热消旋； 在吡哆醛或吡哆醛类似物( 包括所谓树脂催化剂) 和金属离子存在下和水一 起共热； 和低级脂肪酸如醋酸一起加热； 利用酶促消旋。 ( 2 ) 消旋方法的选择 消旋的方法很多，都有各自的特点，需要针对反应的底物来选择合适的消旋 方法。本研究消旋方法的选择如下： 方法需在强酸或强碱的存在下反应；方法需在高压下进行，反应条件都 较为苛刻，且高温下常常伴随着氨基酸的分解；方法为络合物消旋过程，需加 入金属离子，在合适的p h 范围内形成络合物，消旋速率慢：方法实际上是模 拟酶消旋的过程( 见方法) ；方法在醋酸介质中消旋，一方面要耗用有机酸， 增加消旋成本，其次将d l 氨基酸从有机酸中分离，过程步骤多，收率低；方法 为酶消旋过程，酶的催化作用较为平稳，产物旋光性好，但大量的酶参与反应， 这无疑对酶的培养以及在产物中酶的分离提出了更高要求，同时，酶的来源和酶 的成本都制约了该方法的推广应用。 在本研究中消旋用酸催化消旋，但不用强酸，而用羧酸来代替h 2 s 0 4 等强酸， 同时加入少量的醛或酮做催化剂，通过形成中间体s c h i f f 碱，加速消旋。此消旋 方法消旋率高，操作简单，而且能够在温度不太高的情况下( 8 0 1 0 0 ) 进行 消旋。此消旋方法的关键步骤是氨基酸同醛( 或酮) 形成s c h i f f 碱，一般需用弱 酸的来催化，其反应机理如图1 1 所示。 ( 5 ) 2 0 + r - - n h ；二二兰一c n + h 2 r 一甲p p h c n h 2 r = 二二二二兰一c n h r p h+ 9 h 2 9 一n h r + h 十二二= = = 兰一6 一n h r 半c n h r 一 粕州h 2 0 一 一 一二二二二= g2 n hr + ：+ = 二二二兰) ：= n r + h n h r + = = 二二二=户2 n r + f i g l 一1 m e c h a n i s mo f t h ef o r m a t i o no f s c h i f f b a s e 5 1 2 外消旋体拆分法的论述 外消旋体拆分法是指采用一定的手段将外消旋体分离成左、右旋对映体的方 法。拆分方法是目前获取光学活性手性化合物最主要的手段，不论何种手性化合 物，一般总可以通过合成外消旋体与拆分相结合的途径制取光学纯的目标产物， 这一优点是其它方法所无法比拟的。拆分技术大体上可分为以下几种：优先结晶 法、形成非对映体盐结晶法、色谱法、萃取法、酶法和膜拆分法。 1 ) 优先结晶法 优先结晶法是依据外消旋体混合物的两个对映体，易在同种对映体晶体上优 先结晶析出的原理，采用分别播入晶种结晶，使对映体分离的拆分方法。优先结 晶法是所有方法中最为简单的一种，生产成本低、操作容易，设备投入少。但所 能处理的对象有限。 2 ) 形成非对映体盐结晶法 形成非对映体盐结晶法的基本原理是采用合适的拆分剂( 用b 表示) ，使外消 旋体( 用a 表示) 的两个对映体分别与之反应，形成非对映立体异构体，因形成的 异构体在某些溶剂中具有不同的溶解度，从而可采用结晶的方法进行分离。其反 应过程如下： ( d l ) - a + ( l ) - b 斗( d ) a ( l ) b + ( l ) a ( l ) b 将分离得到的非对映体盐分解，即可获得光学活性的对映体( d ) a 或( l ) a 。 