羥基樟腦調(diào)控的氨基酸S/R構(gòu)型相互轉(zhuǎn)化

余偉 董思凡 李傲齊 崔斌 李昊龍 秦源 韓天佼 范士明

摘 要：為解決當(dāng)前通過純化學(xué)法進(jìn)行氨基酸S/R構(gòu)型轉(zhuǎn)化中存在的手性分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子質(zhì)量大以及耗費(fèi)等當(dāng)量重金屬鹽的問題，提出一種利用結(jié)構(gòu)簡單的2-羥基樟腦和3-羥基樟腦進(jìn)行氨基酸S/R構(gòu)型轉(zhuǎn)化的新方法。通過對堿、溶劑和反應(yīng)溫度的篩選，建立最優(yōu)反應(yīng)體系，然后對不同側(cè)鏈的外消旋以及光學(xué)純氨基酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究。結(jié)果表明，以叔丁醇鉀為堿，異丙醇為溶劑，在40 ℃下反應(yīng)獲得最佳轉(zhuǎn)化效果，其能夠兼容具有不同芳環(huán)和脂肪側(cè)鏈的氨基酸，高效進(jìn)行氨基酸S/R構(gòu)型的相互轉(zhuǎn)化，展現(xiàn)出優(yōu)秀的立體選擇性，且羥基樟腦可循環(huán)利用；機(jī)理分析表明，拆分的高立體選擇性由熱力學(xué)控制。新方法所用手性試劑結(jié)構(gòu)簡單并可循環(huán)使用，無需將氨基酸合成特定的反應(yīng)底物，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和立體選擇性高，為氨基酸純化學(xué)S/R構(gòu)型轉(zhuǎn)化提供了一種新的途徑。

關(guān)鍵詞：有機(jī)合成化學(xué)；構(gòu)型轉(zhuǎn)化；氨基酸；樟腦；手性

中圖分類號：O621.25

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.7535/hbkd.2023yx03007

收稿日期：2022-06-26；修回日期：2023-04-28；責(zé)任編輯：王淑霞

基金項目：國家自然科學(xué)基金（21978067）；河北省自然科學(xué)基金（H2020208030）

第一作者簡介：余 偉（1986—），男，陜西商南人，碩士研究生，主要從事氨基酸和甾體化合物的不對稱合成方面的研究。

通信作者：韓天佼工程師。E-mail： hantianjiao_2005@126.com

范士明博士。E-mail： fanshiming@hebust.edu.cn

Hydroxycamphor-controlled S/R interconversion of amino acids

YU Wei^1，2， DONG Sifan^1，3， LI Aoqi^1，3， CUI Bin^1，3， LI Haolong^1，3， QIN Yuan^1，3HAN Tianjiao⁴， FAN Shiming^1，3

（1.Laboratory Breeding Base-Hebei Province Key Laboratory of Molecular Chemistry for Drug， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2.Hebei Grand Jiufu Biotechnology Company Limited， Baoding， Hebei 072150， China; 3.Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;4.School of Chemical and Pharmaceutical Engineering，NCPC New Preparation Branch Factory， Shijiazhuang， Hebei 052160， China）

Abstract：In order to overcome the problems of complex chiral molecular structure， high molecular weight and consumption of equivalent heavy metal salts in purely chemical S/R interconversion of amino acids， a novel method for S/R interconversion of amino acids was developed by using structurally simple 2-hydroxycamphor or 3-hydroxycamphor. The reaction conditions were optimized by assessing the base， solvent and reaction temperature. Then the S/R interconversion of racemic and enantiopure amino acids with different side chains were carried out. The result shows that the best interconversion effect is obtained at 40 ℃ with potassium tert-butoxide as the base and isopropanol as the solvent. Various amino acids with fatty and aromatic side chains are well tolerated in the reactions and the S/R interconversion of amino acids can be carried out efficiently， showing excellent stereoselectivities， and the hydroxycamphors can be reused. The mechanism study shows that the high stereoselectivity of dynamic resolution is thermodynamically controlled. This method has the advantages of using structurally simple and recyclable chiral reagents， avoiding the synthesis of specific substrates from amino acids and giving good reaction conversions and stereoselectivity， which provides a novel approach for purely chemical S/R-interconversion of amino acids.

