郭文彥， 閆瑾， 郝靜， 陳建新,2*

1.山西師范大學現代文理學院， 山西 臨汾 041000；2.山西師范大學化學與材料科學學院， 山西 臨汾 041004

在生物體內，四氫葉酸輔酶(Tetrahydrofolate, 簡寫為THF)的作用是傳遞與轉移一個碳單元.在生物化合物的合成和代謝過程中，離不開一個碳原子化合物的參與，而這種過程除二氧化碳外, 主要靠THF輔酶把甲酸、甲醛、甲醇三種氧化態(tài)的一個碳單元傳遞，這也是生物體內各種化合物甲基化的主要來源[1].現已發(fā)現，天然四氫葉酸輔酶有6種結構, 其中4種為甲酸氧化態(tài)，一種為甲醛氧化態(tài)，一種為甲醇氧化態(tài)[2～4].圖1是THF的結構和代表性的三種氧化態(tài)結構，1為THF未接受一個碳單元時的結構，2、3、4為獲得一個碳單元后擬轉移時的結構.按照一個碳單元的結構不同，2被稱為THF甲酸氧化態(tài)，3被稱為THF的甲醛氧化態(tài)，4被稱為THF的甲醇氧化態(tài).生物體內THF甲酸氧化態(tài)一個碳單元轉移過程由圖2所示的方法進行[5].

按這一例中的方法，次甲基可被轉移到甘氨酰胺核苷酸合成酶、絲氨酸轉羥甲基酶、胸苷酸合成酶和轉甲酰酶等分子中.

通過研究甲酸氧化態(tài)的四氫葉酸輔酶的結構和轉移次甲基的作用機理，發(fā)現反應的活性中心是包括N5和N10在內的咪唑啉五元環(huán)(圖1結構2)，其活性大小與N5和N10的pKa有關.在THF中，N5和N10由于連有不對稱的嘧啶環(huán)和苯甲酸，使其二者的pKa產生很大差別(分別為4.8和-1.3)[6]，導致咪唑啉環(huán)有較大的活性，容易打開，因而為轉移次甲基提供了條件.將這種反應機理應用于有機合成中，在生物體外實現基團的轉移，無疑是一個具有重要理論意義和應用價值的研究課題.最早對THF模擬研究的是荷蘭的Pandit教授研究小組，他們選擇咪唑啉環(huán)作為結構中心，合成了碘化1,4,4-三甲基-3-對甲苯磺?；溥蜻鳛榧姿嵫趸瘧B(tài)的THF模型，然后研究了它的反應性能，實現了體外一個碳單元的轉移反應[7～9].之后山西大學夏熾中教授課題組合成了幾種2-甲基取代的咪唑啉鹽作為甲酸氧化態(tài)模型化合物，實現了體外兩個碳單元的轉移反應，轉移基團的功能擴展到了兩個碳單元[10～13].西北大學的史真教授課題組以苯并咪唑啉鹽作為四氫葉酸輔酶模型化合物，通過與格氏試劑反應，得到相應的醛和酮[14]，但反應只能與強親核試劑進行，轉移反應受到了限制.本課題組已合成了兩種模型化合物，含有擬轉移的三個碳的次丙基單元和四個碳的次異丁基單元，實現這些碳單元的全轉移和部分轉移[15～17].但至今還沒有發(fā)現四個碳的次丁基單元通過四氫葉酸甲酸氧化態(tài)模型進行轉移的研究.本文合成了甲酸氧化態(tài)的新模型化合物碘化1-甲基-2-丙基-3-苯磺酰基咪唑啉，探索其轉移次丁基單元的功能，發(fā)現轉移反應能夠順利進行，實現了次丁基的全轉移和半轉移，下面將介紹這一研究工作.

圖1 四氫葉酸輔酶的結構和它的三種氧化態(tài)的結構Fig.1 The structure of THF and three kinds of oxidation levels of THF

圖2 甲酸氧化態(tài)的四氫葉酸輔酶一碳單元轉移反應
Fig.2 The transfer reaction of one carbon units of THF at the oxidation level of formate

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

Bruker AV600型核磁共振波譜儀(瑞士布魯克公司), TMS為內標；EA-1108型四元素分析儀(意大利卡勞爾巴公司)；IMPACT-410傅里葉變換紅外光譜儀(KBr壓片); WP-2型熔點測定儀(北京第三光學儀器廠)，溫度未經校正.

1.2 模型化合物碘化1-甲基-2-丙基-3-苯磺?；溥蜻暮铣?/h3>

化合物7、8 、9和10參照文獻[15] 合成.模型化合物10: 淡黃色固體, 產率87 %, m.p. 128.0 ℃～129.0 ℃.1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ: 8.13～7.70 (m, 5H), 4.29 (br s, 4H), 3.40 (s, 3H), 3.01 (t,J= 7.8 Hz, 2H),1.68～1.77 (m, 2H), 1.11(t,J= 7.8 Hz, 3H).13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ:169.7,136.0,135.0, 130.4,128.6, 52.1,47.3,36.6,28.7,20.4,14.4.IR (KBr)ν:1 680,1 624,1 452,1 190 cm-1.Anal.calcd for C13H19N2O2SI:C 39.60, H4.86, N7.11;found C39.32, H4.61,N6.88.

