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焦脫鎂葉綠酸-a甲酯與N-溴代丁二酰胺(NBS)的溴化反應(yīng)*

黎乃維1，紀(jì)建業(yè)2，王進(jìn)軍1

(1.煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院 食品與生物工程系，山東 煙臺(tái) 264005；2.通化師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，吉林 通化134002)

摘要:以脫鎂葉綠酸-a甲酯為起始原料，在二氯甲烷中于不同溫度下與N-溴代丁二酰亞胺進(jìn)行反應(yīng)，在二氫卟吩色基上分別發(fā)生了親電取代、親電加成、水解和脫氫反應(yīng)，分離出四種新型葉綠素類(lèi)二氫卟吩衍生物.同時(shí)，對(duì)溴化反應(yīng)提出了相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，解釋和總結(jié)了焦脫鎂葉綠酸-a甲酯的溴化區(qū)域選擇性.所得新化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)IR,1H NMR及元素分析予以確定.

關(guān)鍵詞:葉綠素-a；焦脫鎂葉綠酸；區(qū)域選擇性；反應(yīng)機(jī)理

葉綠素類(lèi)二氫卟吩的芳香性氮雜輪烯結(jié)構(gòu)具有與其他芳烴相似的化學(xué)特征，可以順利地發(fā)生典型的親電取代反應(yīng)[1-3].除此之外，四吡咯碳架上還連帶了諸多的官能結(jié)構(gòu)，例如，3-位的乙烯基、外接五元環(huán)酮和17-位尾端酯基.在一定程度上，這些沿著體系N21-N23軸向分布的活性反應(yīng)基團(tuán)決定了葉綠素衍生物的光譜性質(zhì)，而葉綠素類(lèi)二氫卟吩的紫外-可見(jiàn)光的光譜數(shù)據(jù)則是應(yīng)用于光動(dòng)力治療(Photodinamic therapy)的最為基本的考量參數(shù)[4].

為了深入開(kāi)展對(duì)葉綠素化學(xué)的理論研究，本文在前期工作的基礎(chǔ)之上[5-9]，通過(guò)葉綠素降解產(chǎn)物的溴化反應(yīng)，研討葉綠素色基的化學(xué)性質(zhì)以及對(duì)大環(huán)分子的紫外-可見(jiàn)光譜所產(chǎn)生的影響.以N-溴代丁二酰亞胺為溴化劑，在二氯甲烷中于室溫條件下對(duì)焦脫鎂葉綠酸-a甲酯(，簡(jiǎn)稱(chēng)MPPa)進(jìn)行溴化，分別分離出20-溴焦脫鎂葉綠酸-a甲酯(，24%)、3-(1，2-二溴乙基)焦脫鎂葉綠酸-a甲酯(，8%)和3-(1-羥乙基)焦脫鎂葉綠酸-a甲酯(，38%).如果將反應(yīng)體系的溫度降為-20°C，只得到3-位雙鍵的加成反應(yīng)產(chǎn)物；提高反應(yīng)溫度至50°C后，產(chǎn)物變得極為混雜，主要分離出乙烯基加成水解產(chǎn)物和少量的加成脫溴化氫產(chǎn)物3-(2-溴乙烯基)焦脫鎂葉綠酸-a甲酯(，3%).具體的合成路線(xiàn)及反應(yīng)條件如圖1所示.

圖1　焦脫鎂葉綠酸-a甲酯的溴化反應(yīng)及其產(chǎn)物分布

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

元素分析用Perkin-Elmer 2400型元素分析儀測(cè)定；紅外光譜用Perkin-Elmer 1730型紅外分光光度儀測(cè)定(KBr壓片法)；紫外-可見(jiàn)光光譜用UV-160A型紫外分光光度計(jì)測(cè)定；核磁共振氫譜用Beucker ARX-300型核磁共振儀測(cè)定，內(nèi)標(biāo)為T(mén)MS.

脫鎂葉綠酸-a甲酯和焦脫鎂葉綠酸-a甲酯按照文獻(xiàn)[10]制備.

