设计实验：选择性保护1,4,7,10-四氮杂环十二烷的仲胺

张琴芳，王爱群，任小雨，张红素，余孝其

(四川大学 a.化学基础实验教学中心；b.化学学院,成都 610064)

0 引 言

在有机合成化学中存在多种官能团，为了能够让化学反应选择性在某个官能团上进行，非常有必要对其他官能团进行保护[1]。一个保护基团需要同时满足一系列要求，首先要选择性地反应后高产率生成一个被保护的底物，这个底物适于参加接下来所要进行的反应；保护基团应该几乎不产生外加的官能团特性以防止发生其他反应；保护基必须高产率通过与易于得到的无害试剂反应被选择性脱掉，这些试剂也不会进攻再生的官能团[2]。

氨基官能团存在于很多有生理活性的化合物中，氨基的保护策略选择对合成化学工作者非常重要。自1961年德国化学家Stetter和Mayer合成1,4,7,10-四氮杂环十二烷(Cyclen)以来[3]，其小分子化合物和聚合物广泛应用于磁共振成像[4]、DNA酶[5-6]和基因载体[7]等。为了合成基于Cyclen的具有不同结构和功能的产品，就需要系统的合成化学，尤其是对其仲胺的选择性保护[8]，因此，开展了选择性保护Cyclen的设计实验。

1 实验原理

将Cyclen合成单取代、对位二取代和三取代的目标化合物，其合成过程如图1所示，选择性保护仲胺则是该实验设计路线的关键。

图1 基于Cyclen的具有一个、两个和三个取代基目标化合物的合成路线

Cyclen上有4个仲胺，它们分别具有不同的pKa值：10.5，9.5，1.6和0.8[9]，可以实现选择性保护[10]。为了合成具有1个、2个和3个取代基的目标化合物，必须分别选择性地保护其中3个、2个和1个仲胺(合成路线见图2)，然后将对应的被保护底物用于后续反应，最后脱掉保护基生成目标产物，氨基甲酸酯是常用的氨基保护基，包括通过酸性水解去保护的氨基甲酸叔丁酯(Boc)、由氢化去保护的氨基甲酸苄基酯(Cbz)、用碱经β-消除去保护的氨基甲酸-9-芴基甲酯(Fmoc)等[2]。在该设计实验中选择了Boc和Fmoc保护基，Boc基团是最常用的氨基保护试剂，广泛应用于多肽合成、杂环合成中的氨基保护，在碱性条件下不水解，对很多亲核试剂也是惰性的，在强酸性条件下脱保护，分解的产物是叔丁醇或异丁烯，以及二氧化碳气体，非常容易从反应体系除去，通过控制(Boc)2O与Cyclen的比例以及(Boc)2O的滴加速度得到1,4,7-3 Boc-Cyclen[11-12]；采用Boc-OSu作为氨基的保护试剂得到1,7-2 Boc-Cyclen[10-13]。Fmoc保护基的一个显著优点是对酸极其稳定，在Fmoc存在下Boc可以方便去保护，所以将1,4,7-3 Boc-Cyclen与Fmoc-Cl反应后得到1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen[14]，在酸性条件选择性脱掉Boc保护基[15]，得到Fmoc-Cyclen的三氟乙酸盐。

2 实验目的

(1) 查阅文献，根据原料和产物设计实验路线选择性保护Cyclen的仲胺，制备1,4,7-3 Boc-Cyclen、1,7-2 Boc-Cyclen和Fmoc-Cyclen的三氟乙酸盐。

(2) 掌握薄层色谱、柱色谱、分液洗涤、重结晶等基本实验操作技能。

图2 设计的合成1,4,7-3 Boc-Cyclen、1,7-2 Boc-Cyclen和Fmoc-Cyclen.3CF3COOH的路线

(3) 采用1H-NMR、13C-NMR和HR-MS鉴定化合物结构。

(4) 学习使用Chemdraw和Mestrenova软件、SciFinder和CNKI数据库辅助实验。

3 仪器和试剂

仪器：磁力加热搅拌器(IKA C-MAG HS4)、真空干燥箱(DZF-6020A)、核磁共振仪(Bruker AV-400 MHz)、质谱仪(Bruker Daltonics Bio TOF)、恒温鼓风干燥箱(一恒 DHG-9240A)、分析天平(METTLER TOLEDO EL204)、圆底烧瓶、分液漏斗、薄层色谱板、色谱柱等。