1.3 次丁基的轉移反應

模型化合物10 (1.18 g, 3 mmol) 加入到8 mL無水乙腈中，然后加入鄰苯二胺(或鄰氨基苯酚) 3 mmol, 加熱回流, TLC監(jiān)測反應，當反應完全后冷卻, 加入稀NaHCO3溶液攪拌1 h, 用CHCl3萃取，無水Na2SO4干燥萃取液，濃縮，靜置過夜，析出晶體，過濾得化合物13, 母液濃縮, 柱色譜分離再得到少量產物. 化合物14柱色譜分離得產物.

化合物13:白色固體,產率72 %, m.p.157.0 ℃～158.0 ℃ (lit. 157.0～157.5[21]).1H NMR (600 MHz,DMSO-d6)δ: 12.05 (s, 1H), 7.48～7.35 (m, 2H), 7.13～6.93 (m, 2H), 2.75 (t,J=7.8 Hz, 2H),1.77(m,J= 7.8, 7.2 Hz, 2H), 0.91 (t,J= 7.2 Hz, 3H).

化合物14:淡黃色液體, 產率70 %.1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ: 7.69～7.29 (m, 4H), 2.93 (t,J= 7.8 Hz, 2H), 1.93 (m, 2H), 1.06 (t,J= 7.2 Hz, 3H).Anal Calcd for C10H11NO:C,74.51;H,6.88; N, 8.69. found C, 74.30; H, 6.72; N, 8.54.

1.4 模型化合物10與伯胺反應合成不同基團N, N, N’-三取代乙二胺鹽19～22

模型化合物10 (0. 39 g, 1 mmol) 加入到4 mL無水乙腈中，然后加入胺類化合物1 mmol，加熱回流，TLC監(jiān)測反應，待反應完成后停止反應，濃縮反應液，放置析出晶體，過濾得產物19～22.

化合物19:模型化合物10(0.39 g, 1 mmol),苯胺(0.093 g, 1 mmol),3.6 mL無水乙腈,回流7 h，得白色晶體0.40 g，產率 80.6 %.1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ:10.17,9.49 (ss, 1H),7.94～7.14 (m, 10H), 4.15, 3.79 (tt,J=5.4 Hz, 2H), 3.56～3.23 (m, 5H), 2.68～2.49 (m, 2H), 1.82 (br s, 1H), 1.69～1.49 (m, 2H), 0.83 (t,J=7.2 Hz, 3H).13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ:168.2,135.0,132.9,129.8,129.7,129.3,129.2,128.2,127.9,127.1,126.8,52.6,40.2,39.4,31.4,19.4,14.1.Anal.Calcd for C19H26IN3O2S:C, 46.82;H,5.38;N, 8.62. found C,46.65; H,5.42;N,8.51.

化合物20: 模型化合物10 (0.39 g, 1 mmol), 對甲苯胺(0.105 g, 1 mmol), 3.6 mL無水乙腈, 回流6.5 h，得黃色固體0.43 g, 產率 85 %.1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ:10.00(ss, 1H), 9.36(ss, 1H), 7.92～7.11 (m, 9H), 4.12, 3.78 (tt,J=5.4 Hz, 2H), 3.78～3.01 (m, 5H), 2.90～2.65 (m, 1H), 2.51～2.28 (m, 5H), 1.66～1.48 (m, 2H),0.83(t,J=7.2 Hz, 3H).13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ: 168.2, 139.9, 139.2, 132.8, 132.4, 130.4, 130.3, 129.3, 129.4, 127.6, 127.1, 126.8, 52.5, 40.2, 39.4, 31.2, 21.2, 19.4, 14.1. Anal. Calcd for C20H28IN3O2S: C, 47.91; H, 5.63; N, 8.38. found C, 47.82; H, 5.51; N, 8.42.

化合物21: 模型化合物10 (0.39 g, 1 mmol), 對甲氧基苯胺(0.121 g, 1 mmol), 3.6 mL無水乙腈, 回流6.5 h，得黃色固體0.37 g，產率 72 %.1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ:10.17, 9.30 (ss, 1H), 7.95～6.91 (m, 9H), 4.16, 3.79 (tt,J=5.4 Hz, 2H),3.85(ss, 3H), 3.84 (ss, 3H), 3.59 (m, 6H)～3.28(m, 6H), 2.72, 2.51 (tt,J=5.4 Hz, 2H), 1.70～1.50 (m, 2H), 0.89 (t,J=7.2 Hz, 3H).13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ:168.5, 139.9,139.2,132.8,132.4, 130.4,130.3,129.3,129.4,127.6,127.1,126.8,52.5,40.2,39.4,31.2,27.2,19.4,14.1.Anal. Calcd for C20H28IN3O3S:C, 46.42; H, 5.45; N, 8.12. found C, 46.21; H, 5.34; N,8.03.

