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.浙江大學化學工程與生物工程學院 浙江省化工高效制造技術重點實驗室 浙江 杭州 310027；

2.杭州新德環?？萍加邢薰?，浙江 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.浙江大學化學工程與生物工程學院 浙江省化工高效制造技術重點實驗室 浙江 杭州 310027；

2.杭州新德環?？萍加邢薰?，浙江 建德 311604

以氨基酸與苯甲醇的酯化反應為模型反應，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，以促進酯化反應完成，再經重結晶后得到目標產物氨基酸芐酯鹽酸鹽。當氨基酸與苯甲醇物質的量之比為1.00∶1.08，反應溫度83 ℃，反應時間4～6 h時，收率可達65%左右。此外，在氨基酸與甲醇等低沸點醇進行酯化時，采用醇同時作為反應物和帶水劑的方法，提高反應的平衡轉化率，并將蒸餾出的醇經過除水處理后重新加入反應體系中，氨基酸酯鹽酸鹽收率在75%～85%。利用反應-分離耦合技術提高了產物的收率與純度，縮短了反應時間，減少了原料的用量。

氨基酸 酯化 氯化氫催化 共沸帶水

氨基酸酯在醫藥、化工、農藥、食品和化妝品等領域有著非常廣泛的應用，其主要合成方法有氯化氫法、氯化亞砜法、濃硫酸法、對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，并對此工藝進行了改進：將氨基酸溶解在甲醇中，通入氯化氫氣體，加熱反應數小時后，除去未反應的甲醇，再加入新鮮甲醇進行反應；重復此操作數次，將反應液脫除甲醇和水，得到粗產品，用乙醚或石油醚重結晶，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、產物提純較為困難和乙醚難處理回收的問題。1989年，Ajioka等[3]對該工藝作了進一步的改進，采用直接把產物從溶劑甲醇中析出并過濾的方法，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，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，反應結束后蒸出醇，用 Na2CO3溶液中和至 pH值為 8，用乙酸乙酯萃取，無水 Na2SO4干燥，蒸出乙酸乙酯，真空干燥得L-苯丙氨酸乙酯。該合成工藝重現性好、反應周期短、催化劑易得以及產物易分離，有利于工業化生產。但是由于該工藝操作繁瑣，并且需要消耗大量的醇，使其應用受到限制。

本工作基于氯化氫催化的酯化反應基礎，聯想到在制備氨基酸酯鹽酸鹽的反應過程中進行除水，保持反應體系內較低的水分含量，減少水解副反應，提高酯化反應轉化率，并基于改進后的反應工藝條件進行優化。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

氨基酸與苯甲醇酯化反應裝置如圖1所示。圖中，設備3為分水器，它的作用是可以將蒸餾出的液體分層，并通過開關將下層1,2-二氯乙烷流回反應體系。設備4為氣球，它的作用是延長氯化氫在反應體系內的停留時間，增大反應體系內氯化氫的濃度。

圖1 氨基酸與苯甲醇酯化反應裝置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裝置如圖2所示。圖中，設備4為分水器，它的作用是收集蒸餾出的液體，并通過開關將餾出液放出，轉移到設備5（除水器）中進行除水，經過除水處理后再通過恒壓滴液漏斗將液體重新投入反應體系中。設備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0.5 h，生成L-色氨酸鹽酸鹽，保護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混合液中，繼續緩慢通入氯化氫；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體系中，反應4 h完成，冷卻至-10 ℃，過濾，濾餅用甲醇重結晶后得到目標產物L-色氨酸芐酯鹽酸鹽。

當反應物為L-脯氨酸時，將反應時間增長至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0.5 h，生成氨基酸鹽酸鹽，保護氨基防止縮合形成肽鍵。繼續緩慢通入氯化氫，升溫至回流，蒸出甲醇或乙醇與水的共沸物，除去酯化反應生成的水，推動酯化反應進行，并將蒸出的甲醇或乙醇進行除水處理后再投入到反應體系中。反應4 h完成，脫除溶劑后，用甲醇重結晶后得到目標產物。

