初曉輝，高 娜，王進(jìn)軍

葉綠素-a 的降解基本都開始于外接環(huán)上的羰基反應(yīng)，進(jìn)而形成降解產(chǎn)物.例如，人們從海生動(dòng)物短頸蛤蠣中發(fā)現(xiàn)了通過葉綠素空氣氧化所得到的葉綠千葉酸-a 甲酯（A）［1］，包括132，172-環(huán)并脫鎂葉綠酸-a 醇（B）、132-羥基葉綠素酮（C）和151-羥基環(huán)酮并紅質(zhì)素-18 內(nèi)酯（D）在內(nèi)的大量葉綠素降解產(chǎn)物也從不同的海洋生物中分離出來［2］.在葉綠素化學(xué)研究中，其五元外接環(huán)酮的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換是銜接和擴(kuò)展葉綠素碳絡(luò)的基本手段，可以分別轉(zhuǎn)換成醛基、酮基、內(nèi)酯和酯基等活性羰基結(jié)構(gòu)，也是合成各種具有葉綠素基本碳架的二氫卟吩衍生物的重要切入點(diǎn)［3-5］.

連接于芳香體系上的甲?；哂袠O易官能化的化學(xué)反應(yīng)特征，在有機(jī)合成中占據(jù)特殊位置.對(duì)于葉綠素而言，在大環(huán)色基的不同位置上引進(jìn)高反應(yīng)活性的醛基，是開展化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾的重要前期工作，也是設(shè)計(jì)具有應(yīng)用價(jià)值非對(duì)稱性二氫卟吩四吡咯大環(huán)分子（圖1）的基本策略.為了深化葉綠素的化學(xué)研究，本文基于前期的工作基礎(chǔ)，選擇脫鎂葉綠酸-a 甲酯（1，簡(jiǎn)稱MPa）為起始原料，通過其外接環(huán)的轉(zhuǎn)換和空氣氧化反應(yīng)并選擇新的溫和氧化劑，完成了帶有活性甲酰基結(jié)構(gòu)葉綠素衍生物的合成，合成流程詳見圖2.

圖1 具有二氫卟吩基本碳架結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物

圖2 12-含氧基團(tuán)取代的N-甲氧基-紅紫素-18 己亞酰胺的合成

脫鎂葉綠酸-a 甲酯1 的五元E-環(huán)有兩邊連接于二氫卟吩母環(huán)，為了維持大環(huán)自身特定的非平面結(jié)構(gòu)，與外接環(huán)共用的兩邊已經(jīng)形成定向扭曲，而余下的兩個(gè)碳原子則分別采取sp3和sp2的雜化形式.由于整個(gè)分子的非對(duì)稱性，外接環(huán)很難與大環(huán)形成共平面，因此，僵直的剛性賦予了E-環(huán)上碳氧雙鍵及其鄰位亞甲基以很高的化學(xué)反應(yīng)活性.在E-環(huán)羰基的鄰位還連有一個(gè)含有多氧成分的甲氧甲?；?，所構(gòu)成的β-酮酯部分應(yīng)該顯示出酮、酯和活潑亞甲基的化學(xué)反應(yīng)活性.除了E-環(huán)上在132-位的α-活性氫以外，12-位甲基與E-環(huán)酮通過C12-C13雙鍵可以形成烯酮結(jié)構(gòu)，131-位羰基的電子效應(yīng)可以通過雙鍵的插烯作用而傳遞到C12-甲基上，因而可以推測(cè)出12-位甲基應(yīng)該具有活性α-位的相應(yīng)反應(yīng)性質(zhì).將MPa 1 溶解于異丙醇和四氫呋喃的混合溶液中，然后加入氫氧化鈉水溶液，在60 ℃條件下，通入氧氣劇烈攪拌，以53%的產(chǎn)率生成紅紫素-18 酯2，將其在吡啶中與鹽酸羥胺作用，歷經(jīng)胺解和再環(huán)合過程，高產(chǎn)率地得到N-羥基取代的紅紫素-18 酰亞胺3.在氫氧化鋰催化下，N-甲氧基紅紫素-18 酰亞胺甲酯3在甲醇和四氫呋喃混合液中開口劇烈攪拌，與空氣中的氧氣順利地發(fā)生氧化反應(yīng)，然后再于5%硫酸甲醇溶液進(jìn)行酯化，分別以42%和21%的產(chǎn)率分離出N-甲氧基-12-羥甲基紅紫素-18 己亞酰胺4 和目標(biāo)產(chǎn)物N-甲氧基-12-甲?；t紫素-18 己亞酰胺5.

