設(shè)計實驗：選擇性保護1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷的仲胺

張琴芳，王愛群，任小雨，張紅素，余孝其

(四川大學(xué) a.化學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心；b.化學(xué)學(xué)院,成都 610064)

0 引 言

在有機合成化學(xué)中存在多種官能團，為了能夠讓化學(xué)反應(yīng)選擇性在某個官能團上進行，非常有必要對其他官能團進行保護[1]。一個保護基團需要同時滿足一系列要求，首先要選擇性地反應(yīng)后高產(chǎn)率生成一個被保護的底物，這個底物適于參加接下來所要進行的反應(yīng)；保護基團應(yīng)該幾乎不產(chǎn)生外加的官能團特性以防止發(fā)生其他反應(yīng)；保護基必須高產(chǎn)率通過與易于得到的無害試劑反應(yīng)被選擇性脫掉，這些試劑也不會進攻再生的官能團[2]。

氨基官能團存在于很多有生理活性的化合物中，氨基的保護策略選擇對合成化學(xué)工作者非常重要。自1961年德國化學(xué)家Stetter和Mayer合成1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷(Cyclen)以來[3]，其小分子化合物和聚合物廣泛應(yīng)用于磁共振成像[4]、DNA酶[5-6]和基因載體[7]等。為了合成基于Cyclen的具有不同結(jié)構(gòu)和功能的產(chǎn)品，就需要系統(tǒng)的合成化學(xué)，尤其是對其仲胺的選擇性保護[8]，因此，開展了選擇性保護Cyclen的設(shè)計實驗。

1 實驗原理

將Cyclen合成單取代、對位二取代和三取代的目標(biāo)化合物，其合成過程如圖1所示，選擇性保護仲胺則是該實驗設(shè)計路線的關(guān)鍵。

圖1 基于Cyclen的具有一個、兩個和三個取代基目標(biāo)化合物的合成路線

Cyclen上有4個仲胺，它們分別具有不同的pKa值：10.5，9.5，1.6和0.8[9]，可以實現(xiàn)選擇性保護[10]。為了合成具有1個、2個和3個取代基的目標(biāo)化合物，必須分別選擇性地保護其中3個、2個和1個仲胺(合成路線見圖2)，然后將對應(yīng)的被保護底物用于后續(xù)反應(yīng)，最后脫掉保護基生成目標(biāo)產(chǎn)物，氨基甲酸酯是常用的氨基保護基，包括通過酸性水解去保護的氨基甲酸叔丁酯(Boc)、由氫化去保護的氨基甲酸芐基酯(Cbz)、用堿經(jīng)β-消除去保護的氨基甲酸-9-芴基甲酯(Fmoc)等[2]。在該設(shè)計實驗中選擇了Boc和Fmoc保護基，Boc基團是最常用的氨基保護試劑，廣泛應(yīng)用于多肽合成、雜環(huán)合成中的氨基保護，在堿性條件下不水解，對很多親核試劑也是惰性的，在強酸性條件下脫保護，分解的產(chǎn)物是叔丁醇或異丁烯，以及二氧化碳?xì)怏w，非常容易從反應(yīng)體系除去，通過控制(Boc)2O與Cyclen的比例以及(Boc)2O的滴加速度得到1,4,7-3 Boc-Cyclen[11-12]；采用Boc-OSu作為氨基的保護試劑得到1,7-2 Boc-Cyclen[10-13]。Fmoc保護基的一個顯著優(yōu)點是對酸極其穩(wěn)定，在Fmoc存在下Boc可以方便去保護，所以將1,4,7-3 Boc-Cyclen與Fmoc-Cl反應(yīng)后得到1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen[14]，在酸性條件選擇性脫掉Boc保護基[15]，得到Fmoc-Cyclen的三氟乙酸鹽。

2 實驗?zāi)康?/h2>

(1) 查閱文獻，根據(jù)原料和產(chǎn)物設(shè)計實驗路線選擇性保護Cyclen的仲胺，制備1,4,7-3 Boc-Cyclen、1,7-2 Boc-Cyclen和Fmoc-Cyclen的三氟乙酸鹽。

