（应用化学专业论文）糖番合成的探索性研究——糖的羟基保护和脱保护.pdf

硕士论文糖番合成的探索性研究 y6 2 4 7 9 6 摘要 本论文通过对甲苯磺酰化反应、三苯甲基化反应、氯化反应、乙酰化反应及脱三 苯甲基化反应、脱乙酰化反应研究了糖中羟基的选择性保护及脱保护，同时还研究了 糖苷化反应，对糖番的成环进行了探索。 在0 一d 一甲基葡萄糖苷的伯羟基选择性保护中，通过一系列的工艺改进，简化实 验操作，提高产率，得到了四种a d 甲基葡萄耱苷的衍生物；并使用了一种较温和 的方法，脱去了6 位上的三苯甲基。 在合成糖番中间体的过程中，以0 d 一五乙酰葡萄糖为原料，通过糖营化反应及 脱乙酰化反应，制备了五种糖苷，其中1 , 4 二葡萄糖苷苯又经羟基选择性保护得到了 两种糖番中间体，未见文献报道，经1 h - n m r 、m s 、i r 表征。 以d d 一甲基葡萄糖苷的三种衍生物为模型化合物，参照冠醚合成及p e t 合成的 原理、操作，进行了一系列糖番成环反应的探索性实验。 关键词：对甲苯磺酰化，乙酰化，氯化，三苯甲基化，脱三苯甲基化，脱乙酰化， 糖番 竺三堡兰 塑至垒堕盟堡垂堡塑壅 a b s t r a c t i nt h ea r t i c l e ，t o s y l a t i o n ，t r i t y l a t i o n ，c h l o r o l a t i o n ，a c y l a t i o nw e r ea d o p t e dt op r o t e c tt h e h y d r o x yg r o u p si ns a c c h a r i d e ss e l e c t i v e l y , c y c l i z a t i o nt og l y c o p h a n e sw e r es t u d i e da tt h e s a m et i m e f o u rr a m i f l c a t i o n o f - d m e t h y l g l u c o s i d e w e r e p r e p a r e d w i t ht h em e t h o do f p r o t e c t i n gt h ep r i m a r yh y d r o x yi nm e t h y l g l u c o s i d e ，t r i t y lg r o u p so n6 - h y d r o x yg r o u p sw a s e l i m i l a t e dw i t ham i l dm e t h o d t h em c t h o dw a s s i m p l i f i e da n dt h ey i e l d sw e r ei m p r o v e d i nt h es e r i e se x p e r i m e n t s f i v ek i n d so f g l u c o s i d e sw e r ep r e p a r e db yg l y c o s y l a t i o n a n d d e a c e t ，7 l a t i o n w i t h g l u c o s e a sm wm a t e r a l s ，t w o g l y c o p h a n ei n t e r m i d i a t e sn e v e r r e p o a e dw e r ep r e p a r e db yp r o t e c t i n gt h eh y d r o x yg r o u p si nt h e 1 , 4 - d i g l y e o s i d e b e n z e n e ， t h et w o g l y c o p h a n ei n t e r m e d i a t ew e r ec h a r a c t e r i z e db y1 h o n m r 、m sa n di r r a m i f i c a t i o no f o d - m e t h y l g l u c o s i d ew e r ea d o p t e da sm o d e lc o m p o u n d st os t u d y t h e c y c l i z a t i o n e x p e r i m e n t w h i c hr e f e rt ot h e o p e r a t i o n o ft h e p r e p a r a t i o n o f c r o w n e t h e l k e y w o r d s ：t o s y l a t i o n ，a c e t y l a t i o n ，c h l o r i n a t i o n ，t r i t y l a t i o n ，d e t r i t y l a t i o n ，d e a c e t y l a t i o n ，g l y c o p h a n e i i 硕士论文糖番合成的探索性研究 1 前言 碳水化合物( c a r b o h y d r a t e s ) 也叫糖类( s u g a r ) ，它们是广泛存在于动植物体内极为重 要的一大类天然有机化合物，同蛋白质、核酸合称为生命的三大基础物质。