王怡博，黃大富，梁子顥，丁 凱

（1.中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所，天然產(chǎn)物有機(jī)合成化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032；2.中山俊凱生物技術(shù)開發(fā)有限公司，中山 528437）

膽酸是膽汁的重要成分，可作為油脂乳化劑在腸中幫助油脂的水解和吸收，在脂肪代謝中起著重要作用［1，2］.其中熊去氧膽酸具有很好的去除膽結(jié)石的作用［1］，已經(jīng)成為固醇性膽囊結(jié)石和膽汁郁積性肝病的治療藥物.由鵝去氧膽酸在C6位改造后獲得的奧貝膽酸［2］可以抑制膽酸合成，用于治療原發(fā)性膽汁性肝硬化和非酒精性脂肪性肝病.

膽酸在脊椎動(dòng)物的膽汁中廣泛存在，畜牧業(yè)的發(fā)展使得膽酸已經(jīng)成為一種重要的資源性化合物.不同動(dòng)物的膽汁中膽酸種類和分布不同，如豬膽中含有大量豬去氧膽酸，雞鴨膽中主要含有鵝去氧膽酸.目前具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的是膽酸和鵝去氧膽酸，而其它高產(chǎn)量的膽酸，如豬去氧膽酸，幾乎沒有用處.因此，已有大量關(guān)于將這些膽酸轉(zhuǎn)化為高附加值膽酸的研究報(bào)道［3～5］.

大多數(shù)膽酸在A環(huán)和B環(huán)各有一個(gè)仲羥基，它們的區(qū)域選擇性成為膽酸結(jié)構(gòu)改造中的一個(gè)關(guān)鍵問題.選擇性的保護(hù)和氧化是最常用的2個(gè)策略.由于保護(hù)基的方法路線冗長，因此區(qū)域選擇性的氧化更具有吸引力.在大多數(shù)膽酸中，C7位的羥基更容易氧化，已有多種高區(qū)域選擇性地完成該過程的化學(xué)［6］或生物［7，8］方法被報(bào)道，并已經(jīng)用于熊去氧膽酸和奧貝膽酸的生產(chǎn)中.

在探索別鵝去氧膽酸合成熊去氧膽酸時(shí)，為改變A/B環(huán)的稠合方式，需要選擇性地氧化C3位的羥基.但是，常規(guī)的氧化劑幾乎都是優(yōu)先氧化膽酸中C7位的羥基，而優(yōu)先氧化C3位羥基的體系卻很少.二十世紀(jì)60年代，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳酸銀可選擇性氧化C3位的羥基，但其價(jià)格昂貴［9～11］.1993年，Luu等［12］使用氧氣在鉑催化下可高選擇性地氧化鵝去氧膽酸甲酯的C3位的羥基，但該條件下形成的少量氫氣導(dǎo)致了爆炸和火災(zāi).Oppenauer氧化可獲得C3位的羰基化合物，但是產(chǎn)率中等［13］.為解決膽酸C3位的羥基選擇性氧化問題，本文篩選了一系列氧化條件，發(fā)現(xiàn)2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）/NaClO的氧化體系可獲得較好的結(jié)果.該方法試劑便宜易得、條件溫和、反應(yīng)時(shí)間短、操作簡單、易于放大.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

重鉻酸吡啶鎓（PDC，純度98%）、氯鉻酸吡啶鎓鹽（PCC，純度98%）、N-溴代丁二酰亞胺（NBS，純度99%）、戴斯-馬丁試劑（DMP，純度96%）和TEMPO（純度98%）均購自阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；二氯甲烷（DCM，分析純）、乙酸乙酯（分析純）、石油醚（分析純）和醋酸（HOAc，純度≥99.5%）均購于國藥集團(tuán)試劑有限公司；丙酮（Acetone，分析純）和硫酸（分析純）購自廣州化學(xué)試劑廠；三氧化鉻（分析純）購于廣東光華科技股份有限公司；次氯酸鈉（分析純，活性氯≥7.5%，碘量法標(biāo)定為1.8 mol/L）購于上海泰坦科技股份有限公司；屈臣氏品牌蒸餾水（超市直接購買）；瓊斯試劑（Jones reagent）自制：將三氧化鉻（26.72 g）以少量水溶解，然后緩慢滴入23 mL濃硫酸，再加水稀釋至100 mL.

