專利名稱：氨基酸n－羧酸酐的合成的制作方法
背景技術：
本發明一般性地涉及N-羧酸酐的制備，并且更具體而言涉及降低或最小化制備氨基酸的N-羧酸酐的反應混合物中的氯化物含量。
氨基酸的N-羧酸酐通常用于合成多肽。例如在專利US 6,656,458中，Philippe等人公開了從典型N-羧酸酐合成聚氨基酸，所述N-羧酸酐例如為肌氨酸N-羧酸酐、蘇氨酸N-羧酸酐、絲氨酸N-羧酸酐、纈氨酸N-羧酸酐、正纈氨酸N-羧酸酐、異亮氨酸N-羧酸酐、亮氨酸N-羧酸酐、正亮氨酸N-羧酸酐、賴氨酸N-羧酸酐、苯丙氨酸N-羧酸酐以及酪氨酸N-羧酸酐。
已知幾種方法用于制備N-羧酸酐。一種用于制備N-羧酸酐的方法為使氨基酸或其鹽在溶劑介質中與光氣反應。例如在專利US 4,267,344中，Halstrom等人公開了部分通過將光氣鼓氣通過取代氨基酸和溶劑的溶液中制備N-羧酸酐。在專利US 6,603,016中，Cornille等人公開了通過使氨基酸與光氣、雙光氣或三光氣在溶劑介質中反應制備N-羧酸酐。在專利US 6,479,665中，Cornille等人公開了通過使氨基酸與光氣、雙光氣或三光氣在溶劑介質中反應制備N-羧酸酐，其中反應至少在不飽和有機化合物的存在下部分發生，所述不飽和有機化合物具有一個或多個烯屬雙鍵，且分子的其余部分對反應混合物中的其它化合物呈惰性，并且至少一個烯屬雙鍵的一個碳原子完全被鹵素原子之外的取代基取代。
通過氨基酸與光氣反應生成N-羧酸酐的一般反應流程如下 在通過氨基酸或其鹽與光氣的反應生成N-羧酸酐期間，還產生了相當量的HCl。反應介質中的HCl又可導致氯化副產物的生成，其留在N-羧酸酐產品中影響純度和收率。例如，HCl可引起四氫呋喃(反應混合物中通常使用的溶劑)的開環，導致氯甲酸4-氯丁酯的生成。氯化化合物還影響N-羧酸酐的聚合反應，這是因為有效聚合反應需要在N-羧酸酐單體中不存在氯化化合物，或者存在足夠低量的氯化化合物。
各種方法已經用于在反應產物中降低HCl和氯化衍生物的濃度。在專利US 5,135,754中，Brack使用氬氣在48℃吹掃反應混合物至少48小時，參見專利US 5,135,754第3欄第50-52行。Mallow加熱反應產物(偏酯)到40-60℃并使用氬氣吹掃以除去氯化氫，參見專利US 5,945,558第4欄第38-41行。Goodman等人在反應開始之前用氮氣吹掃反應體系1小時，加入光氣之后，用氮氣另外吹掃反應混合物2小時，參見美國再公告專號30,170第5欄第6-12行。在專利US 6,603,016中，Cornille等人至少部分在小于1000毫巴的壓力下進行反應。然而這些方法通常傾向于產生具有較高氯化物含量的產品，不利于相對大規模的生產，需要比較長時間的光氣、雙光氣或三光氣與氨基酸的反應，和/或需要靜態的反應混合物。此外，在光氣、雙光氣或三光氣與氨基酸的反應期間生成的中間體N-羧酸酐較不穩定，并且在大規模生產所需的較長反應時間的過程中可能分解。
發明概述在本發明各個方面中，一般性地提供了一種制備N-羧酸酐的改進方法，特別是制備L-谷氨酸N-羧酸酐的γ-乙酯和γ-芐酯以及N6-CBZ-L-賴氨酸的改進方法。
