CN105037060A - 一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其具体包括如下步骤：(1)将取代的α-氨基腈或取代的海因类化合物在水或醇水混合溶剂中,加入氨水/二氧化碳、碳酸铵、碳酸氢铵中的一种或两种以上，加热反应；(2)反应结束后，蒸馏回收剩余的碳酸铵、碳酸氢铵或氨水，蒸馏剩余物在醇溶剂中结晶，得到α-氨基酸类化合物。本发明所提供的工艺操作简单，实现物料的循环利用，三废量极少，是真正意义的应该大力倡导的清洁工艺，得到的α-氨基酸类化合物收率高，纯度好，本发明方法普遍适用于多种α-氨基酸类化合物的合成。
Description
技术领域
本发明涉及一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺。
背景技术
在α-碳上连接氨基的羧酸称为α-氨基酸,α-氨基酸是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质。α-氨基酸类化合物广泛应用于食品、医药、农药、日化等行业。目前氨基酸的主要合成方法主要有微生物发酵法、化学合成法和酶催化合成法。
α-氨基酸类化合物最主要的化学合成方法为从醛和酮为起始原料的氨基腈法或海因法（分别为反应式4和5），氨基腈或海因水解得到α-氨基酸。氨基腈或海因水解通常在强酸或强碱性条件下进行，强酸或强碱的用量一般在反应底物的3~5当量。利用氨基酸在等电点溶解性最差的原理，后处理加入大量的碱或酸调节氨基酸的等电点分离得到产品。该过程中不仅使用大量的酸碱，中和后形成大量的废盐，而且不是对所有的氨基酸均适用，如水溶性大的氨基酸，后处理很难分离得到高纯度的产品。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其适用于多种氨基酸的合成,对水溶性好的和水溶性差的氨基酸均适用。能通过简单结晶分离得到高品质的氨基酸产品，无废盐排放,实现了物料的循环利用和清洁生产。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其具体包括如下步骤：
(1)将取代的α-氨基腈或取代的海因类化合物在水或醇水混合溶剂中，加入氨水/二氧化碳、碳酸铵和碳酸氢铵中的一种或两种以上，加热反应；
(2)反应结束后，蒸馏回收剩余的碳酸铵、碳酸氢铵或氨水，蒸馏剩余物在醇溶剂中结晶，得到α-氨基酸类化合物，反应式见式（1）：
其中，R选自如下取代基：
其中，R1，R2分别独立的选自H、C1-C6的直链烷基或支链烷基；R2也可以是NH4,n=1、2、3、4或5。
作为本发明进一步的改进，所述取代的α-氨基腈的制备方法如下：
由相对应的醛或酮和氰化铵反应制得，反应式见式（2），所述氰化铵可由氰化氢与氨水和碳酸铵混合物反应制得,也可由氰化钠和氯化铵反应制得；
。
所述取代的海因类化合物的制备方法如下：
以相对应的醛或酮和氰化铵与物料A进行加热反应制得，所述物料A选自氨水/二氧化碳、碳酸铵和碳酸氢铵中的一种或两种以上，所述取代的海因类化合物中含有1-30%的α-氨基腈，反应式见式（3）
所述物料A的加入量以选择的氨水/二氧化碳、碳酸铵和碳酸氢铵中氨计为取代的α-氨基腈或取代的海因类化合物的1到10倍摩尔量，加入氰化铵的量为取代的α-氨基腈或取代的海因类化合物的1到2倍当量。
作为本发明进一步的改进，所述步骤(1)的加热反应温度控制在90~260℃,反应压力在1.0MPa到10.0MPa，优选温度为140~170℃，优选压力为4.0MPa到7.0Mpa。
作为本发明进一步的改进，取代的α-氨基腈和海因类化合物的制备中的加热温度为20~130℃,反应压力在0.1MPa到7.0MPa，取代的α-氨基腈和海因类化合物的制备反应(反应2和3)和水解反应(反应1)是在同一反应器中进行,中间体无需分离纯化,合成α-氨基腈和海因类类化合物的反应温度在较低温度下进行,升高温度就可完成水解,大大简化了反应流程。
