一种新型磷酸基光控保护基的合成及其应用研究

刘珊珊， 马　驰， 李君如， 洪丽虹， 张有来

(天津理工大学 化学化工学院，天津　300384)



·研究论文·

一种新型磷酸基光控保护基的合成及其应用研究

刘珊珊， 马驰， 李君如， 洪丽虹， 张有来*

(天津理工大学 化学化工学院，天津300384)

摘要：以苯硫酚为起始原料,经脱水反应、碘代反应、Suzuki-Miyaura偶联反应和氧化反应制得4-酮基-3-苯基-4H-苯并噻喃-2-甲醛(4)； 4经间氯过氧苯甲酸氧化后与对甲苯磺酰肼于室温反应制得2-甲苯磺酰腙-3-苯基-4H-磺酰基苯并噻喃(6)； 6经Bamford-Stevens反应合成了一种新型磷酸基光控保护基——2-重氮基-3-苯基-4H-磺酰基苯并噻喃(7)，其结构经1H NMR， (13)C NMR和HR-MS表征。将7应用于磷酸基团的保护和光控脱保护反应中。结果表明:保护反应可在温和条件下顺利进行。紫外光谱法和荧光光谱法对光控脱保护反应的监测结果表明:光控脱保护反应迅速(≤15 min)，被保护化合物脱保护收率高(≥95%)。

关键词：磷酸基; 苯并噻喃; 2-重氮基-3-苯基-4H-磺酰基苯并噻喃； 光控保护基; 合成; 光反应

在化学有机合成和生物有机合成中，官能团的保护与脱保护是一项关键技术。很多情况下，反应需要在酸性环境、碱性环境或需要高活性的反应物下进行，这就导致了使用保护基团的限制。光控保护基可以在中性或无反应试剂的条件下进行脱保护过程，从而避免了强酸和强碱条件对分子中活性基团的影响[1-5]。

Scheme 1

Scheme 2

目前，光控保护基的合成及应用，作为一种迅速发展的新兴学术研究方向，国内外均处在基础研究阶段[6-10]。常见的光控保护基包括邻硝基苄基型、香豆素型、喹啉型、对甲基苯磺酰胺、二巯基烷烃衍生物、苯甲酰甲基醚衍生物、肉桂酸酯类等[11-12]。本文采用的硫代色酮类光控保护基为独立单元设计研发。该类光控保护基具有光解离速率快，被保护底物脱保护收率高的显著特点。目前，用于保护醇、氨、羧酸、醛、酮的光控保护基均已见报道[13-14]。而很少有实用有效的磷酸衍生物的光控保护基的文献记载。因为相对其他活性官能团，磷酸基的活性最低。然而，众所周知，磷酸基团是核苷酸的基本组成结构单元之一。核苷酸具有重要的生物学功能，它们参与了生物体内几乎所有的生物化学反应过程。研究磷酸基的可控定点定量释放，进而研究核苷酸的定点定量释放，对于研究系列核苷酸的生物机能，在生物医学领域有着重要的研究意义。

本文依据 Paterno-Büchi光反应机理，以磷酸和五氧化二磷作为脱水剂，将硫酚与乙酰乙酸乙酯经脱水反应制得2-甲基-4H-硫代苯并吡喃-4-酮(1)；以硝酸铈铵为催化剂，1与碘进行碘代反应制得3-碘-2-甲基-4H-硫代苯并吡喃-4-酮(2)； 2在双三苯基磷二氯化钯的催化下经Suzuki-Miyaura偶联反应制得2-甲基-3-苯基-4H-硫代苯并吡喃-4-酮(3)；在间二氯苯的溶液中，以二氧化硒为氧化剂，3经氧化反应制得甲基成醛4-酮基-3-苯基-4H-硫代苯并吡喃-2-甲醛(4)；在室温条件下，4与间氯过氧苯甲酸经氧化反应制得硫代色酮2-甲醛基-3-苯基-4H-磺酰基苯并吡喃-4-酮(5)[15]； 5与对甲苯磺酰肼于室温反应制得2-甲苯磺酰腙-3-苯基-4H-磺酰基苯并吡喃(6)； 6经Bamford-Stevens反应合成了一种新型磷酸基光控保护基——2-重氮基-3-苯基-4H-磺酰基硫代色酮(7， Scheme 1)，其结构经1H NMR，13C NMR和HR-MS表征。并将7应用于一系列磷酸衍生物的保护和光解离脱保护的反应中(Scheme 2);采用了紫外光谱法和荧光光谱法监测光解离脱保护的进行过程。

