廖 津， 楊佩玲， 李藝菲， 劉 玨， 戴揚曉， 鄭 潔， 歐仕益， 周 華

(暨南大學(xué) 食品科學(xué)與工程系， 廣東 廣州 510632)

1 前 言

硒(Se)是人體不可或缺的微量元素[1]，硒攝入量與疾病死亡率呈“U”型關(guān)系[2]。L-硒-甲基硒代半胱氨酸(L-SeMC)是國家食藥局批準(zhǔn)的新型食品營養(yǎng)補硒強化劑[3]，具有促進傷口愈合[4]、改善阿爾茲海默癥[5-6]、護肝、防癌抗癌[7-8]等生理活性。雖然該化合物在食用真菌[9-10]、大蒜和芥菜[11]等食物中均有分布，但因含量低，難以滿足人們對優(yōu)質(zhì)硒源的日常需求。人工合成L-SeMC 是目前解決補硒缺口最現(xiàn)實的方式之一，目前報道的合成方法主要包括甲硒基乙醛法[12]、α-氨基丙烯酸加成法[13]、二溴丙腈取代法[14]和絲氨酸轉(zhuǎn)化法[15]等。前3 種方法均以不帶光學(xué)活性的化工試劑為起始原料，需要在最終步驟進行L和D構(gòu)型的分離，分離成本高，產(chǎn)業(yè)化前景不明朗。絲氨酸轉(zhuǎn)化法以自然界廣泛存在的L-絲氨酸(L-Ser)為原料，本身具有光學(xué)活性，用其作為起始原料合成L-硒代胱氨酸(L-SeC2)后，再制備L-SeMC，不需額外的手性分離，操作簡便；另外，原料絲氨酸屬于大宗商品，價格低廉，原料與產(chǎn)品價差巨大，工業(yè)附加值顯著，因而具有明顯工業(yè)化潛力。

盡管如此，絲氨酸轉(zhuǎn)化法至今仍未實現(xiàn)L-SeMC 的規(guī)模化生產(chǎn)，主要存在以下問題：(1)以絲氨酸為起始原料制備L-SeC2，需要使用易制毒試劑如氯化氫-二氧六環(huán)、丙酮以及易燃易爆的硼氫化鈉等試劑，操作安全系數(shù)低，生產(chǎn)成本高；(2)目標(biāo)產(chǎn)物L(fēng)-SeMC 的合成，同樣需采用易燃易爆的硼氫化鈉作為還原劑，如在弱堿弱酸條件下，原料溶解不充分(L-SeC2不溶于弱堿)；在強酸條件下，還原過程會消耗還原劑，同時產(chǎn)生大量氫氣；在強堿條件下，硼氫化鈉的還原性又受到抑制，難以快速完成反應(yīng)。

針對上述問題，本研究提出具體改進方案：(1)采用二氧六環(huán)-水-氯化亞砜體系制備中間產(chǎn)物3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽，使操作更加方便；(2)以次硫酸氫鈉甲醛/三乙酰氧基硼氫化鈉為還原劑代替易燃易爆的硼氫化鈉制備L-SeC2，改進后反應(yīng)更溫和安全，成本更加低廉；(3)以三乙酰氧基硼氫化鈉((CH3COO)3BHNa)代替硼氫化鈉還原L-SeC2，合成目標(biāo)產(chǎn)物L(fēng)-SeMC，改進后可以減少溶劑水的使用，降低分離能耗?；谏鲜龇桨?，探討關(guān)鍵工藝條件對合成產(chǎn)物產(chǎn)率的影響，并搭建規(guī)?；暮铣裳b置，以評估該工藝的中試可行性，為L-SeMC 的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

2 實 驗

2.1 實驗材料與儀器

安捷倫5975E 質(zhì)譜儀、安捷倫Infinity Lab LC/MSD HPLC-MS iQ 單四極桿液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)、布魯克AVANCEIII 核磁共振波譜儀(400M)、賽默飛GEN10S UV-VIS 紫外線可見光分光光度計、亞榮RE-52AA 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。硒粉、鋅粉為工業(yè)級，購自阿拉丁試劑有限公司，L-絲氨酸、氯化亞砜、三乙酰氧基硼氫化鈉、硼氫化鈉均為分析純，購自上海畢得醫(yī)藥科技股份有限公司，二氧六環(huán)、NaOH、鹽酸(質(zhì)量分數(shù)：36%)等均為分析純，購自天津大茂化學(xué)試劑廠。