作为本发明进一步的改进，所述醇水混合溶剂中醇选自C1~C4的醇，优选甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丁醇,异丁醇和叔丁醇，醇在水中的重量含量为1-40%,优选5-20%。
作为本发明进一步的改进，反应可加入催化剂，所述催化剂为季铵盐类和季膦盐类催化剂或分子量300~3000的聚乙二醇，季铵盐类和季膦盐类催化剂选自四烷基氯化铵，三乙基苄基氯化铵，以及四烷基氯化膦、三乙基苄基氯化膦，所述烷基选自C1~C16的链烃，所述催化剂用量为底物重量的0.5~10%。
作为本发明进一步的改进，步骤(2)中的醇溶剂选自甲醇，乙醇和丙醇中的一种或两种及以上。
作为本发明进一步的改进，所述步骤(2)中蒸出的未反应的的碳酸铵或碳酸氢铵及氨水可再用于水解反应。
本发明中氨水/二氧化碳、碳酸铵和碳酸氢铵中的一种或两种以上，可以通过如下形式实现：
a.仅加入氨水和二氧化碳；
b.仅加入碳酸铵；
c.仅加入碳酸氢铵；
d.混合加入碳酸氢铵和氨水；
e.混合加入碳酸铵和二氧化碳；
f.混合加入碳酸铵和氨水和二氧化碳；
g.混合加入碳酸氢铵和氨水和二氧化碳；
h.混合加入碳酸铵和碳酸氢铵；
i.混合加入碳酸氢铵和碳酸铵和氨水和二氧化碳。
以上，加入方式并非穷举，只要能完成本发明，实现发明目的，均视为本申请技术特征的等同替换。
与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：
一般取代的α-氨基腈或取代的海因在强碱性条件下水解，再利用氨基酸在等电点溶解性最差的原理，后处理加入大量的酸调节氨基酸的等电点分离得到产品。该过程中不仅使用大量的酸和碱，中和后形成大量的废盐，而且不是对所有的氨基酸均适用，尤其如水溶性大的氨基酸，后处理很难分离得到高纯度的产品。
本发明采用直接从醛或酮开始,开始加入氰化铵,氨水,碳酸铵,碳酸氢铵或它们的混合物,或再通入二氧化碳来方便制备取代的α-氨基腈或取代的海因。α-氨基腈或取代的海因经水解得到α-氨基酸。利用碳酸铵或碳酸氢铵可以蒸馏脱除而回收的原理，先分离除去氨水,碳酸铵和碳酸氢铵。再用溶媒进行重结晶的方法分离得到高纯度的产品。
本发明反应可在有催化剂或无催化剂条件下进行，所用催化剂为季铵盐类和季膦盐类催化剂或分子量300~3000的聚乙二醇，催化剂的加入，提高了反应的速度和收率，可使反应能顺利进行，并得到较理想的收率。
本发明工艺操作简单，实现物料的循环利用，三废量极少，是真正意义的应该大力倡导的清洁工艺，得到的α-氨基酸类化合物收率高，纯度好，本发明方法普遍适用于多种α-氨基酸类化合物的合成。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行进一步详细的叙述。
室施案例1：2-氨基-4-甲硫基丁酸的合成
1L高压釜内加入2-氨基-4-甲硫基丁腈65g（0.5mol），加入碳酸氢铵237g（3mol），聚乙二醇(1000)2g，水300g，加热至150-180oC，压力5~8MPa，反应5h，常压蒸出碳酸氢铵后减压浓缩，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，真空120oC干燥4h得2-氨基-4-甲硫基丁酸62.6g，纯度96%，收率84.0%。
实施案例2：2-氨基-3-(4-咪唑基)丙酸的合成
1L高压釜内加入5-[(4-咪唑基)甲基]海因90g（0.5mol），加入碳酸铵240g（2.5mol），水300g，加热至150-170oC，压力5~8MPa，反应5h，常压蒸出碳酸铵后减压蒸出水，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，真空120oC干燥4h得2-氨基-3-(4-咪唑基)丙酸62.0g，纯度96%，收率80.0%。
实施案例3：2-氨基-3-(4-咪唑基)丙酸的合成
1L高压釜内加入5-[(4-咪唑基)甲基]海因90g（0.5mol），加入碳酸氢铵197.5g（3mol），20%氨水溶液170g（2mol），三乙基苄基氯化铵3g，水200g，加热至150-170oC，压力5~7MPa，反应4h，常压蒸出碳酸氢铵和氨水，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，真空120oC干燥4h得2-氨基-3-(4-咪唑基)丙酸62.7g，纯度97%，收率80.9%。
