專利名稱：N－甘氨酸的合成方法
技術領域：
本發明涉及一種可作為標記物使用的有機物的合成方法，特別涉及一種15N-甘氨酸的合成方法。
背景技術：
15N-甘氨酸(15N-Glycine)，又名15N-氨基乙酸(15N-aminoacetic acid)，其化學結構式為15NH2CH2COOH。精制的15N-甘氨酸為帶甜味的白色結晶或結晶性粉末，溶于水，微溶于醇，熔點263℃(233℃開始分解)，無旋光性。
15N-甘氨酸是一種重要的氨基酸標記物，可直接作為標記物使用，也可作為原料生產其他氨基酸如色氨酸(Tang G H，Wang，S C，Wu S Q，Jiang G H，Synthesisof DL-α-15N-tryptophan and 2-15N-perlolyrine.J.Labelled Compd.Radiopharm.，1998 XLI(2)139-142)、絲氨酸(D.Stetten，J.Biol.Chem.1942，144503)、蘇氨酸(H.L.Meltzer and D.B.Sprinson，J.Biol.Chem.1952，197469)、組氨酸(C.Tesar and D.Rittenberg，J.Biol.Chem.1947，17037)、賴氨酸(I.Clarkand D.Rittenberg，J.Biol.Chem.1951，189521)、N-乙酰基脫氫酪氨酸(H.D.Hoberman and J.S.Fruton，J.Biol.Chem.1942，182127)和肌氨酸(W.Greenaway，F.R.Whatley，A convenient synthesis of creatine-15N from glycine-15Nvia sarcosine-15N，J.Labelled Compd.Radiopharm.，1978，4(4)，611-15)等。
目前15N-甘氨酸的合成方法為Gabriel法(R.Schoenheimer and S.Ratner，Synthesis of15N-Glycine，J.Biol.Chem.，1939，127301；G.D.Ott and V.N.Kerr，Los Alamos Scientific Laboratory Report，LA-49231976，P107；盛禹，陳耀煥，袁群，″同位素有機化學″，浙江教育出版社，1994，p211-233)，該方法以15N-鄰苯二甲酰亞氨甲鹽與α-鹵代酸為原料，經過多步反應合成出15N-甘氨酸。收率中等(65-85％)，產品純度高，但產量低(只有幾克)，反應步驟較多，時間較長(4-5天)。產物15N-甘氨酸通常需要采用離子交換樹脂柱進行分離提純，既降低了甘氨酸得率，又延長了合成時間。該方法是經典的15N標記物制備方法，可用于15N-甘氨酸及其衍生物的合成(S.Z.Wang，J.Jiang，W.M.Li，et al；Synthesis and analysis of15N-glycine，Zhonghua Heyixue，3(4)，224-7(Chinese)1983；K.Gunnarsson，Ulf Ragnarsson，Synthesis of Boc-15N-glycine，Pept.1990，Proc.Eur.Pept.Symp.，21st，Meeting Date 1990，307-8.Edited byGiralt，Ernest；Andreu，David.ESCOM Sci.Publ.Leiden，Neth.(English)1991；H.Engelmann，H.Niclas，A.Dauert，Preparation of glycine-15N，D5 withmore than 99％isotopic enrichment，Ger.(East)DD 254190，1988)。其他15N-甘氨酸合成法未見報道。
天然豐度甘氨酸的合成方法有以下幾種(1)氯乙酸胺化法(朱世英，郎建平，甘氨酸合成工藝研究，浙江化工，1990，21(3)40-43)。該法使用液氨與氯乙酸反應(時間較長，48h以上)，產物甘氨酸和氯化銨用大量甲醇分離。其特點是，液氨對氯乙酸比高達601mol以上，氨的利用率過低，甘氨酸的收率也較低(按氯乙酸計算為50％左右)，反應周期較長(60-70h)，用甲醇分離甘氨酸和氯化銨的效果并不理想，需要多次才能獲得高的甘氨酸純度，因此會造成甘氨酸的流失。如采用烏洛托品(六亞甲基四胺)為催化劑，并使用甲/乙醇-水溶劑，可提高產率、降低液氨對氯乙酸比和縮短反應時間(遲永祥，甘氨酸合成工藝研究，四川聯合大學學報(工程科學版)，1997，1(3)38-41；周世賢，隋升，醇相法生產甘氨酸，沈陽化工學院學報，1997，11(3)193-195)。但由于含氮的烏洛托品參與反應過程，還會釋放出氨，使用天然豐度的烏洛托品會明顯降低產品15N-甘氨酸的15N的豐度。
