N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯席夫堿的非對映選擇性催化加氫作用

1、N-丙酮酰-（S）-脯氨酸酯席夫堿的非對映選擇性催化加氫作用摘 要：人們已經(jīng)對丙酮酸酯、酰胺及它們的席夫堿的非對映選擇催化加氫作用研究了很久，表明脯氨酸是最有效的手性助劑。在丙酮酰胺席夫堿的非對映選擇性催化加氫作用中脯氨酸衍生物一直被用作輔助劑。非對映選擇性加氫作用會導(dǎo)致從二肽產(chǎn)物的水解過程中產(chǎn)生的氨基酸發(fā)生高達78%的對映體過量。螯合作用假說解釋了使用（S）-組氨酸酯時，在酰胺部分、酰胺中的兩個手性中心以及席夫堿部分催化加氫作用的立體化學(xué)。 關(guān)鍵詞：非對映選擇性，催化加氫作用；脯氨酸；丙酮酰胺1. 前言 丙酮酸是氨基酸生物合成中的一種重要的前體。在氨基酸的生物合成中，通過在有關(guān)酶的活性中上的

2、一種吡哆醛可以推斷丙酮酸不含有手性中心，這種手性誘導(dǎo)可以純手性蛋白構(gòu)成的酶的手性活性中心的作用解釋。丙酮酸的中間物以及過渡狀態(tài)總能在酶蛋白的活性中心處形成一個手性化合物，這種新形成的手性氨基酸和包含吡哆醛的酶活性中心可以形成一種非對映中間產(chǎn)物，特別是一種L-氨基酸加L-蛋白質(zhì)和D-氨基酸加 L-蛋白質(zhì)。前一個中間產(chǎn)物往往比后一個穩(wěn)定并且會產(chǎn)生 L-氨基酸，這種來自丙酮酸和L-蛋白質(zhì)的非對映中間產(chǎn)物的形成被認為是一種非對映選擇性反應(yīng)，這種非對映立體選擇性幾乎是獨有的。 另一方面，生物合成的非對映選擇性加氫作用可以被有機化學(xué)模擬，體外使用吡哆醛的模型反應(yīng)和催化氫化反應(yīng)可以例證這一合成反應(yīng)。丙酮酸以

3、及相關(guān)化合物的非對映選擇性催化加氫作用一直被研究了很久，已經(jīng)證明了將附近的一個 C=O加C=N 群或兩個C=O 群螯合到鈀催化劑上會影響更高的非對映立體選擇性(圖1)。丙酮酸酰胺部分的手性中心可以影響新形成的手性中心的構(gòu)型。特別地，脯氨酸及其作為手性助劑的衍生物已證明了它們在非對映選擇性催化加氫作用中的效果。 本研究中，非對映選擇性催化加氫作用是在丙氨酸酰胺部分中具有一個手性中心的席夫堿形成之后發(fā)生的。我們用(S)-脯氨酸衍生物作為丙酮酸酰胺部分中的手性助劑，以及芐胺作為席夫堿部分中的手性助劑，還考察了在席夫堿中使用手性1-苯乙胺的非對映選擇性加氫作用，以考察雙手性助劑的作用。(S)-脯氨酸與

4、L-脯氨酸相同，相對于D, L-術(shù)語我們更傾向于使用R, S-術(shù)語來表明本研究中使用的手性胺的立體化學(xué)。底物的制備和氫化作用如圖2和圖3所示。 2.結(jié)果與討論 2.1. 使用非手性芐胺的非對映異構(gòu)的催化氫化作用 使用兩種方法得到的N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯類席夫堿的催化加氫作用結(jié)果：A(Pd(OH)2-C) 和 B (Pd-C，然后為Pd(OH)2-C)如表1所示。圖 1. 非對映異構(gòu)的催化氫化反應(yīng)中的螯合假設(shè) 圖2. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯的制備。PTS: 對甲苯磺酸; Bzl: 芐基; DCC: N, N'-二環(huán)己基碳二亞胺; HOSu: N-羥基-琥珀酰亞胺；NEt3:

5、三乙胺。圖 3. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯的制備及其加氫后的反應(yīng)過程 丙氨酸的對映體過量(e.e.)的構(gòu)型組成為(S)-構(gòu)型 (20% -69%). 除了2-甲基-2-丙酯 (No. 34 - 36)，丙氨酸的e.e. 并沒有顯著的不同 (44% -69%), 這是由于酯基部分的大小。反應(yīng)的e.e.值較低，例如異丙醇中為22%，四氫呋喃中為23%，在乙酸乙酯中為28%。雖然方法A得到e.e. 值與方法B相似，使用方法A的反應(yīng)得率比使用方法B的略低，將No. 1與 No. 2進行對比，以及將No.5與No.6比較等等，都能得到典型的例子。幾個反應(yīng)的乳酸的得率(10% - 40%)也給出了，乳

6、酸是在剩余的N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯類的氫化作用中形成的，而沒有形成席夫堿。2.2. 不同溫度下使用非手性芐胺的非對映異構(gòu)催化氫化作用 表2 列出了不同溫度下使用方法A(Pd(OH)2-C)的N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯席夫堿的不對稱氫化作用結(jié)果，丙氨酸的對映體過量(e.e.)的構(gòu)型為(S)-構(gòu)型(23% -78%)，除了2-甲基-2-丙酯(No. 10, 12)以外, 丙氨酸的e.e. 并沒有造成顯著的不同(40% - 78%)，這是由于酯基部分的大小。從8a和8c最高的e.e.值分別為75%（在10C下的異丙醇中(No.6) ）和78%（在10C的乙醇中(No.13)），在較低溫度下以

7、及在異丙醇、四氫呋喃和乙酸乙酯中反應(yīng)得率較低。2.3. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯類席夫堿的非對映異構(gòu)催化氫化作用可能的立體化學(xué) 根據(jù)表1和2的結(jié)果，一種可能的空間途徑如圖4所示。底物8a-e 有兩個主要的可旋轉(zhuǎn)鍵(CC 鍵和CN 鍵) ，如圖4所示，在鈀催化劑上有4個重要的構(gòu)象異構(gòu)體，包括s-cis和s-trans 形式，這些構(gòu)象異構(gòu)體在鈀催化劑上可能會形成中間物(a-1), (b),(c), 或 (d) 。在穩(wěn)定的螯合中間物(a-1) 和不穩(wěn)定的中間物(b)之間、以及在穩(wěn)定的中間物(c)和不穩(wěn)定的中間物(d)之間存在平衡，中間物. (a-1) 和(c)比中間物(b) 和 (d)的比例更高

8、，較低比例的中間物(b)和(d) 可能是由于它們較大的位阻排斥力。一些重要的構(gòu)象異構(gòu)體(a-1) 和 (c) 能夠被氫化，分別得到(S)-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯和 (R) 丙氨酰-(S)-脯氨酸酯。通過中間體(a-1) 形成的產(chǎn)物比通過中間體（c）更能夠很好地解釋表1和表2中的實際結(jié)果，已經(jīng)觀察到了鈀催化劑上形成的五元環(huán)，這使得螯合中間體更合理。 表1 N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯類席夫堿（R1=Bzl）于30下的非對映異構(gòu)催化氫化作用 a)2-PrOH, 異丙醇; THF, 四氫呋喃；AcOEt, 乙酸乙酯；b)方法A, H2/Pd(OH)2; 方法B，H2/Pd-C 然后為H2/Pd(O