实施案例4：2-氨基-3-(4-咪唑基)丙酸的合成
1L高压釜内加入5-[(4-咪唑基)甲基]海因90g（0.5mol），加入255g20%氨水（3mol），三乙基苄基氯化铵3g，水300g，加热至150-170oC，压力5~8MPa，反应4h，降至室温，母液减压浓缩，残余物加入150g乙醇中回流2h，降温，有晶体析出。过滤，真空120oC干燥4h得2-氨基-3-(4-咪唑基)丙酸53.5g，纯度96%，收率69.0%。
实施案例5：2-氨基-3-羟基丁酸的合成
1L高压釜内加入5-（1-羟基乙基）海因72g（0.5mol），加入碳酸氢铵237g（3mol），四丁基氯化铵2g，水300g，正丁醇50mL，加热至150-170oC，压力5~8MPa，反应4h，蒸出碳酸氢铵和水，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，滤饼真空120oC干燥4h得2-氨基-3-羟基丁酸52.4g，纯度96%，收率88.0%。
实施案例6：2-氨基-3-羟基丁酸的合成
1L高压釜内加入2-羟基-丙醛37g（0.5mol），加入20%氰化铵溶液121g（0.55mol），碳酸氢铵273g（3mol），水300g，加热至90-110oC，压力1~3MPa，反应2h，升温至150-170oC，压力5~8MPa，反应5h，蒸出碳酸氢铵和水，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，滤饼真空120oC干燥4h得2-氨基-3-羟基丁酸50.1g，纯度98%，收率84.2%。
实施案例7：2-氨基-3-羟基丙酸的合成
1L高压釜内加入2-羟基-乙醛30g（0.5mol），加入20%氰化铵溶液121g（0.55mol），碳酸铵288g（3mol），水300g，加热至90-110oC，压力1~3MPa，反应2h，升温至150-170oC，压力5~8MPa，反应5h，蒸出碳酸铵和水，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，滤饼真空120oC干燥4h得2-氨基-3-羟基丙酸44.6g，纯度96%，收率85.0%。
实施案例8：2-氨基-4-[羟基(甲基)膦酰基]丁酸铵的合成
1L高压釜内加入2-氨基-4-[羟基(甲基)膦酰基]丁腈81g（0.5mol），碳酸氢铵273g（3mol），四丁基氯化铵2g，水300g，加热至150-170oC，压力5~8MPa，反应5h，蒸出碳酸氢铵和水，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，滤饼真空120oC干燥4h得2-氨基-4-[羟基(甲基)膦酰基]丁酸铵85.1g，纯度96%，收率86.0%。
实施案例9：2-氨基-4-[羟基(甲基)膦酰基]丁酸铵的合成
1L高压釜内加入3-[羟基(甲基)膦酰基]丙醛68g（0.5mol），加入20%氰化铵溶液121g（0.55mol），碳酸氢铵273g（3mol），水300g，加热至90-110oC，压力1~3MPa，反应2h，升温至150-170oC，压力5~8MPa，反应5h，蒸出碳酸氢铵和水，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，滤饼真空120oC干燥4h得2-氨基-4-[羟基(甲基)膦酰基]丁酸铵83.4g，纯度98%，收率84.2%。
实施案例10：1-氨基-4-甲氧基环己烷甲酸的合成
