摘要：

利用超分子相互作用，一种新型的大环受体能够从中性水溶液中选择性地将两性离子苯甘氨酸萃取到氯仿中，其ee高达91.8％。通过建模研究，核磁共振实验和X射线衍射分析以解释所观察到的高对映选择性。

氨基酸的大部分工业生产都依赖于发酵过程，这通常需要大量的水、较大的发酵罐容量、严格的无菌条件以及昂贵的产品回收方法，从而增加了投资成本。在过去的几年中，对映选择性液-液萃取因其能耗低、可循环利用、易于处理和易于扩展而成为一种有吸引力的选择。该技术需要一种手性受体，该受体能够将一种氨基酸对映体从水相转移到有机相(图1A)。然而，由于两性离子氨基酸的离子性质使得其高度亲水并且极易溶于水溶液中，增加了相关的能量损耗，因此这是具有挑战性的任务。而且，受体需要能够同时将以特定的三维排列方式排列的氨基酸的带正电荷的铵基和带负电荷的羧酸酯基结合。所有这些特征增加了受体结构的复杂性。虽然将氨基酸衍生化作为促进萃取的一种选择，但是这需要进一步的脱保护步骤，从而增加工艺成本。为了确保经济性，寻找一种能够以高选择性直接从水溶液中萃取两性离子氨基酸的受体是有意义的。冠醚、胍盐、金属配合物镧系元素配合物和BINOL-羰基主体一般用作备选结构，尽管其中大多数具有中等的操作选择性(图1B，两性离子苯甘氨酸的选定实例)。

作者以前曾报道过一种基于咔唑的受体1(图1C)，通过带有两个磺酰胺基团功能化作为阴离子络合的H键位点。尽管卤化物阴离子具有优异的亲和性，在观察到结合氧阴离子后强烈降低。根据X射线结构分析和建模研究，这种行为归因于CH···X(卤素)在结合过程中的相互作用以及氧阴离子缔合的位阻和受体构象变化。为开发一种用于氧阴离子以及最终两性离子氨基酸的更有效的合成主体，设计了具有若干改进功能的大环结构2(图1D)：(i)添加了两个以上的H键供体基团；(ii)大环结构可确保较高的预组织度，从而降低了缔合的熵成本；(iii)手性联萘单元能够对映选择性识别手性阴离子以及(iv)降低了磺酰胺NH基周围的空间位阻，用乙二胺代替了双(三氟甲基)苯胺。因此可以预期阴离子在预组织受体2的氢键供体口袋中结合，而手性BINOL结构单元应能够优先选择对映异构体之一。同样，(i)基于磺酰胺的咔唑受体比羧酰胺提供更多的酸性NH化合物，因此为潜在更强的缔合体；(ii)不需要过渡金属；(iii)可以很容易地从便宜的克级进行合成起始材料。

制备化合物2的合成策略见方案1。

探索了外消旋大环化合物2的阴离子结合亲和力，并通过以CDCl₃为溶剂的¹H NMR滴定与无环受体1进行了比较。选择卤化物和乙酸根阴离子以与受体1获得的先前结果进行比较。

尽管受体1和2对卤化物表现出相似的高亲和力(表1，条目1和2)，大环2能够以> 10⁵M^-1的缔合常数结合乙酸盐(表1，条目3)。这可证明在磺酰胺键中用乙二胺代替双(三氟甲基)苯胺可有效避免去质子化(以前在受体1中观察到)，从而导致乙酸酯通过H键结合。

受这些结果的鼓励，作者接下来探索了两性离子形式氨基酸的缔合。大环2结合了用于羧酸酯结合的氧阴离子空穴部分和赋予手性的联萘单元，而铵结合是使用18-冠-6醚实现的。接着作者研究了该系统将两性离子氨基酸从水溶液中萃取到氯仿相中的能力。

在典型的液-液萃取实验中，将氨基酸的饱和水溶液添加到大环2和18-冠-6醚在CDCl₃中的溶液中，然后剧烈搅拌。有机相的¹H NMR分析用于估算萃取效率(表2)。

大环2被证明对芳族氨基酸苯甘氨酸和苯丙氨酸具有高度选择性，它们以1：1大环与氨基酸结合的化学计量被定量萃取到CDCl₃中；其余测试氨基酸的萃取量均未达到可测量的程度。图2显示了在用D-苯甘氨酸和D-苯丙氨酸的饱和溶液萃取之前和之后大环2的¹H NMR光谱的芳族区域，其中芳环信号的出现可以观察到两种氨基酸的含量。

