高 锐，蒋红华，钱 超，陈新志

1.浙江大学化学工程与生物工程学院 浙江省化工高效制造技术重点实验室 浙江 杭州 310027；

2.杭州新德环保科技有限公司，浙江 建德 311604

氯化氢催化法合成氨基酸酯盐酸盐

高 锐1，蒋红华2，钱 超1，陈新志1

1.浙江大学化学工程与生物工程学院 浙江省化工高效制造技术重点实验室 浙江 杭州 310027；

2.杭州新德环保科技有限公司，浙江 建德 311604

以氨基酸与苯甲醇的酯化反应为模型反应，研究了氯化氢催化下的氨基酸酯化工艺。采用1,2-二氯乙烷作为溶剂，共沸蒸馏带出生成的水，以促进酯化反应完成，再经重结晶后得到目标产物氨基酸苄酯盐酸盐。当氨基酸与苯甲醇物质的量之比为1.00∶1.08，反应温度83 ℃，反应时间4～6 h时，收率可达65%左右。此外，在氨基酸与甲醇等低沸点醇进行酯化时，采用醇同时作为反应物和带水剂的方法，提高反应的平衡转化率，并将蒸馏出的醇经过除水处理后重新加入反应体系中，氨基酸酯盐酸盐收率在75%～85%。利用反应-分离耦合技术提高了产物的收率与纯度，缩短了反应时间，减少了原料的用量。

氨基酸 酯化 氯化氢催化 共沸带水

氨基酸酯在医药、化工、农药、食品和化妆品等领域有着非常广泛的应用，其主要合成方法有氯化氢法、氯化亚砜法、浓硫酸法、对甲苯磺酸法以及苯磺酸法。最早的氯化氢催化法是Fischer[1]提出的氨基酸酯化方法。1953年，Sachs等[2]用干燥的氯化氢气体作催化剂，制备了多种氨基酸酯的盐酸盐，并对此工艺进行了改进：将氨基酸溶解在甲醇中，通入氯化氢气体，加热反应数小时后，除去未反应的甲醇，再加入新鲜甲醇进行反应；重复此操作数次，将反应液脱除甲醇和水，得到粗产品，用乙醚或石油醚重结晶，得到氨基酸酯的盐酸盐。然而这一系列工序存在甲醇消耗量大、收率较低、产物提纯较为困难和乙醚难处理回收的问题。1989年，Ajioka等[3]对该工艺作了进一步的改进，采用直接把产物从溶剂甲醇中析出并过滤的方法，降低了甲醇的消耗量。采用此方法合成了苯丙氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和赖氨酸的甲酯盐酸盐，收率在80%左右。同时，Stanley等[4]用该方法制备了高纯度的苯丙氨酸甲酯。陈帆[5]在制备新型手性氨基酸衍生物时制备了丙、缬、亮和异亮氨酸的乙酯，采用在冰水浴的条件下向乙醇中通入 HCl，然后加入氨基酸加热回流，反应结束后蒸出醇，用 Na2CO3溶液中和至 pH值为 8，用乙酸乙酯萃取，无水 Na2SO4干燥，蒸出乙酸乙酯，真空干燥得L-苯丙氨酸乙酯。该合成工艺重现性好、反应周期短、催化剂易得以及产物易分离，有利于工业化生产。但是由于该工艺操作繁琐，并且需要消耗大量的醇，使其应用受到限制。

本工作基于氯化氢催化的酯化反应基础，联想到在制备氨基酸酯盐酸盐的反应过程中进行除水，保持反应体系内较低的水分含量，减少水解副反应，提高酯化反应转化率，并基于改进后的反应工艺条件进行优化。

1 实验部分

1.1 实验装置

氨基酸与苯甲醇酯化反应装置如图1所示。图中，设备3为分水器，它的作用是可以将蒸馏出的液体分层，并通过开关将下层1,2-二氯乙烷流回反应体系。设备4为气球，它的作用是延长氯化氢在反应体系内的停留时间，增大反应体系内氯化氢的浓度。

图1 氨基酸与苯甲醇酯化反应装置Fig.1 Experimental set-up for reaction of amino acids with benzyl alcohol

