“一锅法”合成（2R,3R）-环氧丁酸的工艺研究

张红夺 蒋成君

（1.浙江新东港药业股份有限公司，浙江 台州 310023;2.浙江科技学院 生物与化学工程学院，浙江 杭州 310023）

青霉烯和碳青霉烯是一类新型非典型β-内酰胺类抗生素，此类化合物具有高效抗菌、超光谱和耐酶等特点，在临床抗感染方面发挥了重要作用。（2R,3R）-环氧丁酸是合成这类抗生素的关键中间体，如何立体选择性的合成（2R,3R）-环氧丁酸成为化学工作者研究的热点。

（2R,3R）-环氧丁酸的制备方法主要有三种。（1）以 L-苏氨酸为原料[1-5]，重氮化、溴代、环氧化等步骤成功的得到目标产物，此方法用氢溴酸以及溴化钠进行溴化，价格较贵；（2）以巴豆酸为原料[6-10]，在钨酸钠和双氧水氧化下合成目标产物，但是反应的收率很低。（3）以（2R,3R）-环氧丁醇为原料[11-12]，以经乙腈-水为溶剂，在三氯化钌作用下，高碘酸钠氧化得到目标产物，收率90%，但是三氯化钌和高碘酸钠价格昂贵。基于上述工艺存在的问题，本文对（2R,3R）-环氧丁酸的合成进行改进，直接在工业盐酸中进行重氮化，氯代，不取出产物，碱性条件下环合，工业盐酸调pH，如图1所示。

图1 “一锅法”合成（2R,3R）-环氧丁酸Fig.1 One-pot synthesis of(2R,3R)-epoxybutyric acid

“一锅法”合成（2R,3R）-环氧丁酸的影响因素众多。Plackett-Burman法[13]是一种以非完全平衡块为原理的一种近饱和的二水平试验设计法，可以从众多的考察因素中快速且有效地筛选出最为重要的几个因素，供进一步详细研究使用，Box-Behnken实验设计[14]则可以对反应条件进行优化，本文采用Plackett-Burman和Box-Behnken实验设计，对影响收率的相关因素进行研究和优化。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

L-苏氨酸，工业级，石家庄市石兴氨基酸有限公司；浓盐酸，工业级，荥阳市新源化工有限公司；亚硝酸钠、氢氧化钠，试剂级，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 合成步骤

在装有温度计的3000 mL四口烧瓶中加入119 g（1mol）L-苏氨酸,加入一定量的36.5%浓盐酸，降温，滴加40% 的亚硝酸钠溶液，滴加完毕后（记为滴加时间Ⅰ），反应一段时间（记为反应时间Ⅰ），滴加40%的氢氧化钠水溶液（记为滴加时间Ⅱ），反应一段时间（记为反应时间Ⅱ），滴加36.5%的浓盐酸调体系pH值为1，用3×500 mL二氯甲烷萃取，二氯甲烷层用30 g无水硫酸镁干燥2 h，过滤，滤液减压浓缩，得到淡黄色液体，计算收率。

1.3 实验设计

1.3.1 Plackett-Burman实验设计

Plackett-Burman实验设计被称作筛选实验设计，当实验因素较多时，实验进行不方便，且不考虑交互作用时，才会考虑使用此方法。虽然与其他方法相比，Plackett-Burman实验设计不能区分主效应与交互作用的影响，但可以确定对结果影响显著的因素，从而达到筛选的目的。Plackett-Burman实验对每个因素取2个水平来进行分析，通过比较各因素 2个水平的差异与整体的差异来确定因素的显著性。通过 Plackett-Burman实验的筛选，能避免在后期的优化实验中由于因素数太多或部分因素不显著而造成的实验资源浪费。利用 Minitab软件创建 Plackett-Burman实验，每个因素取 2个水平。在前期单因素实验获得结果的基础上，本实验选取影响较大的 9个因素，m(亚硝酸钠)、m(浓盐酸)、m(氢氧化钠)、反应温度、滴加时间Ⅰ、滴加时间Ⅱ、反应时间Ⅰ、反应时间Ⅱ。其他因素如L-苏氨酸初始浓度、转速等均恒定，选用变量个数 N=12的Plackett-Burman设计表，用于考察实验误差。各因素所代表参数、水平见表 1，实验设计及结果见表2。

表1 Plackett-Burman实验设计参数和水平Table1 Factors levels of Plackett-Burman design

表2 Plaekett-Burman实验设计表及结果Table2 Design matrix and experimental results of Plackett-Burman design

1.3.2 Box-Behnken实验设计

Box-Behnken实验设计是一种常用的响应面分析法，用来评价指标和因素间的非线性关系，估计一阶、二阶与一阶交互作用项的多项式模式，是一种有效的响应面设计法。结合前面实验结果，利用Minitab软件创建Box-Behnken实验设计。

