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单糖衍生物的合成及其在不对称催化和离子荧光识别中的应用

李龙霞  
【摘要】:糖类是自然界分布广泛、储量丰富的手性化合物,结构的多样性和复杂性,使得基于糖的化合物在其合成、鉴定以及应用研究上一直是有机化学家们所面临的巨大挑战。本论文着眼于以上问题,依从经济性考虑,通过廉价、易得的天然存在的糖,构建手性中心,设计并合成具有广泛应用前景的新型单糖手性氨基醇、异硫氰酸酯和硫脲衍生物。针对现有糖类化合物难以满足其在生物化学、不对称合成以及分析领域内的研究现状,开展了单糖手性氨基醇在二乙基锌对醛的不对称加成反应和不对称直接aldol反应中的应用、单糖硫脲化合物在离子识别中的应用研究。本论文主要包括以下四个部分内容:1.新型单糖衍生物的设计与合成:(a)新型单糖手性β-氨基醇和1,3-氨基醇的设计与合成:首先,在新型单糖手性β-氨基醇的合成研究上依据五元环硫酸酯易被含氮亲核试剂取代特性,从D-果糖出发,经羟基的选择性保护与脱保护、环硫酸酯化、叠氮化等6步反应,在糖的C-5位引入氨基,首次合成了2种基于吡喃型果糖的新型单糖手性β-氨基醇,同时对这2种氨基醇的氨基进行修饰拓展,合成出7种新型单糖手性p-氨基醇;其次,在单糖手性1,3-氨基醇的合成研究上依据对甲苯磺酰基易离去特性,从含有果糖结构的蔗糖出发,经水解、羟基选择性保护、酯化以及叠氮取代反应,在果糖的C-6位引入叠氮基,通过羟基的氧化-还原反应,合成基于山梨糖的叠氮糖,再经还原反应合成2种新型的单糖1,3-氨基醇,进一步对这2种氨基醇的氨基进行修饰拓展,合成了4种新型单糖1,3-氨基醇。本论文所合成的糖类氨基醇所具有的氨基和羟基功能性基团使其在不对称合成和生物化学领域具有广泛的应用前景。(b)新型单糖异硫氰酸酯及硫脲的设计与合成:首先,在先导化合物单糖异硫氰酸酯的合成研究中,首次利用CS2/DCC体系与羟基全保护的氨基葡萄糖和基于葡萄糖结构的氨基醇反应合成了2种基于糖的异硫氰酸酯,产率高达90%;其次,以上述糖基异硫氰酸酯为原料,研究其与不同的胺反应,合成8种新型糖基硫脲化合物,产率高达94‰最后,依据所研究的单糖异硫氰酸酯与胺的反应,将全乙酰化葡萄糖异硫氰酸酯与罗丹明酰肼反应,通过硫脲基团搭建单糖和荧光基团架构体系,首次合成新型具有硫脲基团的糖类分子荧光化合物。本论文所合成的单糖硫脲结构中的硫脲与糖所具有特性使其能广泛应用于不对称合成、生物以及分析等领域。2.新型单糖衍生物的结构鉴定:本课题合成了一系列新型单糖手性氨基醇和硫脲化合物,其构型的确证可为这些化合物的进一步研究提供实验数据和分析方法。本论文选取代表性的化合物通过NMR以及ESI-MS技术完成这些化合物的结构鉴定。果糖衍生的新型p-氨基醇的结构通过一维NMR、ESI-MS以及二维NMR技术进行鉴定,结果表明其结构与所设计的化合物构型一致;对于新型单糖手性1,3-氨基醇,通过分析其结构特性,对比2种氨基醇前体化合物(叠氮糖)的1HNMR以及J3,4值间接鉴定其构型,结果表明山梨糖1,3-氨基醇与果糖1,3-氨基醇结构中C-4位的羟基构型相反;对于新型单糖硫脲化合物的结构鉴定,选取全乙酰化葡萄糖罗丹明硫脲化合物为代表鉴定基于葡萄糖构型的硫脲化合物的结构,通过分析其结构与官能团特性,结合1H NMR、13C NMR和ESI-MS技术以及比对其前体化合物(单糖异硫氰酸酯)的1H NMR图谱确证其结构。3.新型手性氨基醇在不对称催化中的应用:(a)新型单糖手性氨基醇催化二乙基锌对醛的不对称加成反应:以已合成的新型氨基修饰的p-氨基醇及1,3-氨基醇催化二乙基锌对醛的不对称加成反应来研究手性配体的结构对于对映选择性的影响,通过改变配体种类及其量、反应溶剂、反应温度、助催化剂Ti(Oi-Pr)4的量对反应进行研究。研究发现:经条件优化和底物拓展,氨基取代基为吗啉结构的β-氨基醇催化反应产率最高达94%,ee值最高达71%。研究结果表明所合成的手性氨基醇催化剂可潜在用于难以手性拆分的手性仲醇的合成,进而为该类单糖衍生物的应用提供重要的实验基础。(b)新型单糖手性氨基醇催化不对称直接aldol反应:以已合成的4种氨基未修饰的β-氨基醇和1,3-氨基醇催化3-硝基苯甲醛与环己酮的不对称直接aldol反应,通过改变催化剂及其量、温度、溶剂和添加剂对反应进行优化,并将优化后的条件用于不同的醛酮不对称aldol反应。研究发现:p-氨基醇/对硝基苯酚共催化体系催化反应的产率高达98%,ee值高达87%。进一步研究发现p-氨基醇可被多次循环用于催化该反应。本论文通过机理研究首次提出氢键促进手性仲醇的高效立体选择性作用机制。研究结果表明所合成的氨基醇能潜在用于复杂化合物中手性仲醇的选择性合成,反应机理的研究为氨基醇/酚类催化体系的应用拓展提供重要的理论依据。4.新型单糖硫脲分子荧光探针在离子荧光识别中的应用:针对目前报道的荧光探针化合物水溶性和细胞渗透性差等问题,首次将基于糖的罗丹明硫脲化合物应用于水中Hg2+的荧光识别。研究发现:所合成的化合物能高效识别水中的Hg2+而不被大多数金属离子干扰,与Hg2+在水中的结合比为1:1,能在细胞内对Hg2+荧光成像,能检测饮用水中所规定最低限度的Hg2+。此外,通过ESI-MS技术和循环伏安法研究了所合成的化合物对水中Hg2+的高效识别机理是由于Hg2+引发了不可逆的荧光增强反应。研究结果表明,对于所合成的单糖硫脲化合物的研究可为进一步研究糖类硫脲荧光化合物在生物体系内的作用提供实验和理论依据。


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1 李龙霞;单糖衍生物的合成及其在不对称催化和离子荧光识别中的应用[D];南京理工大学;2014年
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