N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯席夫碱的非对映选择性催化加氢作用

1、N-丙酮酰-（S）-脯氨酸酯席夫碱的非对映选择性催化加氢作用摘 要：人们已经对丙酮酸酯、酰胺及它们的席夫碱的非对映选择催化加氢作用研究了很久，表明脯氨酸是最有效的手性助剂。在丙酮酰胺席夫碱的非对映选择性催化加氢作用中脯氨酸衍生物一直被用作辅助剂。非对映选择性加氢作用会导致从二肽产物的水解过程中产生的氨基酸发生高达78%的对映体过量。螯合作用假说解释了使用（S）-组氨酸酯时，在酰胺部分、酰胺中的两个手性中心以及席夫碱部分催化加氢作用的立体化学。 关键词：非对映选择性，催化加氢作用；脯氨酸；丙酮酰胺1. 前言 丙酮酸是氨基酸生物合成中的一种重要的前体。在氨基酸的生物合成中，通过在有关酶的活性中上的

2、一种吡哆醛可以推断丙酮酸不含有手性中心，这种手性诱导可以纯手性蛋白构成的酶的手性活性中心的作用解释。丙酮酸的中间物以及过渡状态总能在酶蛋白的活性中心处形成一个手性化合物，这种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种非对映中间产物，特别是一种L-氨基酸加L-蛋白质和D-氨基酸加 L-蛋白质。前一个中间产物往往比后一个稳定并且会产生 L-氨基酸，这种来自丙酮酸和L-蛋白质的非对映中间产物的形成被认为是一种非对映选择性反应，这种非对映立体选择性几乎是独有的。 另一方面，生物合成的非对映选择性加氢作用可以被有机化学模拟，体外使用吡哆醛的模型反应和催化氢化反应可以例证这一合成反应。丙酮酸以

3、及相关化合物的非对映选择性催化加氢作用一直被研究了很久，已经证明了将附近的一个 C=O加C=N 群或两个C=O 群螯合到钯催化剂上会影响更高的非对映立体选择性(图1)。丙酮酸酰胺部分的手性中心可以影响新形成的手性中心的构型。特别地，脯氨酸及其作为手性助剂的衍生物已证明了它们在非对映选择性催化加氢作用中的效果。 本研究中，非对映选择性催化加氢作用是在丙氨酸酰胺部分中具有一个手性中心的席夫碱形成之后发生的。我们用(S)-脯氨酸衍生物作为丙酮酸酰胺部分中的手性助剂，以及苄胺作为席夫碱部分中的手性助剂，还考察了在席夫碱中使用手性1-苯乙胺的非对映选择性加氢作用，以考察双手性助剂的作用。(S)-脯氨酸与

4、L-脯氨酸相同，相对于D, L-术语我们更倾向于使用R, S-术语来表明本研究中使用的手性胺的立体化学。底物的制备和氢化作用如图2和图3所示。 2.结果与讨论 2.1. 使用非手性苄胺的非对映异构的催化氢化作用 使用两种方法得到的N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯类席夫碱的催化加氢作用结果：A(Pd(OH)2-C) 和 B (Pd-C，然后为Pd(OH)2-C)如表1所示。图 1. 非对映异构的催化氢化反应中的螯合假设 图2. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯的制备。PTS: 对甲苯磺酸; Bzl: 苄基; DCC: N, N'-二环己基碳二亚胺; HOSu: N-羟基-琥珀酰亚胺；NEt3:

5、三乙胺。图 3. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯的制备及其加氢后的反应过程 丙氨酸的对映体过量(e.e.)的构型组成为(S)-构型 (20% -69%). 除了2-甲基-2-丙酯 (No. 34 - 36)，丙氨酸的e.e. 并没有显著的不同 (44% -69%), 这是由于酯基部分的大小。反应的e.e.值较低，例如异丙醇中为22%，四氢呋喃中为23%，在乙酸乙酯中为28%。虽然方法A得到e.e. 值与方法B相似，使用方法A的反应得率比使用方法B的略低，将No. 1与 No. 2进行对比，以及将No.5与No.6比较等等，都能得到典型的例子。几个反应的乳酸的得率(10% - 40%)也给出了，乳

6、酸是在剩余的N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯类的氢化作用中形成的，而没有形成席夫碱。2.2. 不同温度下使用非手性苄胺的非对映异构催化氢化作用 表2 列出了不同温度下使用方法A(Pd(OH)2-C)的N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯席夫碱的不对称氢化作用结果，丙氨酸的对映体过量(e.e.)的构型为(S)-构型(23% -78%)，除了2-甲基-2-丙酯(No. 10, 12)以外, 丙氨酸的e.e. 并没有造成显著的不同(40% - 78%)，这是由于酯基部分的大小。从8a和8c最高的e.e.值分别为75%（在10C下的异丙醇中(No.6) ）和78%（在10C的乙醇中(No.13)），在较低温度下以

