＊?jiǎng)?趙周朋 王曉磊

（1.蘭州大學(xué)藥學(xué)院 甘肅 730000 2.蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 甘肅 730000）

核糖不僅是核苷類藥物的重要結(jié)構(gòu)單元，也廣泛存在于自然界，參與了所有生物體中基因信息的存儲(chǔ)、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程。同時(shí)，由于D-核糖廉價(jià)易得、含有多個(gè)手性中心的特性，也可以作為有機(jī)合成化學(xué)中的重要手性源，廣泛的應(yīng)用于天然產(chǎn)物和藥物合成中[3-7]。在有機(jī)合成實(shí)踐中欲實(shí)現(xiàn)核糖5-位氧化、脫氧還原和取代等官能團(tuán)轉(zhuǎn)化，必須對(duì)于其它羥基進(jìn)行選擇性保護(hù)。筆者考察了國(guó)內(nèi)出版的多部有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材，幾乎沒(méi)有涉及糖類的選擇性保護(hù)及糖苷化等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為了提高人才質(zhì)量和辦學(xué)水平，蘭州大學(xué)提出了本科生導(dǎo)師制培養(yǎng)方案[8]。方案中本科生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室是重要的組成部分，其初衷是幫助學(xué)生理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技能，使大家走近科研實(shí)踐并提升科研興趣。筆者在本科生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐中結(jié)合自身的科研項(xiàng)目開(kāi)展了關(guān)于核糖的化學(xué)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)取得了較好的效果，同學(xué)在實(shí)操過(guò)程中提高了實(shí)驗(yàn)技能、加深了理論認(rèn)識(shí)、接觸了學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)、燃起了科研熱情。

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）通過(guò)“一鍋法”實(shí)現(xiàn)核糖中羥基的選擇性保護(hù)，加深對(duì)核糖及其羥基相關(guān)性質(zhì)和反應(yīng)的理解。

（2）綜合應(yīng)用有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作技能，開(kāi)展較復(fù)雜反應(yīng)體系的后處理和純化，學(xué)習(xí)使用MestReNova軟件處理核磁共振數(shù)據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)中，我們以D-核糖、苯甲醇和丙酮為原料，在濃硫酸的催化作用下“一鍋法”實(shí)現(xiàn)D-核糖不同羥基的選擇性保護(hù)，得目標(biāo)化合物3（圖1）。有關(guān)鄰二醇和丙酮在酸性條件下的縮酮化反應(yīng)在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教材均有描述，通常認(rèn)為是丙酮和催化劑質(zhì)子酸形成烊鹽以增加其親電性，然后和一分子羥基加成生成半縮酮。由于鄰二醇的縮酮保護(hù)是反Baldwin規(guī)則的典型案例，半縮酮羥基繼續(xù)質(zhì)子化繼而失水通過(guò)5-endo-trig（反Baldwin規(guī)則）的氧鎓離子環(huán)化生成五元環(huán)縮酮[11]。由于核糖本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及五元環(huán)形成速率極快，本反應(yīng)中可以實(shí)現(xiàn)順式羥基的縮丙酮化反應(yīng)。糖苷化反應(yīng)在糖化學(xué)中占有重要的地位，一般認(rèn)為是異頭碳的羥基被質(zhì)子化后離去一份子水生成高親電性的氧鎓離子，隨后被苯甲醇的氧原子親核進(jìn)攻生成糖苷鍵。本實(shí)驗(yàn)巧妙的利用了核糖中三個(gè)羥基的不同性質(zhì)和兩種反應(yīng)的共同質(zhì)子酸催化劑實(shí)現(xiàn)核糖的選擇性保護(hù)，高效合成重要的核糖衍生物3。

圖1 一鍋法實(shí)現(xiàn)D-核糖不同羥基的選擇性保護(hù)Fig.1 One-Pot and selective protection of ribose

3.試劑與儀器

(1)試劑

D-核糖（安耐吉，99.0%），苯甲醇（科隆，分析純）,丙酮（利安隆博華，分析純），濃硫酸（科隆，分析純），三乙胺（利安隆博華，分析純），石油醚（甘肅亨元化工，分析純），飽和食鹽水溶液，無(wú)水硫酸鈉（甘肅柯立，99.0%），廣泛pH試紙。

