磷酸吡哆醛的合成工藝

宣良明，胡 旭，馮權武，盧 偉，尹傳奇*

1.武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北 武漢430205；

2.湖北惠生藥業有限公司，湖北 咸寧437000

磷酸吡哆醛，化學名稱為2-甲基-3-羥基-5-（磷酰氧基）甲基-4-吡啶甲醛，是一種重要的維生素B6族化合物［1-2］，不僅是氨基酸代謝中的轉氨酶及脫羧酶的輔酶［3］，還能促進谷氨酸脫羧［4］，增進γ-氨基丁酸生成［5］。磷酸吡哆醛還大量應用在合成β-羰基酰胺類藥物、生物活性研究等領域［6］，如在臨床上主要用于治療帕金森綜合癥［7］，促進轉氨酶進行轉氨作用提高體內多巴胺的含量［8］。

磷酸吡哆醛一般以鹽酸吡哆醇（Vitamin B6，VB6）為原料合成。王淑美［9］用二氧化錳將VB6氧化后與二氯化鎳反應制得吡哆醛螯合物，該螯合物磷酸化后通過陽離子交換樹脂生成磷酸吡哆醛。該方法反應時間長，二氧化錳大大過量，分離方法不利于工業化生產［10］。黃金龍［11］等先用二氧化錳氧化VB6得到鹽酸吡哆醛，后者與胺反應生成吡哆醛席夫堿。將席夫堿用多聚磷酸酯化后水解得到磷酸吡哆醛。該方法在氧化VB6過程中，需用濃硫酸調節反應體系的pH值，操作繁瑣；吡哆醛席夫堿用多聚磷酸酯化，攪拌困難；席夫堿磷酸酯水解后，磷酸吡哆醛很難從水溶液中結晶。曹一丁等［6］利用一種化學與生物聯合催化的方法將鹽酸吡哆醇轉化為磷酸吡哆醛，該方法環保，成本低廉，但總收率僅為20%左右。陳明等［12］通過二氧化錳氧化VB6生成醛，經席夫堿合成和磷酸酯化后水解得到磷酸吡哆醛，工業化前景值得探討。

本研究以鹽酸吡哆醇為原料，經圖1所示路線合成磷酸吡哆醛，旨在通過對二氧化錳氧化鹽酸吡哆醇的反應條件、鹽酸吡哆醛席夫堿磷酸酯化條件，以及磷酸吡哆醛的結晶方法進行研究，探討適合工業化生產的磷酸吡哆醛合成方法。

圖1磷酸吡哆醛的合成路線Fig.1 Synthetic route of pyridoxal phosphate

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

VB6（湖北惠生藥業股份有限公司）；濃鹽酸，五氧化二磷，九水硫化鈉（天津市大茂化學試劑廠）；對乙氧基苯胺（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；二氧化錳，多聚磷酸，氫氧化鈉，磷酸（質量分數85%），乙酸乙酯，強酸性陽離子交換樹脂（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

RY-1熔點儀檢測儀（天津天光光學儀器有限公司）；DPX 300核磁共振儀（德國Bruker公司）；EL III型元素分析儀（德國Vario公司）；LC-20AT型高效液相色譜儀（HPLC）（日本島津公司）；Tracems 2000色譜-質譜聯用儀（美國Finnigan公司）；紅外光譜儀（FTIR-650，天津）。

1.2 HPLC檢測方法

每次均取0.1 mL反應液，用純化水稀釋到1.0 mL。再用一個干凈的注射器連接一個0.22μm的筒式過濾器過濾樣品。液相條件：C18（5μm，250 mm×4.6 mm）；流動相：V（磷酸緩沖液）∶V（甲醇）=95∶5；緩沖溶液：20 mmol/L Na2HPO4·12H2O（用質量分數10%的磷酸調劑pH為7.0）；流速：1.0 mL/min；柱溫：30℃；進樣量：3μL；檢測波長：254 nm。梯度洗脫。

