韓玉英，宋　健，馮榮秀，趙君彥(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 30072)

氟苯尼考是一種化學(xué)合成的新一代動(dòng)物專(zhuān)用氯霉素類(lèi)(又稱酰胺醇類(lèi))廣譜高效抗菌藥物，不與人類(lèi)用藥形成交叉耐藥性[1]。D-對(duì)甲砜基苯絲氨酸乙酯是制備氟苯尼考的一種重要中間體。目前，該中間體的制備方法主要有兩種路線：對(duì)甲砜基苯絲氨酸路線和對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅路線。對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅路線后處理步驟簡(jiǎn)單，后續(xù)酯化收率較高，成本較低，優(yōu)于對(duì)甲砜基苯絲氨酸路線。

Hisao等[2-4]以水和水/乙醇為溶劑，對(duì)甲砜基苯甲醛、甘氨酸、硫酸銅為原料，KOH為催化劑，制備對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅，收率約為70%～90%，后續(xù)酯化收率86%。董順康等[5]以氨水為催化劑，50 ℃下反應(yīng)30 h，收率約為90%～95%，后續(xù)酯化收率75%～82%。

目前，對(duì)于合成對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的反應(yīng)機(jī)理以及副反應(yīng)，缺乏進(jìn)一步深入細(xì)致的研究。減少或抑制副產(chǎn)物的生成是合成對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅工藝優(yōu)化的關(guān)鍵。抑制副反應(yīng)發(fā)生的條件，對(duì)其工藝優(yōu)化有重要的理論指導(dǎo)意義。產(chǎn)物對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的純度將直接影響后續(xù)酯化產(chǎn)物DL-對(duì)甲砜基苯絲氨酸乙酯的收率和最終產(chǎn)品D-對(duì)甲砜基苯絲氨酸乙酯的質(zhì)量。

針對(duì)以上情況，本研究以對(duì)甲砜基苯甲醛、甘氨酸、硫酸銅為原料，氨水為催化劑，探究并證明了該反應(yīng)的機(jī)理，通過(guò)對(duì)該反應(yīng)的各個(gè)階段進(jìn)行定性跟蹤，推測(cè)了可能發(fā)生的副反應(yīng)。通過(guò)考察了原料配比、溫度和pH值等影響因素，探究了副反應(yīng)發(fā)生的條件，從而優(yōu)化了對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的合成工藝。本研究將所得產(chǎn)品對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅進(jìn)行后續(xù)酯化反應(yīng)，通過(guò)酯化產(chǎn)品對(duì)甲砜基苯絲氨酸乙酯的收率和純度驗(yàn)證了產(chǎn)物對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的質(zhì)量，2步反應(yīng)總收率高于文獻(xiàn)報(bào)道。

1　試驗(yàn)部分

1.1　主要原料及儀器

對(duì)甲砜基苯甲醛，工業(yè)級(jí)，山東漢興醫(yī)藥科技有限公司；甘氨酸，生化試劑，天津，科密歐化學(xué)試劑有限公司；氨水，工業(yè)品，天津市江天化工技術(shù)有限公司；硫酸銅；無(wú)水乙醇；活性炭(顆粒)，以上均為分析純，天津市江天化工技術(shù)有限公司。濃硫酸，化學(xué)純，天津市江天化工技術(shù)有限公司。

采用大連依利特高效液相色譜，NICOLET 380紅外分析儀，YRT-3熔點(diǎn)分析儀和薄層色譜(TLC)(上海顧村電光儀器廠ZF-1型三用紫外分析儀，煙臺(tái)江友硅膠開(kāi)發(fā)有限公司ISGF254型硅膠板)。

高效液相色譜分析條件：柱溫30 ℃；柱長(zhǎng)250 mm；柱徑4.6 mm；填料為Hyper 0DS2 C18；流動(dòng)相為70%乙腈+30%醋酸銨水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%)。檢測(cè)器波長(zhǎng)為UV254 nm；流速為1.0 mL/min。紅外分析條件：KBr壓片，波長(zhǎng)范圍：400～4 000 cm-1；薄層色譜(TLC)條件：展開(kāi)劑為m(正丙醇)∶m(氨水)∶m(丙酮)=56∶27∶17，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%茚三銅的乙醇溶液噴涂，加熱至110 ℃觀察。

1.2　對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的制備

在裝有機(jī)械攪拌、回流冷凝管和溫度計(jì)的250 mL的四口瓶中加入125.00 g水，攪拌下加入硫酸銅17.00 g(0.068 mol)，待完全溶解后加入甘氨酸9.63 g(0.124 mol)，攪拌30 min后，用氨水調(diào)節(jié)pH值至9。再加入對(duì)甲砜基苯甲醛21.00 g(0.114 mol)，升溫至50 ℃反應(yīng)30 h，冷卻至室溫，減壓抽濾，濾餅用水和甲醇洗滌至無(wú)色，100 ℃干燥得到淺藍(lán)色固體對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅，以對(duì)甲砜基苯甲醛計(jì)算收率為79%～82%，熔點(diǎn)236.2～237.3 ℃(文獻(xiàn)值為236～237 ℃[5])。

