对甲砜基苯丝氨酸铜合成的研究

韩玉英，宋　健，冯荣秀，赵君彦(天津大学化工学院，天津 30072)

氟苯尼考是一种化学合成的新一代动物专用氯霉素类(又称酰胺醇类)广谱高效抗菌药物，不与人类用药形成交叉耐药性[1]。D-对甲砜基苯丝氨酸乙酯是制备氟苯尼考的一种重要中间体。目前，该中间体的制备方法主要有两种路线：对甲砜基苯丝氨酸路线和对甲砜基苯丝氨酸铜路线。对甲砜基苯丝氨酸铜路线后处理步骤简单，后续酯化收率较高，成本较低，优于对甲砜基苯丝氨酸路线。

Hisao等[2-4]以水和水/乙醇为溶剂，对甲砜基苯甲醛、甘氨酸、硫酸铜为原料，KOH为催化剂，制备对甲砜基苯丝氨酸铜，收率约为70%～90%，后续酯化收率86%。董顺康等[5]以氨水为催化剂，50 ℃下反应30 h，收率约为90%～95%，后续酯化收率75%～82%。

目前，对于合成对甲砜基苯丝氨酸铜的反应机理以及副反应，缺乏进一步深入细致的研究。减少或抑制副产物的生成是合成对甲砜基苯丝氨酸铜工艺优化的关键。抑制副反应发生的条件，对其工艺优化有重要的理论指导意义。产物对甲砜基苯丝氨酸铜的纯度将直接影响后续酯化产物DL-对甲砜基苯丝氨酸乙酯的收率和最终产品D-对甲砜基苯丝氨酸乙酯的质量。

针对以上情况，本研究以对甲砜基苯甲醛、甘氨酸、硫酸铜为原料，氨水为催化剂，探究并证明了该反应的机理，通过对该反应的各个阶段进行定性跟踪，推测了可能发生的副反应。通过考察了原料配比、温度和pH值等影响因素，探究了副反应发生的条件，从而优化了对甲砜基苯丝氨酸铜的合成工艺。本研究将所得产品对甲砜基苯丝氨酸铜进行后续酯化反应，通过酯化产品对甲砜基苯丝氨酸乙酯的收率和纯度验证了产物对甲砜基苯丝氨酸铜的质量，2步反应总收率高于文献报道。

1　试验部分

1.1　主要原料及仪器

对甲砜基苯甲醛，工业级，山东汉兴医药科技有限公司；甘氨酸，生化试剂，天津，科密欧化学试剂有限公司；氨水，工业品，天津市江天化工技术有限公司；硫酸铜；无水乙醇；活性炭(颗粒)，以上均为分析纯，天津市江天化工技术有限公司。浓硫酸，化学纯，天津市江天化工技术有限公司。

采用大连依利特高效液相色谱，NICOLET 380红外分析仪，YRT-3熔点分析仪和薄层色谱(TLC)(上海顾村电光仪器厂ZF-1型三用紫外分析仪，烟台江友硅胶开发有限公司ISGF254型硅胶板)。

高效液相色谱分析条件：柱温30 ℃；柱长250 mm；柱径4.6 mm；填料为Hyper 0DS2 C18；流动相为70%乙腈+30%醋酸铵水溶液(质量分数为1%)。检测器波长为UV254 nm；流速为1.0 mL/min。红外分析条件：KBr压片，波长范围：400～4 000 cm-1；薄层色谱(TLC)条件：展开剂为m(正丙醇)∶m(氨水)∶m(丙酮)=56∶27∶17，采用质量分数为1%茚三铜的乙醇溶液喷涂，加热至110 ℃观察。

1.2　对甲砜基苯丝氨酸铜的制备

在装有机械搅拌、回流冷凝管和温度计的250 mL的四口瓶中加入125.00 g水，搅拌下加入硫酸铜17.00 g(0.068 mol)，待完全溶解后加入甘氨酸9.63 g(0.124 mol)，搅拌30 min后，用氨水调节pH值至9。再加入对甲砜基苯甲醛21.00 g(0.114 mol)，升温至50 ℃反应30 h，冷却至室温，减压抽滤，滤饼用水和甲醇洗涤至无色，100 ℃干燥得到浅蓝色固体对甲砜基苯丝氨酸铜，以对甲砜基苯甲醛计算收率为79%～82%，熔点236.2～237.3 ℃(文献值为236～237 ℃[5])。

