L-丙氨酸催化加氢制备L-氨基丙醇反应优化

许伟翔 马 磊

（浙江工业大学工业催化研究所，浙江 杭州 310014）

L-氨基丙醇是合成第三代喹诺酮类抗菌药左旋氧氟沙星的一种重要中间体，后者具有抗菌谱广、抗菌作用强、毒副反应小、与其他抗生素无交叉耐药性等优点［1］。同时L-氨基丙醇作为一种手性修饰物在外消旋体拆分中有广泛的应用，因而其具有巨大的市场需求。

一直以来，国内外对于L-氨基丙醇合成方法的研究主要可分为两大类，一种是手性拆分方法，其主要过程是制备出DL-氨基丙醇，再通过手性拆分获得L-氨基丙醇，但是由于手性拆分的工业化难度较高，因此工业生产普遍采用第二种方法，即将相应光学活性的丙氨酸或其衍生物进行还原。工业生产使用还原剂主要有KBH4、LiBH4、NaBH4或LiAlH4等，但是此类还原剂价格昂贵，危险性高，后处理过程复杂，环境污染大，具有很大的局限性［2］。而通过催化加氢，将L-丙氨酸直接加氢制备L-氨基丙醇很好的避免了以上的缺点，是一种对环境友好的绿色化学合成方法。本文主要通过对L-丙氨酸催化加氢制备L-氨基丙醇反应条件及催化剂的优化，提高产物收率。

1 实验部分

1.1 催化剂制备

1.1.1 活性炭预处理

将10g活性炭加入到70mL不同浓度的硝酸溶液中于93℃回流8h，过滤后用去离子水洗至中性，110℃下真空干燥。

1.1.2 催化剂制备

本实验采用加氢活性较高的Ru/C催化剂［3］，Ru负载量为5％。将Ru/Cl3配置成一定浓度的盐酸水溶液，称取一定比例的经过预处理的活性炭和去离子加入三口烧瓶中，将三口烧瓶放于恒温油浴锅内恒温后，按照所需催化剂负载量比例缓慢滴加预先配置好的Ru溶液并恒温搅拌4h。向三口烧瓶中逐滴加入一定浓度的NaOH水溶液直至碱性，继续搅拌30min后过滤、去离子水洗涤至中性，放入烘箱烘干。将烘干的催化剂经水合肼还原、洗涤、干燥，即制得所需催化剂。

1.2实验过程

1.2.1 合成路线

L-丙氨酸催化加氢制备L-氨基丙醇的合成路线如图1。

图1 合成路线

该反应需要在一定温度和压强下进行，同时Frank T等［4］已经证明在酸性条件下，L-丙氨酸羧酸解离受到抑制，从而更有利于反应，所以pH值对反应也有一定影响。

1.2.2 实验步骤

反应在高压反应釜（温州中伟磁传密封仪器厂）中进行，将反应物溶液和催化剂放入反应釜中，保持一定的反应温度和压力，反应一定时间后将产物取出过滤，滤液用安捷伦1100 series高效液相色谱分析，液相柱：C18（Hedera ODS-2：4.6mm×250mm，5μm），样品经过柱前衍生预处理，使用内标法来标定。

2 结果讨论

2.1 不同反应条件下对L-氨基丙醇收率影响

在相同的L-丙氨酸和催化剂用量的条件下，考察温度、H2压强以及反应溶液pH值对转化率以及选择性的影响。结果如表1～表3所示。

从表1可以发现，反应温度对转化率以及选择性有巨大影响。反应温度越高，L-丙氨酸的转化率越高。但L-氨基丙醇的选择性呈现先增大后减小的变化，反应温度为100℃时L-氨基丙醇的选择性最高。与此同时，L-氨基丙醇的光学纯度则随反应温度的提高逐渐下降。

表1 反应温度的影响

从表2可以发现，H2压强对转化率和选择性也有一定的影响。随着H2压强的降低，L-丙氨酸的转化率和L-氨基丙醇的选择性均呈现先增大后减小的变化，H2压强为7MPa时L-丙氨酸的转化率最高，H2压强为6MPa时L-氨基丙醇的选择性最高。但H2压强变化对L-氨基丙醇光学纯度的影响不大。

表2 H2压强的影响

从表3可以发现，反应溶液初始pH值对于反应转化率和选择性都有很大影响。随着反应溶液初始pH值增大，L-丙氨酸的转化率和L-氨基丙醇的选择性均呈现先增大后减小的变化，较低的溶液pH值很好地抑制了L-丙氨酸原料羧基的解离，pH值为1.90时L-丙氨酸的转化率和L-氨基丙醇的选择性都达到最高。但溶液pH值变化对L-氨基丙醇光学纯度的影响不大。

表3 反应溶液初始pH值的影响

综合以上数据，可以发现温度、H2压强以及溶液pH值是影响L-丙氨酸的转化率、L-氨基丙醇的选择性和光学纯度的主要因素。为了获得高光学纯度的L-氨基丙醇，反应温度100℃、H2压强7MPa、初始溶液pH值2为比较理想的反应条件。

2.2 活性炭预处理对催化剂性能的影响

本研究采用活性炭负载Ru催化剂。活性炭载体的性能同时取决于它的孔隙结构和表面化学性质。使用硝酸对商业活性炭进行预处理可以去除活性炭中的杂质，并形成新的有效的表面基团，从而更有利于贵金属的分散，提高催化剂性能［5］。

本研究使用不同浓度硝酸对活性炭载体进行预处理，经2.5％、5％、10％和20％浓度硝酸预处理的活性炭载体分别标记为C（2.5％）、C（5％）、C（10％），原始催化剂标记为C（untreated）。以上经硝酸预处理的活性炭载体进一步制备成负载Ru催化剂。催化剂性能评价如表4所示。从表4中可以发现，随着硝酸浓度的增大，L-丙氨酸的转化率和L-氨基丙醇的选择性均呈现先增大后减小的变化，经过5％硝酸预处理的活性炭载体制得的催化剂催化效果最好。这说明载体活性炭经硝酸预处理可以改变活性炭的表面物理-化学，从而提高L-丙氨酸催化加氢制备L-氨基丙醇反应的催化性能。

表4 硝酸预处理活性炭的影响

3 结论

L-丙氨酸加氢制备L-氨基丙醇的反应中，反应条件的优化对于反应结果有着很大的影响，而通过对于催化剂本身的优化也能提高目标产物收率。作为一个环境友好型的催化加氢反应，L-丙氨酸加氢制备L-氨基丙醇为L-氨基丙醇的工业产业优化提供了一条新的途径。

［1］颜廷旭，杨玲，王宇.喹诺酮类药物的发展与应用［J］.中国实用医药.2010，5（24）：137.

［2］高小放，蔡旺峰，张旭斌，等.还原法合成α-氨基丙醇及主要应用［J］.化学工业与工程，2009，26（1）：72-78.

［3］Jere F，Jackson J，Miller D.Kinetics of the aqueous phase hydrogenation of L-Alanine to L-Alaninol［J］.Ind.Eng.Chem.Res，2004，43：3297-3303.

［4］Frank T Jere，Dennis J Miller，James E Jackson.Stereoretentive C-H Bond Activation in the Aqueous Phase Catalytic Hydrogenation of Amino Acids to Amino Alcohols［J］.Organic Letters，2003，5（4）：527-530.

［5］郑超，王榕，荣成，等.活性炭表面改性对钌基氨合成催化剂的影响［J］.工业催化，2005，13（10）：31-35.