2.2 實驗方法

2.2.1 產(chǎn)物分析方法

質(zhì)譜分析：正離子模式，毛細管電壓為5 000 V，去溶劑電壓為80 V，干燥氣溫度為500 ℃，氣體流速為8.0 L·min-1，質(zhì)譜掃描范圍：50～200。

核磁分析：取15 mg樣品，溶于鹽酸溶液中，旋蒸抽干后加5 mL的氘代試劑(重水)，然后用一次性注射器轉(zhuǎn)移到核磁管中。將制備好的樣品平穩(wěn)放入核磁共振波譜儀中，得13C-NMR圖、1H-NMR圖。

2.2.2 合成路線

合成路線如圖1 所示。

圖1 L-硒-甲基硒代半胱氨酸的合成路線Fig.1 Synthetic route of L-SeMC

2.2.3 中試生產(chǎn)工藝流程以及設(shè)備

為將合成工藝應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，設(shè)計并研發(fā)如圖2 所示L-SeC2的中試生產(chǎn)流程以及對應(yīng)設(shè)備。工藝流程如下：冷凍后的二氧六環(huán)(1)、吡啶(2)、氯化亞砜(3)和水(4)由3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽反應(yīng)釜(13)充分混合，攪拌狀態(tài)下在固體進料口(11)加入L-絲氨酸，反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體進入安全瓶(5)，其中的酸性廢氣被堿液瓶(6)吸收。反應(yīng)結(jié)束后物料進入固液分離裝置(14)，濾液主要為二氧六環(huán)，進入回收罐(19)，濾渣停留在裝置內(nèi)，經(jīng)由蒸餾水緩慢沖洗溶解后進入儲存罐(15)備用。硒粉、NaOH 和水在反應(yīng)釜(16)中充分混合后，分批加入次硫酸氫鈉甲醛/三乙酰氧基硼氫化鈉制備二硒化二鈉，加入調(diào)節(jié)好pH 的3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽溶液。反應(yīng)結(jié)束后加鹽酸調(diào)節(jié)pH，經(jīng)過濾裝置(20)進入沉降罐(17)，濾液調(diào)中性析出L-SeC2后沉降數(shù)日，排出上清液，再次加入鹽酸溶解L-SeC2，經(jīng)過濾裝置(21)進入重結(jié)晶罐(18)，調(diào)中性后重結(jié)晶數(shù)日，排出上清液，濕潤固體進入滾筒烘干機(22)烘干成品。

圖2 中試生產(chǎn)工藝流程以及關(guān)鍵設(shè)備Fig.2 Schematic diagram of the pilot production line with key equipment

2.2.4 制備3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽的中試工藝條件

以實驗室小試條件為基礎(chǔ)，擴大100 倍物料用量：取200 mL 氯化亞砜(物質(zhì)的量為2.753 6 mol)、少許吡啶與1.2 L 二氧六環(huán)于-18 ℃冷凍過夜后混合均勻，加入100 mL(5.555 6 mol)蒸餾水混合540 min，再加入600 mL 氯化亞砜(8.260 9 mol)攪拌狀態(tài)下加入600 gL-絲氨酸(5.709 4 mol)，于35 ℃攪拌1 800 min，過濾后白色濾渣為3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽，產(chǎn)率86.9 %，加入6 L 蒸餾水溶解備用。

產(chǎn)率計算公式為

式中：W1為3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽產(chǎn)率，%；m1、m2分別為產(chǎn)物中3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽、反應(yīng)物中L-絲氨酸的質(zhì)量，g；Mr1、Mr2分別為3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽、L-絲氨酸的相對分子質(zhì)量。

采用質(zhì)譜、核磁共振波譜儀確定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。ESI-MSC(質(zhì)荷比m/z)：[M+H]+計算值為124.54，測定值為125.0；13C-NMR (75 MHz，CD3OD)：化學(xué)位移δ為173.91，58.30，46.20，1H-NMR (300 MHz，CD3OD):δ為4.18 (1H)，4.04～4.08(2H)，與文獻表征結(jié)果一致[16]，確定產(chǎn)物為3-氯-L-丙氨酸。

