不同溶剂体系对氨基酸的氨基Boc保护的影响

张 梦，狄 曼，习郑柳，曾 卉，罗 兴，孔 露，何子儒，郭丽媛，吴 诗

(湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100)

氨基酸是含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称，是组成人体蛋白和多肽的基本单元，也是合成多肽类药物及可降解聚酰胺的基本结构单元[1-3]。由于氨基酸含有的氨基和羧基都是活泼官能团，因此，在合成反应前，须对氨基酸的氨基进行保护。使用较多的氨基保护基有烷氧羰基、烷基和酰基三大类。其中，烷氧羰基使用最广泛，常用的有9-芴甲氧羰基(Fmoc)、苄氧羰基(Cbz)和叔丁氧羰基(Boc)等[4]。Boc对催化氢解和碱解稳定，对酸解敏感、产率高，因此，被广泛应用于氨基酸的氨基保护[5-8]。二碳酸二叔丁酯[(Boc)2O]作为氨基保护试剂，具有廉价易得、易保存、毒性小、反应操作简单、反应时间短、产率高等特点，因此是合成N-Boc-氨基酸的常用试剂。为了更好地合成N-Boc-氨基酸，研究者发展了多种溶剂体系，如：水和丙酮溶液体系[9]、二氯甲烷溶液体系[10]、水和二氧六环溶液体系[11]，同时发展了一些催化体系[12]。DMF为水溶性的有机溶剂，与水有很好的互溶性，对一般有机化合物也有极好的溶解性。因此，作者选择无水二氯甲烷溶液体系、水和二氧六环溶液体系、水和丙酮溶液体系、水和DMF溶液体系等4种溶剂体系，对13种L-氨基酸在4种溶剂体系中的氨基Boc保护反应进行比较，探讨不同溶剂体系对氨基酸的氨基Boc保护的影响。

1 实验

1.1 试剂与仪器

L-脯氨酸、L-色氨酸、L-蛋氨酸、L-谷氨酸、L-天冬氨酸、L-组氨酸、L-精氨酸、L-赖氨酸、L-丝氨酸、L-酪氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酰胺、L-天冬酰胺等纯度均为 99%，二碳酸二叔丁酯[(Boc)2O]，武汉格奥化学技术有限公司；三乙胺，天津富宇精细化工有限公司。

X-4 型数字显示显微熔点测定仪，巩义予华仪器有限公司；IR Affinity-1型红外光谱仪，日本岛津；Bruker AV-400MHz型核磁共振仪，德国Bruker。

1.2 N-Boc-氨基酸的合成方法

1.2.1 无水二氯甲烷溶液体系

参照文献[10,13]，对反应条件进行优化后用于合成N-Boc-氨基酸。室温下，在装有机械搅拌器和恒压滴液漏斗的100 mL四口烧瓶中加入8.7 mmol L-氨基酸、12 mL重蒸除水的CH2Cl2、11.3 mmol(Boc)2O，然后缓慢滴加11.3 mmol除水的三乙胺，滴加完后继续搅拌至反应液澄清；减压蒸除CH2Cl2和三乙胺，得黄色黏稠液；加入8 mL水搅拌，用10%盐酸调pH值至氨基酸等电点；用乙酸乙酯(25 mL×3)萃取，合并有机层；用无水硫酸钠干燥，过滤，滤液减压至黏稠；加适量正己烷，轻摇，静置；待晶体析出完全后抽滤，干燥，即得N-Boc-氨基酸。

1.2.2 水和二氧六环溶液体系

参照文献[11]，对反应条件进行优化后用于合成N-Boc-氨基酸。冰浴条件下，在装有机械搅拌器和恒压滴液漏斗的100 mL四口烧瓶中加入5.0 mmol L-氨基酸、10 mL水、25 mL二氧六环、6.5 mmol(Boc)2O，然后缓慢滴加碳酸钾溶液(10 mmol碳酸钾溶于15 mL水)，约10 min滴完，继续反应至溶液澄清；减压蒸除水和二氧六环，瓶壁附着一层白色固体；加入25 mL水溶解，用乙醚(15 mL×2)洗涤2次，用5%盐酸调pH值至氨基酸等电点；再用乙酸乙酯(25 mL×3)萃取，合并有机层；用无水硫酸钠干燥，过滤；滤液减压浓缩，干燥，即得N-Boc-氨基酸。