1L高压釜内加入4-甲氧基环己酮64g（0.5mol），，加入20%氰化铵溶液121g（0.55mol），碳酸氢铵273g（3mol），水300g，加热至90-110oC，压力1~3MPa，反应2h，升温至150-180oC，压力5~8MPa，反应5h，蒸出碳酸氢铵和水，残余物加入150g甲醇回流2h，降温，有晶体析出。过滤，滤饼真空120oC干燥4h得(1-氨基-4-甲氧基环己基)-甲酸71.4g，纯度97%，收率82.5%。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，其具体包括如下步骤：
(1)将取代的α-氨基腈或取代的海因类化合物在水或醇水混合溶剂中，加入氨水/二氧化碳、碳酸铵和碳酸氢铵中的一种或两种以上，加热反应；
(2)反应结束后，蒸馏回收剩余的碳酸铵、碳酸氢铵或氨水，蒸馏剩余物在醇溶剂中结晶，得到α-氨基酸类化合物，反应式见式（1）：
其中，R选自如下取代基：
其中，R1，R2分别独立的选自H、C1-C6的直链烷基或支链烷基；R2也可以是NH4，n=1、2、3、4或5。
2.根据权利要求1所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，
所述取代的α-氨基腈的制备方法如下：
由相对应的醛或酮和氰化铵反应制得，反应式见式（2），所述氰化铵可由氰化氢与氨水和碳酸铵混合物反应制得,也可由氰化钠和氯化铵反应制得；
；
所述取代的海因类化合物的制备方法如下：
以相对应的醛或酮和氰化铵与物料A进行加热反应制得，所述物料A选自氨水/二氧化碳、碳酸铵和碳酸氢铵中的一种或两种以上，所述取代的海因类化合物中含有1-30%的α-氨基腈，反应式见式（3）
。
3.根据权利要求2所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，所述物料A的加入量以氨水/二氧化碳、碳酸铵和碳酸氢铵中氨计为取代的α-氨基腈或取代的海因类化合物的1到10倍摩尔量。
4.根据权利要求1所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，所述步骤(1)的加热反应温度控制在90~260℃,反应压力在1.0MPa到10.0MPa，优选温度为140~180℃，优选压力为4.0MPa到7.0MPa。
5.根据权利要求2或3所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，所述取代的α-氨基腈和取代的海因类化合物的制备中的加热温度为20~130℃,反应压力在0.1MPa到7.0MPa。
6.根据权利要求2或3所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，所述取代的α-氨基腈和取代的海因类化合物的制备反应和步骤(1)的水解反应是在同一反应器同一溶剂中进行,中间体无需分离纯化。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，所述醇水混合溶剂中醇选自C1~C4的醇，优选甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丁醇,异丁醇和叔丁醇，醇在水中的重量含量为1-40%,优选5-20%。
8.根据权利要求1所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，反应可加入催化剂，所述催化剂为季铵盐类和季膦盐类催化剂或分子量300~3000的聚乙二醇，季铵盐类和季膦盐类催化剂选自四烷基氯化铵，三乙基苄基氯化铵，以及四烷基氯化膦、三乙基苄基氯化膦，所述烷基选自C1~C16的链烃，所述催化剂用量为底物重量的0.5~10%。
9.根据权利要求1-3任一项所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，步骤(2)中的醇溶剂选自甲醇，乙醇和丙醇中的一种或两种及以上。
10.根据权利要求1-3任一项所述的一种α-氨基酸类化合物的清洁合成工艺，其特征在于，所述步骤(2)中蒸出的碳酸铵或碳酸氢铵及氨水可再用于水解反应。
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Application publication date: 20151111 |