2.2.5 制備L-SeC2的中試工藝條件

以實驗室小試條件為基礎(chǔ)擴大100 倍物料用量：

(1) 次硫酸氫鈉甲醛法：稱取300 g(3.799 4 mol)硒粉、250 g(6.250 0 mol)NaOH 與2 L 蒸餾水充分攪拌混合后，分批加入次硫酸氫鈉甲醛350 g(2.271 1 mol)，60 ℃攪拌反應(yīng)60 min 后加300 g(1.875 1 mol)3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽(溶于1.5 L 蒸餾水，飽和NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH=8)反應(yīng)720 min 后滴加濃鹽酸調(diào)pH＜1，過濾得到濾液，以飽和NaOH 溶液調(diào)pH 至中性，析出黃色固體為L-SeC2(產(chǎn)率：59.9%)。

(2) 三乙酰氧基硼氫化鈉法：稱取300 g 硒粉、250 g NaOH 與1 L 蒸餾水充分攪拌混合后，分數(shù)次加入總量為300 g(1.415 5 mol)的三乙酰氧基硼氫化鈉于25 ℃攪拌40 min，加入300 g 的3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽(溶于1.5 L 蒸餾水，飽和NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH=8)攪拌720 min(產(chǎn)率：75.0%)，其他步驟同上。

產(chǎn)率計算公式為

式中：W2為L-SeC2產(chǎn)率，%；m3、m4分別為產(chǎn)物中L-SeC2、反應(yīng)物中3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽的質(zhì)量，g；Mr3為L-SeC2的相對分子質(zhì)量。

經(jīng)質(zhì)譜、核磁共振波譜儀檢測MS:m/z[M+H]+計算值為335.10，測試值為335.10；13C-NMR (75 MHz，D2O)δ為170.68，53.19，26.96，1H-NMR (300 MHz，D2O)δ為4.31～4.33 (2H)，3.48～3.51(2H)，與文獻表征結(jié)果基本一致[17]，確定產(chǎn)物為L-SeC2。

2.2.6 紫外分光光度法監(jiān)測L-SeC2質(zhì)量濃度

稱取純品0.10 gL-SeC2置于100 mL 容量瓶，并用濃度為0.50 mol·L-1的NaOH 溶液定容，配制成質(zhì)量濃度為1.00 g·L-1母液，隨后按照比例稀釋配制成0.10～0.50 g·L-1的L-SeC2標(biāo)準(zhǔn)溶液。以標(biāo)準(zhǔn)溶液溶劑作為空白對照，室溫下在200～800 nm 波長范圍內(nèi)進行紫外可見掃描，得到最佳檢測波長為305 nm，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y= 0.720 8x-0.001 5，相關(guān)系數(shù)R2=0.996 2，線性較好。

為驗證檢測方法的可靠性，將標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋1×104倍后以液相色譜法進行檢測，液相色譜條件為流動相：水和乙腈體積比為50:50，流速為0.20 mL·min-1，進樣量為1.00 μL，無色譜柱，二通連接，檢測器為紫外檢測器，獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線為：y=2 120.157 2x+19.985 1，R2=0.999 1，線性較好。

2.2.7L-SeMC 的實驗室制備

稱取NaOH 1.00 g(0.025 0 mol)，加入50 mL 蒸餾水?dāng)嚢枞芙饫鋮s后加入2.00 g(0.006 0 mol)L-SeC2，完全溶解后加入2.00 g(0.009 4 mol)三乙酰氧基硼氫化鈉，攪拌至無色透明。加入碘甲烷(CH3I)1.5 mL(0.024 1 mol)和適量無水乙醇混合溶液，攪拌30 min 后滴加濃鹽酸至pH＜1，常溫磁力攪拌30 min。將體系于60 ℃減壓旋蒸除去濾劑，冷卻后用30 mL 無水乙醇洗出產(chǎn)物并過濾，得到透明濾液為L-SeMC 鹽酸鹽溶液，白色濾渣為無機鹽。加入吡啶中和濾液，白色固體析出，靜置于4 ℃冰箱720 min 后過濾，用二氯甲烷洗滌濾餅，干燥得到純白色固體為L-SeMC(產(chǎn)率：78.3%)。產(chǎn)率計算公式為

