對甲砜基苯絲氨酸銅合成的研究

韓玉英，宋　健，馮榮秀，趙君彥(天津大學化工學院，天津 30072)

氟苯尼考是一種化學合成的新一代動物專用氯霉素類(又稱酰胺醇類)廣譜高效抗菌藥物，不與人類用藥形成交叉耐藥性[1]。D-對甲砜基苯絲氨酸乙酯是制備氟苯尼考的一種重要中間體。目前，該中間體的制備方法主要有兩種路線：對甲砜基苯絲氨酸路線和對甲砜基苯絲氨酸銅路線。對甲砜基苯絲氨酸銅路線后處理步驟簡單，后續(xù)酯化收率較高，成本較低，優(yōu)于對甲砜基苯絲氨酸路線。

Hisao等[2-4]以水和水/乙醇為溶劑，對甲砜基苯甲醛、甘氨酸、硫酸銅為原料，KOH為催化劑，制備對甲砜基苯絲氨酸銅，收率約為70%～90%，后續(xù)酯化收率86%。董順康等[5]以氨水為催化劑，50 ℃下反應30 h，收率約為90%～95%，后續(xù)酯化收率75%～82%。

目前，對于合成對甲砜基苯絲氨酸銅的反應機理以及副反應，缺乏進一步深入細致的研究。減少或抑制副產(chǎn)物的生成是合成對甲砜基苯絲氨酸銅工藝優(yōu)化的關鍵。抑制副反應發(fā)生的條件，對其工藝優(yōu)化有重要的理論指導意義。產(chǎn)物對甲砜基苯絲氨酸銅的純度將直接影響后續(xù)酯化產(chǎn)物DL-對甲砜基苯絲氨酸乙酯的收率和最終產(chǎn)品D-對甲砜基苯絲氨酸乙酯的質量。

針對以上情況，本研究以對甲砜基苯甲醛、甘氨酸、硫酸銅為原料，氨水為催化劑，探究并證明了該反應的機理，通過對該反應的各個階段進行定性跟蹤，推測了可能發(fā)生的副反應。通過考察了原料配比、溫度和pH值等影響因素，探究了副反應發(fā)生的條件，從而優(yōu)化了對甲砜基苯絲氨酸銅的合成工藝。本研究將所得產(chǎn)品對甲砜基苯絲氨酸銅進行后續(xù)酯化反應，通過酯化產(chǎn)品對甲砜基苯絲氨酸乙酯的收率和純度驗證了產(chǎn)物對甲砜基苯絲氨酸銅的質量，2步反應總收率高于文獻報道。

1　試驗部分

1.1　主要原料及儀器

對甲砜基苯甲醛，工業(yè)級，山東漢興醫(yī)藥科技有限公司；甘氨酸，生化試劑，天津，科密歐化學試劑有限公司；氨水，工業(yè)品，天津市江天化工技術有限公司；硫酸銅；無水乙醇；活性炭(顆粒)，以上均為分析純，天津市江天化工技術有限公司。濃硫酸，化學純，天津市江天化工技術有限公司。

采用大連依利特高效液相色譜，NICOLET 380紅外分析儀，YRT-3熔點分析儀和薄層色譜(TLC)(上海顧村電光儀器廠ZF-1型三用紫外分析儀，煙臺江友硅膠開發(fā)有限公司ISGF254型硅膠板)。

高效液相色譜分析條件：柱溫30 ℃；柱長250 mm；柱徑4.6 mm；填料為Hyper 0DS2 C18；流動相為70%乙腈+30%醋酸銨水溶液(質量分數(shù)為1%)。檢測器波長為UV254 nm；流速為1.0 mL/min。紅外分析條件：KBr壓片，波長范圍：400～4 000 cm-1；薄層色譜(TLC)條件：展開劑為m(正丙醇)∶m(氨水)∶m(丙酮)=56∶27∶17，采用質量分數(shù)為1%茚三銅的乙醇溶液噴涂，加熱至110 ℃觀察。

1.2　對甲砜基苯絲氨酸銅的制備

在裝有機械攪拌、回流冷凝管和溫度計的250 mL的四口瓶中加入125.00 g水，攪拌下加入硫酸銅17.00 g(0.068 mol)，待完全溶解后加入甘氨酸9.63 g(0.124 mol)，攪拌30 min后，用氨水調節(jié)pH值至9。再加入對甲砜基苯甲醛21.00 g(0.114 mol)，升溫至50 ℃反應30 h，冷卻至室溫，減壓抽濾，濾餅用水和甲醇洗滌至無色，100 ℃干燥得到淺藍色固體對甲砜基苯絲氨酸銅，以對甲砜基苯甲醛計算收率為79%～82%，熔點236.2～237.3 ℃(文獻值為236～237 ℃[5])。