9、H)2-C; c)括號中為乳酸的得率。 2.4. 使用手性1-苯乙胺的非對映選擇性催化加氫作用 表3 列出了手性席夫堿N-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯在甲醇中的非對映性選擇性催化氫化作用。表2 不同溫度下使用方法A的N-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯席夫堿 (R1=Bzl) 的非對映選擇性催化加氫作用圖4 N-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯席夫堿和芐胺的非對映選擇性催化加氫作用中可能的立體化學(xué)過程對映體過量(e.e.)中芐胺的構(gòu)型為(S)-構(gòu)型。相比當(dāng)1-苯乙胺的構(gòu)型為(S)時，當(dāng)1-苯乙胺的構(gòu)型為(R)時e.e. 總是較大，例如，No. 3和No. 4分別為67%和54%。結(jié)果表明相比 (S)-1-苯乙胺而

10、言，(R)-1-苯乙胺會產(chǎn)生更穩(wěn)定的中間體，其會產(chǎn)生(S) -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯。 圖5為手性胺和N -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯之間席夫堿的非對映選擇性催化加氫作用的可能的立體化學(xué)路徑。表3 甲醇中N -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯手性席夫堿的非對映選擇性催化加氫作用圖5 N-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯席夫堿和芐胺的非對映選擇性催化加氫作用中可能的立體化學(xué)過程 圖5對圖4進行了修改以對螯合假說進行擴展，用以解釋使用2個手性中心的雙立體-誘導(dǎo)作用。 N -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯與(R)-1-苯基-乙胺或(S)-1-苯乙胺反應(yīng)以提供它們的席夫堿。在加氫作用中這些席夫堿形成螯合中間物(a-(R)-

11、1) 和 (a-(S)-1)，手性胺和非手性胺的N -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯的席夫堿會優(yōu)先生成 (S)-丙?；绫?-3所示。這些結(jié)果表明立體化學(xué)的催化加氫作用主要由脯氨酸酯部分的手性特征控制，而與席夫堿中的手性胺部分不同。 但是丙氨酸部分的e.e. 取決于胺部分的構(gòu)型，如表3所示。(R)-1-苯乙胺比(S)-1-苯乙胺生成較高e.e.的(S)-丙氨酸，這些結(jié)果可能是由螯合作用中間體中取代基團的定向不同而造成的。螯合假設(shè)表明在中間物(a-(R)-1)和(a-(S)-1)中，胺部分的取代基在不同的位置上。 中間物 (a-(R)-1)可以引導(dǎo)胺部分的甲基向?qū)γ嬉苿?，引?dǎo)苯基向前方移動，引導(dǎo)羥基

12、向下方移動，中間物(a-(S)-1) 引導(dǎo)胺部分的甲基向前面移動，引導(dǎo)苯基向?qū)γ嬉苿?，以及羥基向下方移動。由于苯基與甲基相比體積相對較大，并且羧基與羥基相比體積較大，我們可以比較螯合作用中間產(chǎn)物中前面和對面?zhèn)孺湹目傮w積。中間物(a-(R)-1) 引導(dǎo)甲基外加羥基基團向?qū)γ嬉苿樱龑?dǎo)苯基外加羧基基團向前面移動。因此, 對面是體積較小的一邊，更容易作為一種中間體(a-2)而被吸附以及在催化劑的存在下被氫化。中間物(a-(S)-1) 引導(dǎo)苯基外加羥基基團向?qū)γ嬉苿樱约耙龑?dǎo)甲基和羧基酯向前面移動。 在這種情況下，雖然脯氨酸酯部分的手性特征控制著手性誘導(dǎo)的立體化學(xué)，來自兩邊的吸附作用會競爭性地降低丙氨

13、酸的e.e.。這種螯合中間物中的胺部分的構(gòu)型與提出的丙氨酸酯席夫堿的構(gòu)型不同，這可能是由于螯合中間物(a-(R)-1和a-(S)-1)中的胺部分在催化劑上有比丙酮酸酯的席夫堿更狹小的空間。3 試驗部分3.1 儀器由氫化產(chǎn)物水解得到的丙氨酸對映異構(gòu)體的氣相色譜分離采用Hitachi 163氣相色譜儀，配有手性毛細管柱（Chirasil-Val, 25 m ×0.3 mm I.D.），載氣為氮氣，流速為30mL/min，色譜柱溫箱升溫程序為：以4/min的速度從80升到170，檢測器為火焰離子化檢測器。新合成的手性氨基酸的得率采用高效液相色譜系統(tǒng)（HPLC）測定，該系統(tǒng)由Jasco UV

