（应用化学专业论文）含氨基酸手性树脂的合成研究.pdf

摘要 手性化合物的合成和拆分一直是有机合成的研究热点，以手性固定相通过色谱方法分离 手性化合物一直是其中一个重要方向，相关的研究每年都有近百篇论文发表。本文使用廉价 的氨基酸与不饱和脂肪酸结合形成手性单体，后者在一定条件下聚合形成含氨基酸结构的手 性聚合物，这些聚合物有可能用于色谱法分离手性化合物的手性固定相。 以三氯化磷为氯化剂制备不饱和酸的酰氯，即油酰氯、十一烯酰氯、丙烯酰氯。使酰氯 分别与氨基酸反应制备了油酰【广谷氨酸、十一烯酰l 谷氨酸、丙烯酰l 谷氨酸、丙烯酰l 丙氨酸以及丙烯酰o 丙氨酸甲酯等含氨基酸的手性单体。研究了油酰氯制备、油酰l 谷氨 酸的制备条件。 研究了油酰- l 谷氨酸、十一烯酰l 谷氨酸与苯乙烯，二乙烯苯共聚的可能性，由于位 阻较大，他们通常不能形成具有较高含量、较高分子量的共聚物。 以过氧硫酸钾和亚硫酸钠为引发莉，在水溶液中使丙烯酰- i ，谷氨酸、丙烯酰l 丙氨酸 ( 甲酯) 与n ，n l 皿甲基双丙烯酰胺共聚。得到手性聚合物。以a i b n 为引发剂，在水溶液 中使丙烯酰- l 一谷氨酸、丙烯酰一l 丙氨酸( 甲酯) 与二乙烯苯共聚，得到手性聚合物。 以马来酸酐和味精为原料，在丙酮水溶液中，制备了马来l 一酰谷氨酸，产品用熔点、 n m r 、i r 及比旋光进行了表征。详细研究了影响反应各种因素，初步确定了较佳的工艺条 件。 以过氧硫酸钾为引发剂，在水溶液中使马来酰谷氨酸和苯乙烯、二乙烯苯共聚，得到含 氨基酸的手性聚合物。详细研究了聚合温度、共聚单体的比例，聚合时间、溶液p h 值等因 素对聚合反应的影响。 关键词：油酰l 谷氨酸十一烯酰一l 谷氨酸马来酰l 谷氨酸丙烯酰l 谷氨酸丙烯 酰- l - 丙氨酸( 甲酯) 马来酰一l 一谷氨酸共聚物丙烯酰l 丙氨酸( 甲酯) 共聚物 a b s t r a c t s y n t h e s i sa n dr e s o l u t i o no fc h i r a lc o m p o t m d sh a v eb e e na l w a y st h ef o c u so fo r g a n i c s y n t h e s i s ，u t i l i z a t i o no fc h i r a ls t a t i o n a r yp h a s et os e p a r a t ec h i r a lc o m p o u n d si so n eo fi m p o r t a n t m e t h o d s t h e r ei sh u n d r e d so fr e s e a r c hp a p e r sr e l a t e do ni te v e r yy e a r i nt h i st h e s i s ，c h i r a l m o n o m e r sw e r ep r e p a r a t e db yr e a c t i o no fc h e a pa m i n oa c i d sw i t hu n s a t u r a t e df a t t ya c i d s p o l y m e r i z a t i o no ft h ec h i r a lm o n o m e r sp r o d u c e sc h i r a lp o l y m e r s t h e 辩c h i r a lp o l y m e r sh a v e p o t e n t i a la sc h i r a ls t a t i o n a r yp h a s et os e p a r a t ec h i m lc o m p o u n d s p h o s p h o r u st r i c h l o r i d ea sc h l o r i n a t i n ga g e n tp r o d u c e do l e o y l a c y lc h l o r i d ef r o mo l e i ca c i d t h em o n o m e ro f n - o l e o y l l - g l u t a m i ca c i dw a s p r e p a r e db yt h er e a c t i o no f l - g l u t a m i ca c i dw i t h o l e o y l a c y lc h l o r i d e p r e p a r a t i o n so fo l e o y l a c y lc h l o r i d ea n dn - o l e o y l l - g l u t a m i ca c i dw e r e s t u d i e d as i m i l a r p r o c e d u r e w a su s e df o r p r e p a r i n g c h i r a lm o n o m e r so f n u n d e c y l e n