(2)Strecker法(章思規，精細有機化學品技術手冊(下冊)，北京，科學出版社，1083-1084；化學工業部科學技術情報所，世界精細化工手冊，北京，化學工業部科學技術情報所，1982，12)。該法以甲醛、氰化鉀/鈉和氨或銨反應，分別經過酸、堿分解得到甘氨酸。其工藝成熟、成本低、收率較高(70％左右)，但工藝路線較長，使用劇毒氰化物為原料，反應中有HCN逸出，因此對設備和三廢處理的要求較高，歐美和日本多采用該法。
上述兩法是目前工業上生產天然豐度甘氨酸的主要方法，此外還有(3)氨化還原法(William Montgomery Hearon，Producing glycine by thereductive amination of glyoxylic acid，US4073804，1976)。該法使用銠/活性炭催化劑，乙醛酸氨化還原合成甘氨酸。特點是，只有一個多步的連串反應，路線短，但反應時間不短(2g甘氨酸8h)；甘氨酸產率高，達96％(按乙醛酸計算)；但銠/活性炭催化劑價格高，使用乙醛酸易產生氨基二乙酸等副產物，并且由于產生的甘氨酸沉淀在催化劑上，催化劑使用量較大。該方法可用于幾克產品的合成，但不適宜幾十克至100克量的合成。
(4)乙醇腈-碳酸銨法(K.Fujiwara，N.Ueda，T.Sakamoto，et al，Preparationof glycine from glycolonitrile，JP 02045455，1990)。其特點乙醇腈和碳酸銨在較高的反應溫度和壓力(170℃，48kg)下“一鍋煮”，反應路線短，但副產物較多，甘氨酸得率為43.2％(按NH4+計算)，產量也較低。
發明內容
本發明的目的是提供一種以15N-氨、甲醛和鹵乙酸為原料合成15N-甘氨酸的方法。該合成方法簡單、易行，并適合于批量生產。
本發明的15N-甘氨酸的合成方法，由15N-氨基甲醇和鹵乙酸季銨鹽在醇溶液中反應制備而成，15N-氨基甲醇和鹵乙酸季銨鹽的配比為10～0.1∶1mol，反應溫度為20～90℃，反應時間為0.1～14小時，反應pH值為6～10。
所述的15N-氨基甲醇由甲醛溶于醇溶液與15N-氨反應生成，15N-氨和甲醛的配比為10～0.1∶1mol，反應溫度為0～70℃，醇的用量為20～300ml醇/mol15N-氨。
所述的鹵乙酸季銨鹽由鹵乙酸溶于醇溶液與叔胺反應生成，鹵乙酸與叔胺的配比為10～0.1∶1mol，反應溫度為30～80℃，反應時間為0.2～6小時，醇的用量為20～300ml醇/mol鹵乙酸。
所述的15N-氨基甲醇和鹵乙酸季銨鹽的配比為5～0.5∶1mol，反應溫度為30～80℃，反應時間為0.2～8小時，反應pH值為7～9。
所述的15N-氨和甲醛的配比為5～0.5∶1mol，反應溫度為15～50℃，醇的用量為40～200ml醇/mol15N-氨。
所述的鹵乙酸與叔胺的配比為5～0.5∶1mol，反應溫度為40～70℃，反應時間為0.4～3小時，醇的用量為40～200ml醇/mol鹵乙酸。
所述的15N-氨基甲醇為15N-甲醇胺或15N-甲醇胺與15N-二甲醇胺的混合物。
所述的醇選自甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇和叔丁醇。
所述的15N-氨選自15N-氨氣、15N-氨水和15N-液氨，優選15N-氨氣；所述的15N-氨氣、15N-氨水和15N-液氨由15N-氨氣、15N-氨水、15N-尿素、15N-液氨或15N-銨鹽中產生，其中的15N-銨鹽選自15N-硫酸銨、15N-氯化銨、15N-碳酸銨、15N-碳酸氫銨、15N-硝酸銨、15N-磷酸銨、15N-甲酸銨、15N-乙酸銨、15N-丙酸銨和15N-丁酸銨。
所述的甲醛選自甲醛氣、甲醛溶液和仲甲醛，優選甲醛氣和仲甲醛。
所述的鹵乙酸選自溴乙酸、氯乙酸和碘乙酸。
所述的叔胺選自三烷基胺和脂環叔胺，三烷基胺包括三甲胺、三乙胺、三丙胺和三丁胺。
15N-甘氨酸粗品經重結晶和真空干燥后為白色結晶，本發明方法合成的15N-甘氨酸產品的15N豐度采用Delta S氣體同位素質譜計進行分析，顯示15N豐度大于99％；產品純度使用凱氏定氮法進行分析，顯示純度大于99％；熔點采用WRS-1B數字熔點儀測量，顯示熔點為232～234℃。
具體實施例方式
