L-焦谷氨酸的用途与生产工艺

L-焦谷氨酸(L-Pyroglutamic acid)，又称L-2-吡咯烷酮-5-羧酸，CAS号：98-79-3。它是一种由羧基和酮氧原子相连而成的杂环氨基酸，熔点162-163℃，溶于水、醇、丙酮和冰醋酸，微溶于乙酸乙酯，不溶于醚。L-焦谷氨酸结构中含有一个手性碳的五元含氮杂环，是一个带双功能团的化合物，具有旋光性:[α]_D= -11.5°(H2O)。

L-焦谷氨酸的用途

L-焦谷氨酸是最重要的化学中间体之一，其广泛应用于医药卫生、食品、化妆品以及农业等领域。研究表明：人的大脑和脑脊液里含有大量焦谷氨酸，能够加强大脑左右半球之间的信息交流，有助于提升记忆力。L-焦谷氨酸对ACHE、BCHE和Bacel酶具有抑制活性，这些酶能减少胆碱能神经传递，而胆碱能神经传递在阿尔茨海默病相关的认知损害中起着重要作用，故L-焦谷氨酸有预防阿尔兹海默病的效果。

L-焦谷氨酸可以用于合成许多重要的不对称的物质(如：生物碱和氨基酸)或有机中间体。近年来，人们利用L焦谷氨酸作为手性源合成了许多生物碱手性化合物。如：Ueno和Oppolzer合成了在神经系统中有较强传递活性的红藻氨酸。Keusenkothen等利用不对称自由基环化选择性地合成了Pyrrolizidine衍生物。1922年，Fleurant等报道了以L-焦谷氨酸为手性源选择性的合成了Indolizidine生物碱。1989年，Ikota首先以L-焦谷氨酸为手性源不对称合成了哌啶生物碱。另外，Jain等合成了有限定构象的双环哌嗪。L-焦谷氨酸为手性源合成的Pryrolidine生物碱存在于植物中，其药理性质包括肝细胞毒影响、诱变及癌变。1979年，Saijo报道了以L-焦谷氨酸为手性源合成了11-脱氧-8-氮杂前列腺素E1的4种非对映异构体，11-脱氧-8-氮杂PEG1具有抑制胃酸分泌液和支气管扩张的生物活性。

L-焦谷氨酸的衍生物也是重要的工业产品。L-焦谷氨酸钠是一种仿生化合物，与控制皮肤分泌水分的化合物结构类似，其本身是人体皮肤的天然保湿因子(NMF)的重要组成部分，保湿能力大于目前常用的保湿剂如甘油、丙二醇和山梨醇等。由于其良好的生理活性、皮肤相容性以及安全性，同时还具有一定的美白和抗皱作用，所以也广泛应用于化妆品行业。将L-焦谷氨酸衍生物作为手性助剂可以合成一系列物质，如赵刚等通过将L焦谷氨酸酯化，还原形成的5-羟甲基2-吡咯烷酮作为手性助剂进一步合成了仿生杀虫剂光学活性二氯代拟除虫菊酸。1984年，Ikota等以L焦谷氨酸为原料经过酯化，还原，醚化得到甲氧甲醇醚，并且以此为手性源合成了顺式和反式的β-内酰氨，进一步得到光学纯苯基丙氨酸衍生物。2006年，郭甫成等以L-焦谷氨酸和无水乙胺为原料，吡啶作为均相体系合成L-茶氨酸。

L-焦谷氨酸的生产工艺

L-焦谷氨酸用途广泛，有较高的商业价值，成为近年来的研究热点。国内外报道的合成L-焦谷氨酸的方法有很多，而我国L谷氨酸/L-谷氨酸钠产量较大且价格低廉，故合成L-焦谷氨酸的方法多是以L-谷氨酸或者L谷氨酸钠为原料。其工艺路线如下：

微生物发酵法

殷昕以L-谷氨酸为原料，经过微生物产碱杆菌素催化缩合得到L-焦谷氨酸，在温度为50℃、pH=7.4的条件下，向L-谷氨酸水溶液中加入0.2g/L的粉末产碱杆菌素和5×10~5mol/L的氯化锌溶液反应60 min，转化率达95%。另外，从各种产碱杆菌和假单胞菌培养分离得到一种焦谷氨酸酶，这种酶对谷氨酸脱水环化和焦谷氨酸的开环水解具有双重的活性。微生物发酵法可以通过改变反应条件(如微生物产碱杆菌素的纯度)制备出纯度较高的L-焦谷氨酸。

湿法热解法

湿法热解是在一定温度下，将适量的谷氨酸或者谷氨酸钠加入到一定的蒸馏水中，搅拌一段时间生成L-焦谷氨酸。崔志敏等以谷氨酸钠为原料，先将其溶解在水溶液中，180℃下恒温反应2h，得到淡黄色熔融物；然后加水溶解，趁热过滤，蒸发，干燥后得L-焦谷氨酸钠，条件下产率可达87.5%。杨晓玲等以谷氨酸钠为原料，在硅油和催化剂的存在下，180℃脱水环化反应2.5h，然后加水溶解得油水混合溶液，L-焦谷氨酸钠水溶液产物在下层。谷氨酸钠转化率96.7%，酸化后L-焦谷氨酸产率达83.5%。L-谷氨酸水溶液加热回流过夜得L-焦谷氨酸溶液(转化率85%-86%)，利用阴离子交换树脂除去没有参与反应的L-谷氨酸。

干法热解法

L-谷氨酸直接加热熔融，150°C下分解生成L-焦谷氨酸，反应物溶于水得L-焦谷氨酸水溶液，蒸发浓缩得无色棱形结晶。李群等采用干热法以L-谷氨酸钠为原料制备L-焦谷氨酸钠，同时对该合成的工艺条件进行了优化，转化率达96%。毛允萍等以L-谷氨酸钠为原料制备L-焦谷氨酸钠，在氮气保护下缓慢冷却结晶，收率可达95%。

参考文献

张葱. L-焦谷氨酸的合成及分离体系固液平衡的研究[D]. 郑州大学, 2021, 1-4.