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胞壁酰三肽的合成及其动力学研究 摘要 胞壁酰三肽( m 皿) 是微生物免疫佐剂中的一种，它能增强体液免疫 和细胞免疫，提高疫苗、菌苗、病毒亚单位及寄生虫苗的保护力，是最有 发展前途的佐剂之一。由保护胞壁酰三肽( p m l l p ) 氢解脱苄合成m 1 1 p ， 文献报道的反应条件，无论从催化剂还是溶剂的选择上都有很大的差别， 反应时间通常长达三天，后处理工艺繁琐，产物的收率和纯度都较低，解 决该反应瓶颈势在必行。 本文采用了以n 乙酰保护胞壁酸( p 删) 为原料，经三步反应合 成m 皿的工艺路线，主要对p m t p 氢解脱苄合成m 耶的工艺进行了改 进，并对其进行了动力学研究。p m 耶价格昂贵，研究其反应的成本较高， 因此本文先研究了p 删氢解脱苄合成删的反应，将得到的最佳反 应条件作为参考应用于p m 皿的氢解脱苄反应，实验证明该方法是切实 可行的。 在排除扩散影响的条件下考察了p 删氢解脱苄反应的压力、溶剂 种类、催化剂用量、反应时间、反应温度等工艺参数对反应吸氢量的影响。 实际吸氢量为理论量的9 9 5 2 9 9 7 8 ，以吸氢量来表征反应程度，确 定了较佳的工艺条件：催化剂2 0 p d ( o 均2 c ( 含水率5 4 5 ) ，用量为 p d ( o h ) 2 ( 干基) 占p 删质量的3 o ，反应温度为4 5 ，于常压下8 0 乙酸中反应3 1 0 m i n 。产品的收率和纯度分别为9 2 7 0 和9 7 5 3 。 在实验条件下p 删氢解脱苄反应为一级反应。反应表观活化能 1 北京化工大学硕士学位论文 e = 7 6 4 9 6l 【j 佃o l ，指前因子彳= 4 8 6 8 1 0 1 0m i n 。用i r 、1 h 卜m r 、1 3 c n m r 、l c m s 及元素分析对产物进行了表征，并与标准品进行对照，得 到了满意的结果，为m 皿的研究提供了参考。 按文献方法合成了p m 皿，收率为9 0 8 0 ，纯度为9 7 6 9 。以p 洲 氢解脱苄反应得到的最佳条件为参考，考察了p m t p 氢解脱苄反应的催 化剂用量、反应时间、反应温度等工艺参数对反应吸氢量的影响。实际吸 氢量为理论量的9 5 2 4 9 8 6 2 ，以吸氢量来表征反应程度，确定了较 佳的制备工艺条件：催化剂2 0 p d ( o h ) 2 c ，用量为p d ( 0 h ) 2 ( 干基) 占 p m 耶质量的5 o ，反应温度为4 5 ，于常压下8 0 乙酸中反应2 2 0 m i n 。 产品的收率和纯度分别为9 0 0 5 和9 9 2 3 。 按照同样的方法对不同温度下该反应得实验数据进行了动力学计算。 结果表明，在实验条件下，p m t p 氢解脱苄合成m 皿的反应为一级，反 应表观活化能丘= 8 4 6 7 81 【j m o l ，指前因子彳= 1 3 9 4 1 0 1 2m i n 一。用i r 、 1 hn m r 、1 3 cn m r 、l c m s 及元素分析对产物进行了表征，证实了该化 合物即是目标产物m 邛。 通过研究得到p m 耶氢解脱苄反应条件，反应时间短，后处理工艺 简便，产品收率和纯度高，成功解决了反应瓶颈。 关键词：m 耶，p m r p ，p 删，氢解，脱苄，工艺条件，反应动力学 中英文摘要 t h es t u d yo ns y n t h e s i sa n dk i n e t i c so fm t p a b s t r a c t m 皿i sa ni m p o r t a n tm i c r o b i a li m m u n i t ya d j u v a n t ，w h i c hc a nn o to i l l y e n h a n c et h ei l 砌u n i t yo fb o d yf l u i da n dc e l l s ，b u ta l s oh e i g h t e nt h ep i d t e c t e d a b i l i t yo f b a c t e r i n ，s u b - u n i t sv i m s ，粕dh e l m i n t hs e e d l i n g h o w e v e r ，a c c o r d i n g t os o m e p u b l i s h e dl i t e r a t l l r e ，t h es y n t h e s i s o fm t pb yh y d r o g e n o l y s i s d e b e n z y l a t i o no fp m t ph a sm a n yd i s a d v a n t a g e s o no n eh a n d ，i tn e e d sav e 巧 l o n gr e a c t i o nt i m e ( t h r e e - d a y s ) ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h ey i e l da n dp u r i t yo ft h e p r o d u c ta r eq u i tl o w t h e r e f o r e ，i ti sd e s i r e dt oi m p r o v et h es y n t h e s i sp r o c e 鹳 o f m 耶 i nt h i sp a p e r ，t h es y n t h e s i so fm t pf | o mp n a m t h r o u g ht h r e es t e p sw a s s t l l d i e d t h es y n t h e s i sc o n d i t i o n so fm t pw e r ei m p r o v e d ，t h e nt h ek i n e t i e so f h y d r o g e n o l y s i so fp m t p w a ss t u d i e d f i r s t ，t h es y n t h e s i so fn p l mb yh y d r o g e n o l y s i sd e b e n z y l a t i o no fp n l m w a si n v e s t i g a t e d b a s e do nt h ei l e s t i g a t i o n sc o n c e m i i l gt h ei i l f l u e n c eo ft h e r e a c t i o nc o n d i t i o n ，s u c ha sp r e s s u r e ，t e m p e r a t l l r e ，r e a c t i o nt i m e ，t h e 哆p eo f s o l v e n ta n dt h ea m o u n to ft h ec a t a l y s t ，t h ef a v o r a b l er e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r e f 6 u n d ：s o l v e n t = 8 0 a c e t i ca c i d ，w 【p d ( o h ) 2 】：，( p 卜r a m ) = 3 ，乌毛= o 1 m p a ， 1 北京化工大学硕士学位论文 f = 3 1 0 m i n ，z 1 - 4 5 u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ey i e l do fn a m i s9 2 7 0 w i t h ap u r i t yo f9 7 5 3 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，ak i i l e t i ce q u a t i o no ft h ep n a m h y d r o g e n o l y s i sw 豳o b t a i n e du s i n gi 1 1 t e g r a t e dm e t h o d t h er e a c t i o nw a st h e f i r s t o r d e rw i t hr e s p e c tt op n a mu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 1 l l e a p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e 玛y ( 1 既) o ft h er e a c t i o nw a s7 6 4 9 6 l 【j m o l 。1a n dt h e p r e e x p o n e n t i a lf a c t o r 似) w a s4 8 6 8 1 0 1 01 1 1 i n s t m c t u r e o fn a mw a s v e r i f i e db yi r ，1 hn m r ，1 3 cn m r ，l c m s ，a n de l e m e n t a la n a l y s i s s e c o n d ，p m t pw a ss y n t h e s 娩e df r o mp n a ma c c o r d i n gt ol i t e r a n l r e t h e y i e l di s9 0 8 0 w i t hap u r i t yo f9 7 6 9 t h i sp r o d u c tw a su s e da st h es t a r t i n g m a t e r i a lf o rt h es y n t h e s i so fm 耶v i ah y d r o g e n o l y s i s n ee f f e c