(±)-N-叔丁氧羰基-3-乙基-戊氨酸的合成

莊金臣, 沈祖源, 樓開炎, 王　衛

(華東理工大學 藥學院，上?！?00237)

?

·研究簡報·

(±)-N-叔丁氧羰基-3-乙基-戊氨酸的合成

莊金臣, 沈祖源, 樓開炎*, 王衛

(華東理工大學 藥學院，上海200237)

摘要：在最優反應條件[海因2 mmol, n(3-戊酮)∶n(海因)=1.5,乙醇胺為堿，pH 4，于55 ℃反應6 h]下制得5-(1-乙基亞丙基)海因(4)； 4用5%Pd/C催化加氫制得5-(3-戊基)海因(5)； 5先在堿性條件下水解，再通過叔丁氧羰基保護氨基合成了(±)-N-叔丁氧羰基-3-乙基-戊氨酸，總收率43%，其結構經1H NMR，13C NMR和HR-ESI-MS確證。

關鍵詞：非天然氨基酸; 3-戊酮; N-叔丁氧羰基-3-乙基-戊氨酸; 合成

非天然氨基酸因其結構多樣性和良好的生理活性而被廣泛應用于醫藥、食品、材料等領域[1-4]。如3-乙基戊氨酸，其結構雖與纈氨酸和異亮氨酸非常相似，但β-C上的雙乙基使3-乙基戊氨酸具有更大的空間位阻和更強的疏水性。因此，3-乙基戊氨酸常用于多肽類藥物的設計與合成[5-8]。

合成多肽藥物的過程中還常使用氮端保護氨基酸，如N-叔丁氧羰基-3-乙基-戊氨酸(1)。1是重要的中間體，可用于多肽藥物引入3-乙基戊氨酸結構片段。

目前，合成3-乙基戊氨酸和1的方法主要有：Vigneaud等[9]通過乙氧基甲叉丙二酸二乙酯與乙基溴化鎂加成制得2-(1-乙基丙基)-丙二酸二乙酯，然后經水解，溴代脫羧制得2-溴-3-乙基戊酸，最后經氨化反應制得3-乙基戊氨酸。該反應過程中需用到中等毒性的液溴，操作復雜，收率較低。Resnick等[10]以2-乙基丁醛，甲基芐胺與氰化鉀為原料，經Strecker反應制得中間體氨基氰化合物，再依次經酸解，還原等7步反應合成3-乙基戊氨酸。該方法雖可用于大量反應，但合成路線復雜，且需使用氰化鉀，存在安全隱患。Saito等[8]以2-乙基丁醛為原料，在堿性條件下與氰化鈉反應制得5-(3-戊基)海因，然后在氫溴酸作用下水解得3-乙基戊氨酸的氫溴酸鹽，最后用氯甲酸芐酯保護氨基得N-芐氧羰基保護的3-乙基戊氨酸。該方法操作簡便，但也需使用氰化鈉，總收率較低(7.6%)。Mayer等[6]通過2-乙基溴丁烷的格式試劑與二氧化碳反應制得3-乙基戊酸，然后用4-芐基-2-唑烷酮保護羧基，通過與苯磺酰疊氮化合物反應，在羰基上引入疊氮基團，最后加氫還原合成3-乙基戊氨酸。該方法雖避免使用氰化物，但反應條件苛刻，路線繁瑣。

Scheme 1

針對已有合成路線的不足，本文以3-戊酮(2)和海因(3)為原料，在最優反應條件[3 2 mmol,n(2)∶n(3)=1.5,乙醇胺為堿，pH 4，于55 ℃反應6 h]下制得5-(1-乙基亞丙基)海因(4)； 4用5%Pd/C催化加氫制得5-(3-戊基)海因(5)； 5先在堿性條件下水解，再通過叔丁氧羰基保護氨基合成了(±)-N-叔丁氧羰基-3-乙基-戊氨酸(1, Scheme 1)，總收率43%，其結構經1H NMR，13C NMR和HR-ESI-MS確證。該路線中，常壓室溫條件下用Pd/C選擇性還原4的方法為首次報道。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

