“一鍋法”合成（2R,3R）-環氧丁酸的工藝研究

張紅奪 蔣成君

（1.浙江新東港藥業股份有限公司，浙江 臺州 310023;2.浙江科技學院 生物與化學工程學院，浙江 杭州 310023）

青霉烯和碳青霉烯是一類新型非典型β-內酰胺類抗生素，此類化合物具有高效抗菌、超光譜和耐酶等特點，在臨床抗感染方面發揮了重要作用。（2R,3R）-環氧丁酸是合成這類抗生素的關鍵中間體，如何立體選擇性的合成（2R,3R）-環氧丁酸成為化學工作者研究的熱點。

（2R,3R）-環氧丁酸的制備方法主要有三種。（1）以 L-蘇氨酸為原料[1-5]，重氮化、溴代、環氧化等步驟成功的得到目標產物，此方法用氫溴酸以及溴化鈉進行溴化，價格較貴；（2）以巴豆酸為原料[6-10]，在鎢酸鈉和雙氧水氧化下合成目標產物，但是反應的收率很低。（3）以（2R,3R）-環氧丁醇為原料[11-12]，以經乙腈-水為溶劑，在三氯化釕作用下，高碘酸鈉氧化得到目標產物，收率90%，但是三氯化釕和高碘酸鈉價格昂貴。基于上述工藝存在的問題，本文對（2R,3R）-環氧丁酸的合成進行改進，直接在工業鹽酸中進行重氮化，氯代，不取出產物，堿性條件下環合，工業鹽酸調pH，如圖1所示。

圖1 “一鍋法”合成（2R,3R）-環氧丁酸Fig.1 One-pot synthesis of(2R,3R)-epoxybutyric acid

“一鍋法”合成（2R,3R）-環氧丁酸的影響因素眾多。Plackett-Burman法[13]是一種以非完全平衡塊為原理的一種近飽和的二水平試驗設計法，可以從眾多的考察因素中快速且有效地篩選出最為重要的幾個因素，供進一步詳細研究使用，Box-Behnken實驗設計[14]則可以對反應條件進行優化，本文采用Plackett-Burman和Box-Behnken實驗設計，對影響收率的相關因素進行研究和優化。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

L-蘇氨酸，工業級，石家莊市石興氨基酸有限公司；濃鹽酸，工業級，滎陽市新源化工有限公司；亞硝酸鈉、氫氧化鈉，試劑級，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 合成步驟

在裝有溫度計的3000 mL四口燒瓶中加入119 g（1mol）L-蘇氨酸,加入一定量的36.5%濃鹽酸，降溫，滴加40% 的亞硝酸鈉溶液，滴加完畢后（記為滴加時間Ⅰ），反應一段時間（記為反應時間Ⅰ），滴加40%的氫氧化鈉水溶液（記為滴加時間Ⅱ），反應一段時間（記為反應時間Ⅱ），滴加36.5%的濃鹽酸調體系pH值為1，用3×500 mL二氯甲烷萃取，二氯甲烷層用30 g無水硫酸鎂干燥2 h，過濾，濾液減壓濃縮，得到淡黃色液體，計算收率。

1.3 實驗設計

1.3.1 Plackett-Burman實驗設計

Plackett-Burman實驗設計被稱作篩選實驗設計，當實驗因素較多時，實驗進行不方便，且不考慮交互作用時，才會考慮使用此方法。雖然與其他方法相比，Plackett-Burman實驗設計不能區分主效應與交互作用的影響，但可以確定對結果影響顯著的因素，從而達到篩選的目的。Plackett-Burman實驗對每個因素取2個水平來進行分析，通過比較各因素 2個水平的差異與整體的差異來確定因素的顯著性。通過 Plackett-Burman實驗的篩選，能避免在后期的優化實驗中由于因素數太多或部分因素不顯著而造成的實驗資源浪費。利用 Minitab軟件創建 Plackett-Burman實驗，每個因素取 2個水平。在前期單因素實驗獲得結果的基礎上，本實驗選取影響較大的 9個因素，m(亞硝酸鈉)、m(濃鹽酸)、m(氫氧化鈉)、反應溫度、滴加時間Ⅰ、滴加時間Ⅱ、反應時間Ⅰ、反應時間Ⅱ。其他因素如L-蘇氨酸初始濃度、轉速等均恒定，選用變量個數 N=12的Plackett-Burman設計表，用于考察實驗誤差。各因素所代表參數、水平見表 1，實驗設計及結果見表2。

表1 Plackett-Burman實驗設計參數和水平Table1 Factors levels of Plackett-Burman design

表2 Plaekett-Burman實驗設計表及結果Table2 Design matrix and experimental results of Plackett-Burman design

1.3.2 Box-Behnken實驗設計

Box-Behnken實驗設計是一種常用的響應面分析法，用來評價指標和因素間的非線性關系，估計一階、二階與一階交互作用項的多項式模式，是一種有效的響應面設計法。結合前面實驗結果，利用Minitab軟件創建Box-Behnken實驗設計。

