氨基酸的消旋研究_何

1、收稿日期:2005-03-28作者簡介:何佺,女(1968-,碩士研究生,副教授,研究方向為手性化學(xué)。E -m ail :h equ an68sina .co 基金項目:寧波市青年科學(xué)基金2003A62006氨基酸的消旋研究何佺1,蔣嵐1,張亞靜1,彭陽峰2(1.寧波工程學(xué)院,寧波315016;2.華東理工大學(xué)化工學(xué)院,上海200237;摘要:在純乙酸溶劑中,以乙酸酐酰化消旋酪氨酸,消旋溫度為90,L -酪氨酸和乙酸酐的摩爾比為12,每消旋1g L -酪氨酸時,溶劑乙酸的用量為5m L ,效果較好。同樣的方法應(yīng)用于L -脯氨酸,L -蘇氨酸,L -纈氨酸,L -賴氨酸,L -半胱氨酸等氨基酸,

2、消旋率均可達到100%。關(guān)鍵詞:消旋;氨基酸;乙酸酐中圖分類號:O 621文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8376(200503-0055-03手性是自然界的一種屬性,構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸也具有手性特征,通常有L 和D 兩種構(gòu)型。構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸是L 構(gòu)型,通常稱為天然氨基酸。在自然界中,氨基酸的消旋現(xiàn)象普遍存在,通常都是自然過程,消旋速度很慢。例如通過化石中氨基酸的消旋作用的研究可以判定化石的年代,海岸線沉積物中氨基酸的消旋作用用來判定海岸線的變遷,隕石中氨基酸的存在和消旋作用可用來推斷地球外有無生命的存在。另外,在日常生活中,含氨基酸食品的加工、儲運中要采取一切可能的措施抑制氨基酸的消旋

3、。過去對氨基酸的消旋研究僅限于此。近年來,隨著對生命科學(xué)和手性藥物的發(fā)展的深入研究,科學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)非天然氨基酸(即D 型氨基酸在生命活動和藥物制備中具有L -氨基酸所不能替代的作用,以D 型氨基酸作為手性源合成的一系列手性藥物具有特殊的治療功效1。因此D 氨基酸的制備技術(shù)研究成為熱點,拆分外消旋體DL -氨基酸是制備D 型氨基酸的重要方法之一,而DL 氨基酸一般通過L -氨基酸消旋得到。即使對直接化學(xué)合成的DL 氨基酸進行拆分,理論上也只能獲取占外消旋體一半量的D -型氨基酸,為了提高原料的利用率,拆分后的L 型對映體也必須經(jīng)過消旋循環(huán)利用。此外若能在拆分過程同時對L 構(gòu)型實現(xiàn)消旋,即消旋拆分

4、一體化,那么無疑會大大提高產(chǎn)品收率,簡化工藝過程,從而獲得可觀的經(jīng)濟效益。以上的D 氨基酸的制備過程都涉及氨基酸的消旋研究,因此探討和開發(fā)快速、方便、實用的氨基酸消旋技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。目前氨基酸的消旋技術(shù)主要有25以下幾種方法:1.高溫高壓條件下消旋;2.在強酸或強堿存在下和水共熱消旋;3.有機酸中醛催化消旋;4.酶法消旋。但目前的一些氨基酸消旋工藝具有反應(yīng)能耗較高,操作條件苛刻,氨基酸容易分解,消旋速率較低等不足。以醛作催化劑在有機酸中進行消旋反應(yīng),是較為實用的工藝,脯氨酸、丙氨酸、亮氨酸等均可完全消旋,但是酪氨酸等其它氨基酸很難百分之百消旋,并且由于水楊醛等加入,產(chǎn)品顏色較黃。本文借