Bruker ADVANCE 400 MHz型核磁共振儀(CDCl3或DMSO-d6為溶劑，TMS為內標)，Micromass GCTTM型質譜儀。

2， 3和乙醇胺,上海阿達瑪斯試劑有限公司；10%Pd/C，上海安耐吉化學有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2合成

(1) 4的合成[11]

在反應瓶中依次加入3 1.00 g(10.0 mmol), 2 1.29 g(15.0 mmol)，攪拌使其溶解；于55 ℃滴加乙醇胺約475 mg(7.8 mmol)，滴畢，回流反應約6 h。冷卻至室溫，析出白色晶體，加水2 mL，用6 mol·L-1鹽酸調至pH 4，過濾，濾餅用水洗滌，干燥得白色鱗狀固體4 1.04 g，收率約62%；1H NMRδ: 10.81(s,1H), 9.76(s,1H), 2.61(q,J=7.4 Hz, 1H), 2.15(q,J=7.5 Hz, 1H), 0.97(t,J=7.5 Hz, 1H);13C NMRδ: 164.9, 154.5, 135.3, 124.8, 24.7, 22.1, 13.5, 12.3; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C8H13N2O2{[M+H]+}169.097 7, found 169.098 3。

(2) 5的合成

在單口燒瓶中依次加入無水乙醇20 mL, 4 1.04 g(6.20 mmol)和10%鈀碳52 mg，抽真空,用氫氣置換3次，攪拌反應過夜(TLC檢測)。過濾，濾液蒸除乙醇得白色固體5 1.01 g,收率96%;1H NMRδ: 10.60(s, 1H), 7.89(s, 1H), 1.54～1.50(ddd,J=8.1 Hz, 5.4 Hz, 2.7 Hz, 1H), 1.46～1.35(m, 1H), 1.33～1.13(m, 1H), 0.86(dt,J=15.1 Hz, 7.4 Hz, 1H);13C NMRδ: 176.7, 158.3, 60.1, 43.2, 22.9, 21.7, 12.2, 12.1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C8H14N2O2{[M+Na]+}193.095 3, found 193.095 0。

(3) 1的合成

在封管中依次加入5 1.01 g(5.95 mmol), 15%NaOH溶液3.7 mL，攪拌下于120 ℃反應12 h。冷卻至室溫,用6 mol·L-1鹽酸調至pH≈9，依次加水10 mL,二氧六環5 mL，于0 ℃滴加二碳酸二叔丁酯[(Boc)2O]1.43 g(6.50 mmol)的二氧六環(7.7 mL)溶液，滴畢，攪拌下于室溫反應約6 h(TLC檢測)。加水10 mL，用0.5 mol·L-1鹽酸調至pH 4，用乙酸乙酯(3×10 mL)萃取，合并有機相，用飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥，蒸除溶劑得白色固體1 1.05 g，收率72%。 1為旋轉受阻構象異構體1A和1B的混合物，m(1A) ∶m(1B)=2 ∶1;1H NMRδ: 10.72(bs, 1H, OH), 6.21(d,J=7.6 Hz, NHB), 4.97(d,J=9.2 Hz, NHA), 4.46(dd,J=9.2 Hz, 3.6 Hz, NHCHA), 4.26(bs, NHCHB), 1.80～1.60(m, 1H, CHEt2), 1.44[s, 9H, C(CH3)3], 1.43～1.18(m, CH2), 1.00～0.85(m, CH3);13C NMRδ: 178.4, 166.0, 80.1, 55.1, 44.4, 28.4, 22.9, 22.6, 11.9(1A); 177.9, 157.1, 81.7, 56.2, 44.4, 28.3, 22.7, 22.2, 11.9(1B); HR-ESI-MSm/z: Calcd for C12H23NO4{[M+Na]+}268.152 5, found 268.152 7。

