氨基酸的合成方法

本发明涉及有机合成领域，具体是氨基酸的合成方法。

背景技术：

1、氨基酸是构成动物营养所需蛋白质的基本物质，特别是α-氨基酸，其是肽和蛋白质的构建分子，是构成生命体的基础，在生命体中发挥着重要的作用，并存在许多潜在的用途。例如，作为动物饲料添加剂、调味剂、生化试剂、医药药剂和化妆品等。目前，氨基酸主要是通过微生物发酵过程和蛋白质水解法来生产的，该方法可以生产20种组成蛋白质的氨基酸，但是生产效率低。此外，发酵工艺存在严格要求无菌操作条件、耗时长、微生物培养能耗高、产品分离纯化工艺复杂等潜在问题。

2、化学合成是一种有效合成氨基酸的方法，最常见的是strecker反应，该方法一般是用醛或酮与氢氰酸、氰化物，胺反应，得到α-氨基腈，后经水解反应得到相应的α-氨基酸。此法工艺较为简单、成熟、反应时间短、产生的废液量少、产物收率约为70％，但要使用剧毒的氰化物，存在环保压力大的问题。strecker反应的反应路线如下：

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4、α-位成肟/亚硝化还原法，该方法一般采用羰基羧酸酯直接与氨或羟胺反应，生成一个不稳定的亚胺基羧酸酯，以铂、钯为催化剂催化还原亚胺基羧酸酯，可得到相应的氨基酸，或通过用甲酸/锌粉还原得到胺酯化合物。α-位成肟/亚硝化还原法的反应路线如下：

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6、同时，α-酮酸的还原胺化是一种优异的合成方法，此过程无需消耗任何有毒试剂。该方法包含两个步骤：①羰基化合物与氮源(nh3和nh2oh)缩合得到含氮中间体(如亚胺和肟)；②含氮中间体的后续还原氢化形成α-氨基酸。α-酮酸的还原胺化反应路线如下：

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8、目前，合成氨基酸的方法主要是微生物发酵法、strecker反应和α-酮酸的还原胺化，上述方法均存在一定的缺点和局限性。例如，微生物发酵工艺存在严格要求无菌操作条件、微生物培养能耗高、耗时长、产品分离纯化工艺复杂等重大缺陷。strecker反应要使用剧毒的氰化物，环保压力大。α-位成肟/亚硝化还原法和α-酮酸的还原胺化反应，一般需要毒金属(铅、汞)和贵金属催化剂。

9、电催化合成氨基酸的方法能够克服上述缺点，与传统合成氨基酸的方法不同，电催化合成氨基酸领域尚未有研究，应用的电催化剂也鲜有报道。传统电化学催化剂一般需要通过nafion粘结剂，把催化剂材料负载电极上，由于粘结剂的添加，无可避免地会包裹催化剂，使其活性位点暴露的相对较少，从而影响催化性能；与此同时，催化剂通过粘结剂的粘连，仅是通过物理作用负载，在长时间的电催化过程或者较高电位的催化过程中，容易从电极上脱落，从而导致催化活性的降低甚至失活。

10、目前也有用不同于传统的催化剂进行电催化合成氨基酸，但都是以羟胺等为反应物料的反应难度较小的氨基酸合成路线，通过大大过量地使用羟胺等反应物料才能实现较高的法拉第效率，不仅成本高还浪费资源，最终所得氨基酸的纯度也较低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供氨基酸的合成方法，本发明提供的方法能够合成得到多种氨基酸，所合成的氨基酸具有高的纯度，反应成本低。

2、本发明提供了氨基酸的合成方法，包括以下步骤：

3、在催化剂的作用下，以α-酮酸类化合物为氨基酸前体，以氮氧化物为氮源，通过电催化合成氨基酸；所述催化剂包括多孔碳自支撑材料和负载在所述多孔碳自支撑材料上的金属。

4、具体而言，本发明以所述催化剂为工作电极，以银/氯化银电极为参比电极，以铂电极为对电极，以氨基酸前体和氮源为电解液，进行电催化反应，得到氨基酸。

5、在本发明的某些实施例中，以所述催化剂作为工作电极，以银/氯化银电极为参比电极，以铂电极为对电极，以电解质溶液、氨基酸前体和氮源为电解液，进行电催化反应，得到氨基酸；所述电解质溶液选自盐酸或氢氧化钾中的至少一种；所述电解质溶液的浓度为0.1mol/l～0.5mol/l。

6、在一个实施例中，在设置有阳极室和阴极室的电解池中，以所述催化剂作为工作电极，以银/氯化银电极为参比电极，所述工作电极和参比电极在所述阴极室中；以铂电极为对电极，所述对电极在所述阳极室中；在所述阴极室中加入阴极室电解液，在所述阳极室中加入阳极室电解液，进行电催化反应，得到氨基酸；所述阴极室电解液包括电解质溶液、氨基酸前体和氮源，所述阳极室电解液包括电解质溶液，所述阴极室电解液中的电解质溶液和所述阳极室电解液中的电解质溶液相同；所述电解质溶液选自盐酸或氢氧化钾中的至少一种；所述电解质溶液的浓度为0.1mol/l～0.5mol/l。

