一種新型磷酸基光控保護基的合成及其應用研究

劉珊珊， 馬　馳， 李君如， 洪麗虹， 張有來

(天津理工大學 化學化工學院，天津　300384)

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·研究論文·

一種新型磷酸基光控保護基的合成及其應用研究

劉珊珊， 馬馳， 李君如， 洪麗虹， 張有來*

(天津理工大學 化學化工學院，天津300384)

摘要：以苯硫酚為起始原料,經脫水反應、碘代反應、Suzuki-Miyaura偶聯反應和氧化反應制得4-酮基-3-苯基-4H-苯并噻喃-2-甲醛(4)； 4經間氯過氧苯甲酸氧化后與對甲苯磺酰肼于室溫反應制得2-甲苯磺酰腙-3-苯基-4H-磺?；讲⑧玎?6)； 6經Bamford-Stevens反應合成了一種新型磷酸基光控保護基——2-重氮基-3-苯基-4H-磺酰基苯并噻喃(7)，其結構經1H NMR， (13)C NMR和HR-MS表征。將7應用于磷酸基團的保護和光控脫保護反應中。結果表明:保護反應可在溫和條件下順利進行。紫外光譜法和熒光光譜法對光控脫保護反應的監測結果表明:光控脫保護反應迅速(≤15 min)，被保護化合物脫保護收率高(≥95%)。

關鍵詞：磷酸基; 苯并噻喃; 2-重氮基-3-苯基-4H-磺?；讲⑧玎?； 光控保護基; 合成; 光反應

在化學有機合成和生物有機合成中，官能團的保護與脫保護是一項關鍵技術。很多情況下，反應需要在酸性環境、堿性環境或需要高活性的反應物下進行，這就導致了使用保護基團的限制。光控保護基可以在中性或無反應試劑的條件下進行脫保護過程，從而避免了強酸和強堿條件對分子中活性基團的影響[1-5]。

Scheme 1

Scheme 2

目前，光控保護基的合成及應用，作為一種迅速發展的新興學術研究方向，國內外均處在基礎研究階段[6-10]。常見的光控保護基包括鄰硝基芐基型、香豆素型、喹啉型、對甲基苯磺酰胺、二巰基烷烴衍生物、苯甲酰甲基醚衍生物、肉桂酸酯類等[11-12]。本文采用的硫代色酮類光控保護基為獨立單元設計研發。該類光控保護基具有光解離速率快，被保護底物脫保護收率高的顯著特點。目前，用于保護醇、氨、羧酸、醛、酮的光控保護基均已見報道[13-14]。而很少有實用有效的磷酸衍生物的光控保護基的文獻記載。因為相對其他活性官能團，磷酸基的活性最低。然而，眾所周知，磷酸基團是核苷酸的基本組成結構單元之一。核苷酸具有重要的生物學功能，它們參與了生物體內幾乎所有的生物化學反應過程。研究磷酸基的可控定點定量釋放，進而研究核苷酸的定點定量釋放，對于研究系列核苷酸的生物機能，在生物醫學領域有著重要的研究意義。

本文依據 Paterno-Büchi光反應機理，以磷酸和五氧化二磷作為脫水劑，將硫酚與乙酰乙酸乙酯經脫水反應制得2-甲基-4H-硫代苯并吡喃-4-酮(1)；以硝酸鈰銨為催化劑，1與碘進行碘代反應制得3-碘-2-甲基-4H-硫代苯并吡喃-4-酮(2)； 2在雙三苯基磷二氯化鈀的催化下經Suzuki-Miyaura偶聯反應制得2-甲基-3-苯基-4H-硫代苯并吡喃-4-酮(3)；在間二氯苯的溶液中，以二氧化硒為氧化劑，3經氧化反應制得甲基成醛4-酮基-3-苯基-4H-硫代苯并吡喃-2-甲醛(4)；在室溫條件下，4與間氯過氧苯甲酸經氧化反應制得硫代色酮2-甲醛基-3-苯基-4H-磺酰基苯并吡喃-4-酮(5)[15]； 5與對甲苯磺酰肼于室溫反應制得2-甲苯磺酰腙-3-苯基-4H-磺?；讲⑦拎?6)； 6經Bamford-Stevens反應合成了一種新型磷酸基光控保護基——2-重氮基-3-苯基-4H-磺?；虼?7， Scheme 1)，其結構經1H NMR，13C NMR和HR-MS表征。并將7應用于一系列磷酸衍生物的保護和光解離脫保護的反應中(Scheme 2);采用了紫外光譜法和熒光光譜法監測光解離脫保護的進行過程。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