1.3 實驗步驟

1.3.1 鹽酸吡哆醛（I）的合成在10 L三口燒瓶中加入500.0 g（2.432 mol）VB6和5.0 L的質量分數為6%鹽酸溶液，攪拌至溶解，控制反應溫度在15℃，加入211.6 g（2.432 mol）二氧化錳，0.5 h后，再加入211.6 g（2.432 mol）二氧化錳。繼續反應6 h后，經HPLC檢測，鹽酸吡哆醇已完全轉化，鹽酸吡哆醛I的選擇性為96.2%。抽濾，水洗。往濾液中加入612.9 g（2.554 mo1）九水硫化鈉，攪拌0.5 h。抽濾，濾液直接進行下步反應。

1.3.2 鹽酸吡哆醛席夫堿（II）的合成在10 L三口燒瓶中，攪拌下將400.3 g（2.918 mol）對乙氧基苯胺緩慢滴加到上一步制備的鹽酸吡哆醛溶液中，控制溫度在15℃。滴加完畢后繼續攪拌1 h，有大量橙黃色固體生成。抽濾，固體依次用水和乙酸乙酯洗滌，干燥得到化合物II 560.4 g，以VB6計收率為80.5%。m.p.：201～202.5℃，與文獻值一致［13］。1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ：14.20（s，1H，pyridine-OH），9.23（s，1H，-CH=N-），8.06（s，1H，pyridine-H），7.58（d，2H，benzene-H），7.13（d，2H，benzene-H），5.49（s，1H，-OH），4.85（s，2H，-CH2OH），4.16（m，2H，-OCH2-），2.51（s，3H，pyridine-CH3），1.44（s，3H，-CH3）。

1.3.3 磷酸吡哆醛席夫堿（III）的合成在裝有攪拌器和溫度計的10 L三口反應瓶中，加入516.3 g（1.803 mol）化合物II、1 827.7 g（5.409 mol）多聚磷酸和54.8 g水，50℃反應8 h后，加入4 130.4 g冰水，在30℃下攪拌0.5 h。加入430.3 g（11.789 mol）濃鹽酸和1.5 g活性炭，升溫達到75℃反應10 min，降至室溫。抽濾，濾液用質量分數35%的氫氧化鈉溶液中和，析出大量的橙紅色固體。抽濾，固體用水洗滌至濾液為淺黃色為止，不需干燥可直接用于下一步反應。干燥得化合物III，m.p.：205～207℃。1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ：14.36（s，1H，pyridine-OH），9.22（s，1H，-CH=N-），8.05（s，1H，pyridine-H），7.57（d，2H，benzene-H），7.03（d，2H，benzene-H），5.17（s，2H，-CH2），4.08（m，2H，-OCH2-），2.45（s，3H，pyridine-CH3），1.35（s，3H，-CH3）。EA（C16H19N2O6P），Calcd：C 52.46，H 5.23，N 7.65；Found：C 52.14，H 5.19，N 7.30。

1.3.4 磷酸吡哆醛（IV）的合成將上一步所得橙紅色固體加入到5 L三口燒瓶瓶中，加2 706.0 mL 2 mol/L的氫氧化鈉溶液，室溫下攪拌2.0 h。反應液用乙酸乙酯萃取2次（1 500 mL×2）后，往水相中加入強酸性陽離子交換樹脂1 500.0 g，攪拌1.0 h。抽濾，濾液冷凍干燥，粗產品經丙酮/乙醇（2∶1，V/V）打漿后得到淡黃色固體256.2 g，純度為99.5%（HPLC檢測），以化合物III計收率為76.6%。m.p.：141～142℃；MS（m/z）：248.12［M+H+］；IR（KBr）υ：3 368，2 927，1 632 cm-1.1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ：10.36（s，1H，pyridine-CHO），8.09（s，1H，pyridine-H），5.17（s，2H，-CH2-），2.41（s，3H）。

