催化还原法合成谷氨酰胺

一 1=) ． 技术开发 ．．= ． 够 ，锈 ， 、 催 化 还 原 法 合 成 谷 氨 酰 胺 兀『DlY 0N SY】 n皿cs卫S 0F GIIIrIIAM口 E BY CATAIlYTlC REDUCTK)N Nn l 0D 朴斗镐 The study of catalytic reduction of l—glutamic acid r-h,：draz~ u~ing Ramey—Ni pm~ler catalyst at normal Pressul~ and the test On synthesis of glutaraine a carried out．the catalyst shov~ high activity in basic solution The：dd of glutaraine and of side product pyroglutamic acid is 81％ and 17％ at the comelitions pH=11．50℃ 8h when NaBH4 is reductor,the prod— uct is Proline．it is unsuited tO synthesis mcthod of gtu~rn／ne． 本文研究了以粉末 Raney镍作倦化村，在常压下进行 L一谷氨酸 r一酰肼 的隹 化还原。试 验了谷氨酰胺的合成．该倦化村在反应液 当碱性条件下显示出高活性。在 pH=11，50℃ 下反应 8h谷氨酰胺的收率为 81％，剐产物焦谷氨酸收率为 17％．在使用氢化硼钠还原时．生成物为麓 氨酸。作为谷氨酰胺的合成法是不适宜的． 1 前言 有关谷氨酰胺的合成方法 已发表过几种【l 】，不 过这些方法均是以L一谷氨酸为原料的．这是因为 相当于谷氨酰胺前驱体的 L一谷氨酸来源于廉 价的 大规模工 业生产．在本研究 中使肼在 L一谷氨 酸 r一 甲酯中反应生成 r一酰肼，然后在 Rancy镍催 化 作用下合成了 r一酰胺 即L一谷氨酰胺．根据澳I定 生成 物的旋光度确认反应 中未发生外．消旋作 用． 然而该法的缺点是，Rancy镍扩展时因为保持一定的 氢气还原需要较多的催化剂． 进而提 出谷氨酸 r一 甲醇与羟胺发生反应生成 r一羟肟酸，将其还原合成谷氨酰胺化合成各 氨酰胺 的方法以及采用谷氨酸 r一 甲酯的氨解作用进行酰 胺的方法。不过这些方法也存在经济上的问题．还 有后者即在氨解作用时有必要用保护基掩蔽谷氨酸 r一甲酯的氨基．若不掩蔽氨基直接进行氨解 时将 要起环化反应而生成焦谷氨酸，因此几 乎得 不到 目 的产物谷氨酰胺． 在本研究中注重于采用常压下 以 Rancy镍为催 化 剂 的催 化 还原 法 进行 L一谷 氨 酰 胺 的合 成． 并且为了与催化还原法比较，也对使用四氢化硼幸lIf H1)还原剂的还原反应进行了研究． 2 实验部分 · 20 · (=)6 i、7 迟 淑 兰 Zl 反应 2．1．1 催化 还原 Raney镍 催 化 剂 是 将 3g Raney镍 合 金 i =1：1光谱纯或化学纯)粉末 放人 20％ 的氢氧 化钾水溶液 (100cm3)中扩展 浊(60℃ )后用去离子 水充分洗涤清除氧氧化钾成分而制得的． 图 l为实验装置简 图．玻璃翩 的反 应 器容 积 约为 ~0c1．n2．反应 中不断供给蓄存於 U形管 中的氢 气，在磁力搅拌器搅拌 下调 节到规定 温度 进行 反 应。其质 L一谷氨酸r一酰肼的初期浓度为0．0~aol, 反应溶液与 100ml在反应系统中添加氢氧化钾或乙 酸，观察其对催化还原反应 的影响．每隔规定时间 取样．