5-甲?；蜞奏ず铣晒に囇芯?/h1>
2021-12-20 11:51詹慶明葉俊文楊維清
化工時(shí)刊 2021年7期
詹慶明 席 銳 葉俊文 龍 艷 楊維清
(西華大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610041)
在人類(lèi)的基因組中發(fā)現(xiàn)了具有多種修飾作用的嘧啶，其中嘧啶[1]和N6-甲基腺嘌呤(6 mA)起著最主要的修飾作用[2]。由于5-甲?；奏ぴ贒NA遺傳學(xué)方面有著非常重要的作用，了解其在表觀遺傳學(xué)中的各種信息，可以更加直觀的增加對(duì)遺傳調(diào)控甚至疾病治療方面的理解[3]。5-甲酰基尿嘧啶(5fU)作為DNA中的一種修飾5-甲?；奏さ暮藟A基對(duì)應(yīng)物也開(kāi)始受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[4-6]。
5-甲?；蜞奏がF(xiàn)有的合成方法主要有：(1)5-甲基尿嘧啶與過(guò)硫酸鈉溶于水中，然后在85～90 ℃下反應(yīng)9 h，但是該方法會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，導(dǎo)致產(chǎn)物分離較為困難，且該方法得到合格產(chǎn)品的收率較低；(2)由5-羥甲基尿嘧啶氧化羥甲基得到5-甲?；蜞奏ぃ窃摲椒▽?duì)催化劑的要求較高，容易產(chǎn)生副產(chǎn)物5-羧基尿嘧啶，從而降低反應(yīng)收率。本文采用尿嘧啶為原料，與多聚甲醛反應(yīng)進(jìn)行羥甲基化，再與硝酸鈰銨進(jìn)一步反應(yīng)制備得到5-甲?；蜞奏?。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 試劑和儀器
多聚甲醛，硝酸鈰銨，高錳酸鉀，二氧化錳，三乙胺，甲醇，無(wú)水乙醇，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，二甲亞砜(DMSO)，均購(gòu)置于成都科龍?jiān)噭┕?；尿嘧啶?gòu)置于上海麥克林生化科技有限公司。所有試劑未經(jīng)處理直接使用。去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制二次水。數(shù)據(jù)分析采用：核磁共振儀，AVANCE NEO 400，布魯克(北京)科技有限公司。
1.2 5-羥甲基尿嘧啶的制備
取20 mL去離子水加入到50 mL單口圓底瓶中，加入尿嘧啶(0.56 g, 5 mmol)和多聚甲醛(0.18 g, 6 mmol)，不斷攪拌，滴加1 mL三乙胺，緩慢加熱到90 ℃，薄層色譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度(展開(kāi)劑V二氯甲烷∶V甲醇=10∶1)，原料尿嘧啶反應(yīng)完全后，減壓濃縮至5 mL，再加入15 mL 95%乙醇，室溫下靜止30 min，再在4 ℃下靜置4 h，過(guò)濾出沉淀，再用5×15 mL 95%乙醇洗滌5次，收集固體沉淀。60 ℃下烘干，得到目標(biāo)產(chǎn)物5-羥甲基尿嘧啶(化合物2)(圖1)。白色固體0.65 g，產(chǎn)率91%。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) 11.05 (s, 1H), 10.71 (s, 1H), 7.24(s, 1H),4.85 (t,J=5.5 Hz, 1H), 4.11 (dd,J= 5.5, 1.1 Hz, 2H)。
圖1 5-羥甲基尿嘧啶的制備Fig. 1 Preparation of 5-hydroxymethyluracil
1.3 5-甲?；蜞奏さ闹苽?/h3>
將化合物2(0.3 g, 2 mmol)加入到15 mL水中，加熱至70 ℃攪拌溶解，再加入硝酸鈰銨 (2.3 g, 4 mmol)，不斷攪拌溶解，溶解完全后加熱升溫至回流，反應(yīng)4 h。待溶液變?yōu)闇\黃色為止。薄層色譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度(展開(kāi)劑V二氯甲烷∶V甲醇=10∶1)，反應(yīng)完全后，冷卻至室溫，減壓濃縮液體至剩余約5 mL，此時(shí)已有白色固體析出，然后在2～4 ℃下冷藏過(guò)夜，抽濾出固體，并用3×10 mL丙酮洗滌沉淀3次，干燥得到固體產(chǎn)品如圖2所示。白色粉末0.23 g，產(chǎn)率83%。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ11.92 (s, 1H), 11.52 (s, 1H), 9.73 (s, 1H), 8.14 (s, 1H)。
圖2 5-甲酰基尿嘧啶的制備Fig. 2 Preparation of 5-formyluracil
2 結(jié)果與討論
本文首先采用羥甲基化反應(yīng)，在尿嘧啶的5位引入一個(gè)羥甲基得到中間化合物5-羥甲基尿嘧啶，然后根據(jù)制備得到的5-羥甲基尿嘧啶繼續(xù)反應(yīng)來(lái)制備5-甲酰基尿嘧啶。對(duì)后一個(gè)反應(yīng)(圖2所示)考查了反應(yīng)時(shí)間、溶劑、溫度、催化劑等四類(lèi)條件。