式中：W3為L-SeMC 產(chǎn)率，%；m5、m6分別為產(chǎn)物中L-SeMC、反應(yīng)物中L-SeC2的質(zhì)量，g；Mr4為L-SeMC的相對分子質(zhì)量。

經(jīng)質(zhì)譜、核磁共振波譜儀檢測MS，m/z[M+H]+計算值為183.08，測定值為184.0；13C-NMR (75 MHz，D2O)δ為173.00，53.58，24.76，4.39，1H-NMR (300 MHz，D2O)δ為3.97(1H)，3.95～3.93(2H)，3.04～3.01(3H)，以上數(shù)據(jù)與文獻基本一致[18]，確定產(chǎn)物為L-SeMC。

3 結(jié)果與分析

3.1 中間體3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽的實驗室制備與優(yōu)化

3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽的合成，文獻報道以二氧六環(huán)/氯化氫為溶劑，因氯化氫于二氧六環(huán)溶液中長時間儲存會產(chǎn)生較多副反應(yīng)且后處理繁瑣，一般需要現(xiàn)制現(xiàn)用且反應(yīng)后需加水淬滅，而后濃縮溶液，又需加丙酮析出產(chǎn)物，操作不便[19]。本研究提出以水為助劑替代文獻中的氯化氫，可避免上述復(fù)雜操作，直接過濾即可獲得產(chǎn)物。

體系中用水量是該法最關(guān)鍵的變量，優(yōu)先考察水和氯化亞砜物質(zhì)的量比對反應(yīng)的影響，評價結(jié)果如圖3(a)所示，水和氯化亞砜物質(zhì)的量比為0.50:1.00 時產(chǎn)率最高，之后隨著水的用量增加，產(chǎn)率下降。可能因為少量的水可以生成適量的氯化氫以及其他酸性物質(zhì)，促進原料的溶解，并抑制羧基的氯化；過量則會和L-絲氨酸競爭氯化亞砜，從而導(dǎo)致產(chǎn)率下降[20]。

圖3 關(guān)鍵因素對3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽的合成影響Fig.3 Effects of key factors on the yield of 3-chlorine-L-alanine hydrochloride

氯化反應(yīng)溫度是決定反應(yīng)速度和產(chǎn)物收率的另一關(guān)鍵因素[21]，見圖3(b)。研究結(jié)果表明在25～40 ℃，隨著溫度的升高產(chǎn)率逐漸上升，在35 ℃達到峰值后，逐漸下降。過高的溫度將導(dǎo)致反應(yīng)體系變黑，產(chǎn)率大幅下降。

氯化亞砜和L-絲氨酸物質(zhì)的量比對產(chǎn)率影響結(jié)果如圖3(c)所示，當(dāng)氯化亞砜用量加大時，與L-絲氨酸的接觸增加，產(chǎn)率提升，當(dāng)氯化亞砜和L-絲氨酸物質(zhì)的量比達到1.00:0.52，可以獲得最高產(chǎn)率，繼續(xù)增加氯化亞砜的用量，副反應(yīng)增加，產(chǎn)物收率下降。

綜合以上結(jié)果，可以獲得優(yōu)化的 3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽的合成工藝為：制備復(fù)配溶劑系統(tǒng)n(H2O):n(SOCl2):n(L-Ser)=0.50:1.00:0.52，反應(yīng)溫度為35 ℃。在該工藝條件下進行了3 批重復(fù)實驗以驗證工藝的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3(d)所示，3 批重復(fù)實驗的產(chǎn)率幾乎相同，平均產(chǎn)率為89.7%，說明該工藝穩(wěn)定可靠。

3.2 中間體L-SeC2 的實驗室制備中還原劑評價與工藝優(yōu)化

對于L-SeC2的合成，目前報道的方法主要是通過硼氫化鈉還原硒粉后獲得二硒化二鈉溶液[22]，然后與3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽反應(yīng)獲得目標(biāo)產(chǎn)物[23]。但此法制備二硒化二鈉溶液時反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生硒化氫氣體，存在安全隱患。針對上述問題，本研究開發(fā)2 種不同的還原方法，分別為次硫酸氫鈉甲醛、三乙酰氧基硼氫化鈉還原法，并探索關(guān)鍵制備因素對目標(biāo)產(chǎn)物L(fēng)-SeC2產(chǎn)率的影響，結(jié)果如表1 所示。

