氨基保护方法

氨基保护方法

胺类化合物对氧化和取代等反应都很敏感,为了使分子其它部位进行反应时氨基保持不变,通常需要用易于脱去的基团对氨基进行保护。例如,在肽和蛋白质的合成中常用氨基甲酸酯法保护氨基,而在生物碱及核苷酸的合成中用酰胺法保护含氮碱基。化学家们在肽的合成领域内,对已知保护基的相对优劣进行了比较并在继续寻找更有效的新保护基。除了肽的合成外,这些保护基在其它方面也有很多重要应用。

下面介绍保护氨基的一些主要方法和基团。

1 形成酰胺法

将胺变成取代酰胺是一个简便而应用非常广泛的氨基保护法。单酰基往往足以保护一级胺的氨基,使其在氧化、烷基化等反应中保持不变,但更完全的保护则是与二元酸形成的环状双酰化衍生物。常用的简单酰胺类化合物其稳定性大小顺序为甲酰基<乙酰基< 苯甲酰基。

酰胺易于从胺和酰氯或酸酐制备,并且比较稳定,传统上是通过在强酸性或碱性溶液中加热来实现保护基的脱除。由于若干基质,包括肽类、核苷酸和氨基糖,对这类脱除条件不稳定,故又研究出了一些其他脱除方法,其中有甲酰衍生物的还原法,甲酰基以及对羟苯基丙酰基衍生物的氧化法,苯酰基和对羟苯基丙酰基衍生物的电解法,卤代酰基、乙酰代乙酰基以及邻硝基、氨基、偶氮基或苄基衍生物等“辅助脱除法”,等等。

为了保护氨基,已经制备了很多N2酰基衍生物,上述的简单酰胺最常用,卤代乙酰基衍生物也常用。这些化合物对于温和的酸水解反应的活性随取代程度的增加而增加:乙酰基< 氯代乙酰基< 二氯乙酰基< 三氯乙酰基< 三氟乙酰基。此外,在核苷酸合成的磷酸化反应中,胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤中的氨基是分别由对甲氧苯酰基、苯酰基和异丁酰或甲基丁酰基予以保护的,这些保护基是通过氨解脱除的。另外,伯胺能以酰胺的形式加以保护,这就防止了活化的N2乙酰氨基酸经过内酯中间体发生外消旋化。

111 甲酰衍生物

胺类化合物很容易进行甲酰化反应,常常仅用胺和98 %的甲酸制备。甲酸乙酸酐也是一个有用的甲酰化试剂。对于某些容易发生消旋化的氨基酸可用甲酸和N ,N′2双环己基碳二亚胺(DCC) 在0 ℃时进行甲酰化反应,也可用酯类进行氨解。

甲酰胺类是相当稳定的化合物,因此广泛应用于肽的合成。甲酰基的脱除也有很多方法,氧化或还原法脱酰反应均可被采用。N2甲酰衍生物用15 %过氧化氢水溶液处理,可以顺利地进行氧化脱解。用氢化钠在二甲氧基乙烷中回流可以代替用酸或碱水解去除酰基。

112 乙酰基及其衍生物

胺类化合物的乙酰化或取代乙酰衍生物是用酰氯、酸酐进行酰化或在二环己基碳二亚胺(DCC) 或焦亚磷酸四乙基酯存在下,直接与酸综合加以制备,有时也可用酯或硫酯氨解的方法;制备乙酰胺另一好的方法是用胺和乙烯酮〔15〕或异丙烯乙酸酯反应。如果用双烯酮〔17〕反应,则得到的是乙酰乙酰基衍生物。

用乙酰基保护氨基比用其他保护基要多。由于它比甲酰基更稳定,因此,在进行亲电取代、硝化、卤代等反应时常选择乙酰基来保护芳香胺。乙酰胺丙二酸酯也可用于合成α2氨基酸,但在脱乙酰基时所需的酸或碱性条件,可使分子内其

他部位受影响。在脱去氨基糖上的乙酰基时,也可用肼解反应代替碱性水溶液。

近年来用卤代乙酰基尤其是三氟乙酰基保护N —H 键越来越得到重视,这个保护基可在温和的碱性条件下水解去掉,如用氨水、碱性离子交换树脂等,肽类上的三氯乙酰或三氟乙酰均可用硼氢化钠还原去掉。三氟乙酰基不仅用于肽的合成,而且也用于氨基糖类的保护。