2結果與討論

2.1合成

(1) 4的合成條件優化

為優化4的合成條件，分別考察了物料比r[n(2)∶n(3)],堿和pH對4收率的影響。

3 2 mmol，其余反應條件同1.2(1)，研究r對4收率的影響，結果見表1。由表1可見，r增大，4收率提高，當r=1.4～1.6時，收率基本穩定(60%左右)。由于2也起溶劑作用，故最優r=1.5。

表1　r對4收率的影響*

*3 2 mmol,其余反應條件同 1.2(1)。

表2　堿對4收率的影響*

*3 2 mmol,r=1.5,其余反應條件同表1。

3 2 mmol,r=1.5,其余反應條件同1.2(1),研究堿對4收率的影響，結果見表2。由表2可見，有機堿效果優于無機堿，其主要原因在于：無機堿在反應液中溶解性差。乙醇胺效果最好，可能由于乙醇胺中的羥基與2中羰基可產生氫鍵作用，更有利于反應進行。因此，選擇乙醇胺為堿。

表3　pH對4收率的影響*

*3 2 mmol,r=1.5,乙醇胺為堿，其余反應條件同表2。

3 2 mmol,r=1.5,乙醇胺為堿，其余反應條件同1.2(1),研究pH對4收率的影響，結果見表3。由表3可見，pH=4時，4的性狀較好，收率較高(61%)。

(2) 5的合成條件優化

我們分別嘗試了鎂-甲醇，常壓Raney-Ni/H2[12]和Pd/C-H2等還原體系。結果表明：前兩種還原體系不能還原4， Pd/C-H2體系可在室溫常壓下順利實現4的還原，條件溫和，后處理簡單，收率較高。因此選擇Pd/C-H2還原體系繼續進行優化。

4 2 mmol，反應時間3 h，其余反應條件同1.2(2)，研究了Pd/C用量對5收率的影響，結果見表4。由表4可見，Pd/C用量為5%時，收率較高，繼續增大Pd/C用量，收率變化已不明顯。因此，Pd/C最佳用量為5%。

表4　Pd/C用量對5收率的影響*

*4 2 mmol，反應時間3 h，其余反應條件同1.2(2)。

(3) 1的合成條件優化

水解5可得3-乙基戊氨酸。我們曾嘗試先分離提純后再進行氨基保護，但由于3-乙基戊氨酸的氨基和羧基能以胺鹽或羧酸根形式存在，水溶性較好，分離提純和重結晶均比較困難。因此，最終使用“一鍋法”合成1，即5先水解，調節pH后直接用(Boc)2O保護氨基。結果表明：該方法操作簡單，收率較高(約72%)。

在“一鍋法”合成1的過程中，對N-叔丁氧基保護反應前的pH進行了優化，結果見表5。由表5可知，pH過高，可能會破壞(Boc)2O，降低收率。因此，最佳pH=9。

表5　pH對1收率的影響*

*5 2 mmol,其余反應條件同1.2(3)。

2.2表征

由1的1H NMR譜圖可見，1為兩種異構體1A和1B的混合物。其原因是：1中存在大位阻的N-Boc，造成氨基酸的C—N旋轉受阻，導致產生旋轉異構體。我們提出了兩種旋轉異構體的可能構象。其中，1B的N-Boc位于羧基和3-戊基之間，能量較高。因此，我們認為含量較高的異構體應為能量較低的1A。

為進一步確定1A和1B是旋轉受阻構象異構體，我們在升溫條件(40 ℃)下測定了1的1H NMR譜圖(圖略)，只發現了一組核磁信號[13]。說明升高溫度可有效克服旋轉能壘，與預期一致。類似旋轉受阻構象異構現象在于N-叔丁氧羰基異亮氨酸中也存在[14]。

報道了一種合成(±)-N-叔丁氧羰基-3-乙基-戊氨酸(1)的新路線，總收率43%。該路線不需使用劇毒反應試劑和高壓加氫條件，具有路線簡潔，原料廉價易得，條件溫和，反應試劑安全，收率較高等優點。

參考文獻

[1]Bell E A. Nonprotein amino acids of plants:Significance in medicine,nutrition and agriculture[J].J Agric Food Chem,2003,51(10):2854-2865.