因此簡要來說，本發明涉及一種用于制備N-羧酸酐的方法。該方法包括形成含有氨基酸或其鹽、溶劑和羰基化試劑的反應混合物。羰基化試劑選自光氣、雙光氣、三光氣及其混合物。羰基化試劑與氨基酸或其鹽反應，得到產物N-羧酸酐，副產物HCl。通過在羰基化試劑與氨基酸或其鹽反應時將吹掃氣體通過反應混合物將HCl副產物從反應混合物中吹出。在吹掃氣體通過反應混合物后對其處理，以中和其中的羰基化試劑。
本發明的其它目的和特征一部分是顯而易見的，另一部分將在下文中指出。
附圖簡述
圖1為反應容器的示意圖，其中含有反應混合物，吹氣管位于反應混合物的表面之下，并且處理裝置連接于反應容器。
發明詳述根據本發明，形成含有氨基酸或其鹽、溶劑和羰基化試劑的反應混合物。氨基酸和羰基化試劑反應形成N-羧酸酐產物和副產物HCl。在優選實施方案中，通過氨基酸或其鹽和羰基化試劑的反應形成的N-羧酸酐中的HCl含量優選小于0.1重量％。
一般而言，本發明方法提供了多種優點。吹掃氣體不僅在氯化氫形成時就從反應混合物中將其除去，而且其還有助于冷卻反應混合物，使得羰基化試劑以較快速率添加。吹掃氣體還降低了反應混合物中氧氣濃度，由此降低了燃燒能力或類似危險。此外，可以至少60％的收率，和少于0.08％的氯化物雜質含量合成較大規模生產量的N-羧酸酐(例如大于1000克)。例如，L-谷氨酸N-羧酸酐γ-乙酯可以至少65％的收率和0.02重量％或更低的氯化物含量制備。類似地，L-谷氨酸N-羧酸酐γ-芐酯可以至少85％的收率和0.02重量％或更低的氯化物含量制備。還例如，N6-CBZ-L-賴氨酸可以以至少85％的收率和0.08重量％或更低的氯化物含量制備。
反應混合物通常，所有能夠形成N-羧酸酐的氨基酸都可用于反應混合物中。例如氨基酸可為甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、賴氨酸、Δ-羥賴氨酸、鳥氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸、甲狀腺氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸、色氨酸，或其鹽或其衍生物。還例如，反應混合物可使用氨基酸的鹽如硫酸鹽、氫鹵化物、鹽酸鹽或氫溴酸鹽來制備。或者，反應混合物可使用其中羧基側鏈用酯(例如芐酯、對硝基芐酯、苯基酯、五氯苯酯、乙酯或甲酯)保護的氨基酸衍生物，或其中氨基側鏈用氨基保護基保護的氨基酸衍生物制備。這種氨基保護基可例如選自芐氧基羰基(CBZ)、2-(4-聯苯基)-2-丙氧基羰基(Bpoc)、2-溴苯氧基羰基、對甲苯磺酰基、4-甲氧基苯磺酰基、2-氯芐氧基羰基、2-硝基苯磺酰基、4-對甲苯磺酰基等等。
在一個優選實施方案中，反應混合物中含有谷氨酸γ-芐酯、谷氨酸γ-乙酯、N6-CBZ-L-賴氨酸或其鹽。
反應混合物還含有溶劑或溶劑體系(即，溶劑混合物)。典型的溶劑包括醚類溶劑，例如四氫呋喃、二氧六環、乙醚和異丙醚；氯化溶劑類，例如二氯甲烷、氯仿和1，2-二氯乙烷；極性非質子溶劑，例如N，N′-二甲基甲酰胺、乙腈和丙酮；或乙酸烷基酯，例如乙酸乙酯，及其組合。
羰基化試劑通常選自光氣、雙光氣、三光氣及其組合。雙光氣為較毒性、使人流淚的液體，并由于原料處理問題通常并不優選。三光氣價格比光氣低廉，然而其為較有毒的固體，并且由于原料處理問題通常也不優選。相反，光氣可使用計量閥以受控速率容易地引入反應混合物。光氣還易于提供更加清潔更加純的產品，更少具有在雙光氣和/或三光氣中發生的副反應產生的雜質。因而，光氣比雙光氣和三光氣優選。