在甾体、苷类合成中也有一些应用三氟乙酰基的重要实例,它既可以保护甾体上的氨基,也可以保护糖上的氨基。

113 苯甲酰基及有关衍生物

胺的苯甲酰化和取代苯甲酰衍生物常用酰氨Schotten - Baumann 反应制备,用焦亚磷酸四乙基酯进行混合酸酐法也可得到非常好的结果。其它都是用酸或碱水解脱除。用苯甲酰类作保护基,一般不及用甲酰、乙酰保护方便,除非是苯甲酰类对水解稳定,而其某些优越之处在于核苷酸类保护基上的应用。

114 环状酰亚胺衍生物

环状酰亚胺衍生物非常稳定, 很宜用于保护一级胺和氨, 但非环状的酰亚胺已证明过分活泼而不宜用作保护基。在环状酰亚胺衍生物中, 琥珀酰胺衍生物的应用较有限, 仅用于青霉素的合成和芳香胺的硝化。现最受重视的还是邻苯二甲酰亚胺, 用邻苯二甲酰亚胺的钾盐进行烷基化以制备纯的一级胺, 是应用已久的着名的Gabriel 氏合成法, 不过, 现对此法已做了许多改进。

为了保护一级胺, 可将胺和丁二酸酐或邻苯二甲酸酐在150～200 ℃共热, 引进丁二酰基或邻苯二甲酰基, 在不太强烈的条件下形成非环的单酰胺(酰胺酸) , 用混合的脱水剂, 如乙酰氯或亚硫酰氯处理时, 通常可转化成环状酰胺。另外, 也可将胺与酸酐在苯或甲苯中与三乙胺回流, 反应过程中生成的水用共沸蒸馏除去。

21 形成氨基甲酸酯和尿素型化合物的保护法

211 氨基甲酸酯型衍生物

在肽合成中, 将氨基甲酸酯用作氨基酸的保护基, 从而将外消旋化抑制到最低限度。为最大限度抑制外消旋化, 可使用非极性溶剂, 此外使用尽量少的碱和低的反应温度以及使用氨基甲酸酯保护基(R = O2烷基和O2芳基) , 都是有效的措施。

通常采用胺和氯代甲酸酯或重氮甲酸酯进行反应制备氨基甲酸酯。它们的稳定性有着很大的差异, 因此, 当需要选择性地脱去保护基时, 用此类基团对氨基进行保护很为适宜, 其中最有用的几种氨基甲酸酯有: 特丁酯(BOC) 容易通过酸性水解反应脱除; 苄酯(CBZ) 通过催化氢解反应脱除; 2 , 42二氯苄酯能在氨基甲酸苄酯和特丁酯的酸催化水解条件下保持稳定; 22 (联苯基) 异丙酯比氨基甲酸特丁酯更容易为稀醋酸所脱除; 92芴甲基酯在碱存在下经由β2消除反应裂解; 异烟基酯在醋酸中用锌还原裂解; 12金刚烷基酯易被三氟乙酸裂解; 22苯基异丙酯对酸性水解的稳定性比氨基甲酸特丁酯稍强。但应该注意, 叠氮甲酸特丁酯由于对热和振动敏感, 故有一定的危险性, 只要有可能, 叠氮甲酸酯应避免使用。

氨基甲酸酯类物质很多, 还有其取代衍生物及其它类型的氨基甲酸酯都可作为氨基的保护基, 在合成反应上, 特别是在肽的合成中应用广泛, 这里不再一一举例了。

212 尿素型化合物

将胺做成尿素型化合物加以保护比将氨基做成氨基甲酸酯加以保护较为少

见。在合成磺胺时, 用N , N′2二苯基尿素作为原料, 可代替苯胺的酰基衍生物。近年来常采用哌啶羰基保护组氨酸中咪唑环上的N2H 键。这个保护基的用途在于, 它可以提高含组氨酸的较大肽类的溶解度, 并对酸水解、氢解以及对合成肽类常用的其它试剂都比较稳定, 还可用N2氯甲酰哌啶在无水吡啶中于65 ℃时

