α-酮戊二酸的制备
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α-酮戊二酸的制备
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一、研究背景...............................04
二、合成方法...............................05
三、实验部分...............................08
四、数据分析...............................10
无水乙醇与金属钠在 加热回流条件下制备 乙醇钠，用甲苯除去 多余乙醇 加乙醚溶解乙醇钠后， 再依次加入草酸二乙酯 与丁二酸二乙酯，放置 12h
草酰琥珀酸三乙酯用 浓盐酸酸化后，加水 回流4h，减压蒸馏
用乙醚萃取，合并水 层后加浓盐酸酸化， 收集油层合并，用无 水硫酸钠干燥
蒸馏至无馏分为止，趁热 将剩余物倒入蒸发皿，冷 却结晶得到产品α-酮戊二 酸
二、合成方法 目前，α-酮戊二酸的主要合成方法有微生物发酵 法[5-6]和化学合成法。合成α-酮酸的传统方法有以下 几种[7]： 酰基氰化物水解法：
草酸类乙酯水解法：
以α-叠氮苯乙酸类为起始原料的反应：
N-溴-α-氰基胺类化合物为起始原料的反应：
本次实验通过Claisen酯缩合方法合成草酰丁二 酸三乙酯。首先，丁二酸二乙酯在乙醇钠的作用下失 去α 氢，生成烯醇负离子，烯醇负离子对草酸二乙酯 发生亲核加成，在消除乙氧负离子生成草酰丁二酸三 乙酯钠盐，然后再盐酸酸化作用下，得到草酰丁二酸 三乙酯。以草酰丁二酸三乙酯为原料，在酸性条件下 回流，按负离子机理，草酰丁二酸三乙酯发生脱羧反 应生成α -酮戊二酸。
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五、影响因素讨论…...................13
六、小结 …………........................14
七、参考文献..............................15
一、研究背景 α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)是三羧酸循环 (TCA循环)的重要中间代谢产物之一，也是重要的有 机合成中间体。 • 参与氨基酸、糖类、蛋白质以及脂肪代谢等重要生 理过程。 • 在微生物细胞的碳氮代谢调控中起着重要作用。 • 由于α-酮戊二酸在细胞代谢上的重要性，其被广泛 应用于医药、饲料和食品等领域。 • 由于α-KG特殊的化学性质，被广泛用于化学合成行 业。
七、参考文献
[1] Wolfe AJ. The acetate switch[J]. MicrobiolMolBiol Rev, 2005, 69(1): 12−50. [2] 许传芹.α-酮戊二酸对酒精性肝病的干预作用及其相关机制研究[D].杭 州：浙江大学，2012. [3] 梁楠.光滑球拟酵母内乙酰辅酶A水平调控对其碳代谢流的影响[D].无 锡：江南大学，2008. [4] Simpson KJ, Venkatesan S, Peters TJ. Effect of chronic alcohol feeding with a low-fat diet on acetyl-CoA carboxylase and fatty-acid synthase activities in rat-liver[J]. BiochemSoc Trans, 1989, 17(6): 1116. [5] Chernyavskaya O G, Shishkanova NV,Il'chenkoA P, etal. Synthesis ofa-ketoglutaric acid by Yarrowialipolyticayeastgrown on ethanol[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2000, 53(2): 152−158. [6] LiuL,Hossain G S, Shin H, etal. One-step production of alphaketoglutaric acid from glutamic acid with an engineered L-amino acid deaminase from Proteus mirabilis[J]. Journal Of Biotechnology, 2013, 164 (1):97-104.