Keywords：organic synthetic chemistry; configuration inversion; amino acids; camphor; chirality

手性是氨基酸的基本特征之一，根據(jù)α-手性碳原子的構(gòu)型不同，分為L-（S）-氨基酸和D-（R）-氨基酸。氨基酸的手性在藥物研發(fā)和不對稱合成領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在藥物研發(fā)中，不同構(gòu)型氨基酸對藥物分子的生物活性影響非常大^［1-2］。在合成方面，手性氨基酸是手性藥物和多肽分子合成的重要中間體^［3-7］，也是金屬催化不對稱合成反應(yīng)中一類非常重要的配體^［8］。近幾年，手性氨基酸作為瞬態(tài)導(dǎo)向基團(tuán)在不對稱C—H活化領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大潛力^［9］。鑒于手性氨基酸的廣泛應(yīng)用，其合成方法一直受到極大關(guān)注。氨基酸α-C原子構(gòu)型的定向轉(zhuǎn)化是產(chǎn)生手性氨基酸的一種重要方法。通過構(gòu)型轉(zhuǎn)化能夠?qū)⑼庀w氨基酸中其中一個構(gòu)型的氨基酸定向轉(zhuǎn)化成相反構(gòu)型的氨基酸，從而獲得單一構(gòu)型的產(chǎn)物。此外，天然的L-氨基酸可經(jīng)生物發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)，價格較低，因此通過構(gòu)型轉(zhuǎn)化將廉價易得的L-氨基酸轉(zhuǎn)化成昂貴的非天然D-氨基酸展現(xiàn)出了重大的合成價值。迄今為止，關(guān)于氨基酸S/R構(gòu)型相互轉(zhuǎn)化的方法仍然較為有限，包括生物催化轉(zhuǎn)化和純化學(xué)轉(zhuǎn)化方法。對于生物轉(zhuǎn)化法，往往面臨著相關(guān)酶的來源受限問題，且需要先將氨基酸制備成適合酶反應(yīng)的特定底物^［10-13］。通過純化學(xué)方法利用手性小分子模擬酶實現(xiàn)氨基酸構(gòu)型轉(zhuǎn)化最近獲得極大關(guān)注，相比于生物法，化學(xué)法所使用的手性分子可通過合成大量獲得，并且對氨基酸底物的兼容性高，尤其是一些非蛋白編碼的特殊氨基酸也能有很好的反應(yīng)^［14-21］。然而此方法仍然面臨著手性分子分子量大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、合成困難或者需要等當(dāng)量的重金屬參與等問題，因此開發(fā)簡單的手性分子實現(xiàn)高效的氨基酸構(gòu)型轉(zhuǎn)化是一個具有較大挑戰(zhàn)和亟待解決的問題。

樟腦類化合物由于特有的剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)、廣泛的來源和低廉的價格引發(fā)了人們極大關(guān)注^［22-23］。本研究開發(fā)了一種利用2-羥基樟腦和3-羥基樟腦對光學(xué)純氨基酸進(jìn)行了S/R構(gòu)型的相互轉(zhuǎn)化的新方法，方案如下：3-羥基樟腦A與芐氧羰基（Cbz）保護(hù)的（S）-氨基酸（S）-1通過成酯鍵連接，隨后在鈀碳/氫氣條件下的堿性質(zhì)子溶液中進(jìn)行一鍋法反應(yīng)，經(jīng)氫解脫除保護(hù)基、環(huán)合形成亞胺、α-C構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的連續(xù)反應(yīng)得到（R）-構(gòu)型的三環(huán)亞胺內(nèi)酯3，隨后水解得到（R）-氨基酸（R）-1；反之使用2-羥基樟腦B，可將（R）-氨基酸轉(zhuǎn)化成（S）-氨基酸（見圖1）。利用這種方案，本文首先以羥基樟腦將外消旋氨基酸轉(zhuǎn)化成單一構(gòu)型（S）-或（R）-氨基酸，然后進(jìn)一步研究羥基樟腦對光學(xué)純氨基酸S/R構(gòu)型的相互轉(zhuǎn)化效果。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氨基酸，購自上海吉爾生化有限公司；四氫呋喃、乙酸乙酯、石油醚、異丙醇、濃鹽酸，均為分析純，購自國藥試劑有限公司；2-羥基樟腦和3-羥基樟腦，購自上海陶術(shù)生物技術(shù)有限公司；所用其他試劑，購自北京百靈威科技有限公司。