(2)儀器

電子天平（梅特勒 ME104E），圓底燒瓶，電磁攪拌子，加熱磁力攪拌器，球形冷凝管，玻璃棒，膠頭滴管，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（海道夫），循環(huán)水式真空泵（鄭州長(zhǎng)城），分液漏斗，錐形瓶，直形冷凝管，100℃溫度計(jì)，克氏蒸餾頭，尾接管，油泵（上海愛(ài)思杰），濾紙，布氏漏斗，核磁共振儀（Bruker avance Ⅲ，400M）。

4.實(shí)驗(yàn)步驟

在100mL圓底燒瓶中加入3g（0.020mol）D-核糖、20mL（0.19mol）苯甲醇及12mL丙酮，攪拌均勻，在攪拌下緩慢滴入6滴濃硫酸。安裝球形回流冷凝管，在75℃水浴上加熱3.5h。采用薄層色譜（TLC）跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，待反應(yīng)完成后停止加熱，用冰水浴冷卻至室溫。隨后在攪拌下向反應(yīng)體系中滴入三乙胺（約0.6mL）直至反應(yīng)體系呈堿性（用pH試紙測(cè)定）。采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去丙酮及其它易揮發(fā)物后得到的黃色透明溶液，濃縮液轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，用冷水（約20mL）洗滌2次，將下層有機(jī)相用無(wú)水硫酸鈉干燥、過(guò)濾、真空減壓蒸餾，得殘留物粗產(chǎn)品約8.4g。粗產(chǎn)品用石油醚（PE）重結(jié)晶（1g粗產(chǎn)品約需石油醚6mL）后得4.3g產(chǎn)物3（白色針狀晶體，產(chǎn)率77%，熔點(diǎn)102～104℃）。

5.結(jié)果與討論

本反應(yīng)過(guò)程可以采用薄層色譜（TLC）法進(jìn)行分析檢測(cè)。以二氯甲烷（DCM）/甲醇（MeOH）混合液為展開(kāi)劑[DCM:MeOH=5:1(v/v)]對(duì)反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行薄層色譜分析，結(jié)果如圖2所示（圖2-1，從左到右依次為D-核糖、反應(yīng)體系和核糖交叉點(diǎn)、反應(yīng)體系），根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)分析可推測(cè)A、B和C點(diǎn)分別為苯甲醇、產(chǎn)物3和副產(chǎn)物，反應(yīng)體系中核糖（TLC中的D點(diǎn)）已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化。粗產(chǎn)物經(jīng)過(guò)重結(jié)晶后對(duì)化合物3以石油醚（PE）/乙酸乙酯（EtOAc）為展開(kāi)劑[PE:EtOAc=3:1(v/v)]進(jìn)行薄層色譜分析的結(jié)果如圖2-2所示，計(jì)算其比移值為Rf=0.43。經(jīng)重結(jié)晶后得到的產(chǎn)物3為白色針狀晶體（圖2-3）。

圖2 薄層色譜（TLC）分析結(jié)果及產(chǎn)物的外觀形狀Fig.2 TLC analysis of the reaction and product appearance

產(chǎn)物3的1H NMR譜圖如圖3所示，對(duì)于譜峰歸屬如下：δ7.39-7.30處峰為苯環(huán)上5個(gè)氫的特征峰；5.18處單峰為五元環(huán)上異頭碳位置氫的特征峰；4.68處的雙二重峰為芐基上亞甲基氫的特征峰；4.86和4.67處的雙重峰分別為2-位或3-位的氫；4.46處的表觀三重峰為4-位氫的特征峰；3.72和3.64處三雙重峰為5-位亞甲基氫的特征峰；3.13的雙二重峰處為羥基氫的特征峰；1.48和1.32處的單峰為甲基氫的特征峰。除δ7.26的CDCl3峰和δ1.59的H2O峰外無(wú)其他雜質(zhì)峰，這表明產(chǎn)品純度較高。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ7.39-7.30(m,5H),5.18(s,1H),4.86(d,J=5.9Hz,1H),4.77(d,J=11.6Hz,1H),4.67(d,J=5.9Hz,1H),4.58(d,J=11.6Hz,1H),4.46(t,J=3.1Hz,1H),3.72(ddd,J=12.6,3.0,2.8Hz,1H),3.64(ddd,J=12.6,10.4,3.7Hz,1H),3.14(dd,J=10.4,3.0Hz,1H)，1.48(s,3H),1.32(s,3H)=96(c0.44,CHCl3)[3]。