1.3　DL-對(duì)甲砜基苯絲氨酸乙酯的制備

在裝有機(jī)械攪拌、回流冷凝管和溫度計(jì)的50 mL的四口瓶中加入無(wú)水乙醇13.00 g(0.282 mol)，室溫下緩慢滴加3.40 g(0.034 mol)濃硫酸，滴加完畢后加入對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅3.30 g(0.011 mol)，升溫至回流(83 ℃)反應(yīng)10 h，冷卻至60 ℃減壓抽濾，濾餅為硫酸銅，濾液0 ℃下放置過(guò)夜進(jìn)行結(jié)晶，最后經(jīng)抽濾，干燥后得到對(duì)甲砜基苯絲氨酸乙酯的硫酸鹽4.19 g。在裝有攪拌、回流冷凝管和溫度計(jì)的50 mL的四口瓶中加入4.50 g去離子水，攪拌下加入上述對(duì)甲砜基苯絲氨酸乙酯硫酸鹽，全溶后滴加飽和硫化鈉溶液除去銅離子，加入活性炭0.08 g，升溫至45 ℃保溫1 h，趁熱過(guò)濾，濾液冷卻至0 ℃，用氨水調(diào)節(jié)pH值至7.5，攪拌1 h后抽濾，濾餅用冰水洗滌至中性，將所得濾餅干燥，得到對(duì)甲砜基苯絲氨酸乙酯3.01 g，以對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅計(jì)算，收率為92.09%(文獻(xiàn)收率75%～82%[5])。HPLC純度100%(面積歸一法)，熔點(diǎn)125.5～126.1 ℃(文獻(xiàn)值122～124 ℃[4])。核磁共振譜圖，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　結(jié)果與討論

2.1　反應(yīng)機(jī)理

甘氨酸與硫酸銅在氨水催化下，快速生成內(nèi)配鹽甘氨酸銅。所生成的絡(luò)合物甘氨酸銅中的銅離子受氨基的屏蔽效應(yīng)，在堿性環(huán)境下對(duì)羰基的α位具有電子極化效應(yīng)，因此α-H的酸性增強(qiáng)，易于離去，從而與對(duì)甲砜基苯甲醛發(fā)生羥醛縮合反應(yīng)。反應(yīng)機(jī)理如圖1所示[4]。

圖1　反應(yīng)機(jī)理1Fig.1　Reaction mechanism 1

圖2　對(duì)甲砜基苯甲酸紅外譜圖Fig.2　IR spectrum of p-methylsulfonylbenzoic acid

對(duì)所得產(chǎn)品對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅粗品進(jìn)行酸化處理后得到對(duì)甲砜基苯甲酸，因此本研究認(rèn)為，絡(luò)合物甘氨酸銅中的銅離子對(duì)α位的電子極化效應(yīng)，還不足以使其與對(duì)甲砜基苯甲醛順利進(jìn)行羥醛縮合反應(yīng)。但是通過(guò)中間產(chǎn)物——西佛堿衍生物的生成，從而增強(qiáng)了銅離子對(duì)α位的電子極化效應(yīng)，使得羥醛縮合反應(yīng)順利進(jìn)行。反應(yīng)歷程如圖4所示[7-8]。

2.2　副反應(yīng)分析

該方法制備的對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的收率一直不高。用TLC及HPLC分析，結(jié)果顯示主要有2個(gè)副產(chǎn)物，液質(zhì)聯(lián)機(jī)(LC-MS)分析結(jié)果顯示主要副產(chǎn)物為副產(chǎn)物1和副產(chǎn)物2,分子式見(jiàn)圖5和圖6。

由液質(zhì)聯(lián)機(jī)結(jié)果可推測(cè)出該反應(yīng)的副產(chǎn)物主要是對(duì)甲砜基苯甲酸和二縮物。因此可能存在的副反應(yīng)是對(duì)甲砜基苯甲醛與未絡(luò)合的銅離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成對(duì)甲砜基苯甲酸，以及發(fā)生雙縮反應(yīng)。其反應(yīng)方程式如下。

2.3　反應(yīng)條件優(yōu)化

上述反應(yīng)機(jī)理及其可能發(fā)生的副反應(yīng)顯示，原料的配比，反應(yīng)體系的pH值和溫度是合成對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的重要影響因素。