工藝步驟現在參考圖1，氨基酸或其鹽與溶劑或溶劑體系一起分散在反應容器10中以形成反應混合物12。第一吹氣管14和第二吹氣管16浸入反應混合物12中，由此可在反應混合物12的表面之下引入氣體和/或液體。反應容器10還含有出口18，氣體可經過出口18離開反應容器10。連接到出口18的為處理裝置20，優選為冷凝器和/或滌氣器。處理裝置20具有出口22，處理的氣體可通過出口22離開處理裝置20。在處理裝置為冷凝器的優選實施方案中，設置進口24以向反應混合物12中再次引入冷凝的羰基化試劑。在反應混合物12的上表面和反應容器10的頂部之間通常存在一定量的蒸汽空間26。基于百分數，蒸汽空間通常將占反應容器體積的約30％-約40％；在優選實施方案中，蒸汽空間通常占反應容器體積的約30％。
本發明方法優選以間歇方法進行。通過在攪拌下向溶劑或溶劑體系中加入氨基酸或其鹽在玻璃的或其它合適的反應容器中形成反應混合物。反應混合物最初為氨基酸或其鹽在溶劑或溶劑體系中的漿液。漿液中氨基酸濃度通常至少約0.02M并且小于約1.5M；漿液中氨基酸濃度將為約0.6至約1.2M。例如當氨基酸為L-谷氨酸γ-乙酯時，漿液中氨基酸濃度將為約1.0至約1.2M。當氨基酸為L-谷氨酸γ-芐酯時，漿液中氨基酸濃度將為約0.6至約0.8M。當氨基酸為N6-CBZ-L-賴氨酸時，漿液中氨基酸濃度將為約0.4至約1.0M。
當羰基化試劑處于氣態時，優選使用計量閥和位于反應混合物表面之下至少約1厘米的吹氣管將其引入反應混合物中。吹氣管可位于更深深度；然而如果其太接近反應容器的底部，則特別是在反應開始時非均勻混合物中的固體可能易于堵塞吹氣管。在一個優選實施方案中，吹氣管浸在反應混合物表面之下約5厘米，并且羰基化試劑以氣體的形式引入。在另一實施方案中，羰基化試劑以液體或作為溶解在溶劑中的固體引入。在優選實施方案中，羰基化試劑為光氣，以約0.2摩爾/分鐘至約0.8摩爾/分鐘的速率引入到反應混合物中。
當羰基化試劑引入時，反應混合物優選維持在約50℃-約65℃的溫度和大氣壓力下。然而也可以使用其它溫度和壓力。
如先前所述，氨基酸底物和羰基化試劑的反應產生HCl作為副產物。在HCl產生時通過將吹掃氣體通過反應混合物中而從反應混合物中除去這些副產物。典型的吹掃氣體為氦氣、氮氣、氖氣、氬氣，以及其混合物。在一個實施方案中，吹掃氣體主要為氮氣或氦氣；也就是說，氮氣、氦氣或其組合在吹掃氣體中的分壓至少為70％。更優選地，氮氣、氦氣或其組合在吹掃氣體中的分壓至少為90％。還更優選地，氮氣在吹掃氣體中的分壓至少為99％。
優選在大氣壓力下通過位于反應混合物表面之下至少約1厘米的吹氣管將吹掃氣體引入到反應混合物中。吹氣管可位于更深深度；然而如果吹氣管放置地太接近反應容器的底部，則特別是在反應剛開始時非均勻混合物中的固體可能易于堵塞吹氣管。在一個優選實施方案中，吹氣管浸于反應混合物表面之下約7.5厘米。優選地，吹掃氣體在羰基化試劑正在引入時引入(并且與氨基酸或其衍生物或其鹽反應)。然而在本發明另一實施方案中，在羰基化試劑加入到反應混合物期間間歇加入吹掃氣體。在另一實施方案中，可在引入羰基化試劑之前一段時間直到如下所述的過量羰基化試劑和溶劑或溶劑體系的真空解吸完成時連續或間歇引入吹掃氣體。