14、dec-100-V 紫外檢測器和Jasco TRI Rotor-V 流動泵組成，配有反相C18柱（TSK Inertsil ODS, TOSO, 日本，東京）(4.6 mm × 250mm)，僅用水洗脫，流速為0.5mL/min，檢測波長為210nm，使用SIC Chromatocorder對色譜峰進行綜合。使用Hitachi model 260-50 紅外光譜儀記錄紅外圖譜。使用Jasco DIP-181全自動數(shù)字旋光儀測定由L-天門冬氨酸合成的化合物的旋光度。使用EX-270 NMR系統(tǒng)測定1H NMR圖譜。3.2 試劑溶劑，(S)-脯氨酸 (1), 丙氨酸 (5), 和芐胺 (

15、7a) 購于 Wako Pure 化工(Osaka, Japan)；手性胺, (S)-1-苯乙胺(7b, D25 = +39.0 (neat), 96% e.e.) 和(R)-1-苯乙胺 (7b, D25 = 39.0 (neat), 96% e.e.) 購于Aldrich公司 (Milwaukee, USA)；N,N'-二環(huán)己基碳二亞胺和N-羥基琥珀酰亞胺購于Watanabe 化工(Hiroshima, Japan)；5%的鈀炭催化劑購于Nippon Engelhard公司，使用10% 的氫氧化鈀炭。3.2.1 N-芐氧羰基-(S)-脯氨酸 (2) 的合成(S)-脯氨酸 (1) (1

16、1.5 g, 100 mmol) 溶于0.5 M 碳酸氫鈉溶液中(300 ml)，向冷卻的溶液中逐漸滴加芐氧基碳酰氯(18.8 g, 110 mmol)。將得到的懸浮液于室溫下攪拌24h后, 反應(yīng)混合物用乙醚提取。剩下的水相用濃鹽酸酸化值pH=2，酸化的水相溶液用乙酸乙酯萃取，得到的乙酸乙酯相用鹽水萃取，剩余的有機相用無水硫酸鎂脫水，將無水硫酸鎂過濾除去后，濾液真空干燥，得到的沉淀用乙酸乙酯重結(jié)晶，得到2.25g產(chǎn)物(90%). M.p. 74C - 75C，D20=38.0 (c 1.09, 甲醇)。3.2.2. (S)-脯氨酸 2-甲基-2-丙酯 (3)向含有N-芐氧羰基-(S)-脯氨酸(

17、2) (6.00 g, 24.0 mmol)的二氯甲烷溶液(50 ml)的壓力瓶中加入硫酸(2 ml)，將得到的溶液置于干冰-丙酮混合物中冷卻，當(dāng)反應(yīng)混合物質(zhì)量增加5g后，向溶液中加入已冷卻至沸點以下的液體2-丁烯，反應(yīng)混合物于密封的壓力中在室溫下攪拌3天，反應(yīng)混合物用碳酸氫鈉中和，并用水萃取，得到的有機相用無水硫酸鎂干燥，于真空條件下蒸干，得到油狀的N-芐氧羰基-(S)-脯氨酸2-甲基-2-丙酯 (6.66 g, 91.0%)，D20=45.3 (c 1.00, 乙酸乙酯)。3.2.3 N-丙酮酰-(S)-脯氨酸甲酯的制備(6a)在冰浴條件下將 (S)-脯氨酸(1) (8.00 g, 69.