表1 2 種還原方法中關(guān)鍵因素對L-SeC2 產(chǎn)率的影響Table 1 Effects of key factors in the two methods on the yield of L-SeC2

硒粉與還原劑物質(zhì)的量比對產(chǎn)物產(chǎn)率有關(guān)鍵性影響。當(dāng)采用次硫酸氫鈉甲醛還原法時，反應(yīng)總體比較溫和[24]，隨著次硫酸氫鈉甲醛用量的增加，獲得的二硒化二鈉溶液更加透亮，加入3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽反應(yīng)后，產(chǎn)物L(fēng)-SeC2收率不斷提高。當(dāng)次硫酸氫鈉甲醛用量為3.50 g(0.022 7 mol)，即硒與次硫酸氫鈉甲醛物質(zhì)的量比為1.67:1.00 時，L-SeC2產(chǎn)率可以達到峰值(58.0%)，然后逐漸下降。而采用三乙酰氧基硼氫化鈉還原法，在三乙酰氧基硼氫化鈉用量為3.00 g(0.014 2 mol)時，即硒與三乙酰氧基硼氫化鈉物質(zhì)的量比為2.68:1.00，獲得最高產(chǎn)率69.3%。2 種方法的還原劑使用均不能過量，否則容易導(dǎo)致硒粉被過度還原，形成硒化鈉等副產(chǎn)物。

另外，2 種還原方法均需要在堿性環(huán)境進行。充分的堿性環(huán)境可以中和反應(yīng)生成的硒化氫氣體。采用次硫酸氫鈉甲醛還原法，氫氧化鈉用量在1.00～2.50 g(0.025 0～0.062 5 mol)時L-SeC2產(chǎn)率隨氫氧化鈉用量的增加而提高，當(dāng)次硫酸氫鈉甲醛用量為3.50 g(0.022 7 mol)，氫氧化鈉用量為2.50 g(0.062 5 mol)，即次硫酸氫鈉甲醛與氫氧化鈉物質(zhì)的量比約為1.00:2.75 時，L-SeC2產(chǎn)率達到峰值(58.0%)，隨后逐漸下降。采用三乙酰氧基硼氫化鈉還原法時，三乙酰氧基硼氫化鈉與氫氧化鈉物質(zhì)的量比為1.00:4.41，L-SeC2產(chǎn)率達到峰值73.0%。適量的堿可以促進二硒化二鈉的生成，但過量的堿將導(dǎo)致3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽中的氯原子被氫氧根進攻，生成副產(chǎn)物如絲氨酸等。

還原反應(yīng)的溫度同樣非常關(guān)鍵。采用次硫酸氫鈉甲醛還原法，基于其還原能力相對較弱的特性，適當(dāng)提高反應(yīng)溫度有利于提高其反應(yīng)速度。溫度升高后，反應(yīng)得到二硒化二鈉溶液顏色更深，但透亮，懸浮顆粒少，加入3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽反應(yīng)得到的L-SeC2產(chǎn)率更高，在60 ℃制備的二硒化二鈉溶液可獲得最高的L-SeC2產(chǎn)率58.0%。進一步提高溫度會使次硫酸氫鈉甲醛劇烈降解，釋放出刺鼻氣體，還原能力大幅下降，產(chǎn)率隨之降低。而三乙酰氧基硼氫化鈉則不同，因為還原性較強，對環(huán)境溫度的依賴度不高，產(chǎn)率在25 ℃即可達到峰值73.0%。

另外，二硒化二鈉不穩(wěn)定，需要現(xiàn)制現(xiàn)用[25]。還原反應(yīng)時間顯得尤為重要。反應(yīng)時間太短，硒不易充分還原，反應(yīng)時間太長，還原劑完全消耗后，生成的二硒化二鈉會在空氣中再度被氧化生成單質(zhì)硒。研究表明：次硫酸氫鈉甲醛條件下制備二硒化二鈉，控制還原時間為60 min 時，L-SeC2產(chǎn)率為58.0%；在三乙酰氧基硼氫化鈉條件下，在20～40 min 時間段，產(chǎn)率逐漸升高；反應(yīng)時間為 40 min 時，產(chǎn)率高達73.0%。

