羥基樟腦調控的氨基酸S/R構型相互轉化

余偉 董思凡 李傲齊 崔斌 李昊龍 秦源 韓天佼 范士明

摘 要：為解決當前通過純化學法進行氨基酸S/R構型轉化中存在的手性分子結構復雜、分子質量大以及耗費等當量重金屬鹽的問題，提出一種利用結構簡單的2-羥基樟腦和3-羥基樟腦進行氨基酸S/R構型轉化的新方法。通過對堿、溶劑和反應溫度的篩選，建立最優反應體系，然后對不同側鏈的外消旋以及光學純氨基酸的構型轉化進行研究。結果表明，以叔丁醇鉀為堿，異丙醇為溶劑，在40 ℃下反應獲得最佳轉化效果，其能夠兼容具有不同芳環和脂肪側鏈的氨基酸，高效進行氨基酸S/R構型的相互轉化，展現出優秀的立體選擇性，且羥基樟腦可循環利用；機理分析表明，拆分的高立體選擇性由熱力學控制。新方法所用手性試劑結構簡單并可循環使用，無需將氨基酸合成特定的反應底物，反應轉化率和立體選擇性高，為氨基酸純化學S/R構型轉化提供了一種新的途徑。

關鍵詞：有機合成化學；構型轉化；氨基酸；樟腦；手性

中圖分類號：O621.25

文獻標識碼：A DOI：10.7535/hbkd.2023yx03007

收稿日期：2022-06-26；修回日期：2023-04-28；責任編輯：王淑霞

基金項目：國家自然科學基金（21978067）；河北省自然科學基金（H2020208030）

第一作者簡介：余 偉（1986—），男，陜西商南人，碩士研究生，主要從事氨基酸和甾體化合物的不對稱合成方面的研究。

通信作者：韓天佼工程師。E-mail： hantianjiao_2005@126.com

范士明博士。E-mail： fanshiming@hebust.edu.cn

Hydroxycamphor-controlled S/R interconversion of amino acids

YU Wei^1，2， DONG Sifan^1，3， LI Aoqi^1，3， CUI Bin^1，3， LI Haolong^1，3， QIN Yuan^1，3HAN Tianjiao⁴， FAN Shiming^1，3

（1.Laboratory Breeding Base-Hebei Province Key Laboratory of Molecular Chemistry for Drug， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2.Hebei Grand Jiufu Biotechnology Company Limited， Baoding， Hebei 072150， China; 3.Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;4.School of Chemical and Pharmaceutical Engineering，NCPC New Preparation Branch Factory， Shijiazhuang， Hebei 052160， China）

Abstract：In order to overcome the problems of complex chiral molecular structure， high molecular weight and consumption of equivalent heavy metal salts in purely chemical S/R interconversion of amino acids， a novel method for S/R interconversion of amino acids was developed by using structurally simple 2-hydroxycamphor or 3-hydroxycamphor. The reaction conditions were optimized by assessing the base， solvent and reaction temperature. Then the S/R interconversion of racemic and enantiopure amino acids with different side chains were carried out. The result shows that the best interconversion effect is obtained at 40 ℃ with potassium tert-butoxide as the base and isopropanol as the solvent. Various amino acids with fatty and aromatic side chains are well tolerated in the reactions and the S/R interconversion of amino acids can be carried out efficiently， showing excellent stereoselectivities， and the hydroxycamphors can be reused. The mechanism study shows that the high stereoselectivity of dynamic resolution is thermodynamically controlled. This method has the advantages of using structurally simple and recyclable chiral reagents， avoiding the synthesis of specific substrates from amino acids and giving good reaction conversions and stereoselectivity， which provides a novel approach for purely chemical S/R-interconversion of amino acids.

Keywords：organic synthetic chemistry; configuration inversion; amino acids; camphor; chirality