Bruker Avance 400型超導(dǎo)核磁共振波譜（NMR）儀，以CDCl3為溶劑，四甲基硅烷（TMS）為內(nèi)標(biāo)，德國Bruker公司；島津LC-20A型液相色譜儀，LC-20AT泵+RID-20A示差檢測器，日本島津公司；Merck Silica Gel 60 F254型薄層層析硅膠板（鋁板），美國Merck公司；RY-1G型熔點(diǎn)檢測儀，天津光學(xué)儀器廠.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

目標(biāo)化合物的合成路線如Scheme 1所示.化合物1a～6a的氧化產(chǎn)物分別為化合物1b～4b.

Scheme 1 Synthetic route towards selective oxidation of 3-hydroxyl group in cholic acids

將別鵝去氧膽酸甲酯（1a，203 mg，0.5 mmol）溶于2.5 mL DCM，加入TEMPO（0.8 mg，5 μmol）和碳酸氫鈉（42 mg，0.5 mmol），冰浴下緩慢滴加0.33 mL NaClO溶液（1.8 mol/L），4 min加畢，繼續(xù)反應(yīng)36 min后，薄層層析（TLC）顯示原料消失.加入0.05 mL異丙醇淬滅反應(yīng)，分離出油相，濃縮后柱層析純化得到192 mg目標(biāo)產(chǎn)物1b，產(chǎn)率95.1%.化合物2a～6a的氧化過程按上述方法進(jìn)行.

化合物1b～4b的熔點(diǎn)及核磁共振數(shù)據(jù)如表1所示，核磁共振譜圖見本文支持信息圖S1～圖S4.

Table 1 Melting point and1H NMR data for compounds 1b—4b

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件優(yōu)化

以別鵝去氧膽酸（1a）為模型反應(yīng)底物，考察了不同氧化劑和反應(yīng)條件對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2.

首先，測試了常見的高價(jià)鉻氧化劑，如PDC，PCC和Jones試劑均優(yōu)先氧化C7位的羥基，且氧化選擇性很差（表2中Entries 1～3）；使用NBS為氧化劑，也是優(yōu)先氧化C7位的羥基，選擇性有所改善（表2中Entry 4）；改用Stevens氧化條件［17］得到與NBS類似的結(jié)果（表2中Entry 5）；當(dāng)使用戴斯馬丁試劑（DMP）作為氧化劑，C3位羥基的氧化產(chǎn)物成為主產(chǎn)物，但是選擇性較差（表2中Entry 6）；當(dāng)使用1%（摩爾分?jǐn)?shù)）的TEMPO為氧化劑，次氯酸鈉溶液為助氧化劑時(shí)，C3位的羥基被優(yōu)先氧化，并具有很高的選擇性，但補(bǔ)加次氯酸鈉無法提高轉(zhuǎn)化率（表2中Entry 7）.推測室溫下TEMPO逐漸失活.當(dāng)溫度降低到0℃后，補(bǔ)加次氯酸鈉原料可完全轉(zhuǎn)化，目標(biāo)產(chǎn)物1b的產(chǎn)率提高至92.6%（表2中Entry 8）；緩慢加入次氯酸鈉時(shí)，副產(chǎn)物進(jìn)一步減少，目標(biāo)產(chǎn)物1b的產(chǎn)率可達(dá)99%（表2中Entry 9）；加入過量的次氯酸鈉進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)C7位的羥基被氧化形成的3，7二羰基副產(chǎn)物（1d）的量遠(yuǎn)少于多加入的氧化劑（表2中Entry 10）.綜上所述，表2中Entry 9的反應(yīng)條件為最優(yōu)反應(yīng)條件.