长期以来 由于糖链结构的复杂性和研究手段的局限性，对糖的认识和研究远远滞后于蛋白质和 核酸。但近年来，随着各种检测手段相继问世和生物技术的飞速发展，糖显的越来越 重要：糖具有重要的生物学功能不仅为人体提供能量和结构物质，而且是生命 过程中重要的信息载体。例如，淀粉是人不可缺少的食品，进入人体后经各种酶转化 为葡萄糖，再逐步水解为水和二氧化碳，同时放出热量，每摩尔淀粉可产生约2 8 2 0 1 0 热量；脱氧核糖核酸( o x y r i b o n u c l e i ca c i d ，简称d n a ) 是携带遗传信息的物质，它 的基本结构单元中就有戊糖一一b d 2 脱氧核糖。糖是工业上不可或缺的原料。 例如，食品和酿造工业所用的谷物主要含淀粉，造纸、棉纺用料和建筑用木材主要是 纤维素等；而且所合成的糖类衍生物也已经广泛应用于生物医药、表面活性剂和新材 料等，维生素c 就是一种单糖的衍生物；因为植物的光合作用可得到糖，所以它是 一种可再生资源，这在全世界面临着环境污染、能源枯竭的今天显得尤为重要。糖 衍生物的特殊结构也赋予了其特殊的功能。例如，在研究分子识别方面，环糊精和糖 番都作出了巨大的贡献，尤其是环糊精，已经成为构筑人工酶的首选。所以糖化学被 称为生物化学的最后一个前沿，碳水化合物的研究具有及其重大的理论意义和实际意 义。 1 1 超分子化学和糖番 超分子化学是研究超分子体系中主体( 受体) 和客体( 底物) 间以非共价键相互 作用的化学。自从c j p o d e r s o n ，j m 。l e h n 和d j c r a m 共享了1 9 8 7 年的诺贝尔化 学奖以来，超分子化学的发展越来越受到人们的广泛关注。尤其是近年来，学术刊物 ( s u p u r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y 的创干u 和几本有影响的专著的问世，更使得超分子 化学发展成一门涵盖生物无机化学、有机化学、分析化学，以及与生命科学、材料科 学和信息科学密切相关的新兴边缘学科。超分子体系中的主体是一些天然或人工合成 的受体分子，如环糊精、冠醚、杯芳烃、糖番等，客体是一些能与主体通过非共价键 发生相互作用的分子或离子。主一客体结合过程中的分子识别是超分子化学的基础和 核心。分子识别是主体对客体选择性结合并产生某种特定功能的过程，是组装高级结 构的必要途径和研究组装体功能的基础。它们不是靠传统的共价键力，而是靠称为非 磺士论文糖番台成的探索性研究 共价键力的分子间的作用力，如范德华( v a nd e rw a a l s ) 力、疏水相互作用和氢键 等。 t e t r a h e d r o n 和 c h e m i c a lr e v i e w 杂志分别于1 9 9 5 年和1 9 9 7 年发表了“分 子识别”专辑。 可以相信，在2 l 世纪，化学家和生物学家将运用分子识别方面的某些知识来解 决面临的诸如在分析和分离、催化和药物控制等方面的问题。 1 1 。1 冠醚 冠醚o3 是一类人工合成的受体，作为第一代超分子主体化会物，最初曾以其对碱 金属、碱土金属特殊的识别能力引起了人们的广泛关注。三十多年来，对其性能的研 究更是扩展至u 对各种重金属离子及稀土离子的高选择性识别方面。设计合成能够高选 择性的识别单一金属离子的冠醚，在金属离子的选择萃取、分离、输送、检测以及络 合催化等方面具有更加重要的应用价值。为了得到高选择性的功能体系，控制主一客 体间的配位现象，对冠醚的合成及配位作用的研究已经做了许多工作。然而，基于冠 醚的高选择性功能超分子体系设计、合成和性能研究仍然是当今超分子化学的一个热 点。 1 1 2 环糊精 环糊精”“是d 一吡喃葡萄糖单元以a 一1 ，4 - 糖苷键相结合。互为椅式构象的环状 低聚糖，具有独特的“外亲水、内疏水”的分子结构。能够键合各种有机、无机和生 物分子形成主一客体包结配合物，因此被广泛用作超分子体系中的受体。天然环糊精 自身作为超分子受体，其键合能力存在一定的局限性。自从f r e u d e n b e r g 发表环糊精 化学修饰方面的第一篇研究论文( 1 9 3 5 年) 以来，各种不同修饰基团的环糊精衍生物 被合成出来，作为合成受体在科学和技术等多个领域得到了广泛的应用。其中，在分 子识别方面的应用更是受到科学工作者的极大关注。利用其独特的识别功能，环糊精 已成为构筑人工酶的首选模型。 环糊精及其许多衍生物在科学和技术的诸多领域得到广泛应用可能归于该类化 合物的如下特征0 1 ：( 1 ) 这类化合物是比较容易得到的半天然产物，可以通过淀粉的酶 促降解大量制各；( 2 ) 对于合成化学家来说，这种化合物化学性质稳定，可以进行各种 选择性修饰；( 3 ) 环糊精的空腔可以提供与模型底物结合的空间，当底物分子与环糊精 形成包结配合物后，其化学反应性能以及光、电、磁等物理性能在特定情况下有可能 发生改变：( 4 ) 环糊耪没有毒性( 或低毒性) ，并可以在生物体内降解，因此可以作为 脂溶性药物载体、食品添加剂、化妆品填科在工业技术上得到应用。 