L-丙氨酸催化加氫制備L-氨基丙醇反應(yīng)優(yōu)化

許偉翔 馬 磊

（浙江工業(yè)大學(xué)工業(yè)催化研究所，浙江 杭州 310014）

L-氨基丙醇是合成第三代喹諾酮類抗菌藥左旋氧氟沙星的一種重要中間體，后者具有抗菌譜廣、抗菌作用強(qiáng)、毒副反應(yīng)小、與其他抗生素?zé)o交叉耐藥性等優(yōu)點［1］。同時L-氨基丙醇作為一種手性修飾物在外消旋體拆分中有廣泛的應(yīng)用，因而其具有巨大的市場需求。

一直以來，國內(nèi)外對于L-氨基丙醇合成方法的研究主要可分為兩大類，一種是手性拆分方法，其主要過程是制備出DL-氨基丙醇，再通過手性拆分獲得L-氨基丙醇，但是由于手性拆分的工業(yè)化難度較高，因此工業(yè)生產(chǎn)普遍采用第二種方法，即將相應(yīng)光學(xué)活性的丙氨酸或其衍生物進(jìn)行還原。工業(yè)生產(chǎn)使用還原劑主要有KBH4、LiBH4、NaBH4或LiAlH4等，但是此類還原劑價格昂貴，危險性高，后處理過程復(fù)雜，環(huán)境污染大，具有很大的局限性［2］。而通過催化加氫，將L-丙氨酸直接加氫制備L-氨基丙醇很好的避免了以上的缺點，是一種對環(huán)境友好的綠色化學(xué)合成方法。本文主要通過對L-丙氨酸催化加氫制備L-氨基丙醇反應(yīng)條件及催化劑的優(yōu)化，提高產(chǎn)物收率。

1 實驗部分

1.1 催化劑制備

1.1.1 活性炭預(yù)處理

將10g活性炭加入到70mL不同濃度的硝酸溶液中于93℃回流8h，過濾后用去離子水洗至中性，110℃下真空干燥。

1.1.2 催化劑制備

本實驗采用加氫活性較高的Ru/C催化劑［3］，Ru負(fù)載量為5％。將Ru/Cl3配置成一定濃度的鹽酸水溶液，稱取一定比例的經(jīng)過預(yù)處理的活性炭和去離子加入三口燒瓶中，將三口燒瓶放于恒溫油浴鍋內(nèi)恒溫后，按照所需催化劑負(fù)載量比例緩慢滴加預(yù)先配置好的Ru溶液并恒溫攪拌4h。向三口燒瓶中逐滴加入一定濃度的NaOH水溶液直至堿性，繼續(xù)攪拌30min后過濾、去離子水洗滌至中性，放入烘箱烘干。將烘干的催化劑經(jīng)水合肼還原、洗滌、干燥，即制得所需催化劑。

1.2實驗過程

1.2.1 合成路線

L-丙氨酸催化加氫制備L-氨基丙醇的合成路線如圖1。

圖1 合成路線

該反應(yīng)需要在一定溫度和壓強(qiáng)下進(jìn)行，同時Frank T等［4］已經(jīng)證明在酸性條件下，L-丙氨酸羧酸解離受到抑制，從而更有利于反應(yīng)，所以pH值對反應(yīng)也有一定影響。

1.2.2 實驗步驟

反應(yīng)在高壓反應(yīng)釜（溫州中偉磁傳密封儀器廠）中進(jìn)行，將反應(yīng)物溶液和催化劑放入反應(yīng)釜中，保持一定的反應(yīng)溫度和壓力，反應(yīng)一定時間后將產(chǎn)物取出過濾，濾液用安捷倫1100 series高效液相色譜分析，液相柱：C18（Hedera ODS-2：4.6mm×250mm，5μm），樣品經(jīng)過柱前衍生預(yù)處理，使用內(nèi)標(biāo)法來標(biāo)定。

2 結(jié)果討論

2.1 不同反應(yīng)條件下對L-氨基丙醇收率影響

在相同的L-丙氨酸和催化劑用量的條件下，考察溫度、H2壓強(qiáng)以及反應(yīng)溶液pH值對轉(zhuǎn)化率以及選擇性的影響。結(jié)果如表1～表3所示。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度對轉(zhuǎn)化率以及選擇性有巨大影響。反應(yīng)溫度越高，L-丙氨酸的轉(zhuǎn)化率越高。但L-氨基丙醇的選擇性呈現(xiàn)先增大后減小的變化，反應(yīng)溫度為100℃時L-氨基丙醇的選擇性最高。與此同時，L-氨基丙醇的光學(xué)純度則隨反應(yīng)溫度的提高逐漸下降。