1实验部分

1.1仪器与试剂

3900型紫外可见分光光度计；F-4500型荧光分光光度计；JEOL 500 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；Bruker Vertex 70型红外光谱仪(KBr压片)；Waters Acquity UPLC Class I/Xevo G2Q-Tof型液相色谱仪(LC-MS)；Agilent 7890A-5975C型气相色谱仪(GC-MS)。

1～5参考文献[15]方法合成；溶剂(乙酸乙酯，乙醚，二氯甲烷，乙醇，氯仿)在使用前经蒸馏纯化；紫外-可见光谱和荧光光谱测定溶剂(氯仿)为HPLC级；薄层层析硅胶GF254,柱层析硅胶, 青岛海洋化工厂；其余所用试剂无为分析纯，Alfa和Aladdin公司。

1.2合成

(1) 6的合成

在三口瓶中加入5 298 mg(1.0 mmol)，对甲苯磺酰肼205 mg(1.1 mmol)和乙醇 8 mL, 搅拌下于室温反应24 h。抽滤，滤饼用乙醇洗涤，真空干燥得黄色晶体6 386 mg，收率83%；1H NMRδ： 8.20 (m， 3H), 7.92(dd,J=7.9 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.81(d,J=8.5 Hz， 2H), 7.78(dd,J=6.7 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.50～7.47(m, 3H), 7.32(d,J=8.5 Hz, 2H), 7.19(d,J=7.0 Hz, 2H), 5.30(s, 1H), 2.42(s, 3H);13C NMRδ: 178.1, 145.0, 144.3, 143.4, 142.2, 142.1, 136.8, 135.0, 134.5, 133.0, 130.8, 129.9, 129.8, 128.6, 128.6, 128.3, 128.2, 123.4, 21.7; IRν: 3 420, 2 359 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C23H18N2O5S2{[M+H]+}467.073 5, found 467.074 2。

(2) 7的合成

在三口瓶中加入6 470 mg(1 mmol)和二氯甲烷20 mL，搅拌使其溶解;缓慢滴加1%NaOH溶液4 mL,于室温反应1 h(TLC监测)。用CH2Cl2(3×20 mL)萃取，合并有机相，用无水MgSO4干燥，减压蒸除溶剂，剩余物经柱层析[洗脱剂：A=V(石油醚) ∶V(乙酸乙酯)=5 ∶1]纯化得淡黄色液体7 270 mg，收率 86%；1H NMRδ： 8.26(d,J=7.9 Hz, 1H), 8.06(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.85(dd,J=7.9 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.79(dd,J=6.7 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.48～7.43(m, 3H), 7.27(d,J=7.0 Hz, 2H), 4.95(s, 1H)；13C NMRδ: 175.0, 139.6, 133.5, 133.5, 132.5, 129.8, 129.6, 129.1, 128.9, 128.8, 128.7, 127.4, 122.7, 47.5； IRν: 3 433, 2 359 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C32H20O6S2Na[2M-2N2+Na]+587.059 9, found 587.060 0。

1．3保护反应

在反应瓶中加入7 33 mg(0.1 mol),二苯磷酸(8a)20 mg(0.08 mol)和三氯甲烷2 mL，搅拌使其溶解；加入10%盐酸调至pH 4，于60 ℃反应3 h(TLC监测)。用二氯甲烷(3×10 mL)萃取，合并有机相，用无水MgSO4干燥，减压蒸除溶剂，剩余物经柱层析(洗脱剂：A=2 ∶1)纯化得黄色固体9a 41 mg。

用类似方法制得9b～9d。

9a:1H NMRδ： 8.15(d,J=8.0 Hz, 1H), 8.11(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.87(dd,J=8.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 7.74(dd,J=8.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 7.43(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.32～7.25(m, 8H), 7.21～7.18(m, 4H), 7.18～7.17(m, 2H), 5.16(d,J=5.5 Hz, 2H);13C NMRδ: 178.59, 150.09, 145.68, 143.32, 143.28, 140.17, 134.77, 133.25, 130.24, 129.78, 129.66, 129.11, 129.04, 128.92, 128.82, 128.35, 125.44, 123.05, 120.06, 120.02, 61.13; IRν: 1 668 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C28H21O7PS{[M+H]+} 533.082 4, found 533.082 8。

9b:1H NMRδ： 8.17(d,J=7.5 Hz, 1H), 8.10(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.89(dd,J=7.9 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.77(dd,J=7.5 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.63～7.40(m, 3H), 7.28(d,J=7.5 Hz, 2H)， 4.93(d,JPH=4.5 Hz, 2H), 4.04(dq,J=14.5 Hz, 7.5 Hz, 4H), 1.61～1.54(m, 4H), 1.37～1.28(m, 4H), 0.91(t,J=7.0 Hz, 6H)；13C NMRδ: 178.79 , 145.11, 140.60, 134.77, 133.25, 130.64, 129.86, 129.27, 129.14, 128.95, 128.45, 123.16, 68.04, 60.13, 32.13, 18.58, 13.56; IRν: 1 667, 1 309, 1 015 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C24H29O7PS{[M+H]+}493.145 0, found 493.144 3。