注：第二次实验草酰琥珀酸三乙酯产量按含杂质20％计算
2、红外图谱分析
草酰琥珀酸三乙酯红外吸收光谱
160 140 120 100
透过率T/%
பைடு நூலகம்3456
2360 860
80 60 40 20 0 -20 4000
2981 1373 1030 1176 1257 1736
3000
2000
1000
波 数/cm-1
-酮戊二酸红外吸收光谱
100
640
80
2357
1092 1408 1207
透过率T/%
60
40
3433 1728
20
0 4000 3000 2000 1000
波 数/cm-1
五、影响因素讨论
实验药品用量
乙醇用量 酸用量
温度控制
乙醇钠的制备 蒸除乙醚 减压蒸除水
无水处理
仪器无水处理 试剂无水处理
时间控制
Claisen酯缩合 酸化回流脱羧
六、小结 基于两次实验，对实验方案提出如下建议： 1. 钠的摩尔量不能高于丁二酸二乙酯和草酸二乙酯，且制 备醇钠的后期可适当提高反应温度缩短反应时间；
2. 蒸除乙醇时要到后期在滴加甲苯，这样可以节省甲苯；
3. 中间产物乙醚溶液进行乙醚蒸除时，应先常压蒸除大部 分乙醚后在进行减压蒸馏除去剩余的乙醚和乙醇； 4. 草酰丁二酸三乙酯在酸性条件下进行水解脱羧时，要加 上剧烈搅拌； 5. α-酮戊二酸水溶液减压蒸除水时外界加热温度不能高于 120℃。
四、数据分析
1、产率计算
表1 实验用量
实验次数 1 2 钠 2.3g 2.3g 草酸二乙酯 13.7mL 13.7mL 丁二酸二乙 酯 17.0mL 16.9mL 第二步中间 产物用量 18.0g 25.0g
表2 产率计算
产物 草酰琥珀酸三乙酯 α-酮戊二酸 12.0 理论产量/g 1 2 27.4 10.7 实验产量/g 1 2 19.6 5.50 24.5 8.92 实验产率/％ 1 2 71.5 45.8 89.4 83.4
[7] 祝馨怡,苏桂琴,张伟强等.α-酮酸、α-酮酸酯及α-酮酰胺的合成进展 [J]. 合成化学,2001, (05): 390-396. [8] 向纪明.α-酮酸的应用及合成研究进展[J]. 安康学院学报,2011, (05): 1-5+9. [9] 姚映钦. 有机化学实验（第三版）[M].武汉：武汉理工大学出版社， 2011.
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三、实验部分 （1）实验药品 金属钠2.3g（0.1mol）;草酸二乙酯14.6g(13.7ml); 丁二酸二乙酯17.4g（16.9ml）;无水乙醇（35.6ml）;无 水乙醚（65ml）;无水甲苯；乙醚；浓盐酸；无水硫酸钠；
（2）仪器及设备 设备：红外光谱仪 装置图：
X-4显微熔点仪
（3）实验步骤
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一、研究背景...............................04
二、合成方法...............................05
三、实验部分...............................08
四、数据分析...............................10
无水乙醇与金属钠在 加热回流条件下制备 乙醇钠，用甲苯除去 多余乙醇 加乙醚溶解乙醇钠后， 再依次加入草酸二乙酯 与丁二酸二乙酯，放置 12h
草酰琥珀酸三乙酯用 浓盐酸酸化后，加水 回流4h，减压蒸馏
用乙醚萃取，合并水 层后加浓盐酸酸化， 收集油层合并，用无 水硫酸钠干燥
蒸馏至无馏分为止，趁热 将剩余物倒入蒸发皿，冷 却结晶得到产品α-酮戊二 酸
二、合成方法 目前，α-酮戊二酸的主要合成方法有微生物发酵 法[5-6]和化学合成法。合成α-酮酸的传统方法有以下 几种[7]： 酰基氰化物水解法：
草酸类乙酯水解法：
以α-叠氮苯乙酸类为起始原料的反应：
N-溴-α-氰基胺类化合物为起始原料的反应：
本次实验通过Claisen酯缩合方法合成草酰丁二 酸三乙酯。首先，丁二酸二乙酯在乙醇钠的作用下失 去α 氢，生成烯醇负离子，烯醇负离子对草酸二乙酯 发生亲核加成，在消除乙氧负离子生成草酰丁二酸三 乙酯钠盐，然后再盐酸酸化作用下，得到草酰丁二酸 三乙酯。以草酰丁二酸三乙酯为原料，在酸性条件下 回流，按负离子机理，草酰丁二酸三乙酯发生脱羧反 应生成α -酮戊二酸。
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五、影响因素讨论…...................13
六、小结 …………........................14
七、参考文献..............................15
