（化学工艺专业论文）不对称转化法制备d组氨酸和d苯甘氨酸的工艺研究.pdf

摘要 d 氨基酸在食品、农药、医药和有机合成等领域有着重要的应用价值。其中， d 组氨酸是人体和动物必需的氨基酸。d - 苯甘氨酸是伊内酰胺类半合成抗生素 的重要中间体。组氨酸和d l 苯甘氨酸可通过发酵法、蛋白质水解或化学合成 获得，d 组氨酸和d 苯甘氨酸难以从天然产品中大量提取，要通过构型转化或 拆分获得，价格高昂。因此关于制各d 组氨酸和d 一苯甘氨酸的研究具有应用价 值。 本文研究了以上组氨酸和d l 一苯甘氨酸为原料，通过不对称转化法制备d 组氨酸和d 一苯甘氨酸的工艺。 上- 组氨酸用( 月) 一酒石酸作拆分试剂，乙酸作溶剂，在水杨醛催化下发生不对 称转化反应，得到d 一组氨酸( r ) - 酒石酸盐( 收率为9 8 6 9 ，光学纯度为9 8 2 6 ) 。 最佳工艺条件为：反应物料摩尔比：三一组氨酸：) 一酒石酸：水杨醛= 1 ：1 ：0 0 5 ，反 应温度为9 0 ( 2 ，反应时间为4 h 。 d 一组氨酸僻) - 酒石酸盐在甲醇溶剂中用2 m o l 比的三乙胺处理，得d - 组氨酸， 收率为9 4 0 6 ，光学纯度为9 8 7 0 。由上组氨酸制备d 组氨酸的总收率为 9 2 8 7 。 d l 一苯甘氨酸用小樟脑磺酸作拆分试剂，乙酸作溶剂，在水杨醛催化下发生 不对称转化反应，得到d - 苯甘氨酸击樟脑磺酸盐( 收率为8 5 9 0 0 0 ，光学纯度为 9 9 8 0 ) 。最佳工艺条件为：反应物料摩尔比：d l 苯甘氨酸：小樟脑磺酸：水杨醛 = 1 ：1 0 5 ：0 0 2 ，反应温度为8 0 * 0 ，反应时间为5 h 。 d - 苯甘氨酸小樟脑磺酸盐用碳酸钠处理得粗d 一苯甘氨酸。粗品用等电点法 提纯得d - 苯甘氨酸，收率为9 1 9 4 ，光学纯度为9 9 8 1 。由d l 一苯甘氨酸制备 口苯甘氨酸的总收率为7 8 9 8 。 j 关键词；不对称转化，消旋，构型转化，d 一组氨酸，d 一苯甘氨酸 a b s t r a c t 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 ff o o d ，p e s t i c i d e ，p h a r m a c ya n d o r g a n i cc h e m i s t r ys y n t h e s i s d h i s t i d i n ei san e c e s s a r ya m i n oa c i df o rm a n a n da n i m a l d p h e n y l g l y c i n e i st h ei m p o r t a n tm e d i c i n a li n t e r m e d i a t ep r o d u c t so f8 - l a c t a m a n t i b i o t i c s l - h i s t i d i n ea n dd l p h e n y l g l y c i n ec a nb eo b t a i n e d b yp r o t e i n h y d r o l y s a t e so r c h e m i c a l s y n t h e s i s ，w h i l ed h i s t i d i n e a n dd - p h e n y l g l y c i n ea r e d i f f i c u l tt oo b t a i n e df r o mn a t u r a lp r o d u c t si nl a r g eq u a n t i t i e sa n da l w a y sb eo b t a i n e d b 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 no rr e s o l u t i o n ，t h e r e f o r ea r ev e r ye x p e n s i v e i ti ss o n e c e s s a r yt oc o n d u c taf u l ls t u d yo ni t t h ep r o c e d u r e so fd h i s t i d i n ea n dd - p h e n y l g l y c i n ep r e p a r a t i o nf r o ml - h i s t i d i n e a n dd l - p h e n y l g l y c i n eh a v eb e e ni n t e n s i v e l ys t u d i e d t h ea s y m m e t r i ct r a n s f o r m a t i o nf r o ml - h i s t i d i n et od - h i s t i d i n e t h r o u g h f o r m a t i o no fs