2.3.1甘氨酸用量的影響

投料比是影響反應(yīng)的一個(gè)重要因素，適宜的投料比可以提高產(chǎn)品收率，簡(jiǎn)化后處理工藝，降低生產(chǎn)成本。對(duì)甲砜基苯甲醛價(jià)格約為80 000元/t，而甘氨酸約為10 000元/t，所以優(yōu)選對(duì)甲砜基苯甲醛為基準(zhǔn)，甘氨酸過(guò)量，此時(shí)生產(chǎn)成本可以大幅度降低。在反應(yīng)條件相同的情況下，考察了甘氨酸的用量對(duì)于該反應(yīng)的影響。反應(yīng)條件為：n(甘氨酸)∶n(硫酸銅)為2∶1，n(對(duì)甲砜基苯甲醛)∶n(水)為1∶170，反應(yīng)溫度為50 ℃，pH值為9，反應(yīng)30 h后，反應(yīng)結(jié)果表1所示。

圖3　對(duì)甲砜基苯甲酸質(zhì)譜譜圖Fig.3　MS spectrum of p-methylsulfonylbenzoic acid

圖4　反應(yīng)機(jī)理2Fig.4　Reaction mechanism 2

圖5　副產(chǎn)物1(對(duì)甲砜基苯甲酸)Fig.5　By-product 1

圖6　副產(chǎn)物2(二縮物)Fig.6　By-product 2

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

由表1可見(jiàn)，當(dāng)甘氨酸用量逐漸降低時(shí)，收率并未發(fā)生太大變化，即甘氨酸的用量對(duì)該反應(yīng)影響較小，故可選擇n(對(duì)甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)為1.0∶1.1，此時(shí)可獲得較好收率，并且可以降低生產(chǎn)成本。

2.3.2水量的影響

對(duì)甲砜基苯甲醛和生成的絡(luò)合物甘氨酸銅在水中的溶解度都很小，對(duì)甲砜基苯甲醛在水中溶解度為0.18 g(50 ℃)，一水合甘氨酸銅為1.60 g(50 ℃)，反應(yīng)時(shí)形成了液-固-固三相反應(yīng)，所以傳質(zhì)速率是影響反應(yīng)速率的一個(gè)重要因素。水作為對(duì)甲砜基苯甲醛和甘氨酸銅的反應(yīng)的分散介質(zhì)，對(duì)反應(yīng)速率有重要的影響。因此，適當(dāng)?shù)乃磕艽龠M(jìn)傳質(zhì)過(guò)程、加快反應(yīng)速率。在反應(yīng)條件相同的情況下，本研究考察了水量對(duì)于反應(yīng)的影響。反應(yīng)條件為：n(對(duì)甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(硫酸銅)為1∶1.1∶0.55，反應(yīng)溫度為50 ℃，pH值為9，反應(yīng)30 h后，反應(yīng)結(jié)果如表2所示。

表2　水量對(duì)反應(yīng)的影響Table 2　Effect of the amount of water

由表2可見(jiàn)，當(dāng)n(對(duì)甲砜基苯甲醛)∶n(水)為1∶130時(shí)，收率較低，此時(shí)體系黏度較大，不能充分進(jìn)行傳質(zhì)，隨著水量的增加，收率也逐漸增大，當(dāng)增加到1∶170時(shí)出現(xiàn)平臺(tái)。水量過(guò)大則會(huì)造成對(duì)甲砜基苯甲醛和甘氨酸銅分子碰撞幾率降低，不利于反應(yīng)的進(jìn)行。所以，n(對(duì)甲砜基苯甲醛)∶n(水)為1∶170時(shí)最適宜。

2.3.3pH值的影響

上述2種機(jī)理顯示，甘氨酸與硫酸銅形成甘氨酸銅后，在堿性環(huán)境下羧基的α-H的酸性增強(qiáng)，易于離去，所形成的碳負(fù)離子，進(jìn)攻對(duì)甲砜基苯甲醛的羰基，從而生成對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅。因此，反應(yīng)體系的pH值是該反應(yīng)能夠順利進(jìn)行的重要因素，而且制約著反應(yīng)的選擇性。本研究對(duì)反應(yīng)體系的pH值進(jìn)行了考察，其結(jié)果如表3所示。