不管吹掃氣體是在羰基化試劑和氨基酸(或其鹽或衍生物)反應期間連續還是間歇引入到反應混合物，通常優選吹掃氣體以使得反應產物(即，含有溶劑和N-羧酸酐的混合物)含有不超過0.1重量％HCl的速率和方式引入；此外，通常優選吹掃氣體以使反應期間地HCl濃度保持為0.1重量％或更低的速率和方式引入。在優選實施方案中，反應產物中HCl濃度不超過為0.05重量％。
分別基于摩爾量，吹掃氣體和光氣向反應混合物的相對加入速率為約0.15∶1至約0.4∶1。分別基于摩爾量，相對加入速率更優選為約0.28∶1。如果選擇雙光氣或三光氣作為羰基化試劑，基于摩爾量的相對速率在向反應混合物加入吹掃氣體和羰基化試劑期間將分別變化2倍或3倍。此外，在使用光氣、雙光氣和/或三光氣的混合物時，根據使用的羰基化試劑的比例調節向反應混合物引入的速率和時間。
使通過氨基酸或其鹽與溶劑或溶劑體系反應形成的HCl副產物揮發并通過吹掃氣體帶出反應混合物。吹掃氣體通過反應混合物后，將其處理以除去或降低通常被吹掃氣體(除氯化物攜帶之外)攜帶的羰基化試劑的濃度。優選使用化學滌氣器處理吹掃氣體以中和羰基化試劑，和/或使用冷凝器將羰基化試劑從吹掃氣體中冷凝出來。當引入反應混合物的羰基化試劑的量超過1摩爾時，優選首先用冷凝器處理吹掃氣體，然后用化學滌氣器處理。
如果處理裝置使用冷凝方法，則使吹掃氣體通過冷凝器以從吹掃氣體中除去羰基化試劑。優選將吹掃氣體冷卻到約-50℃或更低的溫度。更優選地，使用維持在約-78℃的干冰/丙酮回流玻璃冷凝器冷卻吹掃氣體。在優選實施方案中，冷凝的羰基化試劑以液體形式再次引入到反應混合物中。
如果處理裝置使用滌氣方法，則將吹掃氣體通過滌氣器，其化學中和吹掃氣體中的羰基化試劑。通常，這類滌氣器包括填充塔，其中吹掃氣體與溶于水的堿逆流移動。優選堿選自氫氧化氨、氫氧化鉀、氫氧化鈉及其組合。在優選實施方案中，堿為氫氧化鈉。
當氨基酸或其鹽與羰基化試劑的反應完成時，優選通過真空解吸除去溶劑或溶劑體系和羰基化試劑，留下濃縮油或結晶殘余物。在一個實施方案中，在從反應混合物中真空解吸溶劑或溶劑體系和羰基化試劑期間，將吹掃氣體連續或間歇引入到反應混合物中。在優選實施方案中，然后向所得油狀或結晶殘余物加入溶劑，將溶液真空過濾以除去不溶性固體，并加入無水非溶劑以沉淀產物形成漿液。優選攪拌漿液30分鐘并冷藏整夜。然后可通過在氮氣覆蓋下真空過濾分離出產物，首先用溶劑和非溶劑(即，N-羧酸酐產物不會以可察覺程度溶解于其中的液體)的混合物洗滌，然后使用非溶劑洗滌，通過抽真空在漏斗中部分干燥，同時保持正向氮氣吹掃30分鐘，然后真空干燥至恒重。在前述過濾和沉淀步驟中所述的溶劑和非溶劑分別為乙酸乙酯和己烷。
已經詳細說明了本發明，顯而易見的是在不偏離所附權利要求所限定的本發明保護范圍的前提下可作出改進和變化。并且，應當理解的是當前公開的所有實施例以非限制性實施例給出。