a l tw i t h ( r ) 一t a r t a r i ca c i dw a sa c h i e v e db yu s i n gs a l i c y l a l d e h y d ea sa c a t a l y s tf o re p i m e r i z a t i o ni na c e t i ca c i d ，g i v i n gd i t i s t i d i n eb i t a r t a r t e ( 9 8 6 9 y i e l d ， 9 8 2 6 o p t i c a lp u r i t y ) t h eo p t i m u mt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w ： l - h i s ：( r ) t a ：s a l i c y l a d e h y d e = 1 ：1 ：o 0 5 ( m 0 1 ) r e a c t i o nt e m p e r a t u r e9 0 a n dr e a c t i o n t i m e 4 h t r e a t m e n to ft h eo b t a i n e ds a l td h i s t i d i n eb i t a r t a r t ew i t ht r i e t h y l a m i n eo f2m o l r a t i oi nm e t h a n o lg a v ed h i sw i t h9 2 8 7 t o t a ly i e l da n d9 8 7 0 o p t i c a lp u r i t yb a s e d o i lt h es t a r t i n gl h i s t i d i n e t h ea s y m m e t r i ct r a n s f o r m a t i o no fd l p h e n y l g l y c i n ev i af o r m a t i o no fs a l tw i t l l d - c a m p h o rs u l f o n i ca c i dw a sc a r r i e do u tb yu s i n gs a l i c y l a l d e h y d ea sac a t a l y s tf o r e p i m e r i z a t i o ni na c e t i ca c i d ，g i v i n gd p h e n y l g l y c i n e d - c a m p h o rs u l f o n i cs a l t ( 8 5 9 0 y i e l d ，9 9 8 0 o p t i c a lp u r i t y ) t h eo p t i m u mt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w ： d l - p h e n y l g l y c i n e ：d - c a m p h o rs u l f o n i ca c i d ：s a l i c y l a d e h y d e = 1 ：1 0 5 ：0 0 2 ( t 0 0 1 ) r e a c t i o nt e m p e r a t u r e8 0 ca n dr e a c t i o nt i m e5 h t r e a t m e n to ft h eo b t a i n e ds a l td p h e n y l g l y c i n e d - c a m p h o rs u l f o n i cs a l tw i t h s o d i u mc a r b o n a t eg a v ec r u d ed - p h e n y l g l y c i n e c r u d ed - p h e n y l g l y e i n ew a sp u r i f i e d b yi s o e l e c t r i cp o i n tm e t h o dw i t h9 9 8 1 o p t i c a lp u r i t yi n7 8 9 8 o v e r a l ly i e l d k e y w o r d s ：a s y m m e t r i ct 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 ；c o n f i g u r a t i o nt r a n s f o r m a t i o n d - h i s t i d i n e ；d - p h e n y l g l y c i n e 独创性声明 y9 2 9 0 6 3 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史学或其他教育机 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。 