為了使得階段性氧化產(chǎn)物4 的C12-位羥甲基進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成高活性的甲?；?，筆者嘗試了包括PCC、活性二氧化錳和瓊斯試劑在內(nèi)的多種氧化試劑，其結(jié)果均不理想.最后，將溶解于乙酐中的紅紫素-18 亞酰胺用亞硝酸鈉快速處理，則以49%的產(chǎn)率得到期待的氧化產(chǎn)物5.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

使用上海產(chǎn)UV-1900 型紫外分光光度計(jì)測(cè)定UV-vis，溶劑為二氯甲烷；使用Bruker ARX-400 型核磁共振儀測(cè)定1H NMR，溶劑為CDCl3，內(nèi)標(biāo)為TMS；使用Perkin-Elmer 1730 型傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)定IR（KBr 壓片）；使用Perkin-Elmer 2400 型元素分析儀測(cè)定元素分析（所有新化合物的C、H、N 的元素分析數(shù)值均小于3%）.所用試劑均為分析純或者化學(xué)純，脫鎂葉綠酸-a 甲酯按照文獻(xiàn)［5］制備.

1.2 紅紫素-18 甲酯2 的合成

將1 g（1.649 mmol）脫鎂葉綠酸-a 甲酯1溶解于100 mL 異丙醇和200 mL 丙酮中，取7.7 g 氫氧化鈉溶于50 mL 水中，并將其倒入混合液中，在空氣中開口攪拌2 h 后，用25%的硫酸溶液將pH 值調(diào)節(jié)為2，先后加入10 mL水和15 mL 二氯甲烷分層，分出有機(jī)相，水相用二氯甲烷萃取，合并有機(jī)相，用無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，然后用過量重氮甲烷乙醚溶液甲基化，減壓濃縮后硅膠柱層析分離［洗脫劑：V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）=2∶1］，得到370 mg 紫紅色固體2（0.874 mmol），產(chǎn)率為53%.m.p.166～168 ℃；UV-vis（CH2Cl2）λmax：396（1.00），422（0.89），519（0.15），698（0.55）nm；1H NMR（CDCl3）δ：-0.19，-1.51（2H，each br s，NH），1.63（3H，t，J=7.4 Hz，8b-CH3），1.82（3H，d，J=7.5 Hz，18-CH3），2.10～2.89（4H，m，17a-H+17b-H），3.22，3.43，3.60，3.66（3H，each s，CH3+ OCH3），3.61（2H，q，J=7.2 Hz，8a-H），4.60（1H，q，J=7.3 Hz，18-H），5.19（1H，dd，J=8.9，2.2 Hz，17-H），6.20（1H，d，J=11.5 Hz，cis-3b-H），6.30（1H，d，J=17.8 Hz，trans-3b-H），8.00（1H，dd，J=17.8，11.5 Hz，3a-H），8.90，9.60，9.65（each 1H，each s，meso-H）.IR（KBr）v：2 976～2 850（C-H），1 738，1 695（C=O），1 638（C=N），1 615（C=C）cm-1.

1.3 N-羥基紅紫素-18己內(nèi)酰胺甲酯3的合成

將200 mg（0.357 mmol）紅紫素-18 2 溶于15 mL 吡啶中，并向其中加入500 mg 鹽酸羥胺，室溫下攪拌反應(yīng)5 h，加入3%鹽酸6 mL，水200 mL，用二氯甲烷萃取（100 mL×3），有機(jī)相水洗除酸，減壓蒸除溶劑后，500～800 目硅膠制備薄層色譜分離［展開劑：V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）=1∶1］，得到157 mg 紫紅色固體3（0.264 mmol），產(chǎn)率78%.m.p.215～218 ℃；UVvis（CH2Cl2）λmax：369（0.72），424（1.00），557（0.27），717（0.40）nm；1H NMR（400 MHz.CDCl3）δ：0.51，0.43（each br s，each 1H，NH），1.60（t，J=7.6 Hz，3H，8-CH3），1.69（d，J=7.3 Hz，3H，18-CH3），2.68～2.80，2.37～2.53，1.88～2.20（each m，4H，17a+17b-H），3.71，3.60，3.29，3.08（each s，each 3H，CH3+OCH3），3.55（q，J=7.6 Hz，2H，8a-H），4.30（q，J=6.8 Hz，1H，18-H），5.18（dd，J=8.4 Hz，1H，17-H），6.16（d，J=11.1 Hz，3b-H），6.26（d，J=17.6 Hz，3b-H），7.83（dd，1H，J=17.6，11.1 Hz，3a-H），9.65，9.11，8.24（each s，each 1H，meso-H）；IR（KBr）v：3 430（N-H），2 977～2 886（C-H），1 703～1 738（C=O），1 631（C=C）1 549（chlorin skeleton），1 501，1 420，1 010 cm-1.

