L-5-羟基色氨酸化学合成可行性研究
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L-5-羟基色氨酸化学合成可行性研究
一合成原理
由于色氨酸环2位带负电荷时破坏了苯环共轭结构,而3位带负电荷时不破坏苯环共轭结构,因此亲电取代反应先在3位进行,当3位被取代时在2位进行,当2位被取代时在苯环5位进行。(见有机化学-色氨酸相关内容)
据以上原理,先用磺酸基占据2位。虽然2-磺酸色氨酸钠受热和在水溶液中不稳定,容易被还原。但由于2-磺酸色氨酸钠被分离出来时是以H2O·2-磺酸色氨酸钠形式存在的,稳定性大大增强。通过延长搅拌时间、减少乙醇用量、加大水体积和缓慢加入亚硫酸氢钠可以提高2-磺酸色氨酸钠的收率。加磺酸基反应为可逆反应(见有机化学-苯环亲电取代相关内容)。
随后的乙酰化反应目的是降低苯环反应活性。苯环由于形成了共轭结构,电子云密度大,而吲哚环上的N与苯环进一步共轭,使苯环更容易发生亲电取代反应,加成和氧化反应不容易进行。(见有机化学-苯环亲电取代、苯胺相关内容)。在进行硝基取代时,如果苯环反应活性高,容易发生除5位外其他位置的取代反应,为降低反应活性,有必要将N乙酰化降低反应活性。酸和碱加热后都可以去掉乙酰基(见有机化学-苯胺相关内容)。
在接下来5位的硝化反应中,按目前4种常规的硝化反应进行5位硝化,得到的收率仅为40%。Crivello报道的硝化反应失败的原因可能是1-乙酰2-磺酸色氨酸钠在反应溶剂中的溶解度不高所致。用发烟硝酸和冰醋酸进行1-乙酰2-磺酸色氨酸钠的硝化被证明确实可行。
在氨基化反应中,在碱性条件下的聚合反应可以防止富含电子的2位和3位发生二聚化和三聚化反应。次硫酸钠(又名:连二亚硫酸钠或保险粉)为强还原剂,作漂白用,在水或酸性溶液中燃烧,溶于碱溶液起还原作用。
之后进行重氮化-水解反应得到L-5-羟基色氨酸。
二重氮化-水解反应的讨论
①硫酸的用量
在重氮化反应中,硫酸的作用是:一方面,1mol硫酸与胺反应形成可溶性盐,另外1mol 硫酸与亚硝酸钠反应生成亚硝酸;另一方面,由于重氮盐不稳定易分解,只有在酸溶液中才稳定,若酸量不足,生成的重氮盐容易与未反应的方胺耦合,生成重氮氨基化合物。所以硫酸浓度一般为40%,氨基化合物:硫酸摩尔比为1:3。
②重氮化反应温度
一般的化学反应都随温度的升高而加速,升高温度也可提高重氮化反应的速率,但重氮盐不稳定,温度升高的同时也加速了重氮盐的分解速度,且分解速度大于重氮化反应的速度,故传统的重氮化反应一般在低温0-5℃进行。但在此温度下,铵盐会以细泥沙状晶体析出,不易搅拌,使反应不充分,影响收率,且亚硝酸溶液很难加进,使反应时间长,增加成本,故反应温度一般为10-15℃。在此温度下,一般不影响收率,节约成本。
③亚硝酸钠用量和加入方式
有反应方程式可知,亚硝酸钠理论用量为1mol,但从动力学方面来看,亚硝酸钠应该过量,以促进化学平衡向生成重氮盐方向移动,若亚硝酸钠太过量,不仅会导致重氮盐分解,还会发生耦合反应,从而使收率降低,故亚硝酸钠的用量要适当。氨基化合物:亚硝酸钠摩尔比为1:1.01。亚硝酸钠溶液一般为35%,因为在此浓度下,即使-15℃也不会结冰。
此外,硫酸铵盐和亚硝酸钠的反应速度比较快,而且反应过程中放出大量的热,所以两种原料一旦混合将快速反应并释放热量。所以实验一般是将氨基化合物溶于硫酸中,再滴加亚硝酸钠。滴加速度为120ml/min。
④重氮化反应终点判断与处理
