天然海藻二糖中羥基選擇性保護(hù)技術(shù)研究

劉金瀚，顧也欣，梁觀峰

（1.河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州 450001；2.上海昱聚科技有限公司，上海 201100；3.復(fù)旦大學(xué) 化學(xué)系，上海 200433）

羥基廣泛存在于天然單糖及多糖等物質(zhì)中，是決定糖類化合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要官能團(tuán)[1-3]。羥基同時(shí)也是有機(jī)合成中重要的官能團(tuán)，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為醛基、胺基、羧基等多種衍生化官能團(tuán)。由于其性質(zhì)活潑，在進(jìn)行糖類化合物的衍生化反應(yīng)過程中，往往需要將部分羥基保護(hù)起來，尤其是在涉及多官能團(tuán)復(fù)雜分子的修飾或合成中，如何選擇性地保護(hù)羥基官能團(tuán)是糖類化合物衍生化的關(guān)鍵步驟，例如在紫杉醇的合成中羥基的保護(hù)與脫保護(hù)策略[4-5]。羥基的保護(hù)主要是將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醚或者酯，一般用于羥基保護(hù)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(hù)羥基的常用方法[8]。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在本研究中，首先以甲醇和環(huán)己酮為原料高收率地合成了環(huán)己酮二甲縮酮[9]，具體反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。然后在有機(jī)質(zhì)子酸的催化下，用環(huán)己酮二甲縮酮保護(hù)海藻二糖的羥基，通過對(duì)反應(yīng)的優(yōu)化，得到選擇性保護(hù)的產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)未選用較為多樣化的環(huán)己酮二乙縮酮的合成方法生成中間產(chǎn)物[10]，而是采用環(huán)己酮二甲縮酮作為中間產(chǎn)物進(jìn)行選擇性保護(hù)，與其他方法相比，收率明顯增高，對(duì)于后續(xù)的羥基選擇性實(shí)驗(yàn)起到積極影響[11]。

圖1 環(huán)己酮縮酮化反應(yīng)機(jī)理

1.2 儀器與試劑

二甲基亞砜（DMSO），化學(xué)純，美國(guó)Biosharp公司；鹽酸（36.0%～38.0%），分析純，太倉(cāng)滬試試劑有限公司；無水甲醇、環(huán)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(xué)有限公司；對(duì)甲基苯磺酸，分析純，上海易恩化學(xué)技術(shù)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(guó)Bruker公司；7820A/5977B型氣相色譜-質(zhì)譜儀，美國(guó)Agilent Technologies公司；6890A型氣相色譜-氫火焰離子化檢測(cè)儀，美國(guó)Agilent Technologies公司；DB-624毛細(xì)管柱（30 m×0.53 mm，3 μm），美國(guó)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(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 產(chǎn)物合成

（1）環(huán)己酮與甲醇在鹽酸及原甲酸三甲酯（TMOF）催化下進(jìn)行縮酮化反應(yīng)。設(shè)置3組試驗(yàn)，標(biāo)號(hào)為1、2、3，分別固定環(huán)己酮物質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(hào)實(shí)驗(yàn)中質(zhì)子酸與環(huán)己酮的摩爾比分別為0.139、0.046、0.028）；滴加結(jié)束后將燒瓶從冰水浴中取出于室溫下反應(yīng)，水浴加熱至60 ℃左右旋蒸除去大部分甲醇后待用。

同時(shí)進(jìn)行放大平行實(shí)驗(yàn)，標(biāo)號(hào)為4、5；試劑劑量為環(huán)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(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)操作，并測(cè)量放大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）環(huán)己酮二甲縮酮在有機(jī)質(zhì)子酸的催化下保護(hù)海藻二糖的羥基的反應(yīng)機(jī)理，如圖2所示[5]。取上述4和5號(hào)放大實(shí)驗(yàn)得到的環(huán)己酮二甲縮酮，加入原環(huán)己酮10%物質(zhì)的量（0.03 mol）的海藻糖，并加入二倍海藻糖質(zhì)量（20.54 g）的DMSO，將10%海藻糖物質(zhì)的量（0.517 g）的對(duì)甲基苯磺酸用3 mL的DMSO溶解后，逐滴加入反應(yīng)液中，60 ℃反應(yīng)3 h；配制飽和NaHCO3溶液，邊攪拌邊將反應(yīng)液逐滴加入到NaHCO3溶液中，滴加結(jié)束后得到白色沉淀，用超純水洗滌沉淀3遍，去除質(zhì)子酸、DMSO及未反應(yīng)的海藻糖等雜質(zhì)，55 ℃、真空干燥得到白色粉末狀粗產(chǎn)物；將粗產(chǎn)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(chǎn)物，稱重并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 環(huán)己酮二甲縮酮在質(zhì)子酸的催化下保護(hù)海藻二糖羥基

1.3.2 表征實(shí)驗(yàn)

氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC-MS）確定第一步產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)（定性分析），氣相色譜-火焰離子化檢測(cè)儀（GC-FID）確定轉(zhuǎn)化率和收率（定量分析）；第二步反應(yīng)的產(chǎn)物由核磁共振定性確定。

優(yōu)化的氣相色譜-質(zhì)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(cè)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(duì)白色沉淀物進(jìn)行采集，魔角旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10 kHz，1H的共振頻率為399.33 MHz。

1.4 數(shù)據(jù)處理

（1）確定產(chǎn)物。在反應(yīng)過程中，縮酮化反應(yīng)中理想狀況下1當(dāng)量環(huán)己酮應(yīng)生成1當(dāng)量份環(huán)己酮二甲縮酮，而在選擇性保護(hù)過程中，因取代基個(gè)數(shù)不確定，因此需要確定取代產(chǎn)物。故后續(xù)利用色譜圖確定取代產(chǎn)物，并計(jì)算其相對(duì)原子質(zhì)量。

（2）計(jì)算產(chǎn)率。利用公式（1）計(jì)算產(chǎn)率。

式中：m為需測(cè)量產(chǎn)物的質(zhì)量，g；MB為需測(cè)量產(chǎn)物的摩爾質(zhì)量，g/mol；nB與nA分別為產(chǎn)物和原料的物質(zhì)的量，mol。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)己酮與甲醇的縮酮反應(yīng)

環(huán)己酮與甲醇發(fā)生縮酮化反應(yīng)，得到無色透明液體，用GC-MS定性分析該產(chǎn)物，結(jié)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(zhì)峰出現(xiàn)；從圖3（b）可知，6.3 min時(shí)分離得到相對(duì)原子量為144.1的分子，為目標(biāo)產(chǎn)物——環(huán)己酮二甲縮酮（C8H16O2，分子質(zhì)量為144.115 0）；從圖3（c）可知，5.4 min時(shí)分離得到的副產(chǎn)物雜質(zhì)相對(duì)原子量為112，推測(cè)可能發(fā)生了脫水與消除反應(yīng)，生成了含雙鍵及單甲氧基的副產(chǎn)物，如圖3（d）所示（C7H12O，分子質(zhì)量為112）。

圖3 縮酮反應(yīng)產(chǎn)物表征

2.1.1 環(huán)己酮濃度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響

質(zhì)子酸與環(huán)己酮的摩爾比例對(duì)產(chǎn)物的目標(biāo)轉(zhuǎn)化率具有影響，表1為3個(gè)環(huán)己酮濃度下第一步反應(yīng)產(chǎn)物占比及轉(zhuǎn)化率。由表可知，1號(hào)實(shí)驗(yàn)組的目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)到93.9%，較大程度上反映了第一組反應(yīng)物的配比有利于反應(yīng)向右進(jìn)行，較低濃度的環(huán)己酮反應(yīng)程度較高，于是在第一組的基礎(chǔ)上進(jìn)行了對(duì)應(yīng)環(huán)己酮質(zhì)子酸濃度的放大實(shí)驗(yàn)。

表1 第一步反應(yīng)產(chǎn)物占比及轉(zhuǎn)化率

2.1.2 放大實(shí)驗(yàn)

表2為放大實(shí)驗(yàn)中第一步反應(yīng)產(chǎn)物占比及轉(zhuǎn)化率。兩組平行實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化率差異較大，5號(hào)實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生了23.4%的副產(chǎn)物，可能是5號(hào)實(shí)驗(yàn)組實(shí)際冰水浴時(shí)間比4號(hào)少，體系溫度較高，發(fā)生消除反應(yīng)、加劇脫水，使副產(chǎn)物占比增高。

表2 放大實(shí)驗(yàn)中第一步反應(yīng)產(chǎn)物占比及轉(zhuǎn)化率

2.2 海藻糖的選擇性羥基保護(hù)

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(chǎn)物質(zhì)量為16.0 g，實(shí)際得到白色粉末15.1 g，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率為44.93%。同時(shí)，對(duì)第二步的產(chǎn)物進(jìn)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(jié)果初步說明了產(chǎn)物為三取代物。

圖4 海藻酸羥基保護(hù)產(chǎn)物核磁分析譜圖

3 結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)中，首先以甲醇和環(huán)己酮為原料高收率地合成了環(huán)己酮二甲縮酮，然后在有機(jī)質(zhì)子酸的催化下，用環(huán)己酮二甲縮酮保護(hù)海藻二糖的羥基，通過對(duì)反應(yīng)的優(yōu)化，得到三環(huán)已酮保護(hù)的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海藻糖羥基的選擇性保護(hù)。此外，通過平行試驗(yàn)，推測(cè)出反應(yīng)中可能存在溫度對(duì)副反應(yīng)的影響，即實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控溫度，減少副反應(yīng)的進(jìn)行。