2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物催化的高选择性羟基氧化反应

王怡博，黄大富，梁子颢，丁 凯

（1.中国科学院上海有机化学研究所，天然产物有机合成化学院重点实验室，上海 200032；2.中山俊凯生物技术开发有限公司，中山 528437）

胆酸是胆汁的重要成分，可作为油脂乳化剂在肠中帮助油脂的水解和吸收，在脂肪代谢中起着重要作用［1，2］.其中熊去氧胆酸具有很好的去除胆结石的作用［1］，已经成为固醇性胆囊结石和胆汁郁积性肝病的治疗药物.由鹅去氧胆酸在C6位改造后获得的奥贝胆酸［2］可以抑制胆酸合成，用于治疗原发性胆汁性肝硬化和非酒精性脂肪性肝病.

胆酸在脊椎动物的胆汁中广泛存在，畜牧业的发展使得胆酸已经成为一种重要的资源性化合物.不同动物的胆汁中胆酸种类和分布不同，如猪胆中含有大量猪去氧胆酸，鸡鸭胆中主要含有鹅去氧胆酸.目前具有经济价值的是胆酸和鹅去氧胆酸，而其它高产量的胆酸，如猪去氧胆酸，几乎没有用处.因此，已有大量关于将这些胆酸转化为高附加值胆酸的研究报道［3～5］.

大多数胆酸在A环和B环各有一个仲羟基，它们的区域选择性成为胆酸结构改造中的一个关键问题.选择性的保护和氧化是最常用的2个策略.由于保护基的方法路线冗长，因此区域选择性的氧化更具有吸引力.在大多数胆酸中，C7位的羟基更容易氧化，已有多种高区域选择性地完成该过程的化学［6］或生物［7，8］方法被报道，并已经用于熊去氧胆酸和奥贝胆酸的生产中.

在探索别鹅去氧胆酸合成熊去氧胆酸时，为改变A/B环的稠合方式，需要选择性地氧化C3位的羟基.但是，常规的氧化剂几乎都是优先氧化胆酸中C7位的羟基，而优先氧化C3位羟基的体系却很少.二十世纪60年代，已经发现碳酸银可选择性氧化C3位的羟基，但其价格昂贵［9～11］.1993年，Luu等［12］使用氧气在铂催化下可高选择性地氧化鹅去氧胆酸甲酯的C3位的羟基，但该条件下形成的少量氢气导致了爆炸和火灾.Oppenauer氧化可获得C3位的羰基化合物，但是产率中等［13］.为解决胆酸C3位的羟基选择性氧化问题，本文筛选了一系列氧化条件，发现2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）/NaClO的氧化体系可获得较好的结果.该方法试剂便宜易得、条件温和、反应时间短、操作简单、易于放大.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

重铬酸吡啶鎓（PDC，纯度98%）、氯铬酸吡啶鎓盐（PCC，纯度98%）、N-溴代丁二酰亚胺（NBS，纯度99%）、戴斯-马丁试剂（DMP，纯度96%）和TEMPO（纯度98%）均购自阿拉丁化学试剂有限公司；二氯甲烷（DCM，分析纯）、乙酸乙酯（分析纯）、石油醚（分析纯）和醋酸（HOAc，纯度≥99.5%）均购于国药集团试剂有限公司；丙酮（Acetone，分析纯）和硫酸（分析纯）购自广州化学试剂厂；三氧化铬（分析纯）购于广东光华科技股份有限公司；次氯酸钠（分析纯，活性氯≥7.5%，碘量法标定为1.8 mol/L）购于上海泰坦科技股份有限公司；屈臣氏品牌蒸馏水（超市直接购买）；琼斯试剂（Jones reagent）自制：将三氧化铬（26.72 g）以少量水溶解，然后缓慢滴入23 mL浓硫酸，再加水稀释至100 mL.

Bruker Avance 400型超导核磁共振波谱（NMR）仪，以CDCl3为溶剂，四甲基硅烷（TMS）为内标，德国Bruker公司；岛津LC-20A型液相色谱仪，LC-20AT泵+RID-20A示差检测器，日本岛津公司；Merck Silica Gel 60 F254型薄层层析硅胶板（铝板），美国Merck公司；RY-1G型熔点检测仪，天津光学仪器厂.

1.2 实验过程

目标化合物的合成路线如Scheme 1所示.化合物1a～6a的氧化产物分别为化合物1b～4b.

Scheme 1 Synthetic route towards selective oxidation of 3-hydroxyl group in cholic acids

将别鹅去氧胆酸甲酯（1a，203 mg，0.5 mmol）溶于2.5 mL DCM，加入TEMPO（0.8 mg，5 μmol）和碳酸氢钠（42 mg，0.5 mmol），冰浴下缓慢滴加0.33 mL NaClO溶液（1.8 mol/L），4 min加毕，继续反应36 min后，薄层层析（TLC）显示原料消失.加入0.05 mL异丙醇淬灭反应，分离出油相，浓缩后柱层析纯化得到192 mg目标产物1b，产率95.1%.化合物2a～6a的氧化过程按上述方法进行.