1.4 12-羥甲基-N-羥基紅紫素-18 己內(nèi)酰亞胺甲酯4 和12-甲酰基-N-羥基紅紫素-18己內(nèi)酰胺甲酯5 的合成

在35 mL 二氯甲烷中溶解380 mg（0.720 mmol）N-羥基紅紫素18 酰亞胺甲酯3，然后，加入氫氧化鋰水溶液（0.4 g LiOH+5 mL 水，再加20 mL 甲醇），室溫條件下劇烈攪拌4 h，用25%的乙酸將反應(yīng)液調(diào)至pH≈6，加入二氯甲烷和水分層，分出有機(jī)相后用二氯甲烷萃取（150 mL×3），將有機(jī)相合并，用水洗滌至中性，用無水硫酸鈉干燥，過濾后減壓濃縮至干.用3 mL 二氯甲烷溶解后加入重氮甲烷乙醚溶液，振搖后（約1 min）快速用冰乙酸處理未反應(yīng)的重氮甲烷，再用二氯甲烷和水萃取洗滌（150 mL×3），合并有機(jī)層，水洗，無水硫酸鈉干燥，減壓蒸除溶劑，500～800 目硅膠制備薄層色譜分離［展開劑：V（苯）∶V（甲醇）=10∶1］，分別得到12-羥甲基-12-去甲基-N-甲氧基紅紫素18 乙酰亞胺甲酯4（42%）和12-甲?；?N-甲氧基紅紫素-18 乙酰亞胺甲酯5（21%）.4：m.p.291～294 ℃；UV-vis（CH2Cl2）λmax：367（0.57），419（1.00），556（0.25），651（0.10），708（0.37）nm；1H NMR（400 MHz.CDCl3）δ：0.65，-0.02（each br s，each 1H，NH），1.63（t，J=7.6 Hz，3H，8-CH3），1.71（d，J=7.3 Hz，3H，18-CH3），2.75～2.85，2.38～2.54，1.88～1.99（each m，4H，17a+17b-H），4.38，3.59，3.28，3.09（each s，each 3H，CH3+OCH3），3.57（q，J=7.6 Hz，2H，8a-H），4.30（q，J=7.3 Hz，1H，18-H），5.19（d，J=7.3 Hz，1H，17-H），5.78（br s，1H，12-OH），6.03（d，1H，J=15.2 Hz，12a-H），6.07（d，1H，J=15.2 Hz，12a-H），6.17（d，J=11.5 Hz，1H，3b-H），6.27（d，J=17.8 Hz，1H，3b-H），7.81（dd，1H，J=17.8，11.5 Hz，3a-H），9.47，9.16，8.42（each s，each 1H，meso-H）；IR（KBr）v：3 430（N-H），2 982～2 888（CH），1 696～1 737（C=O），1 630（C=C）1 548（chlorin skeleton），1 512，1 412，1 023 cm-1.5：m.p.234～237 ℃；UV-vis（CH2Cl2）λmax：379（0.70），423（1.00），585（0.27），659（0.24），715（0.44）nm；1H NMR（400 MHz.CDCl3）δ：0.80，-0.06（each br s ，each1H，NH），1.60（t，J=7.6 Hz，3H，8-CH3），1.67（d，J=7.3 Hz，3H，18-CH3），2.76～2.86，2.48～2.58，2.36～2.45，1.85～1.95（each m，4H，17a+17b-H），4.35，3.62，3.22，2.97（each s，each 3H，CH3+OCH3），3.49（q，J=7.6 Hz，2H，8a-H），4.18（q，J=7.4 Hz，1H，18-H），5.07（d，J=9.1 Hz，1H，17-H），6.16（d，J=11.5 Hz，1H，3b-H），6.22（d，J=17.8 Hz，1H，3b-H），7.68（dd，1H，J=17.8，11.5 Hz，3a-H），10.21，8.79，8.16（each s，each 1H，meso-H），11.78（s，1H，CHO）；R（KBr）v：3 429（N-H），2 977～2 892（C-H），1 697～1 743（C=O），1 632（C=C）1 550（chlorin skeleton），1 501，1 422，1 034 cm-1.