戴安UltiMate-3000高效液相色譜，購自美國DIONEX公司；Bruker AV-500 MHz型核磁共振儀，購自德國 Bruker公司；Advion質(zhì)譜儀，購自美國ADVION公司；X-4型數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)測定儀，購自北京泰克儀器有限公司；Biotage快速制備色譜儀，購自瑞典Biotage公司；恒溫水浴鍋，購自河南鞏義予華儀器有限公司。

1.2 實驗方法

將2-羥基樟腦（或3-羥基樟腦） （10 mmol），N-Cbz-氨基酸（11 mmol），4-二甲氨基吡啶（DMAP） （0.6 g，5 mmol）溶于40 mL四氫呋喃，在0 ℃下攪拌15 min后，將二環(huán)己基碳二亞胺（DCC） （3.1 g，15 mmol）的四氫呋喃（10 mL）溶液滴加到反應(yīng)液中，0 ℃下攪拌2 h后升至室溫，攪拌16 h。過濾、減壓濃縮，硅膠柱層析（乙酸乙酯與石油醚體積比為1∶8）得到酯。將上述反應(yīng)得到的酯、5% Pd/C（0.50 g）、叔丁醇鉀（t-BuOK）（224 mg，2 mmol）溶于40 mL異丙醇（i-PrOH），加入干燥的4 分子篩，在常壓下通入氫氣，40 ℃反應(yīng)15 h。過濾、濃縮，硅膠柱層析（乙酸乙酯與石油醚體積比為1∶4）得到單一構(gòu)型的環(huán)合產(chǎn)物三環(huán)亞胺內(nèi)酯。

（1R，2S，5S，8S）-5-芐基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳6-烯-4-酮（5a）：白色固體，熔點(diǎn)68～ 70 ℃ （Ref.^［23］68 ～70 ℃）;¹H NMR （500 MHz， Chloroform-d）δ7.37（d，J=8.2 Hz， 2H），7.30（t，J=7.5 Hz， 2H），7.24～7.20（m，1H），4.27 （s，1H），3.95 （ddd，J=8.3，4.7，1.4 Hz，1H），3.56（dd，J=14.4，4.7 Hz，1H），3.24 （dd，J=14.5，8.4 Hz，1H），2.43（d，J=4.4 Hz，1H），1.97 （ddt，J=12.6，8.2，4.1 Hz，1H），1.88 （td，J=12.5，4.6 Hz，1H），1.59～1.49 （m，1H），1.35 （ddd，J=13.1，9.3，3.6 Hz，1H），1.08 （s，3H），0.95 （s，3H），0.80 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d）δ181.6，170.6，138.9，129.7，128.4，126.5，81.9，62.8，53.1，37.4，34，0，21.8，20.2，19.5，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₉H₂₄NO₂［M＋H］⁺298.180 2，found 298.181 1。

（1S，2R，5R，8R）-5-芐基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳6-烯-4-酮（3a）：白色固體，熔點(diǎn)122～124 ℃（Ref.^［23］122～124 ℃）;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d）δ7.47 ～ 7.37 （m，2H），7.29 （t，J=7.6 Hz，2H），7.24 ～ 7.17 （m，1H），4.43 （d，J=1.5 Hz，1H），3.94 （ddd，J=7.1，5.2，1.5 Hz，1H），3.52 （dd，J=14.1，5.2 Hz，1H），3.29 （dd，J=14.1，7.6 Hz，1H），2.23 （d，J=4.9 Hz，1H），2.10～1.99（m，1H），1.74 （ddd，J=13.4，12.0，4.0 Hz，1H），1.58～1.50（m，1H），1.32（td，J=9.2，4.6 Hz，1H），1.04 （s，3H），0.95 （s，3H），0.71 （s，3H）。 ¹³C NMR （126 MHz，Methanol-d₄）δ 183.8，171.6，129.5，127.6，125.9，77.60，62.0，52.3，36.8，29.2，24.5，18.9，18.7，8.9。HRMS （ESI） calcd for C₁₉H₂₄NO₂［M＋H］⁺298.180 2，found 298.181 5。