1.3　DL-对甲砜基苯丝氨酸乙酯的制备

在装有机械搅拌、回流冷凝管和温度计的50 mL的四口瓶中加入无水乙醇13.00 g(0.282 mol)，室温下缓慢滴加3.40 g(0.034 mol)浓硫酸，滴加完毕后加入对甲砜基苯丝氨酸铜3.30 g(0.011 mol)，升温至回流(83 ℃)反应10 h，冷却至60 ℃减压抽滤，滤饼为硫酸铜，滤液0 ℃下放置过夜进行结晶，最后经抽滤，干燥后得到对甲砜基苯丝氨酸乙酯的硫酸盐4.19 g。在装有搅拌、回流冷凝管和温度计的50 mL的四口瓶中加入4.50 g去离子水，搅拌下加入上述对甲砜基苯丝氨酸乙酯硫酸盐，全溶后滴加饱和硫化钠溶液除去铜离子，加入活性炭0.08 g，升温至45 ℃保温1 h，趁热过滤，滤液冷却至0 ℃，用氨水调节pH值至7.5，搅拌1 h后抽滤，滤饼用冰水洗涤至中性，将所得滤饼干燥，得到对甲砜基苯丝氨酸乙酯3.01 g，以对甲砜基苯丝氨酸铜计算，收率为92.09%(文献收率75%～82%[5])。HPLC纯度100%(面积归一法)，熔点125.5～126.1 ℃(文献值122～124 ℃[4])。核磁共振谱图，1H-NMR(氘代DMSO，300 MHz)：δ1.118(t,3H,C-CH3)；δ3.176(s,3H,S-CH3)；δ3.316(s,2H,NH2)；δ3.500(d,1H,O-CH)；δ4.026(m,2H,CH2)；δ4.922(s,1H,N-CH)；δ5.763(s,1H,OH)；δ7.580(d,2H,Ar-H)；δ7.843(d,2H,Ar-H)。

2　结果与讨论

2.1　反应机理

甘氨酸与硫酸铜在氨水催化下，快速生成内配盐甘氨酸铜。所生成的络合物甘氨酸铜中的铜离子受氨基的屏蔽效应，在碱性环境下对羰基的α位具有电子极化效应，因此α-H的酸性增强，易于离去，从而与对甲砜基苯甲醛发生羟醛缩合反应。反应机理如图1所示[4]。

图1　反应机理1Fig.1　Reaction mechanism 1

图2　对甲砜基苯甲酸红外谱图Fig.2　IR spectrum of p-methylsulfonylbenzoic acid

对所得产品对甲砜基苯丝氨酸铜粗品进行酸化处理后得到对甲砜基苯甲酸，因此本研究认为，络合物甘氨酸铜中的铜离子对α位的电子极化效应，还不足以使其与对甲砜基苯甲醛顺利进行羟醛缩合反应。但是通过中间产物——西佛碱衍生物的生成，从而增强了铜离子对α位的电子极化效应，使得羟醛缩合反应顺利进行。反应历程如图4所示[7-8]。

2.2　副反应分析

该方法制备的对甲砜基苯丝氨酸铜的收率一直不高。用TLC及HPLC分析，结果显示主要有2个副产物，液质联机(LC-MS)分析结果显示主要副产物为副产物1和副产物2,分子式见图5和图6。

由液质联机结果可推测出该反应的副产物主要是对甲砜基苯甲酸和二缩物。因此可能存在的副反应是对甲砜基苯甲醛与未络合的铜离子发生氧化还原反应生成对甲砜基苯甲酸，以及发生双缩反应。其反应方程式如下。

2.3　反应条件优化

上述反应机理及其可能发生的副反应显示，原料的配比，反应体系的pH值和温度是合成对甲砜基苯丝氨酸铜的重要影响因素。

2.3.1甘氨酸用量的影响

投料比是影响反应的一个重要因素，适宜的投料比可以提高产品收率，简化后处理工艺，降低生产成本。对甲砜基苯甲醛价格约为80 000元/t，而甘氨酸约为10 000元/t，所以优选对甲砜基苯甲醛为基准，甘氨酸过量，此时生产成本可以大幅度降低。在反应条件相同的情况下，考察了甘氨酸的用量对于该反应的影响。反应条件为：n(甘氨酸)∶n(硫酸铜)为2∶1，n(对甲砜基苯甲醛)∶n(水)为1∶170，反应温度为50 ℃，pH值为9，反应30 h后，反应结果表1所示。

图3　对甲砜基苯甲酸质谱谱图Fig.3　MS spectrum of p-methylsulfonylbenzoic acid

图4　反应机理2Fig.4　Reaction mechanism 2

图5　副产物1(对甲砜基苯甲酸)Fig.5　By-product 1

图6　副产物2(二缩物)Fig.6　By-product 2

表1　甘氨酸用量的影响Table 1　Effect of the amount of glycine

由表1可见，当甘氨酸用量逐渐降低时，收率并未发生太大变化，即甘氨酸的用量对该反应影响较小，故可选择n(对甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)为1.0∶1.1，此时可获得较好收率，并且可以降低生产成本。

