阿斯巴甜的合成研究

第30卷第11期VoL30Na 112007年11月河北化工Nov. 2007阿斯巴甜的合成研究钱亚杰,钱志伟(1.宜兴市湖滨有机化工厂,江苏宜兴214206;江苏汉光生物工程有限公司, 江苏宜兴214206)[摘要]评述了化学法、生物法、基因工程法、 合成阿斯巴甜的进展，指出了阿斯巴甜对N端的结构有严格的要求，以及疏水基团X、肽键、氨基上的氢键对阿斯巴甜甜味的影响。[关键词]阿斯巴甜:合成;应用:前景[中圈分类号] TS 202.3[文献标识码] A[文章编号] 1003- 5095 (007011-0038-03阿斯巴甜(Aspartame, C14H18N205) ,化学名称甲基-3-甲酰基-5-氧-4-囈唑乙酸;由N-Z-Asp、为N-a-L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯，由美国G. (- -CHO- -)。 合成的3-苄氧羰基-5氧-4嚅唑乙酸;D. Searle公司的研究人员在合成促胃液分泌激素时由N-Z- Asp.甲基乙基磺原酸酯、PBr3合成的I-天冬偶然发现其甜味,成为二肽类中第- -个被发现有甜味氨酸疏代羰基酸酐(L-Asp-NTA){4s,其中以L-Asp-NTA的物质。它在水中溶解度约为1%，乙醇中为最具有代表性。合成时,首先将N-Z Asp、甲基乙基磺0.26 mg/100 mL。可作为非营养型甜味剂。原酸酯在45-50 C下于NaOH+ CHLOH,介质中反应生1阿斯巴甜合成成硫羰氧基甲酸乙酯,后者于25 C下与PBr,反应得1.1 化学合成法到稳定的衍生物I-Asp-NTA晶体，得率高达90%,将1.1.1 内酐法L-Asp-NTA与L-Phe.OMe-HCl在25 C特定pH值条- -种是用苄氧羰基为保护基,先上保护基后脱水件下缩合成高含量的a -APM,得率为63%6.形成的内酐的方法;另- -种是在甲酸、醋酸酐混合溶安徽省应用技术研究所将N-Z-Asp.( -CHO- -)。液中一一步形成甲酰基天门冬氨酸酐的方法。 后者在工在苯溶剂中,以对甲基苯磺酸为催化剂,70-80 C成业化生产中最为常见。内酐法是最早期的方法，反应功合成了3-苄氧羰基-5氧-4-囈唑乙酸，收率达中不可避免会产生β-异构体,收率低。但近十年来，90%以上,后者与苯丙氨酸甲酯在非质子性溶剂中反在反应体系、β-异构体回收工艺方面有了较大的改应生成N-Z-Asp- Phe*OMe, 用常规方法脱去保护基,进,加上辅助原料价廉易购,因此仍具有工业生产价得到 a -APM,收率达70%。值。内酐法可分为先酯化和后酯化两种方法。内酯法收率高，但因磺原酸甲乙酯原料来源困内酐法的缩合反应通常在Et0Ac/HAc有机溶剂难, 氧甲酸苄酯合成需剧毒原料,使其工业应用受到中进行,内酐中两个羰基的存在,会产生a、β两种了限制,寻找-条适合、经济的合成路线是目前内酯异构体,其中β-异构体有苦味。两种异构体的盐酸法研究的热点。盐在水中溶解度相差90倍以上,利用这个性质很容1.1.3 其他化学合成法易将β-异构体除去，再用弱碱调pH至4.5-5.5,Ariyoshi Y. 等提出一种不需保护天冬氨酸基团就得到a-APM。而直接合成a-APM的方法1。他们将天门冬氨酸酐1.1.2 内酯法盐化合物与L-Phe*0Me在氯乙烯之类有机溶剂中发天门冬氨酸以内酯的形式参与缩合反应的方法生缩合反应生成a-APM和β-APM混合物，通过优称为内酯法,这种缩合反应只生成a-异构体- -种产化反应条件成功地实现了无保护基的反应,反应产率物，具有很大的优越性。常见的内酯主要有:由L-Asp达 37%左右。此外,还有报道用马来酸酐和L-Phe*OMe与Ac2O.HCOOH.Br.CHO、HAc"- -锅法”合成的2-三溴为起生成N-(2-羧基[收稿日期]2007-05- 09丙烯中国煤化工&在四氢呋喃中缩[作者简介]钱亚杰(1967-),男,工程师，从事化工生产与技合，CNMH G还原成β-APM;术管理. .β-APM在醋酐溶液中发生缩合反应，加酸水解,得到第11期钱亚杰钱志伟:阿斯巴甜的合成研究.39●a -APM。用性较小，这些不足之处导致其产业化优势并不多。化学合成法路线普遍较长，不可避免地会产生一1.3基因工程法些副产物,收率都偏低，但由于L-Asp和L-Phe的化通过重组技术,前体化合物天门冬酰可以合成具学性质相当稳定,易于从化学反应后母液及副产物中有(L- 天冬氨酸-L-苯丙氨酰)。密码的多聚体双链回收,目前它仍为a-APM 的最主要的生产方法。DNA，在Hind I限制性内切酶的切口处连接到pWT1.2酶合成法121质粒上或用Eco RI酶连接至pBGprao 质粒上,再酶合成法是使用合适的蛋白酶,将L-Asp(氨基转入大肠杆菌Kr中，从寄主中获得含有这一重复序已保护或未保护)与L-Phe*OMe缩合在一-起。 