2 硕士沧文糖番台成的探索性研究 1 1 3 杯芳烃 近些年来，杯芳烃这一类新型的具有独特空穴结构的大环化合物，在超分子化学 研究方面取得的成果受到科学家的重视，被誉为继冠醚、环糊精之后的第三代超分子 主体化合物”。它是由苯酚单元通过亚甲基连在酚羟基的临位连接而构成的的一类环 状低聚物，与冠醚和环糊精相比具有如下特点“1 ：( 1 ) 它是一类合成的低聚物，它的空 穴结构大小的调节具有较大的自由度，目前已经合成了4 2 0 个苯酚单元所构成的不 同空腔尺寸的杯芳烃；( 2 ) 通过控制不同的反应条件及引入适当的取代基，可固定所需 要的构象：( 3 ) 杯芳烃的衍生化反应，不仅在杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位， 而且连接苯环单元的亚甲基都能进行各种选择住功能化，这不仅能改善杯芳烃自身永 溶性差的不足，而且还可以改善其分子络合能力和模拟酶活力：( 4 ) 杯芳烃的热稳定性 及化学稳定性好i ( 5 ) 杯芳烃能与离子和中性分子形成主一客体包结物，这是集冠醚和 环糊精两者之长；( 6 ) 杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为廉价的产品，事实上现在 已有多种杯芳烃商品化。 1 1 4 糖番”1 2 1 1 9 8 6 年又诞生了另外一种受体分子糖番g l y c o p h a n e ，简称g p 6 l ( 如图1 1 ) 。糖 番是一类由含糖基和含芳基结构分子组成的新型合成受体分子，它同时具有天然环糊 精的手性环境、亲脂性空腔和良好的水溶性及合成环番的电子作用特性。它的设计思 想是用醛糖衍生物的结构单元插入带亲脂性空腔的c p ，这种设计思想赋予新的大环 化合物许多有趣的功能。首先，可以合成己知绝对构型的手性受体。由于手性单元包 含在环中而不是环外，该受体提供了重要的内部手陛环境。这种手性空腔可以用作对 映异构选择的合成受体，它在稀溶液中是有效的。其次，这样合成的g p 是中性水 溶的。中性合成受体与底物的作用对分子间作用力的影响是均匀的。最后，由醛糖引 入的羟基对某些底物有附加的吸引作用，也可以和其他底物反应或官能团化。官能团 化的合成受体可作为有前途的生物模拟体系。 0 一0 秽q 。 。x 泛 x o 。 lj o h “、d 刁“ ” l l oo 图1 1 ：最早的g p 的分子示意图 硕士论文糖番合成的探索性研究 改变糖番上的糖基和芳基，可以得到结构不同的糖番；通过对糖番中糖基或芳基 的合理修饰，也可合成一系列对生物分子具有识别作用的新型手性模型化合物。糖番 可以用于水溶液中寡糖与凝集素和抗体间的络合作用，糖脂一糖脂间的识别，糖一 糖识别的理论研究，并可以开发其在生物，医药，催化等领域的应用。例如：糖番对 于2 ，4 - 二硝基苯氨基乙酸衍生物的外消旋混合物水溶液显示出很好的手性识别能力 “1 。此外，有研究。1 表明，当环糊精做受体在和不同的对硝基苯糖苷结合时，从分子 角度并没有发现不同糖苷和环糊精络合物稳定性和选择性的不同，但在使用糖番作为 受体时却发现了稳定性有相当大的差别，也就是说糖番对各种对硝基糖苷能选择性的 识别。 自1 9 9 3 年起，p e n a d e s 7 - 1 0 领导的碳水化合物研究小组，开展了对g p 的合成、 结构、性能与应用的系列研究，由于其结构复杂，通常用【m + n 】_ g p 的符号来代表g 巴 其中m 代表含糖基的组分数：n 代表含芳基的组分数，例如，图1 2 结构1 的g p ，命 名为【2 + 2 一g p ；而图1 2 结构2 的g p , 命名为【1 + 1 】一g p 。精确的命名可查阅美国 化学文摘。 m 嚣。洋 ，o 办砖 o 12 图1 2 ： 2 + 2 】一g p 和( 1 + 1 】一g p 的结构 由于糖番的合成具有较高的难度，所以在其近2 0 年的发展时间里，总共只合成 了1 1 种；可能是由于数量较少，所以并没有得到广泛的应用。而且已知的这些糖番， 都是国外的研究者合成的，他们对糖番的性质和结构也做了比较多的工作，但是与冠 醚、环糊精及杯芳烃相比，这些研究还相差甚远，更令人遗憾的是，近年来，对糖番 的研究基本处于停滞状态。国内研究糖番的更是少之又少，目前所知，仅我们几个研 究生在方志杰教授领导下研究这方面的一个国家自然科学基金课题，2 0 0 2 年方老师 第一次综述了糖番的合成及作用并确定了它的中文名“，且国内未见合成新糖番的报 道。 4 睇6 蟛 硕士论文糖番台成的探索性研究 1 2 糖番的合成 1 2 1 合成路线的确定 w i l c o x “1 确定糖番的合成策略如图1 3 所示。目标化合物3 通常具有c ：对称轴， 对称的芳香族化合物1 立体选择性的核糖基化，得到c ，对称的手性双c 一糖苷2 ，后 者可以关环转变为大环目标化合物3 。