不同溶劑體系對氨基酸的氨基Boc保護的影響

張 夢，狄 曼，習鄭柳，曾 卉，羅 興，孔 露，何子儒，郭麗媛，吳 詩

(湖北科技學院藥學院，湖北 咸寧 437100)

氨基酸是含有氨基和羧基的一類有機化合物的通稱，是組成人體蛋白和多肽的基本單元，也是合成多肽類藥物及可降解聚酰胺的基本結構單元[1-3]。由于氨基酸含有的氨基和羧基都是活潑官能團，因此，在合成反應前，須對氨基酸的氨基進行保護。使用較多的氨基保護基有烷氧羰基、烷基和?；箢?。其中，烷氧羰基使用最廣泛，常用的有9-芴甲氧羰基(Fmoc)、芐氧羰基(Cbz)和叔丁氧羰基(Boc)等[4]。Boc對催化氫解和堿解穩(wěn)定，對酸解敏感、產率高，因此，被廣泛應用于氨基酸的氨基保護[5-8]。二碳酸二叔丁酯[(Boc)2O]作為氨基保護試劑，具有廉價易得、易保存、毒性小、反應操作簡單、反應時間短、產率高等特點，因此是合成N-Boc-氨基酸的常用試劑。為了更好地合成N-Boc-氨基酸，研究者發(fā)展了多種溶劑體系，如：水和丙酮溶液體系[9]、二氯甲烷溶液體系[10]、水和二氧六環(huán)溶液體系[11]，同時發(fā)展了一些催化體系[12]。DMF為水溶性的有機溶劑，與水有很好的互溶性，對一般有機化合物也有極好的溶解性。因此，作者選擇無水二氯甲烷溶液體系、水和二氧六環(huán)溶液體系、水和丙酮溶液體系、水和DMF溶液體系等4種溶劑體系，對13種L-氨基酸在4種溶劑體系中的氨基Boc保護反應進行比較，探討不同溶劑體系對氨基酸的氨基Boc保護的影響。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

L-脯氨酸、L-色氨酸、L-蛋氨酸、L-谷氨酸、L-天冬氨酸、L-組氨酸、L-精氨酸、L-賴氨酸、L-絲氨酸、L-酪氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酰胺、L-天冬酰胺等純度均為 99%，二碳酸二叔丁酯[(Boc)2O]，武漢格奧化學技術有限公司；三乙胺，天津富宇精細化工有限公司。

X-4 型數(shù)字顯示顯微熔點測定儀，鞏義予華儀器有限公司；IR Affinity-1型紅外光譜儀，日本島津；Bruker AV-400MHz型核磁共振儀，德國Bruker。

1.2 N-Boc-氨基酸的合成方法

1.2.1 無水二氯甲烷溶液體系

參照文獻[10,13]，對反應條件進行優(yōu)化后用于合成N-Boc-氨基酸。室溫下，在裝有機械攪拌器和恒壓滴液漏斗的100 mL四口燒瓶中加入8.7 mmol L-氨基酸、12 mL重蒸除水的CH2Cl2、11.3 mmol(Boc)2O，然后緩慢滴加11.3 mmol除水的三乙胺，滴加完后繼續(xù)攪拌至反應液澄清；減壓蒸除CH2Cl2和三乙胺，得黃色黏稠液；加入8 mL水攪拌，用10%鹽酸調pH值至氨基酸等電點；用乙酸乙酯(25 mL×3)萃取，合并有機層；用無水硫酸鈉干燥，過濾，濾液減壓至黏稠；加適量正己烷，輕搖，靜置；待晶體析出完全后抽濾，干燥，即得N-Boc-氨基酸。

1.2.2 水和二氧六環(huán)溶液體系

參照文獻[11]，對反應條件進行優(yōu)化后用于合成N-Boc-氨基酸。冰浴條件下，在裝有機械攪拌器和恒壓滴液漏斗的100 mL四口燒瓶中加入5.0 mmol L-氨基酸、10 mL水、25 mL二氧六環(huán)、6.5 mmol(Boc)2O，然后緩慢滴加碳酸鉀溶液(10 mmol碳酸鉀溶于15 mL水)，約10 min滴完，繼續(xù)反應至溶液澄清；減壓蒸除水和二氧六環(huán)，瓶壁附著一層白色固體；加入25 mL水溶解，用乙醚(15 mL×2)洗滌2次，用5%鹽酸調pH值至氨基酸等電點；再用乙酸乙酯(25 mL×3)萃取，合并有機層；用無水硫酸鈉干燥，過濾；濾液減壓濃縮，干燥，即得N-Boc-氨基酸。