7、及在异丙醇、四氢呋喃和乙酸乙酯中反应得率较低。2.3. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯类席夫碱的非对映异构催化氢化作用可能的立体化学 根据表1和2的结果，一种可能的空间途径如图4所示。底物8a-e 有两个主要的可旋转键(CC 键和CN 键) ，如图4所示，在钯催化剂上有4个重要的构象异构体，包括s-cis和s-trans 形式，这些构象异构体在钯催化剂上可能会形成中间物(a-1), (b),(c), 或 (d) 。在稳定的螯合中间物(a-1) 和不稳定的中间物(b)之间、以及在稳定的中间物(c)和不稳定的中间物(d)之间存在平衡，中间物. (a-1) 和(c)比中间物(b) 和 (d)的比例更高

8、，较低比例的中间物(b)和(d) 可能是由于它们较大的位阻排斥力。一些重要的构象异构体(a-1) 和 (c) 能够被氢化，分别得到(S)-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯和 (R) 丙氨酰-(S)-脯氨酸酯。通过中间体(a-1) 形成的产物比通过中间体（c）更能够很好地解释表1和表2中的实际结果，已经观察到了钯催化剂上形成的五元环，这使得螯合中间体更合理。 表1 N-丙酮酰-(S)-脯氨酸酯类席夫碱（R1=Bzl）于30下的非对映异构催化氢化作用 a)2-PrOH, 异丙醇; THF, 四氢呋喃；AcOEt, 乙酸乙酯；b)方法A, H2/Pd(OH)2; 方法B，H2/Pd-C 然后为H2/Pd(O

9、H)2-C; c)括号中为乳酸的得率。 2.4. 使用手性1-苯乙胺的非对映选择性催化加氢作用 表3 列出了手性席夫碱N-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯在甲醇中的非对映性选择性催化氢化作用。表2 不同温度下使用方法A的N-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯席夫碱 (R1=Bzl) 的非对映选择性催化加氢作用图4 N-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯席夫碱和苄胺的非对映选择性催化加氢作用中可能的立体化学过程对映体过量(e.e.)中苄胺的构型为(S)-构型。相比当1-苯乙胺的构型为(S)时，当1-苯乙胺的构型为(R)时e.e. 总是较大，例如，No. 3和No. 4分别为67%和54%。结果表明相比 (S)-1-苯乙胺而

10、言，(R)-1-苯乙胺会产生更稳定的中间体，其会产生(S) -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯。 图5为手性胺和N -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯之间席夫碱的非对映选择性催化加氢作用的可能的立体化学路径。表3 甲醇中N -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯手性席夫碱的非对映选择性催化加氢作用图5 N-丙氨酰-(S)-脯氨酸酯席夫碱和苄胺的非对映选择性催化加氢作用中可能的立体化学过程 图5对图4进行了修改以对螯合假说进行扩展，用以解释使用2个手性中心的双立体-诱导作用。 N -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯与(R)-1-苯基-乙胺或(S)-1-苯乙胺反应以提供它们的席夫碱。在加氢作用中这些席夫碱形成螯合中间物(a-(R)-

11、1) 和 (a-(S)-1)，手性胺和非手性胺的N -丙氨酰-(S)-脯氨酸酯的席夫碱会优先生成 (S)-丙酰基，如表1-3所示。这些结果表明立体化学的催化加氢作用主要由脯氨酸酯部分的手性特征控制，而与席夫碱中的手性胺部分不同。 但是丙氨酸部分的e.e. 取决于胺部分的构型，如表3所示。(R)-1-苯乙胺比(S)-1-苯乙胺生成较高e.e.的(S)-丙氨酸，这些结果可能是由螯合作用中间体中取代基团的定向不同而造成的。螯合假设表明在中间物(a-(R)-1)和(a-(S)-1)中，胺部分的取代基在不同的位置上。 中间物 (a-(R)-1)可以引导胺部分的甲基向对面移动，引导苯基向前方移动，引导羟基

