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苄基(Bn)及其衍生物是有机合成中常用的保护基团之一,主要用于保护氨基、羟基和羧基等功能基团。同时,苄基是一种比较稳定的氨基保护基,可在多种反应条件下稳定存在,其引入和脱除反应温和,操作简便,因此在有机合成中应用广泛。
常见的苄基系列保护基主要包括:苄基,4-甲氧基苄基(PMB),2,4-二甲氧基苄基(DMB)(式1),该系列保护基通常在碱性条件或亲核试剂存在下比较稳定,其引入方法基本相似,但脱除方法多种多样,主要包括催化氢解、氧化及在酸性环境中脱保护。
式1
苄基保护基最常用的引入方法是在碱性条件下与相应的卤代物进行反应(式2)。此外,还可通过相应的醛与氨基形成亚胺,在NaBH4、NaBH(OAc)3等还原剂的存在下进行还原胺化,得到相应的苄基保护产物(式3)。
式2
式3
苄基的脱除方法多样,主要包括还原脱苄、氧化脱苄、酸性脱苄和碱性脱苄,这些方法各有其适用场景和优缺点,现分类介绍如下:
还原脱苄主要包括催化氢化和转移氢化,两者的主要区别在于氢源的不同,催化氢化以氢气为氢源,后者则以甲酸铵,环己烯等化合物提供氢源。常用的催化剂包括Pd/C和Pd(OH)2/C,此外,金属镁、锌也被开发用于脱苄基。
催化氢化
催化氢化是最常用的脱苄方法之一(式4),具有反应条件温和、体系干净、收率高等优势,但其选择性较差,对易被还原的底物容易造成不必要的副反应。另外,脱苄时,使用酸性溶剂或添加强酸可以促进胺的质子化,防止脱苄后的胺类化合物与催化剂活性位点相互作用,抑制催化剂活性。
式4
对于小分子和含多亲水基团的有机胺往往会因为稳定性和水溶性问题导致脱苄收率较低,在体系内引入多氯代烷可以显著加速脱苄速率,实现脱苄、成盐一锅转化。
式5
另外,Pd/C和Pd(OH)2/C两种催化剂混合可达到单一催化剂无法实现的效果,表现出更有效的催化效果。
转移氢化
转移氢化是催化氢化的一种替代方法,无需压力设备,操作简便。但氢供体的引入可能会给产物的提纯带来困扰,用来提供氢源的试剂有甲酸、甲酸铵、环己烯、1,4-环己二烯等,不同的氢源,会影响脱氢产物的组成。如1,4-环己二烯作为氢源时,在含有N-, O-苄基底物中,可选择性脱去N-苄基(式6)。
式6
另外,金属镁、锌等价廉金属也可以用于转移氢化脱苄的催化剂,如金属镁与甲酸铵可高效脱除N-,O-,S-苄基,诸如Boc,卤素,羧基等取代基均不受影响,(式7),这种方法避免了钯催化剂成本高及自燃的问题,是一种潜在的经济,环保的脱苄替代方案。
式7
氧化脱苄是一种兼具温和和高选择性的方法,常用的氧化试剂包括CAN试剂(硝酸铈铵)、DDQ(2,3-二氯-5,6-二氰基苯鲲)等,其中CAN试剂对不饱和键显示出一定的化学惰性,可以选择性的脱去苄基。
DDQ和CAN试剂在脱苄选择性上有所不同(式8),前者通常优先脱除含给电子集团的苄基,如PMB等,而后者通常优先脱除未取代的苄基,另外CAN试剂对叔胺具有较好的脱苄效果,但对仲胺表现出化学惰性,故CAN试剂在多苄基底物中,通常停留在脱单苄基阶段。
式8
O2/t-BuOK,I2/Cs2CO3,DIAD,Oxone等氧化体系都可以实现苄基脱除,其中I2/Cs2CO3体系可以选择性脱除仲胺的苄基,而保留叔胺苄基(式9);DIAD则可选择性脱除N-苄基,而O-苄基能稳定存在。
式9
酸脱苄也是一种反应迅速且操作简单的脱苄方法,但此方法需要底物对酸性环境具有一定的耐受力,常用的酸解试剂包括三氟乙酸(TFA),三氟甲磺酸(TfOH)和对甲苯磺酸(p-TsOH),通常用来脱除含有给电子基取代的苄基(PMB, DMB等)(式10)。
式10
碱脱苄通常是用作催化氢解的替代方法,对于N-酰基-N-苄基衍生物、芳香杂环等化合物的脱苄比较有效(式11)。所用试剂包括烷基锂试剂(MeLi等)、Na/NH3(l)、LiAlH4等。
式11
除上述常见的脱苄方法之外,诸如酶催化、硝解、格式试剂、NBS/AIBN等众多脱苄方法在特定场景下也可以实现高效脱苄,可作为常规脱苄方法的补充,本文不再详述。
总而言之,上述提到的脱苄方法各有优缺点和适合场景,在复杂的有机合成反应中,脱苄方法需要根据具体反应底物的结构特点选用合适的脱苄策略。
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