[2]Siderius M, Wal M, Scholten D,etal. Unnatural amino acids for the study of chemokine receptor structure and dynamics[J].Drug Discovery Today:Technologies,2012,9(4):e301-e313.

[3]Hallam T, Wold E D, Wahl A,etal. Antibody conjugates with unnatural amino acids[J].Mol Pharmaceutics,2015,12(6):1848-1862.

[4]Lang K, Chin J W. Cellular incorporation of unnatural amino acids and bioorthogonal labeling of proteins[J].Chem Rev,2014,114(9):4764-4806.

[5]K Eisler, J Rudinger. Amino acids and peptides. LXV. Analogues of oxytocin with isoleucine replaced by L-diethylalanine,L-cyclopentylglycine,and L- and D-cyclohexylglycine[J].Collect Czech Chem Commun,1966,31(12):4563-4580.

[6]Mayer S C, Kreft A F, Harrison B,etal. Discovery of begacestat,a notch-1-sparing-γ-secretase inhibitor for the treatment of alzheime,s disease[J].J Med Chem,2008,51(23):7348-7351.

[7]D A 德格伊, W M 卡蒂. 抗病毒化合物：CN 103 153 988B[P].2011.

[8]Saito T, Obitsu T, Kohno H,etal. Pyrrolo[1,2-b]pyridazines,pyrrolo[2,1-f]triazin-4(3H)-ones,and related compounds as novel corticotropin-releasing factor 1 (CRF1) receptor antagonists[J].Bioorg Med Chem,2012,20(2):1122-1138.

[9]Vigneaud V, Stacy G W, Todd D. The synthesis of DL-β,β-diethylcysteine and DL-β-ethyl-β-methylcysteine[J].J Biol Chem,1948,176:907-914.

[10]Resnick L, Galante R J. A practical synthesis of 3-ethyl-L-norvaline[J].Tetrahedron:Asymmetry,2006,17(5):846-849.

[11]張之光, 葉松林. 另丁烯海因的制備方法:CN 101 302 202A[P].2008.

[12]崔國紅. DL一異亮氨酸合成新工藝研究[J].四川化工,2010,13(4):12-15.

[13]1H NMRδ: 4.92(bs, 1H, NH), 4.46(bs, 1H, CH), 1.74(m, 1H, CHEt2), 1.45(s, 9H,t-Bu), 1.43～1.20(m, CH2), 1.02～0.85(m, CH3).

[14]King A M, Salome C, Dinsmore J,etal. Primary amino acid derivatives:Compounds with anticonvulsant and neuropathic pain protection activities[J].J Med Chem,2011,54(13):4815-4830.

Synthesis of (±)-N-Boc-3-ethyl-norvaline

ZHUANG Jin-chen,SHEN Zu-yuan,LOU Kai-yan*,WANG Wei

(School of Pharmacy, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Abstract：5-(Pentan-3-ylidene)imidazolidine-2,4-dione(4) was obtained at 55 ℃ for 6 h under the optimized reaction conditions[hydantoin 2 mmol, n(3-pentanone)∶n(hydantoin)=1.5, cholamine as base, pH 4]. 5-(Pentan-3-yl)imidazolidine-2,4-dione(5) was prepared with hydrogenation of 4 by 5%Pd/C. (±)-N-Boc-3-ethyl-norvaline was synthesized by hydrolyzation of 5 in alkaline condition, and then N-Boc protection reaction. The structure was confirmed by1H NMR,13C NMR and HR-ESI-MS.

Keywords：unnatural amino acid; 3-pentanone; N-Boc-3-ethyl-norvaline; synthesis

收稿日期：2015-05-08;

修訂日期：2016-03-18

作者簡介：莊金臣(1989-)，男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事藥物合成的研究。通信聯系人： 樓開炎，副教授， E-mail: kylou@ecust.edu.cn

中圖分類號：O623.736

文獻標志碼：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.05.15192