氯化氫催化法合成氨基酸酯鹽酸鹽

高 銳，蔣紅華，錢 超，陳新志

1.浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 浙江省化工高效制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江 杭州 310027；

2.杭州新德環(huán)?？萍加邢薰荆憬?建德 311604

氯化氫催化法合成氨基酸酯鹽酸鹽

高 銳1，蔣紅華2，錢 超1，陳新志1

1.浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 浙江省化工高效制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江 杭州 310027；

2.杭州新德環(huán)?？萍加邢薰荆憬?建德 311604

以氨基酸與苯甲醇的酯化反應(yīng)為模型反應(yīng)，研究了氯化氫催化下的氨基酸酯化工藝。采用1,2-二氯乙烷作為溶劑，共沸蒸餾帶出生成的水，以促進(jìn)酯化反應(yīng)完成，再經(jīng)重結(jié)晶后得到目標(biāo)產(chǎn)物氨基酸芐酯鹽酸鹽。當(dāng)氨基酸與苯甲醇物質(zhì)的量之比為1.00∶1.08，反應(yīng)溫度83 ℃，反應(yīng)時(shí)間4～6 h時(shí)，收率可達(dá)65%左右。此外，在氨基酸與甲醇等低沸點(diǎn)醇進(jìn)行酯化時(shí)，采用醇同時(shí)作為反應(yīng)物和帶水劑的方法，提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，并將蒸餾出的醇經(jīng)過(guò)除水處理后重新加入反應(yīng)體系中，氨基酸酯鹽酸鹽收率在75%～85%。利用反應(yīng)-分離耦合技術(shù)提高了產(chǎn)物的收率與純度，縮短了反應(yīng)時(shí)間，減少了原料的用量。

氨基酸 酯化 氯化氫催化 共沸帶水

氨基酸酯在醫(yī)藥、化工、農(nóng)藥、食品和化妝品等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，其主要合成方法有氯化氫法、氯化亞砜法、濃硫酸法、對(duì)甲苯磺酸法以及苯磺酸法。最早的氯化氫催化法是Fischer[1]提出的氨基酸酯化方法。1953年，Sachs等[2]用干燥的氯化氫氣體作催化劑，制備了多種氨基酸酯的鹽酸鹽，并對(duì)此工藝進(jìn)行了改進(jìn)：將氨基酸溶解在甲醇中，通入氯化氫氣體，加熱反應(yīng)數(shù)小時(shí)后，除去未反應(yīng)的甲醇，再加入新鮮甲醇進(jìn)行反應(yīng)；重復(fù)此操作數(shù)次，將反應(yīng)液脫除甲醇和水，得到粗產(chǎn)品，用乙醚或石油醚重結(jié)晶，得到氨基酸酯的鹽酸鹽。然而這一系列工序存在甲醇消耗量大、收率較低、產(chǎn)物提純較為困難和乙醚難處理回收的問(wèn)題。1989年，Ajioka等[3]對(duì)該工藝作了進(jìn)一步的改進(jìn)，采用直接把產(chǎn)物從溶劑甲醇中析出并過(guò)濾的方法，降低了甲醇的消耗量。采用此方法合成了苯丙氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、絲氨酸和賴氨酸的甲酯鹽酸鹽，收率在80%左右。同時(shí)，Stanley等[4]用該方法制備了高純度的苯丙氨酸甲酯。陳帆[5]在制備新型手性氨基酸衍生物時(shí)制備了丙、纈、亮和異亮氨酸的乙酯，采用在冰水浴的條件下向乙醇中通入 HCl，然后加入氨基酸加熱回流，反應(yīng)結(jié)束后蒸出醇，用 Na2CO3溶液中和至 pH值為 8，用乙酸乙酯萃取，無(wú)水 Na2SO4干燥，蒸出乙酸乙酯，真空干燥得L-苯丙氨酸乙酯。該合成工藝重現(xiàn)性好、反應(yīng)周期短、催化劑易得以及產(chǎn)物易分離，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。但是由于該工藝操作繁瑣，并且需要消耗大量的醇，使其應(yīng)用受到限制。