试剂：Cyclen、(Boc)2O、Boc-OSu、三乙胺、无水硫酸钠、无水硫酸镁、CHCl3、CH2Cl2、NaCl、NaHCO3、Fmoc-Cl、三氟乙酸、乙醚、硅胶、Al2O3等。

4 实验步骤

4.1 以Cyclen和(Boc)2O为原料，制备1,4,7-3 Boc-Cyclen[11-12]

将250 mL圆底烧瓶置于冰水浴，加入0.5 g(2.9 mmol)Cyclen和40 mL CHCl3，搅拌溶解，然后加入1.6 mL(11.6 mmol)三乙胺。将1.8 g(8.2 mmol)的(Boc)2O溶解在100 mL CHCl3中，缓慢滴加到圆底烧瓶(控制滴速3 s/滴)，滴加完后撤除冰水浴，在常温下继续搅拌15 h。反应结束后，用饱和食盐水洗涤3次，收集有机相，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸馏除去溶剂得到粗产物，薄层色谱检测，柱色谱分离提纯得到1,4,7-3 Boc-Cyclen。

4.2 以Cyclen和Boc-OSu为原料，制备1,7-2 Boc-Cyclen[10,13]

将250 mL圆底烧瓶置于冰水浴，加入0.5 g(2.9 mmol)Cyclen和40 mL CHCl3，搅拌溶解。将1.4 g(6.5 mmol)的Boc-OSu溶解在100 mL CHCl3中，缓慢滴加到圆底烧瓶(控制滴速10 s/滴)，滴加完后撤除冰水浴，在常温下继续搅拌48 h。反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤2次，饱和食盐水洗涤1次，收集有机相，用无水硫酸镁干燥，过滤，减压蒸馏除去溶剂得到粗产物，薄层色谱检测，柱色谱分离提纯得到1,7-2 Boc-Cyclen。

4.3 以1,4,7-3 Boc-Cyclen和Fmoc-Cl为原料，制备1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen[14]

在100 mL圆底烧瓶中加入0.5 g(1.2 mmol)1,4,7-3 Boc-Cyclen和3.6 mL CH2Cl2，搅拌溶解，然后加入7.2 mL饱和碳酸氢钠和0.4 g(1.6 mmol)Fmoc-Cl，薄层色谱检测1,4,7-3 Boc-Cyclen反应完后停止反应(整个反应约2 h)。反应结束后加入7.2 mL CH2Cl2和3.6 mL水，分液保留有机相，用饱和食盐水洗涤1次，收集有机相，用无水硫酸镁干燥，过滤，减压蒸馏除去溶剂得到粗产物，薄层色谱检测，柱色谱分离提纯得到1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen。

4.4 以CF3COOH为去保护试剂，制备Fmoc-Cyclen[15]的三氟乙酸盐

将100 mL圆底烧瓶置于冰水浴，加入0.5 g(0.7 mmol)1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen和20 mL CH2Cl2，搅拌溶解，然后加入0.5 mL(7 mmol)CF3COOH，反应0.5 h后撤除冰水浴，常温下继续搅拌反应直到薄层色谱检测1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen反应完全，减压蒸馏除去溶剂，用CH2Cl2作为良溶剂，无水乙醚作为不良溶剂重结晶得到Fmoc-Cyclen的三氟乙酸盐。

5 实验结果

5.1 制备1,4,7-3 Boc-Cyclen

薄层色谱，乙酸乙酯∶石油醚=1∶1，Rf≈0.3；柱色谱(硅胶)，乙酸乙酯∶石油醚=1∶4。柱色谱分离后真空干燥得到白色固体1.0 g，产率72%。详细解析该化合物的1H NMR，如图3所示,δ(×10-6)=7.26(s)是CDCl3溶剂残余的化学位移，δ(×10-6) 1.24(t)、2.06(s)、4.08～4.13(q)是残余的乙酸乙酯的化学位移，其余为目标产物的化学位移。