3900型紫外可見分光光度計；F-4500型熒光分光光度計；JEOL 500 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標)；Bruker Vertex 70型紅外光譜儀(KBr壓片)；Waters Acquity UPLC Class I/Xevo G2Q-Tof型液相色譜儀(LC-MS)；Agilent 7890A-5975C型氣相色譜儀(GC-MS)。

1～5參考文獻[15]方法合成；溶劑(乙酸乙酯，乙醚，二氯甲烷，乙醇，氯仿)在使用前經蒸餾純化；紫外-可見光譜和熒光光譜測定溶劑(氯仿)為HPLC級；薄層層析硅膠GF254,柱層析硅膠, 青島海洋化工廠；其余所用試劑無為分析純，Alfa和Aladdin公司。

1.2合成

(1) 6的合成

在三口瓶中加入5 298 mg(1.0 mmol)，對甲苯磺酰肼205 mg(1.1 mmol)和乙醇 8 mL, 攪拌下于室溫反應24 h。抽濾，濾餅用乙醇洗滌，真空干燥得黃色晶體6 386 mg，收率83%；1H NMRδ： 8.20 (m， 3H), 7.92(dd,J=7.9 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.81(d,J=8.5 Hz， 2H), 7.78(dd,J=6.7 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.50～7.47(m, 3H), 7.32(d,J=8.5 Hz, 2H), 7.19(d,J=7.0 Hz, 2H), 5.30(s, 1H), 2.42(s, 3H);13C NMRδ: 178.1, 145.0, 144.3, 143.4, 142.2, 142.1, 136.8, 135.0, 134.5, 133.0, 130.8, 129.9, 129.8, 128.6, 128.6, 128.3, 128.2, 123.4, 21.7; IRν: 3 420, 2 359 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C23H18N2O5S2{[M+H]+}467.073 5, found 467.074 2。

(2) 7的合成

在三口瓶中加入6 470 mg(1 mmol)和二氯甲烷20 mL，攪拌使其溶解;緩慢滴加1%NaOH溶液4 mL,于室溫反應1 h(TLC監測)。用CH2Cl2(3×20 mL)萃取，合并有機相，用無水MgSO4干燥，減壓蒸除溶劑，剩余物經柱層析[洗脫劑：A=V(石油醚) ∶V(乙酸乙酯)=5 ∶1]純化得淡黃色液體7 270 mg，收率 86%；1H NMRδ： 8.26(d,J=7.9 Hz, 1H), 8.06(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.85(dd,J=7.9 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.79(dd,J=6.7 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.48～7.43(m, 3H), 7.27(d,J=7.0 Hz, 2H), 4.95(s, 1H)；13C NMRδ: 175.0, 139.6, 133.5, 133.5, 132.5, 129.8, 129.6, 129.1, 128.9, 128.8, 128.7, 127.4, 122.7, 47.5； IRν: 3 433, 2 359 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C32H20O6S2Na[2M-2N2+Na]+587.059 9, found 587.060 0。

1．3保護反應

在反應瓶中加入7 33 mg(0.1 mol),二苯磷酸(8a)20 mg(0.08 mol)和三氯甲烷2 mL，攪拌使其溶解；加入10%鹽酸調至pH 4，于60 ℃反應3 h(TLC監測)。用二氯甲烷(3×10 mL)萃取，合并有機相，用無水MgSO4干燥，減壓蒸除溶劑，剩余物經柱層析(洗脫劑：A=2 ∶1)純化得黃色固體9a 41 mg。

用類似方法制得9b～9d。

9a:1H NMRδ： 8.15(d,J=8.0 Hz, 1H), 8.11(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.87(dd,J=8.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 7.74(dd,J=8.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 7.43(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.32～7.25(m, 8H), 7.21～7.18(m, 4H), 7.18～7.17(m, 2H), 5.16(d,J=5.5 Hz, 2H);13C NMRδ: 178.59, 150.09, 145.68, 143.32, 143.28, 140.17, 134.77, 133.25, 130.24, 129.78, 129.66, 129.11, 129.04, 128.92, 128.82, 128.35, 125.44, 123.05, 120.06, 120.02, 61.13; IRν: 1 668 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C28H21O7PS{[M+H]+} 533.082 4, found 533.082 8。

9b:1H NMRδ： 8.17(d,J=7.5 Hz, 1H), 8.10(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.89(dd,J=7.9 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.77(dd,J=7.5 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.63～7.40(m, 3H), 7.28(d,J=7.5 Hz, 2H)， 4.93(d,JPH=4.5 Hz, 2H), 4.04(dq,J=14.5 Hz, 7.5 Hz, 4H), 1.61～1.54(m, 4H), 1.37～1.28(m, 4H), 0.91(t,J=7.0 Hz, 6H)；13C NMRδ: 178.79 , 145.11, 140.60, 134.77, 133.25, 130.64, 129.86, 129.27, 129.14, 128.95, 128.45, 123.16, 68.04, 60.13, 32.13, 18.58, 13.56; IRν: 1 667, 1 309, 1 015 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C24H29O7PS{[M+H]+}493.145 0, found 493.144 3。