其中r ，x 1 。x 2 y 和z 是可变的；醛糖理论 上可以是所有的单糖，二糖等衍生物。这样的合成策略后来成为合成含单糖单元和含 二糖单元的g p 的通用方法。 r y 2 图1 3 ：w i l c o x 合成糖番的策略 “1 确 略釉“ l 如图1 4 所示：p e n a d 6 s 1 7 以二糖呜海藻糖1 作为亲水部分，使用2 ，7 - 二萘 酚合成了一种【2 + 2 】g p 。l 是一个具有c 2 对称性，分子呈凹形的二糖特别适合 于制各具有对称性的手性受体。将其6 ，6 位的伯羟基三苯甲基化，然后使其余的 仲羟基苯甲酰化，再脱去三苯甲基得海藻糖衍生物2 ，进而增加其反应活性，得到3 ， 3 与2 ，7 - 二萘酚反应可以方便地合成g p s 的衍生物4 得率为1 2 脱保护后得对 应的【2 + 2 】一g p s 。 q 。 硕士论文糖番合成的探索性研究 一。孑7 0 、。o 。 hoh o。h 。驴太zo 。b ：z g ：箩：丢b z 一：蠢冀 5 图l _ 4 ：p e n a d 6 s 合成 2 + 2 3 一g p s 的路线 根据这样的合成思想，我们设计合成目标化合物的路线如图1 5 所示：从无水葡 萄糖出发，先制备五乙酰葡萄糖，经糖苷化反应得到3 ，可以看到3 与海藻糖类似具 有对称结构，再经过一系列糖的羟基保护与脱保护得到4 ，然后成环制得糖番其中 r 可以是o h 、0 t s 、c 1 等，具有一定的反应活性，以便进行成环反应。 o ”，o “。 安。坐堡堞& o h o a a 2 o a c c o 暑静0 a 。翘n c rr 兰：亭0 0 a 。弋卜。翘u n c g 图1 5 ：拟定的糖番的合成路线 o 。蔓! 些墨曼 蕾番 s 。 硕士论文 糖番合成的探索性研究 合成糖番要解决的主要问题有两个，一是制各糖番中间体，另一个就是糖番成环 反应。制各糖番中间体就要涉及糖羟基的保护和脱保护我们将在1 2 3 中详细介绍； 在我们设计的合成路线中还涉及到糖苷化反应，对此我们将在1 2 2 中简单介绍。 1 2 2 糖苷化反应 糖苷是一种糖类衍生物，它是指具有环状结构的醛糖或酮糖的半缩醛羟基上的羟 基的氢被烷基或芳基取代得到的化舍物。如n d 葡萄糖上的l 位羟基被苯氧基取代 得到的就是o - d - 葡萄糖苯苷。糖苷经完全水解，糖苷键断裂，产生的耱部分称为糖 基( g l y c o n e ) ，非糖部分称为配基( a g l y c o n e ) 。糖苷是糖在自然界存在的一种重要形 式，几乎各类生物都具有但以植物界分布最广泛，许多糖苷在生物体中起着重要的 生理功能，如对有机体有双向调节作用，抗疲劳、抗衰老、保护心血管等如苯丙素 苷具有抗病毒、抗血小板凝聚等；糖苷经常用来作药，如5 氟脲嘧啶( 5 - f u ) 与葡萄 糖醛酸类成苷，在体内可定向释放5 f u ，起到靶向给药的作用，提高抑瘤效果； 也用在化妆品中，如市面上比较流行的蝶妆，其主要成分就是一种苯酚类糖苷。所以 糖苷的合成受到人们的普遍重视，据统计，至今已有二十多种糖苷化方法，但 k o e n i g s k n o r r 法及其改进法，是长期以来广泛使用的方法各种改进，都是希望采 用新的离去集团，提高异头碳的活性。本文中使用乙酰基作为离去集团。因为乙酰化 糖的1 位碳原子上的乙酰基比其它乙酰基活泼，所以在l e w i s 酸催化下可进行糖苷化 反应，常用的l e w i s 酸有s n c l 。、b f 。e t ：0 等，比较起来，使用b f 。e t a 0 反应条件温和， 且收率较高“。 1 2 3 糖的羟基保护与脱保护 糖类衍生物是一类重要的反应中间体，是合成其他目标化合物的原料，应用非常 广泛。在已知糖番的合成中，所需的糖基部分就是二糖的衍生物。糖环上由于有多个 羟基，每个羟基的空间构型不同，反应活性就有差异，以a d 一甲基葡萄糖苷为例， 它的四个游离羟基的活性顺序为：6 2 3 ，4 。如图1 6 所示为a d 甲基葡萄糖苷的 椅式构型： 图1 6 ：a d 甲基葡萄糖苷的椅式构型 豁。 硕士论文糖番合成的探索性研究 因此，如果我们以6 位作为其反应部位的话，首先要选择性保护6 位羟基，此时 要注意6 位上的保护基还要易于脱去；其次是保护其它羟基，因为这几个羟基的活 性相差不多，所以很难选择性的保护，往往同时保护；最后要脱掉6 位上的保护集团， 这样6 位羟基就可以作为a d 葡萄糖上唯一的活性羟基。糖化学中常用的保护基的 引入与脱除的方法主要有阻下几种： 1 2 3 1 形成璜酸酯【1 5 。1 7 1 因为台成糖番一般都是在二糖的6 - 位同芳香族化合物反应。所以要求6 一位具有较 高的活性，在糖分子中引入磺酸基形成磺酸酯的主要目的在于活化该羟基使之易被其 它亲核试剂取代，从而引入新的集团。磺酸酯的形成一般采取磺酰氯和糖作用。当磺 酰氯的烃基较大时，形成磺酸酯时有选择性，如对甲苯磺酰氯，它将选择性保护6 一 位的伯羟基。以a - d 甲基葡萄糖苷为例，反应路线如图： 对甲苯磺酰氯 图1 。