（1R，2S，5S，8S）-5-對溴芐基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5b）：白色固體，熔點(diǎn)147～ 150 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 7.41 （d，J=8.3 Hz，2H），7.25 （d，J=8.4 Hz，2H），4.27 （d，J=1.5 Hz，1H），3.91 （ddd，J=8.4，4.7，1.5 Hz，1H），3.47 （dd，J=14.4，4.7 Hz，1H），3.19 （dd，J=14.4，8.3 Hz，1H），2.42 （d，J=4.5 Hz，1H），1.98 （ddt，J=12.7，8.2，4.1 Hz，1H），1.88 （td，J=12.5，4.6 Hz，1H），1.53（ddd，J=13.3，9.2，4.6 Hz，1H），1.35 （ddd，J=13.1，9.2，3.7 Hz，1H），1.07 （s，3H），0.95 （s，3H），0.78 （s，3H）。 ¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 181.8，170.3，137.6，131.5，131.4，81.8，62.2，53.1，49.4，49.1，36.7，33.9，21.7，20.1，19.4，10.0。HRMS （ESI） calcd for C₁₉H₂₃BrNO₂［M＋H］⁺376.090 7，found 376.091 5。

（1S，2R，5R，8R）-5-對溴芐基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3b）：白色固體，熔點(diǎn)165 ～ 166 ℃; ¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 7.40 （d，J=8.4 Hz，2H），7.28 （d，J= 8.4 Hz，2H），4.43 （d，J=1.5 Hz，1H），3.91 （ddd，J=7.0，5.1，1.6 Hz，1H），3.44 （dd，J=14.1，5.1 Hz，1H），3.24 （dd，J=14.2，7.4 Hz，1H），2.23 （d，J=4.8 Hz，1H），2.02 （dt，J=12.0，4.9 Hz，1H），1.75 （td，J=12.8，12.3，4.0 Hz，1H），1.55 （d，J=4.6 Hz，1H），1.46 （td，J=9.1，4.7 Hz，1H），1.03 （s，3H），0.99 （s，3H），0.68 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 182.9，170.5，137.6，131.9，131.1，120.4，62.0，49.2，47.4，36.8，29.7，25.3，20.0，19.6，9.9. HRMS （ESI） calcd for C₁₉H₂₃BrNO₂［M＋H］^＋376.090 7，found 376.091 8。

（1R，2S，5S，8S）-1，5，11，11-四甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)-［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5c）：白色固體，熔點(diǎn)160 ～162 ℃（Ref.^［24］161～162 ℃）;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.32 （d，J=1.5 Hz，1H），3.83 （qd，J=7.1，1.5 Hz，1H），2.42 （d，J=4.5 Hz，1H），2.02 （tt，J=12.8，4.3 Hz，1H），1.91 （td，J=12.6，4.7 Hz，1H），1.66 （d，J=7.0 Hz，3H），1.56 （ddd，J=13.4，9.2，4.7 Hz，1H），1.42～1.38 （m，1H），1.09 （s，3H），0.96 （s，3H），0.83 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 181.7，171.6，82.0，56.8，53.1，49.4，49.1，34.0，21.8，20.1，19.4，17.4，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₃H₂₀NO₂［M＋H］^＋222.148 9，found 222.148 0。

（1S，2R，5R，8R）-5，8，11，11-四甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)-［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3c）：白色固體，熔點(diǎn)85～87 ℃（Ref.^［25］85 ～ 87 ℃）;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.65～4.59 （m，1H），4.57 （s，1H），2.23 （d，J=4.8 Hz，1H），2.06 （ddd，J=12.5，9.0，5.3 Hz，1H），1.76 （td，J=12.7，12.3，3.8 Hz，1H），1.56 （ddd，J=13.9，9.2，5.3 Hz，1H），1.43 （d，J=7.6 Hz，3H），1.36 （ddd，J=13.1，9.2，3.8 Hz，1H），1.04 （s，3H），0.96 （s，3H），0.80 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 182.8，171.6，79.6，56.8，52.5，49.1，47.2，29.4，25.3，20.1，19.6，17.3，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₃H₂₀NO₂［M＋H］^＋222.148 9，found 222.148 2。

（1R，2S，5S，8S）-5-正丙基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1..0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5d）：無色油狀液體，¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.29 （d，J=1.0 Hz，1H），3.75～3.78（m，1H），2.87～2.92 （m，1H），2.70～2.76 （m，1H），2.46 （d，J=4.5 Hz，1H），1.97～2.03 （m，1H），1.86～1.92 （m，1H），1.53～1.59 （m，3H），1.35～1.40 （m，1H），1.15（t，J=7.2 Hz，3H），1.08 （s，3H），0.95 （s，3H），0.82 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 182.0，170.5，81.8，61.0，53.2，49.5，49.1，35.5，34.0，21.81，20.2，19.5，17.5，13.8，10.1. HRMS （ESI） calcd for C₁₅H₂₄NO₂［M＋H］^＋250.180 2，found 250.180 5。