圖3 產(chǎn)物3的1H NMR譜圖Fig.3 1H NMR spectrum of product 3

6.思考題

（1）反應(yīng)結(jié)束后為什么加三乙胺將反應(yīng)體系調(diào)至弱堿性？

（2）分別使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀和減壓蒸餾的目的是什么？能否簡(jiǎn)化操作使用一種蒸餾方法？說(shuō)出具體操作建議。

（3）該反應(yīng)同時(shí)會(huì)產(chǎn)生另外一種α構(gòu)型的差向異構(gòu)體，如何分離純化得到該產(chǎn)物？

（4）嘗試寫(xiě)出采用乙二醇保護(hù)酮羰基的反應(yīng)機(jī)理。

7.教學(xué)組織運(yùn)行方式

本實(shí)驗(yàn)在一步操作中實(shí)現(xiàn)了核糖中多個(gè)羥基的反應(yīng)：同時(shí)發(fā)生順式鄰二醇的丙酮叉保護(hù)和異頭碳羥基的糖苷化反應(yīng)，通過(guò)引入步驟經(jīng)濟(jì)性概念激發(fā)學(xué)生的探索欲。在反應(yīng)的后處理及產(chǎn)物純化過(guò)程中包括了堿淬滅、萃取、減壓蒸餾和重結(jié)晶的基本有機(jī)實(shí)驗(yàn)技能，有利于提高學(xué)生分析、解決較復(fù)雜問(wèn)題的能力和綜合實(shí)驗(yàn)技能。本實(shí)驗(yàn)的組織運(yùn)行方式按照課前預(yù)習(xí)、課堂講授和結(jié)果討論的順序展開(kāi)。

(1)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

首先推薦學(xué)生閱讀抗病毒藥物、小核酸藥物及mRNA藥物相關(guān)的基礎(chǔ)文獻(xiàn)，了解核糖在該類藥物中的重要性。在基礎(chǔ)理論知識(shí)層面，復(fù)習(xí)醛酮化學(xué)和糖化學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)尤其是縮酮化反應(yīng)和糖苷化反應(yīng)的機(jī)理及Baldwin規(guī)則，方便實(shí)驗(yàn)過(guò)程中理解相關(guān)的問(wèn)題。要求學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)以圖表方式完成表1和圖4中的內(nèi)容，以全面掌握實(shí)驗(yàn)流程、理解每一步操作的意義，為課堂實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)[12]。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.4 Experimental procedure

表1 反應(yīng)物的理化性質(zhì)及投料量Tab.1 Physical properties and amount of the chemicals

(2)引入新課

通過(guò)簡(jiǎn)介新藥研發(fā)背景知識(shí)使得同學(xué)們意識(shí)到我國(guó)在原創(chuàng)藥物研發(fā)領(lǐng)域所面臨的“卡脖子”困境，只有直面問(wèn)題才能從深層次激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷、樹(shù)立奮斗精神。由耳熟能詳?shù)纳鐣?huì)現(xiàn)象引入新課內(nèi)容可以極大的激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)探索熱情，樹(shù)立同學(xué)們現(xiàn)在打好基礎(chǔ)、將來(lái)為中國(guó)特色社會(huì)主義新藥研發(fā)和人類健康服務(wù)的正確價(jià)值觀。