图3 1,4,7-3 Boc-Cyclen的1H NMR，溶剂为CDCl3

1H NMR (400 MHz,CDCl3,TMS):δ(×10-6) 1.43(s,27H,—OC(CH3)3),2.83(s,4H,—NHCH2CH2N(Boc)—) ,3.33(d,8H,—CH2N(Boc)CH2CH2NH—),3.60(s,4H,—N(Boc)CH2CH2N(Boc) CH2CH2N(Boc)—)。

13C NMR(CDCl3,100 MHz):δ:28.20,44.72,49.42,50.95,79.20,155.52。

HR-MS(ESI):Calcd for:C232H44N4O6:473.326 1;Found:473.333 9。

5.2 制备1,7-2 Boc-Cyclen

薄层色谱，二氯甲烷∶甲醇=10∶1，Rf≈0.7；柱色谱(碱性三氧化二铝)，乙酸乙酯∶石油醚=1∶1。柱色谱分离后得浅黄色油状物0.6 g，产率56%。

1H NMR(400 MHz,CDCl3,TMS):δ(×10-6) 1.44(s,18H,—OC(CH3)3),2.92(q,8H,—CH2NHCH2)—),3.57(s,8H,—CH2N(Boc)CH2—)。

13C NMR(CDCl3,100 MHz):δ:28.21,48.79,49.21,49.52,49.61,49.74,49.77,50.42,50.56,50.56,80.85,155.41。

HR-MS(ESI):Calcd for:C18H36N4O4:372.273 7;Found:373.281 5。

5.3 制备1,4,7-3 Boc-10-Fmoc-Cyclen

薄层色谱，乙酸乙酯∶石油醚=1∶3，Rf≈0.6；柱色谱(硅胶)，乙酸乙酯∶石油醚=1∶8。柱色谱分离后真空干燥得到浅黄色固体0.66 g，产率91%。

1H NMR(400 MHz,CDCl3,TMS):δ(×10-6) 1.44(d,27H,—OC(CH3)3),3.29(s,16H,—NCH2CH2N—),4.22(m,1H,—CH—), 4.51(s,2H,—OCH2—),7.32(m,2H,—Ph—H),7.39(m,2H,—Ph—H),7.59(d,2H,—Ph—H),7.75(d,2H,—Ph—H)。

13C NMR(CDCl3,100 MHz):δ:28.40,47.01,50.23,67.37,80.07,120.01,124.91,127.13,127.84,140.84,144.02,151.07,154.7。

HR-MS(ESI):Calcd for:C38H54N4O8[M+Na]+:717.381 9;Found:717.382 8。

5.4 制备Fmoc-Cyclen的三氟乙酸盐

重结晶后得到白色固体0.2 g，产率71%。

1H NMR(400 MHz,(CD3)2SO,TMS):δ(×10-6)3.33(s,16H,—CH2CH2)—),4.33(1H,—CH—),4.70(s,2H,—OCH2—),7.36(t,2H,—Ph—H),7.43(t,2H,—Ph—H),7.64(d,2H,—Ph—H),7.91(d,2H,—Ph—H)。

13C NMR((CD3)2SO,100 MHz):δ:41.98,42.94,43.20,53.08,63.52,116.15,120.80,123.27,124.04,137.47,140.41,154.37。

HR-MS(ESI):Calcd for:C23H30N4O2[M + H]+:395.244 7;Found:395.244 7。

6 结 语

学生在经过基础实验以及综合实验“四氮大环西佛碱锌配合物的合成”[16]的学习后，开展选择性保护Cyclen的设计实验，根据原料和目标产物，自行查阅文献设计合成路线，并根据实验结果不断调整实验方案，学习使用Chemdraw和Mestrenova软件、SciFinder和CNKI数据库辅助实验，实验内容更加多样化，难度逐步提高，循序渐进培养对学生综合应用知识的能力以及创新能力，提高学生学习积极性，为顺利过度到科研工作打好基础。