(2) 掌握薄層色譜、柱色譜、分液洗滌、重結(jié)晶等基本實驗操作技能。

圖2 設(shè)計的合成1,4,7-3 Boc-Cyclen、1,7-2 Boc-Cyclen和Fmoc-Cyclen.3CF3COOH的路線

(3) 采用1H-NMR、13C-NMR和HR-MS鑒定化合物結(jié)構(gòu)。

(4) 學(xué)習(xí)使用Chemdraw和Mestrenova軟件、SciFinder和CNKI數(shù)據(jù)庫輔助實驗。

3 儀器和試劑

儀器：磁力加熱攪拌器(IKA C-MAG HS4)、真空干燥箱(DZF-6020A)、核磁共振儀(Bruker AV-400 MHz)、質(zhì)譜儀(Bruker Daltonics Bio TOF)、恒溫鼓風(fēng)干燥箱(一恒 DHG-9240A)、分析天平(METTLER TOLEDO EL204)、圓底燒瓶、分液漏斗、薄層色譜板、色譜柱等。

試劑：Cyclen、(Boc)2O、Boc-OSu、三乙胺、無水硫酸鈉、無水硫酸鎂、CHCl3、CH2Cl2、NaCl、NaHCO3、Fmoc-Cl、三氟乙酸、乙醚、硅膠、Al2O3等。

4 實驗步驟

4.1 以Cyclen和(Boc)2O為原料，制備1,4,7-3 Boc-Cyclen[11-12]

將250 mL圓底燒瓶置于冰水浴，加入0.5 g(2.9 mmol)Cyclen和40 mL CHCl3，攪拌溶解，然后加入1.6 mL(11.6 mmol)三乙胺。將1.8 g(8.2 mmol)的(Boc)2O溶解在100 mL CHCl3中，緩慢滴加到圓底燒瓶(控制滴速3 s/滴)，滴加完后撤除冰水浴，在常溫下繼續(xù)攪拌15 h。反應(yīng)結(jié)束后，用飽和食鹽水洗滌3次，收集有機相，用無水硫酸鈉干燥，過濾，減壓蒸餾除去溶劑得到粗產(chǎn)物，薄層色譜檢測，柱色譜分離提純得到1,4,7-3 Boc-Cyclen。

4.2 以Cyclen和Boc-OSu為原料，制備1,7-2 Boc-Cyclen[10,13]

將250 mL圓底燒瓶置于冰水浴，加入0.5 g(2.9 mmol)Cyclen和40 mL CHCl3，攪拌溶解。將1.4 g(6.5 mmol)的Boc-OSu溶解在100 mL CHCl3中，緩慢滴加到圓底燒瓶(控制滴速10 s/滴)，滴加完后撤除冰水浴，在常溫下繼續(xù)攪拌48 h。反應(yīng)結(jié)束后，用飽和碳酸氫鈉溶液洗滌2次，飽和食鹽水洗滌1次，收集有機相，用無水硫酸鎂干燥，過濾，減壓蒸餾除去溶劑得到粗產(chǎn)物，薄層色譜檢測，柱色譜分離提純得到1,7-2 Boc-Cyclen。

4.3 以1,4,7-3 Boc-Cyclen和Fmoc-Cl為原料，制備1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen[14]

在100 mL圓底燒瓶中加入0.5 g(1.2 mmol)1,4,7-3 Boc-Cyclen和3.6 mL CH2Cl2，攪拌溶解，然后加入7.2 mL飽和碳酸氫鈉和0.4 g(1.6 mmol)Fmoc-Cl，薄層色譜檢測1,4,7-3 Boc-Cyclen反應(yīng)完后停止反應(yīng)(整個反應(yīng)約2 h)。反應(yīng)結(jié)束后加入7.2 mL CH2Cl2和3.6 mL水，分液保留有機相，用飽和食鹽水洗滌1次，收集有機相，用無水硫酸鎂干燥，過濾，減壓蒸餾除去溶劑得到粗產(chǎn)物，薄層色譜檢測，柱色譜分離提純得到1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen。

4.4 以CF3COOH為去保護試劑，制備Fmoc-Cyclen[15]的三氟乙酸鹽

將100 mL圓底燒瓶置于冰水浴，加入0.5 g(0.7 mmol)1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen和20 mL CH2Cl2，攪拌溶解，然后加入0.5 mL(7 mmol)CF3COOH，反應(yīng)0.5 h后撤除冰水浴，常溫下繼續(xù)攪拌反應(yīng)直到薄層色譜檢測1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen反應(yīng)完全，減壓蒸餾除去溶劑，用CH2Cl2作為良溶劑，無水乙醚作為不良溶劑重結(jié)晶得到Fmoc-Cyclen的三氟乙酸鹽。