7、本发明所述催化剂包括多孔碳自支撑材料和负载在所述多孔碳自支撑材料上的金属。本技术发明人创造性地发现所述催化剂能够实现将有害的氮氧化物电催化转化为生命所需的、高价值的氨基酸，同时也实现对氮氧化物的有效治理，变废为宝。本发明所述多孔碳自支撑材料具有自支撑特性，无需外加粘结剂，避免了催化剂与基底电极之间的弱吸附连接作用；同时具有良好的机械强度和柔性，容易定制成特定的大小和厚度，成本低，容易放大制备，具有潜在的工业应用前景。在本发明的某些实施例中，所述多孔碳自支撑材料的孔隙容积为0.01cm3g-1～10.0cm3g-1；所述多孔碳自支撑材料的孔径大小为0.5nm～100nm；所述多孔碳自支撑材料的比表面积为10m2g-1～3000m2g-1。在本发明的某些实施例中，所述多孔碳自支撑材料选自碳纤维膜。

8、本发明所述催化剂中的多孔碳自支撑材料拥有丰富的金属位点，所述金属位点均匀的分布在多孔互连的多孔碳自支撑材料上，为氮氧化物的扩散和电子传输提供了重要的通道；本发明所述催化剂中的金属和多孔碳自支撑材料可以灵活组合搭配，且廉价易得。在本发明的某些实施例中，负载在所述多孔碳自支撑材料上的金属选自锰、铁、钴、镍、铜、锌、钛、钒、铬、钼、钌、铑、钯、铂、银中的至少一种。

9、本发明所述催化剂还包括掺杂在所述多孔碳自支撑材料中的非金属元素；所述非金属元素选自n、o、f、b、p、s中的至少一种。在本发明的某些实施例中，所述催化剂包括cofe合金负载的n掺杂碳纤维膜、nife合金负载的n掺杂碳纤维膜、fe负载的n掺杂碳纤维膜、co负载的n掺杂碳纤维膜、ni负载的n掺杂碳纤维膜、mn负载的n掺杂碳纤维膜、cu负载的n掺杂碳纤维膜、zn负载的n掺杂碳纤维膜、ti负载的n掺杂碳纤维膜、v负载的n掺杂碳纤维膜、cr负载的n掺杂碳纤维膜、mo负载的n掺杂碳纤维膜、ru负载的n掺杂碳纤维膜、rh负载的n掺杂碳纤维膜、pd负载的n掺杂碳纤维膜、pt负载的n掺杂碳纤维膜、ag负载的n掺杂碳纤维膜中的至少一种。

10、本发明以α-酮酸类化合物为氨基酸前驱体。在本发明的某些实施例中，所述α-酮酸类化合物选自丙酮酸、4-羟苯基丙酮酸、3-羟基丙酮酸、3-硫基丙酮酸、3-甲基-2-氧丁酸、3-吲哚丙酮酸、咪唑-4-丙酮酸、6-氨基-2-氧代己酸、4-(甲硫基)-2-氧代-丁酸、3-羟基-2-氧代-丁酸、4-氨基-2,4-二氧代丁酸、5-氨基-2,5-二氧代戊酸、δ-胍基-α-酮基戊酸、3-甲基-2-氧基戊酸、3-甲基-2-氧基丁酸、4-甲基-2-氧戊酸、苯丙酮酸、乙醛酸、草酰乙酸、α-酮戊二酸、2-丁酮酸、2-戊酮酸、2-氧代己酸、2-环丁基-2-羰基乙酸、2-氧基-4-苯基丁酸和苯甲酰甲酸中的至少一种。在一些实施例中，所述氨基酸前体的浓度为5mmol/l～10mol/l，优选为5mmol/l～5mol/l，更优选为5mmol/l～0.5mol/l，更更优选为5mmol/l～0.1mol/l，更更更优选为5mmol/l～0.05mol/l。

11、本发明以氮氧化物为氮源，通过电化学催化反应，催化所述氮氧化物还原形成羟胺nh2oh，与α-酮酸类化合物如α-酮酸偶联反应后还原氢化形成α-氨基酸；本发明也可以直接采用nh2oh或nh3作为氮氧化物进行上述反应形成α-氨基酸。在实际应用中，本发明可以采用汽车废气(以氮氧化物中的一氧化氮为例)或者废水(以硝酸根和亚硝酸根为例)为氮源。在本发明的某些实施例中，所述氮氧化物选自no、no2、no2-、no3-、n2o、nh2oh、nh3中的至少一种。

