DL-缬氨酸的应用与合成

介绍

氨基酸是蛋白质生物合成的基石，在无数的工业应用中都有应用，包括人类食品、动物饲料和生物基塑料的前体等。DL-缬氨酸，分子式为C5H11NO2，属于氨基酸的一种，也被称为异亮氨酸或异亮。它是人体蛋白质合成中的必需氨基酸之一。DL-缬氨酸包含了两种结构互为镜像的异构体，即D-异亮氨酸和L-异亮氨酸。D-异亮氨酸主要存在于细菌细胞壁的构成部分，而L-异亮氨酸则是蛋白质中的常见成分。DL-缬氨酸在体内的功能包括参与蛋白质的合成、提供能量以及维持氨基酸平衡。它还被认为对肌肉生长和修复有益，常被运动员和健身爱好者作为补充剂使用。此外，DL-缬氨酸也参与到血红蛋白合成和免疫系统功能中。然而，迄今为止，开发有效的化学方法将丰富的可再生原料转化为氨基酸在很大程度上是不成功的。

图一 DL-缬氨酸

合成

Deng等人[1]报告了一种多相催化剂，可将木质纤维素生物质衍生的α-羟基酸直接高产转化为α-氨基酸，包括丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、天冬氨酸和苯丙氨酸。反应遵循脱氢-还原胺化途径，以脱氢为速率决定步骤。由于生物质衍生的α-羟基酸很容易获得，用氨直接胺化这些酸可能为氨基酸合成提供一种通用方法。尽管均相催化已被证明能成功地从醇中生产伯胺，但可回收的非均相催化剂非常有限，催化剂的功能也不是很清楚。多相催化体系用于将多个α-羟基酸胺化成相应的氨基酸，包括丙氨酸、亮氨酸、天冬氨酸等，产量良好至优异。

机理

在间歇反应器中，乳酸的胺化是在负载在碳纳米管(CNT)和Raney Ni上的几种贵金属纳米颗粒(NPs)上进行的。在碳纳米管上浸渍金属前驱体，然后在673 K的H2/N2(5%)气氛中处，以确保金属完全还原。在493 K、2 h的氨水中乳酸转化催化剂表明，Ru/CNT是最有效的，提供49%的丙氨酸产率。Rh/CNT、Pt/CNT和Raney Ni的丙氨酸产率分别为14%、12%和8%，而Pd/CNT和Ir/ CNT则无活性。负载在其他五种载体上的Ru NPs进一步制备和评估(图B)。丙氨酸产率分布在32%到38%之间的狭窄范围内，与载体的性质无关，即它是酸性还是碱性，是可还原的还是不可还原的，基于碳纳米管载体的催化剂仍然是最有效的。

间接途径包括脱氢生成酮，酮与氨反应生成亚胺，然后加氢，而直接途径(II)涉及-OH基团被-NH2基团SN2取代。如果底物中缺少α-H不影响氨基酸的形成，则反应应通过直接胺化进行;否则，间接路线将占主导地位。我们在各种条件下对α-羟基异丁酸-一种不含α-H的叔醇进行了胺化。在任何试验中都没有观察到氨基酸的形成，这表明α-H是至关重要的，这排除了直接胺化的可能性，即途径二。间接途径涉及脱氢和加氢两个步骤，因此，氢气的浓度会影响反应。生成DL-缬氨酸的机理和生成丙氨酸的机理是一样的。

图二 合成机理

合成DL-缬氨酸先是制备所需的Ru催化剂，然后再进行胺化反应。具体步骤为以下两个：

催化剂的制备：采用湿浸渍法制备了碳纳米管负载的钌纳米颗粒。通常，将碳纳米管加入到RuCl3的水溶液中，然后在室温下搅拌1小时。老化2小时后，在373 K下蒸发水分，固体产物在H2/N2(5%)气体中在673 K下还原1小时。CNT负载的其他金属(如Pd, Pt和Rh)和负载在不同载体上的Ru(如Al2O3, SiO2, CeO2, zr O2和MgO)按照类似的程序制备。Ru(OH)x/CNT采用沉淀法，将稀释的NaOH (0.05 M)溶液缓慢加入到RuCl3和CNT的混合物中，洗涤干燥。所有催化剂的金属负荷量均为~ 3wt %。

反应原料为：0.5 mmol2-羟基-3-甲基-戊酸，50 mg Ru/CNT (Ru负载3 wt %)， 2.5 mL NH3·H2O (25 wt %)，在 1 MPa H2的氛围下, 反应温度为493 K, 反应2 h，得到DL-缬氨酸。

图三 DL-缬氨酸的合成

图四 DL-缬氨酸的制备工艺

参考文献

[1]Weiping D,Yunzhu W,Sui Z, et al. Catalytic amino acid production from biomass-derived intermediates.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2018,115(20).