y l l - g l u t a m i ca c i d , n - a c r y l y l - l - a l a n i n e n a c r y l y l l - a l a n i n em e t h y le s t e r , n - a c r y l y l l - g l u t a m i ca c i d i nt h er a d i c a l c o p o l y m e r i z a t i o n o f n - o l e o y l l - g l u t a m i c a c i dw i t h s t y r e n e a n d d i v i n y l b e n z e n e ，ac o p o l y m e ro fh i g h e rm o l e c u l a rw e i g h tw i t hs a t i s f a c t o r yc o m p o s i t i o n sw a sn o t o b t a i n e di nt h ep r e s e n c eo fb p oo ra i b n ，b e c a u s eo fi t ss t e r i cf a c t o r s i ti ss i m i l a rf o r n - u n d e c y l e n y l - l - g l u t a m i ea c i d c o p o l y m e r i c a t i o no fn - a c r y l y l - l - g l 【u t a m i ca c i dw i t hn n - m e t h y l e n a - b i - a c r y l a m i d ew a s i n i t i a t e db yk 2 s 2 0 s a n d n a 2 s 0 3i nw a t e r , w h i c hp r o d u c e dc h i r a lc o p o l y m e r s as i m i l a rp r o c e d u r e w a su s e df o r p r e p a r i n gc o p o l y m e r s o f n - a c r y l y l l - a l a n i n e ( m e t h y le s t e r ) w i t h n n - m e t h y l e n e b i a c r y l a m i d e c o p o l y m e r s o f n a c r y l y l - l - a l a n i n e ( m e t h y l e s t e o o r n - a c r y l y l l - g l u t a m i ca c i dw i t hd i v i n y l - b e n z e n ew e r eo b t a i n e di nt h ep r e s e n c eo f a i b n n - m a l e o y l - l - g l u t a m i ca c i dw a ss y n t h e s i z e db yr e a c t i o no f l g l u t a m i ca c i dm o n o s o d i u ms a l t a n dm a l e i ca n h y d r i d ei nt h ep r e s e n c e so f s o d i u mh y d r o x i d ei na q u e o u sa c e t o n e t h ep r o d u c tw a s c h a r a c t e r i z e dw i t hm p i ra n d1 h n m l lt h ei n f l u e n c e so fm o l a rr a t i oo fm a t e r i a l ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r ea n dt i m eo nr e a c t i o ny i e l do f t h ep r o d u c tw e r es t u d i e d c o p o l y m e r i c a t i o no fn - m a l e o y l - l - g l u t a m i ca c i dw i t hs t y r e n eo rd i v i n y l b e n z e n e w a s i n i t i a t e db yk 2 8 2 0 $ i nw a t e r , a n dp r o d u c e dc h i r a lc o p o l y m e r s t h ei n f l u e n c e so fm o l a rr a t i oo f m o n o m e r s ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e , r e a c t i o nt i m ea n dt h ep ho fs o l u t i o no nr e a c t i o ny i e l do ft h e c h i r a lc o p o l y m e r sw e r ei n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：n - o l e o y i - l - g l u t a m i ea c i d ，n u n d e c y l e n y l - l - g l u t a m i ca c i d ，n - m a l e o y l l - g l u t a m i c a c i d ，n - a c r y l y l l - g l u t a m i ca c i d , n a c r y l y l l - a l a n i n e ( m e t h y le s t e r ) ，c o p o l y m e ro f n m a l c o y l l - g l u t a m i ca c i d c o p o l y m e ro f n - a c r y l y l - l - a l a n i n e ( m e t h y le s t e r ) 东南大学学位论文独创 性声明 本入声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 咣躲枷导师萨日期 东南大学硕士学位论文 1 1 氨基酸概述 i i i 氨基酸及其应用 第一章绪论 氨基酸是分子中同时含有羧基( - c o o h ) 和氨基( - n h 2 ) 的有机化合物。根据氨基连 接的位置不同，氨基酸可以分为a 、p 、丫、6 氨基酸等，其中以d 一氨基酸最为常见，其通式为： r c h ( n h 2 ) c o o h ，其中r 为氢或其它烃基及含有官能团的烃基。伐一氨基酸是与生命活动密 切相关的蛋白质的基本组成单元，在生物体内具有重要的生理作用【l 】。常见蛋白质和多肽经 过水解可以生成二十余种重要的a - 氨基酸，如甘氨酸，丙氨酸，天冬氨酸，赖氨酸，苯丙氨 酸，组氨酸，脯氨酸等。 氨基酸由于分子中既存在酸性基团，又存在碱性基团，因此常以内盐形式存在，常温下 都是无色结晶性物质，熔点较高。通常能溶于水、强酸和强碱溶液，除脯氨酸和羟脯氨酸外 均难溶于醇，都不溶于非极性和弱极性溶剂如苯、乙烷、乙醚等【2 j 。氨基酸在溶液中的荷电 状态和溶液的p h 有关，当溶液在某一特定的p h 时氨基酸本身具有的净电荷为零，该p h 就是这种氨基酸的等电点。在等电点时氨基酸的溶解度最小，最易从溶液中结晶析出，可以 利用这一性质分离提纯氨基酸。氨基酸的另一重要特性就是其手性及旋光性，除甘氨酸外， 其它的氨基酸都具有旋光性，可以利用这特性来鉴定这类氨基酸。 氨基酸的制各及生产研究一直是氨基酸研究的熟点之一。目前生产氨基酸的方法主要有 生物法，水解法和化学合成法阻“。 由于氨基酸生产技术的不断革颓、成本的下降以及基础研究的进展，氨基酸已被广泛应 用于医药、食品、化工等行业【“i 。如医用的各种氨基酸及其衍生物输液制剂、营养剂等，农 业上各种杀虫剂、杀菌剂，食品、饲料、化妆品的各种添加剂以及化学工业中各种表面活性 剂等。 随着生物工程技术产业的发展，氨基酸的需求量越来越大，品种变更越来越快，工艺改 革也越来越新。氨基酸在医药、日用化工、农业、冶金，环保、轻工、生物工程技术等方面 的需求比例更是逐年增加。氨基酸深层次加工及新产品开发已成为国内外氨基酸产业技术发 展的一大趋势1 。氨基酸产品的涵义也已从传统的蛋白质氨基酸发展到包括非蛋白质氨基 酸、氨基酸衍生物及短肽类在内的一大类对人类生活和生产起着愈来愈重要作用的产品类 群，这为氨基酸生产的进一步发展提供了更大市场，为氨基酸及相关产业注入了新的活力， 生物技术和化工技术的结合是氨基酸工业工艺技术目前的主要发展方向f 2 ”。例如，利 用生物工程技术来改造氨基酸产生的菌种；利用各种生物化工技术解决目前氨基酸工业中分 离技术，以提高氨基酸产品的质量和收率；利用不对称合成技术。直接合成高光学纯度的氨 基酸等。 伴随手性药物需求的日益增长，氨基酸及其衍生物逐澌成为合成手性药物的重要医药中 间体。目前作为光学活性药物合成中使用的氨基酸除天然氢基酸外，非天然氨基酸作为中间 体原料也已经受到人们的关注。如德国药公司与d s m 公司现在至少合成出3 0 多种非天然 氨基酸作为合成活性药物的重要原料。此外，n 氨基酸、短链肽等的制备和开发利用目前也 已渐成氨基酸工业的热点 2 2 1 。这些变化以及人们对氨基酸认识的逐步深入无疑对氨基酸的分 离提纯技术提出了更高的要求。氨基酸的纯化已成为氨基酸工业当前所面临的重要课题。 第一章绪论 1 1 2 氨基酸对映体的拆分技术 氨基酸因其特别重要的生理功能及特殊的理化、生理性质，在手性物质中占有重要地位。 随着人们对手性分子的认识的深入以及对单一手性物质需求量的快速增加，对手性物质纯度 的要求也越来越高，氨基酸对映体的分离提纯无疑是十分必要的。