5、鑒有機酸的消旋方法6,采用純乙酸溶劑中加乙酸酐的方法,對氨基酸進行消旋實驗,消旋率可達100%,并考察了溫度、乙酸酐用量對消旋過程的影響。研究表明該消旋方法對L -酪氨酸、L -脯氨酸、L -蘇氨酸、L -苯丙氨酸、L -纈氨酸、L -賴氨酸、L -半胱氨酸等氨基酸,具有非常好的消旋效果。1實驗部分1.1實驗試劑及儀器L -酪氨酸,L -脯氨酸,L -蘇氨酸,L -苯丙氨酸、L -纈氨酸,L -賴氨酸,L -半胱氨酸,由上海東岳生物工程公司提供,一級品。乙酸,乙酸酐等試劑均為分析純或化學(xué)純。主要分析儀器為WZZ -1S 型數(shù)字式自動旋光儀,上海物理光學(xué)儀器廠生產(chǎn)。1.2酪氨酸的消旋實驗過程在普

6、通帶有攪拌裝置的250m L 的三口燒瓶中,加入20g L -1酪氨酸,加入100m L 乙酸和22mL 乙酸酐,攪拌,油浴加熱,溫度100。記錄加熱的初始時間,待體系澄清后,取10mL 樣品,用去離子氨基酸和生物資源2005,27(3:5557Am i no Acids &B i oti c R es ources水稀釋到25m L,測此時的旋光值。此后每隔一段時間間隔,同樣方法取樣,測旋光值,直至其為0,記錄消旋時間。1.3蘇氨酸的消旋實驗過程在普通帶有攪拌裝置的250mL的三口燒瓶中,加入10.7g L-1蘇氨酸,加入50m L乙酸和18m L 乙酸酐,攪拌,油浴加熱,溫度100

7、。記錄加熱的初始時間,待體系澄清后,取10m L樣品,用去離子水稀釋到25m L,測此時的旋光值。此后每隔一段時間間隔,同樣方法取樣,測旋光值,直至其為0,記錄消旋時間。其它氨基酸消旋實驗過程同酪氨酸。2結(jié)果與討論2.1溫度對酪氨酸消旋的影響溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速度的敏感因素。對于消旋反應(yīng),溫度升高會加快消旋反應(yīng)的速度,加之酪氨酸形成酸酐的過程是吸熱反應(yīng),因此溫度高有利于反應(yīng),消旋時間隨反應(yīng)溫度升高而縮短。但是溫度太高,氨基酸及其酰化物都容易分解,所以溫度并非越高越好,必須綜合考慮,對于酪氨酸,消旋溫度90較為適宜。溫度對消旋速率的影響見下表1:表1反應(yīng)溫度對消旋的影響實驗編號溫度/L-酪氨酸乙

8、酸酐/m ol L-1全溶澄清時間/m i n完全消旋所需時間/m in 1110123030210012406039012609048012801402.2乙酸酐用量對酪氨酸消旋的影響根據(jù)Neuberger提出的氨基酸消旋機理及文獻7,作者認(rèn)為酪氨酸首先在乙酸酐的作用下發(fā)生?；磻?yīng),進一步生成N-乙酰酪氨酸酐,因此消旋過程中乙酸酐的用量對消旋過程有著相當(dāng)大的影響。乙酸酐用量對酪氨酸消旋的影響見表2。表2酪氨酸和乙酸酐摩爾比對消旋的影響L-酪氨酸乙酸酐/m ol L-1溫度/消旋時間/m in11.28014h后,仍未完全消旋11.48060011.68022011.88016012.0801

9、4012.58012013.08090乙酸酐是一種較強的?；瘎?從理論上講,乙酸酐的用量不能少于L-酪氨酸的摩爾數(shù),否則乙?；磻?yīng)不完全,從而影響消旋。一般的?；^程采用乙酸酐過量5%10%,但由實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)乙酸酐和L-酪氨酸的摩爾比大于1.4后,方可使L-酪氨酸100%消旋,且隨著乙酸酐用量的增加,達到完全消旋的時間迅速減少,乙酸酐的用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)?；^程中酸酐的用量。這一實驗現(xiàn)象可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特點得到解釋,酪氨酸分子的苯環(huán)上有一個對羥基,在N酰化的同時,也會發(fā)生O酰化。此外,酰化酪氨酸酐的形成也需要乙酸酐的作用,因此乙酸酐必須大大過量,才能在較短時間內(nèi)實現(xiàn)消旋。2.3其它氨基酸的消旋