1.2焦脫鎂葉綠酸-a甲酯的溴化反應(yīng)

將500mg MMPa(0.825mmol)溶解于10mL二氯甲烷中，室溫?cái)嚢柘碌渭雍?.5摩爾量的N-溴代丁二酰亞胺的二氯甲烷溶液，攪拌反應(yīng)2h后，加入30mL水分層，水相用二氯甲烷分層萃取(3×25mL)，合并有機(jī)相，經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥后減壓濃縮，通過(guò)硅膠柱層析分離[洗脫劑：V(石油醚):V(乙酸乙酯)=5:1]，得52mg暗紅色固體(0.083mmol，24%)、52mg綠色固體(0.083mmol，8%)和52mg墨綠色化合物(0.083mmol，38%).

如果將反應(yīng)在-20°C條件下進(jìn)行，后處理的操作步驟相同，主要得到綠色化合物；如果將該反應(yīng)的溫度升至50°C，后處理的操作步驟相同，主要得到綠色化合物和少量的化合物.

2結(jié)果與討論

關(guān)于20-溴代葉綠素類(lèi)衍生物的合成研究，Smith小組早期曾經(jīng)做過(guò)類(lèi)似的工作[10]，為了避免3-位乙烯基對(duì)溴代反應(yīng)的干擾，他們選用3-位乙烯還原的葉紅初卟啉甲酯作為研究對(duì)象，無(wú)疑不能完全了解葉綠素類(lèi)衍生物溴代反應(yīng)的精準(zhǔn)結(jié)果.為了正確地觀察葉綠素降解產(chǎn)物在溴化反應(yīng)過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的化學(xué)行為，本文以MPPa為反應(yīng)底物，嘗試了與NBS進(jìn)行溴化反應(yīng)，進(jìn)一步對(duì)葉綠素類(lèi)二氫卟吩的親電反應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行研討.

圖2　焦脫鎂葉綠酸-a甲酯的區(qū)域選擇性溴化反應(yīng)

焦脫鎂葉綠酸的20-meso-位和3-位碳碳雙鍵是兩處具有親電性質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，有親電試劑存在時(shí)，二者在一定程度上勢(shì)必要形成競(jìng)爭(zhēng).當(dāng)20-位親電取代時(shí)，化學(xué)鍵的斷裂破環(huán)了大環(huán)分子的芳香性共軛體系；對(duì)于3-位乙烯基而言，親電加成則僅僅使得3-位乙烯基的碳碳雙鍵發(fā)生變化.所以，從熱力學(xué)角度分析，3-位乙烯基應(yīng)該具有較高的親電反應(yīng)活性.根據(jù)溴化反應(yīng)的不同反應(yīng)溫度所形成的結(jié)果來(lái)看，在低溫條件下(-20°C)，MPPa與NBS只在3-位上發(fā)生親電加成反應(yīng)，以42%的收率得到單一的二溴代二氫卟吩，并沒(méi)有分離出20-位親電取代的溴化產(chǎn)物；當(dāng)把反應(yīng)溫度提高至50°C時(shí)，從混雜的反應(yīng)混合物中主要分離出二溴化物和另一二溴化物.低溫反應(yīng)給出單一的二溴代產(chǎn)物的結(jié)果，印證了在C3-乙烯基上發(fā)生親電加成的活化能要低于20-位親電取代所需的反應(yīng)能量；高溫條件下的溴化反應(yīng)結(jié)果反映出20-位的溴化還存在著可逆反應(yīng)的特征，同時(shí)，在3-位乙烯基加成的過(guò)程中，較高的反應(yīng)溫度還可以促成脫氫成烯逆向反應(yīng).如圖2所示：MPPa與NBS溴化反應(yīng)可以沿著兩條路徑進(jìn)行，在a-路線(xiàn)中，20-位碳進(jìn)攻NBS的氮上溴原子而形成類(lèi)σ絡(luò)合物1a，失去C2-位上的氫質(zhì)子后給出20-溴焦脫鎂葉綠酸-a甲酯；在b-路線(xiàn)中，3-位乙烯基的碳碳雙鍵與由NBS分解的溴素相互作用，所形成的穩(wěn)定碳正離子1b再與溴負(fù)離子結(jié)合而形成二溴代二氫卟吩.