在氨基酸制各的几种方法 中，先合成外消旋体再拆分仍然是种普遍有效的办法，因此其对映体的拆分也己逐渐成为 氨基酸工业的重要内容。目前，外消旋化的氨基酸的拆分方法主要有诱导结晶法、化学拆分 法、生物拆分法、色谱拆分法等。 1 1 ，2 1 诱导结晶法( 又称优先结晶法) 诱导结晶法是在饱和或过饱和的外消旋的氨基酸溶液中加入其中一个对映异构体的晶 种，使该对映异构体稍稍过量因而造成不对称环境，结晶就会按非平衡的过程进行，这样旋 光性与该晶种相同的异构体就会从溶液中结晶出来，借此达到分离目的。1 9 3 4 年d u s c h i n s k y 第一次用该方法分离得到盐酸组氨酸；2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代，该方法在工业生产上用于由丙 烯腈制备l 谷氨酸的拆分。 优先结晶法是一种高效、简单而又快捷的拆分方法，晶种的加入造成两个对映异构体具 有不同的结晶速率是该动态过程控制的关键。延长结晶时间可提高产品的产率，但产品的光 学纯度有所下降。从优先结晶法中得到晶体后，如要进一步提高产物的光学纯度，可经过反 复的重结晶来实现。 1 1 2 2 化学拆分法 化学拆分法是利用手性试剂与外消旋体反应，生成两个非对映异构体，再利用它们物理 性质( 如溶解度、蒸汽压，吸收系统等) 的不同，将其拆分，最后再把这两个非对映异构体分 别复原为原来的对映体。通常拆分碱性物质用酸性拆分剂，拆分酸性物质用碱性拆分剂。常 用的拆分剂有溴化樟脑磺酸、酒石酸、扁桃酸等。 化学拆分通常由于要先转化成氨基酸衍生物，工艺路线复杂，故步骤多、收率低，一般 拆分率仅为5 0 左右，且存在拆分剂的选择、回收及延长使用周期的问题。无疑，选择合适、 经济的拆分剂与拆分路线可极大地提高拆分效率，拆分剂的合成是化学拆分法的研究重点。 1 1 2 3 动力学拆分法 对映体与一个手性试剂( 拆分剂) 反应，所形成的两种过渡产物己不呈镜像关系，两者的 能量也不相同；因此两种对映体分别与拆分剂反应时，他们的活化能就不同，反应速度也不 一样。如果用不足量的拆分剂与外消旋体作用，则反应快的对映体将优先完成反应，而剩下 反应慢的对映体，从而达到拆分的目的。 1 1 2 4 生物拆分法 生物拆分法又分为酶拆分法和微生物法，其原理为：外消旋氨基酸先生成其衍生物如外 消旋酯、酰胺，然后用酶或微生物选择性水解生成旋光纯氨基酸，再通过常规的化学或物理 方法从反应混合物中分离。如酵母在d l 氨基酸中培养，易与b 对映体反应而剩下o 对映 体，从而达到拆分的目的。生物拆分法可用完整的微生物细胞或从微生物中提取酶作为生物 催化剂。生物催化剂的区域立体选择性强、反应条件温和、操作简便、成本较低、公害少， 且能够完成一些化学方法难以完成的反应；但是生物拆分法也有菌种筛选困难、酶制剂不易 保存、产物后处理工作量大以及通常只能得到一种对映体等缺点。尽管如此，利用微生物进 行手性药物的合成及对映体的拆分仍是目前研究的热点。 2 东南大学硕士学位论文 1 1 2 5 色谱拆分法 色谱法 2 3 1 能处理的样品量很小，目前主要用于分析目的或获得少量纯异构体。 气相色谱拆分法手性气相色谱拆分法一般可分为直接和间接拆分法。间接拆分法又称 手性试剂衍生化法，即先通过共价结合作用，在对映体分子中引入另一个手性中心，形成非 对映体后再用非手性气相色谱拆分。显然，这种方法对手性衍生化试剂要求较高。直接拆分 方法是通过使用一个具有光学活性的环境，即手性固定相，来提供拆分所需的手性中心，故 又称为手性固定相法。它不需要柱前手性衍生化反应。氨基酸对映体的分离多用环糊精及其 衍生物作为气相色谱的手性固定相。尽管通过手性试剂衍生化的方法不如用手性固定相进行 拆分方法方便准确。但因为间接法可使用廉价的非手性固定相，应用时十分灵活；引入某些 基团后，不仅可增加化合物的挥发性，而且还能增强检测灵敏度，费用也较直接法经济，因 此在实践中仍然受到人们的重视。 高效液相色谱手性固定相、流动相法拆分和高效液相色谱手性固定相法不同，高效 液相色谱手性流动相法不需价格昂贵的手性固定相，而是将手性试剂加到流动相中，使用常 规的正相或反相柱分离。由于该方法简单，己引起了广泛的注意。 手性配位交换液相色谱方法手性配位体交换色谱法即在色谱系统中引入某种金属离 子和某种手性配位体，待测对映体与配位体可形成两个非对映的三元配合物，经色谱过程实 现光学异构体的立体选择性分离。手性配位体交换色谱法有三种类型：( 1 ) 手性键合固定相， 即将某种金属离子结合到手性配位固定相上；( 2 ) 手性覆盖固定相，即用某种金属离子结合 的手性配位体将固定相表面预饱和；( 3 ) 手性流动相，即将某种手性金属离子配位体加至色 谱洗脱剂中，在一种非手性固定相( 如c 1 8 键合相) 上进行对映体对的拆分。游离的a 一氨基 酸、b 一氨基酸、丹酰氨基酸和氨基酰胺等都可以使用这种方法。 手性薄层色谱拆分薄层色谱拆分法也是分析分离氨基酸对映体的常用方法，利用薄层 色谱进行拆分主要有两种形式：一是利用手性流动相在非手性固定相上进行拆分；二是利用 手性固定相拆分。