滤去催化剂后进行分析． a：磁化搅拌嚣 c：盟度计 e：水压计 b：热水浴 d：反应嚣 氢气 圈 l 实验装置 《化学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师>>3／l994(总第4l期) 维普资讯 http://www.cqvip.com 1．2 使 用iS．．碌剥 进行还 原 在三角烧杯 中取 0．5tool的基质永溶液 ll，加 入规定摩尔的还原剂 (四氧化硼钠或四氢化硼锂)， 在规定温度磁力搅拌器搅拌下进行反应．每隔规定 时间取样，加入稀盐酸分解还原剂，停止反应进行分 析．反应混合物的分折是栗用氨基酸 自动分析仪或 高压液相色谱仪(HPLC)进行的． z2 分析 所用氨基酸 自动分析仪为柴田化学公司翩造 的 AA一6C0型．在柱 (∞ ．5mm ×50on吼 )中填充 力多齐 -y夕夏A一4．在柱温 3o℃下尉 pH一3．25的柠檬酸钠 缓冲液 (O．2aloINa )扩展。 流动相的漉速为 6cm m， 根据(永合)茚满三酮 比色法检出 基质 L一谷氨酸 r一酰肼强烈地吸附於离子交换树脂上没溶解出来 HPLc是使用日本分光公司割造的 880一Pu或 或 875～UV．采用Inertsil ODS桂(1 ．(1iln~× 5omrn 气相色谱工业公司制)，以磷酸缓冲滚(pH--2．9)扩 展．淹动相的流量为 lml／min，在 波长 210或 254n坩 下测量吸光度．内标 物采用 L一酪 氨酸或 D—oc一 苯基乙氨酸． 试费嘻 ‘ 基 质试剂 L一谷氨 酸 r一酰肼 SIGMA 构 入 的)；L一谷 氨 酰胺 L一谷 氨 酸、L—j鸯孽氨 酸 和 L一酪 氮 鳗 (和 光 纯 乐 公 司 谢 造 的 特 级 品)． DL-焦谷氨酸和 D—d一苯基乙氨酸 (东京化 成公 司制造的特级品)． 3 结果与讨论 1 反应液 值的影响 为了研究反应液 pI-I值 的影 响．首先 以去离子 东 H=7 为溶剂在 3o℃ 下进行催化还原(图 2)试 100 基质：0．0_~-aol 加 KOH=0,pH：7 温度 ：30℃ 催化剂：3g 图2 夏廖时同对水溶液倦化还原反应的影响 《化学工程师>>3／l994(总第4l期) 验，生成物只有谷氨酰胺和焦谷 氨 经过反应 8h 后前者收率为 51％，后者收率与 5％．环状焦谷氨酸 的生成是根据如式 (1)所示，是 由 a一氨萋 向羰基核 心撞击而产生的。 — CHz H2G一 2 I I H N} 卜 C=O CH一(X)OH O=C C=H—COOH 4 5 ⋯ 为 了提高谷氨酰胺 收率，有必要在控制副反应 的同时提高倦化剂的活性．因此，向反应溶液中添 加氢氧化钾使其呈碱性，在 与图2同样条件下进行 还原(图 3)．当pH调到 13(KOH 为 0．1mo1)时谷氨 酰胺的收率增加到 56％．而焦谷氨酸 收率则呈横 向 变化几乎是一定的，对其并无显著影 响．并在 DH 为 l3时也末生成谷氨酸，可知基质的酰肼并末发生 水解。但当pH提高到 13．8时却看不见谷氨酰胺的 生成，而生成了大量 的焦谷氨酸和谷氮酸 ．这是因 为高浓度的碱能促进基质的环化反应和水解反应． 氢氧化钾浓度 (n的1) pH 基质：0．05tool 温度：3o℃ 反应时问：8h 催化蔺：3g 图 3 氢氧化钾添加量对催化还原的影响 另一方面，向反 应液 中添加 乙酸 可 以控 式 (1)而 生成 的焦谷 氨酸，但 同 时 也降 低 了谷 氨 酰 胺的收率。‘侧如：在乙酸浓度为 2tool,温度 20℃ ，还 原 后谷氨酰胺收率为 23％，未发现焦谷氨酸的生 成。而且，反应后的溶液呈碱性时为无色，但乙酸存 在时呈绿色，认为生成 了镍的 乙酸盐．添加磷 酸也 与乙酸存在时的情形完全一样．由以上结果可知作 为还原反应的溶剂应以碱性为宜． 