手性是氨基酸的基本特征之一，根據α-手性碳原子的構型不同，分為L-（S）-氨基酸和D-（R）-氨基酸。氨基酸的手性在藥物研發和不對稱合成領域發揮著重要作用。在藥物研發中，不同構型氨基酸對藥物分子的生物活性影響非常大^［1-2］。在合成方面，手性氨基酸是手性藥物和多肽分子合成的重要中間體^［3-7］，也是金屬催化不對稱合成反應中一類非常重要的配體^［8］。近幾年，手性氨基酸作為瞬態導向基團在不對稱C—H活化領域也展現出巨大潛力^［9］。鑒于手性氨基酸的廣泛應用，其合成方法一直受到極大關注。氨基酸α-C原子構型的定向轉化是產生手性氨基酸的一種重要方法。通過構型轉化能夠將外消旋體氨基酸中其中一個構型的氨基酸定向轉化成相反構型的氨基酸，從而獲得單一構型的產物。此外，天然的L-氨基酸可經生物發酵大規模生產，價格較低，因此通過構型轉化將廉價易得的L-氨基酸轉化成昂貴的非天然D-氨基酸展現出了重大的合成價值。迄今為止，關于氨基酸S/R構型相互轉化的方法仍然較為有限，包括生物催化轉化和純化學轉化方法。對于生物轉化法，往往面臨著相關酶的來源受限問題，且需要先將氨基酸制備成適合酶反應的特定底物^［10-13］。通過純化學方法利用手性小分子模擬酶實現氨基酸構型轉化最近獲得極大關注，相比于生物法，化學法所使用的手性分子可通過合成大量獲得，并且對氨基酸底物的兼容性高，尤其是一些非蛋白編碼的特殊氨基酸也能有很好的反應^［14-21］。然而此方法仍然面臨著手性分子分子量大、結構較為復雜、合成困難或者需要等當量的重金屬參與等問題，因此開發簡單的手性分子實現高效的氨基酸構型轉化是一個具有較大挑戰和亟待解決的問題。

樟腦類化合物由于特有的剛性環狀結構、廣泛的來源和低廉的價格引發了人們極大關注^［22-23］。本研究開發了一種利用2-羥基樟腦和3-羥基樟腦對光學純氨基酸進行了S/R構型的相互轉化的新方法，方案如下：3-羥基樟腦A與芐氧羰基（Cbz）保護的（S）-氨基酸（S）-1通過成酯鍵連接，隨后在鈀碳/氫氣條件下的堿性質子溶液中進行一鍋法反應，經氫解脫除保護基、環合形成亞胺、α-C構型翻轉的連續反應得到（R）-構型的三環亞胺內酯3，隨后水解得到（R）-氨基酸（R）-1；反之使用2-羥基樟腦B，可將（R）-氨基酸轉化成（S）-氨基酸（見圖1）。利用這種方案，本文首先以羥基樟腦將外消旋氨基酸轉化成單一構型（S）-或（R）-氨基酸，然后進一步研究羥基樟腦對光學純氨基酸S/R構型的相互轉化效果。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氨基酸，購自上海吉爾生化有限公司；四氫呋喃、乙酸乙酯、石油醚、異丙醇、濃鹽酸，均為分析純，購自國藥試劑有限公司；2-羥基樟腦和3-羥基樟腦，購自上海陶術生物技術有限公司；所用其他試劑，購自北京百靈威科技有限公司。

戴安UltiMate-3000高效液相色譜，購自美國DIONEX公司；Bruker AV-500 MHz型核磁共振儀，購自德國 Bruker公司；Advion質譜儀，購自美國ADVION公司；X-4型數字顯示顯微熔點測定儀，購自北京泰克儀器有限公司；Biotage快速制備色譜儀，購自瑞典Biotage公司；恒溫水浴鍋，購自河南鞏義予華儀器有限公司。

1.2 實驗方法

將2-羥基樟腦（或3-羥基樟腦） （10 mmol），N-Cbz-氨基酸（11 mmol），4-二甲氨基吡啶（DMAP） （0.6 g，5 mmol）溶于40 mL四氫呋喃，在0 ℃下攪拌15 min后，將二環己基碳二亞胺（DCC） （3.1 g，15 mmol）的四氫呋喃（10 mL）溶液滴加到反應液中，0 ℃下攪拌2 h后升至室溫，攪拌16 h。過濾、減壓濃縮，硅膠柱層析（乙酸乙酯與石油醚體積比為1∶8）得到酯。將上述反應得到的酯、5% Pd/C（0.50 g）、叔丁醇鉀（t-BuOK）（224 mg，2 mmol）溶于40 mL異丙醇（i-PrOH），加入干燥的4 分子篩，在常壓下通入氫氣，40 ℃反應15 h。過濾、濃縮，硅膠柱層析（乙酸乙酯與石油醚體積比為1∶4）得到單一構型的環合產物三環亞胺內酯。

（1R，2S，5S，8S）-5-芐基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳6-烯-4-酮（5a）：白色固體，熔點68～ 70 ℃ （Ref.^［23］68 ～70 ℃）;¹H NMR （500 MHz， Chloroform-d）δ7.37（d，J=8.2 Hz， 2H），7.30（t，J=7.5 Hz， 2H），7.24～7.20（m，1H），4.27 （s，1H），3.95 （ddd，J=8.3，4.7，1.4 Hz，1H），3.56（dd，J=14.4，4.7 Hz，1H），3.24 （dd，J=14.5，8.4 Hz，1H），2.43（d，J=4.4 Hz，1H），1.97 （ddt，J=12.6，8.2，4.1 Hz，1H），1.88 （td，J=12.5，4.6 Hz，1H），1.59～1.49 （m，1H），1.35 （ddd，J=13.1，9.3，3.6 Hz，1H），1.08 （s，3H），0.95 （s，3H），0.80 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d）δ181.6，170.6，138.9，129.7，128.4，126.5，81.9，62.8，53.1，37.4，34，0，21.8，20.2，19.5，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₉H₂₄NO₂［M＋H］⁺298.180 2，found 298.181 1。