實施例1L-谷氨酸N-羧酸酐γ-乙酯的制備 在此實施例中，30升無水四氫呋喃和5000克(28.54摩爾)L-谷氨酸γ乙酯(其已經在500克氫氧化鈉片粒上真空干燥)的攪拌混合物在25℃用氮氣在液面下以0.5升/分鐘吹掃30分鐘。將氮氣吹掃增加到4升/分鐘，并且經1.5小時在25℃加入5650克(57.08摩爾)氣態光氣。使用干冰/丙酮回流冷凝器將光氣回流進入反應容器，允許反應放熱使得反應混合物溫度增加到60℃。光氣加入后，反應混合物在50-60℃加熱15分鐘，直到固體消失并得到透明溶液。從回流冷凝器中除去干冰和丙酮，并將反應混合物用氮氣以4升/分鐘和50-55℃吹掃30分鐘。通過在35-55℃和低至2毫米汞柱的真空解吸除去四氫呋喃和過量光氣。濃縮的油狀殘余物與14.2升無水乙酸乙酯混合并將溶液真空過濾以除去不溶性固體。在攪拌下向溶液中慢慢加入無水己烷(45.0升)以將產物結晶。將產物漿液攪拌30分鐘并在5℃冷藏整夜。產物在氮氣覆蓋下通過真空過濾分離，用7.5升4∶1的己烷∶乙酸乙酯溶液和7.5升己烷洗滌，通過抽真空在漏斗中干燥30分鐘，同時保持正向氮氣吹掃，并在室溫下真空干燥至恒重。干燥后，得到3893克(收率67.8％)L-谷氨酸N-羧酸酐γ-乙酯，熔點為71-72℃并且氯化物含量為0.020％。
實施例2L-谷氨酸N-羧酸酐γ-芐酯的制備 在此實施例中，3.3升無水四氫呋喃和466克(1.96摩爾)L-谷氨酸γ-芐酯的攪拌混合物在液面下用氮氣以0.5升/分鐘吹掃，并經30分鐘加熱到45℃。將氮氣吹掃增加到2升/分鐘，并且經10分鐘以使反應混合物溫度保持在50-65℃的速率加入389克(3.93摩爾)氣態光氣。使用干冰/丙酮回流冷凝器將光氣回流進入反應容器。光氣加入后，反應混合物在50-65℃加熱25分鐘，直到固體消失并得到透明溶液。從回流冷凝器中除去干冰和丙酮，并將反應混合物用氮氣以4升/分鐘和50-65℃吹掃30分鐘。通過在50-65℃和低至15毫米汞柱的真空解吸除去四氫呋喃和過量光氣，于是濃縮的殘余物結晶。將解吸的殘余物溶于2.8升無水乙酸乙酯并將混濁混合物真空過濾以除去不溶性固體。在攪拌下向濾液中慢慢加入無水己烷(5.5升)以將產物結晶。將產物漿液攪拌30分鐘并在5℃冷藏整夜。產物在氮氣覆蓋下通過真空過濾分離，用0.93升3∶1的己烷∶乙酸乙酯溶液和1.4升己烷洗滌，通過抽真空在漏斗中干燥30分鐘，同時保持正向氮氣吹掃，并在室溫下真空干燥至恒重。干燥后，得到461克(收率89.2％)L-谷氨酸N-羧酸酐γ-芐酯，熔點為92-94℃并且氯化物含量為0.022％。
實施例3N6-CBZ-L-賴氨酸N-羧酸酐的制備 在此實施例中，3.2升無水四氫呋喃和400克(1.42摩爾)N6-CBZ-L-賴氨酸的攪拌混合物在液面下用氮氣以0.5升/分鐘吹掃，并經30分鐘加熱到50℃。將氮氣吹掃增加到2升/分鐘，并且經5分鐘以使反應混合物溫度保持在50-65℃的速率加入282克(2.85摩爾)氣態光氣。使用干冰/丙酮回流冷凝器將光氣回流進入反應容器。光氣加入后，反應混合物在50-65℃加熱15分鐘，直到固體消失并得到透明溶液。從回流冷凝器中除去干冰和丙酮，并將反應混合物用氮氣以4升/分鐘和50-65℃吹掃30分鐘。通過在50-65℃和低至100毫米汞柱的真空解吸除去四氫呋喃和過量光氣，于是濃縮的殘余物結晶。將解吸的殘余物溶于加熱到30℃的2.4升無水乙酸乙酯中，并將混濁混合物真空過濾以除去不溶性固體。在攪拌下向濾液中慢慢加入3.2升冷(5℃)無水己烷以將產物結晶。將產物漿液攪拌30分鐘并在5℃冷藏整夜。產物在氮氣覆蓋下通過真空過濾分離，用0.8升4∶1的己烷∶乙酸乙酯溶液和0.8升己烷洗滌，通過抽真空在漏斗中干燥30分鐘，同時保持正向氮氣吹掃，并在室溫下真空干燥至恒重。干燥后，得到380克(收率87.0％)N6-CBZ-L-賴氨酸N-羧酸酐，熔點為98-100℃并且氯化物含量為0.082％。