實施例1在3000ml三口燒瓶中加入3mol甲醛氣和300ml丙醇，在攪拌下通入3mol15N-氨氣(15N豐度99.5％)，反應溫度控制在20-25℃，制備出15N-氨基甲醇(15N-甲醇胺和15N-二甲醇胺的混合物)。(本反應回收15N-氨氣約1mol)。
另在3000ml三口燒瓶中加入3mol溴乙酸和300ml丙醇，在攪拌下滴加6mol三丁胺，反應溫度控制在55℃，加完三丁胺后，繼續在55℃下攪拌2小時，制備出溴乙酸季胺鹽。
將上述含有溴乙酸季胺鹽的溶液加到上述含有15N-氨基甲醇的溶液中，調節pH值為8，升溫到55℃，反應4小時，生成的15N-甘氨酸以白色晶體析出。過濾、重結晶得112.6克15N-甘氨酸，經分析檢測表明，15N豐度為99.3％，純度為99.1％，15N-甘氨酸得率為71.6％(按消耗的15N-氨氣計算，下同)，熔點為232.3～233.5℃。
實施例2基本步驟同實施例1，用三丙胺代替三丁胺，得111.3克15N-甘氨酸，經分析檢測表明，15N豐度為99.3％，純度為99.0％，15N-甘氨酸得率為71.2％，熔點為232.0～233.1℃。
實施例3基本步驟同實施例1，用乙醇代替丙醇，得109.6克15N-甘氨酸，經分析檢測表明，15N豐度為99.3％，純度為99.2％，15N-甘氨酸得率為70.7％，熔點為232.0～233.2℃。
實施例4基本步驟同實施例3，溴乙酸季胺鹽與15N-氨基甲醇的反應溫度由55℃改為65℃，反應時間由4小時改為1.5小時，得114.2克15N-甘氨酸，經分析檢測表明，15N豐度為99.3％，純度為98.8％，15N-甘氨酸得率為72.1％，熔點為231.8～232.9℃。
實施例5基本步驟同實施例1，用氯乙酸代替溴乙酸，得107.3克15N-甘氨酸，經分析檢測表明，15N豐度為99.3％，純度為98.8％，15N-甘氨酸得率為70.2％，熔點為231.2～232.7℃。
實施例6在3000ml三口燒瓶中加入3mol溴乙酸和300ml丙醇，在攪拌下滴加6mol三丁胺，反應溫度保持在55℃，加畢，繼續在55℃下攪拌2小時，制備出溴乙酸季胺鹽，然后加入甲醛3mol，通入3mol15N-氨氣，控制反應溫度在20-25℃，制備出15N-氨基甲醇(15N-甲醇胺和15N-二甲醇胺的混合物)。生成的15N-氨基甲醇進一步與鹵乙酸季銨鹽在55℃下反應4小時，生成的15N-甘氨酸以白色晶體析出，過濾、重結晶得111.2克15N-甘氨酸，經分析檢測表明，15N豐度為99.3％，純度為99.0％，15N-甘氨酸得率為71.0％，熔點為232.0～233.1℃。
實施例7在3000ml三口燒瓶中加入1mol甲醛氣和200ml異丙醇，在攪拌下加入10mol15N-氨水(15N豐度99.5％)，反應溫度控制在10-15℃，制備出15N-氨基甲醇(15N-甲醇胺和15N-二甲醇胺的混合物)。
另在5000ml三口燒瓶中加入10mol碘乙酸和2000ml異丙醇，在攪拌下滴加1mol三乙胺，反應溫度控制在30-35℃，加完三乙胺后，繼續在30-35℃下攪拌5小時，制備出碘乙酸季胺鹽。
將上述含有碘乙酸季胺鹽的溶液加到上述含有15N-氨基甲醇的溶液中，調節pH值為7，升溫到35℃，反應10小時，生成的15N-甘氨酸以白色晶體析出。
實施例8在3000ml三口燒瓶中加入2mol仲甲醛和100ml甲醇，在攪拌下加入0.4mol15N-液氨(15N豐度99.5％)，反應溫度控制在50-60℃，制備出15N-氨基甲醇(15N-甲醇胺和15N-二甲醇胺的混合物)。
另在3000ml三口燒瓶中加入1mol溴乙酸和100ml甲醇，在攪拌下滴加2mol三甲胺，反應溫度控制在75℃，加完三甲胺后，繼續在75℃下攪拌0.5小時，制備出溴乙酸季胺鹽。
將上述含有溴乙酸季胺鹽的溶液加到上述含有15N-氨基甲醇的溶液中，調節pH值為9，升溫到70℃，反應0.5小時，生成的15N-甘氨酸以白色晶體析出。
實施例9在3000ml三口燒瓶中加入3mol甲醛溶液和300ml正丁醇，在攪拌下加入15mol15N-液氨(15N豐度99.5％)，反應溫度控制在5-10℃，制備出15N-氨基甲醇(15N-甲醇胺和15N-二甲醇胺的混合物)。
另在3000ml三口燒瓶中加入5mol氯乙酸和300ml正丁醇，在攪拌下滴加1mol三丁胺，反應溫度控制在30℃，加完三丁胺后，繼續在30℃下攪拌6小時，制備出氯乙酸季胺鹽。
將上述含有氯乙酸季胺鹽的溶液加到上述含有15N-氨基甲醇的溶液中，調節pH值為6，升溫到30℃，反應14小時，生成的15N-甘氨酸以白色晶體析出。
實施例10