t so fv a r i o u s f a c t o r s ，s u c ha st e m p e r a t l l r e ，r e a c t i o nt i m e 觚dt h ea m o u n to fc a t a l y s ti nt h e s y n t h e s i so fh 们甲w e r ei 1 1 v e s t i g a t e d 7 i h eo p t i m i z e dt e c h n i c a lc o n d i t i o n sw e r e ： s o l v e n t = 8 0 a c e t i c a c i d ，w 【p d ( o 哪2 】： w ( p m t p ) = 5 ， f = 2 2 0 m i n ， 幺= o 1m p a ，扛4 5 w i t ht h e s ec o n d i t i o n s ，t h ey i e l d o fm t pi s9 0 0 5 w i t hap u r i t yo f9 9 2 3 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，ak i n e t i ce q u a t i o n f o r t h eh y d r o g e n o l y s i so fp m t pw a so b t a i n e d t 1 l er e a c t i o nw a st h ef i r s t - o r d e r w i t hr e s p e c tt op m t p t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g y ( 既) o ft h er e a c t i o nw a s 8 4 6 7 8l 【j m o l 。1 加dp r e e x p o n e n t i a lf a c t o r0 ) w a s1 3 9 4 1 0 1 2 面n 一 s t m c t u r eo fm t pw a sv e r i f i e db yi r ，1 hn m r ，1 3 cn m r ，l c m s ，a n d e l e m e n t a la n a l y s i s 中英文摘要 k e y w o l m s ：m t p ，p m 邛，p t 、淞m ，h y d r o g e n o l y s i s ，d e b e n z y l a t i o n ， t e c h n i c a lc o n d i t i o n ，r e a c t i o nl 【i n e t i c s 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 指前因子，m 试1 p m 耶】p n a m 的初始浓度，m o l l - l f 时刻p m 耵佃n a m 的浓度，m 0 1 l - 1 有效扩散系数，m 2 s 1 平均粒子大小，m 反应表观活化能，k j 删毗1 金属钯的氧化势，v 液固传递系数，m s 1 反应速率常数，m i n 。1 p m l r i 佃n a m 的初始物质的量，m o l f 时刻吸收氢气的物质的量，m o l 线性相关系数 反应时间，m i n 溶剂的体积，m l 催化剂体积，c m 3 催化剂质量，g 催化剂表观密度，g 伽。3 v o 疗 钿 旧 善 p 彳_嘞办易矿k kr，y形砟 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：脚日期：型! 垒：兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在l 年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 盈z 自 导师繇幸企 日期：兰翌垦! 乡：竺 日期：幽6 垡 北京化工大学硕士学位论文 1 1m t p 简介 第一章文献综述 随着免疫学研究的不断深入和基因工程技术的迅速发展，已研制出多种d n a 重组 疫苗、合成肽疫苗等新型疫苗。这些新型疫苗纯度高、特异性强，但分子小，免疫原 性弱，难以诱导机体产生有效的免疫应答，需用佐剂来增强其免疫原性或增强宿主对 抗原的保护性应答【。胞壁酰三肽( m t p ) 是微生物免疫佐剂中的一种，是从分枝杆 菌细胞壁中分离得到的具有活性的结构片段，它能增强体液免疫和细胞免疫，提高疫 苗、菌苗、病毒亚单位及寄生虫苗的保护力，被认为是最有发展前途的佐剂之一。 1 1 1 疫苗的发展 在过去的2 0 世纪中，疫苗研究取得了巨大成功，它是继柯赫、巴斯德等人的科 学突破而迅速发展起来的，经历了一个由“期盼”到“实现”这样一个伟大的历史转变过 程。疫苗免疫接种所经过的第一次重大变革是由p a s t e u r 等研制开发的减毒或灭活的 疫苗，第二次是使用完整生物体的天然成分即亚单位疫苗。