2 結果與討論

2.1 化合物I的合成

化合物I是合成磷酸吡哆醛的重要中間體，由VB6氧化制得。何地平等［13］將超聲波輻射用于活性二氧化錳氧化吡哆醇的反應中；施湘君等［14］采用tempo氧化鹽酸吡哆醇。釕配合物［15］以及鎢酸鉍［16-18］分別作為催化劑，用于雙氧水氧化鹽酸吡哆醇反應中。但這些氧化反應要么氧化體系復雜，不易操作，要么反應成本高，不適合工業化。本研究中采用二氧化錳為氧化劑，考察了鹽酸吡哆醇與二氧化錳的摩爾比、鹽酸溶液濃度、反應時間和溫度（如表1所示）對氧化反應的影響，通過四因子三水平正交試驗實驗對氧化反應條件進行了優化，結果如表2所示。

表1 MnO2氧化VB6正交試驗方案Tab.1 Orthogonal testing program for oxidation of VB6 by MnO2

Tab.2 Orthogonal test results of oxidation of VB6 by MnO2

表2 MnO2氧化VB6正交試驗結果

從計算出的K值得出A2、B3、C1、D2最佳。通過公式計算出本實驗中各Rj的值得到：R1＞R4＞R2＞R3，表明各因子A、D、B、C對氧化實驗的影響逐漸減小。因此鹽酸吡哆醇氧化反應的最優工藝條件為：A2B3C1D2，即鹽酸吡哆醇與二氧化錳的摩爾比為1.0∶2.0，反應在質量分數6% HCl溶液中15℃下進行6 h。

二氧化錳氧化鹽酸吡哆醇是一個放熱反應，需在低溫下進行。同時，酸性條件有利于VB6的選擇性氧化，因為VB6吡啶環上氮原子質子化后，吡啶環電子云密度降低，不利于5-羥甲基的氧化。二氧化錳的用量也影響鹽酸吡哆醛的生成。當n鹽酸吡哆醇∶n二氧化錳=1∶1時，溶液中鹽酸吡哆醛的最高含量為75.4%；當n鹽酸吡哆醇∶n二氧化錳=1∶2時，鹽酸吡哆醛的最高含量為96.2%；當n鹽酸吡哆醇∶n二氧化錳=1∶3時，鹽酸吡哆醛的最高含量為79.3%。由此可見MnO2過量過多，鹽酸吡哆醛會過氧化。當反應進行6 h后，反應溶液中鹽酸吡哆醛的含量不斷降低，表明氧化時間過長，鹽酸吡哆醛也會過氧化。

與文獻［9］相比，本研究中二氧化錳的用量減少了1倍，反應溫和，氧化反應時間由36 h縮短至6 h，收率由72.4%提高到96.2%。同時，也避免了文獻［10］中反應溶液需用硫酸調節pH值的繁瑣過程。氧化后的濾液中含有重金屬離子Mn2+，實驗通過加入Na2S生成MnS沉淀除去。

2.2 化合物II的合成

吡哆醛分子中吡啶環上4-甲酰基易被氧化，需在5-羥甲基磷酸酯化前將甲酰基保護起來。將醛轉化為席夫堿是保護羰基的常用方法。芳香胺與吡哆醛反應生成席夫堿固體，由于具有芳香共軛體系，該席夫堿在酸性水溶液中穩定，不易水解。為提高苯胺氨基的親核性，可以在苯環氨基的對位上引入給電子基團，如乙氧基、甲氧基、烷基等［19］。但若反應溶液的酸性過強，芳胺的—NH2基團會被質子化，親核性減弱，降低席夫堿收率。實驗中，將硫化鈉處理后的濾液控制pH=5.0～6.0，加入對乙氧基苯胺與I反應，生成橙黃色固體，易于分離，以原料VB6計，吡哆醛席夫堿的收率達80%以上。