本工作基于氯化氫催化的酯化反應(yīng)基礎(chǔ)，聯(lián)想到在制備氨基酸酯鹽酸鹽的反應(yīng)過(guò)程中進(jìn)行除水，保持反應(yīng)體系內(nèi)較低的水分含量，減少水解副反應(yīng)，提高酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，并基于改進(jìn)后的反應(yīng)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

氨基酸與苯甲醇酯化反應(yīng)裝置如圖1所示。圖中，設(shè)備3為分水器，它的作用是可以將蒸餾出的液體分層，并通過(guò)開(kāi)關(guān)將下層1,2-二氯乙烷流回反應(yīng)體系。設(shè)備4為氣球，它的作用是延長(zhǎng)氯化氫在反應(yīng)體系內(nèi)的停留時(shí)間，增大反應(yīng)體系內(nèi)氯化氫的濃度。

圖1 氨基酸與苯甲醇酯化反應(yīng)裝置Fig.1 Experimental set-up for reaction of amino acids with benzyl alcohol

氨基酸與甲醇或乙醇酯化反應(yīng)裝置如圖2所示。圖中，設(shè)備4為分水器，它的作用是收集蒸餾出的液體，并通過(guò)開(kāi)關(guān)將餾出液放出，轉(zhuǎn)移到設(shè)備5（除水器）中進(jìn)行除水，經(jīng)過(guò)除水處理后再通過(guò)恒壓滴液漏斗將液體重新投入反應(yīng)體系中。設(shè)備3為氣球，它的作用與圖1中氣球相同。

圖2 氨基酸與甲醇或乙醇酯化反應(yīng)裝置Fig.2 Experimental set-up for reaction of amino acids with methanol or ethanol

1.2 氨基酸酯鹽酸鹽的合成

1.2.1 氨基酸與苯甲醇的酯化

將0.1 mol（20.42 g）L-色氨酸與30 mL 1,2-二氯乙烷投入250 mL三口燒瓶中，通入氯化氫（純度99.99%）氣體，室溫下反應(yīng)0.5 h，生成L-色氨酸鹽酸鹽，保護(hù)氨基防止縮合形成肽鍵；將0.108 mol（11.66 g）苯甲醇加入上述反應(yīng)混合液中，繼續(xù)緩慢通入氯化氫；升溫至回流，83 ℃下蒸出二氯乙烷和水的共沸物，在分水器中分層，將下層1,2-二氯乙烷重新投入反應(yīng)體系中，反應(yīng)4 h完成，冷卻至-10 ℃，過(guò)濾，濾餅用甲醇重結(jié)晶后得到目標(biāo)產(chǎn)物L(fēng)-色氨酸芐酯鹽酸鹽。

當(dāng)反應(yīng)物為L(zhǎng)-脯氨酸時(shí)，將反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)至6 h，其他條件不變。

1.2.2 氨基酸與甲醇或乙醇的酯化

將0.1 mol氨基酸與50 mL甲醇或乙醇投入250 mL三口燒瓶中，通入氯化氫氣體，室溫下反應(yīng)0.5 h，生成氨基酸鹽酸鹽，保護(hù)氨基防止縮合形成肽鍵。繼續(xù)緩慢通入氯化氫，升溫至回流，蒸出甲醇或乙醇與水的共沸物，除去酯化反應(yīng)生成的水，推動(dòng)酯化反應(yīng)進(jìn)行，并將蒸出的甲醇或乙醇進(jìn)行除水處理后再投入到反應(yīng)體系中。反應(yīng)4 h完成，脫除溶劑后，用甲醇重結(jié)晶后得到目標(biāo)產(chǎn)物。

反應(yīng)產(chǎn)物表征分析在Bruker公司生產(chǎn)的MX-400型核磁共振儀上進(jìn)行。

氨基酸酯鹽酸鹽的合成反應(yīng)式如下：

不同氨基酸與醇反應(yīng)物所含官能團(tuán)如表1所示。

表1 不同氨基酸與醇的官能團(tuán)種類Table 1 Amino acids and alcohols with different functional groups