1.2.3 水和丙酮溶液體系

參照文獻[9]，對反應條件進行優(yōu)化后用于合成N-Boc-氨基酸。冰水浴條件下，在裝有機械攪拌器和恒壓滴液漏斗的100 mL四口燒瓶中加入5.0 mmol L-氨基酸、5 mL蒸餾水、5 mL丙酮、15 mmol三乙胺，然后將5.5 mmol(Boc)2O溶于5 mL丙酮溶液中后緩慢滴加；滴加完畢，攪拌反應4 h(反應過程中點板檢測)；減壓蒸除丙酮和三乙胺；加入5 mL水，攪拌，用無水乙醚(10 mL×3)萃取，用5%鹽酸溶液調pH值至2～3后，用乙酸乙酯(10 mL×4)萃取，合并有機層；用飽和食鹽水(10 mL×2)洗滌，用適量無水硫酸鈉干燥，抽濾；濾液減壓濃縮，用乙酸乙酯-石油醚(1∶2，體積比)結晶，即得N-Boc-氨基酸。

1.2.4 水和DMF溶液體系

很少見DMF水溶液用作N-Boc-氨基酸合成的溶劑體系。經分析研究，采用如下方法合成N-Boc-氨基酸：在裝有機械攪拌器和恒壓滴液漏斗的100 mL四口燒瓶中加入4.4 mmol L-氨基酸、10 mL DMF水溶液(VDMF∶VH2O=3∶2)，然后緩慢滴加4.4 mmol三乙胺；攪拌10 min至溶液澄清，將4.5 mmol(Boc)2O加入溶液中，繼續(xù)攪拌1 h；減壓蒸除三乙胺和水；再用油泵除去DMF，用20 mL乙酸乙酯溶解剩余殘渣，用1 mol·L-1鹽酸調pH值至氨基酸等電點；分離水層和有機層，水層用NaCl飽和，乙酸乙酯萃??；合并有機層，用水(30 mL×2)洗滌；合并有機層，再用飽和NaCl(30 mL×2)洗滌；合并有機層，用無水Na2SO4干燥，過濾；濾液減壓濃縮，干燥，即得N-Boc-氨基酸。

2 結果與討論

2.1 N-Boc-氨基酸的結構確定

N-Boc-氨基酸的核磁共振圖譜、質譜、熔點等已有多篇文獻報道。本研究通過1HNMR分析(表1)，并與文獻對照確定在4種溶劑體系中合成得到的化合物是N-Boc-氨基酸。

表1 13種N-Boc-氨基酸的1HNMR數(shù)據(jù)

2.2 反應溫度對N-Boc-氨基酸合成的影響

在無水二氯甲烷溶液體系中，分別在0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃下對L-脯氨酸進行氨基Boc保護，N-Boc-脯氨酸的產率分別為51.6%、85.6%、88.3%、79.8%、70.3%?？梢钥闯?，反應溫度對N-Boc-脯氨酸產率的影響很大。由于二氯甲烷的沸點為39.75 ℃，所以當反應溫度為40 ℃時需要增加冷凝回流裝置，二氯甲烷揮發(fā)較多，導致N-Boc-脯氨酸產率較低；當反應溫度過低(0 ℃)時，L-脯氨酸在二氯甲烷中溶解度較低，也導致N-Boc-脯氨酸產率較低；在反應溫度為20 ℃時，N-Boc-脯氨酸的產率最高，為88.3%。因此，確定最佳反應溫度為室溫(20 ℃左右)。

2.3 13種L-氨基酸在4種溶劑體系中的氨基Boc保護反應比較(表2)

