N-苄氧羰基-L-精氨酸的制备

背景及概述^[1.2]

N-苄氧羰基-L-精氨酸是重要的医药中间体，L-精氨酸与苄氧羰基氯在碱性作用下进行亲核反应合成多肽中间体 N-苄氧羰基-L-精氨酸，此合成路线简单，引入了相转移催化剂和缚酸剂后产品收率和品质都有较大的提升和改善。

L-精氨酸的结构特征

L-精氨酸具有胍基、羧基和氨基，这些官能团使其在生理生化功能上展现了非常重要和多元化的作用，同时也是精氨酸衍生化的化学结构基础。其中，胍基是一种碱性基团，易于水解，可被取代，其中的碳氮双键有一定的还原性，可被氧化；羧基是一种弱酸性基团，可与游离氨基发生酰胺反应，也可脱离生成二氧化碳；氨基是一个高活性、易被氧化的手性碱性基团，可参与酰胺类物质和酮的生成以及消旋反应。此外，L-精氨酸主链碳原子不活泼，但其上氢原子可被羟基取代。

制备

L-精氨酸的生产方法

L-精氨酸 (L-arginine, L-Arg) 是一种碱性半必需氨基酸，于 1886 年从羽扇豆幼苗中发现，其在动植物体内具有重要的生理活性 (促进肝功能恢复、减缓血栓形成、减轻神经衰弱、促进伤口恢复等)，在化工、食品和医药等领域有着广泛的应用。

目前，L-精氨酸的生产途径包括化学提取法和微生物发酵法。化学提取法主要是指利用精细化工的手段，从包括自然资源及有机废液的蛋白质产物中直接提取 L-精氨酸，主要包括沉淀法、电渗析法和离子交换法，是早期生产 L-精氨酸所采用的主流方法。微生物发酵法以其环境友好、生产条件温和和生产过程稳定的优势，逐渐在 L-精氨酸的生产中占据主导地位。特别是通过传统菌株筛选、代谢工程改造及生物反应器发酵过程优化等手段，微生物发酵法生产 L-精氨酸在过去几十年里取得了长足的进展，为 L-精氨酸的高值化生产提供了坚实的基础。生产 L-精氨酸的常用菌株有钝齿棒杆菌 Corynebacterium crenatum、黄色短杆菌Brevibacterium flavum 和 谷 氨 酸 棒 杆 菌Corynebacterium glutamicum 等。

N-苄氧羰基-L-精氨酸的合成

L-精氨酸与苄氧羰基氯在碱性作用下进行亲核反应合成多肽中间体 N-苄氧羰基-L-精氨酸。其合成反应式见下图。

图1 N-苄氧羰基-L-精氨酸的合成反应式

将 L-精氨酸 26. 25 g(0. 25 mol)、4 mol/L 氢氧化钠溶液 62. 5 mL(0. 25 mol)加入装有机械搅拌、温度计、酸度计、滴加瓶的500 mL 四口烧瓶中，在冷阱中开启搅拌，使精氨酸和氢氧化钠反应完全，向四口烧瓶中加入 2.7 g 四丁基硫酸氢铵和 50 mL 水搅拌使相转移催化剂溶解，0 ℃ 以下缓慢滴加苄氧羰基氯 42. 5 mL(0. 3 mol)，后期不断滴加 pH =9 的硼酸缓冲溶液调节 pH 保持在 9 左右。苄氧羰基氯滴完后将温度升至15 ℃，继续搅拌反应3 h，TLC 检测反应完全。用乙醚洗涤(2 ×20 mL)，醚层弃去。不断搅拌下缓慢滴加 6 mol/L 盐酸，调节水相 pH =2，继续搅拌 20 min，析出白色固体。乙酸乙酯萃取(3×30 mL)，分出乙酸乙酯有机层。用质量分数为5%氯化钠溶液和水洗至中性，无水硫酸钠干燥，旋蒸除乙酸乙酯，得油状液体。置于冰箱冷冻过夜，油状液体析出大量白色固体，加入大量石油醚，搅拌得白色粉末状固体。抽滤，用石油醚洗涤、干燥，得N-苄氧羰基-L-精氨酸 55. 56 g。

结果与讨论

1 N-苄氧羰基-L-精氨酸合成的正交实验

以不同条件下 N-苄氧羰基-L-精氨酸的收率为基准，采用正交实验方法进行分析研究。实验组反应时间都为3 h。选择主要因素为反应温度(A)、pH(B)、n(L-精氨酸)∶n(氯甲酸苄酯)(C)、相转移催化剂(D)，进行了四因素三水平的正交实验，结果可知，4 个影响 N-苄氧羰基-L-精氨酸合成的因素中反应温度对合成的影响最为明显，适宜的反应条件是反应温度 15 ℃，pH =9，n(L-精氨酸)∶n(氯甲酸苄酯)=1∶1. 2，相转移催化剂添加 2.7 g，在此条件下制备N-苄氧羰基-L-精氨酸。

2 相转移催化剂对 N-苄氧羰基-L-精氨酸收率的影响

L-精氨酸钠盐与苄氧羰基氯的反应属于两相反应，四丁基硫酸氢铵作为相转移催化剂的机理是携带苄氧羰基氯由有机相进入无机相，四丁基硫酸氢铵起类似载体作用。生成的 N-苄氧羰基-L-精氨酸又进入有机相使反应更彻底，因此，在正交实验中添加了相转移催化剂作为一个影响因素考察了其对 N-苄氧羰基-L-精氨酸收率的影响。添加相转移催化剂的实验组中 N-苄氧羰基-L-精氨酸收率要高于未添加相转移催化剂的实验组的收率，由此可见，添加相转移催化剂可以明显促进反应的进行。

3 缚酸剂对 N-苄氧羰基-L-精氨酸苄酯收率的影响

N-苄氧羰基-L-精氨酸与溴化苄的反应为亲核取代，选择 DMF 作为反应溶剂，因反应生成大量的氢溴酸，加入缚酸剂可以及时除去氢溴酸促使反应向正向反应进行。分别考察了在无缚酸剂、碳酸氢钠、碳酸钾、氢氧化钠、吡啶、三乙胺作为缚酸剂条件下对 N-苄氧羰基-L-精氨酸苄酯产率的影响，结果可以看出，使用有机碱的效果要远远好于无机碱，这可能是与有机碱溶剂在 DMF 中呈均相而无机碱不溶于 DMF 呈非均相体系有关。另外，三乙胺也可以作为催化剂起到催化溴化苄与 N-苄氧羰基-L-精氨酸合成的作用。两种有机碱的缚酸效果为:三乙胺 ＞ 吡啶，推测有机碱的碱性大小起关键作用。所以最终根据实验结果选择三乙胺作为 N-苄氧羰基-L-精氨酸苄酯合成的缚酸剂。

参考文献

[1]李德江，龙德清，付和清． 相转移催化合成肉桂酸苄酯的研究[J].香料香精化妆品，2004，3(1):12 －15．

[2]黄继红, 王新春, 王华南, 等. L-精氨酸高产菌株的选育. 氨基酸和生物资源, 2005, 27(3): 46–48.