(3)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?/h3>

在實(shí)驗(yàn)原理部分向大家重點(diǎn)介紹現(xiàn)代有機(jī)合成中的步驟經(jīng)濟(jì)性概念，該概念的引入可以大大節(jié)省復(fù)雜化合物合成中的試劑、時(shí)間成本，減輕環(huán)境壓力，這對(duì)于當(dāng)今社會(huì)提倡的碳中和、碳達(dá)峰具有重要的意義。經(jīng)過(guò)課前預(yù)習(xí)同學(xué)們已經(jīng)掌握縮酮化和糖苷化反應(yīng)的機(jī)理，課堂引導(dǎo)同學(xué)們思考兩種反應(yīng)的共同點(diǎn)：酸催化。進(jìn)一步引入能否將2種不同的反應(yīng)及試劑在一個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)及可能存在的問(wèn)題。通過(guò)簡(jiǎn)介Baldwin規(guī)則以及在本實(shí)驗(yàn)中的反Baldwin規(guī)則現(xiàn)象出現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)有機(jī)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)性學(xué)科屬性和科學(xué)研究中以事實(shí)為基礎(chǔ)的挑戰(zhàn)和批判精神。本實(shí)驗(yàn)屬于綜合有機(jī)實(shí)驗(yàn)，需要同學(xué)們綜合運(yùn)用基礎(chǔ)有機(jī)實(shí)驗(yàn)中掌握的多種操作技能，包括萃取、減壓蒸餾、重結(jié)晶和過(guò)濾等，在課堂上可以采用提問(wèn)的方式使同學(xué)們回顧已掌握的實(shí)驗(yàn)技能及其原理。本實(shí)驗(yàn)按照本科所學(xué)知識(shí)通常是按部就班、分步實(shí)現(xiàn)核糖的選擇性保護(hù)，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生思考一步實(shí)現(xiàn)雙保護(hù)的可能性使得學(xué)生建立學(xué)習(xí)科研中打破常規(guī)的創(chuàng)新思維方式。

(4)實(shí)驗(yàn)裝置及流程

通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的環(huán)節(jié)同學(xué)們已經(jīng)初步掌握實(shí)驗(yàn)全流程（圖4），可以通過(guò)提問(wèn)板書(shū)形式畫(huà)出簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置圖（包括反應(yīng)裝置和后處理過(guò)程中所需要的裝置），根據(jù)裝置圖和流程圖引導(dǎo)同學(xué)們做一下思考：①本反應(yīng)中反應(yīng)器是否需要密封以及采取何種方式密封；②反應(yīng)中實(shí)際純度尤其是含水量的高低對(duì)于反應(yīng)有何影響；③反應(yīng)過(guò)程中硅膠薄層色譜檢測(cè)反應(yīng)時(shí)應(yīng)該采取何種顯色方法及顯色原理；④講義中的后處理步驟有無(wú)調(diào)整的可能及可以怎樣調(diào)整；⑤每一步后處理操作的目的及意義，有無(wú)替換的可能性（如重結(jié)晶可以被硅膠柱層析替代）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的講解強(qiáng)調(diào)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中每一步操作均有其明確的目的及在實(shí)驗(yàn)中細(xì)致觀察和理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)方法。通過(guò)現(xiàn)代學(xué)科交叉融合的流行趨勢(shì)強(qiáng)調(diào)分組實(shí)驗(yàn)時(shí)組員之間團(tuán)隊(duì)合作精神的重要性。

(5)結(jié)果與討論

在得到本實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物之后向同學(xué)們提出問(wèn)題：本實(shí)驗(yàn)理論產(chǎn)物異頭碳構(gòu)型確如講義中所示嗎？通過(guò)討論找出判斷產(chǎn)物構(gòu)型的表征方法并根據(jù)每組討論的結(jié)果采取差異化的表征實(shí)驗(yàn)方案（如NMR、熔點(diǎn)、比旋光等），最后通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)并討論每個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中使用MestReNova軟件處理分析產(chǎn)物3的核磁共振氫譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行譜峰歸屬練習(xí)，是高年級(jí)有機(jī)化學(xué)專業(yè)同學(xué)必備的技能。

8.總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)在選材方面貼近有機(jī)化學(xué)和藥物化學(xué)的科研前沿，反應(yīng)中涉及糖苷化、鄰二醇縮酮保護(hù)和Baldwin規(guī)則等反應(yīng)和理論，有助于學(xué)生加深對(duì)于糖化學(xué)基本原理的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)所用原料廉價(jià)易得、反應(yīng)條件溫和、重復(fù)性好，且涉及減壓蒸餾、重結(jié)晶、過(guò)濾、TLC分析、核磁共振實(shí)驗(yàn)等多種有機(jī)實(shí)驗(yàn)操作，有利于學(xué)生全面掌握有機(jī)化學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)驗(yàn)采用了“一鍋法”的方法提高了反應(yīng)的步驟經(jīng)濟(jì)性，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)于學(xué)科前沿的探索熱情。