表1 反應(yīng)溫度的影響

從表2可以發(fā)現(xiàn)，H2壓強(qiáng)對轉(zhuǎn)化率和選擇性也有一定的影響。隨著H2壓強(qiáng)的降低，L-丙氨酸的轉(zhuǎn)化率和L-氨基丙醇的選擇性均呈現(xiàn)先增大后減小的變化，H2壓強(qiáng)為7MPa時L-丙氨酸的轉(zhuǎn)化率最高，H2壓強(qiáng)為6MPa時L-氨基丙醇的選擇性最高。但H2壓強(qiáng)變化對L-氨基丙醇光學(xué)純度的影響不大。

表2 H2壓強(qiáng)的影響

從表3可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溶液初始pH值對于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性都有很大影響。隨著反應(yīng)溶液初始pH值增大，L-丙氨酸的轉(zhuǎn)化率和L-氨基丙醇的選擇性均呈現(xiàn)先增大后減小的變化，較低的溶液pH值很好地抑制了L-丙氨酸原料羧基的解離，pH值為1.90時L-丙氨酸的轉(zhuǎn)化率和L-氨基丙醇的選擇性都達(dá)到最高。但溶液pH值變化對L-氨基丙醇光學(xué)純度的影響不大。

表3 反應(yīng)溶液初始pH值的影響

綜合以上數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)溫度、H2壓強(qiáng)以及溶液pH值是影響L-丙氨酸的轉(zhuǎn)化率、L-氨基丙醇的選擇性和光學(xué)純度的主要因素。為了獲得高光學(xué)純度的L-氨基丙醇，反應(yīng)溫度100℃、H2壓強(qiáng)7MPa、初始溶液pH值2為比較理想的反應(yīng)條件。

2.2 活性炭預(yù)處理對催化劑性能的影響

本研究采用活性炭負(fù)載Ru催化劑。活性炭載體的性能同時取決于它的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)。使用硝酸對商業(yè)活性炭進(jìn)行預(yù)處理可以去除活性炭中的雜質(zhì)，并形成新的有效的表面基團(tuán)，從而更有利于貴金屬的分散，提高催化劑性能［5］。

本研究使用不同濃度硝酸對活性炭載體進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)2.5％、5％、10％和20％濃度硝酸預(yù)處理的活性炭載體分別標(biāo)記為C（2.5％）、C（5％）、C（10％），原始催化劑標(biāo)記為C（untreated）。以上經(jīng)硝酸預(yù)處理的活性炭載體進(jìn)一步制備成負(fù)載Ru催化劑。催化劑性能評價如表4所示。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，隨著硝酸濃度的增大，L-丙氨酸的轉(zhuǎn)化率和L-氨基丙醇的選擇性均呈現(xiàn)先增大后減小的變化，經(jīng)過5％硝酸預(yù)處理的活性炭載體制得的催化劑催化效果最好。這說明載體活性炭經(jīng)硝酸預(yù)處理可以改變活性炭的表面物理-化學(xué)，從而提高L-丙氨酸催化加氫制備L-氨基丙醇反應(yīng)的催化性能。

表4 硝酸預(yù)處理活性炭的影響

3 結(jié)論

L-丙氨酸加氫制備L-氨基丙醇的反應(yīng)中，反應(yīng)條件的優(yōu)化對于反應(yīng)結(jié)果有著很大的影響，而通過對于催化劑本身的優(yōu)化也能提高目標(biāo)產(chǎn)物收率。作為一個環(huán)境友好型的催化加氫反應(yīng)，L-丙氨酸加氫制備L-氨基丙醇為L-氨基丙醇的工業(yè)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化提供了一條新的途徑。

［1］顏廷旭，楊玲，王宇.喹諾酮類藥物的發(fā)展與應(yīng)用［J］.中國實用醫(yī)藥.2010，5（24）：137.

［2］高小放，蔡旺峰，張旭斌，等.還原法合成α-氨基丙醇及主要應(yīng)用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2009，26（1）：72-78.

［3］Jere F，Jackson J，Miller D.Kinetics of the aqueous phase hydrogenation of L-Alanine to L-Alaninol［J］.Ind.Eng.Chem.Res，2004，43：3297-3303.

［4］Frank T Jere，Dennis J Miller，James E Jackson.Stereoretentive C-H Bond Activation in the Aqueous Phase Catalytic Hydrogenation of Amino Acids to Amino Alcohols［J］.Organic Letters，2003，5（4）：527-530.

［5］鄭超，王榕，榮成，等.活性炭表面改性對釕基氨合成催化劑的影響［J］.工業(yè)催化，2005，13（10）：31-35.