方法文章

一锅法微波辅助将异头位硝酸酯转化为三氯乙酰亚胺酯

DOI：

10.3791/56610

⸱

2018年1月15日

 ,  ,  , 
1Department of Chemistry, Vanderbilt University, 2Institute of Chemical-Biology, Vanderbilt University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

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2-叠氮-1-硝酸酯可通过一锅法转化为相应的2-叠氮-1-三氯乙酰亚胺酯。本文旨在展示微波反应器在碳水化合物合成中的应用价值。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

以下实验方案的目的是演示将2-叠氮-1-硝酸酯一步转化为三氯乙酰亚胺基糖供体的过程。在糖烯经过叠氮硝化反应后，所得的2-叠氮-1-硝酸酯可在微波辅助辐照条件下发生水解。该转化通常需要使用强亲核试剂并经历较长的反应时间。而微波辐照可在无试剂条件下实现水解，且反应时间显著缩短。在脱硝基之后，中间体的异头位醇在同一反应容器中直接转化为相应的2-叠氮-1-三氯乙酰亚胺酯。

引言

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由于碳水化合物在分子生物学中的普遍存在，其化学合成一直是重要的研究目标1,2,3。任何成功的合成策略的核心在于正确运用糖基化反应来构建寡糖链4,5,6,7,8,9,10,11,12。毫不奇怪，目前已有大量构建糖苷键的方法13,14。Koenigs-Knorr 方法是最早报道的方法之一，涉及在重金属（汞或银）活化条件下，将糖基氯化物或溴化物与醇组分偶联15。相关的糖基氟化物由Mukaiyama课题组于1981年首次引入作为糖基供体，因其更高的热稳定性和化学稳定性而得到广泛应用16。在反应活性谱的另一端是糖基碘化物，其反应活性远高于其他卤化物。更高的反应活性通常伴随着更强的立体选择性控制，尤其是在构建α-连接的寡糖时表现显著17。除了"卤代糖苷"之外，硫代糖苷也展现出广泛的应用价值，部分原因在于其易于制备、对多种反应条件具有良好的稳定性，并可通过亲电试剂进行活化18。

上述方法主要聚焦于将异头醇转化为 "非氧气" 包含潜伏性离去基团，该基团被活化后最终被受体分子中的醇取代。Schmidt 课题组所描述的异头位氧活化策略，侧重于将 C1 位氧原子本身转化为一个离去基团。19 该方法是化学糖基化反应中最强大且应用最广泛的方法。三氯乙酰亚胺酯供体可由还原糖与三氯乙腈在碱性条件下（如碳酸钾（K2CO3）或1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU））便捷地制备。随后，这些化合物可通过路易斯酸活化。20

最近，我们报道了2-叠氮-1-三氯乙酰亚胺酯供体可直接由糖烯制备。该过程涉及从2-叠氮-1-硝酸酯出发的两步反应、一锅法操作21。本详细实验方案旨在帮助研究人员以高收率成功完成该转化。其中特别值得关注的是反应序列的第一步，即在微波辅助加热条件下的热脱硝化反应。我们还希望提供有关在有机合成中使用微波反应器的可视化操作教程。

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方案

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1. 微波辅助去硝化的代表性实验

  1. 将叠氮硝酸酯（1.0 当量，0.2 mmol）置于 8 mL 微波反应小瓶中。反应规模可扩大至数 mmol，对反应进程无不良影响。
  2. 用 20% 水-丙酮溶液（0.1 M，2.0 mL）溶解叠氮硝酸酯。向反应容器中加入吡啶（5.0 当量，0.08 mL，1.0 mmol）。盖紧微波辐照小瓶，并将反应容器放入微波反应腔中。
  3. 在 120 °C 下搅拌并固定保温时间辐照 15 分钟。保温时间指在指定温度及相应压力下辐照持续的时间。所有反应均在 2 分钟的升温时间内升至报道温度。通过内置红外传感器监测温度。
  4. 15 分钟后，采用薄层色谱法（TLC）分析反应混合物，以确认起始原料已消耗完毕。以 1:1 乙酸乙酯/己烷作为洗脱剂。
    1. 使用钼酸铈铵染色剂显色 TLC 板。反应物与产物的 Rf 值会有所不同，但还原所得的醇通常比反应物的 Rf 值低 0.05 至 0.1。