氨基酸与甲醇或乙醇酯化反应装置如图2所示。图中，设备4为分水器，它的作用是收集蒸馏出的液体，并通过开关将馏出液放出，转移到设备5（除水器）中进行除水，经过除水处理后再通过恒压滴液漏斗将液体重新投入反应体系中。设备3为气球，它的作用与图1中气球相同。

图2 氨基酸与甲醇或乙醇酯化反应装置Fig.2 Experimental set-up for reaction of amino acids with methanol or ethanol

1.2 氨基酸酯盐酸盐的合成

1.2.1 氨基酸与苯甲醇的酯化

将0.1 mol（20.42 g）L-色氨酸与30 mL 1,2-二氯乙烷投入250 mL三口烧瓶中，通入氯化氢（纯度99.99%）气体，室温下反应0.5 h，生成L-色氨酸盐酸盐，保护氨基防止缩合形成肽键；将0.108 mol（11.66 g）苯甲醇加入上述反应混合液中，继续缓慢通入氯化氢；升温至回流，83 ℃下蒸出二氯乙烷和水的共沸物，在分水器中分层，将下层1,2-二氯乙烷重新投入反应体系中，反应4 h完成，冷却至-10 ℃，过滤，滤饼用甲醇重结晶后得到目标产物L-色氨酸苄酯盐酸盐。

当反应物为L-脯氨酸时，将反应时间增长至6 h，其他条件不变。

1.2.2 氨基酸与甲醇或乙醇的酯化

将0.1 mol氨基酸与50 mL甲醇或乙醇投入250 mL三口烧瓶中，通入氯化氢气体，室温下反应0.5 h，生成氨基酸盐酸盐，保护氨基防止缩合形成肽键。继续缓慢通入氯化氢，升温至回流，蒸出甲醇或乙醇与水的共沸物，除去酯化反应生成的水，推动酯化反应进行，并将蒸出的甲醇或乙醇进行除水处理后再投入到反应体系中。反应4 h完成，脱除溶剂后，用甲醇重结晶后得到目标产物。

反应产物表征分析在Bruker公司生产的MX-400型核磁共振仪上进行。

氨基酸酯盐酸盐的合成反应式如下：

不同氨基酸与醇反应物所含官能团如表1所示。

表1 不同氨基酸与醇的官能团种类Table 1 Amino acids and alcohols with different functional groups

2 结果与讨论

2.1 反应条件对氨基酸苄酯盐酸盐合成反应的影响

2.1.1 溶剂的影响

考察环己烷、正己烷、甲苯和1,2-二氯乙烷等溶剂对氨基酸苄酯盐酸盐合成反应的影响，结果如表2所示。由表可看出，以1,2-二氯乙烷为溶剂，两种氨基酸与苯甲醇反应所得到的氨基酸苄酯盐酸盐收率最高。原因可能是相比于其他溶剂，1,2-二氯乙烷对氨基酸盐酸盐的溶解性最好，有利于氯化氢与反应物的接触，增快反应速率，并在回流条件下将反应生成的水带出反应体系，提高反应的平衡转化率和产物的收率，并且反应温度适中。

表2 不同溶剂对氨基酸与苯甲醇酯化反应的影响Table 2 Effect of different solvents on esterification of amino acids with benzyl alcohol

在确定溶剂用量时需考虑后处理的问题，由于氨基酸的量为 0.1 mol，相应反应生成水的量最多为0.1 mol，而1,2-二氯乙烷与水共沸时水的质量分数为19.5%，只要反应体系中水分的含量小于19.5%，就可以有效地将水分带出，所以过多的溶剂并不能更有效地将水分带出，并会造成分离上的困难和经济性的不足。在氨基酸的投料量为0.1 mol的条件下，1,2-二氯乙烷的用量为30 mL时，既可以有效地将水分带出反应体系，又可以很好地溶解氨基酸盐酸盐。

2.1.2 反应随时间的变化

氨基酸苄酯盐酸盐收率随反应时间的变化如图3所示。该反应为可逆反应，随着原料的消耗，反应不可能进行到底，由图3可看出，L-色氨酸与苯甲醇的酯化反应在4 h基本达到平衡，收率为69.8%。L-脯氨酸与苯甲醇的酯化反应在6 h基本达到平衡，收率为64.3%。

