苯并咪唑盐一碳单元转移反应及仿生合成新方法研究

【摘要】： 生物体内复杂且神奇的质能转化过程，几乎都是在酶的指导下，在异常温和的环境中高效、专一、和谐地进行。酶在丰富多彩的生命活动中所展现的独特性能，引起了人们对生命现象探究的浓厚兴趣，在分子水平上模拟生物酶成为近年来仿生化学前沿研究领域的一个热点。四氢叶酸辅酶在生物体内的作用是传递一碳单元进行生物合成和代谢，是体内许多物质(包括DNA和RNA)甲基化的直接甲基源。结构研究发现，当一碳单元处于甲酸氧化态时，四氢叶酸辅酶的活性结构中心是生成或断开的咪唑啉五元环，环上两个不对称氮原子差异较大的pKa是环的活性构成之源。模拟四氢叶酸辅酶结构功能和作用机制构筑模型物以实现仿生一碳单元转移反应，可为有机合成开拓新的反应途径，提供新的合成方法。 本文在课题组前期研究工作的基础上，利用本课题组提出的可转移甲酸氧化态一碳单元的四氢叶酸辅酶新模型苯并咪唑盐，构筑了22类模型化合物，系统研究了苯并咪唑盐与Grignard试剂、亲核胺试剂的加成-水解反应和一碳转移反应，提出了39种醛、酮、酰胺等化合物的仿生合成新方法(其中一元醛9种，二元醛2种，一元酮11种，二元酮4种，三元酮1种，环二酮1种，大环酮2种，N-取代甲酰胺5种、N-取代乙酰胺3种以及2-甲基苯并咪唑等化合物)。醛、酮及酰胺是重要的有机核心化合物，尽管其合成方法不断得到拓展，但由于其特殊的结构，其合成新方法的研究依然是有机化学一个既古朴又富挑战性的研究领域。此外，本文对苯并咪唑还原水解反应也进行了探讨，提出9种醛、二醛的合成新方法。主要研究内容概括为以下三个方面： (1)醛新合成方法研究．构筑了1，3-甲基取代和苄基取代两类苯并咪唑盐作为四氢叶酸辅酶模型，分别与Grignard试剂、双Grignard试剂亲核加成，继而水解成醛，实现一碳单元转移，提出了9种醛和2种二醛的仿生合成新方法；在此基础上，利用苯并咪唑的还原-水解反应，又提出了6类醛和3类二醛的合成新方法，并对两类合成方法的实验条件、结构影响因素等予以讨论，对两类醛合成方法的适应性进行了比较。 (2)酮新合成方法研究。通过构筑苯并咪唑盐2-位取代的四氢叶酸辅酶模型，或者带有潜在反应中心的功能化单元，使其与Grignard试剂转移一碳单元，对五类19种酮提出新的仿生合成新方法，并对反应机理、条件因素等进行了探讨。模型物苯并咪唑盐2-位功能化取代基的设计、转化，实现的分子内一碳单元转移环化合成大环酮的思路，是酮合成新方法的一大亮点。单、双苯并咪唑盐和单、双Grignard试剂的变换组合实现的系列一碳单元转移反应，为多类型酮化合物提供了开阔的合成视野。 (3)酰胺新合成方法研究。在研究苯并咪唑盐与Grignard试剂加成-水解反应的基础上，对苯并咪唑盐与另一类亲核试剂胺化合物的一碳单元转移反应进行了系统研究，为8种酰胺类化合物和2-甲基苯并咪唑提出了仿生合成新途径，对所合成的物质通过~1H NMR、IR、MS等方式进行了结构表征。 叶酸辅酶参与的一碳单元转移反应持续引起人们的极大兴趣归因于它在生物体系中的重要性以及在化合物合成、设计(特别是在抗癌药物及液晶材料)等方面的重要指导作用。整个研究过程表明，苯并咪唑盐具有转移一碳单元或同时转移双一碳单元的能力，是一类性能优良的四氢叶酸辅酶模型新体系。在非酶催化条件下，不仅实现了与生物体内相类似的一碳单元转移反应，而且可以转移具有不同官能团的取代“一碳单元”，使这种一碳单元转移反应传递的功能化一碳单元更加多样化，这方面强劲的研究工作进展，将为异常活跃的合成化学提供更多常规合成方法难以实现或实现不理想的仿生合成新方法。