天然海藻二糖中羥基選擇性保護技術研究

劉金瀚，顧也欣，梁觀峰

（1.河南工業大學 化學化工學院，河南鄭州 450001；2.上海昱聚科技有限公司，上海 201100；3.復旦大學 化學系，上海 200433）

羥基廣泛存在于天然單糖及多糖等物質中，是決定糖類化合物結構和性質的重要官能團[1-3]。羥基同時也是有機合成中重要的官能團，可以進一步轉化為醛基、胺基、羧基等多種衍生化官能團。由于其性質活潑，在進行糖類化合物的衍生化反應過程中，往往需要將部分羥基保護起來，尤其是在涉及多官能團復雜分子的修飾或合成中，如何選擇性地保護羥基官能團是糖類化合物衍生化的關鍵步驟，例如在紫杉醇的合成中羥基的保護與脫保護策略[4-5]。羥基的保護主要是將其轉化為相應的醚或者酯，一般用于羥基保護的醚有硅醚、甲基醚、芐基醚、烷氧甲基醚及三甲基硅乙基甲基醚等[6-7]。此外，縮醛、縮酮類化合物也是保護羥基的常用方法[8]。

1 材料與方法

1.1 實驗原理

在本研究中，首先以甲醇和環己酮為原料高收率地合成了環己酮二甲縮酮[9]，具體反應機理如圖1所示。然后在有機質子酸的催化下，用環己酮二甲縮酮保護海藻二糖的羥基，通過對反應的優化，得到選擇性保護的產物。實驗未選用較為多樣化的環己酮二乙縮酮的合成方法生成中間產物[10]，而是采用環己酮二甲縮酮作為中間產物進行選擇性保護，與其他方法相比，收率明顯增高，對于后續的羥基選擇性實驗起到積極影響[11]。

圖1 環己酮縮酮化反應機理

1.2 儀器與試劑

二甲基亞砜（DMSO），化學純，美國Biosharp公司；鹽酸（36.0%～38.0%），分析純，太倉滬試試劑有限公司；無水甲醇、環己酮、海藻糖、碳酸氫鈉、石油醚和乙酸乙酯，分析純，上海泰坦化學有限公司；對甲基苯磺酸，分析純，上海易恩化學技術有限公司；原甲酸三甲酯（TMOF），分析純，上海麥克林生化科技有限公司。

AVANCE Ⅲ 400 MHz型核磁共振波譜儀，德國Bruker公司；7820A/5977B型氣相色譜-質譜儀，美國Agilent Technologies公司；6890A型氣相色譜-氫火焰離子化檢測儀，美國Agilent Technologies公司；DB-624毛細管柱（30 m×0.53 mm，3 μm），美國Agilent Technologies公司；FA2204N型電子天平，上海菁海儀器有限公司；DZF-6020A型真空干燥箱，上海力辰儀器科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 產物合成

（1）環己酮與甲醇在鹽酸及原甲酸三甲酯（TMOF）催化下進行縮酮化反應。設置3組試驗，標號為1、2、3，分別固定環己酮物質的量為0.1 mol、0.3 mol、0.5 mol，TMOF 為 0.1 mol，并分別置于裝有攪拌子的燒瓶中，將過量的甲醇（1 mol）緩慢滴加至冰水浴的燒瓶中；將0.5 g質量分數為36%的鹽酸以及0.1moL的TMOF用10 mL甲醇稀釋后，逐滴加入每組混合溶液中（1、2、3號實驗中質子酸與環己酮的摩爾比分別為0.139、0.046、0.028）；滴加結束后將燒瓶從冰水浴中取出于室溫下反應，水浴加熱至60 ℃左右旋蒸除去大部分甲醇后待用。

同時進行放大平行實驗，標號為4、5；試劑劑量為環己酮0.3 mol，甲醇3 mol，36%鹽酸1.5 g，TMOF為0.3 mol即38.1 g。進行相同實驗操作，并測量放大實驗數據。

（2）環己酮二甲縮酮在有機質子酸的催化下保護海藻二糖的羥基的反應機理，如圖2所示[5]。取上述4和5號放大實驗得到的環己酮二甲縮酮，加入原環己酮10%物質的量（0.03 mol）的海藻糖，并加入二倍海藻糖質量（20.54 g）的DMSO，將10%海藻糖物質的量（0.517 g）的對甲基苯磺酸用3 mL的DMSO溶解后，逐滴加入反應液中，60 ℃反應3 h；配制飽和NaHCO3溶液，邊攪拌邊將反應液逐滴加入到NaHCO3溶液中，滴加結束后得到白色沉淀，用超純水洗滌沉淀3遍，去除質子酸、DMSO及未反應的海藻糖等雜質，55 ℃、真空干燥得到白色粉末狀粗產物；將粗產物用體積比為10∶1的石油醚和乙酸乙酯混合溶劑洗滌3遍，常溫晾干得到最終產物，稱重并記錄實驗數據。