綜上，最終確定L-SeC2的最佳合成條件為：(1) 次硫酸氫鈉甲醛法：硒、次硫酸氫鈉甲醛、氫氧化鈉物質(zhì)的量比為1.67:1.00:2.75，以水溶液為溶劑，制備二硒化二鈉時反應(yīng)溫度為60 ℃、還原硒粉的時間為60 min，經(jīng)3 批重復(fù)實驗，平均產(chǎn)率為58.0 %。(2) 三乙酰氧基硼氫化鈉法：硒、三乙酰氧基硼氫化鈉、氫氧化鈉物質(zhì)的最比為2.68:1.00:4.41，以水溶液為溶劑，制備二硒化二鈉時反應(yīng)溫度為25 ℃、還原硒粉的時間為40 min，3 批重復(fù)實驗平均產(chǎn)率為73.0%。相同條件下，以硼氫化鈉制備的L-SeC2最高產(chǎn)率僅為13.1%，原因在于堿性條件下硼氫化鈉的水解受到了嚴(yán)重抑制，更換為中性條件后平均產(chǎn)率為69.4%。2 種不同的還原劑，試劑成本、反應(yīng)產(chǎn)率和反應(yīng)條件不完全一致，使用的場合自然也存在區(qū)別：次硫酸氫鈉甲醛價格低，但產(chǎn)率偏低，綜合而言，可能更適合比較大規(guī)模的生產(chǎn)；三乙酰氧基硼氫化鈉價格高，產(chǎn)率也較高，可能更適合中等規(guī)模的生產(chǎn)。

3.3 目標(biāo)產(chǎn)物L(fēng)-SeMC 的實驗室制備及其工藝優(yōu)化

以L-SeC2為原料合成L-SeMC，必須先在還原劑的作用下使L-SeC2轉(zhuǎn)化成L-硒代半胱氨酸(L-SeC)后再甲基化。但L-SeC 不穩(wěn)定，極易被氧化重新生成L-SeC2。還原劑還原能力弱或者用量過少，則L-SeC2不能完全還原，另外，還原后不及時甲基化，L-SeC 則會被氧化生成L-SeC2，轉(zhuǎn)化過程如圖4 所示，所以，整個過程中還原劑的種類、用量和還原時間對目標(biāo)產(chǎn)物的生成具有至關(guān)重要的影響。

圖4 L-SeC2 的轉(zhuǎn)化Fig.4 Transformation of L-SeC2

3.3.1 還原劑種類對還原L-SeC2的影響

還原反應(yīng)在該合成工藝中具有關(guān)鍵性作用。在有機化學(xué)合成中，常用的硼氫化鈉是一種廉價且具備強還原能力的還原劑[26]，此外，本研究首次引入鋅粉以及三乙酰氧基硼氫化鈉作為L-SeC2還原劑，其中鋅粉還原操作簡單，條件溫和[27]，三乙酰氧基硼氫化鈉綠色無毒，反應(yīng)可控[28]。

通過紫外分光光度法的檢測，還原劑種類對還原L-SeC2的影響如圖5 所示。在相同條件下，3 種還原劑作用下的L-SeC2質(zhì)量濃度均有下降趨勢，硼氫化鈉作為還原劑時質(zhì)量濃度下降最緩慢，測得其在30 min 時L-SeC2僅消耗了9.05%；鋅粉在該合成條件下還原能力較好，在20 min 時質(zhì)量濃度達到最低值，此時消耗了37.86% 的L-SeC2；而三乙酰氧基硼氫化鈉在該合成條件下還原能力最好，在10 min 就已反應(yīng)了45.80% 的L-SeC2。硼氫化鈉強烈的還原能力沒有在該反應(yīng)條件下充分體現(xiàn)，這是因為在室溫條件下5 %以上的NaOH 會抑制其水解，從而降低還原速度[29-30]；而鋅粉作為還原劑價格低廉，副產(chǎn)物少，相對安全，但作為固體與反應(yīng)物接觸不良，難以充分發(fā)揮其還原能力；所以本實驗選擇綜合性能更優(yōu)的三乙酰氧基硼氫化鈉作為后續(xù)研究的還原劑。