表3 Box-Behnken实验设计及编码值Table3 Design matrix and experimental

表4 Box-Behnken实验设计表及实验数据Table4 Design matrix and experimental results of Box-Behnken design

实验中的3个因素为滴加时间Ⅰ、滴加时间Ⅱ和反应温度，每个因素取3个水平。实验共有15个实验点，其中有 12个析因点和3个零点。对零点实验进行3次，以估计误差。

2 结果与讨论

2.1 Plackett-Burman实验结果分析

利用 Minitab对 Plackett-Burman实验数据进行分析，结果如表 5所示，其标准偏差为54.6，回归方程的系数R2为0.98。

表5 Plackett-Burman实验设计分析结果Table5 Analysis result of Plackett-Burman experiment

从单因素效应的检验结果可以看出：主效应中，因素 E(滴加时间Ⅰ)、F(滴加时间Ⅱ)、G(反应时间Ⅰ)效应显著，其 P分别为 0.047，0.027和0.037，均小于0.050，可以作为进一步优化的因素。其他因素对结果影响不大，在进一步研究中，取中间水平，对影响效果不进行分析。

2.2 最陡爬坡实验结果分析

对Plackett-Burman实验结果进行分析，发现E(滴加时间Ⅰ)、F(滴加时间Ⅱ)、G(反应时间Ⅰ)对反应具有正促进作用，适当增加会提高反应的收率。实验设计和结果如表6所示。

表6 最陡爬坡试验设计结果Table6 Design matrix and experimental results of steepest accent

由表6可知，第五组、第六组实验的收率最高，这说明滴加时间Ⅰ9 h，滴加时间Ⅱ9 h，反应时间5 h时，收率已达到最大值。故实验5的条件为响应面实验因素水平的中心点，滴加时间Ⅰ，滴加时间Ⅱ，反应时间Ⅰ分别为9 h，9 h，5 h，进行进一步研究。

2.3 Box-Behnken实验结果分析

实验数据用Minitab进行分析，并得出回归方程系数显著性检验、方差分析结果分别如表7～8所示。由表7可知滴加时间Ⅰ，滴加时间Ⅱ，反应时间Ⅰ的关系可用下列回归方程来表示：

表7 回归方程系数显著性检验Table7 Significance test of regression coefficient

表8 回归方程的方差分析Table8 ANOVA for regression equation

回归方程的系数R2为0.98，R2经调整后为0.95。

从表7中可以看出，模型方程中常数项P为0，表明该模型是显著的。同时，模型中的参数X1，X1X1，X2X2的 P 分别为 0.047，0.011，0.013，均小于0.050，表明这些参数也是显著的。从表7可知：模型失拟检验的 P为 0.375，大于 0.050，因此，回归模型适合，不需要对回归方程进行调整。各因素间相互作用对响应的影响如图2～图4所示。

图2 滴加时间Ⅰ（X1），滴加时间Ⅱ(X2)交互作用对反应收率的影响Fig.2 Response surface plot for interaction effects of dropwise add timeⅠand dropwise add timeⅡ on yield

图3 滴加时间Ⅰ（X1），反应时间Ⅰ(X3)交互作用对反应收率的影响Fig.3 Response surface plot for interaction effects of dropwise add timeⅠ and reaction timeⅠon yield

图4 滴加时间Ⅱ（X2），反应时间Ⅰ(X3)交互作用对反应收率的影响Fig.4 Response surface plot for interaction effects of dropwise add timeⅡ and reaction timeⅠon yield

为了进一步验证最佳值，对回归方程进行分析，令一阶偏导等于0，并整理得：

解上述方程组，得各因素编码分别为X1=0.30，X2=0.32，X3=0.46。代入式（1）得 Y=93.8

又由各因素编码与其真实值之间的关系，可求得收率为93.8%时，滴加时间Ⅰ，滴加时间Ⅱ，反应时间Ⅰ真实值为 8.30，8.32和3.5 h。为了对预测的结果进行验证，用以上得到的最优反应条件，进行 3次重复实验，所得平均收率为93.5%，与预测值相差0.3%，证实了模型的有效性。

3 结论

在单因素试验的基础上，借助 Minitab将响应面法应用于“一锅法”合成（2R,3R）-环氧丁酸工艺的优化。回归分析结果表明：滴加时间Ⅰ，滴加时间Ⅱ，反应时间Ⅰ的交互作用对收率的影响显著。

通过对响应方程的回归分析，得到最佳滴加时间Ⅰ8.3 h，滴加时间Ⅱ8.30 h，反应时间Ⅰ为3.5 h。经过实验验证，该条件下的收率为93.5%，为工业化生产提供了一定的理论依据。

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