**分子的羧基引入13C同位素標(biāo)記，需要哪些反應(yīng)步驟

把原料溶解在二甲基甲酰胺（DMF）中，然后放在13C標(biāo)記的二氧化碳?xì)夥眨?3CO2，1個(gè)大氣壓）里，等幾個(gè)小時(shí)就搞定了！根據(jù)底物結(jié)構(gòu)的不同，反應(yīng)甚至在20 ℃下經(jīng)過1小時(shí)就能以高收率獲得高純度的13C標(biāo)記產(chǎn)物，甚至DMF溶液中有水也不要緊，只要?jiǎng)e超過0.01 M就可以了。

通常的辦法都包括：把原來的羧基脫除，再想辦法用13C標(biāo)記的碳源引入一個(gè)羧基。有機(jī)化學(xué)家在這兩類反應(yīng)上都做了大量的研究。盡管羧基在大多數(shù)條件下都相當(dāng)穩(wěn)定，但為了脫羧，前有入選有機(jī)化學(xué)教材的柯爾伯脫羧，后有近年來火熱的光氧化還原脫羧。而要引入羧基，則常常需要依賴強(qiáng)親核試劑或在電化學(xué)過程中原位形成等當(dāng)量還原劑。反應(yīng)條件上的巨大差異使得脫羧和羧化反應(yīng)看似不可能在“一鍋”里完成。

但是，在自然界，脫羧反應(yīng)和羧化反應(yīng)卻一直是在“一鍋”里完成的。原則上，如果脫除羧基形成二氧化碳能和它的逆反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，形成一個(gè)化學(xué)平衡，那么原則上只要在反應(yīng)體系中加入過量的13C標(biāo)記二氧化碳，就能推動(dòng)化學(xué)平衡向生成13C標(biāo)記羧基的方向移動(dòng)。

實(shí)際上，近年來已經(jīng)有一些小組探索了簡(jiǎn)單脂肪酸的可逆脫羧/羧化反應(yīng)，但高溫（280 ℃-400 ℃）限制了它們的應(yīng)用價(jià)值。在室溫或接近室溫的條件下實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程依然是挑戰(zhàn)。

脂肪酸可逆脫羧/羧化反應(yīng)的探索

在這項(xiàng)工作中，將4-氰基苯乙酸鉀（1）溶解在DMF中（濃度0.1 M），通入13 mL的13C標(biāo)記二氧化碳（1個(gè)大氣壓，按當(dāng)量算約6倍當(dāng)量，此時(shí)二氧化碳在DMF中的濃度約0.2 M）。通過監(jiān)控反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在20 ℃下，同位素交換反應(yīng)在15小時(shí)左右達(dá)到平衡，簡(jiǎn)單的酸堿萃取即可以83%的收率獲得13C富集的產(chǎn)物。

1的CO2交換（紅色）和MeOH質(zhì)子化（黑色）的比較。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中羧酸鹽的抗衡陽離子和溶劑種類對(duì)反應(yīng)有著重要影響。如果僅是羧酸，即4-氰基苯乙酸，升溫到70℃也沒有明顯反應(yīng)；抗衡陽離子為鋰離子和鈉離子時(shí)雖然能反應(yīng)，但速度較慢。介電常數(shù)大于30的極性非質(zhì)子溶劑對(duì)反應(yīng)是必要的，但體系中少量的水（低于0.01 M）以及甲醇也能被兼容。這些結(jié)果表明溶劑化的離子對(duì)能**促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。

反應(yīng)條件研究。

在隨后的底物拓展研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，一系列包含相鄰芳基、羰基、氰基或磺�；�的羧酸鹽分子都可發(fā)生可逆的脫羧/羧化反應(yīng)。標(biāo)記產(chǎn)物的比例很大程度上取決于13CO2過量的程度（化學(xué)平衡）。實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)物中13C標(biāo)記的比例可高達(dá)95%（13CO2 ~ 50 equivalents）。高轉(zhuǎn)化率，加上操作的簡(jiǎn)便性，這是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的一種獲得13C標(biāo)記羧酸的策略。簡(jiǎn)便的操作也讓反應(yīng)能夠兼容更多的基團(tuán)，包括硼酸、各種鹵原子、醛、酮、酯、酰胺、磺酰基以及一些有反應(yīng)活性的芳雜環(huán)。對(duì)眾多官能團(tuán)的兼容性使得這一方法可以直接用于獲得多種13C標(biāo)記的**分子以及氨基酸等重要的活性有機(jī)分子（下圖）。

底物拓展及應(yīng)用。

同位素標(biāo)記技術(shù)的底物拓展中反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間以及轉(zhuǎn)化率（先終標(biāo)記產(chǎn)物的占比）與底物穩(wěn)定陰離子的能力相關(guān)而與氧化還原能力關(guān)系不大，因此，他們猜測(cè)反應(yīng)應(yīng)該是通過直接脫羧或者形成烯醇式的過程實(shí)現(xiàn)的。這看似與反應(yīng)對(duì)醛酮等官能團(tuán)的兼容性相矛盾，但其實(shí)需要注意到，在體系中二氧化碳的濃度是相當(dāng)高的（0.2 M），因此能優(yōu)先與脫羧后形成的碳負(fù)離子反應(yīng)。

實(shí)際上，在氮?dú)鈿夥蘸腿醪祭仕固厮岽嬖跅l件下，確實(shí)會(huì)出現(xiàn)脫羧質(zhì)子化，并且速率與布朗斯特酸的酸性成反比，表明布朗斯特酸捕獲脫羧中形成的二氧化碳是決速步驟。在氮?dú)鈿夥障拢瑢?shí)驗(yàn)中還觀察到原料發(fā)生“歧化”反應(yīng)，從表觀上看，一個(gè)原料分子的羧基與另一個(gè)原料分子上的α-H發(fā)生了交換。這表明，在實(shí)驗(yàn)條件下，碳負(fù)離子確實(shí)有很強(qiáng)的捕獲二氧化碳的能力。但這種過程似乎是不可逆的。研究人員還注意到，在實(shí)驗(yàn)條件下，α-H的H/D交換速率也得到**提升，可能的原因是形成了酸酐中間體，提升了α-H的酸性。

機(jī)理研究。

上述機(jī)理研究啟發(fā)研究人員利用這種溫和的脫羧反應(yīng)生成的親核試劑和醛、酮等進(jìn)行反應(yīng)（氮?dú)鈿夥障拢�，通過形成C-C鍵構(gòu)建一系列分子。

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