2-苯基丙酸多種合成方法的比較研究

劉 超，王佳佳，張文浩，張

(黃岡師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，催化材料制備及應(yīng)用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃岡 438000)

2-苯基丙酸類化合物是一類效果良好的非甾體抗炎藥，問(wèn)世于二十世紀(jì)六十年代末，其抗炎機(jī)制是通過(guò)抑制環(huán)氧合酶，從而阻斷前列腺素的生物合成[1]，其消炎、解熱和鎮(zhèn)痛作用明顯，在臨床上具有藥劑量小、作用快、療效好、副作用弱等特點(diǎn)[2-3]。2-苯基丙酸為最基本的、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的2-苯基丙酸類化合物，也是合成其他2-苯基丙酸類物質(zhì)和藥物的基本醫(yī)藥中間體，因此，探索和研究2-苯基丙酸的合成方法有很重要的實(shí)際和理論意義。

其常規(guī)的工業(yè)制備方法：用氯化氫與苯乙烯加成制得1-氯苯乙烷，在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中使用固體氰化鈉進(jìn)行氰基取代得到2-苯基丙腈，氰基取代物在30%氫氧化鈉水溶液中回流水解即制得2-苯基丙酸鈉鹽，經(jīng)酸化、萃取、蒸餾后得到2-苯基丙酸[4]。但是常規(guī)制備方法有很多弊端，如固體氰化鈉為劇毒物質(zhì)，由于要人工從釜上進(jìn)行投料，因此在投料時(shí)管控難度很大，安全性差；由于使用DMF為溶劑，且在其回流條件下反應(yīng)20 h以上，條件劇烈，副反應(yīng)容易發(fā)生。使用氰化鈉水溶液就可以有效解決上述的問(wèn)題，因此，本文嘗試使用氰化鈉水溶液代替氰化鈉固體，分別使用分步法，“一鍋”法，和酶催化法[5-7]，對(duì)2-苯基丙酸的合成工藝進(jìn)行改進(jìn)探索，以期得到更好的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：常用玻璃儀器、 DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英嶼予華儀器廠)、RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)、9000氣相色譜儀(安捷倫)。

試劑：濃硫酸、苯乙烯、36%鹽酸、二氯甲烷、甲苯、四氫呋喃、30%氰化鈉水溶液、N,N-二甲基甲酰胺、氫氧化鈉、無(wú)水硫酸鈉、溶菌酶和脫鹵酶(湖北安琪酵母股份有限公司)，以上未標(biāo)明廠家的化學(xué)試劑均為國(guó)藥試劑，分析純。

1.2 現(xiàn)有工藝合成2-苯基丙酸

現(xiàn)有工藝合成路線見圖1，向燒瓶中加入36%鹽酸127 mL、苯乙烯42 g(403 mmol)，升溫至60℃，攪拌反應(yīng)12 h，靜置、分液保留有機(jī)層。水層用二氯甲烷萃取，在二氯甲烷層中加入10%NaOH溶液45 mL，攪拌5 h后，靜置、分液、水洗。減壓蒸餾除去二氯甲烷，得到1-氯苯乙烷，收率為99%。

在燒瓶中先加入1-氯苯乙烷46 g(327 mmol)，再加入380 mL DMF，19 g(388 mmol)氰化鈉固體，4.6 mg(0.02 mmol)四丁基氯化銨。80～85℃下反應(yīng)12 h，再升溫至85～90℃反應(yīng)12 h。減壓蒸餾除去DMF。加水200 mL，攪拌至固體全溶，用甲萃萃取兩次，合并有機(jī)相，水洗三次。常壓蒸除溶劑甲苯，減壓蒸餾得到2-苯基丙腈，收率為82%。

向燒瓶中加入35 g(267 mmol) 2-苯基丙腈，50 mL 30%的氫氧化鈉液，升溫回流6 h。加水稀釋至10%。用二氯甲烷萃取，有機(jī)相用無(wú)水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾去除二氯甲烷，得到2-苯基丙酸，收率為95%。

1.3 實(shí)驗(yàn)室合成2-苯基丙酸

1.3.1分步法

在250 mL三頸燒瓶中先加入14 g (134 mmol)1-氯苯乙烷及 100 mL對(duì)應(yīng)溶劑，升溫到一定溫度，在攪拌下滴加入15 mL 30%氰化鈉水溶液。后在此溫度下反應(yīng)4 h，同時(shí)用TLC板監(jiān)測(cè)取代反應(yīng)的進(jìn)程。