通过除去水相并用一当量的癸酸钾水溶液洗涤有机相，可以很容易地从氯仿相中回收氨基酸。通过用氯仿洗涤水相两次来消除痕量的18-冠-6醚。

在所测试的天然氨基酸中，仅萃取苯丙氨酸的事实表明改法可用于制备用于治疗苯丙酮尿症的食品补充剂。

在未衍生氨基酸的萃取中观察到的选择性促使作者从(S)-2,2'-二羟基-1,1'-联萘4开始制备对映体纯受体(S)-2。手性大环2合成时使用作者小组已成功应用的方法解决了外消旋受体的分离，获得了对映选择性结合的进一步证据。常规的TLC板用1.5％的L-苯甘氨酸水溶液和化学计量的18-冠-6醚浸渍并干燥。外消旋大环化合物的洗脱提供了两个分离的斑点，分别对应于L-苯甘氨酸与外消旋2的每个对映异构体的非对映体复合物。同时，在用L-苯甘氨酸和D-苯甘氨酸浸渍的TLC板中洗脱(S)-2清楚地表明其与D-苯甘氨酸形成了牢固的络合物。

这些初步结果后来通过对映纯大环化合物(S)-2和外消旋氨基酸的液-液萃取实验得到证实。通过手性HPLC分析显示大环化合物(S)-2对D-苯甘氨酸的偏好，达到了91.8％的ee值(表2，条目4)，相应苯丙氨酸为56.4％ee值(表2，条目3)。据作者所知，两性离子苯甘氨酸的选择性(α= 11.2)是迄今为止获得的该氨基酸的最佳结果。

为理解这种对映选择性的起源，在18-冠-6醚的存在下，对受体(S)-2与L-和D-苯甘氨酸的非对映异构体配合物进行了NMR研究。结果表明咔唑NH不参与与氨基酸的结合。配合物中苯甘氨酸的两个对映体的质子化学位移非常不同，指示了缔合体的不同几何形状。两种非对映异构体配合物的¹³C NMR光谱也证实了这一假设，其中观察到一些大环碳的化学位移差异。 

X射线晶体学分析证明是阐明络合物几何形状的有力工具。将外消旋大环2、外消旋苯甘氨酸和18-冠-6醚的等分子混合物溶解在氯仿/甲醇溶液中后，得到三元配合物的晶体，其构型为(S)-2·D-苯甘氨酸和(R)-2·L-苯甘氨酸(图3)。

X射线结构表明，羧酸盐通过三个H键与大环结合：两个由两个咔唑磺酰胺形成，而另一个则与一个联萘磺酰胺形成。第四磺酰胺NH不参与结合，指向腔外。如所期望的，铵基团被冠醚包封，形成几个H键。冠醚向氨基酸中的H原子倾斜，以防止与较大的α-碳取代基发生空间相互作用(图3，底部)。此外，在咔唑NH与连接到咔唑环的磺酰胺的氧原子之一之间的大环中形成了两个分子内H键。

苯基取代基位于联萘基留下的间隙中。最近的乙二胺所采用的构型(图3，右上)将第四个NH从腔中引出，从而扩大了该间隙。另外，(S)-2·D-苯甘氨酸络合物中的苯甘氨酸间位¹H信号的高场位移可以归因于这些质子与联萘芳基片的接近。

由于没有获得弱配合物的晶体，因此进行了密度泛函理论(DFT)计算以解释对映选择性。最稳定的(S)-2·D-苯甘氨酸复合物的结构(图4)类似于X射线结构。对于(S)-2·L-苯甘氨酸复合物，发现两个结构。第一个显示出羧酸盐和苯基处于与强络合物相同的位置，从而导致H取代基(以及向其倾斜的笨重的冠醚)朝另一个联萘基片的方向移动。第二种显示在更强的配合物中被苯基占据的间隙可用于容纳与冠醚结合的氨基取代基。后者的结构更稳定2.4kcal/mol，但是相对于(S)-2·D-苯甘氨酸络合物(7.9kcal/mol)仍然高度不稳定。对苯丙氨酸配合物的类似研究显示出较小的能量差(4.5 kcal/mol)。

总之，作者已经表明，使用超分子相互作用，新的手性大环受体能够以高对映选择性从水溶液中选择性萃取两性离子苯甘氨酸。X射线衍射和DFT研究分析解释了观察到的高对映异构现象，将有助于在不久的将来进一步改善受体设计。

文献引用：DOI:10.1021/acs.orglett.9b04379