9c:1H NMRδ： 8.17(d,J=7.5 Hz, 1H), 8.10(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.89(dd,J=7.9 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.77(dd,J=7.5 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.63～7.39(m, 3H), 7.28(d,J=7.5 Hz, 2H), 4.96(s, 2H), 3.76(d,J=5.5 Hz, 4H), 1.49～1.33(m, 2H), 1.30～1.26(m, 16H), 0.85(t,J=7.5 Hz, 12H)；13C NMRδ: 179.11, 148.66, 142.16, 140.40, 135.16, 133.56, 131.88, 129.63, 129.03, 128.95, 128.42, 127.89, 122.79, 67.73, 56.03, 29.50, 28.34, 22.86, 22.48, 13.91, 10.76; IRν: 1 668, 1 311, 1 068 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C32H45O7PS {[M+H]+}605.270 2, found 605.270 2。

9d:1H NMRδ： 8.14(t,J=8.5 Hz, 2H), 8.01(t,J=8.5 Hz, 2H), 7.92(dd,J=8.0 Hz, 3.5 Hz, 1H), 7.89(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.76(t,J=8.5 Hz, 1H), 7.50(d,J=8.5 Hz, 1H), 7.47(t,J=8.5 Hz, 2H), 7.39(t,J=8.0 Hz, 2H), 7.34(dd,J=8.0 Hz, 3.5 Hz, 2H), 7.29(t,J=6.0 Hz, 2H), 7.18(d,J=6.0 Hz, 2H), 5.29(dd,J=12.5 Hz, 5.5 Hz, 1H), 5.10(dd,J=12.5 Hz, 5.5 Hz, 1H)；13C NMRδ: 179.10, 148.60, 147.88, 142.15, 140.35, 135.15, 133.56, 131.85, 130.94, 130.86, 130.66, 129.60, 129.00, 128.95, 128.82, 128.61, 128.41, 127.89, 126.79, 126.09, 125.38, 122.77, 121.39, 56.01; IRν: 1 667, 1 306 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C36H23O7PS{[M+H]+}631.098 0, found 631.097 6。

1．4光控脫保護反應(以9a作反應物為例)

在石英比色皿(10 mm×10 mm×30 mm)中加入9a 53 mg( 0.1 mol)和三氯甲烷3 mL，以1.5 W 365 nm紫外光作為激發光源，光照反應15 min(TLC監測)。用二氯甲烷(3×10 mL)萃取，合并有機相，用無水MgSO4干燥，減壓蒸除溶劑，剩余物經柱層析(洗脫劑：A=5 ∶1)純化得新型四環化合物——2-亞甲基-苯并呋喃并[4．3-b]磺?；讲⑧玎?10)27 mg和8a 24 mg。

10： 收率97%；1H NMRδ: 8.09(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.99(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.76(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.70(dd,J=7.9 Hz, 7.7 Hz, 1H), 7.60(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.56(dd,J=7.9 Hz, 7.7 Hz, 1H), 7.44(dd,J=7.9 Hz, 7.7 Hz, 2H), 7.38(dd,J=7.9 Hz, 7.7 Hz, 1H), 6.69(d,J=1.9 Hz, 1H), 6.46(d,J=1.9 Hz, 1H)；13C NMRδ: 155.03, 146.92, 141.04, 136.30, 133.27, 129.46, 126.61, 125.77, 125.05, 124.49, 124.44, 123.93, 120.33, 119.63, 112.20, 111.54; IRν: 1 309, 1 223, 1 212, 1 207, 1 155, 1 129, 789, 781, 758 cm-1； HR-EI-MSm/z: Calcd for C16H10O3S[M+]282.035 1, found 282.035 1。

用類似方法對9b～9d作底物進行光控脫保護反應。

2結果與討論

2.1磷酸基團保護反應

以8a的羥基保護反應為模板反應，探索保護反應的最佳反應條件。

8a 80 mmol,其余反應條件同1.3,考察投料量[r=n(7)∶n(8a)]，催化劑和溫度對反應的影響，結果見表1。

表1　8a的保護反應*

*8a 80 mmol,其余反應條件同1.3。

由表1可見，在室溫無催化劑的條件下，光控保護基7與8a不發生反應(No.1)，這是由于磷酸基團的反應活性相對較低；在相同反應條件下，在反應體系中加入SiO2或10%HCl調節體系pH值。結果表明：10%HCl的催化效果相對較好(No.4～7)；該保護反應可以在室溫條件下順利進行(No.4～5)。這為將來應用到生物大分子的保護和光控脫保護創造了有利的條件。由表1還可見，當反應溫度提高至60 ℃時，收率最高(97%， No.6)；保護基用量加倍時對收率影響不大(No.6～7)。