取代反應(yīng)完成后，減壓蒸餾除去溶劑。加水70 mL，攪拌至固體全溶，用甲萃取兩次，合并有機(jī)相，水洗三次。常壓蒸除溶劑，減壓蒸餾得到2-苯基丙腈，溶劑為DMF，收率為64%；溶劑為THF，收率為34%；溶劑為甲苯，收率為28%。

在燒瓶中加入35 g(267 mmol) 2-苯基丙腈，50 mL 30%的氫氧化鈉液，升溫回流6 h。加水稀釋至10%。用二氯甲烷萃取四次。有機(jī)相用無(wú)水硫酸鈉干燥，減壓蒸餾去除二氯甲烷，得到2-苯基丙酸，收率為96%。

1.3.2“一鍋”法

在250 mL三頸燒瓶中加入14 g(134 mmol) 1-氯苯乙烷、 100 mLDMF及15 mL 30%氰化鈉水溶液。在80℃下反應(yīng)4 h，用TLC板監(jiān)測(cè)反應(yīng)的進(jìn)程。反應(yīng)完畢后，加入35 mL 30%的氫氧化鈉液，100 ℃下水解10 h。減壓蒸餾除去DMF。加水200 mL，攪拌至固體全溶，用二氯甲烷萃取水層中未反應(yīng)的2-苯基丙腈，分出二氯甲烷層，保留水相。向水相中加入36%鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH值到1～2之間，抽濾除去固體顆粒。使用二氯甲烷對(duì)溶液進(jìn)行萃取，硫酸鈉干燥有機(jī)相，減壓蒸餾去除二氯甲烷，得到2-苯基丙酸，收率為69%。

1.3.3酶催化法

250 mL三頸燒瓶中加入60 mL水，在攪拌下將2.2 mL濃硫酸緩慢加入水中。用恒壓漏斗向燒瓶中緩慢滴加30%氰化鈉水溶液(保持燒瓶?jī)?nèi)溶液體系pH=7，若堿性太強(qiáng)可加入適量濃硫酸調(diào)節(jié))，后加入5.2 g(37 mmol) 1-氯苯乙烷，水浴保溫40 ℃。取0.5 g脫鹵酶和0.05 g溶菌酶置于10 mL水中，攪拌20 min直至溶液呈懸濁狀，并將其加入上述反應(yīng)體系中，反應(yīng)16 h，TLC板層監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)完成后，用濃硫酸調(diào)節(jié)溶液的pH至5，升溫至100 ℃回流2 h。冷卻至室溫后，使用乙酸乙酯萃取，硫酸鈉干燥，減壓蒸餾除去乙酸乙酯，即得產(chǎn)品2-苯基丙酸，收率為43%。

1.4 氣相色譜分析

GC9000氣相色譜儀，檢測(cè)器為氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)，色譜柱填充活性氧化鋁( 30～60 目) 玻璃毛細(xì)管柱，規(guī)格為3 m×3 mm( 內(nèi)徑)，載氣流速( 高純氮)為：120 kPa，與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比對(duì)，外標(biāo)法。分流比：10∶1。1-氯-1-苯基乙烷：柱溫：120℃，輔助Ⅰ溫度：160℃， 檢測(cè)器溫度：160 ℃，進(jìn)樣量：0.2 μL，出峰時(shí)間5.182 min(圖2)。2-苯基丙酸：柱溫180 ℃，輔助Ⅰ溫度：220 ℃，檢測(cè)器溫度220 ℃，進(jìn)樣量: 0.2 μL，出峰時(shí)間5.341 min(圖3)。

分析結(jié)果表

峰號(hào)保留時(shí)間[min]峰高[μV]峰面積[μV*s]含量[%]11.365721200.0391222.28314410020.3262835.1821961730604399.63460總計(jì):19833307165100.00000

圖2 1-氯-1-苯基乙烷氣相色譜圖
Fig.2 Gas chromatogram of 1-chloro-1-phenylethane

分析結(jié)果表

峰號(hào)保留時(shí)間[min]峰高[μV]峰面積[μV*s]含量[%]11.368193826450.1756921.59493919240.1278032.578127868280.4535643.75318615630.1038455.34128383149235499.13910總計(jì):327241505314100.00000