權利要求
1.一種用于制備N-羧酸酐的方法，該方法包括形成含有氨基酸或其鹽、溶劑和選自光氣、雙光氣、三光氣及其混合物的羰基化試劑的反應混合物，其中羰基化試劑與氨基酸或其鹽反應，產生N-羧酸酐作為產物和HCl作為副產物，在羰基化試劑與氨基酸或其鹽反應時通過使吹掃氣體通過反應混合物而從反應混合物中吹出HCl副產物，和在吹掃氣體通過反應混合物后，處理吹掃氣體以降低其中羰基化試劑的濃度。
2.根據權利要求1的方法，其中羰基化試劑為光氣。
3.根據權利要求1或2的方法，其中吹掃氣體選自氮氣、氦氣、氬氣、氖氣及其混合物。
4.根據權利要求1或2的方法，其中吹掃氣體主要為氮氣。
5.根據權利要求1-4中任意一項的方法，其中溶劑選自四氫呋喃、二氧六環、乙醚、異丙醚、二氯甲烷、氯仿、1，2-二氯乙烷、N，N′-二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、乙酸乙酯以及其組合。
6.根據權利要求1-5中任意一項的方法，其中羰基化試劑以液體形式引入反應混合物中。
7.根據權利要求1-6中任意一項的方法，其中氨基酸選自谷氨酸γ-芐酯、谷氨酸γ-乙酯和N6-CBZ-L-賴氨酸及其鹽。
8.根據權利要求1-7中任意一項的方法，其中通過將吹掃氣體通過冷凝器來處理吹掃氣體以從吹掃氣體中冷凝出羰基化試劑。
9.根據權利要求8的方法，其中在將吹掃氣體通過冷凝器后，通過將吹掃氣體通過滌氣器而進一步處理吹掃氣體，所述滌氣器中和吹掃氣體中的羰基化試劑。
10.根據權利要求1-7中任意一項的方法，其中通過將吹掃氣體通過滌氣器來處理吹掃氣體，所述滌氣器中和吹掃氣體中的羰基化試劑。
11.根據權利要求9或10的方法，其中羰基化試劑使用選自如下的堿中和氫氧化氨、氫氧化鉀、氫氧化鈉以及其組合。
12.根據權利要求11的方法，其中堿為氫氧化鈉。
13.根據權利要求1-12中任意一項的方法，其中吹掃氣體和羰基化試劑經一段時間加入，其中在此時間內分別以摩爾計的平均相對加入速率為0.15∶1至0.4∶1。
14.根據權利要求1-13中任意一項的方法，其中回收N-羧酸酐產物并且該產物含有少于0.1重量％的HCl。
全文摘要
本發明公開了一種用于生產N－羧酸酐的方法。所述方法以產物產生N－羧酸酐并且以副產物產生HCl。在羰基化試劑與氨基酸或其鹽反應時通過將吹掃氣體通過反應混合物從反應混合物中吹出HCl副產物。由此方法產生的N－羧酸酐具有較低的氯化物雜質含量，可得到較高的收率，并且可以較大規模生產N－羧酸酐。
文檔編號C07D263/04GK101076522SQ200580036879
公開日2007年11月21日 申請日期2005年10月26日 優先權日2004年10月26日
發明者J·M·卡魯比亞, T·M·韋弗, E·波努莎邁 申請人:西格瑪-奧爾德利希公司