它们虽然在一定程度上提 高了免疫效应，但安全性不够，尤其是对免疫功能低下患者的风险较大。为此，人们 进行了大量的实验。1 9 9 0 年w o l f ! f 等1 2 】偶然发现给小鼠肌肉注射外源性重组质粒后， 质粒被摄取并能在体内至少两个月稳定地表达所编码蛋白。1 9 9 1 年w i l l i 锄s 掣3 j 发现 外源基因输入体内的表达产物可诱导产生免疫应答。1 9 9 2 年t 趾g 等【4 j 将表达人生长 激素的基因质粒d n a 导入小鼠皮内，小鼠产生特异性抗体，从而提出了基因免疫的 概念。1 9 9 3 年u l i n e r 等1 5 j 证实小鼠肌肉注射含有编码甲型流感病毒核蛋白( n p ) 的 重组质粒后，可有效地保护小鼠抗不同亚型、分离时间相隔3 4 年的流感病毒的攻击。 随后的大量动物实验都说明在合适的条件下，d n a 接种后既能产生细胞免疫又能引 起体液免疫。因此，1 9 9 4 年在日内瓦召开的专题会议上将这种疫苗定名为核酸疫苗。 核酸疫苗的出现与发展是疫苗发展史上的第三次革命。 1 1 2 免疫佐剂简介 1 1 2 1 免疫佐剂的发展 免疫佐剂是指先于抗原或与抗原同时应用，能非特异性的改变或增强机体对抗原 的特异性免疫应答，能增强相应抗原的免疫原性或改变免疫反应类型，而本身并无抗 原性的物质。它是随着疫苗的研究发展起来的。1 9 2 5 年，法国兽医免疫学家r 锄加 首先观察到在疫苗中加入某些与之无关的物质可以特异的增强机体抵抗反应，于是提 出了免疫佐剂的概念。他认为，佐剂是这样一种物质，它与特异性抗原结合刺激机体 第一章文献综述 免疫系统可产生比单用抗原更强的免疫应答。1 9 2 6 年，g l e 皿y 最先使用铝化合物作 为免疫佐剂应用于白喉外毒素疫苗。1 9 3 7 年，f r e u n d 发展了弗氏完全佐剂( f c a ) ， 它是非常有效的动物免疫佐剂。1 9 5 6 年，j o h 呦n 发现革兰氏阴性细菌的内毒素具有 佐剂活性。到目前为止，数百种天然和合成的物质被证实具有佐剂活性，因为安全性 等问题，只有铝佐剂被美国f 【埴批准可以用于人。事实上，铝佐剂只能激发体液免 疫，不能诱导细胞介导的免疫反应，而后者对于机体对细胞内寄生病原体( 病毒、原 虫等) 以及肿瘤产生免疫力尤为重要。由于铝佐剂对人免疫缺陷病毒( h ) 、丙型 肝炎病毒( h c v ) 、单纯疱疹病毒( h s v ) 、流感病毒以及血吸虫病、百日咳和伤寒 等抗原无免疫佐剂性效果1 6 j ，所以它已远远不能满足新型疫苗发展的要求。因此，新 型免疫佐剂近年来日益受到人们的重视，各国科研工作者为开发研制高效、低毒、结 构新颖的免疫佐剂开展了广泛的研究，并取得了一定进展。 1 1 2 2 免疫佐剂的分类 佐剂具有极为显著的多样性，因此分类的方式也很多。 ( 1 ) 根据其作用机制不同分为两大类：一是免疫刺激性佐剂，另一类是投递系统。 ( 2 ) 根据其性能差别，又可分为免疫刺激佐剂、颗粒佐剂、粘膜佐剂和治疗性疫 苗佐剂。 ( 3 ) 根据其来源，把佐剂分为非细菌来源的佐剂和来源于细菌成分的佐剂i 7 1 。 ( 4 ) 根据其物理和化学性质，又把佐剂分为凝胶型佐剂、微生物来源佐剂、微粒 型佐剂、乳剂和合成佐剂( 如非离子阻断共聚物) 1 8 j 。 1 1 2 3 免疫佐剂的用途 在疫苗中应用免疫佐剂有以下作用：( 1 ) 可诱导合适的免疫应答；( 2 ) 增强疫 苗的粘膜传递；( 3 ) 增强细胞介导的免疫应答( c m i ) ；( 4 ) 增强弱免疫原的免疫 原性，如高度纯化的抗原或重组抗原；( 5 ) 减少抗原接种剂量和接种次数；( 6 ) 促 进疫苗在免疫应答能力弱的人群中的免疫效果；( 7 ) 增强免疫应答的度和持续时间， 调节抗体的亲和力及特异性等。 1 1 3m t p 的性质、用途、合成方法 1 1 3 1m t p 的性质 m t p 的化学名为：n 2 ( n 乙酰胞壁酰i ，丙氨酰一d 异谷氨酰胺基) - i 厂赖氨酸，分 子式为h 4 4 n 6 0 1 2 ，分子量为6 2 0 6 5 。产品为白色或微带黄色结晶性粉末，几乎不 溶于水，微溶于乙酸乙酯，易溶于甲醇、d m s o 等。结构式见图1 1 。 2 北京化工大学硕士学位论文 c h 3 c h c o 。n h 掣c o n h 9 h c o n h 2 c h 3c h 2 c h 2 c o n h 车h c o o h ( c h 执n h 2 图1 1m t p 结构式 f g 1 - l1 km o l e c i i l 缸s 撇r a lo fm r p 1 1 3 2m t p 的用途 m t p 虽然分子量很小，但具有很强的佐剂活性，可以替代弗氏完全佐剂中的整体 分枝杆菌，促进机体对外源抗原的特异性免疫反应，m 皿的主要作用是活化巨噬细胞， 在注射部位形成肉芽肿，吸引吞噬细胞，进一步增强吞噬细胞和淋巴细胞活性，使其 更易捕获抗原。m 耶具有其独特的优越性：( 1 ) 注射局部反应轻微，极少发生局部 化脓等不良反应；( 2 ) 无抗原性和过敏原性，反复注射，不产生抗体也不产生过敏 反应：( 3 ) 无致癌作用；( 4 ) 分子量小，对生物学降解作用有抵抗力，可以口服。 