3．2 反宝温度的影响 因为过高的碱性可能使生成的谷氨酰胺 引起外 消旋化，认为最适宜的碱性的pH为ll左右，并且探讨 了反应温度的影响．图 4示 出温度在 40℃ 时反应 时间对还原反应 的影响。反应 8ll后可得到收率 约 ． 21． 维普资讯 http://www.cqvip.com 8o％ 的谷氨酰胺。实际上还原反应 即已结束． 基质：0．05tool 沮度：40℃ 加 KOH：0．001tool pH=11 倦化，l鼍：3g 圈 4 在氯氯化钾水溶液(pH：l1)中反应 对催化反应影响 图 5为反应 的反应温度对生成 物收率的影 响关系图．还原反应 (生成谷氨酰胺)也具有 比环化 反应(生成焦谷氨酸)更高的温度依 赖性，在高温 区 域对谷氨酰胺的生成 是有利 的．饲 如，温 度在 5o ℃时谷氨酰胺收率高达81％。而焦谷酸收率为 l7％， 其 两者之 和为 98％．可 见该反 应几 乎是 完 全 的． 谷氨酰胺的收率从 4o℃ 左 右已达到基本满意 的程 100 5o 喇 {L ∞ 3o 40 50 基质：O．05tool 溶液的pH=11 反应时间 Bh 催比剂 _3窖 圈 5 反应温度对谷氯酰胺收宰的影响 度，为避免在高温下，谷氨酰胺环化成焦谷 氨酸，认 为最适宜的反应温度为 5o℃ 左右．本研究把基质 物悬浮于乙醇溶液 中在煮沸 (3IDrrlin)下，用 Raney镍 进行催化处理，{白I得收率为 58％ 的 L一谷氨酰胺Il】． 又如下所述，本研究中在 pH为ll，温度 50℃ ，反应时 同为 8l1的条 件下 收率 可达 81％．基 质物 谷氨 酸 r一酰肼与生成物谷氨酰胺共热时容易环化，变成具 有焦谷氨酸的性质．因此，在较低温度 (5o℃ )下 使其反应时，既能够控{白I上述的环化反应。又 能得到 高收率的谷氨酰胺．然而，因本研究是 长时同在碱 性溶液 中进行反应，有无外 消旋作 用以及程 度 如 何，还有待于今后进一步深入探讨． ． ． 3．3 R蛐e3，镍催化剂量的影响 图6示出了改变催化剂量，在pH为ll，温度 4o℃ 下还原 融的结果．催化剂量在 2g时谷氨酰胺的收 率较低，而在 3窖以上时收率几乎稳定在 80％，可见 该反应系中加入 3 g催化剂就足够了． 基质：0．05tool 沮度：40℃ 溶液 pH=ll 反应时闯 8h 圈 6 催化 量对谷氯t胺收事的影响 3．4 使用还原剂的还原法 本研究 以电解还原 L～谷氨酸 r一酰肼合成 了 收率为 8o％ 的五元高丝氨酸( 一羟基戊氨酸嘲，)并 得到了副产物脯氨酸f，】．尽 管其 质量物是 完 全相 同，但因采用不同的还原法却生成各不相同的氨基 酸 ． 因此，为与催化还原法比较。使甩四氢化 硼钠等 还原剂 观察 了酰肼 的还原 情况．首先 改 变 还原 剂／基质的摩尔比．在 5℃ 的水溶液中使其反应 6Il，生 成物为脯氨酸，谷氨酰胺和少量焦谷氨酸．随着摩 尔比的增加发现则仅降低 了脯氨酸的收率。而谷氨酰 胺的收率有所增加的趋势．当在摩尔比为 2时脯 氨 酸生成了 l3％。谷氨酰胺生成了 l1％，而摩尔比为6-4 时前者生成了 l1％。后者为生成 了 24％。不过在 5 ℃ 时反应本身是缓慢的．摩尔 比为 Z使其在 较高 温度(65℃)下反应时，得到图7所示的结果．此时 脯氨酸的生成特别显著，而谷氨酰胺的收率稍有降低． h 基质：0．05tool NaBHJ基质 =20 温度：65℃ 圈7 采用四氯化■钠。进行还原反应时 反应时阃对还原反应的影响 《化学工程师>>3／l994(总第 4l期 ) 维普资讯 http://www.cqvip.com - 1 i ． 