图3 氨基酸苄酯盐酸盐的收率随时间的变化Fig.3 The changes of yield of amino acid benzyl ester hydrochloride with reaction time

图4 氨基酸/苯甲醇投料比对氨基酸苄酯盐酸盐收率的影响Fig.4 Effect of different molar ratio of amino acid to benzyl alcohol on yield of amino acid benzyl ester hydrochloride

2.1.3 苯甲醇用量的影响

不同氨基酸与苯甲醇物质的量之比（氨基酸/苯甲醇投料比）对氨基酸苄酯盐酸盐收率的影响结果如图4所示。从图4可知，当苯甲醇的投料量小于氨基酸时，反应收率整体较低，随苯甲醇量增加到氨基酸的 1.08倍时，收率基本不会继续增加，且苯甲醇的沸点较高，分离较为困难，影响产物纯度，综合考虑，氨基酸与苯甲醇物质的量之比为1.00∶1.08时较为合适。

2.2 氨基酸苄酯盐酸盐的产物分析

氨基酸与苯甲醇的物质的量之比为1.00∶1.08时，继续延长反应时间，产物收率没有提高，反而易使氨基酸自身缩合产生副产物。在反应时间为5和6 h的条件下，分别进行苯甲醇与氨基酸物质的量之比大于1.08的实验，发现产物收率没有提高。

综上所述，氨基酸苄酯盐酸盐合成的较优条件为1,2-二氯乙烷为溶剂，氨基酸与苯甲醇的物质的量比为1.00∶1.08，在回流温度（83 ℃）下反应4 h（氨基酸为L-脯氨酸时反应6 h）。在该反应条件下，L-色氨酸苄酯盐酸盐收率为69.8%，L-脯氨酸苄酯盐酸盐收率为64.3%。

L-色氨酸苄酯盐酸盐的1H-NMR和13C-NMR图谱如图5所示。表征数据为1H-NMR(400 MHz,D2O)δ(10-6)：7.60(d，J = 7.8 Hz，2H)；7.45(d，J = 8.0 Hz，2H)；7.21(dd，J = 16.3，8.9 Hz，4H)；7.11(t，J = 7.4 Hz，3H)；4.26(dd，J = 7.0，5.4 Hz，2H)；3.45～3.27 (m，4H)。

13C-NMR(100 MHz, D2O)δ(10-6)：172.08，136.30，126.49，125.35，122.19，119.54，118.22，112.01，106.35，53.41和25.77。根据核磁数据分析可确定，产物为L-色氨酸苄酯盐酸盐。

图5 L-色氨酸苄酯盐酸盐核磁共振图谱Fig.5 Nuclear magnetic resonance spectra of L-tryptophan benzyl ester hydrochloride

图6 L-脯氨酸苄酯盐酸盐核磁共振图谱Fig.6 Nuclear magnetic resonance spectra of L-proline benzyl ester hydrochloride

图6为L-脯氨酸苄酯盐酸盐1H-NMR和13C-NMR图谱。表征数据为1H-NMR(400 MHz，D2O)δ（10-6）：7.39 (s，5H)；5.24(q，J = 12.0 Hz，2H)；4.44(t，J = 7.8 Hz，1H)；3.35(dd，J=13.3，6.7 Hz，2H)，2.36(dd，J = 13.6，6.8 Hz，1H)；2.13～2.04(m，1H)；2.04～1.93(m，2H)。

13C-NMR(100 MHz，D2O)δ(10-6)：169.70，134.63，129.02，128.91，128.56，68.70，59.52，46.26，28.10和23.19。根据核磁数据分析可确定，产物为L-脯氨酸苄酯盐酸盐。