7 ；对甲苯磺酸酯的形成( t s ：对甲苯磺酰基) 1 2 3 2 形成三苯甲基醚【1 8 _ 2 川 1 9 2 4 年h e l f e r i c h 和b e c k e r 首先合成了糖的三苯甲基醚化台物，从此三苯甲基 被广泛用作糖的伯羟基的保护基。当三苯氯甲烷和糖作用时，由于空间位阻效应对 伯羟基具有相当高的选择性，在糖的6 位形成三苯甲基醚，对碱和其它亲核试剂都很 稳定。以a d 一甲基葡萄糖苷为例，反应式如图：p h 3 c c l n 比啶和糖在无水条件下于室温 反应即可。 o h，o t r hoo栈-一&-1詈hhooh豳o hi 图1 8 ：三苯甲基醚的形成( t r ：三苯甲基) 8 硕士论文糖番合成的探索性研究 1 2 。3 。3 卤化【2 1 。2 3 】 卤离子是一个很好的离去集团，糖的伯羟基卤化试剂最好用三苯基膦和四卤化碳 的吡啶溶液，在6 5 下反应3 5 分钟即可；也可用甲磺酰氯的n ，n 一二甲基甲酰胺溶 液。以。一d 甲基葡萄糖苷为例，采用前者的反应路线如图： 1 2 3 4 形成乙酸酯1 2 4 1 p h 3 p c c l 4 o m e 图1 9 ：氯化反应方程式 o m e 形成乙酸酯是最常用来保护羟基的方法，产物在酸性或中性条件下进行反应时， 被保护基不受影响。对于确定的q 或b 构型化合物，例如q d 甲基葡萄糖苷，通常 是将乙酸酐在吡啶溶液中，在室温下进行乙酰化：对于混合的a 或b 构型化合物，例 如无水葡萄糖，因为存在着几种不同的环状结构，所得到的乙酰化异构体的种类则依 赖于乙酰化时所用的温度和催化剂，低温酸催化时生成。异头物，高温碱催化时生成 b 异头物。这种方法选择性很差，凡是游离的羟基均可被保护。以无水葡萄糖为例， 分别经高氯酸、乙酸钠催化，生成a d 五乙酰基葡萄糖和b d 一五乙酰基葡萄糖的反 应路线如图： ，o h 磷o h 。h h c i o 乙酸酐回流 图1 1 0 ：无水葡萄糖形成乙酸酯的反应方程式 1 2 3 5 脱三苯甲基瞄5 l 由于三苯甲基醚对酸不稳定，所以其脱除也很容易，且分子中其他对酸稳定的保 护基不受影响。一般有三种方法：在8 0 乙酸中回流【2 6 】；h b r a c o h 于零度下 9 硕士论文藉番合成的探索性研究 处理f 2 7 j ：硅胶催化柱层析脚1 。相比较而言，前两种方法操作简便但产率较低， 一般不高于5 5 ，是早期常用的方法。硅胶是、。种酸性吸附剂，1 9 6 2 年，b u c h a n a n 和s c h w a r z 首次用它作催化剂得到三苯甲基醚化合物纯品，产率可达8 0 。以 6 - o t r 一2 ，3 ，4 三乙酰基q d 甲基葡萄糖苷为例，反应式如图： 1 2 3 6 脱乙酰基 2 9 , 3 0 | 硅胶催化 图1 1 1 ：脱三苯甲基化反应方程式 脱乙酰基时，必须使糖的羟基的完整性不受影响，故通常用酯交换反应进行这一 过程。在无水的甲醇溶液种，以甲醇钠或甲醇钡为催化剂，可以使乙酰化糖与甲醇发 生酯交换反应，以生成相应的糖和醋酸甲酯。反应条件温和，反应时间短，室温下反 应4 0 分钟即可完成。以2 , 3 ，4 ，6 四乙酰基- n d 一甲基葡萄糖苷为例，反应式如图： n a o m e m e o h b a ( o m e ) 2 +a c o m e 图1 1 2 ：脱乙酰基反应方程式 对于反应产物不容易在甲醇溶液种结晶的糖苷，则用氢氧化钡的无水甲醇溶液脱 乙酰基，反应完毕后再用离子交换法除去b a “，然后减压整除甲醇，再用其他溶剂 结晶产物。氨的无水甲醇溶液也可用于酰化糖苷的脱乙酰基，生成相应的糖和醋酸 胺。 1 0 蠕。 篆 硬士论文糖番合成的探索性研究 2 实验部分 2 1 实验原料和仪器 2 1 1 原料与试剂 所用试剂除特殊说明外均为分析纯； 薄层分析所用硅胶薄板型号为h s g f 2 5 4 ，烟台市芝罘黄务硅胶开发试验厂出品 柱层析硅胶为青岛海洋化工厂分厂柱层析用硅胶1 0 0 2 0 0 目； 显色的硫酸溶液浓度为3 0 4 0 的水溶液； 展开剂为体积比( v v ) ； 蒸馏水自制。 2 1 2 仪器型号 熔点经毛细管法测定且温度计经过校正 核磁共振仪型号为b r a k e rd r x 3 0 0 ： 红外光谱仪型号为b r a k e rv e c t o r - 2 2 ： w f h - - 2 0 3 三用紫外分析仪； z f q 9 5 a 旋转蒸发器。 质谱仪型号为m a r i n et m 5 1 4 0 2 2 d 甲基葡萄糖苷伯羟基的选择性保护与脱保护 为了探索糖中伯羟基的选择性保护与脱保护，我们以n d - 甲基葡萄糖苷为模型 化合物进行了一系列实验。o d 一甲基葡萄糖苷英文名为m e t h y lg l u c o s i d e ，分子 式为c t h l 4 0 6 ，自从1 8 9 3 年由e m i lf i s c h e r 用葡萄糖和甲醇在酸性催化莉下首次合成 以来，已有整整一百年的历史，但是直到2 0 世纪7 0 年代后期才开始引起人们的注意， 并陆续有合成方法及最新的专利报导。