（1S，2R，5R，8R）-5-正丙基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3d）：白色固體，熔點(diǎn)76～78 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.47 （d，J=1.4 Hz，1H），3.77 （ddd，J=7.1，5.6，1.5 Hz，1H），2.96～2.84 （m，1H），2.82～2.70 （m，1H），2.25 （d，J=4.9 Hz，1H），2.14～1.98 （m，1H），1.77 （ddd，J=13.5，12.0，4.1 Hz，1H），1.52～1.58 （m，3H），1.36 （td，J=9.2，4.7 Hz，1H），1.17 （t，J=7.2 Hz，3H），1.05 （s，3H），0.96 （s，4H），0.76 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 183.4，170.8，79.7，61.2，52.6，49.2，47.5，35.6，29.7，25.4，20.2，19.9，17.8，13.6，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₅H₂₄NO₂［M＋H］^＋250.180 2，found 250.180 1。

（1R，2S，5S，8S）-5-（S）-仲丁基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5e）：白色固體，熔點(diǎn)130 ～ 132 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.57 （d，J=1.0 Hz，1H），3.64 （s，1H），2.59 （d，J=4.5 Hz，1H），2.33～2.20 （m，1H），2.06 （ddd，J=12.3，7.3，5.0 Hz，1H），1.80 （ddd，J=14.0，9.4，5.0 Hz，1H），1.62～1.52 （m，2H），1.47～1.39 （m33，1H），1.33 （td，J=9.2，4.7 Hz，1H），1.10 （s，3H），1.02～0.93（m，12H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 182.1，172.0，81.7，63.3，53.9，50.7，46.1，35.7，28.9，26.4，25.6，19.7，18.4，14.6，13.0，12.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₆H₂₆NO₂［ M＋H］^＋264.195 8，found 264.195 1。

（1S，2R，5R，8R）-5-（S）-仲丁基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3e）：白色固體，熔點(diǎn)81～83 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.89 （d，J=8.0 Hz，1H），4.50 （d，J=7.0 Hz，1H），2.05～2.04 （q，J=6.9 Hz，1H），1.79～1.58 （m，2H），1.36～1.24 （m，3H），1.29～1.16 （m，1H），1.21～1.06 （m，1H），0.98 （d，J=6.8 Hz，3H），0.92～0.89 （m，9H），0.85 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 176.1，170.0，72.1，68.8，53.6，51.0，45.9，36.4，32.7，24.9，20.9，17.6，16.5，15.9，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₆H₂₆NO₂［ M＋H］^＋264.195 8，found 264.194 6。

（1R，2S，5S，8S）-5-異丁基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5f）：白色固體，熔點(diǎn)135～137 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.32 （s，1H），3.72～3.58 （m，1H），2.47 （d，J=4.5Hz，1H），2.10～1.80 （m，4H），1.62～1.58 （m，1H），1.48～1.29 （m，2H），1.09 （s，3H），1.01～0.92 （m，9H），0.82 （s，3H）。 ¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 181.1，170.2，81.4，65.5，53.4，49.4，48.9，34.1，29.1，21.8，20.1，19.8，19.5，17.2，13.7，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₆H₂₆NO₂［ M＋H］^＋264.195 8，found 264.195 4。

（1S，2R，5R，8R）-5-異丁基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環(huán)［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3f）：白色固體，熔點(diǎn)92～93 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.94 （d，J=7.0 Hz，1H），4.81～4.69 （m，1H），2.01 （q，J=6.5 Hz，1H），1.78～1.68 （m，1H），1.55～1.42 （m，2H），1.39～1.36 （m，1H），1.35～1.18 （m，3H），0.98～0.81 （m，15H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 172.9，168.7，75.2，58.3，53.9，53.0，47.6，43.7，32.5，26.8，24.0，21.2，20.1，11.2。HRMS （ESI） calcd for C₁₆H₂₆NO₂［ M＋H］^＋264.195 8，found 264.195 1。

環(huán)合產(chǎn)物（4 mmol）溶解在4 mol/L HCl （2 mL）中，加熱到85 ℃反應(yīng)2 h，冷卻后加入蒸餾水（2.0 mL），乙醚萃取，對乙醚層進(jìn)行濃縮得到羥基樟腦。水層用濃氨水調(diào)節(jié)pH值至7，減壓濃縮后用反相制備色譜純化（C₈柱，MeOH/water，1/9），濃縮得到氨基酸產(chǎn)物。