2.3 氨基酸甲酯和乙酯盐酸盐合成

对比氨基酸苄酯盐酸盐的合成，甲醇或乙醇作为反应物时沸点较低，在溶剂带水过程中会先于溶剂带出体系，造成反应体系内原料的流失，不利于酯化反应进行，所以采用甲醇或乙醇带水回流带水的方法，将蒸出的甲醇或乙醇进行分子筛除水处理后，滴加回反应体系中，该方法中甲醇或乙醇的用量为氨基酸的8～12倍，大量的甲醇或乙醇有利于推动酯化反应，且甲醇和乙醇易脱除，不会影响产物的结晶和纯度。因此，较优的反应条件为在甲醇或乙醇的回流温度下，反应4 h，甲醇的用量为氨基酸物质的量的12倍，乙醇的用量为氨基酸物质的量的8倍。该条件下合成了不同种类的氨基酸甲酯或乙酯盐酸盐，产物分析结果如表3所示。由表可看出，产物收率均较高。

表3 较优条件下合成的氨基酸甲酯盐酸盐和氨基酸乙酯盐酸盐Table 3 Esterification of amino acid methyl ester hydrochloride and amino acid ethyl hydrochloride under the appropriate conditions

4 结 论

对利用氯化氢气体作为催化剂的氨基酸酯化方法进行了优化，利用反应-分离耦合技术提高了产物的收率与纯度，缩短了反应时间，减少了原料的用量。在与苯甲醇酯化过程中，利用1,2-二氯乙烷对反应物、产物特殊的溶解性，以及在反应过程中可以将水分带出的特性，将氨基酸苄酯化的收率大大提高。在与甲醇和乙醇酯化过程中，利用甲醇或乙醇既作为反应物又作为带水剂，在反应过程中将水分除去，提高了反应速率和收率。重结晶在低温条件下进行，产物不会发生酯交换反应。经过除水处理还可对1,2-二氯乙烷进行循环利用，对工业化生产具有指导意义。

[1]Fischer E.Ueber die ester der amino sfiuren[J].Berichte der, 1901, 34(1): 433-454.

[2]Sachs H, Brand E.Benzyl esters of glutamic acid[J].Journal of the American Chemical Society, 1953, 75(18): 4610-4611.

[3]Ajioka M, Chojiro H, Takeshi O, et al.Preparation and isolation of mineral acid salt of an amino acid methyl ester: EP, 0376230[P].1989-12-24.

[4]Mirviss S B, Dshod S K, Empie M W.Synthesis of L-phenylalanine methyl ester[J].Eng Chem Res, 1990, 29: 651-659.

[5]陈 帆.新型手性氨基酸衍生物及其合成方法与应用: 中国, 1616411[P].2005-05-18.

Catalytic Synthesis of Amino Acid Ester Hydrochloride by Hydrogen Chloride

Gao Rui1, Jiang Honghua2, Qian Chao1, Chen Xinzhi1
1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Advanced Chemical Engineering Manufacture Technology, College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
2.Hangzhou Xinde Environmental Protection Technology Co Ltd, Jiande 311604, China

The esterification reaction of amino acids and benzyl alcohol was used as the model to study the amino acid esterification process catalyzed by hydrogen chloride.The water from reaction was removed by azeotropic distillation using 1,2-dichloroethane as solvent, to promote the esterification reaction and the target product amino acid benzyl ester hydrochloride was obtained by recrystallization.When the molar ratio of amino acid to benzyl alcohol was 1.00:1.08, the reaction temperature 83 ℃, the reaction time 4-6 h, the yield was about 65%.In addition, when the amino acid was esterified with a low boiling point alcohol such as methanol, the equilibrium conversion rate of the reaction was improved by using the alcohols as the reactant and water-carrying agent simultaneously.The distilled alcohol was then re-added to the reaction system after the water removal treatment, and the yield of the amino acid ester hydrochloride was of 75% to 85%.The reaction-separation coupling technique improved the yield and purity of the product, shortened the reaction time and reduced the amount of raw materials.

amino acid; esterification; hydrochloric acid catalysis; azeotropic distillation

O621.3

A

1001—7631 ( 2017 ) 04—0319—07

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.04.0319.07

2017-05-21；

2017-07-20。

高 锐（1993—），男，硕士。钱 超（1978—），男，副教授，通讯联系人。E-mail: qianchao@zju.edu.cn。

国家自然科学基金（21376213；21476194）；国家重点研发计划项目（2016YFB0301800）。