1.3　DL-對甲砜基苯絲氨酸乙酯的制備

在裝有機械攪拌、回流冷凝管和溫度計的50 mL的四口瓶中加入無水乙醇13.00 g(0.282 mol)，室溫下緩慢滴加3.40 g(0.034 mol)濃硫酸，滴加完畢后加入對甲砜基苯絲氨酸銅3.30 g(0.011 mol)，升溫至回流(83 ℃)反應10 h，冷卻至60 ℃減壓抽濾，濾餅為硫酸銅，濾液0 ℃下放置過夜進行結晶，最后經(jīng)抽濾，干燥后得到對甲砜基苯絲氨酸乙酯的硫酸鹽4.19 g。在裝有攪拌、回流冷凝管和溫度計的50 mL的四口瓶中加入4.50 g去離子水，攪拌下加入上述對甲砜基苯絲氨酸乙酯硫酸鹽，全溶后滴加飽和硫化鈉溶液除去銅離子，加入活性炭0.08 g，升溫至45 ℃保溫1 h，趁熱過濾，濾液冷卻至0 ℃，用氨水調節(jié)pH值至7.5，攪拌1 h后抽濾，濾餅用冰水洗滌至中性，將所得濾餅干燥，得到對甲砜基苯絲氨酸乙酯3.01 g，以對甲砜基苯絲氨酸銅計算，收率為92.09%(文獻收率75%～82%[5])。HPLC純度100%(面積歸一法)，熔點125.5～126.1 ℃(文獻值122～124 ℃[4])。核磁共振譜圖，1H-NMR(氘代DMSO，300 MHz)：δ1.118(t,3H,C-CH3)；δ3.176(s,3H,S-CH3)；δ3.316(s,2H,NH2)；δ3.500(d,1H,O-CH)；δ4.026(m,2H,CH2)；δ4.922(s,1H,N-CH)；δ5.763(s,1H,OH)；δ7.580(d,2H,Ar-H)；δ7.843(d,2H,Ar-H)。

2　結果與討論

2.1　反應機理

甘氨酸與硫酸銅在氨水催化下，快速生成內配鹽甘氨酸銅。所生成的絡合物甘氨酸銅中的銅離子受氨基的屏蔽效應，在堿性環(huán)境下對羰基的α位具有電子極化效應，因此α-H的酸性增強，易于離去，從而與對甲砜基苯甲醛發(fā)生羥醛縮合反應。反應機理如圖1所示[4]。

圖1　反應機理1Fig.1　Reaction mechanism 1

圖2　對甲砜基苯甲酸紅外譜圖Fig.2　IR spectrum of p-methylsulfonylbenzoic acid

對所得產(chǎn)品對甲砜基苯絲氨酸銅粗品進行酸化處理后得到對甲砜基苯甲酸，因此本研究認為，絡合物甘氨酸銅中的銅離子對α位的電子極化效應，還不足以使其與對甲砜基苯甲醛順利進行羥醛縮合反應。但是通過中間產(chǎn)物——西佛堿衍生物的生成，從而增強了銅離子對α位的電子極化效應，使得羥醛縮合反應順利進行。反應歷程如圖4所示[7-8]。

2.2　副反應分析

該方法制備的對甲砜基苯絲氨酸銅的收率一直不高。用TLC及HPLC分析，結果顯示主要有2個副產(chǎn)物，液質聯(lián)機(LC-MS)分析結果顯示主要副產(chǎn)物為副產(chǎn)物1和副產(chǎn)物2,分子式見圖5和圖6。

由液質聯(lián)機結果可推測出該反應的副產(chǎn)物主要是對甲砜基苯甲酸和二縮物。因此可能存在的副反應是對甲砜基苯甲醛與未絡合的銅離子發(fā)生氧化還原反應生成對甲砜基苯甲酸，以及發(fā)生雙縮反應。其反應方程式如下。

2.3　反應條件優(yōu)化

上述反應機理及其可能發(fā)生的副反應顯示，原料的配比，反應體系的pH值和溫度是合成對甲砜基苯絲氨酸銅的重要影響因素。

2.3.1甘氨酸用量的影響

投料比是影響反應的一個重要因素，適宜的投料比可以提高產(chǎn)品收率，簡化后處理工藝，降低生產(chǎn)成本。對甲砜基苯甲醛價格約為80 000元/t，而甘氨酸約為10 000元/t，所以優(yōu)選對甲砜基苯甲醛為基準，甘氨酸過量，此時生產(chǎn)成本可以大幅度降低。在反應條件相同的情況下，考察了甘氨酸的用量對于該反應的影響。反應條件為：n(甘氨酸)∶n(硫酸銅)為2∶1，n(對甲砜基苯甲醛)∶n(水)為1∶170，反應溫度為50 ℃，pH值為9，反應30 h后，反應結果表1所示。

圖3　對甲砜基苯甲酸質譜譜圖Fig.3　MS spectrum of p-methylsulfonylbenzoic acid

圖4　反應機理2Fig.4　Reaction mechanism 2

圖5　副產(chǎn)物1(對甲砜基苯甲酸)Fig.5　By-product 1

圖6　副產(chǎn)物2(二縮物)Fig.6　By-product 2

表1　甘氨酸用量的影響Table 1　Effect of the amount of glycine

由表1可見，當甘氨酸用量逐漸降低時，收率并未發(fā)生太大變化，即甘氨酸的用量對該反應影響較小，故可選擇n(對甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)為1.0∶1.1，此時可獲得較好收率，并且可以降低生產(chǎn)成本。

