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有机合成中,经常会遇到一个化合物中含有多个官能团,而我们又只希望在某一官能团发生反应,基于高效、简捷的原则,找到合适的条件能一步合成是最完美的。通常情况下,这样的想法很难实现,而是需要将不希望反应的官能团保护起来,待达到目的后再将其恢复至原来的官能团,这种方法称为“保护基团”(Protecting Groups)法,也是我们今天所要讲的主要内容。
由于官能团种类较多,保护基方法更是丰富,本文主要介绍醇羟基保护与脱保护方法。
羟基广泛存在于许多具有生理意义和合成价值的化合物中,如核苷、碳水化合物、甾族化合物、大环内酯类化合物等。另外,羟基也是有机合成中一个很重要的官能团,可以转化成羧基、羰基、卤素等多种官能团。但是,羟基也容易发生氧化、酰基化、取代等等反应,因此在有机合成中尤其是许多官能团的转化过程中,我们需要将羟基保护起来。
羟基的保护基有很多,但其中只有少部分在实践中被广泛应用。羟基的保护主要是通过转化成醚或者酯的形式来实现,下面我们将着重介绍醚类保护基在羟基保护中的应用。
醚类保护基相较于酯类保护基在羟基保护中应用更加广泛,主要有硅醚类、烷基醚类、烷氧烷基醚类等,其中硅醚类保护基,因其引入和脱除简便而受到青睐,是最常见的保护羟基方法之一。
硅醚类保护基在羟基的保护中应用广泛,硅原子上连接不同的取代基使得其稳定性和活性均有所不同,常用的硅醚类保护基有:三甲基硅基(TMS)、三乙基硅基(TES)、三异丙基硅基(TIPS)、叔丁基二甲基硅基(TBS),以及叔丁基二苯基硅基(TBDPS)等。另外,不同的硅醚保护基位阻有所差异,依据此特性,可以对羟基进行选择性保护,如TBDPS这种位阻较大的保护基,不能用来保护叔醇;TMS这种位阻较小的保护基可以保护伯醇,仲醇及位阻小的叔醇,另外,保护基的来源也会有所影响,如更高活性的TMSOTf,TBSOTf等可以用来保护位阻较大的仲醇或者叔醇。
硅醚保护通常是用相应的氯代硅烷在碱性条件下与醇进行反应,如:TBS-Cl/咪唑。
硅醚保护基的脱除可以在酸性或碱性条件下进行,不同烷基的硅醚对酸或碱的敏感程度不同,脱保护条件相应的也有所差异,常见的几个硅醚保护基对酸水解的相对稳定顺序为:TMS < TES < TBS < TIPS < TBDPS;对碱的相对稳定性顺序为:TMS < TES< TBS ≈ TBDPS < TIPS。另外,由于氟和硅原子之间较强的亲和力,使得氟负离子(F-)成为最常用的脱保护方法,相关的去保护试剂有四烷基氟化铵,如TBAF (四丁基氟化铵)/THF,吡啶氢氟酸盐和HF/MeCN等。
烷基醚常用的保护基有苄基(Bn)、对甲氧基苄基(PMB)、三苯甲基类(Tr,DMT)、甲基(Me)、叔丁基(t-Bu)等。
01 苄基(Bn)
苄基是常用的醚类保护基,通常利用Williamson合成法引入,由卤代烃和相应的醇钠在DMF或THF中反应而得。实际合成中,根据不同羟基的酸性,选用合适的碱与BnCl或BnBr 反应。
苄基的脱除通常采用氢解的方式除去,Pd/C是最常用的催化剂,氢源可以是氢气,也可以是环己烯、甲酸铵、异丙醇等。另外,在酸性条件下如Lewis酸TMSI、FeCl3等存在下也可以除去苄基。
02 对甲氧基苄基(PMB)
引入和脱去方法与苄基相似,经常在三氟乙酸(TFA)中脱除PMB保护基(如TFA、CH2Cl2、r.t.),除此之外,PMB常用的的脱除方法还有氧化法,如DDQ/CH2Cl2-H2O、CAN/MeCN,因此,可以在苄基存在下选择性地脱去对甲氧基苄基。
03 三苯甲基类保护基(Tr, DMT)
三苯甲基类保护基常用的有三苯基甲基(Tr)和4,4'-二甲氧基三苯甲基(DMT),由于其空间位阻影响,通常用来保护伯醇。其中引入三苯甲基醚常用Tr-Cl, DMAP, Py、Tr-Cl/Et3N/DMAP, CH2Cl2等体系。脱除方法一般采用酸性条件:如TsOH/MeOH、AcOH,也可以用Pd/C加氢的方式除去。4,4'-二甲氧基三苯甲基也常用来保护羟基,引入和脱除方法与Tr相似。
04 甲基(Me)
甲基醚主要通过硫酸二甲酯,碘甲烷,重氮甲烷等试剂引入,常见体系有:NaH/Me2SO4、NaH/MeI等。甲基醚的稳定性比较高,比较难脱除,通常用BBr3/CH2Cl2体系脱甲基,另外也可以用TMSI/CH2Cl2或MeCN体系脱除,相较于醇羟基,酚羟基常用甲基醚保护,也更容易脱除。
烷氧烷基醚保护基也可以被称为缩醛类保护基,也是较为多用的一类保护基。常用的保护基有:甲氧甲基(MOM)、三甲硅基乙氧基甲基(SEM)、2-四氢吡喃基(THP)。这些保护基对酸较敏感,通常是在酸性条件下脱除。
其中,MOM、SEM这些保护基的引入大都在碱性条件下,用相应的氯代物与醇反应,常用体系有NaH/THF、DIEA/CH2Cl2等。而脱保护时在酸性条件下进行,MOM需要较强的酸性,SEM对酸更加敏感,在弱酸性条件下即可脱除,另外,SEM保护基由于含有硅基,还可以通过TBAF脱除。
而THP保护基相对特殊,会在保护后引入一个新的手性中心,一般情况下,引入THP在酸催化下进行,如吡啶对甲苯磺酸盐(PPTS)/DHP/CH2Cl2;TsOH/DHP/CH2Cl2。THP醚在强酸性条件下相对稳定,可以在较为温和的条件下如HOAc/THF/H2O(4:2:1)/45℃脱去。
本文主要介绍了醚类保护基在羟基保护中的应用方法,旨在拓宽研究者在合成工作时的选择范围。在实际操作中,研究者可以根据具体实验条件选择合适的保护与去保护策略,以期达到更高的合成效率。
自2003年成立以来,昊帆生物一直专注于缩合剂、保护剂、多肽药物以及脂质体膜材等领域的研发和销售。公司现已推出多种保护试剂,诸如Fmoc-Cl/Fmoc-Osu、Troc-Cl/Troc-Osu、Tr-Cl、DMT-Cl等,我们期待有兴趣的客户来电咨询,共同探讨合作机会。