3-羟基-β-内酰胺的合成

1. 实验原理

1.1 席夫碱的合成

具体机理如下：

质子转

移

N H

OH

N H

OH

-H 2

O

N

H.Schiff 在1864年首次发现用两个等当量的伯胺与羰基化合物发生反应进行缩合，生成了含有一个甲亚胺基的产物。由于N 上含有一对孤对电子，它属于Lewis 碱，后来人们就将含有亚氨基官能团的这类化合物称为Schiff 碱。

席夫碱的合成一般很容易，能够很灵活地选择带有胺基和羰基的醛、酮进行反应，在通过改变与羰基相连的取代基，从而生成在结构、性能等方面多变的配体。一般在席夫碱合成反应机理中，有加成、重排、消去等过程，是一种缩合反应。N 上带有孤对电子进行亲核进攻，在这步反应过程中，醛或酮的羰基C 原子从SP 2杂化转变为SP 3杂化，键角从120°变为109.5°。由此我们在设计、合成席夫碱方面的化合物时，一般选择取代基较小的羰基化合物进行，空间位阻较小。[1]当反应初始物为酮时，R 1和R 2若为烷基，其推电子作用会使O -基团上负电荷更集中，引起过渡态不稳定；当反应初始物

为醛时，R1和R2中之一为H 原子，相比较而言，它会减小推电子作用，则使过渡态稳定，反应易进行。此外，当反应物的R 1和R 2含有芳香取代基时，芳香取代基的吸电子作用则能够分散O -基团上的负电荷，使过渡态稳定，而且由芳香基团形成的共轭结构更有利于过渡态稳定，从而加快反应进行。因此，通常含芳香基团的化合物比较而言更容易进行，反应产物的稳定性也较高。

1.2 β-内酰胺的合成

具体机理如下：

O

O

O C

O

O

+

在Staudinger反应中，原位产生烯酮的途径主要有三种：（1）羧酸或羧酸衍生物（酰氯和酸酐等）在碱催化作用下脱去一分子H2O或HX；（2）金属-卡宾配合物的光解作用；（3）α-重氮羰基化合物在光照、加热或者微波辐射条件下经Wolff重排产生。其中途径（1）温度、溶剂、碱、卤离子等都有可能影响立体化学选择的结果。

第一步亚胺的N亲核进攻羰基C生成两性中间离子，供电子基团有利于反应进行，吸

电子基团阻碍反应进行；第二步发生分子内的亲核环闭合，区别于典型的伍德沃霍夫曼定律。在光化学与微波条件下，中间的4π电子体系不能进行对旋环闭合，可能的原因是两个双键不共面。

一般而言，经典的Staudinger反应是将酰氯在较温和的碱性条件下（例如Et3N）转变成烯酮后直接与醛酮亚胺（Schiff碱）反应产生相应的β-内酰胺，而且所用酰氯的α位往往有N、S、O、卤素、芳基及烯基等活化基团，而用非活化脂肪族酰氯来合成β-内酰胺的报道较少。多数反应在低温条件下进行，所得的产物往往是顺式构型，但也有相当部分反应得反式产物或混合物。尽管有许多报道解释反应得立体选择性，但实际上影响因素很复杂，往往与亚胺和烯酮前体的结构、试剂加入顺序、溶剂及所用的碱等诸多条件有关。

假如反应中的任何一步都有可能是决速步，那么Staudinger合成的立体选择性难以预测；假如环闭合的步骤是决速步，那么立体选择性可以基于转矩选择性来判断。亚胺最初的区域选择性也影响产物的立体选择性。一般来说，顺式的亚胺形成顺式的β-内酰胺，反式亚胺

形成反式的β内酰胺。乙烯酮上的取代基对于立体选择性也有影响。乙烯酮若具有较强的吸电子基，则通常生成反式β-内酰胺，若带有较强的供电子基则通常生成顺式β-内酰胺。烯

酮取代基的不同通过影响过渡态来加快或减慢β-内酰胺的合成。若反应过程较慢则容易导

致亚胺的异构化，导致生成一个反式产品。近年来流行利用Staudinger反应进行β-内酰胺的立体选择合成。可以利用手性胺、手性醛、手性烯酮为底物来实现不对称合成；更为引人注目的是利用手性催化剂诱导不对称中心的催化不对称合成。

许家喜等通过系统实验，对无催化的β-内酰胺的形成机理和立体选择性研究做出了大量工作，并提出以下机理：反应起始于亚胺对于烯酮α-C的亲核进攻，生成一个两性中间体。直接关环与两性中间体的亚胺部分的异构化的竞争决定了产物的立体选择性。关环过程可能是烯醇式部分对亚胺部分的分子内亲核加成，该过程受烯酮和亚胺取代基电子效应的影响。给电子的烯酮取代基和拉电子的亚胺取代基可以加速直接关环的过程，产物以cis-产物为主，反之，产物则以trans-产物为主。亚胺的异构化反应与亚胺对烯酮α-C的亲核进攻的竞争结果将决定产物的立体化学。当异构化的活化能低于亲核进攻的活化能时，产物以trans-产物为主；反之，当异构化的活化能高于亲核进攻的活化能时，产物以cis-产物为主。异构化过程中的取代基的电子效应对于立体选择性影响很小。在位阻效应上，许等认为N上的大体积取代基会阻碍异构体A异构化形成B，因而将使trans-产物难以生成。

当温度升高时，分子内部烯酮取代基和亚胺上取代基的p-π和π-π等作用能够减小反应顺式选择性。Staudinger反应中，环闭合的速率增加程度的不同导致环状亚胺与不同烯酮的反应具有受温度影响的立体选择性。[2]

1.33-羟基-β-内酰胺的合成（醇解反应）

+

K CO MeOH

具体机理如下： 产物：

+

O

H

+

O

其非对映异构体：

+

O

H

+

O

1.4 柱色谱吸附色谱

在一定条件下，硅胶与被分离物质之间产生作用，这种作用主要是物理和化学作用两种.物理作用来自于硅胶表表面与溶质分子之间的范德华力.化学作用主要是硅胶表面的硅羟基与待分离物质之间的氢键作用。色谱管为内径均匀、下端缩口的硬质玻璃管，下端用棉花或玻璃纤维塞住，管内装入吸附剂。吸附剂的颗粒应尽可能保持大小均匀，以保证良好的分离效果。

1.5 薄层色谱法

基本原理是利用混合物中各组分在某一物质中的吸附或溶解性能的不同，或和其它亲和作用性能的差异，使混合物的溶液流经该种物质，进行反复的吸附或分配等作用，从而将各组份分开。薄层色谱是一种微量、快速和简便的色谱方法。由于各种化合物的极性不同，吸附能力不相同，在展开剂上移动，进行不同程度的解析，根据原点至主斑点中心及展开剂前沿的距离，计算比移值（Rf）：

化合物的吸附能力与它们的极性成正比，具有较大极性的化合物吸附较强，因此Rf值较小。在给定的条件下（吸附剂、展开剂、板层厚度等），化合物移动的距离和展开剂移动的距离之比是一定的，即Rf值是化合物的物理常数，其大小只与化合物本身的结构有关，因此可以根据Rf值鉴别化合物。