（1S，2R，5R，8R）-5-芐基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳6-烯-4-酮（3a）：白色固體，熔點122～124 ℃（Ref.^［23］122～124 ℃）;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d）δ7.47 ～ 7.37 （m，2H），7.29 （t，J=7.6 Hz，2H），7.24 ～ 7.17 （m，1H），4.43 （d，J=1.5 Hz，1H），3.94 （ddd，J=7.1，5.2，1.5 Hz，1H），3.52 （dd，J=14.1，5.2 Hz，1H），3.29 （dd，J=14.1，7.6 Hz，1H），2.23 （d，J=4.9 Hz，1H），2.10～1.99（m，1H），1.74 （ddd，J=13.4，12.0，4.0 Hz，1H），1.58～1.50（m，1H），1.32（td，J=9.2，4.6 Hz，1H），1.04 （s，3H），0.95 （s，3H），0.71 （s，3H）。 ¹³C NMR （126 MHz，Methanol-d₄）δ 183.8，171.6，129.5，127.6，125.9，77.60，62.0，52.3，36.8，29.2，24.5，18.9，18.7，8.9。HRMS （ESI） calcd for C₁₉H₂₄NO₂［M＋H］⁺298.180 2，found 298.181 5。

（1R，2S，5S，8S）-5-對溴芐基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5b）：白色固體，熔點147～ 150 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 7.41 （d，J=8.3 Hz，2H），7.25 （d，J=8.4 Hz，2H），4.27 （d，J=1.5 Hz，1H），3.91 （ddd，J=8.4，4.7，1.5 Hz，1H），3.47 （dd，J=14.4，4.7 Hz，1H），3.19 （dd，J=14.4，8.3 Hz，1H），2.42 （d，J=4.5 Hz，1H），1.98 （ddt，J=12.7，8.2，4.1 Hz，1H），1.88 （td，J=12.5，4.6 Hz，1H），1.53（ddd，J=13.3，9.2，4.6 Hz，1H），1.35 （ddd，J=13.1，9.2，3.7 Hz，1H），1.07 （s，3H），0.95 （s，3H），0.78 （s，3H）。 ¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 181.8，170.3，137.6，131.5，131.4，81.8，62.2，53.1，49.4，49.1，36.7，33.9，21.7，20.1，19.4，10.0。HRMS （ESI） calcd for C₁₉H₂₃BrNO₂［M＋H］⁺376.090 7，found 376.091 5。

（1S，2R，5R，8R）-5-對溴芐基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3b）：白色固體，熔點165 ～ 166 ℃; ¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 7.40 （d，J=8.4 Hz，2H），7.28 （d，J= 8.4 Hz，2H），4.43 （d，J=1.5 Hz，1H），3.91 （ddd，J=7.0，5.1，1.6 Hz，1H），3.44 （dd，J=14.1，5.1 Hz，1H），3.24 （dd，J=14.2，7.4 Hz，1H），2.23 （d，J=4.8 Hz，1H），2.02 （dt，J=12.0，4.9 Hz，1H），1.75 （td，J=12.8，12.3，4.0 Hz，1H），1.55 （d，J=4.6 Hz，1H），1.46 （td，J=9.1，4.7 Hz，1H），1.03 （s，3H），0.99 （s，3H），0.68 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 182.9，170.5，137.6，131.9，131.1，120.4，62.0，49.2，47.4，36.8，29.7，25.3，20.0，19.6，9.9. HRMS （ESI） calcd for C₁₉H₂₃BrNO₂［M＋H］^＋376.090 7，found 376.091 8。

（1R，2S，5S，8S）-1，5，11，11-四甲基-3-氧-6-氮雜三環-［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5c）：白色固體，熔點160 ～162 ℃（Ref.^［24］161～162 ℃）;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.32 （d，J=1.5 Hz，1H），3.83 （qd，J=7.1，1.5 Hz，1H），2.42 （d，J=4.5 Hz，1H），2.02 （tt，J=12.8，4.3 Hz，1H），1.91 （td，J=12.6，4.7 Hz，1H），1.66 （d，J=7.0 Hz，3H），1.56 （ddd，J=13.4，9.2，4.7 Hz，1H），1.42～1.38 （m，1H），1.09 （s，3H），0.96 （s，3H），0.83 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 181.7，171.6，82.0，56.8，53.1，49.4，49.1，34.0，21.8，20.1，19.4，17.4，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₃H₂₀NO₂［M＋H］^＋222.148 9，found 222.148 0。