在3000ml三口燒瓶中加入3mol甲醛氣和500ml叔丁醇，在攪拌下通入9mol15N-氨氣(15N豐度99.5％)，反應溫度控制在70℃，制備出15N-氨基甲醇(15N-甲醇胺和15N-二甲醇胺的混合物)。
另在3000ml三口燒瓶中加入3mol碘乙酸和1000ml叔丁醇，在攪拌下滴加1mol三丙胺，反應溫度控制在80℃，加完三丙胺后，繼續在80℃下攪拌0.1小時，制備出碘乙酸季胺鹽。
將上述含有碘乙酸季胺鹽的溶液加到上述含有15N-氨基甲醇的溶液中，調節pH值為10，升溫到90℃，反應0.2小時，生成的15N-甘氨酸以白色晶體析出。
權利要求
1.一種15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于由15N-氨基甲醇和鹵乙酸季銨鹽在醇溶液中反應制備而成，15N-氨基甲醇和鹵乙酸季銨鹽的配比為10～0.1∶1mol，反應溫度為20～90℃，反應時間為0.1～14小時，反應pH值為6～10。
2.如權利要求1所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的15N-氨基甲醇由甲醛溶于醇溶液與15N-氨反應生成，15N-氨和甲醛的配比為10～0.1∶1mol，反應溫度為0～70℃，醇的用量為20～300ml醇/mol15N-氨。
3.如權利要求1所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的鹵乙酸季銨鹽由鹵乙酸溶于醇溶液與叔胺反應生成，鹵乙酸與叔胺的配比為10～0.1∶1mol，反應溫度為30～80℃，反應時間為0.2～6小時，醇的用量為20～300ml醇/mol鹵乙酸。
4.如權利要求1所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的15N-氨基甲醇和鹵乙酸季銨鹽的配比為5～0.5∶1mol，反應溫度為30～80℃，反應時間為0.2～8小時，反應pH值為7～9。
5.如權利要求2所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的15N-氨和甲醛的配比為5～0.5∶1mol，反應溫度為15～50℃，醇的用量為40～200ml醇/mol15N-氨。
6.如權利要求3所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的鹵乙酸與叔胺的配比為5～0.5∶1mol，反應溫度為40～70℃，反應時間為0.4～3小時，醇的用量為40～200ml醇/mol鹵乙酸。
7如權利要求1或2所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的15N-氨基甲醇為15N-甲醇胺或15N-甲醇胺與15N-二甲醇胺的混合物。
8.如權利要求1或2或3所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的醇選自甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇和叔丁醇。
9.如權利要求2所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的15N-氨選自15N-氨氣、15N-氨水和15N-液氨，優選15N-氨氣；所述的15N-氨氣、15N-氨水和15N-液氨由15N-氨氣、15N-氨水、15N-尿素、15N-液氨或15N-銨鹽中產生，其中的15N-銨鹽選自15N-硫酸銨、15N-氯化銨、15N-碳酸銨、15N-碳酸氫銨、15N-硝酸銨、15N-磷酸銨、15N-甲酸銨、15N-乙酸銨、15N-丙酸銨和15N-丁酸銨。
10.如權利要求2所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的甲醛選自甲醛氣、甲醛溶液和仲甲醛，優選甲醛氣和仲甲醛。
11.如權利要求3所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的鹵乙酸選自溴乙酸、氯乙酸和碘乙酸。
12.如權利要求3所述的15N-甘氨酸的合成方法，其特征在于所述的叔胺選自三烷基胺和脂環叔胺，三烷基胺包括三甲胺、三乙胺、三丙胺和三丁胺。
全文摘要
本發明提供了一種
文檔編號C07C227/00GK1772727SQ200410067990
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月10日 優先權日2004年11月10日
發明者盧偉京, 徐建飛, 宋明鳴, 趙誠 申請人:上海化工研究院