薄层色谱拆分法对对映异构体的分离具有方便、快速的优越性，有较好的 应用前景。有文献。报道采用一般的薄层色谱拆分法，选用b c d 手性流动相，沪奎宁手性 流动楣和手性固定相纤维素板及非手性c 1 8 反相板对氨基酸对映体进行了拆分。还有文献。1 报道用3 5 一二硝基苯甲酰氯取代的b c d 薄层色谱作固定相，修饰1 3 c d 的羟基，用丹磺酰 氯( d n s - c i ) 衍生化氨基酸对映体，在氨基酸对映体手性中心的氨基上引入与9 c d 空腔大小 相匹配的二甲氨基萘磺酰基，使衍生化的氨基酸对映体能与b c d 形成稳定的包埋络合物， 使8 对丹磺酰一氨基酸对映体得到完全分离。 1 1 2 6 毛细管电泳分离 毛细管电泳也称为高效毛细管电泳，是利用液体介质中的带电粒子在电场作用下迁移速 度不同而进行分离的电泳方法。毛细管电泳具有分离效率高，分离模式多，操作简便，分析 速度快等优点，并且对于手性样品和试剂的消耗量小，只要在电泳液中添加适当的手性分子 识别剂，就能获得满意的分离效果。尤其是对开发中的新药的对映体的分离和生物体内药物 代谢过程中对映体的分离，更具有其独特的优点。因此，近年来其在光学异构体分离研究应 用中得到了迅速的发展。 毛细管屯泳有直接拆分和问接拆分两种形式。 从原理角度看，直接拆分有以下四种模式：( 1 ) 主客体配位被分析物( 客体分子) 在空间 上被配合物( 主体分子) 包容形成配合物的过程。目前主要用环糊精及其衍生物、手性冠醚等 3 第一章绪论 与对映体形成内配合物。( 2 ) 配体交换配位指中心离子( 如c u 2 + , n i z + ) 和至少两个手性双官能 团配体形成蝥合物的过程。( i a s s m a n n t z o j 等以l - 组氨酸作配体，c u 2 + 作中心离子分离了1 0 种 丹酰化氨基酸。此后，他们又利用l 天冬酰- l - 苯丙氨酸作配体有效地分离了1 4 种丹酰化氨 基酸，并讨论了c u 2 + 浓度与配体浓度比值对分离的影响。( 3 ) 手性胶束包合1 采用手性胶 束包容分离对映体时，手性中心必须与胶束结合，即在胶束中引入手性基团或胶束本身具有 手性，c o h e n 用n - 十二烷酰基一l 丙氨酸和s d s ( 十二烷基磺酸钠) 混合胶柬分离了几种氨基 酸。l s i h e m s 用甘草酸加s d s 分离衍生化氨基酸。( 4 ) 蛋白质亲合用蛋白作手性选择子最适 合于具有生物活性物质的对映体拆分。和h p l c 相比，这种做法有很多好处，一是样品和添 加剂的用量小，有利于昂贵稀有的蛋白质或其它生物分子的分离研究：二是由于分子能在和 生理条件非常相似的环境中悬浮，比起基质和载体的共价来更加准确和方便。有报道1 用 牛血清蛋白、a 一酸性糖蛋白和纤维素酶作手性选择子，分离色氨酸：y a n g 等1 用人血清蛋 白作添加剂在l o 分钟内完成了色氨酸分离，并认为这种状态将适用于能和人血清蛋白结合 的其它化合物。 间接拆分是一种柱前衍生，核心是衍生剂的选择。该方法复杂而且易产生消旋现象，和 直接拆分法相比较而言尚有很多难题急需解决。 1 1 2 7 萃取拆分法 溶剂萃取法1 3 0 用于对映体拆分具有提取与分离效率高、分离效果好、设备简单等优点， 且萃取过程一般均在常压、常温下进行，能耗低，其原理是依据溶质在两互不相溶的溶剂相 中溶解度的差异而分离。与传统萃取分离不同的是对溶剂的特殊要求：要实现外消旋体拆分， 两互相接触的液相至少有一相要有旋光性。 目前的研究结果认为至少存在三种萃取拆分体系，即：亲和萃取拆分体系、配位萃取拆 分体系和形成非对映体萃取拆分体系。 ( 1 ) 亲和萃取拆分b a o m a n 等p 1 1 指出，外消旋体和拆分剂之间至少分别有两个作用 点，外消旋体由于构型上的差异，与拆分剂形成的非对映体配合物稳定性便不同，其物理性 质如溶解度就有差异，从而使对映体得以萃取拆分。 ( 2 ) 配位萃取拆分体系以手性试剂作配体与中心离子( 多数为过渡元素的离子) 形成 配合物萃取拆分剂，与对映体形成螯合物，外消旋体由于构型上的差异，所形成的螯合物稳 定性不同，其物理性质表现出较大的差异，在两相间的分配行为亦不同，从而实现对映体的 拆分。亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸对映体用该法实现了高纯度分离。 ( 3 ) 形成非对映体萃取拆分体系非对映体分子物化性质不同，利用手性试剂使对映 体转化成非对映体，依据其物化性质的差异( 如溶解度) 可实现对映体的拆分。 另外，膜技术用于萃取拆分过程有助于实现萃取拆分分离。 1 1 2 8 膜分离拆分法 氨基酸的生物转移通常是由包埋在生物膜中的载体蛋白来传递的，这种转移对对映体选 择性很高。将这种对映体转移体系用于分离技术中，通过膜分离进行旋光异构体拆分正是这 种生物过程的模拟。膜拆分法又可分为液体膜拆分法和手性固定膜拆分法。从连续性和能量 有效的观点来看，通过手性膜拆分氨基酸对映体是非常吸引人的。 1 1 2 8 1 手性拆分液膜”卅 按照液膜的不同，液膜拆分可分为支撑液膜、乳化液膜、厚体液膜三种类型。 