9c:1H NMRδ： 8.17(d,J=7.5 Hz, 1H), 8.10(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.89(dd,J=7.9 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.77(dd,J=7.5 Hz, 7.9 Hz, 1H), 7.63～7.39(m, 3H), 7.28(d,J=7.5 Hz, 2H), 4.96(s, 2H), 3.76(d,J=5.5 Hz, 4H), 1.49～1.33(m, 2H), 1.30～1.26(m, 16H), 0.85(t,J=7.5 Hz, 12H)；13C NMRδ: 179.11, 148.66, 142.16, 140.40, 135.16, 133.56, 131.88, 129.63, 129.03, 128.95, 128.42, 127.89, 122.79, 67.73, 56.03, 29.50, 28.34, 22.86, 22.48, 13.91, 10.76; IRν: 1 668, 1 311, 1 068 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C32H45O7PS {[M+H]+}605.270 2, found 605.270 2。

9d:1H NMRδ： 8.14(t,J=8.5 Hz, 2H), 8.01(t,J=8.5 Hz, 2H), 7.92(dd,J=8.0 Hz, 3.5 Hz, 1H), 7.89(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.76(t,J=8.5 Hz, 1H), 7.50(d,J=8.5 Hz, 1H), 7.47(t,J=8.5 Hz, 2H), 7.39(t,J=8.0 Hz, 2H), 7.34(dd,J=8.0 Hz, 3.5 Hz, 2H), 7.29(t,J=6.0 Hz, 2H), 7.18(d,J=6.0 Hz, 2H), 5.29(dd,J=12.5 Hz, 5.5 Hz, 1H), 5.10(dd,J=12.5 Hz, 5.5 Hz, 1H)；13C NMRδ: 179.10, 148.60, 147.88, 142.15, 140.35, 135.15, 133.56, 131.85, 130.94, 130.86, 130.66, 129.60, 129.00, 128.95, 128.82, 128.61, 128.41, 127.89, 126.79, 126.09, 125.38, 122.77, 121.39, 56.01; IRν: 1 667, 1 306 cm-1; HR-FAB-MSm/z: Calcd for C36H23O7PS{[M+H]+}631.098 0, found 631.097 6。

1．4光控脱保护反应(以9a作反应物为例)

在石英比色皿(10 mm×10 mm×30 mm)中加入9a 53 mg( 0.1 mol)和三氯甲烷3 mL，以1.5 W 365 nm紫外光作为激发光源，光照反应15 min(TLC监测)。用二氯甲烷(3×10 mL)萃取，合并有机相，用无水MgSO4干燥，减压蒸除溶剂，剩余物经柱层析(洗脱剂：A=5 ∶1)纯化得新型四环化合物——2-亚甲基-苯并呋喃并[4．3-b]磺酰基苯并噻喃(10)27 mg和8a 24 mg。

10： 收率97%；1H NMRδ: 8.09(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.99(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.76(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.70(dd,J=7.9 Hz, 7.7 Hz, 1H), 7.60(d,J=7.9 Hz, 1H), 7.56(dd,J=7.9 Hz, 7.7 Hz, 1H), 7.44(dd,J=7.9 Hz, 7.7 Hz, 2H), 7.38(dd,J=7.9 Hz, 7.7 Hz, 1H), 6.69(d,J=1.9 Hz, 1H), 6.46(d,J=1.9 Hz, 1H)；13C NMRδ: 155.03, 146.92, 141.04, 136.30, 133.27, 129.46, 126.61, 125.77, 125.05, 124.49, 124.44, 123.93, 120.33, 119.63, 112.20, 111.54; IRν: 1 309, 1 223, 1 212, 1 207, 1 155, 1 129, 789, 781, 758 cm-1； HR-EI-MSm/z: Calcd for C16H10O3S[M+]282.035 1, found 282.035 1。