2.3.2水量的影响

对甲砜基苯甲醛和生成的络合物甘氨酸铜在水中的溶解度都很小，对甲砜基苯甲醛在水中溶解度为0.18 g(50 ℃)，一水合甘氨酸铜为1.60 g(50 ℃)，反应时形成了液-固-固三相反应，所以传质速率是影响反应速率的一个重要因素。水作为对甲砜基苯甲醛和甘氨酸铜的反应的分散介质，对反应速率有重要的影响。因此，适当的水量能促进传质过程、加快反应速率。在反应条件相同的情况下，本研究考察了水量对于反应的影响。反应条件为：n(对甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(硫酸铜)为1∶1.1∶0.55，反应温度为50 ℃，pH值为9，反应30 h后，反应结果如表2所示。

表2　水量对反应的影响Table 2　Effect of the amount of water

由表2可见，当n(对甲砜基苯甲醛)∶n(水)为1∶130时，收率较低，此时体系黏度较大，不能充分进行传质，随着水量的增加，收率也逐渐增大，当增加到1∶170时出现平台。水量过大则会造成对甲砜基苯甲醛和甘氨酸铜分子碰撞几率降低，不利于反应的进行。所以，n(对甲砜基苯甲醛)∶n(水)为1∶170时最适宜。

2.3.3pH值的影响

上述2种机理显示，甘氨酸与硫酸铜形成甘氨酸铜后，在碱性环境下羧基的α-H的酸性增强，易于离去，所形成的碳负离子，进攻对甲砜基苯甲醛的羰基，从而生成对甲砜基苯丝氨酸铜。因此，反应体系的pH值是该反应能够顺利进行的重要因素，而且制约着反应的选择性。本研究对反应体系的pH值进行了考察，其结果如表3所示。

表3　pH值对反应的影响Table 3　Effect of pH on the reaction

注：熔点值为铜盐的熔点。

试验研究发现：当反应体系的pH值为7时，碱性较弱，甘氨酸铜羧基的α-H的酸性极弱，缩合反应难以进行。当pH值增至8时，反应速率仍较慢；pH值为9时，反应速率加快，TLC和HPLC结果显示有副反应发生，但副产物对甲砜基苯甲酸和二缩产物生成量较小，熔点分析产品的质量较好；pH值高于9时，对甲砜基苯甲醛与铜离子易发生氧化还原反应生成对甲砜基苯甲酸，与此同时甘氨酸铜羧基的α-H的酸性明显增强，二缩物也随之增加。因此，该反应体系适宜的pH值为9。

2.3.4温度的影响

反应温度是影响反应速率的重要因素，从动力学角度来说，温度越高，反应速率越快，原料转化率就越高。从热力学活化能角度来说，温度越高，对活化能高的反应越有利，但温度过高则有可能会导致副反应的反应趋势增大，反而使目标产物的收率有所下降。针对本反应，温度越高，产物易分解，特别是甘氨酸铜，温度过高不稳定。

在反应条件相同的情况下，考察了温度对于反应的影响。反应条件为：n(对甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(硫酸铜)∶n(水)为1∶1.1∶0.55∶170，pH值为9，反应30 h，结果见表4。

表4　反应温度对反应的影响Table 4　Effect of temperature on the reaction

由表4中结果可以看出，在一定范围内升高温度有利于反应收率的提高，升高温度降低反应的活化能，可加快反应速率。当温度在50 ℃时收率达到最高水平，TLC和HPLC显示有2个副产物，但是量较少；当升温至70和90 ℃时，TLC和HPLC显示副反应的程度加深，副产物的量急剧增大，导致对甲砜基苯丝氨酸铜的收率降低，同时产品颜色变深、熔点增高，产品质量降低。因此，制备对甲砜基苯丝氨酸铜最适宜反应温度为50 ℃。

3　结论

1)试验研究发现对甲砜基苯丝氨酸铜的反应机理存在生成西佛碱衍生物机理。反应的副产物主要是对甲砜基苯甲酸和二缩物。

2)对甲砜基苯丝氨酸铜合成的最适宜工艺条件是n(对甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(水)为1∶1.1∶170，pH值为9，反应温度为50 ℃，反应时间为30 h。在此条件下，收率为80%左右。副产物的生成量较少，产品质量较好。

3)所得产品对甲砜基苯丝氨酸铜进行后续酯化反应，酯化总收率高达92%，HPLC纯度100%。虽然对甲砜基苯丝氨酸铜制备收率低于文献值，但产品后续酯化收率较高，从而证实了该方法制备的对甲砜基苯丝氨酸铜产品质量较好，纯度较高。

参考文献：

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