Table 2 Optimization of reaction conditiona

2.2 底物適用性

使用表2中Entry 9的反應(yīng)條件，對反應(yīng)底物的適用范圍進(jìn)行了探索，結(jié)果見表3.A/B環(huán)反式稠合的別鵝去氧膽酸甲酯（1a）氧化后，以95.1%的分離收率獲得C3位的氧化產(chǎn)物.A/B環(huán)順式稠合的鵝去氧膽酸甲酯（2a）使用上述優(yōu)化條件，主要產(chǎn)物也是C3位的氧化產(chǎn)物，但選擇性明顯下降.而使用7-β羥基異構(gòu)體熊去氧膽酸3a為底物時(shí)，能以幾乎定量的分離收率獲得C3位的氧化產(chǎn)物.使用C3位為β-構(gòu)型的底物4a和5a反應(yīng)時(shí)，也獲得了良好的C3位選擇性.使用膽酸甲酯（6a）為底物時(shí)，盡管多了1個(gè)羥基，仍以78.0%的收率獲得了C3位羥基的氧化產(chǎn)物4b.

Table 3 Scope of substratea

2.3 機(jī)理研究

膽酸及其衍生物的C3位和C7位羥基都是仲羥基，比較而言，C7位羥基的位阻稍大，所以簡單的親核取代反應(yīng)，如?；Ｗo(hù)和去?；Ｗo(hù)中均是在C3位優(yōu)先反應(yīng)，1b的初始合成路線就利用了該原理（Scheme 2）.而羥基的氧化反應(yīng)一般涉及羥基和氧化劑的連接以及α-氫消除這兩步反應(yīng)，其中α-氫消除一般為決速步驟.由于第二步能釋放中間體的張力，因此位阻大的反應(yīng)位點(diǎn)反而會(huì)優(yōu)先反應(yīng)，這解釋了常規(guī)氧化劑一般會(huì)優(yōu)先氧化C7位的羥基［16］.

Scheme 2 Two synthetic routes for 3-oxo cholic acid 1b

由于氧化劑TEMPO的位阻非常大，顯著提高了羥基和氧化劑連接的能壘，而α-氫消除使分子內(nèi)反應(yīng)得到了加速，這些因素的共同作用使第一步成為決速步驟，反應(yīng)的選擇性發(fā)生逆轉(zhuǎn)［18，19］.過量的試劑無法顯著氧化C7位的羥基也側(cè)面證明了這一假設(shè)（表2中Entry 10）.

2.4 應(yīng)用研究

為合成C3位的羰基產(chǎn)物1b，首先設(shè)計(jì)了利用保護(hù)基的策略.甲酰基保護(hù)C3和C7位羥基后，選擇性脫去C3位保護(hù)基（HPLC監(jiān)測產(chǎn)率＞95%，RID檢測器，面積百分比），C3的羥基被氧化后再脫除C7位的羥基保護(hù)基，結(jié)晶除去副產(chǎn)物后，以4步80%的分離收率獲得目標(biāo)產(chǎn)物.而在TEMPO催化的氧化反應(yīng)中，以5 g規(guī)模對反應(yīng)進(jìn)行放大，以一步95%的分離收率即獲得目標(biāo)產(chǎn)物（Scheme 2）.

3 結(jié) 論

具有3，7-二羥基結(jié)構(gòu)的膽酸衍生物，一般優(yōu)先氧化C7位的羥基.而本文使用TEMPO為氧化劑，次氯酸鈉為助氧化劑，可以高選擇性地氧化C3位的羥基.該方法具有條件溫和，試劑便宜易得，產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)，為膽酸類化合物的結(jié)構(gòu)改造提供了一條高效的途徑.

支持信息見http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200521.