圖2 環己酮二甲縮酮在質子酸的催化下保護海藻二糖羥基

1.3.2 表征實驗

氣相色譜-質譜儀（GC-MS）確定第一步產物的分子結構（定性分析），氣相色譜-火焰離子化檢測儀（GC-FID）確定轉化率和收率（定量分析）；第二步反應的產物由核磁共振定性確定。

優化的氣相色譜-質譜條件：載氣壓力為0.02 MPa，載氣流量為40 mL/min，氫氣壓力為0.04 MPa，空氣壓力為0.08 MPa，氣化室溫度為250 ℃，檢測室溫度為160 ℃，柱溫為60～250 ℃，加熱速率為15 ℃/min，分流比為100∶1。使用電子轟擊離子源，全掃描采集模式，掃描范圍為40～217 amu。

核磁共振氫譜條件：采用4 mm的雙共振探頭對白色沉淀物進行采集，魔角旋轉轉速為10 kHz，1H的共振頻率為399.33 MHz。

1.4 數據處理

（1）確定產物。在反應過程中，縮酮化反應中理想狀況下1當量環己酮應生成1當量份環己酮二甲縮酮，而在選擇性保護過程中，因取代基個數不確定，因此需要確定取代產物。故后續利用色譜圖確定取代產物，并計算其相對原子質量。

（2）計算產率。利用公式（1）計算產率。

式中：m為需測量產物的質量，g；MB為需測量產物的摩爾質量，g/mol；nB與nA分別為產物和原料的物質的量，mol。

2 結果與分析

2.1 環己酮與甲醇的縮酮反應

環己酮與甲醇發生縮酮化反應，得到無色透明液體，用GC-MS定性分析該產物，結果如圖3所示。從圖3（a）可以看到，1.0 min、5.1 min、5.4 min和6.3 min有物質峰出現；從圖3（b）可知，6.3 min時分離得到相對原子量為144.1的分子，為目標產物——環己酮二甲縮酮（C8H16O2，分子質量為144.115 0）；從圖3（c）可知，5.4 min時分離得到的副產物雜質相對原子量為112，推測可能發生了脫水與消除反應，生成了含雙鍵及單甲氧基的副產物，如圖3（d）所示（C7H12O，分子質量為112）。

圖3 縮酮反應產物表征

2.1.1 環己酮濃度對反應產物的影響

質子酸與環己酮的摩爾比例對產物的目標轉化率具有影響，表1為3個環己酮濃度下第一步反應產物占比及轉化率。由表可知，1號實驗組的目標產物轉化率最高，達到93.9%，較大程度上反映了第一組反應物的配比有利于反應向右進行，較低濃度的環己酮反應程度較高，于是在第一組的基礎上進行了對應環己酮質子酸濃度的放大實驗。

表1 第一步反應產物占比及轉化率

2.1.2 放大實驗

表2為放大實驗中第一步反應產物占比及轉化率。兩組平行實驗的轉化率差異較大，5號實驗組產生了23.4%的副產物，可能是5號實驗組實際冰水浴時間比4號少，體系溫度較高，發生消除反應、加劇脫水，使副產物占比增高。

表2 放大實驗中第一步反應產物占比及轉化率

2.2 海藻糖的選擇性羥基保護

第二步得到白色粉末，不溶于水及石油醚，易溶于甲醇和乙醇。海藻糖加入量為10.27 g，理論產物質量為16.0 g，實際得到白色粉末15.1 g，實驗產率為44.93%。同時，對第二步的產物進行了核磁共振分析，如圖4所示。1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：7.31～7.42（m，1H），6.69～6.75（m，1H），5.01～5.26（d，1H），3.46～4.19（m，2H），1.41～1.84（s，3H），0.81（s，1H）。上述結果初步說明了產物為三取代物。

圖4 海藻酸羥基保護產物核磁分析譜圖

3 結論

在本實驗中，首先以甲醇和環己酮為原料高收率地合成了環己酮二甲縮酮，然后在有機質子酸的催化下，用環己酮二甲縮酮保護海藻二糖的羥基，通過對反應的優化，得到三環已酮保護的產物，實現了對海藻糖羥基的選擇性保護。此外，通過平行試驗，推測出反應中可能存在溫度對副反應的影響，即實驗過程中應嚴格監控溫度，減少副反應的進行。