学位论文作者签名： 干勾彤 签字日期：伊。占年月心e 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹墨叁堂 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件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌史学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： 7 訇影 签字日期：州年6 月岱日 导师签名：弓长 二 扣 签字日期：7 删缉二月，苦日 _ 南昌大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章文献综述 氨基酸是羧酸分子中一个或一个以上氢原子被氢基取代后生成的化合物，大 多数氨基酸都具有不对称的碳原子，均具有光学活性，存在d 和上两种对映体。 氨基酸是构成蛋白质的基本单位，是人类摄取的最重要营养素之一，人类食品的 营养价值不仅取决于食品中所含有的热量，同时还取决于氨基酸的质量、种类和 数量。它也是合成人体激素、酶及抗体的必需原料，是生命机体营养、生存和发 展极为重要的物质，并且在生命体内物质代谢调控、信息传递方面起着重要作用。 氨基酸工业是自2 0 世纪5 0 年代发展的新兴工业体系。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已由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。世界氨基酸产量的年增长率 约为8 ，2 0 0 0 年已超过2 0 0 万吨【“氨基酸作为人类营养添加剂、调味剂、饲 料添加剂、医药及农药等在食品工业、农业、畜牧业及人类健康、保健等诸多方 面有着广泛的应用1 2 j 。 ( 1 ) 氨基酸在医药上主要用作氨基酸输液和口服氨基酸制剂，此外还用作治 疗药物和医药合成原料，例如2 0 0 0 年氨基酸输液产量约为l 亿瓶。食品工业中 应用氨基酸量约占氨基酸总产量的6 0 。 ( 2 ) 氨基酸可防止食物变质、消除异臭、提高食品风味及增加营养生长发育； 可改善肉质，提高产奶、产蛋量；并可节省蛋白质饲料，使饲料得到充分利用； 降低成本，提高饲料利用率。 ( 3 ) 在农业方面，氨基酸农药是无害农药，易被微生物分解，而且无毒性、 不污染环境、可增强植物抗菌能力。主要品种有：杀虫剂、杀菌剂、除草剂、农 药稳定剂、植物生长促进剂和脱叶剂等。 ( 4 ) 在化工方面，氨基酸可用来合成人造皮革和制造日用化妆品等。 氨基酸在各个领域中的重要作用，使得其有巨大的市场需求。随着人们对氨 基酸功能认识的不断深入，其潜在的需求量将日益增大。 南昌大学硕士学位论文 1 1 1 d 氨基酸 氨基酸是人们所熟知的一类典型的手性化合物，除甘氨酸外几乎所有的氨基 酸均具有手征中心。众所周知，自然界存在的2 0 种氨基酸均为型。而通过化 学合成法得到的一般为d l 氨基酸。以往人们认为生命物质中只存在上一氨基酸， 并将氨基酸冠以“天然”，而d 氨基酸就成了“非天然”，然而随着分析方法的 发展，人们相继地在海洋动物、陆生动物、种子植物和人体中发现了各种d 氨 基酸【3 j 。 过去人们所了解的仅是上氨基酸，也就是通常所说的的人体必需氨基酸， 而其对映体d 一氨基酸，在过去认为几乎是没有价值的或有害的。近二、三十年 来，在科技工作者深入的研究及不懈的努力下，已发掘出j 9 氨基酸的作用及潜 在的价值。人们意识到d 一氨基酸与三一氨基酸一样，作为食品、农药和医药的重 要组成起着重要作用。迄今为止，d 一氨基酸已在许多领域得到了广泛的应用。 1 1 1 1 d - 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昧甜可做为食品甜昧剂，且适合肥胖症、糖 尿病人食用。如由d - a i a 和一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。 1 1 1 2d 一氨基酸在农业上的用途 d 一氨基酸虽然没有杀虫能力但是d 一氨基酸的氟化物能抑制昆虫酶系统活 性，有一定杀虫作用。并且一些d 一氨基酸代替氨基酸制各的农药杀虫效果更 好，毒性更低。如用d 一、代替l v a l 制各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【4 】。 1 1 1 3d 氨基酸在医药上的用途 d 一氨基酸在医药上的应用更加广泛。