2.3 化合物III的合成

磷酸酯主要由醇與磷酸化試劑發生反應制得，常用的磷酸化試劑有H3PO4、P2O5、POCl3、PCl3、多聚磷酸等［20-21］。磷酸是三元酸，酯化產物是單烷基酯、雙烷基酯和三烷基酯的混合物。以P2O5為磷酸化試劑，主要生成單烷基酯和雙烷基酯。而PCl3和POCl3的腐蝕性較強，會腐蝕生產設備，不適于工業化生產。用多聚磷酸或P2O5/H3PO4為磷酸化試劑，產物主要為單烷基酯，能降低雙烷基酯和三烷基酯的生成［22］。本研究以多聚磷酸和P2O5/85%H3PO4作為吡哆醛席夫堿的磷酸化試劑，對酯化反應體系進行改進，結果如表3所示。

從反應結果可以看出，化合物II與磷酸化試劑P2O5/質量分數85%H3PO4在50℃反應8 h，化合物III的收率最高達到72.8%，但P2O5易吸水，操作不便。多聚磷酸為粘稠狀液體，與化合物II混合后形成粘稠物，攪拌很困難。為解決這一問題，林偉等［23］先將化合物II加入到含磷離子液體中，再與酸反應，收率達80%，含磷離子液體可循環使用。本實驗向反應體系中加入DMF或DMSO溶劑，以及利用甲苯分水回流，雖然攪拌問題解決了，但多聚磷酸不溶于有機相，酯化反應收率低。在向反應體系中加入少量水后，多聚磷酸的流動性得以改進，反應混合物可以充分攪拌，且收率顯著提高到85%以上。考慮到后處理，化合物II與多聚磷酸摩爾比為1∶3，反應在50℃進行8 h為化合物II磷酸酯化最優條件。

表3磷酸化試劑對吡哆醛席夫減磷酸酯化的影響aTab.3 Effect of phosphating reagents on phosphoric esterification of pyridoxal schiff basea

酯化反應完成后，在酸性條件下將多聚磷酸酯化產物加熱水解。由于終產物磷酸吡哆醛在水溶液中溫度高于40℃時極不穩定，而不加活性炭脫色又會影響產品質量，因此，本研究將脫色步驟與多聚磷酸酯化產物水解反應（75℃）同時進行。脫色后的濾液冷卻后析出棕紅色磷酸吡哆醛席夫堿固體。

2.4 化合物IV的合成

化合物III在堿性條件下水解得到磷酸吡哆醛的鈉鹽和對乙氧基苯胺，后者用乙酸乙酯萃取分離后可循環使用。磷酸吡哆醛分子中含有兩性基團，在酸性或堿性條件下都能生成水溶性物質，因此，pH值是影響磷酸吡哆醛能否從水溶液中析出的重要因素。實驗發現，用鹽酸調節水溶液的pH至1.0到5.0之間，保持溫度在0℃下均未有晶體析出。加入少許晶種誘導析晶，僅有少量淡黃色晶體析出，收率低于10%。在40℃以下將溶液減壓濃縮至1/3體積后，析出深褐色固體，但其中化合物IV含量很少。可以看出，加熱會使磷酸吡哆醛氧化。向水溶液中加入甲醇，僅析出NaCl固體。

鑒于以上實驗結果，本研究先使用強酸性陽離子交換樹脂將水溶液調酸，再將濾液冷凍干燥，得到淡黃色粉狀磷酸吡哆醛產品，收率達90.1%。采用冷凍結晶方法，避免了磷酸吡哆醛被氧化，而利用離子交換樹脂代替鹽酸調節pH值，溶液中不會有無機鹽存在，提高了凍干產品的質量。陽離子交換樹脂經活化后可重復使用。

3 結論

本研究通過正交實驗優化了二氧化錳氧化VB6的工藝條件，并利用MnS沉淀法除掉了溶液中的重金屬Mn2+。利用含水（質量分數3%）的多聚磷酸對吡哆醛席夫堿進行酯化，改善了攪拌條件并顯著提高了磷酸吡哆醛席夫堿的收率。采用陽離子交換樹脂酸化磷酸吡哆醛席夫堿的水解溶液，并將溶液冷凍干燥制備磷酸吡哆醛，解決了磷酸吡哆醛從水溶液中結晶困難和含鹽高的問題。整個合成路線反應條件溫和、操作簡便，磷酸吡哆醛的總收率達到61.6%，易于工業化生產。