反應產物表征分析在Bruker公司生產的MX-400型核磁共振儀上進行。

氨基酸酯鹽酸鹽的合成反應式如下：

不同氨基酸與醇反應物所含官能團如表1所示。

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

2 結果與討論

2.1 反應條件對氨基酸芐酯鹽酸鹽合成反應的影響

2.1.1 溶劑的影響

考察環己烷、正己烷、甲苯和1,2-二氯乙烷等溶劑對氨基酸芐酯鹽酸鹽合成反應的影響，結果如表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，1,2-二氯乙烷對氨基酸鹽酸鹽的溶解性最好，有利于氯化氫與反應物的接觸，增快反應速率，并在回流條件下將反應生成的水帶出反應體系，提高反應的平衡轉化率和產物的收率，并且反應溫度適中。

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

在確定溶劑用量時需考慮后處理的問題，由于氨基酸的量為 0.1 mol，相應反應生成水的量最多為0.1 mol，而1,2-二氯乙烷與水共沸時水的質量分數為19.5%，只要反應體系中水分的含量小于19.5%，就可以有效地將水分帶出，所以過多的溶劑并不能更有效地將水分帶出，并會造成分離上的困難和經濟性的不足。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，既可以有效地將水分帶出反應體系，又可以很好地溶解氨基酸鹽酸鹽。

2.1.2 反應隨時間的變化

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

圖3 氨基酸芐酯鹽酸鹽的收率隨時間的變化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的量之比（氨基酸/苯甲醇投料比）對氨基酸芐酯鹽酸鹽收率的影響結果如圖4所示。從圖4可知，當苯甲醇的投料量小于氨基酸時，反應收率整體較低，隨苯甲醇量增加到氨基酸的 1.08倍時，收率基本不會繼續增加，且苯甲醇的沸點較高，分離較為困難，影響產物純度，綜合考慮，氨基酸與苯甲醇物質的量之比為1.00∶1.08時較為合適。

2.2 氨基酸芐酯鹽酸鹽的產物分析

氨基酸與苯甲醇的物質的量之比為1.00∶1.08時，繼續延長反應時間，產物收率沒有提高，反而易使氨基酸自身縮合產生副產物。在反應時間為5和6 h的條件下，分別進行苯甲醇與氨基酸物質的量之比大于1.08的實驗，發現產物收率沒有提高。

綜上所述，氨基酸芐酯鹽酸鹽合成的較優條件為1,2-二氯乙烷為溶劑，氨基酸與苯甲醇的物質的量比為1.00∶1.08，在回流溫度（83 ℃）下反應4 h（氨基酸為L-脯氨酸時反應6 h）。在該反應條件下，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。表征數據為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。根據核磁數據分析可確定，產物為L-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-脯氨酸芐酯鹽酸鹽1H-NMR和13C-NMR圖譜。表征數據為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。根據核磁數據分析可確定，產物為L-脯氨酸芐酯鹽酸鹽。

2.3 氨基酸甲酯和乙酯鹽酸鹽合成

對比氨基酸芐酯鹽酸鹽的合成，甲醇或乙醇作為反應物時沸點較低，在溶劑帶水過程中會先于溶劑帶出體系，造成反應體系內原料的流失，不利于酯化反應進行，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行分子篩除水處理后，滴加回反應體系中，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酯化反應，且甲醇和乙醇易脫除，不會影響產物的結晶和純度。因此，較優的反應條件為在甲醇或乙醇的回流溫度下，反應4 h，甲醇的用量為氨基酸物質的量的12倍，乙醇的用量為氨基酸物質的量的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，產物分析結果如表3所示。由表可看出，產物收率均較高。

表3 較優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 論

對利用氯化氫氣體作為催化劑的氨基酸酯化方法進行了優化，利用反應-分離耦合技術提高了產物的收率與純度，縮短了反應時間，減少了原料的用量。在與苯甲醇酯化過程中，利用1,2-二氯乙烷對反應物、產物特殊的溶解性，以及在反應過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程中，利用甲醇或乙醇既作為反應物又作為帶水劑，在反應過程中將水分除去，提高了反應速率和收率。重結晶在低溫條件下進行，產物不會發生酯交換反應。經過除水處理還可對1,2-二氯乙烷進行循環利用，對工業化生產具有指導意義。

[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用: 中國, 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，通訊聯系人。E-mail: qianchao@zju.edu.cn。

國家自然科學基金（21376213；21476194）；國家重點研發計劃項目（2016YFB0301800）。