20-位脫溴和3-位脫氫的過(guò)程由以下途徑完成(圖3)：由于親電基團(tuán)的介入，二氫卟吩20-位的多電子性已經(jīng)不復(fù)存在,加上取代的溴原子在meso-位所形成的立體障礙，難于在破壞氮雜輪烯芳香性的前提下,再度形成類(lèi)σ絡(luò)合物而發(fā)生相應(yīng)的親電性逆反應(yīng).而更有可能借助體系中的堿性物種丁二酰亞胺負(fù)離子，利用20-位溴碳鍵電荷分配的不均勻性而在大環(huán)色基環(huán)外發(fā)動(dòng)親電進(jìn)攻，再經(jīng)電子轉(zhuǎn)移消去親電性取代基團(tuán)，并將負(fù)電荷固定在20-位平行于共軛大環(huán)平面的sp2軌道上，所形成的負(fù)離子中間體2a進(jìn)而再與質(zhì)子結(jié)合回歸到起始原料.在4取代基上間接發(fā)生親核進(jìn)攻并消去親電基團(tuán)的反應(yīng)過(guò)程，既沒(méi)有損失氮雜輪烯的芳香穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有形成高位阻的類(lèi)σ絡(luò)合物.而且，與一般由p軌道承受一對(duì)電子的負(fù)碳離子相比，成對(duì)電子處在sp2雜化軌道上的碳負(fù)離子中間體2b應(yīng)該具有更高的穩(wěn)定性.

圖3　焦脫鎂葉綠酸-a甲酯溴化反應(yīng)中的逆反應(yīng)

3結(jié)論

焦脫鎂葉綠酸-a甲酯的大環(huán)色基上擁有多處親電性反應(yīng)位點(diǎn)，與N-溴代丁二酰胺可以選擇性地發(fā)生溴代反應(yīng)，通過(guò)親電取代和親電加成反應(yīng)可以分別在20-位和3-位上引進(jìn)多個(gè)溴原子，不同的反應(yīng)溫度可以呈現(xiàn)出良好的區(qū)域選擇性，同時(shí)也形成溴化的逆反應(yīng)、溴原子的水解以及脫氫等非溴代過(guò)程.所涉及的反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)位點(diǎn)選擇等研究?jī)?nèi)容，對(duì)系統(tǒng)研究葉綠素類(lèi)二氫卟吩大環(huán)的化學(xué)行為具有指導(dǎo)意義，不同位置的溴代反應(yīng)也為獲取新型葉綠素類(lèi)二氫卟吩衍生物提供了更加廣泛的合成途徑.

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(責(zé)任編輯:王海波)

The Bromination of Methyl Pyropheophorbide-a with N-bromosuccinimide (NBS)

LI Nai-wei, JI Jian-ye, WANG Jin-jun

(Collegeofchemistryandchemicalengineering,YantaiUniversity,Yantai,Shandong264005,China)

Abstract：Methyl pyropheophorbide-a is used as starting material and reactions with N-bromosuccinimide were carried out in dichloromethane at different temperature. The electrophilic substitution, electrophilic addition, hydrolysis and dehydrogenation occurron the chlorinchromophore, respectively.toisolate four new chlorophllouschlorin derivatives. The reaction mechanisms about brominationare proposed and regioselectivities in bromination of methyl pyropheophorbide-aare explained and summarized.The structuresof all new compoundsare assignedbasedonthedatafromIR, 1HNMRandelementalanalysis.

Keywords：Chlorophyll-a; methyl pyropheophorbide-a; regioselectivity; reaction mechanism

中圖分類(lèi)號(hào)：O6626

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-7974(2015)06-0046-04

通訊作者：

作者簡(jiǎn)介：黎乃維，女，吉林通化人，教師.王進(jìn)軍，男，吉林白山人，教授，博士.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金“氟代葉綠素類(lèi)二氫卟吩的合成及其光動(dòng)力治療研究”(21272048)

收稿日期：*2015-09-22

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.12.015