氨基的保护与脱保护

氨基的保护与脱保护 经典化学合成反应讲座 四 1 常见的烷氧羰基类氨基保护基苄氧羰基 Cbz 叔丁氧羰基 Boc 笏甲氧羰基 Fmoc 烯丙氧羰基 Alloc 三甲基硅乙氧羰基 Teoc 甲 或乙 氧羰基2 常见的酰基类氨基保护基邻苯二甲酰基 Pht 对甲苯磺酰基 Tos 三氟乙酰基 Tfa 邻 对 硝基苯磺酰基 Ns 特戊酰基 苯甲酰基3 常见的烷基类氨基保护基三苯甲基 Trt 2 4 二甲氧基苄基 Dmb 对甲氧基苄基 PMB 苄基 Bn 常见氨基保护基 氨基保护基的选择策略 最好的是不保护 若需要保护 选择最容易上和脱的保护基 当几个保护基需要同时被除去时 用相同的保护基来保护不同的官能团是非常有效 要选择性去除保护基时 就只能采用不同种类的保护基 要对所有的反应官能团作出评估 确定哪些在所设定的反应条件下是不稳定并需要加以保护的 选择能和反应条件相匹配的氨基保护基 还要从电子和立体的因素去考虑对保护的生成和去除速率的选择性如果难以找到合适的保护基 要么适当调整反应路线使官能团不再需要保护或使原来在反应中会起反应的保护基成为稳定的 要么重新设计路线 看是否有可能应用前体官能团 如硝基等 或者设计出新的不需要保护基的合成路线 选择一个氨基保护基时 必须仔细考虑到所有的反应物 反应条件及所设计的反应过程中会涉及的底物中的官能团 第一部分 烷氧羰基类氨基保护基 1 1苄氧羰基的引入 用Cbz Cl与游离氨基在用NaOH或NaHCO3控制的碱性条件下可以很容易同Cbz Cl反应得到N 苄氧羰基氨基化合物 氨基酸酯同Cbz Cl的反应则是在有机溶剂中进行 并用碳酸氢盐或三乙胺来中和反应所产生的HCl 此外 Cbz ONB 4 O2NC6H4OCOOBn 等苄氧羰基活化酯也可用来作为苄氧羰基的导入试剂 该试剂使伯胺比仲胺易被保护 苯胺由于亲核性不足 与该试剂不反应 1 1 1苄氧羰基的引入示例 1 1 2苄氧羰基的脱去 1 催化氢解2 酸解裂解 HBr TMSI 3 Na NH3 液 还原实验室常用简洁的方法是催化氢解 用H2或其它供氢体 一般常温常压氢化即可 当分子中存在对催化氢解敏感 有苄醚 氯溴碘等 或钝化催化剂的基团 硫醚等 时 我们就需要采用化学方法如酸解裂解HBr或Na NH3 液 还原等 苄氧羰基的脱去主要有以下几种方法 1 1 2苄氧羰基的酸性脱除注意点 苄氧羰基的用强酸或Lewis酸脱除时 会产生苄基的碳正离子 若分子中有捕捉碳正离子的基团时 将得到相应的副产物 1 1 3苄氧羰基的脱去示例 一 1 1 4苄氧羰基的脱去示例 二 1 2叔丁氧羰基 除Cbz保护基外 叔丁氧羰基 Boc 也是目前多肽合成中广为采用的氨基保护基 特别是在固相合成中 氨基的保护多用Boc而不用Cbz Boc具有以下的优点 Boc 氨基酸除个别外都能得到结晶 易于酸解除去 但又具有一定的稳定性 Boc 氨基酸能较长期的保存而不分解 酸解时产生的是叔丁基阳离子再分解为异丁烯 它一般不会带来副反应 对碱水解 肼解和许多亲核试剂稳定 Boc对催化氢解稳定 但比Cbz对酸要敏感得多 当Boc和Cbz同时存在时 可以用催化氢解脱去Cbz Boc保持不变 或用酸解脱去Boc而Cbz不受影响 因而两者能很好地搭配使用 1 2 1叔丁氧羰基的引入 游离氨基在用NaOH或NaHCO3控制的碱性条件下用二氧六环和水的混合溶剂中很容易与Boc2O反应得到Boc保护的胺 这是引入Boc常用方法之一 它的优点是副产物无干扰 并容易除去 有时对一些亲核性较大的胺 一般可在甲醇中和Boc酸酐直接反应即可 无须其他的碱 其处理也方便 见内部期刊第一期 对水较为敏感的氨基衍生物 采用Boc2O TEA MeOHorDMF在40 50 下进行较好 