18、4 mmol) 的甲醇溶液 (120 ml) 用氯化氫氣體飽和，得到的懸浮液攪拌2天，然后溶液于真空條件下蒸干，得到(S)-脯氨酸甲酯鹽酸鹽 (4a) (11.80 g, 100%)，D20=45.1 (c 1.00, 甲醇methanol)。在冰浴條件下將(S)-脯氨酸甲酯鹽酸鹽(4a) (8.03 g, 48.4 mmol) 溶于乙酸乙酯(40 ml)中，用三乙胺 (4.98 g, 48.4 mmol) 中和。于冰浴條件下將溶液加入到丙酮酸 (5) (4.26 g, 48.4 mmol), 二環(huán)己基碳二亞胺 (11.0 g, 53.3 mmol) 和N-羥基琥珀酰亞胺的混合物中(5.57

19、g, 48.4 mmol) ，于冰浴條件下繼續(xù)反應(yīng)3h，之后于室溫下反應(yīng)18h。除去 N,N'-二環(huán)己基脲后，反應(yīng)混合物于真空條件下蒸干得到油狀產(chǎn)物。將油狀產(chǎn)物用硅膠柱層析純化，洗脫液為苯-乙酸乙酯(12:1 (v/v)，最終得到油狀的純產(chǎn)物 3.17 g (33%)。 1H-NMR (CDCl3, ): 1.50 - 2.50 (4H, m), 2.35 (3H, d), 3.64 (3H, s), 3.50 (2H, t), 4.75 (1H, m). IR (液體, cm1): 1740, 1710, 1640 (C=O)，D20=75.1 (c 0.86, 乙酸乙酯)。元素分析

20、：計算值為C9H13NO4: C, 54.65%; H, 6.83%; N, 6.76%，文獻值為: C,54.26%; H, 6.57%; N, 6.73%。3.2.4. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸乙酯的制備(6b)(S)-脯氨酸乙酯鹽酸鹽 (4b) 通過將 (S)-脯氨酸proline (1) (8.00 g, 69.4 mmol)溶于乙醇中(120ml) ，以與甲酯的制備相似的方法制備，得到油狀產(chǎn)物(12.5 g, 100%)， D20=46.1 (c 0.41, 甲醇)。與甲酯的合成相似，N-丙酮酰-(S)-脯氨酸乙酯(5.70 g, 55%) 由相應(yīng)的(S)-脯氨酸乙酯(4b) (8

21、.69 g, 48.4 mmol)制備。1H-NMR (CDCl3, ): 1.25 (3H, t), 1.50 - 2.50 (4H, m), 2.30 (3H, d), 3.60 (2H, m), 4.05 (2H, m), 4.70 (1H, m). IR （液體, cm1): 1740, 1710, 1640 (C=O). D20=75.9 (c 0.99, 乙酸乙酯)。元素分析：計算值為C10H15NO4: C, 56.32%; H, 7.09%; N, 6.56%，文獻值為: C, 56.02%; H, 7.13%; N, 6.47%。3.2.5. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸2-丙

22、酯(6c)的合成(S)-脯氨酸-2-丙酯鹽酸鹽(4c) 通過將 (S)-脯氨酸proline (1) (8.00 g, 69.4 mmol) 溶于異丙醇中(120 ml)采用與制備油狀的甲酯相似的方式制備(13.4 g, 100%).D20=47.8(c 0.91, 甲醇)。與制備甲酯的方式相似，N-丙酮酰-(S)-脯氨酸異丙基酯 (6c) (6.07 g, 55%)通過將相應(yīng)的(S)-脯氨酸 2-丙酯 (9.37 g, 48.4 mmol)用異丙醇 (120 mL)溶解來制備。1H-NMR (CDCl3, ): 1.15 - 1.30 (6H, dd), 1.80 - 2.25 (4H, b