首先以水作為溶劑，70 ℃下反應(yīng)2 h，考察不同氧化劑存在下的反應(yīng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同反應(yīng)溶劑、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度的條件下，高錳酸鉀和二氧化錳作氧化劑時(shí)，都沒(méi)有明顯發(fā)現(xiàn)生成目標(biāo)化合物；而硝酸鈰銨作為氧化劑時(shí)，有目標(biāo)產(chǎn)物的生成，收率可以達(dá)到38%?？赡艿脑蚴歉咤i酸鉀和二氧化錳的氧化性太強(qiáng)，將羥甲基氧化成了羧基，因此沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物。
然后以水作為溶劑，硝酸鈰銨(CAN)作為氧化劑，考察不同反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間條件下的反應(yīng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同溶劑和氧化劑的條件下，時(shí)間相同時(shí)，溫度由70 ℃升高到90 ℃，目標(biāo)化合物的產(chǎn)率由41%增加到74%；相同溫度的條件下(90 ℃)，反應(yīng)時(shí)間由2 h增加到4 h，目標(biāo)化合物的產(chǎn)率由74%增加到79%?？赡苁且?yàn)殡S著時(shí)間的增加，催化劑的有效作用時(shí)間增加，因此產(chǎn)率會(huì)增加；而溫度的升高會(huì)增加氧化劑的活性，催化效果更好，產(chǎn)率增加。
最后以硝酸鈰銨(CAN)作為氧化劑，回流條件下反應(yīng)4 h，考察不同反應(yīng)溶劑的反應(yīng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分別以水、甲醇、乙醇作為溶劑，在常壓回流條件下反應(yīng)，收率分別為83%、19%、22%。然而，在相同時(shí)間(4 h)、溫度(100 ℃)和氧化劑(CAN)的條件下，H2O、DMF、DMSO反應(yīng)效果都較好(收率分別為83%、77%、81%)，可能是因?yàn)檫@三種溶劑對(duì)反應(yīng)底物溶解性較好的原因。但由于H2O、DMF、DMSO反應(yīng)效果差別不是特別顯著，考慮環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性等因素，最終我們選擇以H2O作為反應(yīng)溶劑。
3 結(jié)論
本文研究開(kāi)發(fā)了一種新的合成5-甲?；蜞奏さ姆椒ǎ阂阅蜞奏槠鹗荚?，在三乙胺為堿的條件下，與多聚甲醛反應(yīng)制備得到中間化合物5-羥甲基尿嘧啶，收率可以達(dá)到91%；再以該中間體為底物進(jìn)行氧化反應(yīng)，制備得到5-甲?；蜞奏ぃ谧顑?yōu)條件下該反應(yīng)收率可以達(dá)到83%。重點(diǎn)考察了氧化反應(yīng)步驟中，氧化劑、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響。在最優(yōu)反應(yīng)條件下，以尿嘧啶為起始原料，兩步反應(yīng)總收率可以達(dá)到75%以上。該方法操作簡(jiǎn)單易實(shí)施，反應(yīng)條件溫和，收率高。本文研究獲得了5-甲?；蜞奏さ暮铣尚鹿に?，該工藝原料易得，反應(yīng)條件溫和，收率高。并對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物采用核磁共振進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。
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在人類(lèi)的基因組中發(fā)現(xiàn)了具有多種修飾作用的嘧啶，其中嘧啶[1]和N6-甲基腺嘌呤(6 mA)起著最主要的修飾作用[2]。由于5-甲?；奏ぴ贒NA遺傳學(xué)方面有著非常重要的作用，了解其在表觀遺傳學(xué)中的各種信息，可以更加直觀的增加對(duì)遺傳調(diào)控甚至疾病治療方面的理解[3]。5-甲酰基尿嘧啶(5fU)作為DNA中的一種修飾5-甲?；奏さ暮藟A基對(duì)應(yīng)物也開(kāi)始受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[4-6]。
5-甲?；蜞奏がF(xiàn)有的合成方法主要有：(1)5-甲基尿嘧啶與過(guò)硫酸鈉溶于水中，然后在85～90 ℃下反應(yīng)9 h，但是該方法會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，導(dǎo)致產(chǎn)物分離較為困難，且該方法得到合格產(chǎn)品的收率較低；(2)由5-羥甲基尿嘧啶氧化羥甲基得到5-甲?；蜞奏ぃ窃摲椒▽?duì)催化劑的要求較高，容易產(chǎn)生副產(chǎn)物5-羧基尿嘧啶，從而降低反應(yīng)收率。本文采用尿嘧啶為原料，與多聚甲醛反應(yīng)進(jìn)行羥甲基化，再與硝酸鈰銨進(jìn)一步反應(yīng)制備得到5-甲?；蜞奏?。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 試劑和儀器