（1S，2R，5R，8R）-5，8，11，11-四甲基-3-氧-6-氮雜三環-［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3c）：白色固體，熔點85～87 ℃（Ref.^［25］85 ～ 87 ℃）;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.65～4.59 （m，1H），4.57 （s，1H），2.23 （d，J=4.8 Hz，1H），2.06 （ddd，J=12.5，9.0，5.3 Hz，1H），1.76 （td，J=12.7，12.3，3.8 Hz，1H），1.56 （ddd，J=13.9，9.2，5.3 Hz，1H），1.43 （d，J=7.6 Hz，3H），1.36 （ddd，J=13.1，9.2，3.8 Hz，1H），1.04 （s，3H），0.96 （s，3H），0.80 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 182.8，171.6，79.6，56.8，52.5，49.1，47.2，29.4，25.3，20.1，19.6，17.3，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₃H₂₀NO₂［M＋H］^＋222.148 9，found 222.148 2。

（1R，2S，5S，8S）-5-正丙基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1..0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5d）：無色油狀液體，¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.29 （d，J=1.0 Hz，1H），3.75～3.78（m，1H），2.87～2.92 （m，1H），2.70～2.76 （m，1H），2.46 （d，J=4.5 Hz，1H），1.97～2.03 （m，1H），1.86～1.92 （m，1H），1.53～1.59 （m，3H），1.35～1.40 （m，1H），1.15（t，J=7.2 Hz，3H），1.08 （s，3H），0.95 （s，3H），0.82 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 182.0，170.5，81.8，61.0，53.2，49.5，49.1，35.5，34.0，21.81，20.2，19.5，17.5，13.8，10.1. HRMS （ESI） calcd for C₁₅H₂₄NO₂［M＋H］^＋250.180 2，found 250.180 5。

（1S，2R，5R，8R）-5-正丙基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3d）：白色固體，熔點76～78 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.47 （d，J=1.4 Hz，1H），3.77 （ddd，J=7.1，5.6，1.5 Hz，1H），2.96～2.84 （m，1H），2.82～2.70 （m，1H），2.25 （d，J=4.9 Hz，1H），2.14～1.98 （m，1H），1.77 （ddd，J=13.5，12.0，4.1 Hz，1H），1.52～1.58 （m，3H），1.36 （td，J=9.2，4.7 Hz，1H），1.17 （t，J=7.2 Hz，3H），1.05 （s，3H），0.96 （s，4H），0.76 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 183.4，170.8，79.7，61.2，52.6，49.2，47.5，35.6，29.7，25.4，20.2，19.9，17.8，13.6，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₅H₂₄NO₂［M＋H］^＋250.180 2，found 250.180 1。

（1R，2S，5S，8S）-5-（S）-仲丁基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5e）：白色固體，熔點130 ～ 132 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.57 （d，J=1.0 Hz，1H），3.64 （s，1H），2.59 （d，J=4.5 Hz，1H），2.33～2.20 （m，1H），2.06 （ddd，J=12.3，7.3，5.0 Hz，1H），1.80 （ddd，J=14.0，9.4，5.0 Hz，1H），1.62～1.52 （m，2H），1.47～1.39 （m33，1H），1.33 （td，J=9.2，4.7 Hz，1H），1.10 （s，3H），1.02～0.93（m，12H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 182.1，172.0，81.7，63.3，53.9，50.7，46.1，35.7，28.9，26.4，25.6，19.7，18.4，14.6，13.0，12.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₆H₂₆NO₂［ M＋H］^＋264.195 8，found 264.195 1。

（1S，2R，5R，8R）-5-（S）-仲丁基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3e）：白色固體，熔點81～83 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.89 （d，J=8.0 Hz，1H），4.50 （d，J=7.0 Hz，1H），2.05～2.04 （q，J=6.9 Hz，1H），1.79～1.58 （m，2H），1.36～1.24 （m，3H），1.29～1.16 （m，1H），1.21～1.06 （m，1H），0.98 （d，J=6.8 Hz，3H），0.92～0.89 （m，9H），0.85 （s，3H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 176.1，170.0，72.1，68.8，53.6，51.0，45.9，36.4，32.7，24.9，20.9，17.6，16.5，15.9，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₆H₂₆NO₂［ M＋H］^＋264.195 8，found 264.194 6。

（1R，2S，5S，8S）-5-異丁基-1，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（5f）：白色固體，熔點135～137 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.32 （s，1H），3.72～3.58 （m，1H），2.47 （d，J=4.5Hz，1H），2.10～1.80 （m，4H），1.62～1.58 （m，1H），1.48～1.29 （m，2H），1.09 （s，3H），1.01～0.92 （m，9H），0.82 （s，3H）。 ¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 181.1，170.2，81.4，65.5，53.4，49.4，48.9，34.1，29.1，21.8，20.1，19.8，19.5，17.2，13.7，10.1。HRMS （ESI） calcd for C₁₆H₂₆NO₂［ M＋H］^＋264.195 8，found 264.195 4。