在支撑液膜中，具有手性选择能力的载体溶解于一定的液体溶剂之中，通过与某个对映 异构体特异性的结合，将其从上相运输到下相，从而实现手性分离。支撑液膜最突出的优点 4 东南大学硕士学位论文 是只需少量手性选择剂，通常将膜液( 溶剂和手性选择剂) 通过毛细管力吸附在多孔固体膜f 液 体的支撑膜) 的孔道中。h a d i k 等d 3 i 用基于多孔聚丙烯中空纤维膜的支撑液膜研究了d ，l - 丙 氨酸溶质的拆分，结果表明，d ，l 一丙氨酸的最大分离因子是1 7 5 ，且n 对映体优先透过。 乳化液膜又称液体表面活性剂膜。其膜相通常含有表面活性剂、萃取剂( 载体) 、溶剂与 其他添加剂以控制液膜的稳定性、渗透性和选择性，因此，乳化液膜比支撑液膜过程更稳定。 d z y g i e l 等p 4 j 用工业表面活性剂和卵磷脂作为乳化液膜的稳定剂来萃取氨基酸。p i c k e r i n g 等 入p j 用n 一癸基一l 羟基脯氨酸铜作为手性载体溶解在乙醇和癸烷的膜溶剂中制得了乳化液 膜，并研究了苯基丙氨酸外消旋混合物的手性选择传输，得到最大的对映体选择率为2 4 ； 实验还发现内部水相采用较低的p h 值能强化手性选择传输。 在厚体液膜中，一层相对较厚的不混溶的流体将料液相与接收相分开。膜相仅仅是借助 不可混溶性与其他相分开。用b 一环糊精作为手性载体的单级和多级厚体液膜可对外消旋氯 噻酮混合物进行手性富集州。 实验室规模的液膜手性拆分均取得了较高的选择性，但由于手性液膜难以克服稳定性较 差的缺点，其应用受到了很大限制。 1 1 2 8 2 手性拆分固膜 手性固膜根据拆分原理的不同又分为选择性扩散膜和选择性吸附膜两种类型【3 7 】。 选择性扩散膜选择性扩散膜不带有特殊的手性选择剂，膜材料自身可以是手性高聚 物，或是将手性高聚物涂层在膜表面上。产生选择性扩散的原因是两种对映体在膜中的扩散 速度不同。选择性扩散膜的典型膜材料有壳聚糖，海藻酸钠、纤维素、手性聚氨基酸衍生物 等。 a o k i p ”等将( 十l 一 4 一【二甲基( 1 0 一蒎烷基) 硅基】苯基 - 2 一苯乙炔、( - ) 1 3 二甲基( 1 0 蒎烷 基) 硅基1 苯基 - 2 一苯乙炔、( - ) 一1 - 4 - 【二甲基0 0 - 蒎烷基) 硅基】苯基 1 丙炔等在n b c l 5 、t a c i j 、 m o c i s 的催化下聚合得到聚( 十l 4 - 【二甲基( 1 0 - 蒎烷基) 硅基】苯基卜2 苯乙炔、聚( 十1 3 【二 甲基0 0 一蒎烷基) 硅基】苯基 一2 一苯乙炔和聚( ) 一i 一 4 【二甲基( t o - 蒎烷基) 硅基1 苯基1 1 丙炔得 到的膜进行了手性选择色氨酸外消旋体的透过实验，发现对映体选择率随透过率的减低而增 加。其中聚_ 1 - 4 - 【二甲基( t o 一蒎烷基) 硅基】苯基卜l - 丙炔的对映选择率最高达3 1 6 。 l e e 等 3 9 1 用聚谷氨酸酯衍生物对聚偏氟乙烯超滤膜改性，得到非对称的手性拆分固膜。膜 分别经过取代苯环和酯交换反应得到聚l 谷氨酸和具有三缩( 乙二醇) 单乙醚侧链的聚谷氨 酸酯非对称固膜。对色氨酸、苯基丙氨酸和酪氨酸进行了渗透实验，对映体选择率为 1 0 4 - - i 4 。 选择性扩散膜的主要缺点是膜的传质通量与膜的选择性之问通常是一对矛盾，即当膜的 选择系数很高时，传质通量一般较低。 选择性吸附膜选择性吸附膜是利用嵌在聚合物母体中的手性选择剂对某种对映体具 有优先吸附作用来分离对映体的。膜中存在手性选择剂，与手性选择剂结合力强的对映体优 先通过膜，富集至渗透侧溶液中。这些手性选择剂大多是分析中常用的，如8 环糊精f 4 0 l 、 氨基酸一铜离子配合物、小牛血清蛋白、冠醚衍生物等。 n a k a m u r a 和k i y o h a r a 等采用小牛血清蛋白作为手性选择剂固定在多孔的聚乙烯中空纤 维孔内的接枝高分子链上，从而得到手性拆分固膜。该膜对d ，l 一色氨酸的分离因子为1 2 ， 并且相当稳定。d i n g 等用中空纤维膜实现了d l 亮氨酸的分离。k o j i o r a b e 等将酶促反应与 膜技术结合起来，用中空纤维膜实现了苯甘氦酸对映体的萃取拆分。龙远德等1 4 l l 制备了一种 新型光学分离膜，即带有l 脯氨酸手性选择子的交联聚乙烯醇膜，考察d l 一酪氨酸、d l - 苯 丙氨酸和d l 一色氨酸通过膜的对映体选择性渗透性能时发现l 氨基酸优先透过膜，消旋氨基 酸透过膜的对映体拆分机理类似于手性配体交换色谱方法拆分消旋氨基酸的机理，在d l - 氨基酸的对映体选择性膜透过中，对映体选择性吸附起着重要的作用。 5 第一章绪论 1 1 2 8 3 非手性固膜 尽管手性固膜拆分氨基酸对映体的选择性很高，但其存在一个普遍的缺点，即传质通量 系数较低，这对进行工业化规模放大是十分不利的。非手性固膜本身不具有手性选择性，其 分离的原理是：向待分离的外消旋体溶液中加入手性选择剂，一种对映体易与手性选择剂结 合生成复合物，复合物分子由于体积过大在通过膜时被膜孔阻截，从而使外消旋体得以分离。 显然，与手性选择剂作用力弱的对映体优先通过膜。