临床研究发现，m d p 可以激活人肺m f 、血单核细胞、枯否氏细胞，促进它们分泌白 介素1 ( ，1 ) 、l i 广2 、，6 、集落刺激因子( c s f ) 、肿瘤坏死因子( n 师) 、过氧 化离子( o 二) 嗍，被认为是最有应用潜力的佐剂之一。但m 耶存在致热原性，在动 物体内会引起赖特尔过敏综合症【彻。降低m 口的毒副作用，一直是免疫学关注的焦 点和热点。 1 1 3 3 发展趋势 为了降低m t p 的毒副作用，近几年对m t p 分子进行系统化学改造的研究十分活 跃，已报道的化学合成m 1 1 p 衍生物或类似物已超过6 0 0 种，其中最有效的是m t p 亲 脂性衍生物，如微脂粒包裹的胞壁酰三肽磷酯酰乙醇胺( 1 i p o s o m e e n c a p s u l a t e d m u 姗y l 仃i p e p t i d ep h o s p h a t i d y l e - t h 锄o l 锄i n e ，i ，m t p - p e ) 。它对骨肉瘤肺转移治疗 作用的研究逐渐引起重视，有望成为有效的治疗手段。它是通过激活单核巨噬细胞 ( 硎m f ) 和自然杀伤细胞( n k ) 的细胞毒性而起非特异性抗肿瘤作用的，只对肿 瘤源性细胞有杀伤作用，而对非肿瘤源性细胞无害【1 1 】。在体外实验，l m t p p e 被巨 噬细胞吞噬后，巨噬细胞i i 广1 a 、i i 广1 b 、i i 广6 、i i 广8 、肿a 、单核细胞趋化激活因子 的基因转录和表达增加【1 2 ，1 3 1 。e i n e 衄锄等【1 4 1 的临床研究发现，输注l 广m t p p e 可延 长肺转移瘤手术后的复发时间，并且生存率高于同期化疗组患者。但是，要单独使用 l 广m 皿p e 清除肺转移瘤是不可能的。体外研究发现，巨噬细胞杀瘤作用有一定的数 量比限制。当体内肿瘤细胞数超过1 1 0 9 个时，体内的巨噬细胞就不足以完全消灭肿 瘤细胞1 1 5 】。动物实验证实：i 广m t p p e 能杀灭小数目的肿瘤细胞，而对大数量的肿瘤 3 第一章文献综述 细胞无杀灭作用。基于以上原因，今后的研究方向是将l m 口p e 作为一种辅助疗法， 先用手术、化疗或放疗方法，把肿瘤细胞数减少到一定范围内，再用免疫疗法清除少 量残余瘤细胞，有可能达到比较满意的效果。 1 1 3 4m t p 的合成方法 胡洁、温守明等【1 6 ，1 7 l 曾报道m 口的三步法制备工艺，第一步：由n 乙酰保护胞 壁酸( p 删) 为原料制备保护胞壁酸活化酯；第二步，由保护胞壁酸活化酯与三肽 缩合制得保护胞壁酰三肽( p m t p ) ；第三步，p m t p 氢解脱苄制得m t p 。 ( 1 ) 保护胞壁酸活化酯的合成 将聊怆m 和n - 羟基琥珀酰亚胺( h o s u ) 溶于四氢呋喃中，在冰冷却和搅拌下， 加入n ，n 二环己基碳二亚胺( d c c ) ，于冰浴中反应3 h ，自然升至室温反应1 0 h ，滤 除固体脲，减压除溶剂，所得固体溶于乙酸乙酯，依次用1 0 柠檬酸、水、5 碳酸 氢钠和水各洗涤两次，无水硫酸钠干燥后，经乙酸乙酯正己烷重结晶得无色固体。反 应式如式( 1 1 ) 所示。 h o s u ，d o c ( 1 1 ) ( p n a m ) ( 保护胞壁酸活化酯) ( 2 ) p m l l p 的合成 保护胞壁酸活化酯与脱去保护的三肽缩合，得到p m t p ，具体合成方法为：将保 护三肽加到二氯甲烷和h a 二氧六环中，振摇，溶解，放置3 0 m i n ，减压浓缩，再加 等量的h a 二氧六环，振摇3 0 m i n ，减压除溶剂，加无水乙醚减压抽干，加入二氯甲 烷、保护胞壁酸活化酯和二异丙醚，室温搅拌反应7 2 h ，过滤析出的明胶状沉淀，依 次用二氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯和乙醚各洗涤一次，干燥后用d m f 溶解水沉淀 法重结晶，用四氢呋喃洗涤，干燥得无色固体。反应式如式( 1 2 ) 所示。 ( 3 ) m 1 1 p 的合成 将p m t p 溶于冰乙酸中，加入1 0 p d c ，室温常压氢化7 2 h ，滤除催化剂，减压 浓缩至1 3 量，加入乙醚，析出针状结晶，滤集固体，用甲醇乙醚重结晶一次得粗品， 溶于水中，过s e p h a d e xg 1 5 柱( 2 1 0 0 c m ，0 1 m o i l 冰乙酸洗脱，2 1 4 姗检测) ， 收集所需组分，冰冻干燥，得白色粉末状产物。反应式如式( 1 3 ) 所示。 4 北京化工大学硕士学位论文 b o c n h p i c o n h 车h c 0 n h 2 c h 3c h 2 c h 2 c o n h g c o o c h 2 c 6 h 5 ( c h 2 ) 4 n h o c o c h 2 c 6 h 5 ( 保护三肽) h c l 】d i o p ( 保护胞壁酸活化酯) i 孤c l 。