引进哌啶羰基, 并可经肼处理除去之。

N′2对甲苯磺酰胺羰基衍生物(R1R2NCONHSO2C6H42P2CH3) 也是尿素型

衍生物, 由氨基酸与异氰酸对甲苯磺酰酯制得, 收率20 %～80 % , 用醇类裂解(95 %EtOH 水溶液, n2PrOH 或n2BuOH , 100 ℃, 1h , 收率95 %) 。它对于稀碱、酸(HBr/ HOAc 或冷的CF3COOH) 以及肼都是稳定的。

3 形成N2烷基衍生物的保护法

用烷基保护氨基主要是用苄基或三苯甲基, 这些基团特别是三苯甲基的空

间位阻作用对氨基可以起到很好的保护作用, 并且很容易除去。

311 苄基衍生物

单和双苄基衍生物通常是用胺和苄氯在碱存在下进行制备。用选择性的催化加氢法可将双苄基变成单苄基衍生物, 一级胺的苄叉衍生物进行部分氢化反

应是一个制备烷基苄基胺或芳香苄胺的常用方法。用苄胺进行亲核取代反应, 可引入一个氨基(保护形式) , 然后在反应后期去掉苄基。

合成维生物H (生物素biotion) 中就是用上述类似方法制备了一个关键中间体。化学家们研究了各种取代的苄基和有关的基团在催化加氢时脱去的难易, 发现对位取代基更不容易进行氢解, 而二苯甲基、12和22萘甲基以及92芴基等均不如苄基稳定。

312 三苯甲基衍生物

三苯甲基衍生物如单苄基衍生物一样, 可用三苯甲基溴化物或氯代物在碱

性存在下与胺进行反应制备, 也可用催化剂加氢还原脱掉; 三苯甲基与苄基不

同在于, 它可以在温和的酸性条件下脱去, 这方面双2 (对甲氧基苯基) 2甲基有

类似情况, 单2对甲氧基代三苯甲基则对酸更不稳定。

在肽的合成和青霉素的合成中用三苯甲基保护α2氨基酸是很有价值的。由于其体积大, 不仅可保护氨基, 还可对氨基的α2位基团有一定的保护作用。

313 烯丙基衍生物

烯丙基胺用于保护咪唑环上的N2H 键。在K2CO3 存在下腺嘌呤和62羟基嘌呤与烯丙基溴在N , N2二甲基乙酰胺中可得92烯丙基衍生物, 而在碱性条件下,

可将保护基氧化除去。

4 形成C = N 键保护氨基

酮或醛与一级胺反应生成甲亚胺, 通称Schiff 碱。如果是芳香胺, 则有时称缩苯胺(Anil) 。由芳香醛、酮和脂肪酮形成的Schiff 碱是稳定的, 但脂肪醛与胺形成的Schiff 碱, 往往发生羟醛缩合反应而不适用于作保护基。

由于芳亚甲基衍生物容易形成而且稳定, 因此是应用最广的保护方法。烷基化后可以生成不稳定的季铵盐, 由此可得到收率高的纯二级胺。α2氨基酸酯容易形成苯亚甲基衍生物, 但从游离酸形成的衍生物是不稳定的。当醛基的邻位有羟基存在时, 由于形成氢键而使衍生物更加稳定。芳香亚甲基可以在极其温和的酸性条件下进行水解脱去, 且在反应过程中不致发生消旋。可是, 由于在某些情况下偶合不成功, 致使该方法在应用中有一定的局限性。L2赖氨酸中的α2氨基可生成稳定的单苯亚甲基衍生物,利用这一现象可以制备L2赖氨酸的α2苄氧羰

基氨基衍生物。

5 质子化反应和熬合反应对氨基的保护

511 质子化反应

从理论上讲, 对氨基最简单的保护方法是使氨基完全质子化, 即占据氮原子上的

孤电子对, 以阻止取代反应的发生, 但实际上在使氨基完全质子化所需的酸性条件下, 可以进行的合成反应很少, 所以, 这种方法仅曾用于防止氨基的氧化。然而游离胺在浓硫酸中低温(约0 ℃) 进行硝化时, 则不必先酰化, 因其质子化作用已足以保护氨基不致被氧化。氨基质子化后使芳香环的活泼性减弱, 还改变取代反应的定位效应。例如2 , 22二氨基取代苯在硫酸中硝化时得到42硝基衍生物, 但是用二氨基的双酰化物(如丁酰胺) 进行硝化时, 却主要得到32和52位硝基取代物。也可用形成季铵盐的方法来保护氨基。季铵盐通常用于氧化反应中保护叔胺。上述反应条件能够在羟基或酚基的存在下, 由伯、仲、叔胺(包括氨基酸) 形成季铵盐。