一、研究背景 α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)是三羧酸循环 (TCA循环)的重要中间代谢产物之一，也是重要的有 机合成中间体。 • 参与氨基酸、糖类、蛋白质以及脂肪代谢等重要生 理过程。 • 在微生物细胞的碳氮代谢调控中起着重要作用。 • 由于α-酮戊二酸在细胞代谢上的重要性，其被广泛 应用于医药、饲料和食品等领域。 • 由于α-KG特殊的化学性质，被广泛用于化学合成行 业。
七、参考文献
[1] Wolfe AJ. The acetate switch[J]. MicrobiolMolBiol Rev, 2005, 69(1): 12−50. [2] 许传芹.α-酮戊二酸对酒精性肝病的干预作用及其相关机制研究[D].杭 州：浙江大学，2012. [3] 梁楠.光滑球拟酵母内乙酰辅酶A水平调控对其碳代谢流的影响[D].无 锡：江南大学，2008. [4] Simpson KJ, Venkatesan S, Peters TJ. Effect of chronic alcohol feeding with a low-fat diet on acetyl-CoA carboxylase and fatty-acid synthase activities in rat-liver[J]. BiochemSoc Trans, 1989, 17(6): 1116. [5] Chernyavskaya O G, Shishkanova NV,Il'chenkoA P, etal. Synthesis ofa-ketoglutaric acid by Yarrowialipolyticayeastgrown on ethanol[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2000, 53(2): 152−158. [6] LiuL,Hossain G S, Shin H, etal. One-step production of alphaketoglutaric acid from glutamic acid with an engineered L-amino acid deaminase from Proteus mirabilis[J]. Journal Of Biotechnology, 2013, 164 (1):97-104.
注：第二次实验草酰琥珀酸三乙酯产量按含杂质20％计算
2、红外图谱分析
草酰琥珀酸三乙酯红外吸收光谱
160 140 120 100
透过率T/%
பைடு நூலகம்3456
2360 860
80 60 40 20 0 -20 4000
2981 1373 1030 1176 1257 1736
3000
2000
1000
波 数/cm-1
-酮戊二酸红外吸收光谱
100
640
80
2357
1092 1408 1207
透过率T/%
60
40
3433 1728
20
0 4000 3000 2000 1000
波 数/cm-1
五、影响因素讨论
实验药品用量
乙醇用量 酸用量
温度控制
乙醇钠的制备 蒸除乙醚 减压蒸除水
无水处理
仪器无水处理 试剂无水处理
时间控制
Claisen酯缩合 酸化回流脱羧
六、小结 基于两次实验，对实验方案提出如下建议： 1. 钠的摩尔量不能高于丁二酸二乙酯和草酸二乙酯，且制 备醇钠的后期可适当提高反应温度缩短反应时间；
2. 蒸除乙醇时要到后期在滴加甲苯，这样可以节省甲苯；
3. 中间产物乙醚溶液进行乙醚蒸除时，应先常压蒸除大部 分乙醚后在进行减压蒸馏除去剩余的乙醚和乙醇； 4. 草酰丁二酸三乙酯在酸性条件下进行水解脱羧时，要加 上剧烈搅拌； 5. α-酮戊二酸水溶液减压蒸除水时外界加热温度不能高于 120℃。
四、数据分析
1、产率计算
表1 实验用量
实验次数 1 2 钠 2.3g 2.3g 草酸二乙酯 13.7mL 13.7mL 丁二酸二乙 酯 17.0mL 16.9mL 第二步中间 产物用量 18.0g 25.0g
表2 产率计算
产物 草酰琥珀酸三乙酯 α-酮戊二酸 12.0 理论产量/g 1 2 27.4 10.7 实验产量/g 1 2 19.6 5.50 24.5 8.92 实验产率/％ 1 2 71.5 45.8 89.4 83.4
[7] 祝馨怡,苏桂琴,张伟强等.α-酮酸、α-酮酸酯及α-酮酰胺的合成进展 [J]. 合成化学,2001, (05): 390-396. [8] 向纪明.α-酮酸的应用及合成研究进展[J]. 安康学院学报,2011, (05): 1-5+9. [9] 姚映钦. 有机化学实验（第三版）[M].武汉：武汉理工大学出版社， 2011.
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三、实验部分 （1）实验药品 金属钠2.3g（0.1mol）;草酸二乙酯14.6g(13.7ml); 丁二酸二乙酯17.4g（16.9ml）;无水乙醇（35.6ml）;无 水乙醚（65ml）;无水甲苯；乙醚；浓盐酸；无水硫酸钠；
（2）仪器及设备 设备：红外光谱仪 装置图：
X-4显微熔点仪
（3）实验步骤