有空间位阻的氨基酸而言 用Boc2O Me4NOH 5H2O CH3CN是十分有利的 叔丁氧羰基的引入一般方法 1 2 2叔丁氧羰基的引入示例 一 1 2 3叔丁氧羰基的脱去 Boc比Cbz对酸敏感 酸解产物为异丁烯和CO2 见下式 在液相肽的合成中 Boc的脱除一般可用TFA或50 TFA TFA CH2Cl2 1 1 v v 在固相肽合成中 由于TFA会带来一些副反应 如产生的胺基上酰化成为相应的三氟乙酰胺等 因此多采用1 2MHCl 有机溶剂 一般而言 用HCl 二氧六环比较多见 叔丁氧羰基的脱去 1 2 3叔丁氧羰基的脱去 一般选用酸性脱除 用甲醇作溶剂 HCl EtOAc的组合使TBDMS和TBDPS酯以及叔丁酯和非酚类酯在Boc脱除时不被断裂 当同时脱除分子中有叔丁酯基 可根据不同的酸性选择性脱Boc 或分子中有游离羧酸基 千万记住不能用HCl MeOH 其可将羧酸变为甲酯 在Boc脱去过程中TBDPS和TBDMS基相对是稳定的 在TBS存在 用稀一些的10 20 TFA 在中性的无水条件下Me3SiI在CHCl3或CH3CN中除了能脱除Boc外 也能断裂氨基甲酸酯 酯 醚和缩酮 通过控制条件可以得到一定的选择性 当分子中存在一些官能团其可与副产物叔丁基碳正离子在酸性下反应时 需要添加硫酚 如苯硫酚 来清除叔丁基碳正离子 此举可防止硫醇 醚 酚 如蛋氨酸 色氨酸等 和其他富电子芳环 吲哚 噻吩 吡唑 呋喃多酚羟基取代苯等等 脱Boc时的烷基化 也可使用其它的清除剂 如苯甲醚 苯硫基甲醚 甲苯硫酚 甲苯酚及二甲硫醚 中性条件TBSOTf 2 6 lutidine的组合或ZnBr2 CH2Cl2也可对BOC很好的脱除 如果底物对叔丁基碳正离子特别敏感 也可以ZnBr2 CH2Cl2体系中加碳正离子清除剂伯胺衍生物存在下 ZnBr2 CH2Cl2可以选择性的脱除仲胺上的Boc 1 2 3叔丁氧羰基的脱去 1 2 4叔丁氧羰基的脱去示例 1 2 4叔丁氧羰基的脱去示例 1 2 5叔丁氧羰基的脱去 1 3 笏甲氧羰基 Fmoc Fmoc保护基的一个主要的优点是它对酸极其稳定 在它的存在下 Boc和苄基可去保护 Fmoc的其他优点是它较易由简单的胺不通过水解来去保护 被保护的胺以游离碱释出 一般而言Fmoc对氢化稳定 但某些情况下 它可用H2 Pd C在AcOH和MeOH仲脱去 Fmoc保护基可与酸脱去的保护基搭配而用于液相和固相的肽合成 笏甲氧羰基的特点 1 3 1笏甲氧羰基的引入 用笏甲醇在无水CH2Cl2中与过量的COCl2反应可以得到很好产率的Fmoc Cl 熔点61 5 63 所得Fmoc Cl在二氧六环 Na2CO3或NaHCO3溶液同氨基酸反应则可得到Fmoc保护的氨基酸 一般不能用强碱 用Fmoc OSu Su 丁二酰亚胺基 在乙腈 水中导入 该方法在制备氨基酸衍生物时很少低聚肽生成 目前我们一般更倾向于用Fmoc OSu上FMoc 笏甲氧羰基的引入一般方法 1 3 2笏甲氧羰基的引入示例 1 3 3笏甲氧羰基的脱去 Fmoc同前面提到的Cbz和Boc不同 它对酸稳定 较易通过简单的胺 而不是水解 脱保护 被保护的胺以游离碱释出 Fmoc ValOH在DMF中用不同的胺碱去保护的快慢有较大的差异 20 的哌啶较快 Fmoc保护基一般也能用浓氨水 二氧六环 4MNaOH 30 9 1 以及用哌啶 乙醇胺 环己胺 吗啡啉 吡咯烷酮 DBU等胺类的50 CH2Cl2的溶液脱去 另外 Bu4N F DMF在室温的脱去效果也很好 叔胺 如三乙胺 的脱去效果较差 具有空间位阻的胺其脱除效果最差 一般我们在常规合成 液相反应 不经常性使用该保护基的原因 对碱过于敏感 反应的副产物 1 3 4笏甲氧羰基的脱去示例 1 4 烯丙氧羰基 