用类似方法对9b～9d作底物进行光控脱保护反应。

2结果与讨论

2.1磷酸基团保护反应

以8a的羟基保护反应为模板反应，探索保护反应的最佳反应条件。

8a 80 mmol,其余反应条件同1.3,考察投料量[r=n(7)∶n(8a)]，催化剂和温度对反应的影响，结果见表1。

表1　8a的保护反应*

*8a 80 mmol,其余反应条件同1.3。

由表1可见，在室温无催化剂的条件下，光控保护基7与8a不发生反应(No.1)，这是由于磷酸基团的反应活性相对较低；在相同反应条件下，在反应体系中加入SiO2或10%HCl调节体系pH值。结果表明：10%HCl的催化效果相对较好(No.4～7)；该保护反应可以在室温条件下顺利进行(No.4～5)。这为将来应用到生物大分子的保护和光控脱保护创造了有利的条件。由表1还可见，当反应温度提高至60 ℃时，收率最高(97%， No.6)；保护基用量加倍时对收率影响不大(No.6～7)。

综上所述，最佳保护反应条件为： 8a 80 mmol,n(7)∶n(8a)=1.25, 10%HCl为催化剂，于60 ℃反应3 h。

2.2光控脱保护反应

7本身没有荧光，其光解产物10具有强荧光(荧光量子吸收率Φ=0.85)。在光解离脱保护过程中，采用了紫外光谱法和荧光光谱法监测光解离脱保护反应的进程，其结果分别见图1和图2。从中可以看出，随着光解离脱保护的进行，伴随被保护化合物的释放，光敏结构转变成强荧光的10，紫外光谱中350 nm 处出现新的吸收峰(图1)，反应底物由无荧光转变成强荧光，与之对应的同时在荧光光谱450 nm处检测出荧光从无到有，并随着反应的进行由弱到强(图2)。这种既对光响应又能释放潜在荧光基团的特性有很高的应用价值。

λ/nm

λ/nm

2.3底物拓展应用

为了探讨7在磷酸衍生物基团保护反应中的应用范围，本文对底物进行了扩展(Scheme 2)，结果见表2。由表2可见，7在脂肪族、芳香族和环状磷酸衍生物的保护和光控脱保护反应中的应用均得到了较好的结果。光解离脱保护反应迅速(≤15 min,图2)，被保护化合物脱保护收率高(≥95%)，无任何副反应。

表2　磷酸衍生物保护反应和光控脱保护反应

以苯硫酚为起始原料，通过缩合反应、卤代反应、Suzuki-Miyaura反应、氧化还原反应和酯化反应等合成了新型硫代色酮类磷酸基光控保护基——2-重氮基-3-苯基-4H-磺酰基苯并噻喃(7)。并将7成功地应用于各种磷酸基团化合物的保护和光控脱保护反应中。光解离脱保护反应迅速(≤15 min)，被保护化合物脱保护收率高(≥95%)，无任何副反应。伴随被保护化合物的释放，光敏结构转变成强荧光的四环化合物2-亚甲基-苯并呋喃并[4,3-b]磺酰基苯并噻喃(10)。基于此反应特性，可直观地观察到光解离释放过程的荧光变化，从而为应用到生物细胞领域的“可控性”和“可视性”创造了条件。

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Synthesis and Application of A New Photolabile Protecting Group for Phosphate Derivatives

LIU Shan-shan,MA Chi,LI Jun-ru,HONG Li-hong,ZHANG You-lai*

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Abstract：4-Oxo-3-phenyl-4H-thiochromene-2-carbaldehyde(4) was prepared by dehydration reaction, iodine substitution reaction, Suzuki-Miyaura coupling and oxidation， using thiophenol and ethyl acetoacetate as starting material. Furthermore oxidation of the sulfur atom of 4 with m-CPBA, and then reaction with TsNHNH2 to obtain tosylhydrazone(6). 2-Diazomethyl- 3-phenyl-4H-thiochromen-4-one 1,1-dioxide(7) was synthesized by Bamford-Stevens reaction from 6. The structures were characterized by1H NMR, (13)C NMR and HR-MS. 7 was designed as a novel photolabile protecting group for the protection and photodeprotection of phosphate derivatives. Protection reaction proceeded smoothly under mild reaction. The photodeprotection yields were more than 95% in 15 min monitored by UV-Vis and fluorescence spectroscopies.

Keywords：phosphates; thiochromone S,S-dioxide; 2-diazomethyl-3-phenyl-4H-thiochromen-4-one 1,1-dioxide； photolabile protecting group; synthesis; photochemistry

中图分类号：O621.3； O623.74

文献标志码：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.03.15351

作者简介：刘珊珊(1990-)，女，汉族，江苏连云港人，硕士研究生，主要从事药物化学和光化学研究。E-mail: 1207664722@qq.com通信联系人： 张有来，博士研究生，讲师， E-mail: youlaimail@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(21303120)； 天津市自然科学基金资助项目(13JCYBJC42100)； 天津市“131” 创新型人才培养工程第三层次； 天津市高等学校大学生创新创业训练计划项目(201410060024)

收稿日期：2015-11-23