1.2.3 水和丙酮溶液体系

参照文献[9]，对反应条件进行优化后用于合成N-Boc-氨基酸。冰水浴条件下，在装有机械搅拌器和恒压滴液漏斗的100 mL四口烧瓶中加入5.0 mmol L-氨基酸、5 mL蒸馏水、5 mL丙酮、15 mmol三乙胺，然后将5.5 mmol(Boc)2O溶于5 mL丙酮溶液中后缓慢滴加；滴加完毕，搅拌反应4 h(反应过程中点板检测)；减压蒸除丙酮和三乙胺；加入5 mL水，搅拌，用无水乙醚(10 mL×3)萃取，用5%盐酸溶液调pH值至2～3后，用乙酸乙酯(10 mL×4)萃取，合并有机层；用饱和食盐水(10 mL×2)洗涤，用适量无水硫酸钠干燥，抽滤；滤液减压浓缩，用乙酸乙酯-石油醚(1∶2，体积比)结晶，即得N-Boc-氨基酸。

1.2.4 水和DMF溶液体系

很少见DMF水溶液用作N-Boc-氨基酸合成的溶剂体系。经分析研究，采用如下方法合成N-Boc-氨基酸：在装有机械搅拌器和恒压滴液漏斗的100 mL四口烧瓶中加入4.4 mmol L-氨基酸、10 mL DMF水溶液(VDMF∶VH2O=3∶2)，然后缓慢滴加4.4 mmol三乙胺；搅拌10 min至溶液澄清，将4.5 mmol(Boc)2O加入溶液中，继续搅拌1 h；减压蒸除三乙胺和水；再用油泵除去DMF，用20 mL乙酸乙酯溶解剩余残渣，用1 mol·L-1盐酸调pH值至氨基酸等电点；分离水层和有机层，水层用NaCl饱和，乙酸乙酯萃取；合并有机层，用水(30 mL×2)洗涤；合并有机层，再用饱和NaCl(30 mL×2)洗涤；合并有机层，用无水Na2SO4干燥，过滤；滤液减压浓缩，干燥，即得N-Boc-氨基酸。

2 结果与讨论

2.1 N-Boc-氨基酸的结构确定

N-Boc-氨基酸的核磁共振图谱、质谱、熔点等已有多篇文献报道。本研究通过1HNMR分析(表1)，并与文献对照确定在4种溶剂体系中合成得到的化合物是N-Boc-氨基酸。

表1 13种N-Boc-氨基酸的1HNMR数据

2.2 反应温度对N-Boc-氨基酸合成的影响

在无水二氯甲烷溶液体系中，分别在0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃下对L-脯氨酸进行氨基Boc保护，N-Boc-脯氨酸的产率分别为51.6%、85.6%、88.3%、79.8%、70.3%。可以看出，反应温度对N-Boc-脯氨酸产率的影响很大。由于二氯甲烷的沸点为39.75 ℃，所以当反应温度为40 ℃时需要增加冷凝回流装置，二氯甲烷挥发较多，导致N-Boc-脯氨酸产率较低；当反应温度过低(0 ℃)时，L-脯氨酸在二氯甲烷中溶解度较低，也导致N-Boc-脯氨酸产率较低；在反应温度为20 ℃时，N-Boc-脯氨酸的产率最高，为88.3%。因此，确定最佳反应温度为室温(20 ℃左右)。

2.3 13种L-氨基酸在4种溶剂体系中的氨基Boc保护反应比较(表2)