多聚甲醛，硝酸鈰銨，高錳酸鉀，二氧化錳，三乙胺，甲醇，無(wú)水乙醇，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，二甲亞砜(DMSO)，均購(gòu)置于成都科龍?jiān)噭┕?；尿嘧啶?gòu)置于上海麥克林生化科技有限公司。所有試劑未經(jīng)處理直接使用。去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制二次水。數(shù)據(jù)分析采用：核磁共振儀，AVANCE NEO 400，布魯克(北京)科技有限公司。
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圖1 5-羥甲基尿嘧啶的制備Fig. 1 Preparation of 5-hydroxymethyluracil
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將化合物2(0.3 g, 2 mmol)加入到15 mL水中，加熱至70 ℃攪拌溶解，再加入硝酸鈰銨 (2.3 g, 4 mmol)，不斷攪拌溶解，溶解完全后加熱升溫至回流，反應(yīng)4 h。待溶液變?yōu)闇\黃色為止。薄層色譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度(展開(kāi)劑V二氯甲烷∶V甲醇=10∶1)，反應(yīng)完全后，冷卻至室溫，減壓濃縮液體至剩余約5 mL，此時(shí)已有白色固體析出，然后在2～4 ℃下冷藏過(guò)夜，抽濾出固體，并用3×10 mL丙酮洗滌沉淀3次，干燥得到固體產(chǎn)品如圖2所示。白色粉末0.23 g，產(chǎn)率83%。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ11.92 (s, 1H), 11.52 (s, 1H), 9.73 (s, 1H), 8.14 (s, 1H)。
圖2 5-甲酰基尿嘧啶的制備Fig. 2 Preparation of 5-formyluracil
2 結(jié)果與討論
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首先以水作為溶劑，70 ℃下反應(yīng)2 h，考察不同氧化劑存在下的反應(yīng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同反應(yīng)溶劑、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度的條件下，高錳酸鉀和二氧化錳作氧化劑時(shí)，都沒(méi)有明顯發(fā)現(xiàn)生成目標(biāo)化合物；而硝酸鈰銨作為氧化劑時(shí)，有目標(biāo)產(chǎn)物的生成，收率可以達(dá)到38%?？赡艿脑蚴歉咤i酸鉀和二氧化錳的氧化性太強(qiáng)，將羥甲基氧化成了羧基，因此沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物。
然后以水作為溶劑，硝酸鈰銨(CAN)作為氧化劑，考察不同反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間條件下的反應(yīng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同溶劑和氧化劑的條件下，時(shí)間相同時(shí)，溫度由70 ℃升高到90 ℃，目標(biāo)化合物的產(chǎn)率由41%增加到74%；相同溫度的條件下(90 ℃)，反應(yīng)時(shí)間由2 h增加到4 h，目標(biāo)化合物的產(chǎn)率由74%增加到79%?？赡苁且?yàn)殡S著時(shí)間的增加，催化劑的有效作用時(shí)間增加，因此產(chǎn)率會(huì)增加；而溫度的升高會(huì)增加氧化劑的活性，催化效果更好，產(chǎn)率增加。
最后以硝酸鈰銨(CAN)作為氧化劑，回流條件下反應(yīng)4 h，考察不同反應(yīng)溶劑的反應(yīng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分別以水、甲醇、乙醇作為溶劑，在常壓回流條件下反應(yīng)，收率分別為83%、19%、22%。然而，在相同時(shí)間(4 h)、溫度(100 ℃)和氧化劑(CAN)的條件下，H2O、DMF、DMSO反應(yīng)效果都較好(收率分別為83%、77%、81%)，可能是因?yàn)檫@三種溶劑對(duì)反應(yīng)底物溶解性較好的原因。但由于H2O、DMF、DMSO反應(yīng)效果差別不是特別顯著，考慮環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性等因素，最終我們選擇以H2O作為反應(yīng)溶劑。
3 結(jié)論
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