512 螯合反应

一个与质子化相似而有效的保护方法是, 利用氮原子上的孤电子对形成熬合物,例如α2和β2氨基酸可与过渡金属形成稳定的配合物。应用络氨酸铜配合物, 苯乙酰化反应只在酚基上发生, 不在氨基上发生反应。二元氨基酸也可选择地只在一个氨基上进行酰化反应。复合物用硫化氢处理很容易得到酰化物。

6 用含磷有机物保护氨基

611 二烷基磷酰基作为氨基保护基[46] 。

在合成肽时, 用磷酰基作为氨基保护基, 对碱较稳定, 对酸则敏感易脱去, 可与苄氧羰基媲美。例如由O, O2二烷基2N2取代苯乙基磷酰胺3a～c 合成了N , N2二烷基磷酰基2N2取代苯乙基甘氨酸衍生物4a～e , 在Lewis 酸催化下成功地进行了Freidel2Crafts 反应得到相应的分子内环化产物苯并232氮杂环庚酮212衍生物, 并在温和条件下脱保护基。在合成苯并232氮杂环庚酮类(6a 、6b) 化合物时, 以二异丙基磷酰基作为氨基保护基, 具有易除去、不脱羰的优点, 这是磺酰基、烷氧羰基所不及的, 在一般有机合成中作为氨基保护基是大有潜力的。

612 亚磷酸二乙酯作为α2氨基酸中α2氨基的保护基[48 ]

目前在多肽合成中常用的α2氨基保护基大多属于烷氧羰基型(R2O2CO2) , 如BOC、Z、PMZ 等, 这些保护基对碱稳定对酸敏感, 易于在酸性条件下脱除, 但相应的试剂在制备时需使用剧毒的光气, 这无论对实验室制备或工业生产都会带来很多不便, 因此, 需要寻找能替代它们的价廉易得、稳定且低毒的新α2氨基保护试剂。

以亚磷酸二乙酯为试剂, 由引入O , O’2二乙基磷酰基(DEPP) 作为α2氨基酸的α2氨基保护基, 采用相转移催化法不仅合成了N2 (DEPP) 2α2氨基酸甲酯衍生物, 还合成了含有游离羟基的N2 (DEPP) 2α2氨基酸, 并由叠氮法制得了两种模型二肽。对一些DEPP 保护的氨基酸衍生物作了在酸、碱及水合肼中稳定性的研究, 用4 mol/ L HCL及TFA 作了脱保护基条件的试验。在各项考察的基础上, 对亚磷酸二乙酯作为α2氨基酸的α2氨基保护试剂在肽合成上应用的可行性作评价。亚磷酸二乙酯制备简单、低廉、低毒且相当稳定, 试验表明, 用它作试剂在温和条件下不仅能与α2氨基酸酯类反应生成N2DEPP 衍生物, 而且还能使α2氨基酸四烷铵盐N2DEPP 化, 然后较易得到N2DEPP2α2氨基酸。这N2DEPP2衍生物在碱中稳定, 通常在弱酸性条件下也很稳定。虽然在2mol/ L NaOH 和85 %水合肼中观察到有微弱副反应发生, 但它不是保护基的脱除反应。用DEPP2氨基

酸衍生物合成的两种模型二肽, 无论在氨基酸分析上, 还是在层析行为上都与标准二肽相同, 这说明以亚磷酸二乙酯为试剂引入DEPP 为α2氨基酸的α2氨基保护基是行之有效的, 可用于肽的合成。然而以DEPP 为α2氨基酸的α2氨基保护基虽然在试剂方面有其优越性, 但DEPP 保护基也有不可忽视的缺点, 这项工作还有待于进一步研究。

总之, 氨基的保护方法和保护基都很多, 上面介绍的是比较重要而又实用的方法和基团。化学家们至今还在寻求有关更好的方法及更有效的保护基, 研究工作仍在继续。氨基保护在有机合成中的应用将会越来越广泛。

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