D-丙氨酸的主要应用_凯茵工业添加剂
背景及概述[1]
丙氨酸学名α-氨基-β-基丙酸，是α-氨基酸的一种，有L型、D型和外消旋DL型，其中L型为人体必需氨基酸之一。丙氨酸是十九世纪八十年代末由Schulze和Barbieri首先发现，从羽扇豆幼苗中分离出来得到的一种新的氨基酸，并提出一个经验化学式为C9H11NO2。Erlemeyer和Lipp在1882年首次通过化学合成法成功的合成出丙氨酸，但是对其空间构型并未做探究。接着Fischer在1901年用盐酸水解酪蛋白时意外分离得到丙氨酸，从此人对丙氨酸的研究更加深入。D-丙氨酸是α-氨基酸的一种，常温下物理状态为白色粉末或白色结晶固体，熔点283℃，等电点(25℃)为5.48，25℃时在水中溶解度27g/L，微溶于甲醇、乙醇，不溶于醚等，比旋光度[α]25D=+34.5(c=1.0，H2O)。和其他D-氨基酸一样，D丙氨酸在有机合成、新药研制、多肽类化合物的合成等方面是一种非常重要的手性中间体，并且因为D-丙氨基酸本身结构和活性的特殊性，越来越受到人们的广泛关注。
应用[1-3]
研究发现L-丙氨酸在自然界广泛存在，是人体必需氨基酸之一，主要存在于各种蛋白质中，如纤维蛋白、血红蛋白都发现有L-丙氨酸的存在。L-丙氨酸同样对甲状腺激素、毛发及皮肤黑色素的分泌也有着重要作用。D-丙氨酸作为一种非天然氨基酸除不能直接参与人体蛋白质的合成外，其理化性质与L-丙氨酸类似，并且D-丙氨酸由于特殊的手性结构和生物活性在工业、农业、食品、医药农药等领域有着L-丙氨酸不可比拟的应用价值。在轻工业生产中，将非天然氨基酸应用到化妆品的生产中以用来改善和提高产品品质和性能的现象已经越来越普遍。例如有部分厂家将氨基酸添加到洗面奶中，这样的产品相比以往pH更加与人体肌肤接近，所以使用起来温和亲肤、无刺激还能起到保护肌肤的效果。在生化试剂行业，由于D-氨基酸基本不参与人体代谢，所以具有D-氨基酸结构的抗生素类药物在人体代谢的半衰期明显比具有L-氨基酸结构的药物长，所以关于D-氨基酸衍生物在手性药物研究的需求也在不断攀升。其中N-叔丁氧羰基-D-丙氨酸(BOC-D-phenylalanine)、芴甲氧羰基-D-丙氨酸（FMOC-D-phenylalanine）等生化试剂都是由D-丙氨酸为底物进行衍化合成的。
目前，在医药、农药领域也常常见到D-丙氨酸活跃其中。D-丙氨酸可阻止脑啡肽激酶的活性，抑制脑啡肽的分解，因此被应用到脑啡肽、啡肽抑制剂用作利尿剂及抗成瘾性药物。D-丙氨酸参与合成的药物也可用于预防和治疗Marek疾病。用于治疗高血压、糖尿病药物的也部分用到D-丙氨酸。D-丙氨酸也广泛应用于是治疗关节炎、抑郁症等药物的原料。此外，还有其他很多种重要的化合物需要D-丙氨酸来制备，例如：吡咯酮多肽化合物、用于生物膜传播的载体α-氨基磷酸盐、爱滋病（HIV-1）蛋白酶抑制剂、用于治疗性功能障碍的蛙皮素受体对抗物、新的NEP和ACE抑制剂异羟肟酸衍生物、用作戒毒药的N-(酰氨基-烷基)-4-3-羟基-哌啶及其衍生物、用于治疗胃泌素瘤的生长抑制剂类似物、预防和治疗动脉硬化的药物、止痛药、肽基抗血栓剂、神经混乱药、金属蛋白酶抑制剂、抗真菌药、有机锡杀虫剂等都利用到D-丙氨酸。目前，D-丙氨酸主要作为著名抗糖尿病药那格列那和抗肿瘤药物百士欣的原料。
制备[1]