12、本发明所述氮源可以以气体或液体的形式参与电催化合成氨基酸的过程。在本发明的某些实施例中，所述氮源为气体，所述氮源的流速为5ml/min以上。在一个实施例中，所述氮源的流速为10ml/min～15ml/min。在本发明的某些实施例中，所述氮源为液体，所述氮源的浓度为5mmol/l～2000mmol/l，优选为5mmol/l～1000mmol/l，更优选为5mmol/l～500mmol/l，更更优选为5mmol/l～100mmol/l，更更更优选为5mmol/l～50mmol/l。

13、本发明在上述催化剂的作用下，对上述氨基酸前体和氮源进行电催化反应，合成得到氨基酸。在本发明的某些实施例中，所述电催化的电压为-5v vs.rhe以上。在一个实施例中，所述电催化的电压为-3v vs.rhe～-0.5v vs.rhe。在一个实施例中，所述电催化的电压为-2v vs.rhe～-0.7v vs.rhe。在一个实施例中，所述电催化的电压为-1.1v vs.rhe～-0.9v vs.rhe。

14、本发明在上述催化剂的作用下，很好地实现了对氮氧化物电合成氨基酸的高催化活性、高选择性、高产量和超长循环稳定性；通过本发明的方法，能够人工合成多达13种氨基酸，覆盖人体必需氨基酸、人体非必需氨基酸和不参与蛋白质合成的氨基酸三大类，具有广泛的普适性。在本发明的某些实施例中，所述氨基酸为亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、2-氨基丁酸、2-氨基戊酸、2-氨基己酸、2-氨基-环丁基乙酸、高苯丙氨酸、苯甘氨酸中的至少一种。

15、本发明还提供了上述催化剂的制备方法，包括：将金属源负载在多孔碳自支撑材料上，得到上述催化剂；所述多孔碳自支撑材料的制备方法包括静电纺丝、凝胶刮涂法或凝胶旋涂法。

16、在本发明的某些实施例中，上述催化剂中的多孔碳自支撑材料为碳纤维膜，上述催化剂的制备方法包括：将金属源和高分子含碳聚合物混合，进行静电纺丝，将静电纺丝后所得产物进行热处理，得到上述催化剂。具体而言，上述催化剂的制备方法包括：将金属源和高分子含碳聚合物混合得到静电纺丝液，随后进行静电纺丝，将静电纺丝后所得产物进行热处理，得到上述催化剂。在一些实施例中，上述催化剂的制备方法包括：将金属源和高分子含碳聚合物混合得到静电纺丝液，随后进行静电纺丝，将静电纺丝后所得产物进行预氧化处理后，进行煅烧，得到上述催化剂。

17、在一个实施例中，所述金属源选自金属有机框架、金属盐或mof复合材料；所述mof复合材料负载有金属盐或者金属颗粒；所述金属选自锰、铁、钴、镍、铜、锌、钛、钒、铬、钼、钌、铑、钯、铂、银中的至少一种。在一个实施例中，所述高分子含碳聚合物选自聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乳酸中的至少一种。在一个实施例中，所述预氧化处理的温度为600℃～400℃；所述预氧化处理的时间为1h～24h；所述煅烧的温度为400℃～1200℃；所述煅烧的时间为1h～24h。

18、上述金属源还可以采用复合有非金属元素的金属源，所制得的催化剂包括多孔碳自支撑材料、负载在所述多孔碳自支撑材料上的金属和掺杂在所述多孔碳自支撑材料中的非金属元素。在本发明的某些实施例中，所述复合有非金属元素的金属源的制备方法包括：将金属源、二水柠檬酸钠和非金属源混合，反应，得到复合有非金属元素的金属源。具体而言，所述复合有非金属元素的金属源的制备方法包括：将金属源和二水柠檬酸钠混合得到混合溶液，将非金属源溶液加入所述混合溶液中，搅拌5min～15min后静置反应6h～30h，得到复合有非金属元素的金属源。在一个实施例中，所述非金属源选自n源、o源、f源、b源、p源、s源中的至少一种。所述金属源和上述一样，不再赘述。在一个实施例中，所述非金属源选自n源，所述n源选自铁氰酸钾，所述复合有非金属元素的金属源的制备方法包括：将金属源和二水柠檬酸钠混合得到混合溶液，将铁氰酸钾加入所述混合溶液中，搅拌5min～15min后静置反应6h～30h，得到金属源复合氮掺杂的普鲁士蓝类似物(pba)。

19、本发明提供了氨基酸的合成方法，包括以下步骤：在催化剂的作用下，以α-酮酸类化合物为氨基酸前体，以氮氧化物为氮源，通过电催化合成氨基酸；所述催化剂包括多孔碳自支撑材料和负载在所述多孔碳自支撑材料上的金属。本发明提供的方法能够合成得到多种氨基酸，所合成的氨基酸具有高的纯度，反应成本低。实验表明，通过本发明的方法成功实现了氨基酸如亮氨酸的合成，24小时内产出达到克级(1.30g)，具备长循环稳定性，从核磁图谱中可以看出所合成的氨基酸纯度高，进一步简单提纯后的纯度即可高达92％。