表3 Box-Behnken實驗設計及編碼值Table3 Design matrix and experimental

表4 Box-Behnken實驗設計表及實驗數據Table4 Design matrix and experimental results of Box-Behnken design

實驗中的3個因素為滴加時間Ⅰ、滴加時間Ⅱ和反應溫度，每個因素取3個水平。實驗共有15個實驗點，其中有 12個析因點和3個零點。對零點實驗進行3次，以估計誤差。

2 結果與討論

2.1 Plackett-Burman實驗結果分析

利用 Minitab對 Plackett-Burman實驗數據進行分析，結果如表 5所示，其標準偏差為54.6，回歸方程的系數R2為0.98。

表5 Plackett-Burman實驗設計分析結果Table5 Analysis result of Plackett-Burman experiment

從單因素效應的檢驗結果可以看出：主效應中，因素 E(滴加時間Ⅰ)、F(滴加時間Ⅱ)、G(反應時間Ⅰ)效應顯著，其 P分別為 0.047，0.027和0.037，均小于0.050，可以作為進一步優化的因素。其他因素對結果影響不大，在進一步研究中，取中間水平，對影響效果不進行分析。

2.2 最陡爬坡實驗結果分析

對Plackett-Burman實驗結果進行分析，發現E(滴加時間Ⅰ)、F(滴加時間Ⅱ)、G(反應時間Ⅰ)對反應具有正促進作用，適當增加會提高反應的收率。實驗設計和結果如表6所示。

表6 最陡爬坡試驗設計結果Table6 Design matrix and experimental results of steepest accent

由表6可知，第五組、第六組實驗的收率最高，這說明滴加時間Ⅰ9 h，滴加時間Ⅱ9 h，反應時間5 h時，收率已達到最大值。故實驗5的條件為響應面實驗因素水平的中心點，滴加時間Ⅰ，滴加時間Ⅱ，反應時間Ⅰ分別為9 h，9 h，5 h，進行進一步研究。

2.3 Box-Behnken實驗結果分析

實驗數據用Minitab進行分析，并得出回歸方程系數顯著性檢驗、方差分析結果分別如表7～8所示。由表7可知滴加時間Ⅰ，滴加時間Ⅱ，反應時間Ⅰ的關系可用下列回歸方程來表示：

表7 回歸方程系數顯著性檢驗Table7 Significance test of regression coefficient

表8 回歸方程的方差分析Table8 ANOVA for regression equation

回歸方程的系數R2為0.98，R2經調整后為0.95。

從表7中可以看出，模型方程中常數項P為0，表明該模型是顯著的。同時，模型中的參數X1，X1X1，X2X2的 P 分別為 0.047，0.011，0.013，均小于0.050，表明這些參數也是顯著的。從表7可知：模型失擬檢驗的 P為 0.375，大于 0.050，因此，回歸模型適合，不需要對回歸方程進行調整。各因素間相互作用對響應的影響如圖2～圖4所示。

圖2 滴加時間Ⅰ（X1），滴加時間Ⅱ(X2)交互作用對反應收率的影響Fig.2 Response surface plot for interaction effects of dropwise add timeⅠand dropwise add timeⅡ on yield

圖3 滴加時間Ⅰ（X1），反應時間Ⅰ(X3)交互作用對反應收率的影響Fig.3 Response surface plot for interaction effects of dropwise add timeⅠ and reaction timeⅠon yield

圖4 滴加時間Ⅱ（X2），反應時間Ⅰ(X3)交互作用對反應收率的影響Fig.4 Response surface plot for interaction effects of dropwise add timeⅡ and reaction timeⅠon yield

為了進一步驗證最佳值，對回歸方程進行分析，令一階偏導等于0，并整理得：

解上述方程組，得各因素編碼分別為X1=0.30，X2=0.32，X3=0.46。代入式（1）得 Y=93.8

又由各因素編碼與其真實值之間的關系，可求得收率為93.8%時，滴加時間Ⅰ，滴加時間Ⅱ，反應時間Ⅰ真實值為 8.30，8.32和3.5 h。為了對預測的結果進行驗證，用以上得到的最優反應條件，進行 3次重復實驗，所得平均收率為93.5%，與預測值相差0.3%，證實了模型的有效性。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，借助 Minitab將響應面法應用于“一鍋法”合成（2R,3R）-環氧丁酸工藝的優化。回歸分析結果表明：滴加時間Ⅰ，滴加時間Ⅱ，反應時間Ⅰ的交互作用對收率的影響顯著。

通過對響應方程的回歸分析，得到最佳滴加時間Ⅰ8.3 h，滴加時間Ⅱ8.30 h，反應時間Ⅰ為3.5 h。經過實驗驗證，該條件下的收率為93.5%，為工業化生產提供了一定的理論依據。

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