Alloc 同前面提到的Cbz Boc和Fmoc不同 它对酸 碱等都很稳定 在它的存在下 Cbz Boc和Fmoc等可选择性去保护 而它的脱去则通常在Pd 0 的存在下进行 Alloc Cl在有机溶剂 Na2CO3 NaHCO3溶液或吡啶中同氨基化合物反应则可得到Alloc保护的氨基衍生物 烯丙氧羰基的特点 烯丙氧羰基的引入 1 4 1烯丙氧羰基的引入示例 1 4 2烯丙氧羰基的脱去 Alloc保护基对酸 碱等都有较强的稳定性 它们通常只用Pd 0 如Pd PPh3 4或Pd PPh3 2Cl2存在的条件去保护 在异戊烯酯或肉桂酸酯存在下 可用Pd OAc 2 TPPT CH3CN Et3N H2O去保护 但随时间的增加 这些酯也会反应 并且氨基甲酸异戊烯酯和烯丙基碳酸酯同样被断裂 当加入Boc2O AcCl TsCl 或丁二酸酐时 Pd PPh3 2Cl2 Bu3SnH可将Alloc基转变为其它的胺衍生物 另外 Alloc也可在Pd PPh3 4和HCOOH TEA或AcOH NMO催化脱去 1 4 3烯丙氧羰基的脱去示例 1 5三甲基硅乙氧羰基 Teoc 三甲基硅乙氧羰基 Teoc 同前面提到的Cbz Boc Fmoc和Alloc不同 它对酸 大部分碱 及贵金属催化等都很稳定 在它的存在下 Cbz Boc Fmoc和Alloc等可选择性去保护 而它的脱去则通常在氟负离子进行 如TBAF TEAF和HF等 一般情况下 Teoc Cl Teoc OSu或Teoc OBt在有机溶剂 碱的存在下同氨基化合物反应则可得到Teoc保护的氨基衍生物 三甲基硅乙氧羰基的引入 1 5 1三甲基硅乙氧羰基的引入示例 1 5 2三甲基硅乙氧羰基的脱去 一般三甲基硅乙氧羰基 Teoc 脱除主要通过TBAF 四丁基氟化胺 TEAF 四乙基氟化胺 或TMAF 四甲基氟化胺 来脱除 在脱除过程中 TBAF将产生四丁基胺盐的副产物 常常不易除去 而且它的质谱丰度高 往往影响产品的交货 此时可用TMAF或TEAF来代替 1 6 甲 或乙 氧羰基的引入 甲 或乙 氧羰基同前面提到的各种烷氧羰基不同 它对一般的酸 碱和氢解等都很稳定 在它的存在下 Cbz Boc和苄基等可选择性去保护 同Cbz Fmoc和Alloc的引入方法类似 用甲 或乙 氧羰酰氯在有机溶剂 Na2CO3 NaHCO3或有机碱同氨基化合物反应则可得到甲 或乙 氧羰基保护的氨基衍生物 甲 或乙 氧羰基的引入一般方法 1 6 1甲 或乙 氧羰基的引入示例 1 6 2甲 或乙 氧羰基的脱去 因为甲 或乙 氧羰基较强的稳定性 它们通常只用较剧烈的条件去保护 如HBr HOAc处理 KOH MeOH 6NHCl和TMSI等 第二部分 酰基类氨基保护基 2 1 邻苯二甲酰基 同一般的酰基氨基酸比较 Pht 氨基酸在接肽时不易消旋 但它对碱不稳定 在碱皂化的条件下发生邻苯二甲酰亚胺环的开环生成邻羧基苯甲酰基衍生物 因此 当选用Pht作氨基保护基时 肽链的羧基末端则不能用甲酯 或乙酯 保护 而只能用苄酯或叔丁酯保护 以避免将来用皂化去酯的步骤 Pht对催化氢解 HBr HOAc处理以及Na NH3 液 还原 后处理的碱性条件需要避免 等均稳定 但很容易用肼处理脱去 另外其特性只用于伯胺保护 邻苯二甲酰基的特点 2 1 1邻苯二甲酰基的引入 最先导入Pht基的方法是将邻苯二甲酸酐同氨基酸在145 150 进行熔融反应 但会引起一些氨基酸部分消旋作用 因而后来又进行了一些改进 如邻苯二甲酸酐 CHCl3 70 下反应 而最温和的方法 见下式 是N 乙氧羰基邻苯二甲酰亚胺与氨基酸在Na2CO3水溶液中于25 反应10 15分钟 就可以得到85 95 的Pht 氨基衍生物 并且可在仲胺的存在时选择性地保护伯胺 