化合物1b～4b的熔点及核磁共振数据如表1所示，核磁共振谱图见本文支持信息图S1～图S4.

Table 1 Melting point and1H NMR data for compounds 1b—4b

2 结果与讨论

2.1 反应条件优化

以别鹅去氧胆酸（1a）为模型反应底物，考察了不同氧化剂和反应条件对反应的影响，结果见表2.

首先，测试了常见的高价铬氧化剂，如PDC，PCC和Jones试剂均优先氧化C7位的羟基，且氧化选择性很差（表2中Entries 1～3）；使用NBS为氧化剂，也是优先氧化C7位的羟基，选择性有所改善（表2中Entry 4）；改用Stevens氧化条件［17］得到与NBS类似的结果（表2中Entry 5）；当使用戴斯马丁试剂（DMP）作为氧化剂，C3位羟基的氧化产物成为主产物，但是选择性较差（表2中Entry 6）；当使用1%（摩尔分数）的TEMPO为氧化剂，次氯酸钠溶液为助氧化剂时，C3位的羟基被优先氧化，并具有很高的选择性，但补加次氯酸钠无法提高转化率（表2中Entry 7）.推测室温下TEMPO逐渐失活.当温度降低到0℃后，补加次氯酸钠原料可完全转化，目标产物1b的产率提高至92.6%（表2中Entry 8）；缓慢加入次氯酸钠时，副产物进一步减少，目标产物1b的产率可达99%（表2中Entry 9）；加入过量的次氯酸钠进行破坏性实验，发现C7位的羟基被氧化形成的3，7二羰基副产物（1d）的量远少于多加入的氧化剂（表2中Entry 10）.综上所述，表2中Entry 9的反应条件为最优反应条件.

Table 2 Optimization of reaction conditiona

2.2 底物适用性

使用表2中Entry 9的反应条件，对反应底物的适用范围进行了探索，结果见表3.A/B环反式稠合的别鹅去氧胆酸甲酯（1a）氧化后，以95.1%的分离收率获得C3位的氧化产物.A/B环顺式稠合的鹅去氧胆酸甲酯（2a）使用上述优化条件，主要产物也是C3位的氧化产物，但选择性明显下降.而使用7-β羟基异构体熊去氧胆酸3a为底物时，能以几乎定量的分离收率获得C3位的氧化产物.使用C3位为β-构型的底物4a和5a反应时，也获得了良好的C3位选择性.使用胆酸甲酯（6a）为底物时，尽管多了1个羟基，仍以78.0%的收率获得了C3位羟基的氧化产物4b.

Table 3 Scope of substratea

2.3 机理研究

胆酸及其衍生物的C3位和C7位羟基都是仲羟基，比较而言，C7位羟基的位阻稍大，所以简单的亲核取代反应，如酰基保护和去酰基保护中均是在C3位优先反应，1b的初始合成路线就利用了该原理（Scheme 2）.而羟基的氧化反应一般涉及羟基和氧化剂的连接以及α-氢消除这两步反应，其中α-氢消除一般为决速步骤.由于第二步能释放中间体的张力，因此位阻大的反应位点反而会优先反应，这解释了常规氧化剂一般会优先氧化C7位的羟基［16］.

Scheme 2 Two synthetic routes for 3-oxo cholic acid 1b

由于氧化剂TEMPO的位阻非常大，显著提高了羟基和氧化剂连接的能垒，而α-氢消除使分子内反应得到了加速，这些因素的共同作用使第一步成为决速步骤，反应的选择性发生逆转［18，19］.过量的试剂无法显著氧化C7位的羟基也侧面证明了这一假设（表2中Entry 10）.

2.4 应用研究

为合成C3位的羰基产物1b，首先设计了利用保护基的策略.甲酰基保护C3和C7位羟基后，选择性脱去C3位保护基（HPLC监测产率＞95%，RID检测器，面积百分比），C3的羟基被氧化后再脱除C7位的羟基保护基，结晶除去副产物后，以4步80%的分离收率获得目标产物.而在TEMPO催化的氧化反应中，以5 g规模对反应进行放大，以一步95%的分离收率即获得目标产物（Scheme 2）.

3 结 论

具有3，7-二羟基结构的胆酸衍生物，一般优先氧化C7位的羟基.而本文使用TEMPO为氧化剂，次氯酸钠为助氧化剂，可以高选择性地氧化C3位的羟基.该方法具有条件温和，试剂便宜易得，产率高的优点，为胆酸类化合物的结构改造提供了一条高效的途径.

支持信息见http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200521.