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件對(duì)氨基酸芐酯鹽酸鹽合成反應(yīng)的影響

2.1.1 溶劑的影響

考察環(huán)己烷、正己烷、甲苯和1,2-二氯乙烷等溶劑對(duì)氨基酸芐酯鹽酸鹽合成反應(yīng)的影響，結(jié)果如表2所示。由表可看出，以1,2-二氯乙烷為溶劑，兩種氨基酸與苯甲醇反應(yīng)所得到的氨基酸芐酯鹽酸鹽收率最高。原因可能是相比于其他溶劑，1,2-二氯乙烷對(duì)氨基酸鹽酸鹽的溶解性最好，有利于氯化氫與反應(yīng)物的接觸，增快反應(yīng)速率，并在回流條件下將反應(yīng)生成的水帶出反應(yīng)體系，提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的收率，并且反應(yīng)溫度適中。

表2 不同溶劑對(duì)氨基酸與苯甲醇酯化反應(yīng)的影響Table 2 Effect of different solvents on esterification of amino acids with benzyl alcohol

在確定溶劑用量時(shí)需考慮后處理的問(wèn)題，由于氨基酸的量為 0.1 mol，相應(yīng)反應(yīng)生成水的量最多為0.1 mol，而1,2-二氯乙烷與水共沸時(shí)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.5%，只要反應(yīng)體系中水分的含量小于19.5%，就可以有效地將水分帶出，所以過(guò)多的溶劑并不能更有效地將水分帶出，并會(huì)造成分離上的困難和經(jīng)濟(jì)性的不足。在氨基酸的投料量為0.1 mol的條件下，1,2-二氯乙烷的用量為30 mL時(shí)，既可以有效地將水分帶出反應(yīng)體系，又可以很好地溶解氨基酸鹽酸鹽。

2.1.2 反應(yīng)隨時(shí)間的變化

氨基酸芐酯鹽酸鹽收率隨反應(yīng)時(shí)間的變化如圖3所示。該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，隨著原料的消耗，反應(yīng)不可能進(jìn)行到底，由圖3可看出，L-色氨酸與苯甲醇的酯化反應(yīng)在4 h基本達(dá)到平衡，收率為69.8%。L-脯氨酸與苯甲醇的酯化反應(yīng)在6 h基本達(dá)到平衡，收率為64.3%。

圖3 氨基酸芐酯鹽酸鹽的收率隨時(shí)間的變化Fig.3 The changes of yield of amino acid benzyl ester hydrochloride with reaction time

圖4 氨基酸/苯甲醇投料比對(duì)氨基酸芐酯鹽酸鹽收率的影響Fig.4 Effect of different molar ratio of amino acid to benzyl alcohol on yield of amino acid benzyl ester hydrochloride

2.1.3 苯甲醇用量的影響

不同氨基酸與苯甲醇物質(zhì)的量之比（氨基酸/苯甲醇投料比）對(duì)氨基酸芐酯鹽酸鹽收率的影響結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，當(dāng)苯甲醇的投料量小于氨基酸時(shí)，反應(yīng)收率整體較低，隨苯甲醇量增加到氨基酸的 1.08倍時(shí)，收率基本不會(huì)繼續(xù)增加，且苯甲醇的沸點(diǎn)較高，分離較為困難，影響產(chǎn)物純度，綜合考慮，氨基酸與苯甲醇物質(zhì)的量之比為1.00∶1.08時(shí)較為合適。

2.2 氨基酸芐酯鹽酸鹽的產(chǎn)物分析

氨基酸與苯甲醇的物質(zhì)的量之比為1.00∶1.08時(shí)，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)物收率沒(méi)有提高，反而易使氨基酸自身縮合產(chǎn)生副產(chǎn)物。在反應(yīng)時(shí)間為5和6 h的條件下，分別進(jìn)行苯甲醇與氨基酸物質(zhì)的量之比大于1.08的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物收率沒(méi)有提高。