5 實驗結(jié)果

5.1 制備1,4,7-3 Boc-Cyclen

薄層色譜，乙酸乙酯∶石油醚=1∶1，Rf≈0.3；柱色譜(硅膠)，乙酸乙酯∶石油醚=1∶4。柱色譜分離后真空干燥得到白色固體1.0 g，產(chǎn)率72%。詳細(xì)解析該化合物的1H NMR，如圖3所示,δ(×10-6)=7.26(s)是CDCl3溶劑殘余的化學(xué)位移，δ(×10-6) 1.24(t)、2.06(s)、4.08～4.13(q)是殘余的乙酸乙酯的化學(xué)位移，其余為目標(biāo)產(chǎn)物的化學(xué)位移。

圖3 1,4,7-3 Boc-Cyclen的1H NMR，溶劑為CDCl3

1H NMR (400 MHz,CDCl3,TMS):δ(×10-6) 1.43(s,27H,—OC(CH3)3),2.83(s,4H,—NHCH2CH2N(Boc)—) ,3.33(d,8H,—CH2N(Boc)CH2CH2NH—),3.60(s,4H,—N(Boc)CH2CH2N(Boc) CH2CH2N(Boc)—)。

13C NMR(CDCl3,100 MHz):δ:28.20,44.72,49.42,50.95,79.20,155.52。

HR-MS(ESI):Calcd for:C232H44N4O6:473.326 1;Found:473.333 9。

5.2 制備1,7-2 Boc-Cyclen

薄層色譜，二氯甲烷∶甲醇=10∶1，Rf≈0.7；柱色譜(堿性三氧化二鋁)，乙酸乙酯∶石油醚=1∶1。柱色譜分離后得淺黃色油狀物0.6 g，產(chǎn)率56%。

1H NMR(400 MHz,CDCl3,TMS):δ(×10-6) 1.44(s,18H,—OC(CH3)3),2.92(q,8H,—CH2NHCH2)—),3.57(s,8H,—CH2N(Boc)CH2—)。

13C NMR(CDCl3,100 MHz):δ:28.21,48.79,49.21,49.52,49.61,49.74,49.77,50.42,50.56,50.56,80.85,155.41。

HR-MS(ESI):Calcd for:C18H36N4O4:372.273 7;Found:373.281 5。

5.3 制備1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen

薄層色譜，乙酸乙酯∶石油醚=1∶3，Rf≈0.6；柱色譜(硅膠)，乙酸乙酯∶石油醚=1∶8。柱色譜分離后真空干燥得到淺黃色固體0.66 g，產(chǎn)率91%。

1H NMR(400 MHz,CDCl3,TMS):δ(×10-6) 1.44(d,27H,—OC(CH3)3),3.29(s,16H,—NCH2CH2N—),4.22(m,1H,—CH—), 4.51(s,2H,—OCH2—),7.32(m,2H,—Ph—H),7.39(m,2H,—Ph—H),7.59(d,2H,—Ph—H),7.75(d,2H,—Ph—H)。

13C NMR(CDCl3,100 MHz):δ:28.40,47.01,50.23,67.37,80.07,120.01,124.91,127.13,127.84,140.84,144.02,151.07,154.7。

HR-MS(ESI):Calcd for:C38H54N4O8[M+Na]+:717.381 9;Found:717.382 8。

5.4 制備Fmoc-Cyclen的三氟乙酸鹽

重結(jié)晶后得到白色固體0.2 g，產(chǎn)率71%。

1H NMR(400 MHz,(CD3)2SO,TMS):δ(×10-6)3.33(s,16H,—CH2CH2)—),4.33(1H,—CH—),4.70(s,2H,—OCH2—),7.36(t,2H,—Ph—H),7.43(t,2H,—Ph—H),7.64(d,2H,—Ph—H),7.91(d,2H,—Ph—H)。

13C NMR((CD3)2SO,100 MHz):δ:41.98,42.94,43.20,53.08,63.52,116.15,120.80,123.27,124.04,137.47,140.41,154.37。

HR-MS(ESI):Calcd for:C23H30N4O2[M + H]+:395.244 7;Found:395.244 7。

6 結(jié) 語

學(xué)生在經(jīng)過基礎(chǔ)實驗以及綜合實驗“四氮大環(huán)西佛堿鋅配合物的合成”[16]的學(xué)習(xí)后，開展選擇性保護Cyclen的設(shè)計實驗，根據(jù)原料和目標(biāo)產(chǎn)物，自行查閱文獻設(shè)計合成路線，并根據(jù)實驗結(jié)果不斷調(diào)整實驗方案，學(xué)習(xí)使用Chemdraw和Mestrenova軟件、SciFinder和CNKI數(shù)據(jù)庫輔助實驗，實驗內(nèi)容更加多樣化，難度逐步提高，循序漸進培養(yǎng)對學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力以及創(chuàng)新能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，為順利過度到科研工作打好基礎(chǔ)。