l-氨基酸席夫碱的合成及表征

l-氨基酸席夫碱的合成及表征

氨基酸化合物的特征是，该分子中含有胺基（ch.n）和羧基（coo）官能团，与金属离子结合良好。这些氨基酸金属化合物具有特殊的生物功能和加速化作用。近年来，它是化学品和医药开发的热点之一。在医学领域[1.5]中，氨基丙烯酸酯及其金属化合物可以与dna侧链碱基相互作用，对超氧自由基具有强大的去除率。因此，在肿瘤、抗癌、抗菌、杀菌等方面具有独特的药物效果。在化学领域[6.11]中，氨基丙烯酸酯及其金属化合物在许多有机反应中具有良好的分解效果，如丙烯酸酯、二甲酯中毒、烷基酯和聚合反应苯乙烯酸酯。此外，氨基丙烯酸酯还具有良好的耐碱性。常用的氨基酸席夫碱合成方法是传统的溶剂法.合成一般选用甲醇或乙醇为溶剂,KOH为缚酸剂,与相应的芳香醛直接反应得到产品.由于氨基酸、KOH以及氨基酸的钾盐在醇中的溶解度很小(例如:1.65gL-苯丙氨基酸与0.56gKOH,需要200mL甲醇加热回流后,方能溶解,如果降低溶剂的用量,反应结束时会有大量未溶解的氨基酸白色粉末析出,致使反应不完全收率降低),所以该反应同其他种类的席夫碱合成相比需要使用超大量的溶剂,由此带来较大的能量消耗及环境污染问题.另外,由于氨基酸席夫碱极易水解,溶剂在使用前必须经过严格地精制.传统溶剂法的另一个缺点是反应时间较长、一般需要3~6h,有时甚至需要24h以上.为克服这些缺点,人们对改变合成条件进行了大量的研究工作,其中只有微波无溶剂法合成香草醛氨基酸席夫碱是一个比较成功的例子.本文报道了一种新的无溶剂法合成芳香醛氨基酸席夫碱的方法,此方法完全不用溶剂,反应在室温下进行,反应时间仅需10min,反应副产物少,产品精制容易,收率很高,是一种高效、绿色的合成方法.合成路线见Scheme1.1实验部分1.1红外光谱和质谱旋光度用PerkinElmer341旋光仪进行测定;1H和13C核磁共振谱用BrukerAVANCE-300MHz核磁共振谱仪测定,溶剂为甲醇-d6;红外光谱用Avatar370FT-IR型红外光谱仪KBr压片法测得;元素分析数据在EA1112型全自动元素分析仪上获得;质谱用Agilent公司的1100SeriesLC/MSDTrap测定.本实验所需L-ala,L-ser,L-val,L-leu,L-Ile,L-phg,L-phe由上海吉尔生化提供;水杨醛、2-羟基-1-萘醛由AlfaAesar购得.所用溶剂为市售分析纯试剂,使用前按常规方法精制.1.2n-3-甲基-1h-苯亚甲基-l-丝氨酸钾2m取10mmolL-氨基酸及11mmol氢氧化钾,在玛瑙研钵中快速研磨2min.研磨均匀后加入11mmol水杨醛或2-羟基-1-萘醛,研磨5min,此过程中反应体系由无色粘稠状变为浅黄色固体,继续研磨2min,反应结束.将反应产物溶于10mL甲醇中,滤出微量不溶物滤液真空浓缩至粘稠状,加入20mL无水乙醚,立即有亮黄色固体析出.真空抽滤,滤饼用少量乙醚洗涤两次真空干燥,得淡黄色纯品1~9.N-邻羟苯亚甲基-L-丙氨酸钾(1):收率93%.[α]D15+92.2(c0.32,CH3OH);1HNMR(CD3OD,300MHz)δ1.55(d,J=6.9Hz,3H,CH3),4.09(q,J=6.9Hz,1HCH),6.70~7.32(m,4H,C6H4),8.40(s,1H,CH=N);13CNMRδ:19.46,66.30,116.4,118.5,132.27,133.5,136.5164.3,166.8,177.4;MSm/z:232(M++H),270(M++K)IR(KBr)ν:3448,3080,2992,1625,1585cm-1.AnalcalcdforC10H10KNO3:C51.93,H4.36,N6.06;foundC52.02,H4.67,N6.09.N-邻羟苯亚甲基-L-丝氨酸钾(2):收率92%.[α]D15+16.2(c0.34,CH3OH);1HNMR(CD3OD,300MHz)δ3.87(dd,J=9.0,9.0Hz,1H,CH2),4.06(dd,J=9.0,9.0Hz,2H,CH,CH2),6.73~6.83(m,2H,C6H4),7.29~7.34(m,2H,C6H4),8.40(s,1H,CH=N);13CNMRδ:63.073.5,116.5,117.8,118.0,133.5,134.5,167.0,168.0175.0;MSm/z:248(M++H),286(M++K);IR(KBr)ν:3395,3190,1629,1590cm-1.Anal.calcdforC10H10K-NO4:C48.57,H4.08,N5.66;foundC48.59,H3.97,N5.42.N-邻羟苯亚甲基-L-缬氨酸钾(3):收率91%.