綜上所述，氨基酸芐酯鹽酸鹽合成的較優(yōu)條件為1,2-二氯乙烷為溶劑，氨基酸與苯甲醇的物質(zhì)的量比為1.00∶1.08，在回流溫度（83 ℃）下反應(yīng)4 h（氨基酸為L(zhǎng)-脯氨酸時(shí)反應(yīng)6 h）。在該反應(yīng)條件下，L-色氨酸芐酯鹽酸鹽收率為69.8%，L-脯氨酸芐酯鹽酸鹽收率為64.3%。

L-色氨酸芐酯鹽酸鹽的1H-NMR和13C-NMR圖譜如圖5所示。表征數(shù)據(jù)為1H-NMR(400 MHz,D2O)δ(10-6)：7.60(d，J = 7.8 Hz，2H)；7.45(d，J = 8.0 Hz，2H)；7.21(dd，J = 16.3，8.9 Hz，4H)；7.11(t，J = 7.4 Hz，3H)；4.26(dd，J = 7.0，5.4 Hz，2H)；3.45～3.27 (m，4H)。

13C-NMR(100 MHz, D2O)δ(10-6)：172.08，136.30，126.49，125.35，122.19，119.54，118.22，112.01，106.35，53.41和25.77。根據(jù)核磁數(shù)據(jù)分析可確定，產(chǎn)物為L(zhǎng)-色氨酸芐酯鹽酸鹽。

圖5 L-色氨酸芐酯鹽酸鹽核磁共振圖譜Fig.5 Nuclear magnetic resonance spectra of L-tryptophan benzyl ester hydrochloride

圖6 L-脯氨酸芐酯鹽酸鹽核磁共振圖譜Fig.6 Nuclear magnetic resonance spectra of L-proline benzyl ester hydrochloride

圖6為L(zhǎng)-脯氨酸芐酯鹽酸鹽1H-NMR和13C-NMR圖譜。表征數(shù)據(jù)為1H-NMR(400 MHz，D2O)δ（10-6）：7.39 (s，5H)；5.24(q，J = 12.0 Hz，2H)；4.44(t，J = 7.8 Hz，1H)；3.35(dd，J=13.3，6.7 Hz，2H)，2.36(dd，J = 13.6，6.8 Hz，1H)；2.13～2.04(m，1H)；2.04～1.93(m，2H)。

13C-NMR(100 MHz，D2O)δ(10-6)：169.70，134.63，129.02，128.91，128.56，68.70，59.52，46.26，28.10和23.19。根據(jù)核磁數(shù)據(jù)分析可確定，產(chǎn)物為L(zhǎng)-脯氨酸芐酯鹽酸鹽。

2.3 氨基酸甲酯和乙酯鹽酸鹽合成

對(duì)比氨基酸芐酯鹽酸鹽的合成，甲醇或乙醇作為反應(yīng)物時(shí)沸點(diǎn)較低，在溶劑帶水過(guò)程中會(huì)先于溶劑帶出體系，造成反應(yīng)體系內(nèi)原料的流失，不利于酯化反應(yīng)進(jìn)行，所以采用甲醇或乙醇帶水回流帶水的方法，將蒸出的甲醇或乙醇進(jìn)行分子篩除水處理后，滴加回反應(yīng)體系中，該方法中甲醇或乙醇的用量為氨基酸的8～12倍，大量的甲醇或乙醇有利于推動(dòng)酯化反應(yīng)，且甲醇和乙醇易脫除，不會(huì)影響產(chǎn)物的結(jié)晶和純度。因此，較優(yōu)的反應(yīng)條件為在甲醇或乙醇的回流溫度下，反應(yīng)4 h，甲醇的用量為氨基酸物質(zhì)的量的12倍，乙醇的用量為氨基酸物質(zhì)的量的8倍。該條件下合成了不同種類的氨基酸甲酯或乙酯鹽酸鹽，產(chǎn)物分析結(jié)果如表3所示。由表可看出，產(chǎn)物收率均較高。