在5 mL 乙酐中溶解50 mg 化合物4，室溫?cái)嚢柘乱淮涡约尤胙谐煞勰畹?20 mg 亞硝酸鈉，繼續(xù)攪拌1 min，迅速加入10 mL 冰水，用二氯甲烷萃?。?0 mL×3），水洗、干燥、濃縮，500～800 目硅膠制備薄層色譜分離［展開劑：V（苯）∶V（甲醇）=10∶1］，分離出化合物5（49%）.

2 結(jié)果與討論

2.1 紅紫素-18 己亞酰胺的氧化反應(yīng)機(jī)理

二氫卟吩3 的外接環(huán)結(jié)構(gòu)為環(huán)己內(nèi)亞酰胺，兩個(gè)內(nèi)酰胺羰基分別連接在二氫卟吩色基的13-位和15-位上，二者都可以通過插烯結(jié)構(gòu)以共軛的形式與12-位甲基構(gòu)成一個(gè)類同羰基α-位的反應(yīng)區(qū)域.在堿性條件下，氫氧負(fù)離子促進(jìn)了內(nèi)亞酰胺羰基的烯醇式異構(gòu)，所生成的烯醇負(fù)氧離子3a 通過電子轉(zhuǎn)移與氧分子發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而奪取反應(yīng)體系中的質(zhì)子形成二氫卟吩過氧化氫3b，詳見圖3.

圖3 N-甲氧基-紅紫素-18 己亞酰胺的空氣氧化反應(yīng)機(jī)理

氫氧負(fù)離子可以通過兩種形式的親核作用截?cái)噙^氧鍵，由于過氧鍵的吸電子作用使得C121-碳上帶有部分正電荷，所以第一種截?cái)嘈问绞菤溲踟?fù)離子以親核取代的方式直接進(jìn)攻12-位碳原子，作為離去基團(tuán)的氫氧負(fù)離子被羥基取代，得到12-羥甲基紅紫素-18 己內(nèi)亞酰胺4；另外一種是進(jìn)攻12-位氫原子發(fā)生異構(gòu)化（類似于消去反應(yīng)），生成連有烯醇過氧鍵中間體3c，然后，再經(jīng)電子轉(zhuǎn)移開裂過氧鍵，去除一個(gè)氫氧負(fù)離子，形成了碳氧雙鍵，從而轉(zhuǎn)化成12-甲酰基取代的紅紫素己內(nèi)亞酰胺衍生物5.

作為氧化劑的亞硝酸鈉A 的氧化過程首先與乙酸酐B 發(fā)生親核加成反應(yīng)，所形成的四面體中間體C 經(jīng)電子轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化成乙亞硝酸酐D 和乙酸根E.乙酰基的引入活化了氮氧雙鍵的反應(yīng)活性，12-羥甲基紅紫素-18 亞酰胺4（分子式中P=Purpurin 紅紫素母環(huán)色基）可以與混酐E 中的N=O 進(jìn)行親核加成而生成中間體F，然后反應(yīng)體系中的堿（如乙酸根、亞硝酸根和乙酐等）奪取羥基α-位質(zhì)子，促進(jìn)完成氧化過程而得到12-甲?；t紫素-18 亞酰胺5，同時(shí)也生成了負(fù)氮離子G，后者再經(jīng)電子轉(zhuǎn)移裂分為乙酸H 和一氧化氮I，詳見圖4.

圖4 12-羥甲基紅紫素-18 亞酰胺4 與亞硝酸鈉的氧化反應(yīng)機(jī)理

在不同反應(yīng)條件下，分別選擇PCC、活性二氧化錳和瓊斯試劑等專屬氧化劑對(duì)化合物4 的12-位羥甲基實(shí)施氧化，除了活性二氧化錳得到極微量的目標(biāo)產(chǎn)物以外，其他反應(yīng)均給出難于處理的粘稠物，其原因可能是二氫卟吩大環(huán)的多電子密度區(qū)域?qū)ρ趸瘎┻^于敏感，從而形成混亂的氧化產(chǎn)物.