（1S，2R，5R，8R）-5-異丁基-8，11，11-三甲基-3-氧-6-氮雜三環［6.2.1.0^2，7］十一碳-6-烯-4-酮（3f）：白色固體，熔點92～93 ℃;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 4.94 （d，J=7.0 Hz，1H），4.81～4.69 （m，1H），2.01 （q，J=6.5 Hz，1H），1.78～1.68 （m，1H），1.55～1.42 （m，2H），1.39～1.36 （m，1H），1.35～1.18 （m，3H），0.98～0.81 （m，15H）。¹³C NMR （126 MHz，Chloroform-d） δ 172.9，168.7，75.2，58.3，53.9，53.0，47.6，43.7，32.5，26.8，24.0，21.2，20.1，11.2。HRMS （ESI） calcd for C₁₆H₂₆NO₂［ M＋H］^＋264.195 8，found 264.195 1。

環合產物（4 mmol）溶解在4 mol/L HCl （2 mL）中，加熱到85 ℃反應2 h，冷卻后加入蒸餾水（2.0 mL），乙醚萃取，對乙醚層進行濃縮得到羥基樟腦。水層用濃氨水調節pH值至7，減壓濃縮后用反相制備色譜純化（C₈柱，MeOH/water，1/9），濃縮得到氨基酸產物。

（S）-苯丙氨酸（6a）：白色固體，產率87%，271～275 ℃（dec.）（ Ref.^［26］262～276 ℃（dec.））；¹H NMR （500 MHz，Deuterium Oxide） δ 7.35 （t，J=7.5 Hz，2H），7.33～7.28 （m，1H），7.25 （d，J=7.2 Hz，2H），3.95～3.88 （m，1H），3.22 （dd，J=14.5，5.2 Hz，1H），3.05 （dd，J=14.5，8.0 Hz，1H）。通過手性HPLC檢測氨基酸光學純度，色譜柱：大賽璐CROWNPAK CR（+）；流動相：高氯酸（HClO₄）水溶液（pH值為2）∶甲醇=9∶1；柱溫：5 ℃；流速：0.5 mL/min；檢測波長：254 nm；保留時間13.3 min。

（R）-苯丙氨酸（7a）：白色固體，產率90%，271～275 ℃（dec.）。光學純度檢測方法同6a，保留時間：8.9 min。

（S）-對溴苯丙氨酸（6b）： 白色固體，產率88%，261～263 ℃（dec.）（Ref.^［27］260.5～262 ℃（dec.））；¹H NMR（500 MHz，Deuterium Oxide）δ 7.34 （d，J=8.4 Hz，2H），7.06 （d，J=8.4 Hz，2H），3.31 （dd，J=7.2，5.8 Hz，1H），2.78 （dd，J=13.6，5.8 Hz，1H），2.66 （dd，J=13.6，7.2 Hz，1H）。通過手性HPLC檢測氨基酸光學純度。色譜柱：大賽璐CROWNPAK CR（+），流動相：高氯酸（HClO₄）水溶液（pH值為2）：甲醇=9∶ 1，柱溫：5 ℃，流速：1 mL/min，檢測波長：254 nm，保留時間：22.7 min。

（R）-對溴苯丙氨酸（7b）： 白色固體，產率91%，261～263 ℃（dec.）。光學純度檢測方法同6b，保留時間：17.6 min。

3-羥基樟腦A：白色固體，熔點166～168 ℃（Ref.^［25］166～168 ℃）;¹H NMR（500 MHz，Methanol-d₄）δ 3.69 （s，1H），2.07～1.96 （m，2H），1.73～1.65 （m，1H），1.42～1.35 （m，2H），0.98 （s，3H），0.96 （s，3H），0.89 （s，3H）.

2-羥基樟腦B： 白色固體，熔點218～220 ℃（Ref.^［24］218～220 ℃）;¹H NMR （500 MHz，Chloroform-d） δ 3.53 （s，1H），2.50 （d，J=2.6 Hz，1H），2.17 （d，J=4.9 Hz，1H），1.97～1.79（m，2H），1.53～1.33（m，2H），1.04 （s，3H），1.02 （s，3H），0.93 （s，3H）。

2 結果與討論

2.1 反應條件優化

以2-羥基樟腦B對外消旋苯丙氨酸構型轉化作為模板反應進行條件篩選。將外消旋氨基酸與羥基樟腦的羥基進行酯化反應合成4a，對氨基保護基進行篩選，對芐氧羰基（Cbz）、叔丁氧羰基（Boc）、笏甲氧羰基（Fmoc）進行考察，以DCC為縮合劑進行反應。結果表明，相比于Boc和Fmoc，Cbz的空間位阻小，更容易反應，產率分別為72%，66%，95%。