（S）-苯丙氨酸（6a）：白色固體，產(chǎn)率87%，271～275 ℃（dec.）（ Ref.^［26］262～276 ℃（dec.））；¹H NMR （500 MHz，Deuterium Oxide） δ 7.35 （t，J=7.5 Hz，2H），7.33～7.28 （m，1H），7.25 （d，J=7.2 Hz，2H），3.95～3.88 （m，1H），3.22 （dd，J=14.5，5.2 Hz，1H），3.05 （dd，J=14.5，8.0 Hz，1H）。通過手性HPLC檢測氨基酸光學(xué)純度，色譜柱：大賽璐CROWNPAK CR（+）；流動相：高氯酸（HClO₄）水溶液（pH值為2）∶甲醇=9∶1；柱溫：5 ℃；流速：0.5 mL/min；檢測波長：254 nm；保留時間13.3 min。

（R）-苯丙氨酸（7a）：白色固體，產(chǎn)率90%，271～275 ℃（dec.）。光學(xué)純度檢測方法同6a，保留時間：8.9 min。

（S）-對溴苯丙氨酸（6b）： 白色固體，產(chǎn)率88%，261～263 ℃（dec.）（Ref.^［27］260.5～262 ℃（dec.））；¹H NMR（500 MHz，Deuterium Oxide）δ 7.34 （d，J=8.4 Hz，2H），7.06 （d，J=8.4 Hz，2H），3.31 （dd，J=7.2，5.8 Hz，1H），2.78 （dd，J=13.6，5.8 Hz，1H），2.66 （dd，J=13.6，7.2 Hz，1H）。通過手性HPLC檢測氨基酸光學(xué)純度。色譜柱：大賽璐CROWNPAK CR（+），流動相：高氯酸（HClO₄）水溶液（pH值為2）：甲醇=9∶ 1，柱溫：5 ℃，流速：1 mL/min，檢測波長：254 nm，保留時間：22.7 min。

（R）-對溴苯丙氨酸（7b）： 白色固體，產(chǎn)率91%，261～263 ℃（dec.）。光學(xué)純度檢測方法同6b，保留時間：17.6 min。

3-羥基樟腦A：白色固體，熔點(diǎn)166～168 ℃（Ref.^［25］166～168 ℃）;¹H NMR（500 MHz，Methanol-d₄）δ 3.69 （s，1H），2.07～1.96 （m，2H），1.73～1.65 （m，1H），1.42～1.35 （m，2H），0.98 （s，3H），0.96 （s，3H），0.89 （s，3H）.

2-羥基樟腦B： 白色固體，熔點(diǎn)218～220 ℃（Ref.^［24］218～220 ℃）;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 3.53 （s，1H），2.50 （d，J=2.6 Hz，1H），2.17 （d，J=4.9 Hz，1H），1.97～1.79（m，2H），1.53～1.33（m，2H），1.04 （s，3H），1.02 （s，3H），0.93 （s，3H）。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

以2-羥基樟腦B對外消旋苯丙氨酸構(gòu)型轉(zhuǎn)化作為模板反應(yīng)進(jìn)行條件篩選。將外消旋氨基酸與羥基樟腦的羥基進(jìn)行酯化反應(yīng)合成4a，對氨基保護(hù)基進(jìn)行篩選，對芐氧羰基（Cbz）、叔丁氧羰基（Boc）、笏甲氧羰基（Fmoc）進(jìn)行考察，以DCC為縮合劑進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)果表明，相比于Boc和Fmoc，Cbz的空間位阻小，更容易反應(yīng)，產(chǎn)率分別為72%，66%，95%。

獲得酯化產(chǎn)物后對構(gòu)型轉(zhuǎn)化條件進(jìn)行篩選，反應(yīng)在堿性醇溶劑和氫氣條件下進(jìn)行。反應(yīng)過程為：氫解脫除Cbz保護(hù)基，暴露出來的氨基與羥基樟腦的羰基自發(fā)反應(yīng)生成亞胺鍵，形成六元環(huán)結(jié)構(gòu)后在堿性條件下發(fā)生動態(tài)拆分，氨基酸α-C構(gòu)型定向轉(zhuǎn)化，獲得exo構(gòu)型的三環(huán)亞胺內(nèi)酯產(chǎn)物5a，反應(yīng)式見圖2。