3 ) 色谱法 色谱拆分法是依据对映体在吸附剂上吸附性能的差异而进行拆分分离的技 术，包括气相色谱法、液相色谱法、纸色谱法、配位色谱法、模拟移动床吸附法。 其中，气相、液相、纸色谱法主要应用于分析过程，其优点是操作方便、直观、 快速。色谱法拆分对映体混合物要求手性试剂的参与，一般有两种方式：间接法 和直接法。前者是用手性试剂将一对对映体转化成非对映异构体，然后利用其物 性差异，主要是吸附性能的差异，用常规色谱技术分离；另一种方式是利用手性 固定相或手性流动相直接分离对映体，即对映异构体过柱时与一种手性试剂生成 不稳定的非对映异构络合物，从柱上洗脱时，就恢复成原来的对映体【77 1 。色谱 法应用于氨基酸拆分的文献非常多，但几乎都是关于氨基酸的分析和测试。 4 ) 萃取法 萃取拆分是利用萃取剂与被拆分对象的两个对映体亲和作用或化学作用的 差异进行拆分分离的一种新型拆分方法。它与传统萃取技术最大的差异在于萃取 剂具有光学活性，有手性识别能力。该技术的关键在于具有一定选择性的萃取剂 的获取。 对于氨基酸的萃取拆分，t t a e u c h i 7 8 1 等在1 9 8 4 年发表的论文中报道了以n 烷基化一l 脯氨酸( 或n 一烷基化一l 羟脯氨酸) 与c u ( i i ) 配合物作萃取剂，正丁醇 作稀释剂，多级逆流连续萃取拆分外消旋缬氨酸的实验，拆分所得的两个对映体 的光学纯度可达9 9 5 以上。p i c k e r i n g 等【7 9 】采用乳化液膜法进行了d l 一苯丙氨酸 的拆分研究，实验中以n 癸基一l 羟脯氨酸与c u ( i i ) 配合物作萃取剂，用癸烷 己醇作稀释剂，萃取率高达8 0 ，拆分分离因子达到2 4 。j a m e s 等【8 0 】报道了采用 双水相萃取技术拆分d l 一色氨酸等外消旋化合物的实验结果。赵平用含有配位 金属离子和n n c 1 2 h y p 的两相系统对d l 一苯丙氨酸进行了配位萃取拆分的研 究，发现稀释剂为高碳醇时，萃取拆分的分配比较大，且有较高的立体选择性。 但萃取拆分技术要实施工业化，还有相当长的时间。 5 ) 酶法 酶拆分技术是近年来倍受国内外重视的一种拆分方法。它是利用酶催化反应 的专一性，使消旋体的一个对映体发生反应，另一对映体不发生变化，来达到拆 分的目的。 酶法拆分氨基酸可分为酰化法和水解法两种。例如，可用于氨基酸拆分的酶 促反应有猪肾酰化酶和木瓜蛋白酶，两种酶都可使得n 酰基一d l 氨基酸进行酶 促拆分过程，但两者的作用过程是不同的。木瓜蛋白酶促致的是n 酰基一l 氨基 酸对芳香胺的酰化反应，生成酰苯胺衍生物；猪肾酰化酶则催化n 酰基l 氨基 酸的水解反应，生成自由的l 氨基酸。这两种酶对n 酰基d 氨基酸都没有作用。 这就是它们可以被用来对d l 氨基酸进行拆分的根本原因。在所涉及的反应中， 木瓜蛋白酶的作用属于“不对称合成”，而猪肾酰化酶的作用是“不对称分解作 用”。 与其它方法相比，酶拆分法的优点是转化率高，不需高温、高压或冷冻，通 常在自然环境中运作：无须强酸、强碱，腐蚀性小，污染少。这些方面均为化学 拆分法所不及。其缺陷在于：7 - 艺较为复杂，需衍生、脱衍生剂的过程，可利用 的酶的品种有限，酶易失去活性。 6 ) 膜拆分法 膜拆分法近年来刚刚起步。该法包括液膜拆分和固膜拆分两种。1 9 9 4 年， a k z on e b e l 公司开发了一种膜分离技术【8 l 】，借助单一旋光性有机溶媒( 如l 酒石 酸醋或d