除此之列的大分子肽,提取后用胰凝蛋白酶(Chymotrypsin)外的反应操作与化学合成法- -样。或枯草杆菌蛋白酶切开得到Asp- Phe,再甲酯化合1979年IsowaY.等用嗜热菌蛋白酶Ther-成a-APM[19.该方法目前还处于实验阶段。molysin thermoase) 成功地将L-苯丙氨酸甲酯和2阿斯巴甜的性能N被护L-天门冬氨酸合成a -APM前体，从此之后2.1阿斯巴甜基础研究人们陆续开发出多种具有该功能的酶。木瓜蛋白酶通过对Aspartame结构的研究,发现N-端的天在乙酸乙酯和水组成的两相溶剂中催化N苄氧羰冬氨酸对结构具有严格的要求，它只能被L-天冬酰.基-[-天门冬氨酸-a-甲酯。内酞酶CEndepepti-氨和氨基丙二酰所取代20.用其他天然存在的氨基dase)可催化N-苯甲酰基-L-天门冬氨酸-a-甲酯酸,包括谷氨酸(或天冬氨酸的高级同系物)来替代与N-苯丙氨酸甲酯反应，生成苯甲酰基-[-天门冬Aspartame分子中的L~天冬氨酸，都会使其丧失甜酰-L-苯丙氨酸甲酯.嗜热脂肪芽胞杆菌Bacillus味并变成苦味。天冬氨酰基中的a-氨基和β-羧基steaarothermophilus)的中性蛋白酶在pH值为6. 4团不能被取代，因为相应的a-二甲基氨基和β-水溶液中将苄氧羰基-L-天门冬氨酸同苯丙氨酸甲甲基酯同型物均无甜味。N-端氨基必须是两性离子酯盐酸盐反应生成N4苄氧羰基-L-天门冬酰-L-苯且需与带电基团保持- -固定距离,因为只有这样的二丙氨酸甲酯.肽分子才符合AH-B甜味理论模型。Aspartame 分子酶法生产a -APM以部分实现工业化生产, 1984中的氨基团是甜味模型中生甜团(AHD,而羧基团是生年日本东洋曹达(Toyo, soda)工业株式会社以酶法为甜团(B)。Aspartame的4个非对映体中,只有L,L-基础建成月产1-2 t的试验厂，随后与荷兰DSM公构型具有甜味,这表明其立体化学结构具有专-性。司合作，投资3 000多万美元，在荷兰设厂，年产二肽甜味剂对N-端结构有严格的要求,C-端却500-1 000 t, 于1987年投产。该厂是嗜热溶蛋白芽是经常可以变化的。苯丙氨酸可以在环上被取代，也胞杆菌(B. Thermoproteolyticus)的蛋白酶以带保可以用其他的氨基酸来替换整个苯丙氨酸，甚至还可护的L-天门冬氨酸和L-苯丙氨酸为原料,在有机溶以用一系列简单的胺分子来替代。除了正位的一剂中合成带保护基的a -APM,随后脱去保护基[8。种-0Me衍生物外,用高级同系物替代酯基团仍具有此外尚有少量利用非合成肽键酶的研究报道,甜味,但甜味随分子量的增加而减少●Aspartame二Fuganti C.等用青霉素酰化酶(Peniclilinacy-肽衍生物来说其C-端上a-碳原子的取代及其立体lase)水解除去苯乙酰基-APM.上的苯乙酰基，制得化学性质共同决定其甜味的强度。a -APM;在有机溶剂中能起作用的脂肪酶(Lipase),2.2疏水基团x的变化对阿斯巴甜甜度的影响专-地水解除去a- I-天门冬酰-L-苯丙氨酸二甲Kier等提出的AHB、X甜味三角理论是目前为酯0APID天冬氨酸羧基上的甲酯基,得到a-APM4。止最有效的甜味学说。酶合成法的转化率比化学合成法高得多,且酶法苯丙氨酸上的疏水基团X的结构和大小变化对只生成a-型产物,没有β-异构体生成。由于酶催AHI.B与甜味受体B.AH之间键合的影响不大，这可化的专一性,对原料的纯度要求不高，这些都是酶合能是因为它并没有改变AH.B偶极子电子分配的缘成法的优点,但是,酶合成法的投料浓度与产物浓度故。中国煤化工t具有强甜味，这也一般都很低，生产强度大,物料处理量大,能耗大,而符合TH理论响。只有L,L且酶法还不能完成a-APM合成的全过程，在生产过构型。CNMHGE状结构”,这时两程中化学法和酶法两套工艺，导致整体优势不大,实性离子天冬 氨酸分子作为“L”的+Y轴,疏水的苯基●40*河北化工第11期侧链就成为“L"的+X轴。而L,D构型的异构体将呈不具有甜味。这表明肽键不能被酯键所取代,虽然它“反L"形状，它的疏水的苯基侧链朝向“L"的-X们是电子等排的。这可能是因为对于肽键其C-N结轴。另两种D,L和D,D结构的异构体,就完全不能同合键属于双键,不能自由旋转,这样C、O、N和H原子甜味受体紧密结合,结果呈苦味●就处于同一个平面上。而用酯键来替代肽键就破坏了这独特的结构,结果导致甜味消失。4结语目前我国蔗糖的消耗量为760万t,若其中的5%用阿斯巴甜代替，则需阿斯巴甜1670 to以当前400元/kg的价格计算,即有6.7亿元的市场。