继续教育 ． ， ，谰 ． ，研 ， 蓖麻油的进—步深度开发 和利 用 THE 丌 rI 匝取 DEVE工o=Pl E AND UTⅡ忍 AT ON OF C S1oR oⅡ 我国有较大的非农耕 土地，特别是东北地 区在 很大范围内可以种植蓖麻．我国的蓖麻子产量居世 界第三位，是蓖麻子油出口国之一． 蓖麻子油是天然 的脂肪酸三甘油脂，是唯一以 羟基馥为主的油脂，主要成分为蓖麻酸(12-羟基 - 9-十八 碳烯 酸 )．它是 一 种重要 的 工 业 原 料 油，在工业上有许多 特殊用途，有极高 的利用价值。 在不同的裂解条件下可得到癸二酸、2一辛醇、十一 烯酸、庚醛等产品，继续深加工可傲为生产聚酰胺工 程塑料；尼龙一1010、尼龙 一610、尼龙 一l1，合成香料 的单体；经磺化可得 土耳其红油；脱水、皂化后 的蓖 麻油又可广泛用于防护涂料。金 表面处理工业。 蓖麻油或蓖麻酸甲酯的裂解早在 1877年，即被 Bumy等人发现．由于其裂辫产物十一烯酸．庚醛可 用做合成香料的中问体，随之十一烯酸，癸二酸又被 用于生产工程塑料。所 以在现有的少量 的工业化生 王世 滨 产基础上其生 规模正在不断发J ． ． 目前，国内上海，石家庄等地 已有了年处理 蓖麻 油 100t左右的小规模生 产装 置。产 品有庚 萑．十一 烯酸，主要用于嗣药及香料工业．黑龙江省 的龙江 县油酪厂，吉林省黑水镇油酪厂，天津 中和化工厂等 也相继建起了一定规模的生产装置．如龙江县油醢 一 厂年 产蓖麻 油 lo00t，自己 可处理 50ot、产 品 有 癸二酸、仲辛醇．蓖麻油的深加工工作在我国已经展 现了一个良好发展的势态．但同时也应看到 由于我 们在这方面的科研工作起步较 晚，开发力度 与国外 相 比还存在着一定的差距． 1 蓖麻油的裂解 蓖麻油或蓖麻酸 甲醇，在不同的条件下裂解可 以得到不同的产品．对此。国内外的许多学者和科研 人员已傲过大量的研究与探索工作。其反应过程蚵下： 图8示出反应温度变化范围在 5～ 80℃ 时，温 度对产物组成-髟哺的研究结果。随着反应温度的增 高，腑氨酸和焦谷氮酸的收率有所增加，但谷氨酰胺 的收率却 稍 有 降 低 的 倾 向。在 温 度 8o℃ 时脯 氨酸收率最高，反应 6}1后可达 75％。 基质：0．GSmol NaBHd基质 =∞ 反应时间：6h 圈 8 反应温度对产韵组成的影响 作为反应 中问体脯氨 酸的生成是经由谷 氨酸 y一半醛和△一吡略啉5一羧酸后得到的。在 谷氨酸 y一半醛环化之前被还原时则应生成五元高 丝氨酸，由此可知本还原反 应是依 照与电解还原法 相同的机理进行的。 其次在与图 7同样条件下也 试验了比四氢化锄 ((化学工程师>>3／1994(总第 4l期 ) 钠还原力更强 的四氢化硼锂 mH．)的还原 反应． 不过与四氢化硼钠的情 况相 比，各生成物 的收率几 乎没有变化。从以上结果可知，使用类似 四氢化硼 钠还原剂的还原法主要生成物为脯氨酸，作为谷氨 酰胺的合成法是不适宜的． 4 结束语 ． 试验了以 呦 镍粉末为催化剂，在常压下催 化 还原 L一谷 氨 酸 一酰肼，来 合 成 谷 氨 酰 胺． 镍倦化剂的碱性反应液中显示出很高的活 性，在pH为ll，温度为50℃，反应弛的条件4~-F谷氨 酰胺的收率可高达 81％．焦谷氨酸的收率为 l7％． 另外指出了使用四氢化硼钠还原法主要生成物 为脯 氨酸，作为谷氨酰胺的合成法是不适宜的。 参 考 文 献 1 R．M．Gipson。F．H．Pe~tit，C G．Skinn~．，W．shiye： J．Ors．them 1963；28：1425 2 宫本益雄，川松率，条 原正和，上农义雄药学杂识。 1961；81：439 3 目仙谷良男，松罔学，电气化学，1987：55 - 23 - 维普资讯 http://www.cqvip.com