圖3 2-苯基丙酸氣相色譜圖
Fig. 3 Gas chromatogram of 2-phenylpropionic acid

2 結(jié)果與分析

表1為2-苯基丙酸不同制備方法結(jié)果比對(duì)。由表1可得：當(dāng)使用的溶劑相同時(shí)(均為DMF)，雖然分步法及一鍋法相比現(xiàn)有工藝合成的2-苯基丙酸純度相當(dāng)，但產(chǎn)率明顯低于現(xiàn)有工藝。分步法及一鍋法的產(chǎn)率低與DMF堿性水解有關(guān)。DMF屬于酰胺類物質(zhì)，在強(qiáng)堿溶液中可以分解為相應(yīng)的胺和鹽。在堿的作用下，DMF水解反應(yīng)方程式[8]：HCON(CH3)2+ OH-= HCOO-+NH(CH3)2，且其水解反應(yīng)為可逆反應(yīng)[8-9]?？紤]到氰化鈉溶液具有強(qiáng)堿性，設(shè)立空白組實(shí)驗(yàn)研究DMF在實(shí)驗(yàn)條件下是否也會(huì)水解。

空白組實(shí)驗(yàn)將DMF與30%氰化鈉溶液在80℃下回流20 h，發(fā)現(xiàn)有大量氨氣產(chǎn)生，這說(shuō)明DMF在實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)生了水解。DMF為極性非質(zhì)子溶劑，有利于SN2反應(yīng)，但DMF的分解會(huì)影響氰基取代反應(yīng)，降低合成產(chǎn)率，同時(shí)由于分解產(chǎn)物甲酸鈉不易除去，也會(huì)降低產(chǎn)品純度。而用固體氰化鈉做原料，因DMF在無(wú)水條件下具有較好熱穩(wěn)定性，不會(huì)對(duì)取代反應(yīng)造成負(fù)面影響。

考慮到DMF為極性非質(zhì)子性溶劑，本文嘗試用THF(取代反應(yīng)溫度控制在60℃)和甲苯等溶劑替換DMF，與原工藝進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：用THF 替換DMF由于反應(yīng)溫度降低導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)，且水解收率甚低。用甲苯替換DMF，在取代反應(yīng)階段有大量黑色粘稠副產(chǎn)物生成，水解產(chǎn)率也較低，這可能是因?yàn)榧妆脚c氰化鈉水溶液互溶性差，反應(yīng)需跨相進(jìn)行，因此收率很低。

生物酶參與催化的反應(yīng)為氰基代換反應(yīng)，從結(jié)果來(lái)看，雖然選擇性尚好，但收率很不理想。說(shuō)明生物酶催化法反應(yīng)轉(zhuǎn)化性低，但酶催化選擇性高，究其原因可能有二：其一，酶催化對(duì)底物具有特異性，實(shí)驗(yàn)使用的脫鹵酶不能與氯代物進(jìn)行很好的位點(diǎn)結(jié)合，降低了酶的催化效率。雖然我們使用也是商品化的脫鹵酶，但其主要應(yīng)用于他汀類底物的氰基代換，可能對(duì)本研究底物適用度不高；其二，酶法催化氰基取代后，沒(méi)有進(jìn)行提純，而是“一鍋法”進(jìn)行了水解，這也可能導(dǎo)致雜質(zhì)影響后續(xù)反應(yīng)，從而影響了收率[10]。綜合這兩種原因，使得酶催化合成2-苯基丙酸效果不如現(xiàn)有工藝，但是酶法催化反應(yīng)條件溫和，沒(méi)有使用有機(jī)溶劑，是個(gè)環(huán)境友好型反應(yīng)，通過(guò)后續(xù)對(duì)酶的改進(jìn)，是此反應(yīng)的一個(gè)很好的選擇合成方法。

表1 2-苯基丙酸不同制備方法結(jié)果比對(duì)Tab. 1 The comparison of the results of different preparation methods of 2-phenylpropionic acid

本研究通過(guò)嘗試用氰化鈉溶液替換固體氰化鈉，分別采用分步法、“一鍋”法及酶法催化對(duì)現(xiàn)有2-苯基丙酸制備工藝進(jìn)行了改進(jìn)，這樣不僅方便氰化鈉的投料和安全管理，也能加快取代反應(yīng)的進(jìn)程、減少催化劑的使用。結(jié)果顯示，分步法和“一鍋”法產(chǎn)率低于現(xiàn)有工藝方法，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)是由于DMF在堿性水溶液中分解產(chǎn)生了甲酸和二甲胺，對(duì)氰基取代反應(yīng)產(chǎn)生了負(fù)面影響。而酶法催化合成，雖然選擇性較好，但收率遠(yuǎn)低于現(xiàn)有工藝，可能是現(xiàn)有生物酶不適合此反應(yīng)體系，但酶催化反應(yīng)選擇性高、反應(yīng)溫和、設(shè)備要求低、對(duì)環(huán)境危害小，今后通過(guò)篩選合適的工程酶應(yīng)用2-苯基丙酸的合成，有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

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