劉文清

(河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

烯丙基是一位“多才多藝”的明星官能團(tuán)，其結(jié)構(gòu)中的雙鍵，可發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)：如環(huán)氧化、雙羥基化、環(huán)加成、巰烯點(diǎn)擊化學(xué)等(如圖1所示)。眾所周知，復(fù)雜多糖的結(jié)構(gòu)改造往往始于其基本組成砌塊如單糖或二糖的化學(xué)修飾，而其中還原端烯丙基化是合成多種新型糖綴合物的重要步驟[1-2]。因此，烯丙基糖苷在糖化學(xué)合成中扮演著重要角色[3-4]。

圖1 烯丙基在化學(xué)合成中的多樣性

文獻(xiàn)報(bào)道的烯丙基糖苷的合成方法按反應(yīng)機(jī)理的不同分為2大類(如圖2所示)，第1大類方法是通過(guò)氧鎓離子發(fā)生端位碳上親核加成的糖基化反應(yīng)，有3種合成方式。其一，是未被保護(hù)的糖在酸催化下直接與醇反應(yīng)生成相應(yīng)的糖苷，即Fischer糖基化反應(yīng)。通常情況下，反應(yīng)以醇為溶劑，加熱回流，一般得到吡喃糖苷、呋喃糖苷以及少量開(kāi)環(huán)產(chǎn)物的混合物。常用的酸催化劑有CF3SO3H，CF3COOH或H+型磺酸樹(shù)脂等質(zhì)子酸[5-9]，也有使用BF3·Et2O等路易酸的報(bào)道[10]。這種方法的缺點(diǎn)是，反應(yīng)常局限于低沸點(diǎn)的醇，并且反應(yīng)受端基效應(yīng)的影響，主要生成α-吡喃糖苷[11-13]。其二，是被保護(hù)基保護(hù)的鹵代糖，其端基的溴或氯在重金屬鹽(Ag2CO3或HgO)作用下活化，與醇反應(yīng)生成相應(yīng)的糖苷，即Koenigs-Knorr糖基化。該方法通過(guò)C-2酯基的鄰基參與效應(yīng)，可選擇性得到1,2-trans-糖苷，尤其是獲取Fischer反應(yīng)難以得到的β吡喃糖苷[14]。但這種方法的不足之處在于，反應(yīng)步驟較長(zhǎng)，總收率只有44%～65%[15]。其三，是全酰基保護(hù)的糖，其端位乙酸酯在路易斯酸(如BF3·Et2O，TMSOTf或FeCl3)作用下活化，通過(guò)C-2相鄰酯基的參與，與醇反應(yīng)生成1,2-trans-糖苷[16-17]，即Helferich糖基化反應(yīng)。該方法一般適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的糖，反應(yīng)收率較高[18-20]。第2大類方法是端基O-發(fā)生親核取代的烷基化反應(yīng)，以不加保護(hù)基的糖為起始原料，烯丙基溴為烷基化試劑，在NaH堿性條件下，可得到β異構(gòu)體為主的烯丙基糖苷[21]。該方法條件溫和，操作簡(jiǎn)便，路線相對(duì)較短。但反應(yīng)使用高沸點(diǎn)溶劑，導(dǎo)致后處理純化困難，常需增加一步乙酰化來(lái)提純產(chǎn)物，給操作帶來(lái)不便。

圖2 烯丙基糖苷的合成機(jī)理

為了解決烯丙基糖苷現(xiàn)有合成方法步驟較長(zhǎng)、后處理困難等問(wèn)題，可以從2方面入手進(jìn)行研究。一方面，采用更加有優(yōu)勢(shì)的端基O-烷基化的合成方法，根據(jù)端位半縮醛羥基的pKa值小于其他羥基pKa值，從而在堿作用下可以選擇性地得到目標(biāo)化合物；另一方面，考慮到糖易溶于水的特性，摒棄高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑，而選擇水為反應(yīng)溶劑，從而提高溶解度，促進(jìn)反應(yīng)高效進(jìn)行，并且簡(jiǎn)化后處理純化過(guò)程。