d 氨基酸应用于多肽的合成可以提高 动物免疫力，降低过敏反应的发生【5 】；d 一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 p h e 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 ) ；某些d 一苯丙氨酸肽类可以作为糜 蛋白酶抑制剂1 6 ；d p h e 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i ；d p h e 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【8 】： 2 南昌大学硕士学位论文 d p h e 还可以用于止疼药和镇静剂；d - p h e 小的寡肽可以作为口服药的传递药剂。 d 苯丙胺( d e x 锄p h e t a m i n o ) 【9 】为一种食欲抑制剂，可做为减肥药物。生长抑 制素八肽类似物( o c t x e o f i d e ) ，它是目前唯一一种成功用于治疗胃肠激素的类 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 在化疗中可以促进促血红素的再生1 6 j 。以d 氨基 酸为侧链的半合成抗生素，其肽键难以被口一内酰胺酶作用，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 为中间体合成的阿扑西林( a s p o x i c i l l i n ，a s p c ) 为第一 个应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【7 】以d a s p 为前体合成d 一天冬氨酸一p - 羟胺( d a m ) 。d - a h 为一 种治疗病毒感染的药物，可以治疗a i d s 、肿瘤等。 1 1 2 课题研究背景和意义 由此可见，d 氨基酸在各个领域所具有的特殊用途及强大的发展潜力，吸引 着越来越多的人们对其进行探索，以研究新的更有效的获得方法。d 氨基酸以其 广阔的应用前景和巨大的市场发展逐步成为世界经济新的增长点。一般工氨基 酸可通过发酵法或从蛋白质水解获得，价格相对便宜；与上氨基酸相比，d 氨 基酸的种类较少，只占自然界己发现氨基酸的1 0 左右，难以从自然产品中大量 提取，制备工艺相对繁复，因此其价格十分昂贵。一般来讲d 一氨基酸要靠合成 制得，目前国际上最为流行的方法大体有内酰亚胺法、眯唑环法【3 】，但是这些方 法均有缺陷：有的合成步骤较长，有的手性助剂昂贵，有的光学纯度达不到要求 等。 目前d 氨基酸的制备方法主要包括：不对称合成方法直接制备：合成外消 旋体然后拆分；由l - 氨基酸或d l 氨基酸通过不对称转化制备1 2 】。至今d 氨基 酸的制备在国际上仍是一个研究热点。现在关于d - 氨基酸的制备已有一些工业 化的生产及文献报道。但报道中所介绍的方法有些过程复杂，有些收率较低，因 此，如何由廉价的一氨基酸和d l 一氨基酸制备昂贵的d 氨基酸具有重要的研究 意义和应用价值。 南昌大学硕士学位论文 本研究采用一种新型的拆分与消旋相结合的不对称转化法，以三一组氨酸 ( 三- h i s ) 、和d l - 苯甘氨酸( d l p g ) 为原料，两步即制得d 组氨酸( d h i s ) 和d 苯甘氨酸( d p g ) ，并对其工艺条件进行了优化。 1 2d 组氨酸 d 一组氨酸，英文名为o h i s t i d i n e ，化学名称：d 廿氢基b 一眯唑丙酸 ( 2 - a m i n o - 3 - ( 4 一i m i d a z o l y l ) p r o p i o n i ca c i d ) 。组氨酸除了含有a 一氨基以外，另外含 有咪唑基的碱性基团，使得其等电点大于7 0 ，在中性和酸性溶液中均带正电 荷。三一组氨酸及d 组氨酸的物理化学性质如表1 1 所示。 表1 - 1l 组氨酸及d 组氨酸的物理和化学性质 1 2 1 组氨酸在各领域的广泛应用 组氨酸是一个含咪唑杂环的碱性氨基酸，属于准必需氢基酸，婴幼儿为必需 氨基酸，在人体内合成较慢1 4 。同其它氨基酸一样，它是蛋白质结构韵组成部 分，参与动物机体蛋白质合成。同时还以多种形式广泛参与机体的各种生理生化 过程，其中包括组成多种生理生化的活性成分、清除细胞内氧化物和参与免疫调 南昌大学硕士学位论文 节等。因此，组氨酸的用途十分广泛。 1 2 1 1 医药方面 组氨酸主要在医药中应用比较广泛。它是生物体内生血素形成的必需条件之 一，医药上常用于过敏性反应、贫血、心血管、胃及十二指肠溃疡和肝炎等疾患 的治疗，亦常用作生化试剂。也可用来治疗心脏病、贫血和风湿性关节炎等重要 疾病。组氨酸盐酸盐主要用作注射针剂，可减轻病人疼痛、恶心和消化失调。它 主要用于氨基酸输液及综合氨基酸制剂，还用于消化道溃疡药及心脏循环器官医 药品的生产原料。日本早在2 0 世纪7 0 年代就开展了发酵生产组氨酸的研究1 1 4 。 1 2 1 2 生理方面 由于动物体可以由普通的中间代谢物合成组氨酸，因此组氨酸一直被认为是 一种非必需氨基酸。然而，随着研究的深入，人们发现幼龄动物和婴儿体内组氨 酸的合成量不能满足机体正常生长，即使是成年动物，如果不从食物中补充组氨 酸，其体内合成的组氨酸也不能满足需要。组氨酸是4 岁以下婴幼儿的必需氨基 酸，它主要的功能是生长和修复组织，它能维护神经外部髓鞘来保护神经细胞、 红细胞和白细胞的产生也需要组氨酸，它还能保护身体免受辐射的伤害，也能帮 助预防爱滋病。