n h 再h c o n h 掣c o n h 2 c h 3c h 2 c h 2 c o n h 瑚c o o c h 2 c 6 h 5 ( 三肽) ( c h 2 ) 4 n h o c o c h 2 c 6 h 5 孙田n 如p i c o n h p i c o i n 心 + c 心 ( 三肽) c h 3 c h 0 0 n h ( 珊o o n h p i a ) n h 2 c h 3c h 2 a 屯c 0 n h 掣0 0 0 c h 2 q 一5 h 2 - - - - - - - - - - - - - - - - p d c c o n h 9 h c o n h 2 口m t p ) c h 3c h 2 c h 2 c o n h 印c o o c h 2 c 6 h 5 一、 ( 吼n h o c o c h 2 c 6 玛 ( p 一 车h c o n h 车h c o n h 2 c h 3q 1 l c h 2 c 饼哪车h c o o h ( c 助4 n h 2 ( m t p ) 5 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 第一章文献综述 本文按文献第一、二步反应合成p m t p ，对于第三步反应，文献报道的方法，反 应时间长，后处理工艺繁琐，产品的收率和纯度都较低，生产成本高，不利于实现工 业化。本文将重点研究p m t p 氢解脱苄合成m t p 的反应，探索最佳反应条件，解决 反应存在的诸多弊端，以指导生产。 1 2 脱苄方法简介 脱除苄基的方法有很多种，为了找到一种合适的方法，本节综述了脱苄反应的各 种方法，分析了这些方法的特点，并讨论了它们的反应机理。最后，通过筛选和比较， 选择了催化氢解方法来实现p m t p 的脱苄。 1 2 1 催化氢解脱苄 1 2 1 1 催化氢解反应概述 氢解反应是有机化合物中的单键被氢所断裂，生成较小分子的反应。就其实质而 言，是在催化剂的作用下，s 键的裂解还原反应。这个过程可表示为1 1 8 j ： a b 一a bhh ah + b h 呻a h + b h 甲甲liiii ( 1 - 4 ) l i 二 ： ： ：幸： 宰 a ，b 代表h ，c ，o ，n ，s 或卤素，叶表金属催化剂 苄醚、苄酯的脱苄，从硝基、偶氮、重氮、叠氮等化合物和肟类生成胺类，脱卤、 脱硫，环氧化合物生成醇等等反应都属于氢解。 氢解反应最显著的特点是反应条件温和，选择性高，有些原子或原子团将被氢取 代而离去。因此，在有机合成中它常用于保护基团的脱去及不需要基团的脱去。苄基 醚常通过氢解反应的方式脱除其o 苄基。氢解反应是一种在苄基醚脱苄中应用最广泛 的方法。反应需要在催化剂作用下进行，最常用的催化剂活性组分是p d ，载体一般为 活性炭。两种典型的用于氢解脱苄的催化剂是1 0 p d c 和2 0 p d ( o h ) 2 c ( p e a 咖觚s c a t a l v s t ) 。文献【1 9 ，加，2 1 】曾报道这两种催化剂的合成工艺。 氢解反应一般为多相催化反应，a b 的s 键对于催化剂表面的亲合力很小。因此， 只有a ，b 本身与金属催化剂间表现出充分的键形成时，或者当a - b 位于不饱和官能 团( 如卤素，苯环，烯基，羰基) 附近时，才能观察到过渡金属的良好的催化活性。 不饱和官能团可作为引起a b 的s 键及s 幸轨道与过渡金属d 及s p d 轨道之间的重迭。 而且，a - b s 键的氢解通常由于不饱和基团( “把手”) 的电子效应而活化( 如式1 5 ) 。 “含有把手”的反应物a h 与反应物a b 的吸附强度，往往是相近的，即形成 的产物与催化剂活性部位上的反应物发生竞争。于是，由于吸附平衡，引起反应过程 中反应物a b 的表面吸附浓度逐渐下降( 见式1 6 ) ，致使大多数氢解反应的速度逐 6 北京化工大学硕士学位论文 渐降低f 1 8 ，1 9 ，忿2 3 1 。 藤 ll l a 。h b 。h i 一训盟丁汁 一b + 彳一h 釜一一彳一b 1 2 1 2 催化氢解反应的选择性 氢解反应的选择性分以下几种情况： ( 1 ) 如果两个s 键可能同时发生氢解反应( 见反应式1 7 及1 8 ) ， 择性取决于a - b 键及x y 键的相对反应速度常数和相对吸附常数两者。 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 则反应的选 a ba hh b 一 + ( 1 7 ) x 1 x 嘲 h 一y ( 三= ( = ： ( 盒= ( 三_ h 譬) ( 2 ) 在同一分子中有两个( 或多的) 可氢解的s 键时，选择性将强烈地依赖于 反应物的几何构型( 如反应式1 9 及1 1 0 ) 。例如，当a b 和c d 在催化剂表面上 不可能同时化学吸附时，如a - b 和c d 具有类似的反应速度常数，而a b 可比c d 被更强的吸附，则a - b 可能具有比c d 更高的选择性。 7 第一章文献综述 g - db - a )， f a c 1 ( 1 - 9 ) ic 1 。