本研究設(shè)計(jì)以不加保護(hù)基團(tuán)的糖為起始物，以水為溶劑，在堿性條件下，以烯丙基溴為烷基化試劑，經(jīng)一步反應(yīng)得到烯丙基糖苷目標(biāo)化合物。常見(jiàn)的不加保護(hù)基的單糖或二糖，商品廉價(jià)易得，水為反應(yīng)溶劑更加綠色環(huán)保，盡管反應(yīng)為非均相體系，但通過(guò)增大攪拌速度，可促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。在堿性環(huán)境中，反應(yīng)主要生成以動(dòng)力學(xué)控制的β異構(gòu)體產(chǎn)物。該合成方法基于糖端位O-烷基化的反應(yīng)機(jī)制，從反應(yīng)選擇性、溶解度和后處理純化等方面綜合考慮，通過(guò)一步法實(shí)現(xiàn)路線短、反應(yīng)高效、后處理簡(jiǎn)單的目標(biāo)，反應(yīng)如圖3所示。

圖3 烷基化反應(yīng)合成烯丙基糖苷

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

341型旋光儀(美國(guó)珀金埃爾默公司提供)，Bruker AV-400型核磁共振儀(瑞士布魯克公司提供)，MicrOTOF-Q高分辨質(zhì)譜儀(瑞士布魯克公司提供)。

烯丙基溴、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-乳糖、D-纖維二糖、N-乙?；鵇-葡萄糖胺，均購(gòu)自阿拉丁試劑有限公司；其他試劑由天津市永大化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在烯丙基糖苷的制備過(guò)程中，按照投料量為n(糖)∶n(烯丙基溴)∶n(NaOH) = 1∶2∶1.25反應(yīng)，以水為反應(yīng)溶劑，糖的濃度為0.18 mol/L。首先將烯丙基溴加入到一定量糖的水溶液中，再緩慢滴加NaOH溶液(c=1.1 mol/L)，0.5 h滴畢，室溫反應(yīng)約8 h。采用TLC(展開(kāi)劑V(乙酸乙酯)∶V(甲醇)=7∶3)監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)液用有機(jī)溶劑(乙酸乙酯或正己烷)萃取除去過(guò)量的烯丙基溴，水相減壓濃縮后干燥，經(jīng)重結(jié)晶(醇類溶劑)或柱層析純化(洗脫劑V(乙酸乙酯)∶V(甲醇)=8∶2～5∶5)得到目標(biāo)化合物。

1.2.1 烯丙基β-D-吡喃葡萄糖苷的制備

1.2.2 烯丙基β-D-吡喃半乳糖苷的制備

1.2.3 烯丙基2-乙酰氨基-2-脫氧-β-D-吡喃葡萄糖苷的制備

1.2.4 烯丙基β-D-吡喃葡萄糖基-(1→4)-β-D-吡喃葡萄糖苷的制備

1.2.5 烯丙基β-D-吡喃半乳糖基-(1→4)-β-D-吡喃葡萄糖苷的制備

2 結(jié)果與討論

2.1 堿的種類選擇

以纖維二糖的烯丙基化反應(yīng)考查了堿的種類對(duì)反應(yīng)的影響，如表1所示。選取Cs2CO3，Bu4NOH，LiOH，KOH和NaOH 5種堿，以反應(yīng)收率和2種異構(gòu)體的比例來(lái)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 堿的種類對(duì)反應(yīng)收率的影響

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，加入Cs2CO3反應(yīng)不發(fā)生；以LiOH為堿的反應(yīng)收率最高，β異構(gòu)體的比例也最大；反應(yīng)中加入NaOH的收率略低于LiOH，而β∶α的比例與之相當(dāng)。