表3　pH值對(duì)反應(yīng)的影響Table 3　Effect of pH on the reaction

注：熔點(diǎn)值為銅鹽的熔點(diǎn)。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)反應(yīng)體系的pH值為7時(shí)，堿性較弱，甘氨酸銅羧基的α-H的酸性極弱，縮合反應(yīng)難以進(jìn)行。當(dāng)pH值增至8時(shí)，反應(yīng)速率仍較慢；pH值為9時(shí)，反應(yīng)速率加快，TLC和HPLC結(jié)果顯示有副反應(yīng)發(fā)生，但副產(chǎn)物對(duì)甲砜基苯甲酸和二縮產(chǎn)物生成量較小，熔點(diǎn)分析產(chǎn)品的質(zhì)量較好；pH值高于9時(shí)，對(duì)甲砜基苯甲醛與銅離子易發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成對(duì)甲砜基苯甲酸，與此同時(shí)甘氨酸銅羧基的α-H的酸性明顯增強(qiáng)，二縮物也隨之增加。因此，該反應(yīng)體系適宜的pH值為9。

2.3.4溫度的影響

反應(yīng)溫度是影響反應(yīng)速率的重要因素，從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，溫度越高，反應(yīng)速率越快，原料轉(zhuǎn)化率就越高。從熱力學(xué)活化能角度來(lái)說(shuō)，溫度越高，對(duì)活化能高的反應(yīng)越有利，但溫度過(guò)高則有可能會(huì)導(dǎo)致副反應(yīng)的反應(yīng)趨勢(shì)增大，反而使目標(biāo)產(chǎn)物的收率有所下降。針對(duì)本反應(yīng)，溫度越高，產(chǎn)物易分解，特別是甘氨酸銅，溫度過(guò)高不穩(wěn)定。

在反應(yīng)條件相同的情況下，考察了溫度對(duì)于反應(yīng)的影響。反應(yīng)條件為：n(對(duì)甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(硫酸銅)∶n(水)為1∶1.1∶0.55∶170，pH值為9，反應(yīng)30 h，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響Table 4　Effect of temperature on the reaction

由表4中結(jié)果可以看出，在一定范圍內(nèi)升高溫度有利于反應(yīng)收率的提高，升高溫度降低反應(yīng)的活化能，可加快反應(yīng)速率。當(dāng)溫度在50 ℃時(shí)收率達(dá)到最高水平，TLC和HPLC顯示有2個(gè)副產(chǎn)物，但是量較少；當(dāng)升溫至70和90 ℃時(shí)，TLC和HPLC顯示副反應(yīng)的程度加深，副產(chǎn)物的量急劇增大，導(dǎo)致對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的收率降低，同時(shí)產(chǎn)品顏色變深、熔點(diǎn)增高，產(chǎn)品質(zhì)量降低。因此，制備對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅最適宜反應(yīng)溫度為50 ℃。

3　結(jié)論

1)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅的反應(yīng)機(jī)理存在生成西佛堿衍生物機(jī)理。反應(yīng)的副產(chǎn)物主要是對(duì)甲砜基苯甲酸和二縮物。

2)對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅合成的最適宜工藝條件是n(對(duì)甲砜基苯甲醛)∶n(甘氨酸)∶n(水)為1∶1.1∶170，pH值為9，反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為30 h。在此條件下，收率為80%左右。副產(chǎn)物的生成量較少，產(chǎn)品質(zhì)量較好。

3)所得產(chǎn)品對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅進(jìn)行后續(xù)酯化反應(yīng)，酯化總收率高達(dá)92%，HPLC純度100%。雖然對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅制備收率低于文獻(xiàn)值，但產(chǎn)品后續(xù)酯化收率較高，從而證實(shí)了該方法制備的對(duì)甲砜基苯絲氨酸銅產(chǎn)品質(zhì)量較好，純度較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂惠序.氟苯尼考在獸醫(yī)臨床上的應(yīng)用[J].獸醫(yī)導(dǎo)刊，2008，(3)：35-37

[2]HASAO A,HASAO T,TORU M,etal.The preparation of The preparation of thero-β-p-methylsulphonylphenyl serine：GB，1268866[P]. 1969-07-24

[3]HASAO A,HASAO T,TORU M,etal.The preparation of D-thero-β-p-methylsulphonylphenylserine ester： GB，1268867[P].1969-07-24

[4]HASAO A,NISHINOMIYA S,HASAO T,etal.Preparation of D-thero-1-p-methylsulphonylphenyl-2-dichloro-acetamidopropane-1,3-diol：US，3733352[P].1973-05-15

[5]董順康，張如璧，高蘊(yùn)玉，等.苯絲氨酸路線合成甲砜霉素[J].中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志，1979,(5):1-3

[6]顏國(guó)和.甲砜霉素合成中L-酯消旋工藝研究[J].中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志,1992,23(10):433-435

[7]BELOKON Y N,BULYCHEV A G,VITT S V,etal.General method of diastereo- and enantioselective synthesis ofβ-hydroxy-α-amino acids by condensation of aldehydes and ketones with glycine[J].J Am Chem Soc,1985,107(14)： 4 252-4 259

[8]遲永祥.DL-蘇氨酸的合成研究[J].石油與天然氣化工，1998,27(1):50-54