非手性周膜拆分法易于与其他膜分离过 程耦合，如电渗析、超滤等，具有息好的工业应用前景。k a r s t e n 等以聚丙烯膜孔内的聚合 物作为分子识别位点，酪氨酸衍生物外消旋体通过这种分子印迹聚合物膜时的速度不同，从 而得以分离。y o s h i k a w a 等1 4 z , 4 3 1 成功制备了2 种分子印迹聚合物手性膜，这类膜只对模板分 子的类似物表现出吸附选择性。 1 2 含氨基酸聚合物的应用 上世纪9 0 年代以后氨基酸的合成与提纯的发展使人们看到对氨基酸手性聚合物研究的 价值，使得氨基酸用于手性聚合物的研究大大增加。含有氨基酸的聚合物由于氢键导致更高 的有序结构如o - 螺旋结构及结构上各种功能基团的存在，使含氨基酸聚合物在生物材料、 药物传输代理、手性识别固定相、不对称合成催化剂及金属离子吸附剂等方面得到广泛应用。 此外，由于氨基酸及其衍生物的独特性能，氨基酸及其衍生物在各种生物材料，绿色化学产 品等方面的应用也已受到重视。例如，较好的生物相容性使之在医用高分子材料方面有着良 好的发展前景；易分解，产物对环境友好，氨基酸聚合物已成为各种可降解材料中的首选品 种。 1 2 1 生物材料 氨基酸与生物体具有良好的兼容性，因此被认为是最理想的生物合成材料的原料。在医 用材料方面、仿生材料等具有巨大的潜在应用h ”。此外，氨基酸聚合物水解后转化为各种氨 基酸，也不会对环境造成污染，因此在可降解材料方面也具有十分广阔的前景。 用带氨基侧基的羟基酸与c t - 氨基酸制备的交替共聚物1 4 5 】，通过侧链氨基来吸附肽链， 从而使整个高分子链获得特定的氨基酸顺序，可以对细胞进行识别。这种聚合物兼备天然商 分子和合成高分子的优点，是一种优良的组织工程支架材料。这类材料具有毒性小、合适的 生物降解性和良好的生物兼容性，和某些具体细胞有一定的相互作用能力的特点；另外，这 类材料制成的支架易形成为细胞生长输送营养所必需的孔结构：具有为支持和诱导细胞生长 所必需的足够的机械强度和几何形状。聚( 俚- 羟基酸舡氨基酸) 类支架材料中，聚( 乳酸氨基 酸) 型共聚物有望在p l g a 之后，率先实现临床应用。 聚赖氨酸忡1 ( - p l ) 则是一种出色的食品傈鲜剂，可广泛用于肉类、家禽、海产品、面包、 饼干和各种谷类食品的保鲜。聚赖氨酸对人体无毒无害，它在肠道中可自动解聚成为赖氨酸 ( 有一定营养作用) ，属于一种新颖营养性食品保鲜削。聚赖氮酸的另一重要工业用途是作为 高吸水性聚合物，可用于妇女卫生巾、婴儿尿片和其它各种工业产品中。聚精氨酸可用于生 产用量极大的农用保湿地膜以及作为洗涤剂、废水处理剂等工业用途。近几年所开发的以谷 氨酸、天冬氨酸为原料的低分子聚合氨基酸如a l d a 、g l d a 和e d d s 可广泛用于洗洁精， 显影药水和其它各种工业用途。它们共同特点是，在自然环境中可自动降解，无公害，故可 取代传统的化学洗沽剂与化学显影药水，其市场前景十分广阔。 6 东南大学硕士学位论文 1 2 2 手性识别固定相 蛋白质和多肽对许多手性化合物尤其是氨基酸对映体具有天然的识别能力。在此认识基 础上人们合成得到的各种氨基酸聚合物、侧链含氨基酸的聚合物衍生物对手性化合物具有一 定的识别能力。上世纪7 0 年代初，前苏联的科学家d a v a n k o v 【4 7 铡用配位体交换色谱拆分外 消旋氨基酸获得成功后，利用含氨基酸的手性聚合物作为色谱同定相对外消旋氨基酸的拆分 成为其后三十多年来氨基酸拆分研究的重要内容之一。 1 2 3 不对称合成试剂与催化剂 手性催化剂和手性试剂1 4 s j 在手性化合物的不对称合成方面有重大的意义。 f r a n o t 等以聚苯乙烯为原料，制得硼酸聚合物，再和( s ) - 二苯基脯氨酸反应，制得的 手性催化剂对苯乙酮和环己苯基甲基酮进行催化氢化反应光学产率分剐为9 8 和8 3 ， 化学产率也在9 7 以上。催化剂重复使用时，仍表现出很高的催化活性。 l t s u n o i s o 5 1 1 等用s 脯氨酸，二甲基l - 酒石酸，s 酪胺酸为手性试荆合成了四种聚合物负 载手性手性催化剂催化d i e l s - a l d c r 反应，结果表明：催化剂的催化活性较高。 多肽类手性催化剂【5 4 已被成功应用于m i c h a e l 加成、氧化和还原等反应。m i l l e r 等报道 了系列多肽均聚物的合成及其在催化酰化反应的活性与选择性等方面的研究。在引入n - 烷 基组氨酸衍生物催化活性基元的同时，引入脯氨酸及洳甲基丙氨酸序列以诱导多肽链的折 叠，从而形成的催化剂可以有效地催化不对称酰化反应。r e y m o n d 等曾报道了通过同相法、 采用3 ，5 二氨基苯甲酸为支化点，天冬氨酸、组氨酸和丝氨酸为连接基元，合成了2 1 种催 化性能各异的二代树形多肽催化剂。l t s u n o 等于1 9 9 0 年报道了通过聚苯乙烯树脂上的氨基 引发度环化氨基酸的聚合，在相应树脂上分别负载上( s ) 丙氨酸聚合物和( 咖亮氨酸聚合物， 发现这些催化剂可以选择性催化查耳酮的不对称环氧化反应，对映体的选择性可达到9 9 r o b e r t s 等也报道了采用可溶性聚乙二醇为载体负载的多肽催化剂的研究工作。 