綜上所述，最佳保護反應條件為： 8a 80 mmol,n(7)∶n(8a)=1.25, 10%HCl為催化劑，于60 ℃反應3 h。

2.2光控脫保護反應

7本身沒有熒光，其光解產物10具有強熒光(熒光量子吸收率Φ=0.85)。在光解離脫保護過程中，采用了紫外光譜法和熒光光譜法監測光解離脫保護反應的進程，其結果分別見圖1和圖2。從中可以看出，隨著光解離脫保護的進行，伴隨被保護化合物的釋放，光敏結構轉變成強熒光的10，紫外光譜中350 nm 處出現新的吸收峰(圖1)，反應底物由無熒光轉變成強熒光，與之對應的同時在熒光光譜450 nm處檢測出熒光從無到有，并隨著反應的進行由弱到強(圖2)。這種既對光響應又能釋放潛在熒光基團的特性有很高的應用價值。

λ/nm

λ/nm

2.3底物拓展應用

為了探討7在磷酸衍生物基團保護反應中的應用范圍，本文對底物進行了擴展(Scheme 2)，結果見表2。由表2可見，7在脂肪族、芳香族和環狀磷酸衍生物的保護和光控脫保護反應中的應用均得到了較好的結果。光解離脫保護反應迅速(≤15 min,圖2)，被保護化合物脫保護收率高(≥95%)，無任何副反應。

表2　磷酸衍生物保護反應和光控脫保護反應

以苯硫酚為起始原料，通過縮合反應、鹵代反應、Suzuki-Miyaura反應、氧化還原反應和酯化反應等合成了新型硫代色酮類磷酸基光控保護基——2-重氮基-3-苯基-4H-磺酰基苯并噻喃(7)。并將7成功地應用于各種磷酸基團化合物的保護和光控脫保護反應中。光解離脫保護反應迅速(≤15 min)，被保護化合物脫保護收率高(≥95%)，無任何副反應。伴隨被保護化合物的釋放，光敏結構轉變成強熒光的四環化合物2-亞甲基-苯并呋喃并[4,3-b]磺酰基苯并噻喃(10)?；诖朔磻匦?，可直觀地觀察到光解離釋放過程的熒光變化，從而為應用到生物細胞領域的“可控性”和“可視性”創造了條件。

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Synthesis and Application of A New Photolabile Protecting Group for Phosphate Derivatives

LIU Shan-shan,MA Chi,LI Jun-ru,HONG Li-hong,ZHANG You-lai*

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Abstract：4-Oxo-3-phenyl-4H-thiochromene-2-carbaldehyde(4) was prepared by dehydration reaction, iodine substitution reaction, Suzuki-Miyaura coupling and oxidation， using thiophenol and ethyl acetoacetate as starting material. Furthermore oxidation of the sulfur atom of 4 with m-CPBA, and then reaction with TsNHNH2 to obtain tosylhydrazone(6). 2-Diazomethyl- 3-phenyl-4H-thiochromen-4-one 1,1-dioxide(7) was synthesized by Bamford-Stevens reaction from 6. The structures were characterized by1H NMR, (13)C NMR and HR-MS. 7 was designed as a novel photolabile protecting group for the protection and photodeprotection of phosphate derivatives. Protection reaction proceeded smoothly under mild reaction. The photodeprotection yields were more than 95% in 15 min monitored by UV-Vis and fluorescence spectroscopies.

Keywords：phosphates; thiochromone S,S-dioxide; 2-diazomethyl-3-phenyl-4H-thiochromen-4-one 1,1-dioxide； photolabile protecting group; synthesis; photochemistry

中圖分類號：O621.3； O623.74

文獻標志碼：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.03.15351

作者簡介：劉珊珊(1990-)，女，漢族，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事藥物化學和光化學研究。E-mail: 1207664722@qq.com通信聯系人： 張有來，博士研究生，講師， E-mail: youlaimail@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21303120)； 天津市自然科學基金資助項目(13JCYBJC42100)； 天津市“131” 創新型人才培養工程第三層次； 天津市高等學校大學生創新創業訓練計劃項目(201410060024)

收稿日期：2015-11-23