獲得酯化產物后對構型轉化條件進行篩選，反應在堿性醇溶劑和氫氣條件下進行。反應過程為：氫解脫除Cbz保護基，暴露出來的氨基與羥基樟腦的羰基自發反應生成亞胺鍵，形成六元環結構后在堿性條件下發生動態拆分，氨基酸α-C構型定向轉化，獲得exo構型的三環亞胺內酯產物5a，反應式見圖2。

為獲得理想的反應結果，考察了堿、溶劑和溫度對反應的影響，結果見表1。當以K₂CO₃為堿，乙醇為溶劑時，構型轉化效果較差，exo和endo產物的比例幾乎相同（見表1，編號1）。使用Cs₂CO₃時，立體選擇性略有提高（見表1，編號2）。使用強堿乙醇鈉時，exo產物比例大大提高，但產率降低，經檢測發現反應中產生的乙氧基負離子容易與亞胺鍵發生親核加成反應（見表1，編號3）。當改用位阻較大的叔丁醇鉀為堿，異丙醇為溶劑時，發現隨著反應溫度的升高，不僅提高了環合產率，更為重要的是，exo構型的產物占比迅速上升（見表1，編號4—編號7），最佳反應條件為升高溫度至40 ℃時，產率為85%，dr> 99∶1，獲得光學純的exo產物（見表1，編號7）。

2.2 外消旋氨基酸底物拓展

為了驗證此方法的可行性，對反應底物進行拓展實驗，反應通式見圖3。

基于上述最佳反應條件，利用羥基樟腦對含有不同側鏈的外消旋氨基酸的構型轉化進行了考察，包括外消旋的苯丙氨酸、對溴苯丙氨酸、丙氨酸、戊氨酸和異亮氨酸，結果如表2所示。

由表2可知，當使用2-羥基樟腦（B）時，與外消旋的氨基酸反應生成三環亞胺內酯5，氨基酸α-C轉化為S構型；當使用3-羥基樟腦（A）時，則生成三環亞胺內酯3，氨基酸α-C構型轉化為（R）。對于側鏈中含有芳香環的苯丙氨酸和對溴苯丙氨酸，表現出了極為優秀的立體選擇性，dr>99∶1 （見表2，編號1—編號4）。當氨基酸側鏈為脂肪鏈時，同樣表現出良好的轉化效果，且隨著烷烴側鏈的增大，立體選擇性增高（見表2，編號5—編號10）。以2-羥基樟腦（B）作為手性試劑時反應產率略高于3-羥基樟腦（A）的反應，可能是由于3-羥基樟腦與氨基酸生成CN鍵時受相鄰樟腦上甲基的空間位阻影響導致的。對于氨基酸β-C無取代基的氨基酸，反應獲得了較高的產率，而對于β-C有取代基的異亮氨酸，受β-甲基的空間位阻作用影響環合，需升高反應溫度以獲得較高產率（見表2，編號9—編號10）。

由表3可知，3-羥基樟腦A能高效地將（S）-氨基酸α-C立體選擇性地轉化成R構型，2-羥基樟腦B能將（R）-氨基酸α-C立體選擇性地轉化成S構型，展現出了極佳的立體轉化能力，dr>96∶4。

2.4 羥基樟腦的回收和手性氨基酸的生成

獲得的三環亞胺內酯在鹽酸條件下水解可得到氨基酸產物和羥基樟腦^［23］，為考察水解后羥基樟腦能否被回收利用以及酸解條件對氨基酸的光學純度影響，選擇了5a，3a，5b，3b在4 mol/L鹽酸中水解，反應式見圖5。

反應結果如表4所示，水解后獲得光學純氨基酸（ee≥97.8%）。羥基樟腦經有機溶劑萃取回收，經NMR檢測發現結構未發生改變（見圖6）。利用回收的羥基樟腦經過3次的循環使用拆分苯丙氨酸，無論3-羥基樟腦還是2-羥基樟腦，拆分效果在產率和立體選擇性上均沒有發生變化。