o d 甲基葡萄糖苷是一种带有独特环状结构 的四羟基多元醇，属非离子表面活性剂，同时又兼具明离子表面活性剂的许多性能， 具有无毒、无刺激、生物降解性好、配伍性好的特点，为绿色产品，可广泛应用于化 硕士论文糖番台成的探索性研究 工、纺织、医药、食品、化妆品、石油、洗涤剂、涂料等行业。例如，近年来应用于 钻井工程的一种新型水基钻井液，其主剂就是a d - 甲基葡萄糖苷。现在，用于实 验室的生化试剂n d 甲基葡萄糖苷国内没有生产，我们所用的都是国外进口的。 2 2 1 合成与表征 2 。2 1 1 6 一对甲苯磺酰基2 ，3 ，4 三乙酰基q 1 ) - q j 基葡萄糖苷( 1 ) 的制备 反应路线：吡啶中先用对甲苯磺酰氯将n d 甲基葡萄糖苷的6 位羟基对甲苯磺酰化 再用乙酸酐乙酰化其它几个羟基，制得产物i 。 对甲苯磺酰氯 乙酸酐 1 而呻、暖一 m e 1 ( t s 为对甲苯磺酰基p - t o l y l s u l f o n y l 的缩写) 图2 1 ：6 - 对甲苯磺酰基2 ，3 ，4 - 三乙酰基一n - d - 甲基葡萄糖苷的合成路线 操作步骤：向5 0 m l 圆底烧瓶中加入q d - 甲基葡萄糖苷( 2 0 9 ，1 0 r e t 0 0 1 ) 和毗啶( 1 0 m 1 ) ， 加热使a d 甲基葡萄糖苷溶解，然后冰盐浴冷却到一i o c ，磁力搅拌下滴加对甲苯磺 酰氯( 3 5 9 ，1 8 m m 0 1 ) 的二氯甲烷溶液4 m l ，l o 分钟滴加完毕。保持混合物室温下 过夜，加入乙酸酐( 3 m 1 ) ，室温下再反应2 4 小时。搅拌下倒入3 0 0 m l 冰水中，几分 钟后得到白色蜡状固体沉淀，抽滤，将所得固体溶解在2 0 m l 乙酸乙酯中，连续用水、 饱和碳酸氨钠水溶液、水洗，各用2 0 m l 。有机相中加入无水硫酸镁干燥，抽滤，减 压蒸除乙酸乙酯得粘稠糖浆，干燥后用乙醇重结晶，得白色针状晶体2 8 9 ，产率5 7 ，m p ：7 6 - - 7 8 ( 2 ( 文献【1 6 】值为7 6 - - 7 8 c ) t l c ( 乙酸乙酯：正己烷= 1 ：2 ) ：r f = 0 2 3 。 表征： i r ( k b r ) ( 附图i i i 1 ) ：2 9 6 5 8 5 ，2 9 2 9 7 3 ( s ，c h 3 ，c h 2 ) ：1 7 5 6 2 8 ( s ，c = o ) ；1 4 5 4 4 3 ( s ，c h ，苯环) ；1 2 3 6 0 2 ，1 1 7 8 6 9 ，l l l 2 4 9 ( s ，c o ，酸酐) ：1 0 4 7 2 2 ( s ，c 一0 - - c ，醚) ：1 3 6 6 5 0 ( o = s = o ，强) 硕士论文糖番台成的探索性研究 2 2 1 26 - 氯6 脱氧2 ，3 ，4 - 三乙酰基a d - 甲基葡萄糖营( 2 ) 的制各2 卜 方法i ： 反应路线：在毗啶中用三苯基麟和四氯化碳作为氯化试剂，再用乙酸酐乙酰化。 三苯基膦c c l 。乙酸酐 磊一瓦百 m e 2 图2 2 ：6 - 氯6 脱氧2 ，3 ，4 - 三乙酰基一d 甲基葡萄糖苷的合成路线( i ) 操作步骤：a d 一甲基葡萄糖苷( 10 9 ，5 m m 0 1 ) 溶解在1 0 m l 吡啶中，冰水浴、磁力 搅拌下加入三苯基膦( 2 6 9 ，1 0 m m 0 1 ) ，待三苯基膦溶解后滴加四氯化碳( 0 5 m l ， 5 m m o ! ) ，i o 分钟滴完继续冰浴下搅拌i 小时溶液由无色变为浅黄绿色最后变为 浅棕黄色，放入7 0 c 油浴中反应3 5 分钟，取出，待稍冷后减压蒸除溶剂，得浅棕黄 色固体，加入甲苯：水= l ：1 的混合液4 0 m l ，使固体溶解，分液，水相用甲苯洗两 次。每次2 0 m l ，蒸除溶剂得浅棕黄色糖浆，冷却至0 c ，加入1 0 m l 吡啶，5 m l 乙酸 酐，搅拌使糖浆溶解，室温下反应2 4 小时。蒸除溶剂得浅棕黄色固体，溶解在4 0 m l 甲苯：水= 1 ：l 的混合液中，分液，有机相用水洗两次，加入无水硫酸镁干燥，抽 滤，减压蒸除溶剂，得淡黄色晶体，为粗产品，甲醇重结晶后得白色晶体0 7 2 9 ，4 8 ，m p ：9 6 9 8 ，t l c ( 氯仿：甲醇= 6 ：1 ) ：r f ：0 7 0 。 方法： 反应路线：用甲磺酰氯在d m f 中将6 位羟基氯化，再用乙酸酐乙酰化。 甲磺酰氧 d m f 乙酸酐 吡啶 2 图2 3 ：6 - 氯一6 - 脱氧- 2 ，3 ，4 - 三乙酰基a d - 甲基葡萄糖苷的合成路线( i i ) 操作步骤：d d 一甲基葡萄糖苷( 1 2 9 ，6 r e t 0 0 1 ) 溶解在1 2 m l d m f 中，搅拌下分批加 入甲磺酰氯( 1 0 6 m ! ，2 m m 0 1 ) ，1 0 分钟内加完，升温至6 5 c ，在此温度下反应1 6 小时，浓缩反应液，得到黑色糖浆，作t l c ( 环己烷：乙酸乙酯= 3 ：1 ) ，展示有三 疡， 一枷 硕士论文糖番合成的揉索性研究 个点，最下面一个为原料，柱层析，用石油醚( 9 0 1 2 0 c ) ：乙醚= 5 ：2 的混合溶 液淋洗中间的点为产物，熔点为1 l o 1 1 2 c 。