2.2 紅紫素-18 己亞酰胺的12-位結(jié)構(gòu)變化與氫譜表征

N-取代紅紫素-18 己亞酰胺3～5 的核磁共振氫譜（圖5、圖6）清晰地反映出其12-位的結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)也有力地佐證了作者所提出的氧化反應(yīng)機(jī)理.

圖5 12-羥甲基紅紫素-18 亞酰胺3 的1H-NMR 譜圖

圖6 12-羥甲基紅紫素-18 己亞酰胺4 和5 的局部1H-NMR 譜圖

在紅紫素-18 己亞酰胺整個(gè)氧化反應(yīng)過程中，除了C-亞環(huán)上12-位甲基發(fā)生變化以外，并沒有涉及到其他區(qū)域的化學(xué)結(jié)構(gòu).以紅紫素-18 幾亞酰胺3 的氫譜為例，由于共軛芳香性大環(huán)的去屏蔽作用，5-，10-和20-meso-位氫原子的振動(dòng)吸收均出現(xiàn)在低場(chǎng)（δ>8.00），其A-亞環(huán)上乙烯基的3 個(gè)氫質(zhì)子分別出現(xiàn)在δ=7.83、6.26 和6.16 處，順/反3b-H 和3a-H 分別以大的偶合常數(shù)（J=11.1 和J=17.6）相互偶合.C17-位和C18-位的兩個(gè)質(zhì)子的化學(xué)位移分別裂分為兩重峰和三重峰，二者的δ值（5.18 和4.30）也相差較大，其原因可歸結(jié)17-為質(zhì)子受到15-位亞酰胺羰基的磁各向異性效應(yīng).在δ=3.08～3.71 區(qū)域中五個(gè)吸收強(qiáng)度很高的3H 單峰隸屬于母環(huán)上的三個(gè)甲基、17-位尾端酯基中的甲氧基和外接環(huán)上的N-甲基.8-位上的乙基上兩組相互偶合的質(zhì)子吸收峰則出現(xiàn)在δ=1.69 和δ=1.60 處，二者的偶合常數(shù)為J=6.6 Hz.

與化合物3 相比，除了12-位甲基的高強(qiáng)度單峰吸收信號(hào)消失以外，紅紫素-18 己亞酰胺醇4 和醛5 其他質(zhì)子的吸收基本不變，12-位連帶結(jié)構(gòu)的氫譜變化可以很清晰地證明空氣氧化反應(yīng)過程，也確定了氧化產(chǎn)物4 和5 的化學(xué)結(jié)構(gòu).二氫卟吩醛5 在δ=11.78 ppm 處的低場(chǎng)單峰反映出新生成的12-位甲?；|(zhì)子的振動(dòng)頻率，其10-位meso-H 的化學(xué)位移也承載著碳氧雙鍵的去屏蔽效應(yīng)而抵償移動(dòng)至10.21 ppm 處；觀察二氫卟吩醇4 的核磁共振譜圖可以發(fā)現(xiàn)，在6.00～6.10 區(qū)間出現(xiàn)了裂分為d 峰的兩個(gè)亞甲基質(zhì)子吸收峰，在其鄰近的δ=5.78 ppm 處凸起一個(gè)矮寬的羥基吸收峰，從而確定12-位的甲基已經(jīng)氧化成羥甲基結(jié)構(gòu).

3 結(jié)論

作為葉綠素-a 的一類重要降解產(chǎn)物，紅紫素-18 亞酰胺的六元外接環(huán)羰基對(duì)12-位甲基具有特殊的活化作用，在氫氧化鋰促進(jìn)下，可以通過插烯效應(yīng)于12-位上發(fā)生空氣氧化反應(yīng)，將甲基分階段氧化成含氧官能基團(tuán)羥甲基和甲?；?通過氧化劑甄選和反應(yīng)條件優(yōu)化，最終選擇在乙酐中用亞硝酸鈉將12-位羥甲基順利氧化成甲?；?，以理想產(chǎn)率得到所期望的氧化產(chǎn)物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)均經(jīng)UV、IR、1H NMR 予以證實(shí).同時(shí)，對(duì)外接環(huán)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和12-位氧化反應(yīng)所涉及的相應(yīng)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究，為合成高活性醛基取代的葉綠素類二氫卟吩衍生物提供了新的反應(yīng)途徑和理論依據(jù).