由于亚硝酸可置换出碘,当重氮化反应结束亚硝酸钠过量时,反应液用淀粉-KI试纸测试时,置换出的碘可与淀粉反应呈蓝色。加少许尿素反应掉过量的亚硝酸钠,尿素加入量也可用试纸控制。
⑤水解时硫酸浓度
由于重氮盐正离子是一个弱的亲电试剂,遇到富电子的酚和胺容易发生耦合反应,生成偶氮化合物,而在强酸性条件下,可减少此类反应的发生,但太高浓度的硫酸在高温下又具有一定的氧化性,而产物酚中又含有较容易被氧化的羟基基团,故酸的浓度一般选定为40%。
为了减少其他亲核试剂的干扰,重氮化反应在硫酸中进行,因为HSO4-离子的亲核性比水分子或氯离子弱,不会与水竞争芳基碳正离子(见有机化学-芳基重氮盐相关内容)。
⑥水解时温度
水解反应中温度是一个至关重要的因素,若温度太高,能耗随之增加,温度太低,水解不完全、反应慢,致使大量的重氮盐和生成的酚滞留在反应液中,使副反应增加。水解温度一般为120-130℃
三理论技术方案
①2-磺酸-L-色氨酸钠·H2O的合成(收率97%)
取23.4g亚硫酸氢钠(59% as SO2)溶于80ml水中,得到亚硫酸氢钠水溶液,另外将20.4gL-色氨酸(0.1摩尔)加入到25ml 2mol/L稀盐酸中,得到L-色氨酸酸溶液,将L-色氨酸酸溶液缓慢加入到亚硫酸氢钠水溶液中,加入过程不停的搅拌;
在室温下搅拌20小时后,经过了各种颜色变化后,最后得到了淡黄色的反应液。将反应液抽滤得到厚而浅绿的泥浆状物质,将此泥浆状物质用25ml甲醇洗涤一次,用50ml石油醚洗涤两次,然后风干得到白色固体。
②1-乙酰-2-磺酸-L-色氨酸钠·H2O的合成(收率85%)
取32.5g(0.1摩尔)第一步反应生产的2-磺酸-L-色氨酸钠·H2O,加入到150ml醋酸酐中,加热到70℃后反应2小时,反应时不停搅拌。然后升温到90℃维持0.5小时,这时可见泥浆状物质慢慢变薄,颜色也变为淡褐色。然后将反应液冷却到20℃,抽滤,滤饼用40ml 石油醚洗三次,风干过夜,得到白色固体粉末。
③5-硝基-L-色氨酸的合成(收率90%)
取36.8g(0.1摩尔)第二步反应生产的1-乙酰-2-磺酸-L-色氨酸钠·H2O溶解于200ml 冰醋酸中,不停搅拌,冷却至12-15℃。然后滴加19ml(90%,0.24摩尔)发烟硝酸,滴加时间控制在1小时以上,温度控制在12-15℃。再分批加入250ml水、150g碎冰和160g固体氢氧化钠,加入过程中让温度缓慢上升到65-70℃。搅拌20小时,黄色的泥浆状物质明显变厚。收集泥浆状物质,用20ml冰水清洗2次,干燥得到黄色固体。
④5-氨基-L-色氨酸的合成(收率75%)
取8.1g(0.05摩尔)5-硝基-L-色氨酸,溶解于0.5N氢氧化钠溶液400ml,不停搅拌,得到5-硝基L-色氨酸碱溶液。另取43.5g(0.25摩尔)次硫酸钠加入到200ml1N氢氧化钠溶液中,得到次硫酸钠碱液。将次硫酸钠碱液逐滴加入到5-硝基L-色氨酸碱液中,滴加时间要超过15分钟,然后在80℃搅拌反应24小时。反应完毕趁热过滤,浓缩、放冷析出结晶后过滤,干燥得到3.3g淡紫色固体,熔点128-130℃。滤液用100ml石油醚萃取三次,浓缩烘干得到1.7g紫色结晶,熔点129-132℃。
⑤L-5-羟基色氨酸的合成(收率60%)
向带有温度计、回流冷凝管、搅拌装置、恒压滴液装置的250ml广口烧瓶中加入75g40%的硫酸,搅拌下加入22.02g(0.1mol)5-氨基-L-色氨酸(此处加入重量要重新考虑,因为可能是钠盐),使之完全溶解。
把上述所得溶液,用冰水降至15℃以下,慢慢滴加6.97g(0.101mol)亚硝酸钠,不