邻苯二甲酰基的引入 2 1 2邻苯二甲酰基的引入示例 2 1 3邻苯二甲酰基的脱去 Pht 氨基衍生物很容易用肼处理脱去 一般用水合肼的醇溶液回流2小时或用肼的水或醇溶液室温放置1 2天都可完全脱去Pht保护基 在此条件下Cbz Boc 甲酰基 Trt Tos等均可不受影响 在肼效果差的情况下 用NaBH4 i PrOH H2O 6 1 和AcOH在80 反应5 8小时是很有效的 见下式 另外 浓HCl回流也容易脱去Pht保护基 邻苯二甲酰基的脱去 2 1 4邻苯二甲酰基的脱去示例 2 2 对甲苯磺酰基 对甲苯磺酰胺一般可由胺和对甲苯磺酰氯在吡啶或水溶性碱存在下制得 它是最稳定的氨基保护基之一 对碱性水解和催化还原稳定 碱性较弱的胺如吡咯和吲哚形成的对甲苯磺酰胺比碱性更强的烷基胺所形成的对甲苯磺酰胺更易去保护 可以通过碱性水解去保护 而后者通过碱性水解去保护是不可能的 同时Tos的酰胺或氨基甲酸酯更容易形成结晶 Tos 氨基酸的酰氯在NaOH等强碱作用下也很不稳定 对甲苯磺酰基的特点 2 2 1对甲苯磺酰基的引入 对甲苯磺酰氯在NaOH NaHCO3或其他有机碱存在下同氨基酸 吡咯和吲哚等反应很容易得到良好产率的Tos 衍生物 2 2 2对甲苯磺酰基的脱去 Tos基非常稳定 它经得起一般酸解 TFA和HCl等 皂化 催化氢解等多种条件得处理比受影响 常用萘钠 Na NH3 液 和Li NH3 液 处理脱去 HBr 苯酚和Mg MeOH也是比较好的去保护方法 值得注意的是 Na NH3 液 的操作比较麻烦 并且会引起一些肽键的断裂和肽链的破坏 另外 有时HF MeCN回流也能脱去Tos基 2 2 3邻 对 硝基磺酰基 Ns 的引入 邻 对 甲苯磺酰基 Ns 作为氨基的保护基也很常见 其主要优点是易于引入 并且脱除条件温和 2 或4 硝基苯磺酰氯反应很容易实现 Et3N CH2Cl2 23 生成的磺酰胺在强酸 HCl10eq MeOH 60 4h 或强碱 NaOH10eq MeOH 60 4h 环境中都相当稳定 2 2 4邻 对 甲苯磺酰基 Ns 的脱除 Ns的脱去也相当温和 可以用 PhSH K2CO3 DMF 23 或 HSCH2COOH LiOH DMF 23 进而生成胺基化合物 其中第二种条件更利于操作 因为生成的副产物 O2NC6H4SCH2COOH 在碱性条件下可以用水洗除去 2 3 三氟乙酰基 三氟乙酰基 Tfa 可用三氟醋酐导入 在稀碱液中很容易脱去 由于N Tfa 氨基酸在接肽时易于消旋 也是采用此保护基时应该注意的地方 2 3 1三氟乙酰基的引入 由于三氟醋酐同氨基酸反应时易生成恶唑烷酮而发生消旋 因此 同甲酰基的引入一样 在低温下于三氟醋酸溶液中用三氟醋酐酰化为好 一般而言 CF3COOEt Et3N MeOH是较好的方法 可在仲胺存在下 选择性地保护伯胺 在TFAA 18 Crown 6 Et3N中 伯胺与18 Crown 6形成络合物 可选择性地酰化仲胺 而在仲胺存在下 CF3COO 邻苯二甲酰亚胺也可选择性地将TFA基团引入到伯胺 2 3 2三氟乙酰基的脱去 三氟乙酰胺也是较易去保护地酰胺之一 Tfa基可以在水或乙醇水溶液中用0 1 0 2NNaOH处理或者用1M哌啶溶液处理很容易地脱去 在K2CO3或Na2CO3 MeOH H2O条件下 Tfa可在甲基酯存在下于室温去保护 也可在NH3 MeOH HCl MeOH或通过相转移水解 KOH Et3Bn Br H2O CH2Cl2或乙醚 脱去 2 4其他用于氨基保护的酰胺 特戊酰胺 无a 质子 用于芳环的另外负离子化 苯甲酰胺 苯甲酰基 可用于分子设计的官能团转化脱除方法 第三部分 烷基类氨基保护基 1 三苯甲基 Trt 2 2 4 二甲氧基苄基 Dmb 