2.5 反應機理探討

基于上述實驗結果，提出了該反應的可能機理。以3-羥基樟腦對外消旋苯丙氨酸的構型轉化為例，2a經氫解脫除Cbz、環合，在堿的作用下氨基酸α-C失去質子形成烯醇負離子結構，由sp³雜化碳轉化成平面的sp²雜化。隨后，由溶劑醇提供氫質子重新轉化成sp³雜化碳，在質子轉移過程中，質子可以從三環亞胺內酯的endo側或exo側反應（見圖 7）。從反應動力學角度看，三環亞胺內酯的endo側位阻小，容易反應，因此應主要生成exo產物，但反應位點α-C距離樟腦有一定空間距離，且氫的體積較小，反應時仍有部分氫從exo側反應得到endo產物，導致立體選擇性并不十分理想（見表1，編號4）。而當升高溫度后則高選擇性地轉化為exo產物（見表1，編號5—編號7）。在三環亞胺內酯產物中，3號和5號碳原子所在六元環為船式構象，C₃的氫原子和C₅上的芐基處在船頭和船尾的位置，對于endo產物，C₃的氫原子和C₅上的芐基處在同側，相對距離近，芐基的體積較大，導致產生斥力較大，造成endo產物能量較高；而exo產物中氫原子和芐基距離較遠，分子相對穩定^［23］。因此反應在較高溫度下為熱力學控制，使得endo產物朝向exo產物的方向轉移。盡管動力學和熱力學反應方向一致，均傾向生成exo產物，但反應溫度較高，熱力學控制條件下給出更優的立體選擇性。

3 結 論

本研究開發了一種利用羥基樟腦對外消旋氨基酸以及光學純氨基酸S/R構型相互轉化的新方法，所用拆分劑結構簡單且可循環利用，立體選擇性高，具體結論如下。

1）以外消旋苯丙氨酸的構型轉化為模型反應，建立了最優的反應條件：叔丁醇鉀為堿，異丙醇為溶劑，反應溫度為40 ℃。拓展了反應底物，對于含有不同結構側鏈的氨基酸，選擇使用2-羥基樟腦或者3-羥基樟腦，獲得光學純（S）-氨基酸對映體和光學純（R）-氨基酸對映體，展現出了優秀的立體選擇性，dr ≥ 96∶4。

2）進行了光學純氨基酸S/R構型的相互轉化，3-羥基樟腦能高效地將（S）-氨基酸α-C立體選擇性地轉化成R構型，反之2-羥基樟腦能將（R）-氨基酸α-C立體選擇性地轉化成S構型。

3）構型轉化后獲得的亞胺內酯化合物經簡單的鹽酸水解，可得到光學純的目標氨基酸，羥基樟腦經萃取回收后可循環利用。

4）結合實驗結果提出了可能的反應機理，反應的高立體選擇性由熱力學控制。

本方法研究了側鏈含芳基和脂肪烷基的氨基酸構型轉化，對其他類型的氨基酸進行拓展是下一步需要完善的工作。

參考文獻/References：

［1］ SELLERS R P，ALEXANDER L D，JOHNSON V A，et al.Design and synthesis of hsp90 inhibitors： Exploring the SAR of sansalvamide a derivatives［J］.Bioorganic & Medicinal Chemistry，2010，18（18）：6822-6856.

［2］ SUN Haixia，CHEN Daoyuan，ZHAN Siyue，et al.Design and discovery of natural cyclopeptide skeleton based programmed death ligand 1 inhibitor as immune modulator for cancer therapy［J］.Journal of Medicinal Chemistry，2020，63（19）：11286-11301.

［3］ 甄小麗，李曉浩，張陽.含非對稱苝二酰亞胺側鏈多肽的合成［J］.河北科技大學學報，2018，39（2）：149-153.

ZHEN Xiaoli，LI Xiaohao，ZHANG Yang.Synthesis of polypeptides with asymmetric perylene diimide side chains［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2018，39（2）：149-153.

［4］ 任涵，李茹祥，陳志堅，等.自組裝多肽的修飾方法及其應用［J］.有機化學，2021，41（10）：3983-3994.

REN Han，LI Ruxiang，CHEN Zhijian，et al.Modification methods and applications of self-assembly peptides［J］. Chinese Journal of Organic Chemistry，2021，41（10）：3983-3994.

［5］ KURNIA D Y，MAHARANI R，HIDAYAT A T，et al.Total synthesis of xylapeptide B［Cyclo-（L-Leu-L-Pro-N-Me-Phe-L-Val-D-Ala）］［J］.Journal of Heterocyclic Chemistry，2022，59（1）：131-136.

［6］ D′ANGELO K A，SCHISSEL C K，PENTELUTE B L，et al.Total synthesis of himastatin［J］.Science， 2022，375（6583）：894-899.

［7］ 李雷，葉榮魁，張輝.左乙拉西坦的合成工藝研究［J］.遼寧化工，2014，43（9）：1134-1135.

LI Lei，YE Rongkui，ZHANG Hui.Research on synthesis technology of levetiracetam［J］.Liaoning Chemical Industry，2014，43（9）：1134-1135.

［8］ LIU Xiaohua，DONG Shunxi，LIN Lili，et al.Chiral amino acids-derived catalysts and ligands［J］.Chinese Journal of Chemistry，2018，36（9）：791-797.