[α]D15+26.1(c0.23,CH3OH);1HNMR(CD3OD,300MHz)δ0.99(d,J=6.0Hz,3H,CH3),1.02(d,J=6.0Hz,3HCH3),2.47~2.31(m,1H,CH),3.71(d,J=6.0Hz,1HCH),6.73~7.33(m,4H,C6H4),8.34(s,1H,CH=N);13CNMRδ:17.5,18.0,32.0,78.0,115.5,117.5,118.0,133.0134.0,164.5,168.0,177.0;MSm/z:222(M+-K+2H)260(M++H);IR(KBr)ν:3362,2958,1636,1605cm-1Anal.calcdforC12H14KNO3:C55.57,H5.44,N5.40;foundC55.49,H5.63,N5.45.N-邻羟苯亚甲基-L-异亮氨酸(5):收率93%.[α]D15+10.91(c0.30,CH3OH);1HNMR(CD3OD,300MHz)δ:0.92~1.13(m,6H,CH3),1.18~1.26(m,1H,CH2),1.49~1.59(m,1H,CH2),3.88(d,J=6.3Hz,1H,CH),6.91~7.39(m,4H,Ar-H),8.34(s,1H,CH=N);13CNMRδ:11.27,15.88,25.04,38.41,66.82,117.23,118.50,131.80,132.94,135.58,161.26,166.67,170.88;MSm/z:236(M+-K+2H),296(M++Na),312(M++K);IR(KBr)ν:3399,2953,1642,1605cm-1.Anal.calcdforC13H16KNO3:C57.12,H5.90,N5.12;foundC57.40,H5.54,N5.33.N-邻羟苯亚甲基-L-苯甘氨酸钾(6):收率95%.[α]D15-116.4(c0.14,CH3OH);1HNMR(CD3OD,300MHz)δ:5.11(s,1H,CH),6.74~7.55(m,9H,Ar-H),8.42(s,1H,CH=N);13CNMRδ:71.0,118.0,119.0,119.5,128.0,128.5,133.5,134.0,141.0,165.5,167.0,176.0;MSm/z:256(M+-K+2H),332(M++K);IR(KBr)ν:3403,3064,1629,1609cm-1.Anal.calcdforC15H12KNO3:C61.41,H4.12,N4.77;foundC61.52,H4.30,N4.49.N-邻羟苯亚甲基-L-苯丙氨酸钾(7):收率96%.[α]D15-186.9(c0.12,CH3OH);1HNMR(CD3OD,300MHz)δ:3.05(dd,J=9.7,13.5Hz,1H,CH),3.36(dd,J=4.1,13.5Hz,1H,CH2),4.05(dd,J=4.1,9.7Hz,1H,CH2),6.66~7.27(m,9H,Ar-H);7.90(s,1H,CH=N);13CNMRδ:40.5,74.5,116.7,117.8,117.9,126.0,127.9,129.3,131.9,113.0,138.3,164.7,165.4,176.4;MSm/z:308(M++H);IR(KBr)ν:3406,3060,1624,1605cm-1.Anal.calcdforC16H14KNO3:C62.52,H4.59,N4.56;foundC62.69,H4.96,N4.21.N-β-羟基萘-α-亚甲基-L-苯甘氨酸钾(8):收率97%.