23、r), 2.32 - 2.38 (3H, d), 3.40 - 3.90(2H, m), 4.20 - 4.50 (1H, m)。IR (液體, cm1): 1740, 1710, 1630 (C=O)。D22=68.1 (c 1.09, 乙酸乙酯)。元素分析: 計算值C11H17NO4: C, 58.13%; H, 7.54%; N, 6.16%，文獻值: C, 57.88%; H, 7.60%; N, 6.22%。3.2.6. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸2-甲基-1-丙酯的制備(6d)(S)-脯氨酸(1) (5.76 g, 50.0 mmol), 對甲苯磺酸一水和物 (10.45 g, 5

24、5.0 mmol)以及2-甲基-1-丙醇(37.4 g, 500 mmol) 在苯(180 ml)中回流12h，用Dean-Stark裝置通過共沸點脫水。回流結(jié)束后，薄層層析（TLC）分析發(fā)現(xiàn)脯氨酸點消失(Rf = 0.21) ，而產(chǎn)物點 (Rf =0.52) 清晰地顯現(xiàn)(展層劑：正丁醇-醋酸-水(體積比: 4-1-2)，反應(yīng)混合物減壓蒸干，得到油狀產(chǎn)物(4d)。將產(chǎn)物(4d)用苯（100mL）溶解后，溶液用飽和碳酸氫鈉溶液洗滌3次，得到的苯相層用無水硫酸鎂干燥后，減壓蒸干，得到油狀產(chǎn)物。一部分產(chǎn)物(1.01 g, 5.9 mmol: 游離酯) 用含 in 10 ml 乙酸乙酯的丙酮酸(0.5

25、2 g, 5.9mmol) 溶解。向冷卻的溶液中加入含N- 羥基琥珀酰亞胺 (0.78 g, 6.8 mmol) 和N,N'-二環(huán)己基碳二亞胺(1.34 g, 6.5 mmol) 的乙酸乙酯溶液(10 ml)，在0C 下攪拌for 2 h后，又于室溫下攪拌11 h，反應(yīng)混合物過濾，得到淺黃色溶液，再依次用 0.5M HCl (80 ml×3)、飽和碳酸氫鈉溶液洗滌(80 ml×3)、以及鹽水洗滌。得到的乙酸乙酯相用無水硫酸鎂干燥后，減壓蒸干，得到棕色的油狀產(chǎn)物，再用快速柱層析純化(洗脫液：乙酸乙酯-正己烷(1:5)，得到油狀物。(0.61 g, 43%)。 1H-N

26、MR(CCl4, ): 0.87 - 0.99 (6H, d), 1.40 - 2.4 (4H, br), 2.29 - 2.35 (3H, d), 3.30 - 3.70 (1H, m), 3.73 - 3.84 (2H, d), 4.50 - 5.0(1H, m). D22=51.8 (c 1.06, 乙醇)，元素分析: 計算值 C12H19NO4: C, 59.73%; H, 7.93%; N, 5.80%，文獻值: C, 59.33%; H, 7.93%; N, 6.18%。3.2.7 N-丙酮酰-(S)-脯氨酸2-甲基-2-丙酯的制備(6e)N-芐氧羰基-(S)-脯氨酸2-甲基-2-

27、丙酯 (3) (6.10 g, 20.0 mmol)溶于乙酸乙酯 (80ml) 后，用5%的鈀炭催化劑在氫氣中進行氫化。過濾除去催化劑后，濾液減壓蒸干，得到油狀產(chǎn)物 (S)-脯氨酸丁酯2.15 g (63%). 將這一化合物用于N-丙酮酰-(S)-脯氨酸丁酯 (6e)的合成，其方式與其他化合物 (6a-c)的合成相似。1H-NMR (CDCl3, ): 1.44 (9H, s), 2.07 (4H, m), 2.40 (3H, d), 3.50 - 3.83 (2H, m), 4.60 -4.83 (1H, m). IR (liquid, cm1): 1740, 1720, 1640 (C = O). D22=70.8 (c 0.84,甲醇). 元素分析: 計算值為 C12H19NO4: C, 59.73%; H, 7.93%; N, 5.80%，文獻值: C, 59.81%; H, 8.11%; N, 6.08%。3.3. 席