表2 溶劑體系對N-Boc-氨基酸產率的影響/%

由表2可知：(1)在無水二氯甲烷溶液體系中，L-脯氨酸、L-色氨酸和L-蛋氨酸的氨基Boc保護效果較好，N-Boc-氨基酸產率均在70%以上；但其它氨基酸效果很差，不能獲得N-Boc-氨基酸產物。這是因為，L-脯氨酸、L-色氨酸和L-蛋氨酸為非極性氨基酸，在二氯甲烷中溶解良好，而其它10種氨基酸在二氯甲烷溶液中的溶解性很差，導致其不能獲得N-Boc-氨基酸產物。(2)水和二氧六環(huán)溶液體系、水和丙酮溶液體系、水和DMF溶液體系為混合溶劑體系，氨基酸在其中的溶解性都比較好，但也有差異。在水和二氧六環(huán)溶液體系中，L-酪氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酰胺和L-絲氨酸的氨基Boc保護效果較好，N-Boc-氨基酸產率分別可達99.6%、99.5%、93.0%、79.8%；其它氨基酸效果較差，N-Boc-氨基酸產率較低?？赡苁且驗長-酪氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酰胺和L-絲氨酸為極性氨基酸，因此可推斷水和二氧六環(huán)溶液體系適合極性氨基酸進行氨基Boc保護反應。但L-天冬酰胺是個例外，其結構與L-谷氨酰胺十分相似，有著相同的官能團，僅主鏈碳原子的個數(shù)不同，但其在水和二氧六環(huán)溶液體系中卻未能得到N-Boc-氨基酸產物，且在其它反應體系中進行氨基Boc保護也較困難。(3)在水和丙酮溶液體系中，L-天冬氨酸、L-組氨酸和L-谷氨酸的氨基Boc保護效果較好，N-Boc-氨基酸產率分別可達90.2%、90.0%、85.0%；其它氨基酸效果均不理想。L-谷氨酸、L-天冬氨酸為酸性氨基酸，L-組氨酸為堿性氨基酸。(4)在水和DMF溶液體系中，酸性氨基酸的氨基Boc保護效果最好，N-Boc-氨基酸產率達到85.0%；非極性氨基酸的氨基Boc保護效果較好，N-Boc-氨基酸產率達到64%以上；堿性氨基酸的氨基Boc保護效果不理想，N-Boc-氨基酸產率很低；而極性氨基酸的氨基Boc保護效果不穩(wěn)定，N-Boc-氨基酸產率波動很大?？梢姡虳MF溶液體系適合酸性氨基酸進行氨基Boc保護反應，但DMF是一種沸點較高的溶劑，完全除去比較困難。

綜上，非極性氨基酸比較適合在無水二氯甲烷溶液體系中進行氨基Boc保護，N-Boc-氨基酸產率較高；極性氨基酸在水和二氧六環(huán)溶液體系中產率較高；酸性氨基酸在水和丙酮溶液體系及水和DMF溶液體系中均有較高產率；堿性氨基酸較難進行氨基Boc保護，只有L-組氨酸在水和丙酮溶液體系中的效果較好，N-Boc-氨基酸產率較高。可以看出：溶劑體系對氨基酸的氨基Boc保護十分重要，在這4個溶劑體系中，沒有一個溶劑體系對所有氨基酸均是適合的。

3 結論

以13種L-氨基酸和二碳酸二叔丁酯[(Boc)2O]為主要原料，分別在無水二氯甲烷溶液體系、水和二氧六環(huán)溶液體系、水和丙酮溶液體系、水和DMF溶液體系等4種溶劑體系中進行氨基酸的氨基Boc保護反應，探討不同溶劑體系對氨基酸的氨基Boc保護的影響。結果表明，非極性氨基酸比較適合在無水二氯甲烷溶液體系中進行氨基Boc保護，N-Boc-氨基酸產率較高；極性氨基酸在水和二氧六環(huán)溶液體系中產率較高；酸性氨基酸在水和丙酮溶液體系及水和DMF溶液體系中均有較高產率；堿性氨基酸較難進行氨基Boc保護，只有L-組氨酸在水和丙酮溶液體系中的效果較好，N-Boc-氨基酸產率較高。不同氨基酸由于極性以及酸堿性的不同，用Boc進行氨基保護時的反應條件和后處理各有所異。該研究為實驗室合成N-Boc-氨基酸提供了合適的方法，也為其它氨基衍生物進行Boc保護時選擇溶劑體系提供了參考。