12、向下方移动，中间物(a-(S)-1) 引导胺部分的甲基向前面移动，引导苯基向对面移动，以及羟基向下方移动。由于苯基与甲基相比体积相对较大，并且羧基与羟基相比体积较大，我们可以比较螯合作用中间产物中前面和对面侧链的总体积。中间物(a-(R)-1) 引导甲基外加羟基基团向对面移动，引导苯基外加羧基基团向前面移动。因此, 对面是体积较小的一边，更容易作为一种中间体(a-2)而被吸附以及在催化剂的存在下被氢化。中间物(a-(S)-1) 引导苯基外加羟基基团向对面移动，以及引导甲基和羧基酯向前面移动。 在这种情况下，虽然脯氨酸酯部分的手性特征控制着手性诱导的立体化学，来自两边的吸附作用会竞争性地降低丙氨

13、酸的e.e.。这种螯合中间物中的胺部分的构型与提出的丙氨酸酯席夫碱的构型不同，这可能是由于螯合中间物(a-(R)-1和a-(S)-1)中的胺部分在催化剂上有比丙酮酸酯的席夫碱更狭小的空间。3 试验部分3.1 仪器由氢化产物水解得到的丙氨酸对映异构体的气相色谱分离采用Hitachi 163气相色谱仪，配有手性毛细管柱（Chirasil-Val, 25 m ×0.3 mm I.D.），载气为氮气，流速为30mL/min，色谱柱温箱升温程序为：以4/min的速度从80升到170，检测器为火焰离子化检测器。新合成的手性氨基酸的得率采用高效液相色谱系统（HPLC）测定，该系统由Jasco UV

14、dec-100-V 紫外检测器和Jasco TRI Rotor-V 流动泵组成，配有反相C18柱（TSK Inertsil ODS, TOSO, 日本，东京）(4.6 mm × 250mm)，仅用水洗脱，流速为0.5mL/min，检测波长为210nm，使用SIC Chromatocorder对色谱峰进行综合。使用Hitachi model 260-50 红外光谱仪记录红外图谱。使用Jasco DIP-181全自动数字旋光仪测定由L-天门冬氨酸合成的化合物的旋光度。使用EX-270 NMR系统测定1H NMR图谱。3.2 试剂溶剂，(S)-脯氨酸 (1), 丙氨酸 (5), 和苄胺 (

15、7a) 购于 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.) 购于Aldrich公司 (Milwaukee, USA)；N,N'-二环己基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺购于Watanabe 化工(Hiroshima, Japan)；5%的钯炭催化剂购于Nippon Engelhard公司，使用10% 的氢氧化钯炭。3.2.1 N-苄氧羰基-(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 碳酸氢钠溶液中(300 ml)，向冷却的溶液中逐渐滴加苄氧基碳酰氯(18.8 g, 110 mmol)。将得到的悬浮液于室温下搅拌24h后, 反应混合物用乙醚提取。剩下的水相用浓盐酸酸化值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盐水萃取，剩余的有机相用无水硫酸镁脱水，将无水硫酸镁过滤除去后，滤液真空干燥，得到的沉淀用乙酸乙酯重结晶，得到2.25g产物(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-苄氧羰基-(S)-脯氨酸(

17、2) (6.00 g, 24.0 mmol)的二氯甲烷溶液(50 ml)的压力瓶中加入硫酸(2 ml)，将得到的溶液置于干冰-丙酮混合物中冷却，当反应混合物质量增加5g后，向溶液中加入已冷却至沸点以下的液体2-丁烯，反应混合物于密封的压力中在室温下搅拌3天，反应混合物用碳酸氢钠中和，并用水萃取，得到的有机相用无水硫酸镁干燥，于真空条件下蒸干，得到油状的N-苄氧羰基-(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)-脯氨酸甲酯的制备(6a)在冰浴条件下将 (S)-脯氨酸(1) (8.00 g, 69.

18、4 mmol) 的甲醇溶液 (120 ml) 用氯化氢气体饱和，得到的悬浮液搅拌2天，然后溶液于真空条件下蒸干，得到(S)-脯氨酸甲酯盐酸盐 (4a) (11.80 g, 100%)，D20=45.1 (c 1.00, 甲醇methanol)。在冰浴条件下将(S)-脯氨酸甲酯盐酸盐(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。于冰浴条件下将溶液加入到丙酮酸 (5) (4.26 g, 48.4 mmol), 二环己基碳二亚胺 (11.0 g, 53.3 mmol) 和N-羟基琥珀酰亚胺的混合物中(5.57

19、g, 48.4 mmol) ，于冰浴条件下继续反应3h，之后于室温下反应18h。除去 N,N'-二环己基脲后，反应混合物于真空条件下蒸干得到油状产物。将油状产物用硅胶柱层析纯化，洗脱液为苯-乙酸乙酯(12:1 (v/v)，最终得到油状的纯产物 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 (液体, cm1): 1740, 1710, 1640 (C=O)，D20=75.1 (c 0.86, 乙酸乙酯)。元素分析