2. 三氯乙酰亚胺酯的形成

  1. 待原料完全消耗后，使用气流将溶剂蒸发至较小体积。然后用二氯甲烷（CH2Cl2）（1.0 mL）稀释，并用注射器除去水层。水层去除后，将反应混合物置于冰水浴中冷却至 0 °C。
  2. 接下来，向反应容器中加入 DBU（10 当量，0.3 mL，1.9 mmol）和 2,2,2-三氯乙腈（50 当量，1.0 mL，10 mmol）。两种试剂均过量加入，但至少需要 1 当量的碱和 1 当量的 2,2,2-三氯乙腈。
  3. 让反应混合物在搅拌下逐渐升至室温。通过薄层色谱（TLC）监测反应，以确认原料的完全消耗。
    1. 以 1:1 乙酸乙酯/正己烷作为洗脱剂。使用钼酸铈铵染色剂显色 TLC 板。反应物与产物的 Rf 值会有所不同。
  4. 原料完全消耗后，将反应混合物转移至回收烧瓶中，并在 30 °C 下减压浓缩。溶剂蒸发后得到粗产物，为浅黄色至棕色的油状物。
  5. 使用硅胶柱层析纯化粗产物，色谱柱直径为 1.5 cm，以 1:4 乙酸乙酯/正己烷作为洗脱剂。咪酯产物的物理形态因分子不同而有所差异。

化学反应序列示意图，微波辅助合成，糖基化，丙酮，DBU，Cl3CCN。
图1. 2-叠氮-1-硝酸酯一锅法转化为2-叠氮-1-三氯亚胺酯的代表性示例。请点击此处查看该图的放大版本。

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结果

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本文所述技术在三种2-叠氮-1-硝酸酯的混合物上进行了验证。在每种情况下，反应的第一步均在20分钟内完成。

使用微波辅助催化和DBU试剂进行碳水化合物合成的化学反应图示。
图2. 水解反应（1 ->2）以及1的2-叠氮-1-硝酸酯（1->3）一锅法转化的代表性示例。

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讨论

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本教程所述方案提供了一种将硝酸酯转化为有用且具有反应活性官能团的方法。从更广泛的意义上讲，在碳水化合物合成过程中使用微波反应器完成特定操作，有望使原本困难的转化变得简便且常规化。本教程的目标是演示如何在微波辐射条件下处理碳水化合物。

对于母体反应，以往实现脱硝基的尝试通常依赖强亲核试剂并需要较长的反应时间。本文所述技术的优势在于，微波可在极短时间内提供高功率加热，从而实现对异头位硝酸酯的定量操控。迄今为止，该方法对在C2位具有葡萄糖构型（即该位置为"平伏"羟基）的化合物效果最佳。在C2位具有"直立"构型的甘露糖类化合物则必须接受更长时间的辐照，因其对水解具有较强抗性。尽管该反应需在碱性条件下进行，以捕获脱硝过程中产生的酸，但对于非酸敏感性分子，可省略碱的使用。此外，可通过延长反应时间来水解对该反应具有抗性的分子（例如全乙酰化糖类）。关于纯化，可在微波反应后对生成的醇进行纯化。

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披露

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作者无竞争性财务利益。

致谢

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作者感谢范德堡大学和化学生物学研究所提供的经费支持。感谢Berkley Ellis先生和John McLean教授提供的高分辨率质谱分析。
 

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
230 400目硅胶SiliCycle IncR10030B
TLC板SiliCycle IncTLG-R10014B-527
钼酸铈铵Sigma-AldrichA1343
溶剂纯化系统MbraunMB-SPS-800
红外光谱仪ThermoThermo Electron IR100
核磁共振波谱仪Bruker400, 600 MHz
液相色谱-质谱联用仪（LC/MS）Thermo/Dionex单四极杆，电喷雾电离（ESI）
高分辨质谱仪（HRMS）AgilentSynapt G2 S HDMS
微波反应器Anton ParrAnton Parr G10 Monowave 200
DBUSigma-Aldrich139009
CCl3CNSigma-AldrichT53805
吡啶Sigma-Aldrich270970
丙酮Fisher ScientificA18-20工业级
相分离器Biotage120-1901-A
旋转蒸发仪BuchiR-100

参考文献

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