组氨酸能衍生组胺( 一种重要的免疫系统化学物质) ，组氨酸还 能治疗由于缺乏胃酸所形成的消化不良，因为组胺能刺激胃液的分泌。 1 2 1 3 饲料方面 组氨酸在动物营养中起着重要的作用。动物缺乏组氨酸会表现出相应的症 状，许多学者研究了组氨酸缺乏症。组氨酸缺乏时出现的症状主要为：( 1 ) 负氮 平衡；( 2 ) 血清白蛋白下降等；( 3 ) 血浆和肌肉游离组氨酸下降；( 4 ) 血红蛋白下 降；( 5 ) 血细胞比容下降；( 6 ) 肌肉中肌肽含量下降；( 7 ) 全血中铜和锌含量降低； ( 8 ) 血清铁升高。补充组氨酸后，上述症状被缓解或消除。因此，为了保证机体 的正常功能，必需从日粮中摄入定量组氨酸。因此，尽管机体可以自身合成组氨 j 酸，但是组氨酸仍然是一种必需氨基酸。组氨酸已经被列为猪和鸡的必需氨基酸。 南昌大学硕士学位论文 1 2 2 d 组氨酸的国内外研究现状 目前，关于d 一组氨酸国内外学者就其性质、代谢和功能等方面做了一定的 研究工作。组氨酸是唯一通过h m p 途径合成的氢基酸，其发酵法生产的研究即 便是在国外也较少且进展缓慢。日本于2 0 世纪7 0 年代中期曾进行这方面的研究， 但在8 0 年代后关于其的报道就很少见，国内仅有提取法在少量生产，但对d 组氨酸的制备报道还比较少，少数几家企业的生产工艺大多处于保密状态不得而 知，所以对其生产工艺的研究还有很大的改进空间。 很早就有对光学活性d - 组氨酸和三组氨酸的混合物利用非对映体分离进行 光学拆分的报道。 ( 1 ) f l p y m a n 报道：将d 一组氨酸和上一组氨酸在水溶液中与酒石酸反应，能 够有选择地析出难溶盐，其中包含等量的d 一组氨酸( 胄) 酒石酸盐【”】。 ( 2 ) 1 9 9 1 年，s h i n j o 等将不对称转化应用于d - 组氨酸的制备。该方法是将 上组氨酸溶解于冰醋酸介质中，采用( 2 r ，3 r ) 一酒石酸作为拆分剂、水杨醛为催化 剂进行不对称转化，得到d h i s 的( 2 r ，3 r ) 一酒石酸盐，在甲醛中经三乙胺中和， 即得旋光纯的d h i s ，转化率为9 5 【1 6 】。 ( 3 ) b e c k e r 等曾在1 9 9 0 年报道用不对称转化法由三组氨酸制得d 组氨酸， 光学纯度为9 9 ，总收率为6 4 【1 7 】。 ( 4 ) 蔡杨君曾对不对称转化法制备d 二组氨酸进行了研究，收率为9 3 7 1 ， 光学纯度为1 0 0 1 8 】。反应过程如图1 - 1 所示： l - t r a s + ( 2 r , 3 r ) - 鳓吨 d - i - r a s l 量+ 警d ( 1 ) - i - f i s 。( 珉3 黔洱磁盐卜兰恭里，+ 图i - 1 不对称转化法制备d 一组氨酸 该法步骤简单，使结晶和拆分一锅烩进行，具有工艺条件温和、操作简便、 拆分效率高和适合工业化生产等优点，具有广阔的应用前景。， 南昌大学硕士学位论文 1 3d 苯甘氨酸 d 苯甘氨酸，英文名：d p h e n y l g l y c i n e ，化学名称：d 氨基苯乙酸或左 旋一1 苯基氨基乙酸。其外观为白色鳞片结晶粉末，旋光度为k 】莒= 一1 5 7 。( c1 ， l m o l lh c i ) 。结构式为： 乙酸 丙酸 正丁酸：而羧酸根离子去质子化( 碱性) 的 顺序恰好相反：正丁酸根离子 丙酸根离予 乙酸根离子 甲酸根离子。因此可 推知氨基酸消旋速率最快的可能是在乙酸和丙酸溶剂中。 实验4 考察了四种不同的羧酸溶剂对d h i s ) t a 的收率和旋光度的影响， 实验相关数据列于表3 2 0 表3 2 不同羧酸溶剂对反应结果的影响 l h i s ：( r ) 一t a ：水杨醛= 1 ：1 ：0 0 5 ( m 0 1 ) ，反应温度为9 0 c ，反应时间为4 h ，各溶剂用量为3 0 m l 。 实验中发现： ( 1 ) 用甲酸作溶剂时，l - h i s 与俾) t a 完全溶解，反应4 h 后反应体系呈透明 澄清状，并无晶体析出，冰浴后甚至放置冰箱过夜仍无晶体析出，分柝溶液无结 晶的原因可能是甲酸的溶剂化效应过强导致的： ( 2 ) 用乙酸作溶剂时，l - h i s 与) 一t a 溶解后在9 0 c 搅拌下5 r a i n 左右便均匀 南昌大学硕士学位论文 析出白色固体，结晶均匀，且随着反应时间延长，晶体量也增多，最后抽滤、干 燥得到的d h i s 僻) t a 收率较高，光学纯度也较理想； ( 3 ) 用丙酸作溶剂时，( r ) 1 a 不能完全溶解，有少许固体附着在烧瓶壁四周， 得到的d h i s 僻) t a 量少且光学纯度不高； ( 4 ) 用正丁酸作溶剂时，l - h i s 与俾) 一t a 溶解度甚微，反应物几乎无法在液 相体系中发生反应，转化率非常低，实验最后得到的d h i s ( 尺) 一t a 量极少且光学 纯度不高； 就实验数据和实验现象而言，实验结果与分析结论大致吻合。当反应以乙酸 为溶剂时，产物的收率和光学纯度为最优，故在l h i s 的不对称转化反应中，乙 酸为最佳溶剂。 ( 2 ) 羧酸溶剂用量的影响 文献报道【”】：反应原料l h i s 在乙酸介质中的浓度应该控制在5 2 0 之 间，最好是在7 ，5 1 6 之间，浓度过大或过小，都会导致产物的光学纯度下降。 文献中【l7 】溶剂冰醋酸的用量较大( 为7 0 m l ) ，本研究对冰醋酸的用量做了较大 的改变。发现减少冰醋酸的用量可以一定程度上提高产品的收率，实验5 考察了 乙酸溶剂的不同用量对d h i s ) t a 收率和旋光度的影响，实验数据列于表3 3 。 表3 3 乙酸溶剂用量对反应结果的影响 l - h i s ：( 8 ) - t a ：水杨醛= 1 ：1 ：0 0 5 ( m 0 1 ) ，反应温度为9 0 ( 2 ，反应时间为4 h 。 由表3 - 3 得知，d - h i s 僻) t a 的收率和旋光度随着乙酸溶剂量的增加而增大， ! 当溶剂的量为3 0 m l 时，产物的收率和光学纯度最好；若继续增大溶剂的量，产 物的收率和光学纯度有所降低，故在本研究中乙酸的用量最佳为3 0 m l ，即l h i s 在乙酸中合适浓度为1 0 3 ( 质量百分比浓度) 。溶剂量过大或过小都会影响 南昌大学硕士学位论文 d - h i s ( r ) - t a 的收率和光学纯度。 f 3 ) 溶剂中水含量的影响 文献【4 6 j 报道：随着乙酸介质中水含量的增加，氨基酸的消旋度急剧下降， 原因是由于水的存在抑制了消旋反应第一步亚胺( s c h i f f 碱) 的形成。文献【4 3 】 报道：不对称转化应在无水体系中进行，若在体系中有水存在( 即使为痕量水) ， 会使非对映异构体的量下降。分析其原因是：由于消旋过程中生成的s c h i f f 碱极 不稳定，若在反应体系中有水存在，极易发生水解重新转化为胺与醛。因此当乙 酸中的水含量增加时，会导致s c h i f f 碱的平衡浓度急剧下降，从而抑制了消旋反 应的进行。同时由于两种对映异构体能溶于水，而不参与体系的消旋化反应，无 法进行构型转化。另外，当d h i s ( 月) 1 1 a 从液相体系中结晶析出时，同时溶于水 中的l h i s ( r ) t a 会协同析出，从而降低产物的光学纯度。 实验6 考察了溶剂中不同的水含量对d h i s ( r ) 一t a 收率和旋光度的影响，并 记录了析出结晶的时间，实验相关数据列于表3 4 。 表3 - 4 乙酸溶剂中的水含量对反应结果的影响 l - h i s ：( r ) - t a ：水杨醛= 1 ：1 ：o 0 5 ( m 0 1 ) ，反应温度为9 0 c ，反应时间为4 h ，溶剂总体积为3 0 m l 。 由表3 - 4 得知，随着反应体系中水含量的增加，d ，h i s ( r ) - t a 的收率急剧下 降，光学纯度也明显地降低，当乙酸中的水含量达到2 0 时，反应体系仅为液相 体系，无结晶现象。由此可知，l h i s 不对称转化反应应在无水体系中进行。 3 2 1 4 催化剂的影响 1 ( 1 ) 催化剂的选择 文献报道了在氨基酸的消旋反应中，反应体系中有醛做催化剂和无醛做 催化剂的反应效果对比，数据表明：前者对氨基酸的消旋效果要明显优越于后者， 南昌大学硕士学位论文 由此可推知，在不对称转化反应里，一般也用醛来催化。所用的醛一般没有特殊 要求，碳原子数为1 7 的醛都可以。但是，如果在醛中含有一h 时，在反应体系 的酸性条件下可能发生白缩，因此一般选用不含a h 的芳香醛作为催化剂。 据文献记载1 7 , 4 8 】，l - h i s 的不对称转化可用水杨醛、3 ，5 一二氯水杨醛、正丁醛 进行催化。而由3 ，5 - 二氯水杨醛作催化剂最后所得的d h i s 收率为6 6 8 ，光学 纯度为7 4 3 ，转化效果较差，故本研究未选取3 ，5 二氯水杨醛，而直接选用水 杨醛和正丁醛作为催化剂做对比实验。 实验8 分别考察了用等量的水杨醛和正丁醛作催化剂时，d - h i s ( 且) 一t a 收率 的比较，如图3 3 所示。 犀尔量m m o l l - h i s ：( r ) - t a = 1 ：l ( t 0 0 1 ) ，反应温度为9 0 。c ，反应时间为4 h ，溶剂的用量为3 0 m l 。 收率按d - h i s - t a 计算。 图3 - 3 水杨醛和正丁醛作催化剂时分别对反应结果的影响 l h i s 的咪唑基2 位上的氮原子包含一对未参与杂环体系的未共用电子对， 在羧酸溶剂中，电子对可与质子结合，而正电荷的存在会减弱氨基的亲核性，于 是难以与醛形成s c l l i f r 碱，因此s c h i f f 碱的生成可能成为消旋反应的速率控制步 骤。不对称转化反应中包含光学活性对映体的消旋过程，其反应速率主要由消旋 速率决定。氨基酸中氨基上的氮原子对醛基的亲核加成生成s c h i f f 碱。s c h i f f 碱 一般不太稳定，易水解，重新转化为胺与醛。但是当在醛基上有芳环取代时，则 形成的s c h i f f 碱相对较为稳定【4 ”。