发达国家已经禁用糖精, 2000年我国也开始大幅度减少糖精的产量.若我国食用糖精的70%用阿斯巴甜代替,则需2 00 t阿斯巴甜,即有7亿元的市场。足见在我国发展阿斯巴甜经济效益显著,市场前景相当广阔。圈1甜味分子所需的“L形状”[参考文献]2.3肽键上的取代变化对阿斯巴甜甜度的影响[]Mazur R HSchiatter J LGoldkamp A HJ Am Chem Soc [],由于阿斯巴甜N端上的L-天冬氨酸残基可以1969,91:2 684.被L-天冬酰氨和氨基丙二酰所取代，而氢键对于保[2kKyung S.Chol.et al.Process for Producing a L-as-持甜味来说又是必须的。所以对于阿斯巴甜类似物partylphenylalanine[P]. USP:5 334 764, 1994-08-02.[3]P.Duhamel et al.A Formal Synthesis of Aspartame via theAsparaginyl L-3-Phenyllactic acid methyl es-0xaziriding- aid Rearrantanme [J]. Tetrahedron. Lett, 1987ter C, 用酯键来取代阿斯巴甜的肽键,并将N端上(28):2 595-2 596.的天冬氨酸用天冬酰氨来取代，这样天冬酰氨上的氢[4]黄时海，等短小杆菌酶促合二肽甜味剂Aspartame[J].食品工业仍可以和酯键上的氧之间形成氢键，并且酯键与肽键科技，198, (2):5-7.是电子等排的。通过NMP分析可以证实氢键的确是存[5]Naknishi ket al. .Synthesis of Aspartame by EnzymaticMethods []. Microbil Biotechnol, 190, 32(6):633.在的。然而尽管存在着氢键,阿斯巴甜类似物C仍然[6]郑建仙.功能型食品甜味剂(M].北京:中国轻工业出版社, 1997.斷...........................废为宝,消除酸焦油污染的目的。D].武钢技术，1998, (3).3.5用于制取石油树脂[6]要步轩,张治平,田海精苯酸焦油净化处理技术[].燃料与化工,2004, (6).用混合苯与釜残液、酸焦油混合,在催化剂的作[7]赵计和焦化产物酸焦油的利用[D]. 山西化工, 1987, (4)用下聚合而得石油树脂叫,石油树脂是一种很好的橡[8]秦俊杰,陈鹏, 侍子云.炼焦配煤试验方案的设计[].燃料与化胶助剂。工2005, (6).9]张渊,张继民，邢建通,等酸焦油吸附改质处理的研究[].燃料[1]李应海精苯酸焦油处理[J].煤化工2003, (4).与化工,2001,60.[2]肖忠东,施骏虎,程正龙等精苯废酸和酸焦油的综合利用[].燃[10]潘晚牯,胡子年用酸焦油配制燃料油[J].燃料与化工，200,0 (4).料与化工, 2004, (6.[1]李应海。精苯酸焦油处理[]煤化工, 2003, (4).[3]李振华.酸焦油处理装置的开发[J].河南科技,2003, (10).[12]赵雪飞,姜亚力.从精苯酸焦油废液中提取水泥减水剂的研究[4]肖忠东,施骏虎,程正龙,等精苯废酸和酸焦油的综合利用[J].[J].煤炭转化,2002, (1).燃料与化工, 2004, (6).[13]许伙暖精苯酸焦油的综合利用[J].冶金丛刊，1998, (5).[5]熊志华,姚辛茹.采用酸洗精制工艺的精苯酸焦油的处理技术Comprehensive Utilization of Refined Benzene Sour TarYANG Ai-jun',YU Ya-mei, ZHANG Li-hong'(1. Tangshan Puel Gas Groups Limited Company,Tangshan 063000, China;2. College of Chemical Engineering and BiologicalTechnology, Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009, China)中国煤化工AbtnetThe acidic coal tar from rude benzene refining is alwaysthis paper sumedup whose comprehensive utilization in new method and new process.YHCNMHGKey words:refined benzene; sour tar; comprehensive utilization