通常，在端位烷基化反應(yīng)中，主要得到反應(yīng)活性更高的平伏鍵異構(gòu)體產(chǎn)物(β吡喃糖)。SCHMIDT課題組的ZHU等[22]報(bào)道指出Na+對(duì)于反應(yīng)的立體選擇性至關(guān)重要，這歸因于Na+可與端位烷氧負(fù)離子發(fā)生螯合作用，從而有助于促進(jìn)其β異構(gòu)體的形成。相反，若反應(yīng)中加入冠醚，則螯合作用消失，此時(shí)反應(yīng)更傾向于生成穩(wěn)定性更高的α異構(gòu)體產(chǎn)物。這一現(xiàn)象在VAUZEILLES等[21]和LUBINEAU等[23]均有報(bào)道。

因此，從反應(yīng)成本、產(chǎn)物收率及選擇性角度綜合考慮，最終選擇NaOH為該反應(yīng)的堿。

2.2 堿的用量選擇

以纖維二糖的烯丙基化反應(yīng)來(lái)考查NaOH的用量影響，選取1.05，1.25，1.50，3.00 mmol這4種投料量，以反應(yīng)收率來(lái)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。

由表2可知，NaOH用量在1.05 mmol時(shí)，反應(yīng)的起始原料較多，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)進(jìn)行不完全；當(dāng)使用量增大到3.00 mmol時(shí)，反應(yīng)原料基本消失，但反應(yīng)產(chǎn)生了更多的副產(chǎn)物。因此，選擇在NaOH用量為1.25 mmol時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，收率較高。

表2 堿的用量對(duì)反應(yīng)收率的影響

在優(yōu)化堿的用量實(shí)驗(yàn)中，同步通過(guò)TLC觀察反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)進(jìn)行程度越大，但超過(guò)8 h，副產(chǎn)物逐漸增多，因此，最終確定反應(yīng)時(shí)間為8 h。

2.3 后處理優(yōu)化

由于反應(yīng)是在水相中進(jìn)行，產(chǎn)物又溶于水，為尋找高效簡(jiǎn)便的后處理方式，嘗試以下3種方法(見(jiàn)表3)。

表3 反應(yīng)的后處理方法優(yōu)化

3 結(jié) 語(yǔ)

以探索更加高效簡(jiǎn)便的烯丙基糖苷合成方法為研究目標(biāo)，通過(guò)分析糖端位O-烷基化的反應(yīng)機(jī)理，從反應(yīng)的區(qū)域選擇性、溶解度和后處理純化等方面進(jìn)行方法設(shè)計(jì)和條件優(yōu)化。反應(yīng)的區(qū)域選擇性方面：根據(jù)端位半縮醛羥基的pKa值小于其他羥基pKa值，采用氫氧化鈉這一廉價(jià)易得的堿，選擇性得到以β異構(gòu)體為主的端位烯丙基糖苷。溶解度方面：考慮糖易溶于水的特性，選擇水為反應(yīng)溶劑更加綠色環(huán)保，提高溶解度，促進(jìn)反應(yīng)高效進(jìn)行。后處理純化方面：使用低毒的乙酸乙酯萃取過(guò)量的烯丙基溴，再經(jīng)減壓濃縮、干燥后，經(jīng)重結(jié)晶或柱層析純化，操作簡(jiǎn)單易行。通過(guò)反應(yīng)條件優(yōu)化，確定了n(糖)∶n(烯丙基溴)∶n(氫氧化鈉)=1∶2∶1.25，室溫反應(yīng)8 h，合成了5種烯丙基糖苷目標(biāo)化合物，反應(yīng)收率在72%～90%，實(shí)現(xiàn)了一步法快速高效制備烯丙基糖苷的目標(biāo)(見(jiàn)表4)。

表4 烯丙基糖苷反應(yīng)結(jié)果

完成了水相中一步法制備烯丙基糖苷的研究工作，相較于傳統(tǒng)的Fisher或Koenigs-Knorr等糖基化反應(yīng)，該方法條件溫和，操作簡(jiǎn)便，高效快捷，為進(jìn)一步構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的糖綴合物提供了一種新的合成思路。未來(lái)還需要針對(duì)該方法的后處理過(guò)程開(kāi)展深入研究，重點(diǎn)優(yōu)化重結(jié)晶等適合工業(yè)化的分離提純方式，不斷提升其工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。