在过去的一个多世纪时间里，氨基酸的生产制备方法一直都是研究热点之一。目前，L-丙氨酸的生产方法的研究已经比较成熟，主要有直接发酵法、酶法及化学合成法。但是D-丙氨酸属于非天然氨基酸很难从天然产物中获得，也无法通过直接发酵的方式制备，而化学合成生产工艺复杂，对设备要求很高很难大规模生产。随着D-丙氨酸在轻工业、医药、农药、食品等领域的应用的不断拓展，市场需求量也将随之不断地增加，所以寻找工艺简单、原料廉价易得的D-丙氨酸的制备方法成为化学工作者研究的方向之一。目前制备D-丙氨酸的方法归纳起来主要有拆分法、生物法以及不对称化学合成法，其中不对称法合成特别是不对称催化氢化法已经显示出广阔的前景。
1）拆分法
外消旋丙氨酸是由L-丙氨酸和D-丙氨酸等量混合的化合物，它们物理化学性质基本相同，只是彼此旋光性相反。因此，用一般的物理方法难以把外消旋体分离成单一构型的丙氨酸，必须用特殊的方法分离。以3，5-二硝基甲酰基取代的β-环糊精为固定相，采用手性薄层色谱法对D，L-氨基酸拆分，实验发现由于环结构的存在丙氨酸与手性固定相作用强烈，使外消旋丙氨酸出现不同的物理特性，因此获得比较好的拆分效果。但该方法使用的拆分剂价格较高、消耗大、拆分效率不高，因此难以备大规模生产使用。将青霉素酰化酶固定化，然后对外消旋丙氨酸衍生物N-乙酰-D，L-丙氨酸进行拆分得到粗品N-乙酰-D-丙氨酸，经水解脱去保护基，再利用阳离子树脂交换脱盐处理得到D-丙氨酸，光学纯度91.4%，产率67%。该法同样存在效率低，能耗大，产率低，产物光学纯度低等不足之处。也有相关文献报道，用化学试剂二氧杂磷杂环己烷类化合物拆分外消旋丙氨酸，但是拆分率不足36%。
2）生物法
生物法由于反应条件相对温和、有高度的立体选择性等特点一直在氨基酸生产领域受到广泛关注和高度重视。也有许多文献报道利用生物法生产D-丙氨酸的研究。从两种特殊细菌中诱导产生D构型氨基酸酰化酶，利用这种酶可将N-乙酰-D-丙氨酸转化为D-丙氨酸，高产率可达83.1%，所得产物的光学纯度等未见报道。此法虽然可行但是仅限于实验室研究，还不具备工业生产条件。据相关报道日本中原生化公司通过基因工程手段将D-海因酶和N-氨甲酰氨基因重组到大肠杆菌中并成功表达，并提取粗酶进行固定化来生产D-丙氨酸，取得了不错的实验效果。目前日本中原生化等公司通过基因工程的方法又进行了菌种的改良，但是在D-丙氨酸生产上依然存在底物浓度低，转化时间长，转化率不高等缺点。
3）不对称合成法
不对称合成泛指利用特殊的化学试剂、溶剂、催化剂或物理因素等将潜手性单元转化成手性单元，从而产生不等量的立体异构产物的一类反应。不对称合成反应在近年来发展十分迅速，成果显著，成为有机化学中研究活跃的领域之一，利用这一方法合成丙氨酸的报道也有许多。1988年报道了以D-樟脑与甘氨酸持丁醋缩合的D-樟脑酮亚胺为手性合成子，通过不对称合成的方法，对映选择合成了D-丙氨酸，产物光学纯度和ee值达95%，产率达到92.7%。但是此法反应条件要求较苛刻，能耗高，成本较高，只适合实验室小量合成研究。另一种有效的不对称合成α-氨基酸的方法是利用铑催化串联的1，4-加成质子化(Michael型的加成反应)催化α，β-脱氢氨基酸。利用有机金属试剂在铑催化剂和手性膦配体存在条件下对酰氨基丙烯酸酯进行反应，得到相应的α-手性氨基酸衍生物。丙氨酸衍生物的ee值为89.5%且为L构型。该方法操作简单，但是反应使用过多的铑催化剂和手性膦配体，成本过高且产物光学纯度不高，还只停留在实验室研究阶段，未见生产报道使用该法。
主要参考资料
[1] D-丙氨酸的不对称合成新工艺研究
[2] 巨大芽孢杆菌酶法转化制备D-丙氨酸
[3] 不对称转化拆分制备D-丙氨酸