7 7 ： i i 与此情况对照，a b 的吸附也使c d 键与催化剂表面靠近而相接触： 、 b a c p ( 1 - 1 0 ) i l 在这后一种情况，选择性部分的是由吸附强度的差别所决定的。 1 2 1 3 催化氢解反应机理 氢解反应一般都要经过下列几个阶段： ( 1 ) 反应物向催化剂的表面靠近； ( 2 ) 反应物中至少有一种物质被吸附在催化剂表面上； ( 3 ) 在催化剂表面上被吸附的两种之间，或者被吸附的物质和靠近它的物质之 间进行反应： ( 4 ) 生成物从催化剂表面上脱附； ( 5 ) 生成物远离催化剂表面。 其中( 1 ) 和( 5 ) 是扩散步骤，在气相中是非常快的，在液相中较慢，尤其是在 反应速度快的或微孔内的反应中扩散较慢，这个步骤可能成为控速步骤。第( 2 ) 阶 段的吸附不一定只限于同类型的吸附，吸附速度也各不相同。第( 4 ) 阶段的脱附， 是第( 2 ) 阶段的逆过程。第( 3 ) 阶段是表面反应，一般来说是复杂反应，它可能是 由许多基元反应组成的，这个步骤成为控速步骤地例子是很多的。 目前，对氧上氢解的机理是这样描述的：苄基中的芳基作为使c - n 键更加靠近金 属催化剂表面的一种“把手”，使c o 键s 与s 轨道与过渡金属的d 及s p d 轨道之间发 生有效的重叠。此外，c o 键的氢解通常是通过“把手”的电子效应而活化的。举例来 说，c o 键在p d c 上的氢解的机理可用式( 1 1 1 ) 表示如下【冽： 孙芦x 音卵h 尸昔孙f m 喜 吸附 土 吸附 占k n 。1 d x 代表o h 、o m e 、o e t 、- n h 2 y 代表o 其中，芳环作为“把手”的特点十分明显。 8 北京化工大学硕士学位论文 氢解反应过程中，氢气吸附于过渡金属的活性部位上而形成原子氢，原子氢再以 分步的方式从吸附金属表面加成到反应底物上去。反应物a 或b 位的不饱和官能团有 利于底物在活性部位上的吸附。大多数氢解反应是以原子氢作还原剂的，但在某些情 况下氢可以质子形式，借助溶剂而进行传递，这往往取决于底物的性质。 在反应中，影响反应速度的原因有温度、压力、催化剂、搅拌速溶剂和反应介质。 除此之外，反应物质的种类也有一定的影响。 1 2 1 4 苄基氢解的影响因素 i r r 一一 氧上苄基氢解的底物可用夕i这一通式来描述，故而苯环上的基团、a 碳上所连基团及氧上所连基团对氢解反应均有一定的影响。以下就对这些因素分别讨 论。 ( 1 ) 苯环上取代基的影响 b a l t z l y 等【2 5 】在4 0 年代末对这一影响做了充分的研究，发现当改变苯环上基团时， 氢解的难易顺序依次为： h n h 2 c h 3 n h 3 十 a 。c h 3 c o o 。c h 3 c o n h 。p - c h 3 0 由上可见，基本上所有的取代基都会使氧上苄基氢解变得困难。所以，一般情况 下都是使用未取代的苄基作为保护基团应用的。 ( 2 ) a 碳上基团的影响 一般来说，a 碳上的取代基越多，则氢解脱苄也越困难i 矧。这说明空间因素在这 里起了重要的作用，这也与脱苄机理相符。因为脱苄的一个必要条件是底物在催化剂 表面的吸附，当a 碳上基团过多时，显然会影响这一吸附。因此，当用苄基作保护基 时，a 碳上不宜有其他基团。 ( 3 ) 氧上基团的影响 苄基醚氢解生成相应的醇，例子很多。一般说来，与苄基醚相邻的基团较小时， 对氢解的影响也小。若相邻基团较大时，由于位阻增大，会减慢反应速度。 1 2 1 5 催化氢解脱苄的用途 氢解反应常用于保护基团的脱除及不需要基团的脱除。这一反应又可细分为脱 苄、脱卤、开环、脱羧与脱硫等多种方式，c h 、c c 、c x 、c o 、c n 、c s 、n o 、 n n 等键都可以被断裂。其中碳上脱苄这一类，由于苄基是一种有机合成中有效而普 遍使用的保护基团，因而得到了广泛的应用。无论是在制药、生化、染料还是精细化 学产品的合成中都可以找到这一反应的具体应用。例如，镇痛解热药羟基保太松中间 体的制备： 9 第一章文献综述 了一p _ 啦勺 o cc o c h l c 4 h 9 驯c 嗡p 伽 一 1 - 1 2 ) i 平滑肌、骨骼肌兴奋药加兰他敏中间体的制型2 7 l ： 3 h 2 ，p d c - - - - - - - - - - - - 冠状动脉扩张药凯林中间体的制备【2 8 1 ： o c h 3 消炎痛中间体的制备【冽： n i o c h 伽3 h 2 ，p d c _ 卜 h o 耳冒 c h 广c o c h 2 c o 伽2 伽3 n l o c 曰曰 c o 伽2 c o h 1 0 o 伽3 h ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 其它脱苄方法 1 2 2 1 催化氢转移氢解脱苄 ( 1 ) 催化氢转移氢解脱苄反应的特点 某些有机化合物在催化剂存在下可成为氢的给予体而释放出氢，以这样的氢为氢 源所进行的催化氢解称为氢转移氢解。 氢转移氢解虽不像使用氢气为氢源所进行的催化氢解反应那样应用广泛，但仍是 一种重要的有机合成方法。