L-5-羟基色氨酸化学合成可行性研究

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