c a l m e s 等人1 将三种单体共聚，然后水解得含羰基侧链的手性交联聚合物，其中的醛 基与甘氨酸的氨基反应形成希夫碱以保护氨基；然后在分子链上的手性基团诱导下进行烷基 化的反应，合成多种具有光学活性的氨基酸。按此法制得的丙氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸的光 学产率均在6 0 以上，手性试剂可循环使用，几乎无光学损失。 1 2 4 金属离子吸附剂 整合树脂一直是人们研究的内容。这方面的文献很多，其主要用途为金属的回收、分离 和纯化等。螫合树脂的合成方法大致可分为：( 1 ) 使具有配位基的低分子化合物聚合，例如 具有配位基的烯烃类单体的聚合，或采用具有配位基的双功能单体进行缩聚的方法。( 2 ) 通 过高分子反应将配位基引入聚合物( 即树脂) 。 刘志滨等利用交联聚苯乙烯、氧甲基化聚苯乙烯和氨基酸盐反应得到含氨基酸结构的 螯合树脂。 氯甲基苯乙烯经过氨化后和顺丁烯二乙酯反应，产物水解后进一步聚合可得聚乙烯苄基 天门冬氨酸，这种高分子螯合剂能从含有c u “、z n ”的水溶液中牢崮地吸附c u 2 + ，而z r l 2 十 却不被吸附，吸附的c u 2 + 易被稀酸解吸，使树脂的蓝色消失，从而完成c u 2 + _ z n 2 + 的分离。 这类树脂还用于c u 2 + 、n i 2 + 、c 0 2 + 的分离。 王春华等以三乙烯四胺、氯乙酸和环氧氯丙烷为原料，通过取代、缩合等过程，合成 了具有氨基羧酸型螫合树脂。 7 第一章绪论 1 - 3 含氨基酸聚合物制备的文献综述 l - 3 1 引言 手性高分子化合物由于其分子在构型上具有的特异性，自五十年代起就被人们广为关 注，并在高分子试剂、高分子催化剂、仿生分子、光电及微电子材料等领域得到广泛应用。 而含氨基酸的手性聚合物由于分子问和分子内氢键的存在，导致聚合物存在更高的有序结 构，因此在手性识别尤其是氨基酸类药物的识别中具有潜在的价值。 1 9 5 8 年，l r m o r r i s l 5 6 】等以氯甲基苯乙烯为原料，合成含氨基酸的苯乙烯衍生物，进一 步聚合得到含手性氨基酸的聚合物，被用于金属离子的吸附剂。1 9 6 0 年，日本的k u l k a r n i ! 明 等以丙烯酰氯和氨基酸反应得聚丙烯酸系列的含氨基酸聚合物。7 0 年代初，前苏联的科学 家d a v a n k o v 利用配位体交换色谱拆分外消旋氨基酸获得成功后，利用含氨基酸的手性聚合 物作为色谱固定相对外消旋氨基酸的拆分成为氨基酸拆分研究的重要内容之一。 作为色谱手性固定相的高聚物，其主要通过两个方面得到：其一是在已经合成的高分子 化合物上引入含手性的功能基团；其二是先合成含手性的单体，然后再聚合得到手性聚合物 固定相。前者的优势在于高分子的骨架是现成的，但引入的手性功能基团数量较低。且分布 不均匀，因此会对手性对映体的拆分有影响i 而后者可以相对理想控制功能基团的含量及其 分布。目前，利用手性高聚物的固定相拆分氨基酸的报道很多，但绝大多数仍以色谱分离为 主，因此能拆分的对映体数量有限，主要还是停留在对氨基酸对映体的分析上；其它如采用 分子印迹技术所得到的聚合物则具有专一性。 利用离子交换树脂对不同种类的氨基酸进行拆分，已经在工业上得到应用。而利用螯合 树脂和吸附性树脂对氨基酸对映体的拆分，人们已经取得了不少经验【。 天然的手性高聚物，如纤维素、淀粉、蛋白质等，对氨基酸对映体具有很好的识别能力， 与其分子内的手性中心基团的有序排列有很大关系。而在合成的手性同定相聚合物的研究 中，人们发现手性中心的排列及聚合物主链的适当刚性可能也是必要的唧1 。自七十年代至今， 用于氨基酸对映体拆分的手性聚合物主要是以聚苯乙烯系列、聚丙烯酸( 酯) 系列、聚丙烯 酰胺系列等为主，这些含氨基酸聚合物主要用作色谱固定相。 1 3 2 聚苯乙烯系列 聚苯乙烯系列含氨基酸的聚合物主要也是由含氮基酸的苯乙烯单体聚合得到或有聚苯 乙烯功能化后得到。 聚苯乙烯的制备一般选用苯乙烯或氯甲基苯乙烯为单体，- - 7 , 烯基苯为交联剂。由于聚 苯乙烯表面具有较强的疏水性，表面无活性官能团，其改性首先须对其氯甲基化，然后再引 入氨基酸。而氯甲基苯乙烯与二乙烯苯的共聚物不仅具有聚苯乙烯的机械强度和化学稳定 性，而且含有氯甲基活性官能团易于改性，可直接与氨基酸反应制得含氨基酸的聚合物。 1 3 2 1 聚苯乙烯的功能化 聚苯乙烯由于易于制备，早期的功能化的侧链含氨基酸的树脂主要是由聚苯乙烯而来。 如螯合树脂、吸附型树脂等。较经典的聚苯乙烯功能化主要有以下路线1 6 0 1 ： 1 3 2 ，1 1 氯甲基化反应 常用的氯甲基化反应试剂是氯甲基甲醚，催化剂是四氯化锡或氯化锌。 8 东南大学硕士学位论文 苔h l 介 nc i c h z o c h 3 1 3 2 ，1 2 锂化反应 七；一：2 。 白 斧 b r 2 r i c l 3 b r ! o h - ( g h 2 l 6 “ b r s o c b 由上述含有功能基团的聚苯乙烯，再和相应的氨基酸反应，即可得到含氨基酸的聚合物。 例如： n h 2 c h ( r )