表3 較優(yōu)條件下合成的氨基酸甲酯鹽酸鹽和氨基酸乙酯鹽酸鹽Table 3 Esterification of amino acid methyl ester hydrochloride and amino acid ethyl hydrochloride under the appropriate conditions

4 結(jié) 論

對(duì)利用氯化氫氣體作為催化劑的氨基酸酯化方法進(jìn)行了優(yōu)化，利用反應(yīng)-分離耦合技術(shù)提高了產(chǎn)物的收率與純度，縮短了反應(yīng)時(shí)間，減少了原料的用量。在與苯甲醇酯化過(guò)程中，利用1,2-二氯乙烷對(duì)反應(yīng)物、產(chǎn)物特殊的溶解性，以及在反應(yīng)過(guò)程中可以將水分帶出的特性，將氨基酸芐酯化的收率大大提高。在與甲醇和乙醇酯化過(guò)程中，利用甲醇或乙醇既作為反應(yīng)物又作為帶水劑，在反應(yīng)過(guò)程中將水分除去，提高了反應(yīng)速率和收率。重結(jié)晶在低溫條件下進(jìn)行，產(chǎn)物不會(huì)發(fā)生酯交換反應(yīng)。經(jīng)過(guò)除水處理還可對(duì)1,2-二氯乙烷進(jìn)行循環(huán)利用，對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

[1]Fischer E.Ueber die ester der amino sfiuren[J].Berichte der, 1901, 34(1): 433-454.

[2]Sachs H, Brand E.Benzyl esters of glutamic acid[J].Journal of the American Chemical Society, 1953, 75(18): 4610-4611.

[3]Ajioka M, Chojiro H, Takeshi O, et al.Preparation and isolation of mineral acid salt of an amino acid methyl ester: EP, 0376230[P].1989-12-24.

[4]Mirviss S B, Dshod S K, Empie M W.Synthesis of L-phenylalanine methyl ester[J].Eng Chem Res, 1990, 29: 651-659.

[5]陳 帆.新型手性氨基酸衍生物及其合成方法與應(yīng)用: 中國(guó), 1616411[P].2005-05-18.

Catalytic Synthesis of Amino Acid Ester Hydrochloride by Hydrogen Chloride

Gao Rui1, Jiang Honghua2, Qian Chao1, Chen Xinzhi1
1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Advanced Chemical Engineering Manufacture Technology, College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
2.Hangzhou Xinde Environmental Protection Technology Co Ltd, Jiande 311604, China

The esterification reaction of amino acids and benzyl alcohol was used as the model to study the amino acid esterification process catalyzed by hydrogen chloride.The water from reaction was removed by azeotropic distillation using 1,2-dichloroethane as solvent, to promote the esterification reaction and the target product amino acid benzyl ester hydrochloride was obtained by recrystallization.When the molar ratio of amino acid to benzyl alcohol was 1.00:1.08, the reaction temperature 83 ℃, the reaction time 4-6 h, the yield was about 65%.In addition, when the amino acid was esterified with a low boiling point alcohol such as methanol, the equilibrium conversion rate of the reaction was improved by using the alcohols as the reactant and water-carrying agent simultaneously.The distilled alcohol was then re-added to the reaction system after the water removal treatment, and the yield of the amino acid ester hydrochloride was of 75% to 85%.The reaction-separation coupling technique improved the yield and purity of the product, shortened the reaction time and reduced the amount of raw materials.

amino acid; esterification; hydrochloric acid catalysis; azeotropic distillation

O621.3

A

1001—7631 ( 2017 ) 04—0319—07

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.04.0319.07

2017-05-21；

2017-07-20。

高 銳（1993—），男，碩士。錢 超（1978—），男，副教授，通訊聯(lián)系人。E-mail: qianchao@zju.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金（21376213；21476194）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0301800）。