10、根據(jù)酪氨酸的消旋實驗結(jié)果,針對L-酪氨酸, L-脯氨酸,L-蘇氨酸,L苯丙氨酸、L-纈氨酸,L -賴氨酸,L-半胱氨酸,考察了溫度及乙酸酐用量對氨基酸消旋速率的影響,結(jié)果見表3。表3其它氨基酸的消旋實驗結(jié)果氨基酸種類消旋溫度/氨基酸乙酸酐/m ol L-1完全消旋所需時間/m i n L-脯氨酸80121201001260 L-蘇氨酸8012(不完全消旋1001380 L-纈氨酸801277901232 L-賴氨酸100131248012(不完全消旋 L苯丙氨酸9011.260122010012(不完全消旋L-半胱氨酸10013130表3的實驗結(jié)果表明,采用在純乙酸中加入乙酸酐的?；姆椒?/p>

11、,對實驗中涉及的6種氨基酸均獲得滿意的消旋效果。實驗中發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)氨基酸很容易溶解在乙酸中(除酪氨酸溶解時間較長,并在12h完成100%消旋。對各種氨基酸來說,溫度的影響是一致的,即溫度越高,消旋速度越快,但必須考慮高溫下氨基酸的穩(wěn)定性問題,確?；厥障陌被岵蛔冃?因此溫度不能太高。56何佺等:氨基酸的消旋研究研究發(fā)現(xiàn),在消旋過程中,乙酸酐的用量是關(guān)鍵而又敏感的問題。L -脯氨酸、L -纈氨酸、L 苯丙氨酸在氨基酸與乙酸酐摩爾比12下能實現(xiàn)快速消旋。而其它幾種氨基酸在同樣的溫度下,乙酸酐的用量還需大大增加。從氨基酸的結(jié)構(gòu)分析,L -蘇氨酸、L -半胱氨酸分別有一個羥基,一個巰基,這兩個基團

12、在反應(yīng)中要消耗乙酸酐(酸酐的醇解,必然會使發(fā)生N -?；磻?yīng)的酸酐比例減少,因此消耗的乙酸酐較多,在氨基酸與乙酸酐摩爾比12下無法完成消旋,乙酸酐必須過量至13才完全消旋。L -賴氨酸的結(jié)構(gòu)中有另外一個氨基,這個氨基在乙酸中也會被?；倪^多的酸酐。因此酸酐的用量與氨基酸結(jié)構(gòu)的特點息息相關(guān)。各種氨基酸的結(jié)構(gòu)如下:3結(jié)論對于L -酪氨酸、L -脯氨酸、L -蘇氨酸、L -纈氨酸等本文涉及的氨基酸,可采用純乙酸溶劑中乙酸酐酰化的方法進行消旋反應(yīng),消旋率可達100%,消旋速率與溫度、乙酸酐用量及氨基酸結(jié)構(gòu)等相關(guān)。該消旋方法具有消旋速度快、乙酸溶劑可以回收利用、適合工業(yè)化應(yīng)用等優(yōu)點。參考文獻1D

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16、-feng2(1.N ingbo Un iversity of Technol o gy ,N ingbo 315016,Ch ina ;2.College of Che m icalEngineering ,EC UST ,Shanghai 200237,Ch ina Abst ract :Race m iza ti o n pr ocesses o f a m ino ac i d s such as tyrosine ,proline ,a lanine ,phenyla laine ,vali n e ,t h r eonine e tc .i n pure acetic aci d

17、so l v en tw it h ace tic anhyd ride we r e investiga ted .The experi m en tal result indicated t h atm ost a m ino ac i d s cou ld be race m ized co m ple t e l y in pure acetic ac i d so lvent in the pr esence of ace tic an -hydride .The race m ization rate w as influenced by te m pera t u re ,t h e m ola r ratio of a m ino acid to ace tic anhydride and a m ino acid str uctures .Tak