為獲得理想的反應(yīng)結(jié)果，考察了堿、溶劑和溫度對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。當(dāng)以K₂CO₃為堿，乙醇為溶劑時，構(gòu)型轉(zhuǎn)化效果較差，exo和endo產(chǎn)物的比例幾乎相同（見表1，編號1）。使用Cs₂CO₃時，立體選擇性略有提高（見表1，編號2）。使用強(qiáng)堿乙醇鈉時，exo產(chǎn)物比例大大提高，但產(chǎn)率降低，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)反應(yīng)中產(chǎn)生的乙氧基負(fù)離子容易與亞胺鍵發(fā)生親核加成反應(yīng)（見表1，編號3）。當(dāng)改用位阻較大的叔丁醇鉀為堿，異丙醇為溶劑時，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)溫度的升高，不僅提高了環(huán)合產(chǎn)率，更為重要的是，exo構(gòu)型的產(chǎn)物占比迅速上升（見表1，編號4—編號7），最佳反應(yīng)條件為升高溫度至40 ℃時，產(chǎn)率為85%，dr> 99∶1，獲得光學(xué)純的exo產(chǎn)物（見表1，編號7）。

2.2 外消旋氨基酸底物拓展

為了驗證此方法的可行性，對反應(yīng)底物進(jìn)行拓展實驗，反應(yīng)通式見圖3。

基于上述最佳反應(yīng)條件，利用羥基樟腦對含有不同側(cè)鏈的外消旋氨基酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)化進(jìn)行了考察，包括外消旋的苯丙氨酸、對溴苯丙氨酸、丙氨酸、戊氨酸和異亮氨酸，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)使用2-羥基樟腦（B）時，與外消旋的氨基酸反應(yīng)生成三環(huán)亞胺內(nèi)酯5，氨基酸α-C轉(zhuǎn)化為S構(gòu)型；當(dāng)使用3-羥基樟腦（A）時，則生成三環(huán)亞胺內(nèi)酯3，氨基酸α-C構(gòu)型轉(zhuǎn)化為（R）。對于側(cè)鏈中含有芳香環(huán)的苯丙氨酸和對溴苯丙氨酸，表現(xiàn)出了極為優(yōu)秀的立體選擇性，dr>99∶1 （見表2，編號1—編號4）。當(dāng)氨基酸側(cè)鏈為脂肪鏈時，同樣表現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)化效果，且隨著烷烴側(cè)鏈的增大，立體選擇性增高（見表2，編號5—編號10）。以2-羥基樟腦（B）作為手性試劑時反應(yīng)產(chǎn)率略高于3-羥基樟腦（A）的反應(yīng)，可能是由于3-羥基樟腦與氨基酸生成CN鍵時受相鄰樟腦上甲基的空間位阻影響導(dǎo)致的。對于氨基酸β-C無取代基的氨基酸，反應(yīng)獲得了較高的產(chǎn)率，而對于β-C有取代基的異亮氨酸，受β-甲基的空間位阻作用影響環(huán)合，需升高反應(yīng)溫度以獲得較高產(chǎn)率（見表2，編號9—編號10）。

由表3可知，3-羥基樟腦A能高效地將（S）-氨基酸α-C立體選擇性地轉(zhuǎn)化成R構(gòu)型，2-羥基樟腦B能將（R）-氨基酸α-C立體選擇性地轉(zhuǎn)化成S構(gòu)型，展現(xiàn)出了極佳的立體轉(zhuǎn)化能力，dr>96∶4。

2.4 羥基樟腦的回收和手性氨基酸的生成

獲得的三環(huán)亞胺內(nèi)酯在鹽酸條件下水解可得到氨基酸產(chǎn)物和羥基樟腦^［23］，為考察水解后羥基樟腦能否被回收利用以及酸解條件對氨基酸的光學(xué)純度影響，選擇了5a，3a，5b，3b在4 mol/L鹽酸中水解，反應(yīng)式見圖5。

反應(yīng)結(jié)果如表4所示，水解后獲得光學(xué)純氨基酸（ee≥97.8%）。羥基樟腦經(jīng)有機(jī)溶劑萃取回收，經(jīng)NMR檢測發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變（見圖6）。利用回收的羥基樟腦經(jīng)過3次的循環(huán)使用拆分苯丙氨酸，無論3-羥基樟腦還是2-羥基樟腦，拆分效果在產(chǎn)率和立體選擇性上均沒有發(fā)生變化。