水杨醛是芳香醛，故与水杨醛形成的s c h i f f ! ， 碱较为稳定，并且水杨醛分子上的苯环上有推电子作用的羟基，能够加速催化反 应【4 3 , 4 4 1 ，从而有助于加速消旋；而正丁醛是脂肪醛，它与氨基形成的s c h i f f 碱不 南昌大学硕士学位论文 如水杨醛与氨基形成的s c h i f f 碱稳定。因此在不对称转化反应中水杨醛的催化效 果要优于正丁醛。 由图3 3 可知，用水杨醛催化时，产物d h i s ( 尺) t a 收率大于用正丁醛作催 化剂时产物的收率。故选择水杨醛作为l h i s 不对称转化反应的催化剂。 水杨醛的催化机理 蜊如图3 - 4 所示：首先醛与氨基反应形成s c h i f f 碱，同时 产生一分子水，然后在羧酸溶剂中发生质子化和去质子化。最后在自身生成的水 的作用下水解为d l h i s 。 o 。o n ，c c m o o “警r c o o h 删靠 丑r 。“ r 一。池c 哪 h 善儿、。、c o o h ；h 2 = 0 比r 删 下乩一。n ：c 删= r 2 - c 兰h o 虬一h c n h n = 坝 n c 卜 h 图3 - 4 羧酸溶剂中水杨醛的催化机理 ( 2 ) 催化剂用量的影晌 催化剂醛的用量是影响不对称转化的因素，文献报道【 1 ：醛同氨基酸的摩 尔比一般应在o 0 1 2 之间。实验7 考察了水杨醛与l - h i s 的摩尔比对产物 d - h i s ( 五) - t a 水杨醛( m o i ) l - 组氨酸( m o o l - h i s ：- t a = 1 ：1 ( t 0 0 1 ) ，反应温度为9 0 ( 2 ，反应时间为4 h ，溶剂用量为3 0 m l 。 图3 5 水杨醛用量对工h i s 的不对称转换的影响 由图3 5 可看出，当反应体系中加入催化剂时，d - h i s - 俾) t a 的光学纯度明 显提高，且随着催化剂用量的增加而逐步提高，当水杨醛用量为1 m m o l 时( 与 一产 罴。 兰卅 南昌大学硕士学位论文 反应起始原料l h i s 的摩尔比为o 0 5 ) ，d h i s ( r ) t a 的光学纯度达到了9 8 2 6 。 当用量超过1 m m o l 时，d h i s 僻) t a 的光学纯度却随催化剂用量的增加而下降。 其原因可能为：在催化过程中，水杨醛同氨基酸形成s c h i f f 碱，同时产生一分子 水，当醛的用量增加时，同时内部生成的水也增加，而水的微量增加可能会导致 d h i s ( 月) t a 结晶溶于水，造成光学纯度的降低。因此，水杨醛的用量以1 m m o l 为佳。( 即水杨醛与反应起始原料l h i s 的摩尔比为o 0 5 ) 另外本研究在投料方式上进行了对比研究，采用了以下两种投料方式：( 1 ) 上- h i s 和) 一t a 同时加入到烧瓶中；( 2 ) l - h i s 先加入到烧瓶里，( r ) t a 分几次投 入；实验中发现第一种投料方式的效果要优于第二种投料方式，在分次投很) 一t a 时，会发生衄) - t a 不溶于体系，粘结在烧瓶壁上的现象，致使反应物不能完全 溶于液相体系，不对称转化反应不完全，一定程度上影响了产物的收率，另外其 产物的光学纯度也不高；而采用第一种投料方式，发现两种反应原料从反应开始 就能完全溶于乙酸溶剂，使它们能够在液相中充分反应，在9 0 。c 下搅拌5 分钟 左右，就出现均匀的晶体颗粒，反应完毕后得到的晶体很少附着在烧瓶壁四周， 效果较好。故投料的方式应为：反应初始时将l h i s 和俾) 一1 a 起加入到烧瓶中。 3 2 1 5 小结 ( 1 ) 合成d h i s t ( r ) 一t a 的反应时间为4 h ，反应温度为9 0 。c ； ( 2 ) 反应合适的溶剂为乙酸，用量为3 0 m l ； ( 3 ) 反应须在无水体系中进行； ( 4 ) 催化剂为水杨醛，用量为l m m o l ( 与反应原料l h i s 的摩尔比为o 0 5 ) ： 本研究对反应工艺条件进行了一定的改进，其中乙酸的用量做了较大的变 化。文献记载【1 7 】的乙酸用量较大，通过实验摸索发现减少乙酸的用量，达到较 好的反应效果，产品的收率和光学纯度得到一定的提高； 反应结束后，通常反应液呈酒红色，过滤后的结晶呈淡红色，需用少量的乙 酸洗涤2 3 次至淡红色脱去，以保证产物的纯度； 当温度上升至8 5 9 0 ( 2 时，开始搅拌反应，起始反应温度过低可能会使l h i s f 转化不完全，造成产物的收率和光学纯度不高。 南昌大学硕士学位论文 3 2 2d 组氨酸的制备 由d h i s ( 月) - t a 制备d h i s 可通过加碱来提取。碱处理的方法现在主要有以 下两种：方法一是用n a o h 处理；方法二是用三乙胺处理。下面对两种方法分 别予以讨论： 3 2 2 1 氢氧化钠法 氢氧化钠法的化学反应方程式如图3 - 6 所示。d h i s - 俾) 1 1 a 在适量水中与 n a o h ( 三倍的摩尔比) 反应生成酒石酸钠和组氨酸钠盐，再分别与等量的c a c l 2 反应，酒石酸钠与c a c l 2 反应生成酒石酸钙沉淀析出，同时所得的滤液用浓盐酸 中和至d h i s 的等电点( p h 7 5 0 ) ，过滤即得产物d h i s 。 