圖5 還原劑種類對還原L-SeC2的影響Fig.5 Effects of reductant types on L-SeC2 reduction

3.3.2L-SeC2與還原劑物質(zhì)的量比對還原L-SeC2的影響

L-SeC2與還原劑物質(zhì)的量比對還原L-SeC2的影響如圖6 所示。物質(zhì)的量比為1.00:0.80 時，當(dāng)反應(yīng)進行到10 min 后，達到較低質(zhì)量濃度((25.18±0.40) g·L-1)，隨后緩慢上升；當(dāng)物質(zhì)的量比為1.00:1.50 時，體系反應(yīng)至5 min 時，L-SeC2達到較低質(zhì)量濃度((17.69±0.36) g·L-1)，并能維持一段時間；當(dāng)物質(zhì)的量比為1.00:3.00 時，僅需0.5 min 到達較低質(zhì)量濃度((17.27±0.35) g·L-1)。如果在物質(zhì)的量比為1.00:1.50 的體系中充分供氧，泵入空氣5 min 后達到較低質(zhì)量濃度((22.36±0.34) g·L-1)，此時可觀察到體系中開始析出黃色固體，隨后L-SeC2的質(zhì)量濃度開始回升。

圖6 L-SeC2 與(CH?COO)?BHNa 物質(zhì)的量比對還原L-SeC2 的影響Fig.6 Effects of L-SeC2 to (CH?COO)?BHNa molar ratio on L-SeC2 reduction

結(jié)果表明，L-SeC2與還原劑的不同物質(zhì)的量比下反應(yīng)，L-SeC2的質(zhì)量濃度呈先下降后上升的趨勢，還原劑不足或者過量都無法得到理想的還原效果，在1.00:(0.80～1.50)量比范圍內(nèi)，還原效果和用量呈正相關(guān)，而物質(zhì)的量比為1.00:3.00 時，并未因還原劑的加量而強化還原效果，原因可能在于過量的三乙酰氧基硼氫化鈉使體系的pH 值下降至中性，原料L-SeC2在中性條件不溶而析出，而推動L-SeC 向L-SeC2轉(zhuǎn)化的化學(xué)平衡移動。所以，選擇使用物質(zhì)的量比約為1.00:1.50 的還原劑進行工藝合成。此外，體系大量接觸空氣也會導(dǎo)致還原效果不佳，進一步證實L-SeC2的還原時間不宜過長或大量接觸空氣。

3.3.3L-SeC2轉(zhuǎn)化反應(yīng)動力學(xué)過程

為探索反應(yīng)時間對反應(yīng)過程的影響，本研究探討了該反應(yīng)的動力學(xué)過程。其動力學(xué)方程如下：

式中：v為反應(yīng)速度(g·L-1·s-1)；K為反應(yīng)速度常數(shù)；ρ為反應(yīng)物質(zhì)量濃度(g·L-1)，r為反應(yīng)級數(shù)，t為還原時間(s)。

若反應(yīng)為一級反應(yīng)，則根據(jù)式(4)，有

先將式(5)積分，再改寫成

式中：ρ1為L-SeC2質(zhì)量濃度(g·L-1)，ρ0為初始L-SeC2質(zhì)量濃度(g·L-1)。稱取2.00 g(0.006 0 mol)L-SeC2溶于50 mL 0.50 mol·L-1NaOH 溶液中，加入0.40 g(0.001 9 mol)三乙酰氧基硼氫化鈉充分攪拌，并通過紫外分光光度法實時檢測質(zhì)量濃度，計算lgρ1。lgρ1和t的關(guān)系圖如圖7 所示。由圖可得到lgρ1和t呈線性關(guān)系，符合一級反應(yīng)動力學(xué)特征，其中，即K=0.001 6。所以該條件下還原反應(yīng)動力學(xué)方程為

圖7 lg ρ1 與t 的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between lg ρ1 and t