氢转移氢解反应可分为三类： 氢的迁移发生在同一分子内； 在同种给予体和接受体之间，氢重新分配( 迁移) ； 在不同给予体和接受体之间，发生氢的迁移，即发生脱氢的氢解反应。 催化氢转移氢解反应有以下特点： 氢解反应不需在压力下进行，反应条件比较温和； 操作简便，不需特殊设备； 具有较多的选择性。 其缺点是氢的给予体价格较贵，催化活性低，反应体系中氢的给予体的加入，给 产品的提纯精制带来麻烦。 催化氢转移氢解反应要受氢给予体、接受体、催化剂种类、介质及反应温度的影 响。 氢给予体在特定条件下，使用催化剂可使之释放出氢，该类反应可用反应式( 1 1 6 ) 概括。 g + i a 堡丝k 钮g +m ( 1 1 6 ) 式中的m h g 为氢给予体，它是一类氧化势能的有机化合物，在温和条件下可进 行氢的转移。在较高温度下( 一般为溶剂的回流温度或给予体的回流温度) ，氢给予 体发生催化剂裂解而释放出氢。甲酸是一个有代表性的氢给予体，在催化剂作用下， 它能分解放出氢( 见式1 1 7 ) 。 h c o o h 心+ 0 0 2 ( 1 1 7 ) 环己烯也是一个使用广泛的氢给予体，活性较高。另外，萘满、1 ，2 ，3 ，4 _ 四氢化萘、 单萜、萜二烯1 8 、萜品油烯、a 非篮烯、肼等也比较常用。 在催化氢转移氢解反应中，催化剂起着重要的作用，许多催化剂可用于该类反应， 常用的有p d 、p d c 、p d 舢2 0 3 、n i 硅藻土、r 锄e yn i 、l 强c l ( p p h 3 ) 3 等。其中，钯系催 化剂是最常用的催化氢转移氢解催化剂。p t 、r h 催化剂使用温度高( 约2 0 0 ) ，使 用较少，而r a n e yn i 存在自身吸附大量氢的缺点( 札1 1 0 m i g ) 。除氢给予体和催 化剂外，反应温度、溶剂性质等也会对反应产生影响。因此，为使反应快速顺利的进 第一章文献综述 行，要根据底物性质选择高活性的催化剂和氢给予体，在合适的溶剂和反应温度下进 行反应。 a n 觚t h 舢a i a hgm ，s i v 卸锄d a i a hkm 【埘等使用环己烯作氢给予体，反应1 8 h ，得到8 0 9 0 的产率。f e l i xam ， h e i l n e rep ，i a m b 瞄tj 【3 1 j 等用环己二烯 作氢给予体在2 5 下反应2 h ，得到相当好的产率。b i e gt 和s z c j aw 【3 2 】用甲酸铵作 氢给予体，在甲醇中回流，得到9 7 的产率。此外，a 皿锄t h 跏a i a l lgm ， r o y c rg p 【3 3 】等用甲酸作氢给予体，c 1 1 l z a d 0md 和m a n i l llm 【蚓用异丙醇作氢给予体，都得 到了满意的效果。 1 2 2 2 化学还原法 m c c l o s k e ycm 【3 5 1 ，p h i l i p skd ，z c m l i c k aj1 3 6 】等采用n a n h 3 ，r e i s te j ，b a r t u s k a vj 等【3 7 】采用乙醇还原苄基醚。例如： r r = t b d m s n a n h 3 ，1 5 s r 9 7 0 h 在此反应中酯不还原，当r = a c 时，苄基不能脱保护。 h o r ih ，n i s h i d ay 【3 8 l 等在s n c l 4 ，c h 2 a 2 中反应3 0 m i n 。反应式为： s n c l 4 c h 2 a 2 h 嘶 r l3 0 m i n o b n o b n ( 1 1 8 ) b n ( 1 1 9 ) 9 2 5 在广泛利用苄基作为保护基的碳水化合物中，环上吸电子基团的存在会增加苄基 对亲电试剂的稳定性。 s h i m s h o c ksj ，w a l t e m i r ere 【3 9 】等用o b u p h ) 2 u 在，m f 中反应3 h ，得到9 5 的 产率。反应式为： 1 2 北京化工大学硕士学位论文 h ( 1 2 0 ) j u n gme ，l y s t e rma i 柏1 等早在1 9 7 7 年采用( c h 3 ) 3 s i i ，c h 2 a 2 在2 5 下反应 1 5 m i n ，得到1 0 0 的产率。这个试剂可以将大多数其他的醚、酯脱保护，但选取适当 的反应条件可以达到一定的选择性。k u t n e yjp ，a b d u 讪m 柚n 【4 1 j 等使用舢h 4 为催 化剂，在2 5 的t h f 中回流1 0 h ，得到8 2 的产率。但由于u m h 4 对其他官能团的 高反应性，所以这种分解几乎没有选择性。 1 2 2 3 氧化法 氧化脱苄反应是在催化剂存在下，用氧化剂氧化a c 原子，而达到脱苄的目的。 a n g y a lsj ，j 锄e sk 等【4 2 l 用c 哂为氧化剂，于2 5 下的乙酸中反应，得到5 0 的产 率。反应式为： q 0 3 ，a c o h r o c h 2 孙卜r o c 0 帕 2 5 q c5 0 ( 1 2 1 ) 当糖类化合物