化合物22:模型化合物10(0.39 g,1 mmol),對氯苯胺(0.128 g,1 mmol), 3.6 mL無水乙腈, 回流7 h，得黃色油狀液體0.35 g，產率 77 %.1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ: 10.24(ss, 1H), 9.58 (ss, 1H), 7.89(m, 9H)～7.06 (m, 9H), 4.17, 3.79 (tt,J=5.4 Hz, 2H), 3.60～3.27 (m, 6H),2.72～2.51 (m, 2H),1.70～1.52 (m, 2H),0.89,0.86(tt,J=7.2 Hz, 3H).13C NMR (151 MHz, CDCl3)δ:168.2,135.0,132.9,129.8,129.7,129.2,127.9,127.1,126.8,52.6,40.2,39.4,31.3,19.4,14.1.Anal.Calcd for C20H25ClIN3O2S:C, 43.73; H, 4.83; N, 8.05. found C, 43.54; H, 4.62; N, 8.12.

2 結果與討論

2.1 四氫葉酸輔酶模型的合成

甲酸氧化態(tài)四氫葉酸輔酶2的活性中心是N5，N10所組成的咪唑啉五元環(huán) (圖1)，其轉移一碳單元的活性是由N5，N10所連基團的性質所決定.模擬四氫葉酸輔酶的功能，首先要模擬其結構，制備模型化合物.本文選擇五元環(huán)的咪唑啉結構作為甲酸氧化態(tài)模型的反應中心，考慮到咪唑啉環(huán)的穩(wěn)定性和轉移基團的反應活性，我們選擇了比四氫葉酸所連基團小的甲基和苯磺?；鳛榉磻行倪溥蜻由线B接的基團，使這兩個基團具有較大的電子效應差異，提高其反應活性.在咪唑啉環(huán)的2位上放置丙基使擬轉移的基團是次丁基，希望實現四個直鏈碳單元的轉移，而這兩個基團也具有穩(wěn)定環(huán)的作用，合成了模型化合物10 (圖3).實驗發(fā)現10既具有一定的穩(wěn)定性，又具有比較高的反應活性，能夠實現轉移反應.

圖3 THF模型化合物10的合成路線
Fig.3 Synthesis route of THF model 10

2.2 四氫葉酸輔酶模型的全轉移反應

模型化合物10與含有親核性雙官能團的試劑如鄰苯二胺(11)、鄰氨基苯酚(12)反應 (圖 4)，生成產物13和14，使次丁基順利地轉移給底物，反應條件簡單，轉移效率高.此過程不僅模擬了THF甲酸態(tài)1的一碳單元轉移反應，而且擴展到甲酸態(tài)的四個碳的單元在體外簡單條件下的轉移，基團碎片既可轉移給兩個氮原子，也可轉移給氧、氮等不同的親核原子，從幾方面驗證了四氫葉酸轉移基團的功能.生成的產物是2-取代的苯并咪唑衍生物和2-取代苯并噁唑衍生物，它們都是生物化學和藥學上重要的化合物[18～20]，因此這一反應也為合成這些化合物提供了一種新的合成路線.一般方法合成這些物質，需用羧酸及其取代羧酸或者醛在酸性條件或氧化劑存在下完成，本方法是在中性條件下、無氧化劑存在的溫和環(huán)境中完成，具有明顯的反應優(yōu)點，特別適合含多個官能團的化合物在不影響其他官能團的情況下構建這種雜環(huán)結構.

圖4 THF模型化合物10的基團轉移反應
Fig.4 Group transfer reaction of THF models 10

2.3 四氫葉酸輔酶模型的部分轉移反應

模型化合物10的2位上具有較強的正電性，在13C NMR的檢測中, 化學位移處在羰基區(qū)(169.7 ppm), 易被親核基團進攻，可與含有單官能團親核試劑的芳香伯胺(苯胺、對甲基苯胺、對甲氧基苯胺、對氯苯胺) 發(fā)生親核加成反應，生成化合物19～22(圖5)，使次丁基發(fā)生了部分轉移，產物的結構是不同基團取代的N, N, N’-三取代乙二胺鹽，在藥物研究中具有重要用途，用其他方法合成需多步反應才能完成，而利用以上反應, 卻佷方便，因而為這類化合物的合成提供了一種簡便方法.

圖5 THF模型化合物10與芳香胺類化合物的反應
Fig.5 The reaction of THF model 10 with aryl amines

3 結論

模擬四氫葉酸的結構和反應特性，合成了可轉移四個直鏈碳原子，即次丁基單元的甲酸態(tài)模型化合物，模擬了四氫葉酸輔酶在生物體內的一碳單元轉移功能，實現了擴展轉移范圍和條件，達到生物體外四個碳單元的直接轉移.為有機合成提供了合成2-取代的苯并咪唑衍生物和2-取代苯并噁唑衍生物的簡便方法.通過模型與芳香氨類化合物的親核加成反應，生成了不同基團取代的N, N, N’-三取代乙二胺衍生物，發(fā)現了這類化合物的簡易合成法.另外, 這些實驗對四氫葉酸輔酶在生物體內的一碳單元轉移功能的反應機理也得到了進一步驗證與確定.