2.5 反應(yīng)機(jī)理探討

基于上述實驗結(jié)果，提出了該反應(yīng)的可能機(jī)理。以3-羥基樟腦對外消旋苯丙氨酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)化為例，2a經(jīng)氫解脫除Cbz、環(huán)合，在堿的作用下氨基酸α-C失去質(zhì)子形成烯醇負(fù)離子結(jié)構(gòu)，由sp³雜化碳轉(zhuǎn)化成平面的sp²雜化。隨后，由溶劑醇提供氫質(zhì)子重新轉(zhuǎn)化成sp³雜化碳，在質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中，質(zhì)子可以從三環(huán)亞胺內(nèi)酯的endo側(cè)或exo側(cè)反應(yīng)（見圖 7）。從反應(yīng)動力學(xué)角度看，三環(huán)亞胺內(nèi)酯的endo側(cè)位阻小，容易反應(yīng)，因此應(yīng)主要生成exo產(chǎn)物，但反應(yīng)位點(diǎn)α-C距離樟腦有一定空間距離，且氫的體積較小，反應(yīng)時仍有部分氫從exo側(cè)反應(yīng)得到endo產(chǎn)物，導(dǎo)致立體選擇性并不十分理想（見表1，編號4）。而當(dāng)升高溫度后則高選擇性地轉(zhuǎn)化為exo產(chǎn)物（見表1，編號5—編號7）。在三環(huán)亞胺內(nèi)酯產(chǎn)物中，3號和5號碳原子所在六元環(huán)為船式構(gòu)象，C₃的氫原子和C₅上的芐基處在船頭和船尾的位置，對于endo產(chǎn)物，C₃的氫原子和C₅上的芐基處在同側(cè)，相對距離近，芐基的體積較大，導(dǎo)致產(chǎn)生斥力較大，造成endo產(chǎn)物能量較高；而exo產(chǎn)物中氫原子和芐基距離較遠(yuǎn)，分子相對穩(wěn)定^［23］。因此反應(yīng)在較高溫度下為熱力學(xué)控制，使得endo產(chǎn)物朝向exo產(chǎn)物的方向轉(zhuǎn)移。盡管動力學(xué)和熱力學(xué)反應(yīng)方向一致，均傾向生成exo產(chǎn)物，但反應(yīng)溫度較高，熱力學(xué)控制條件下給出更優(yōu)的立體選擇性。

3 結(jié) 論

本研究開發(fā)了一種利用羥基樟腦對外消旋氨基酸以及光學(xué)純氨基酸S/R構(gòu)型相互轉(zhuǎn)化的新方法，所用拆分劑結(jié)構(gòu)簡單且可循環(huán)利用，立體選擇性高，具體結(jié)論如下。

1）以外消旋苯丙氨酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)化為模型反應(yīng)，建立了最優(yōu)的反應(yīng)條件：叔丁醇鉀為堿，異丙醇為溶劑，反應(yīng)溫度為40 ℃。拓展了反應(yīng)底物，對于含有不同結(jié)構(gòu)側(cè)鏈的氨基酸，選擇使用2-羥基樟腦或者3-羥基樟腦，獲得光學(xué)純（S）-氨基酸對映體和光學(xué)純（R）-氨基酸對映體，展現(xiàn)出了優(yōu)秀的立體選擇性，dr ≥ 96∶4。

2）進(jìn)行了光學(xué)純氨基酸S/R構(gòu)型的相互轉(zhuǎn)化，3-羥基樟腦能高效地將（S）-氨基酸α-C立體選擇性地轉(zhuǎn)化成R構(gòu)型，反之2-羥基樟腦能將（R）-氨基酸α-C立體選擇性地轉(zhuǎn)化成S構(gòu)型。

3）構(gòu)型轉(zhuǎn)化后獲得的亞胺內(nèi)酯化合物經(jīng)簡單的鹽酸水解，可得到光學(xué)純的目標(biāo)氨基酸，羥基樟腦經(jīng)萃取回收后可循環(huán)利用。

4）結(jié)合實驗結(jié)果提出了可能的反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)的高立體選擇性由熱力學(xué)控制。

本方法研究了側(cè)鏈含芳基和脂肪烷基的氨基酸構(gòu)型轉(zhuǎn)化，對其他類型的氨基酸進(jìn)行拓展是下一步需要完善的工作。

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