[α]D15-117.1(c0.35,CH3OH);1HNMR(CD3OD,300MHz)δ:5.45(s,1H,CH),6.79(d,J=9.0Hz,1H,Ar-H),7.19~7.75(m,8H,Ar-H),7.74(d,J=9.0Hz,1H,Ar-H),8.96(s,1H,HC=N);13CNMRδ:67.8,106.5,117.9,122.5,124.9,125.9,127.1,128.0,128.1,128.6,128.8,138.7,138.5,134.5,157.2,172.5,179.4;MSm/z:344(M++H),382(M++K);IR(KBr)ν:3427,3064,1626,1609cm-1.Anal.calcdforC19H14KNO3:C66.45,H4.11,N4.08;foundC66.32,H4.35,N4.32.N-β-羟基萘-α-亚甲基-L-苯丙氨酸钾(9):收率95%.[α]D15-171.5(c0.36,CH3OH);1HNMR(CD3OD,300MHz)δ:3.02(dd,J=10.0,13.6Hz,1H,CH),3.48(dd,J=3.0,13.6Hz,1H,CH2),4.32(dd,J=10.0,3.0Hz,1H,CH2),6.72(d,J=9.0Hz,1H,Ar-H),7.24~7.30(m,7H,Ar-H),7.44~7.50(m,2H,Ar-H),7.65(d,J=9.0Hz,1H,Ar-H),8.92(s,1H,HC=N);13CNMRδ:40.9,67.3,105.4,117.6,122.0,125.4,125.6,126.5,127.2,128.3,128.6,129.5,134.7,137.3,138.2,156.8,174.7,180.0;MSm/z:358(M++H),396(M++K);IR(KBr)ν:3412,3067,1631,1609cm-1.Anal.calcdforC20H16KNO3:C67.20,H4.51,N3.92;foundC66.93,H4.56,N4.21.3反应机理及分析实验结果表明,氨基酸的钾盐与水杨醛和2-羟基-1-萘醛在室温下就可以反应生成相应的席夫碱.实验所用的7种氨基酸与水杨醛反应所生成的席夫碱产率均在90%以上,其中亮氨酸的席夫碱产率高达96%.邻羟基萘醛的反应活性更高,生成的席夫碱活性也更大,它与苯甘氨酸和苯丙氨酸反应产率大于95%,而且反应时间更短.其他氨基酸与邻羟基萘醛的席夫碱在空气中不能稳定存在,生成后几乎瞬间发生副反应生成棕黑色固体.上述实验结果表明,邻羟基芳香醛生成席夫碱的反应活性明显大于其他芳香醛.香草醛与氨基酸钾盐在室温不能生成相应的席夫碱,需要微波加热到150℃才能得到相应的席夫碱,而且产率一般在90%以下.研究中曾用苯甲醛反应,结果也未得到产物.显然,邻位的羟基提高了芳香醛的反应活性.合理的解释是邻羟基芳香醛的分子内氢键增加了醛基碳的正电性,因而也增加了羰基亲核加成反应的活性.同样,分子内氢键也增加了亲和加成产物的脱水反应活性,推测的反应机理如Scheme2所示.对于所合成的9种氨基酸席夫碱结构分别用核磁共振氢谱、碳谱、红外光谱、质谱以及元素分析予以表征.从1HNMR可以清晰地看出,化学位移在δ8.2~8.9处,9个化合物均出现一个单峰,为亚胺基碳上氢原子的信号峰;氨基酸中烷基氢位于δ0.84~5.45之间,其中氨基酸中手性碳原子由于与吸电子羰基相连,导致与之相连的氢原子化学位移向低场移动,位于δ4.0左右,由苯甘氨酸形成的两种席夫碱6和8,由于手性碳原子同时与羰基和芳香环相连接,导致与之相连的氢原子的化学位移移向更低场,分别位于δ5.11和5.45处;芳香氢出峰的位置在δ6.7~7.5之间,积分面积与氢原子数完全吻合.各种席夫碱的氢谱中均没有出现羟基氢原子的信号峰,其原因是使用氘代甲醇为溶剂,活泼氢原子与氘核快速交换的结果.我们曾试图用氘代二甲基亚砜为溶剂,以证明羟基氢原子的存在,但由于氨基酸席夫碱在二甲基亚砜中极不稳定,使检测难以进行.但从红外谱图分析可知,9种席夫碱在3400cm-1左右均出现了明显的O—H伸缩振动峰,证实了OH的存在.核磁共振13CNMR谱与化合物的结构完全符合其中δ165~180之间的两个信号峰分别对应于CH=N和C=O中的碳原子.红外谱图中的1600和1630cm-1左右的两个强峰进一步证实了CH=N和C=O两个特征官能团的存在.质谱分析得到的分子离子峰与化合物的分子量也完全吻合.元素分析数据与计算值的误差均小于千分之三,表明产物的纯度非常高.我们曾试图获得氨基酸席夫碱的单晶数据,以证明C=N的顺反构型,但由于该类席夫碱的衍射强度较弱导致测试失败.我们进一步测试了席夫碱6与Zn2+络合物的单晶结构数据,结果表明氨基酸席夫碱为反式构型.3氨基酸席夫碱的表征水杨醛及2-羟基-1-