将其溶解在2 0 m l 吡啶中，加入3 m l 乙酸酐，室温下过夜，浓缩得棕黄色固体，溶解在3 0 m l 甲苯：水= 1 ：1 的混合液中， 分液有机相用水洗两次，加入无水硫酸镁干燥，抽滤，减压蒸除溶剂，得淡黄色晶 体为粗产品，甲醇重结晶后得白色晶体o 9 2 9 ，产率4 4 ，m p ：9 6 5 9 8 ，t l c ( 氯仿：甲醇= 6 ：1 ) ：r f = 07 1 。 表征： i r ( k b 0 ( 附图i i i - - 2 ) ：2 9 3 9 9 7 ( s ，c h 3 ，c h 2 ) ：1 7 4 3 8 4 ( s ，c = 0 ) ：1 2 3 1 4 0 1 2 6 5 4 3 ( s 。c o 。酸酐) ；1 0 3 9 8 3 ( s ，c o c 。醚) ；7 5 3 ，3 4 ( s ，c - - c i ) 2 2 1 36 - 三苯甲基q d 甲基葡萄糖苷( 3 ) 的制备3 2 反应路线：在吡啶中使用三苯氯甲烷将a d 甲基葡萄糖苷的6 位羟基三苯甲基化。 ，r。oh o t h 鼯餐罟h h 。0 0栈o hh o m e o m e 3 ( t r 为三苯甲基t r i t y l 的缩写) 图2 4 ：o d 甲基葡萄糖昔三苯甲基化路线 操作步骤：5 0 m l 反应瓶中加入a d 一甲基葡萄糖苷( 2 0 9 ，1 0 m m 0 1 ) 和三苯氯甲烷( 3 3 9 ， 1 2 m m 0 1 ) ，倒入3 0 m l 吡啶，搅拌，此时溶液呈淡黄色，5 0 下反应6 小时( 每隔一 小时用薄层色谱检测来判断反应进度，三氯甲烷：丙酮= 2 ：1 ) ，减压蒸除溶剂毗啶， 得浅黄色糖浆；剩余物溶于二氯甲烷用1 0 m l 饱和碳酸氢钠洗涤，再用2 0 m l 去离子 水分三次洗涤，收集有机相，最后用无水硫酸镁干燥，过滤得黄色溶液；减压蒸掉 二氯甲烷。得白色固体，用乙醇重结晶，得白色固体干燥，产量1 6 9 ，产率3 6 ， r a p ：1 2 5 5 1 2 6 ( 2 ，t l c ( 乙酸乙酯：石油醚= 1 ：1 ) ：r e - - - - 0 2 1 。 表征： i r ( k b r ) ( 附图i i i - - 3 ) ：3 3 9 8 1l ( s ，o h ) ；2 9 3 0 4 2 ( s - c h 3 ，c h 2 ) ；1 6 4 9 5 0 ，1 4 9 1 2 2 ， 1 4 4 8 7 3 ( s ，c h ，苯环) ；1 0 4 9 2 0 ( s ，c - - o - - c ，醚) ；7 0 3 9 4 ( 单取代苯的强吸 收峰) 硕士论文糖番合成的探索性研究 2 2 1 46 三苯甲基2 ，3 ，4 三乙酰基口d 甲基葡萄糖苷( 4 ) 的制备1 o l “两步法”： 反应路线：先得到6 - o t r o - d 一甲基葡萄精苷再乙酰化，反应路线如图2 5 所示。 h 0 h p h ，c g i 毗啶 3 乙酸酐 吡啶 m e 4 o m 。 图2 5 ：“两步法”反应路线 操作步骤： ( 1 ) 第一步：操作参照2 2 1 3 。 ( 2 ) 第二步：取2 2 1 3 产物( 1 0 9 ，2 3 m m 0 1 ) 溶于吡啶( 1 0 m 1 ) 中，倒入乙酸酐( 4 m l 。 4 t m m 0 1 ) ，搅拌，溶液呈无色透明状；室温下搅拌2 4 小时，溶液呈肉红色透明捩 用薄层色谱跟踪实验( t l c ，三氯甲烷：丙酮= 2 ：1 ) ；取下，把反应液倒入8 0 m l 冰 水中搅拌，析出白色沉淀，过滤：氯饼溶于1 5 m l 二氯甲烷中，用蒸馏水洗涤两次， 每次2 0 m l ，收集有机相，无水硫酸镁干燥，过滤；浓缩成糖浆，乙醇重结晶得白色 针状片状晶体1 1 9 ，产率：9 2 总产率：3 3 ，m p ：1 3 5 1 3 6 ( 2 ，t l c ( 乙酸乙 酯：石油醚= 1 ：1 ) ：r f = 0 9 3 。 “一锅煮法”： 反应路线：6 位羟基三苯甲基化以后先不提纯，直接将其它羟基乙酰化，反应路线如 图2 6 所示。 o m e ! ! 墨曼l + 三塑竺生 毗啶 吡啶 4 图2 6 ：“一锅煮法”反应路线 操作步骤：- d 甲基葡萄糖苷( 2 0 9 ，1 0 m m 0 1 ) 溶于毗啶( 3 0 m 1 ) 中。n z - - 苯氯 甲烷( 3 3 9 ，1 2 m m 0 1 ) ，5 0 。c 下反应6 小时( t l c ，三氯甲烷：丙酮= 2 ：1 ) ，放置冷 却，冰水浴条件下加入乙酸酐( 8 m l ，9 0 m m 0 1 ) ，升温至室温。在此湿度下反应l o 小 时( t l c ，三氯甲烷：丙酮= 2 ：1 ) ，将反应混合物倒入冰水中搅拌，析出白色固 体，过滤，固体用乙醇加热溶解，进行重结晶，过滤，得到5 4 9 白色晶体，m p ：1 2 7 硕士论文塘番台成的探索性研究 一1 3 0 ，作t l c ( 三氯甲烷：丙酮= 2 ：1 ) 检测，还有部分三苯甲醇没有除去，所 以再次重结晶得到4 2 9 晶体，产率8 0 ，m p ：1 3 5 - - 1 3 6 c ，t l c ( 乙酸乙酯：石 油醚= l ：1 ) ：r f = 0 9 3 。 