3.3.4 目標(biāo)產(chǎn)物L(fēng)-SeMC 的工藝條件優(yōu)化

還原時間過短會導(dǎo)致L-SeC2還原不充分，時間過長則會使L-SeC 氧化回到L-SeC2。故考察還原時間為3～20 min對L-SeMC 產(chǎn)率的影響，還原用時5 min 時L-SeMC 產(chǎn)率達到峰值75.2%。隨后選用常用的碘甲烷作為甲基化試劑[31]，其用量和反應(yīng)時間決定產(chǎn)物產(chǎn)率。當(dāng)用量為0.75～1.50 mL時，L-SeMC 產(chǎn)率隨著碘甲烷用量的增加而增加，而當(dāng)L-SeC2與碘甲烷物質(zhì)的量比為1.00:4.02 時達到峰值，繼續(xù)增加碘甲烷的用量會導(dǎo)致副產(chǎn)物硒鎓鹽的生成[28，32]，大大降低產(chǎn)率；甲基化時間為30 min 時產(chǎn)率達到峰值(78.3%)。同樣的，三乙酰氧基硼氫化鈉物質(zhì)的用量過少反應(yīng)不充分，過多則會影響反應(yīng)體系pH 值，帶來負面影響，研究表明，當(dāng)L-SeC2與三乙酰氧基硼氫化鈉物質(zhì)的量比為1.00:1.58 時，產(chǎn)率達到峰值(78.3%)。

合成L-SeMC 的工藝條件優(yōu)化結(jié)果如表 2 所示。當(dāng)制備L-SeMC 的還原時間為 5 min、n(L-SeC2):n(CH3I):n((CH3COO)3BHNa)=1.00:4.02:1.58、甲基化時間為30 min 時，產(chǎn)率達到峰值(78.3%) (碘甲烷需要在L-SeC2還原成無色透明溶液時及時添加，否則需要采用無氧操作)。對比其他還原劑最佳工藝的產(chǎn)率[33-34]，使用三乙酰氧基硼氫化鈉作為還原劑時，其產(chǎn)率占優(yōu)勢的同時還能夠提供更可控、更溫和、污染更小的還原環(huán)境。

表2 工藝條件對L-SeMC 制備的影響Table 2 Effects of processing conditions on the yield of L-SeMC

3.4 中試實驗

為驗證合成工藝的合理性，根據(jù)最佳合成條件進行3 次平行實驗，并于合成設(shè)備中放大100 倍物料用量進行中試實驗驗證。驗證實驗和中試實驗L-SeC2產(chǎn)率如表3 所示。驗證實驗和中試實驗中各產(chǎn)物產(chǎn)率與優(yōu)化結(jié)果幾乎一致。

表3 驗證實驗和中試實驗Table 3 Yield results of validation and pilot tests

4 結(jié) 論

(1) 通過向氯化亞砜/二氧六環(huán)反應(yīng)體系中添加微量的水，選擇性氯化原料L-絲氨酸分子中的羥基，獲得產(chǎn)物3-氯-L-丙氨酸鹽酸鹽。經(jīng)過優(yōu)化，小試條件下可以達到89.7% 的產(chǎn)率，中試條件下則為86.9%。該過程一步合成，操作方便，產(chǎn)物收率高。

(2) 采用次硫酸氫鈉甲醛/三乙酰氧基硼氫化鈉2 種還原方法制取二硒化二鈉溶液，與3-L-氯-丙氨酸鹽酸鹽反應(yīng)獲得到L-SeC2，經(jīng)優(yōu)化后，小試條件下可以獲得最高產(chǎn)率分別為58.0%和73.0%，中試條件下則分別上升至59.9%、75.0%。2 種方法反應(yīng)過程均比較溫和，后處理簡便。

(3) 篩選出L-SeC2還原制備L-SeMC 的最佳還原劑為三乙酰氧基硼氫化鈉，取代文獻所用易燃易爆試劑，使反應(yīng)條件更加溫和，小試條件下可以獲得最高產(chǎn)率78.3%，中試條件下上升至80.0%。建立lgρ和t之間的關(guān)系，L-SeC2與三乙酰氧基硼氫化鈉的反應(yīng)為動力學(xué)一級反應(yīng)。

總之，該文開發(fā)的L-SeMC 合成工藝穩(wěn)定安全、產(chǎn)率高、步驟少。經(jīng)過中試初步評估，該工藝適合L-SeMC 的工業(yè)化生產(chǎn)。