3 对甲氧基苄基 PMB 4 苄基 Bn 都是常见的烷基类氨基保护基它们与酰基类和烷氧羰基类氨基保护基同等重要 3 1 三苯甲基 三苯甲基 Trt 是50年代开始用于多肽合成的 也被用于保护各种氨基 如氨基酸 青霉素 头孢霉素等 N Trt 氨基酸的酯不能发生水解 需要较强的去保护条件 质子同样不易被脱去 这意味着 在分子中其他地方的酯可以选择性的水解 在接肽反应中 Trt 氨基酸 除Trt Gly和Trt Ala以外 一般不能采用混合酸酐法接肽 Trt 氨基酸的酯不能水解 也就不能用叠氮法接肽 而只能采用DCC这类方法来接肽 但Trt的立体位阻只表现在对Trt 氨基酸的反应影响上 因此对长链肽的末端氨基的保护来说 Trt还是可用的 特别是对于带有含硫氨基酸的肽 由于不能采用催化氢解来实现Cbz和Boc之间的选择性脱去 采用Trt则将较好的选择 3 1 1三苯甲基的引入 因Trt立体位阻很大 一般Trt 氨基酸酯难以皂化 除甘氨酸酯外 强烈条件 如高温 易引起消旋 Trt引入常用 吡咯 吡唑和咪唑等可用类似反应 先制得Trt 氨基酸苄酯 再控制吸氢量选择性氢解 但有部分Trt被氢化 需除去伴生自由氨基酸 用过量Trt Cl 生成Trt 氨基酸三苯甲酯 然后用HCl HOAc处理脱去三苯甲酯而得到Trt 氨基酸 是用肽的酯同Trt Cl反应得到Trt 肽酯 后者容易皂化而不存在Trt的立体位阻作用 用Trt Cl Me3SiCl Et3N和Trt Cl TMSCl Et3N也容易得到Trt 氨基酸 3 1 2三苯甲基的引入示例 3 1 3三苯甲基的脱去 Trt容易用酸脱去 如用HOAc或50 或75 HOAc的水溶液在30 或回流数分钟顺利除去 这时N Boc和O But可以稳定不动 其他如HCl MeOH HCl CHCl3 HBr HOAc和TFA都能很方便的脱去Trt Trt对酸的敏感程度还随所用的酸的不同而异 例如Trt对醋酸比较敏感 在80 的醋酸中 Trt的脱除速度大约比Boc快21 000倍 因而可以在Boc存在下选择性地脱去Trt 如用0 1MHBr HOAc为试剂 Trt脱去速度反而慢于Boc 3 1 4三苯甲基的脱去 Trt也能被催化氢解脱去 但脱去速度比O 苄基和N Cbz要慢得多 根据所用试剂和脱去方法得不同 Trt被分解所形成的产物也不同 见下式 3 1 5三苯甲基的脱去示例 3 1 6三苯甲基的脱去示例 3 22 4 二甲氧基苄基 DMB 2 4 二甲氧基苄基 DMB 是较稳定的氨基保护基之一 对催化氢解较Cbz PMB和Bn稳定 故用H2 8 Pd C EtOH处理 则可除去Bn 而保留N DMB 注意不要用3 二甲氧基苄基 3 二甲氧基苄基代替2 4 二甲氧基苄基同样 用Pd PPh3 4 HOAc THF处理 则可保留N DMB 而除去Alloc 酰胺的苄基 常规加氢方法不易脱除 但DMB和PMB容易脱除 在设计合成路线时 2 4 二甲氧基苄胺常被用为氨的等价物加以使用 3 2 12 4 二甲氧基苄基的引入 2 4 二甲氧基苄基 DMB 一般由ArCHO NaBH3CN或NaBH OAc 3还原胺化类引入 或2 4 二甲氧基苄胺作为氨基的等价体引入 3 2 22 4 二甲氧基苄基的脱去 DMB容易用酸脱去 如用TFA TosOH或HCl的有机溶液在0 或室温即可顺利除去 采用TFA i Pr3SiH CH2Cl2时 N Fmoc可以稳定不动 其他如DDQ CH2Cl2也能很方便的脱去DMB 而叔丁酯和N Boc可以不受影响 3 3对甲氧基苄基 对甲氧基苄基 PMB 是也最稳定的氨基保护基之一 它对大多数反应都是稳定的 在Bn存在下 可用CAN或DDQ氧化选择脱PMB 同样 在Boc和叔丁酯存在