d - h i s ( r ) 一t a + 3n a o h 1 2 q n a d h i s+n a 2 ( 月) 一t a n a d h i s+ n a 2 一俾) 一t a 型：! n a d h i 3 滤出液 c a ( r ) t aj + n a - d h i s +2n a c i d - h i s l n a c l 图3 - 6 由d h i s 俾) t a 制各d h i s 该方法中注意n a o h 和c a c l 2 不能过量，须严格按照方程式中的配比来操作。 另外本法由于是用水作溶剂，而d h i s 在水中有一定的溶解度，在溶剂中会有较 大的损失。因此须严格控制水的用量。如果水的用量太少，则可能导致反应副产 物n a c l 会同时析出：水过量又会溶解产物导致收率降低。实验9 用氢氧化钠法 由d - h i s ( 凡) 一t a 制备d h i s 收率为7 4 o 。 3 2 2 2 三乙胺法 三乙胺 5 0 l 为有机强碱( l e w i s 碱) ，碱性虽比氢氧化钠弱，但比醇、醚、酯 等要强得多，其碱性也比水强，因其分子中氮原子上具有未共用电子对的缘故， 能与酸成盐，又能与碱作用游离出胺。有机碱的选择标准：碱性太弱无法质子化 而有效去除d h i s ( 月) 一t a 中的( r ) t a 基团；若碱性太强，有机碱可能与甲醇溶 一中 一 南昌大学硕士学位论文 剂发生一定的反应( 甲醇具有微弱的酸性) 产生副产物，影响产物d h i s 的光学 纯度，故本实验选择碱性适中的三乙胺为反应试剂。 该法步骤简便，三乙胺与d h i s ( r ) 一t a 反应，一步便可得到d h i s ，且分离 方法简单，具有收率高的特点。 该法用甲醇作溶剂，因为碱处理得到的d h i s 不溶于甲醇，容易分离。对于 溶剂的量无特别要求，控制体积在7 0 9 0 m l ，使得反应物三乙胺酒石酸盐能完 全溶于溶剂中即可。三乙胺的量要相对过量，实验选择加入相当于d h i s t 僻) 一t a 的量2 摩尔比的三乙胺，反应液在冰浴中搅拌l h ，观察到有纯白色的晶体悬浮 在液相体系中，抽滤，再用少量甲醇洗涤并干燥，即可得纯白色细粉状晶体d h i s 。 此方法的优点在于：( 1 ) 用三乙胺作碱化剂，有效地脱除了酒石酸基团；( 2 ) 用甲醇作溶剂，而d - h i s 在甲醇中几乎不溶，因此d - h i s 在溶剂中几乎没有损失， 大大提高了d h i s 的收率。实验1 0 用三乙胺法由d h i s ( r ) t a 制备d h i s 的收 率为9 4 0 6 。 3 2 2 3 小结 ( 1 ) 反应试剂为三乙胺，用量为2 m o l 比( 相对于d - h i s - 俾) 一t a 物质的量) ； ( 2 ) 反应合适的溶剂为甲醇；用量为8 0 m l ； ( 3 ) 反应时问为1 h ，反应温度一 50 c ； 本工艺步骤对两种碱处理方法进行了对比实验。实验过程中发现，方法一以 固态无机碱为碱化剂，以水为溶剂，而溶于水的d h i s 势必会损失一部分，影响 收率，且整个工艺十分繁琐，反应物经溶于水、加热、冷却、除杂、碱化、过滤 后损失较大，目标产物d h i s 所剩无几。而方法二步骤十分简单，仅冰浴搅拌、 过滤、干燥三步，且由于选择了d h i s 不溶的溶剂甲醇，最终得到的d h i s 收率 高、色泽亮白、质量好。经实验效果对比，方法二( 用三乙胺处理) 的效果较好。 南昌大学硕士学位论文 3 3 产品分析与测定 表3 - 5d h i s 与d h i s 俾) - t a 的化学结构式 d 一组氨酸d - 组氨酸) 一酒石酸盐 c o o h h 一一o h o h o h _ l h c o o h 3 3 1 熔点测定 用上海物理光学仪器厂w p s 一1 型数字熔点测定仪测得d 组氨酸的熔点为 2 8 6 2 8 7 c ( 文献值【1 ”：m d 2 8 7 。c ) 。 3 3 2 旋光度测定 对映体纯的手性物质必须进行旋光度测定。对于任何一个化合物，如果其纯 对映体的旋光度是已知的话，其光学纯度可以直接从测定的旋光度来计算口1 】： 防。焘枷。 式中a 一测定的旋光值： 三一样品池的光路长度，d m ： p 浓度，g l o o m l ； 上卜用于测定的光波长，通常是d 线； 2 0 一样品测定时的温度，； 光学纯度o p 可由下式来计算： 。p = k l ，a p j ，x 1 0 0 式中b k ；一测定的旋光度 k 】一一该物质旋光度的标准值 用上海浦东物理光学仪器厂w z z 1 s 自动数显旋光仪测得d 组氨酸的旋光 t 度为b 】苫= + 3 8 0 。( c2 ，h 2 0 ) ( 文献值：k p _ 十3 8 5 。( c2 ，h 2 0 ) ) ：d 一组氨酸啤) 酒石酸盐的旋光度为b 苫= + 1 3 0 2 。( c2 ，h 2 0 ) 。( 文献值捕1