20、：计算值为C9H13NO4: C, 54.65%; H, 6.83%; N, 6.76%，文献值为: C,54.26%; H, 6.57%; N, 6.73%。3.2.4. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸乙酯的制备(6b)(S)-脯氨酸乙酯盐酸盐 (4b) 通过将 (S)-脯氨酸proline (1) (8.00 g, 69.4 mmol)溶于乙醇中(120ml) ，以与甲酯的制备相似的方法制备，得到油状产物(12.5 g, 100%)， D20=46.1 (c 0.41, 甲醇)。与甲酯的合成相似，N-丙酮酰-(S)-脯氨酸乙酯(5.70 g, 55%) 由相应的(S)-脯氨酸乙酯(4b) (8

21、.69 g, 48.4 mmol)制备。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 （液体, cm1): 1740, 1710, 1640 (C=O). D20=75.9 (c 0.99, 乙酸乙酯)。元素分析：计算值为C10H15NO4: C, 56.32%; H, 7.09%; N, 6.56%，文献值为: 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-丙酯盐酸盐(4c) 通过将 (S)-脯氨酸proline (1) (8.00 g, 69.4 mmol) 溶于异丙醇中(120 ml)采用与制备油状的甲酯相似的方式制备(13.4 g, 100%).D20=47.8(c 0.91, 甲醇)。与制备甲酯的方式相似，N-丙酮酰-(S)-脯氨酸异丙基酯 (6c) (6.07 g, 55%)通过将相应的(S)-脯氨酸 2-丙酯 (9.37 g, 48.4 mmol)用异丙醇 (120 mL)溶解来制备。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 (液体, cm1): 1740, 1710, 1630 (C=O)。D22=68.1 (c 1.09, 乙酸乙酯)。元素分析: 计算值C11H17NO4: C, 58.13%; H, 7.54%; N, 6.16%，文献值: C, 57.88%; H, 7.60%; N, 6.22%。3.2.6. N-丙酮酰-(S)-脯氨酸2-甲基-1-丙酯的制备(6d)(S)-脯氨酸(1) (5.76 g, 50.0 mmol), 对甲苯磺酸一水和物 (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装置通过共沸点脱水。回流结束后，薄层层析（TLC）分析发现脯氨酸点消失(Rf = 0.21) ，而产物点 (Rf =0.52) 清晰地显现(展层剂：正丁醇-醋酸-水(体积比: 4-1-2)，反应混合物减压蒸干，得到油状产物(4d)。将产物(4d)用苯（100mL）溶解后，溶液用饱和碳酸氢钠溶液洗涤3次，得到的苯相层用无水硫酸镁干燥后，减压蒸干，得到油状产物。一部分产物(1.01 g, 5.9 mmol: 游离酯) 用含 in 10 ml 乙酸乙酯的丙酮酸(0.5

25、2 g, 5.9mmol) 溶解。向冷却的溶液中加入含N- 羟基琥珀酰亚胺 (0.78 g, 6.8 mmol) 和N,N'-二环己基碳二亚胺(1.34 g, 6.5 mmol) 的乙酸乙酯溶液(10 ml)，在0C 下搅拌for 2 h后，又于室温下搅拌11 h，反应混合物过滤，得到浅黄色溶液，再依次用 0.5M HCl (80 ml×3)、饱和碳酸氢钠溶液洗涤(80 ml×3)、以及盐水洗涤。得到的乙酸乙酯相用无水硫酸镁干燥后，减压蒸干，得到棕色的油状产物，再用快速柱层析纯化(洗脱液：乙酸乙酯-正己烷(1:5)，得到油状物。(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: 计算值 C12H19NO4: C, 59.73%; H, 7.93%; N, 5.80%，文献值: C, 59.33%; H, 7.93%; N, 6.18%。3.2.7 N-丙酮酰-(S)-脯氨酸2-甲基-2-丙酯的制备(6e)N-苄氧羰基-(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%的钯炭催化剂在氢气中进行氢化。过滤除去催化剂后，滤液减压蒸干，得到油状产物 (S)-脯氨酸丁酯2.15 g (63%). 将这一化合物用于N-丙酮酰-(S)-脯氨酸丁酯 (6e)的合成，其方式与其他化合物 (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: 计算值为 C12H19NO4: C, 59.73%; H, 7.93%; N, 5.80%，文献值: C, 59.81%; H, 8.11%; N, 6.08%。3.3.