2.3.2水量的影響

對甲砜基苯甲醛和生成的絡合物甘氨酸銅在水中的溶解度都很小，對甲砜基苯甲醛在水中溶解度為0.18 g(50 ℃)，一水合甘氨酸銅為1.60 g(50 ℃)，反應時形成了液-固-固三相反應，所以傳質速率是影響反應速率的一個重要因素。水作為對甲砜基苯甲醛和甘氨酸銅的反應的分散介質，對反應速率有重要的影響。因此，適當?shù)乃磕艽龠M傳質過程、加快反應速率。在反應條件相同的情況下，本研究考察了水量對于反應的影響。反應條件為：n(對甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(硫酸銅)為1∶1.1∶0.55，反應溫度為50 ℃，pH值為9，反應30 h后，反應結果如表2所示。

表2　水量對反應的影響Table 2　Effect of the amount of water

由表2可見，當n(對甲砜基苯甲醛)∶n(水)為1∶130時，收率較低，此時體系黏度較大，不能充分進行傳質，隨著水量的增加，收率也逐漸增大，當增加到1∶170時出現(xiàn)平臺。水量過大則會造成對甲砜基苯甲醛和甘氨酸銅分子碰撞幾率降低，不利于反應的進行。所以，n(對甲砜基苯甲醛)∶n(水)為1∶170時最適宜。

2.3.3pH值的影響

上述2種機理顯示，甘氨酸與硫酸銅形成甘氨酸銅后，在堿性環(huán)境下羧基的α-H的酸性增強，易于離去，所形成的碳負離子，進攻對甲砜基苯甲醛的羰基，從而生成對甲砜基苯絲氨酸銅。因此，反應體系的pH值是該反應能夠順利進行的重要因素，而且制約著反應的選擇性。本研究對反應體系的pH值進行了考察，其結果如表3所示。

表3　pH值對反應的影響Table 3　Effect of pH on the reaction

注：熔點值為銅鹽的熔點。

試驗研究發(fā)現(xiàn)：當反應體系的pH值為7時，堿性較弱，甘氨酸銅羧基的α-H的酸性極弱，縮合反應難以進行。當pH值增至8時，反應速率仍較慢；pH值為9時，反應速率加快，TLC和HPLC結果顯示有副反應發(fā)生，但副產(chǎn)物對甲砜基苯甲酸和二縮產(chǎn)物生成量較小，熔點分析產(chǎn)品的質量較好；pH值高于9時，對甲砜基苯甲醛與銅離子易發(fā)生氧化還原反應生成對甲砜基苯甲酸，與此同時甘氨酸銅羧基的α-H的酸性明顯增強，二縮物也隨之增加。因此，該反應體系適宜的pH值為9。

2.3.4溫度的影響

反應溫度是影響反應速率的重要因素，從動力學角度來說，溫度越高，反應速率越快，原料轉化率就越高。從熱力學活化能角度來說，溫度越高，對活化能高的反應越有利，但溫度過高則有可能會導致副反應的反應趨勢增大，反而使目標產(chǎn)物的收率有所下降。針對本反應，溫度越高，產(chǎn)物易分解，特別是甘氨酸銅，溫度過高不穩(wěn)定。

在反應條件相同的情況下，考察了溫度對于反應的影響。反應條件為：n(對甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(硫酸銅)∶n(水)為1∶1.1∶0.55∶170，pH值為9，反應30 h，結果見表4。

表4　反應溫度對反應的影響Table 4　Effect of temperature on the reaction

由表4中結果可以看出，在一定范圍內升高溫度有利于反應收率的提高，升高溫度降低反應的活化能，可加快反應速率。當溫度在50 ℃時收率達到最高水平，TLC和HPLC顯示有2個副產(chǎn)物，但是量較少；當升溫至70和90 ℃時，TLC和HPLC顯示副反應的程度加深，副產(chǎn)物的量急劇增大，導致對甲砜基苯絲氨酸銅的收率降低，同時產(chǎn)品顏色變深、熔點增高，產(chǎn)品質量降低。因此，制備對甲砜基苯絲氨酸銅最適宜反應溫度為50 ℃。

3　結論

1)試驗研究發(fā)現(xiàn)對甲砜基苯絲氨酸銅的反應機理存在生成西佛堿衍生物機理。反應的副產(chǎn)物主要是對甲砜基苯甲酸和二縮物。

2)對甲砜基苯絲氨酸銅合成的最適宜工藝條件是n(對甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(水)為1∶1.1∶170，pH值為9，反應溫度為50 ℃，反應時間為30 h。在此條件下，收率為80%左右。副產(chǎn)物的生成量較少，產(chǎn)品質量較好。

3)所得產(chǎn)品對甲砜基苯絲氨酸銅進行后續(xù)酯化反應，酯化總收率高達92%，HPLC純度100%。雖然對甲砜基苯絲氨酸銅制備收率低于文獻值，但產(chǎn)品后續(xù)酯化收率較高，從而證實了該方法制備的對甲砜基苯絲氨酸銅產(chǎn)品質量較好，純度較高。

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