表征： i r ( k b r ) ( 附图1 1 1 - - 4 ) ：2 9 5 0 2 1 ，2 9 1 9 4 9 ( s ，c h 3 ，c h 2 ) ：1 7 5 0 0 4 ( s ，c 2 0 ) ：1 4 9 1 3 1 t 1 4 4 9 3 0 ( s ，c h ，苯环) ：1 2 2 8 4 4 ，1 2 5 0 9 8 ( s ，c o ，酸酐) ；1 0 3 5 5 6 ，1 0 7 3 3 1 1 ( s 。c o c ，醚) 。 2 2 1 5 6 - 羟基2 ，3 ，4 - - - z ；酰基a d 甲基葡萄糖苷( 5 ) 的制备2 。i 反应路线：使用冰乙酸和浓盐酸的二氯甲炕溶液脱去6 位上的三苯甲基。 4 乙酸。盐酸 c h 2 c 1 2 5 图2 7 ：脱三苯甲基反应路线 操作步骤：取2 14 产物( 3 0 9 5 m m 0 1 ) ，溶解在6 0 m l 二氯甲烷中，室温下搅拌o 5 小时，滴加冰乙酸( 3 7 5 m 1 ) 和浓盐酸( o 7 5 m 1 ) ，冰水浴( 低于5 ) 下搅拌反应4 小时( t l c ，乙酸乙酯：石油醚= 2 ：1 ) ，取下，倒入1 5 0 m l 饱和碳酸氢钠水溶液中 搅拌，分液，水相分别用5 0 m l 氯仿洗两次合并有机相，无水硫酸镁干燥，过滤， 减压浓缩，柱层析( 乙酸乙酯：石油醚= 1 ：1 的淋洗液) ，得1 3 9 ，产率7 6 ，n i p ： 1 5 9 1 6 1 ，t l c ( 乙酸乙酯：石油醚= l ：1 ) ：r f = 0 4 7 。 表征： i r ( k b r ) ( 附图i i i 一5 ) ：3 4 6 5 5 ( s ，o h ) ，3 0 6 1 1 ( m 。c = o ) ，1 4 4 3 8 ( s ，c t t 0 ， 1 3 2 9 6 ( s ，o h ) ，i1 5 5 6 ( s ，c o c ) ，1 0 0 9 2 ( s ，c o ) ，7 6 0 0 ，6 9 9 8 ( s ，( h ) c m i 2 2 2 结果与讨论 在t 1 d 甲基葡萄糖苷的伯羟基选择性保护与脱保护系列实验中，作者进行了一 些研究和必要的工艺改进： ( 1 ) 化合物l 的制备是参照文献的合成工艺因其中一2 0 c 的条件很难达到，所以 改为冰水浴。与文献【1 5 。7 1 相比，这种方法提高了产率，简化了操作。在加入对甲篝 硕士论文糖番合成的探索性研究 磺酰氯时要求低温、缓慢、搅拌，这是因为对甲苯磺酰氯在吡啶中溶解是一个放热过 程这样作可以避免局部过热、降低产率。纯化时，用水可洗掉没有反应的对甲苯磺 酰氯，饱和碳酸氢钠水溶液则可洗掉生成的盐酸。 ( 2 ) 用三苯基膦和四氯化碳的混合物氯化6 位羟基是一种很有效的方法睇“。制备化合 物2 一般都是先制得6 一氯一6 一脱氧一a - d 一甲基葡萄糖苷，因其极性较大，要得到纯品 就需要柱层析，如方法i i 。方法i 是根据文献口列所述，改进了的合成工艺，无须柱层 析，仅通过两次简单的纯化就得到了纯品2 ，从而简化了实验操作，其纯化原理是： 在第一次纯化过程中，因6 一氯一6 一脱氧一a d 一甲基葡萄糖苷极性太易溶于水而其中 的副产物三苯基膦氧化合物易溶于甲苯，所以可以用甲苯将其除去：而第二步纯化时 6 氯6 脱氧一2 ，3 ，4 - 三乙酰基甲基葡萄糖苷极性很小，所以只溶于甲苯，而其他副 产物都是溶于水的，所以可用此办法得到纯净的产物。并按文献口j 中蔗糖的伯羟基氯 化方法，在7 0 1 加热的条件下进行反应，缩短了反应时间。方法i 同方法i 【相比较， 操作简单。原料易得且毒性小，而方法i i 所用甲磺酰氯价格昂贵，且对人体刺激性很 大，所以方法i 值得提倡。方法i 中n d 一甲基葡萄糖苷的氯代反应，其反应机理可 能为： 口 u a r 3 p ：x c x 3 一 a r 3 p + _ c x 3 x j 坠坐1 + c h x 3 + a r 3 p + - o r x 一a r 3 p o r x 图2 8 ：o - d - 甲基葡萄糖苷的氯代反应机理 作t l c 时，为区分糖与其他化合物，用薄板沾取硫酸。再用电炉烧过后可发现含 糖的点变黑，因为硫酸使糖碳化。6 一氯一6 一脱氧一a d - 甲基葡萄糖苷、6 一氯- 6 脱氧2 ， 3 ，4 - 三乙酰基甲基葡萄糖苷在紫外灯下都不显色，a d - 甲基葡萄糖苷也不显色只 有用这种办法可以区分。 ( 3 ) 用三苯氯甲烷在吡啶中将6 位三苯甲基化，这是糖的羟基保护中作的很成熟的反 应，但就a d 一甲基葡萄糖苷而言，还没有操作简便、产率高的合成 二艺。参照文献 1 8 - 2 0 = - 苯甲基化的方法，作者对化合物4 的合成工艺进行了研究，在实验2 2 1 4 中，控制a - d - 甲基