［9］ BAG D，VERMA P K，SAWANT S D.Chiral transient directing group strategies in asymmetric synthesis［J］.Chemistry， an Asian Journal，2020，15（20）：3225-3238.

［10］BAXTER S，ROYER S，GROGAN G，et al.An improved racemase/acylase biotransformation for the preparation of enantiomerically pure amino acids［J］.Journal of the American Chemical Society，2012，134（47）：19310-19313.

［11］SUMIDA Yo sue，IWAI S，NISHIYA Y，et al.Identification and characterization of D-succinylase， and a proposed enzymatic method for D-amino acid synthesis［J］.Advanced Synthesis and Catalysis，2016， 358（13）：2041-2046.

［12］de CESARE S，CAMPOPIANO D J.The N-acetyl amino acid racemases （NAAARs），native and evolved biocatalysts applied to the synthesis of canonical and non-canonical amino acids［J］.Current Opinion in Biotechnology，2021，69：212-220.

［13］SUMIDA Y，YAMASAKI M，NISHIYA Y，et al.Protein engineering of D-succinylase from cupriavidus sp.for D-amino acid synthesis and the structural implications［J］.Advanced Synthesis & Catalysis，2021， 363（20）：4770-4778.

［14］NIAN Yong，WANG Jiang，ZHOU Shengbin，et al.Purely chemical approach for preparation of d-α-amino acids via（S）-to-（R）-interconversion of unprotected tailor-made α-amino acids［J］.Journal of Organic Chemistry，2016， 81（9）：3501-3508.

［15］SO S M，MOOZEH K，LOUGH A J，et al.Highly stereoselective recognition and deracemization of amino acids by supramolecular self-assembly［J］.Angewandte Chemie，2014，126（3）：848-851.

［16］PARK H，KIM K M，LEE A，et al.Bioinspired chemical inversion of L-amino acids to D-amino acids［J］.Journal of the American Chemical Society，2007，129（6）：1518-1519.

［17］MANDAI H，HONGO K，FUJIWARA T，et al.Dynamic kinetic resolution of azlactones by a chiral N，N-dimethyl-4-aminopyridine derivative containing a 1，1′-Binaphthyl unit：importance of amide groups［J］. Organic Letters，2018，20（16）：4811-4814.

［18］XIE Mingsheng，HUANG Bin，LI Ning，et al.Rational design of 2-substituted DMAP-N-oxides as acyl transfer catalysts：Dynamic kinetic resolution of azlactones［J］.Journal of the American Chemical Society，2020，142（45）：19226-19238.

［19］WAKAFUJI K，IWASA S，OUCHIDA K N，et al.Dynamic kinetic resolution of azlactones via phase-transfer catalytic alcoholysis［J］.ACS Catalysis，2021，11（22）：14067-14075.

［20］NIAN Yong，WANG Jiang，ZHOU Shengbin，et al.Recyclable ligands for the non-enzymatic dynamic kinetic resolution of challenging α-amino acids［J］.Angewandte Chemie-International Edition，2015，54（44）： 12918-12922.

［21］WANG Shuni，ZHOU Shengbin，WANG Jing，et al.Chemical dynamic thermodynamic resolution and S/R interconversion of unprotected unnatural tailor-made α-amino acids［J］.Journal of Organic Chemistry，2015， 80（20）：9817-9830.

［22］LUO Yongchun，ZHANG Huanhuan，WANG Yao，et al.Synthesis of α-amino acids based on chiral tricycloiminolactone derived from natural（+）-camphor［J］.Accounts of Chemical Research，2010，43（10）： 1317-1330.

［23］FAN Shiming，LIU Shouxin，ZHU Sufang，et al.Temperature-dependent enantio-and diastereodivergent synthesis of amino acids with one or multiple chiral centers［J］.Organic Letters，2017，19（17）：4660-4663.

［24］XU Pengfei，CHEN Y S，LIN S I，et al.Chiral tricyclic iminolactone derived from（1R）-（+）-camphor as a glycine equivalent for the asymmetric synthesis of α-amino acids［J］.Journal of Organic Chemistry，2002， 67（7）：2309-2314.

［25］XU Pengfei，LU T J.Selective synthesis of either enantiomer of alpha-amino acids by switching the regiochemistry of the tricyclic iminolactones prepared from a single chiral source［J］.Journal of Organic Chemistry，2003，68（2）：658-661.

［26］HEMANTHA H P，SURESHBABU V V.Poly（vinyl）chloride supported palladium nanoparticles： Catalyst for rapid hydrogenation reactions［J］.Organic & Biomolecular Chemistry，2011，9（8）：2597-2601.

［27］LIU Shouxin，YANG Yihua，ZHEN Xiaoli，et al.Enhanced reduction of C—N multiple bonds using sodium borohydride and an amorphous nickel catalyst［J］.Organic & Biomolecular Chemistry，2012，10（3）：663-670.