表2 溶剂体系对N-Boc-氨基酸产率的影响/%

由表2可知：(1)在无水二氯甲烷溶液体系中，L-脯氨酸、L-色氨酸和L-蛋氨酸的氨基Boc保护效果较好，N-Boc-氨基酸产率均在70%以上；但其它氨基酸效果很差，不能获得N-Boc-氨基酸产物。这是因为，L-脯氨酸、L-色氨酸和L-蛋氨酸为非极性氨基酸，在二氯甲烷中溶解良好，而其它10种氨基酸在二氯甲烷溶液中的溶解性很差，导致其不能获得N-Boc-氨基酸产物。(2)水和二氧六环溶液体系、水和丙酮溶液体系、水和DMF溶液体系为混合溶剂体系，氨基酸在其中的溶解性都比较好，但也有差异。在水和二氧六环溶液体系中，L-酪氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酰胺和L-丝氨酸的氨基Boc保护效果较好，N-Boc-氨基酸产率分别可达99.6%、99.5%、93.0%、79.8%；其它氨基酸效果较差，N-Boc-氨基酸产率较低。可能是因为L-酪氨酸、L-半胱氨酸、L-谷氨酰胺和L-丝氨酸为极性氨基酸，因此可推断水和二氧六环溶液体系适合极性氨基酸进行氨基Boc保护反应。但L-天冬酰胺是个例外，其结构与L-谷氨酰胺十分相似，有着相同的官能团，仅主链碳原子的个数不同，但其在水和二氧六环溶液体系中却未能得到N-Boc-氨基酸产物，且在其它反应体系中进行氨基Boc保护也较困难。(3)在水和丙酮溶液体系中，L-天冬氨酸、L-组氨酸和L-谷氨酸的氨基Boc保护效果较好，N-Boc-氨基酸产率分别可达90.2%、90.0%、85.0%；其它氨基酸效果均不理想。L-谷氨酸、L-天冬氨酸为酸性氨基酸，L-组氨酸为碱性氨基酸。(4)在水和DMF溶液体系中，酸性氨基酸的氨基Boc保护效果最好，N-Boc-氨基酸产率达到85.0%；非极性氨基酸的氨基Boc保护效果较好，N-Boc-氨基酸产率达到64%以上；碱性氨基酸的氨基Boc保护效果不理想，N-Boc-氨基酸产率很低；而极性氨基酸的氨基Boc保护效果不稳定，N-Boc-氨基酸产率波动很大。可见，水和DMF溶液体系适合酸性氨基酸进行氨基Boc保护反应，但DMF是一种沸点较高的溶剂，完全除去比较困难。

综上，非极性氨基酸比较适合在无水二氯甲烷溶液体系中进行氨基Boc保护，N-Boc-氨基酸产率较高；极性氨基酸在水和二氧六环溶液体系中产率较高；酸性氨基酸在水和丙酮溶液体系及水和DMF溶液体系中均有较高产率；碱性氨基酸较难进行氨基Boc保护，只有L-组氨酸在水和丙酮溶液体系中的效果较好，N-Boc-氨基酸产率较高。可以看出：溶剂体系对氨基酸的氨基Boc保护十分重要，在这4个溶剂体系中，没有一个溶剂体系对所有氨基酸均是适合的。

3 结论

以13种L-氨基酸和二碳酸二叔丁酯[(Boc)2O]为主要原料，分别在无水二氯甲烷溶液体系、水和二氧六环溶液体系、水和丙酮溶液体系、水和DMF溶液体系等4种溶剂体系中进行氨基酸的氨基Boc保护反应，探讨不同溶剂体系对氨基酸的氨基Boc保护的影响。结果表明，非极性氨基酸比较适合在无水二氯甲烷溶液体系中进行氨基Boc保护，N-Boc-氨基酸产率较高；极性氨基酸在水和二氧六环溶液体系中产率较高；酸性氨基酸在水和丙酮溶液体系及水和DMF溶液体系中均有较高产率；碱性氨基酸较难进行氨基Boc保护，只有L-组氨酸在水和丙酮溶液体系中的效果较好，N-Boc-氨基酸产率较高。不同氨基酸由于极性以及酸碱性的不同，用Boc进行氨基保护时的反应条件和后处理各有所异。该研究为实验室合成N-Boc-氨基酸提供了合适的方法，也为其它氨基衍生物进行Boc保护时选择溶剂体系提供了参考。