促进极性天然产物的分离：一种温和的1,1′-羰基二咪唑辅助方法用于酸和醇的衍生化

《European Journal of Organic Chemistry》：Facilitating the Isolation of Polar Natural Products: Mild 1,1′‐Carbonyldiimidazole‐Enabled Method for Derivatization of Acids and Alcohols

天然产物中极性羧酸和醇的衍生化研究：以1,1'-羰基二咪唑（CDI）为新型试剂，在温和中性条件下高效转化为低极性甲基酯和碳酸盐，简化纯化流程，并成功应用于三种植物提取物，发现新化合物如14d、14e。

　　在自然界中，许多次级代谢产物含有羧酸和醇类官能团，这些化合物通常具有较高的极性，因此在从复杂提取物中分离和纯化时面临一定挑战。传统的衍生化方法往往依赖于有毒或具有腐蚀性的试剂，这不仅增加了操作风险，还可能导致副产物的生成或立体异构体的形成。为此，本研究引入了一种较为经济且具有较低毒性的试剂——1,1′-羰基二咪唑（CDI），用于激活含有羧酸和醇类官能团的极性天然产物，从而生成更易分离的产物（N-酰基咪唑和N-酰氧基咪唑）。这些中间体可通过甲醇处理进一步转化为甲基酯和碳酸酯。研究预期，这种简单而通用的衍生化方法能够有效促进极性羧酸和醇类残留物的天然产物分离。

羧酸是有机化学中一种基本的弱酸类物质，广泛存在于自然界中。由于其官能团的高极性，含有羧酸的天然产物往往难以分离。因此，将其转化为对应的甲基酯，这种更不极性且不具有酸性的衍生物，有助于简化分离、结构解析和鉴定过程。目前已有多种方法用于将羧酸转化为酯类。传统方法包括使用二甲基甲酰胺、在甲醇中由布朗斯特酸催化进行的费歇尔酯化反应，或在碱性条件下使用碘甲烷或二甲基硫酸进行烷基化。然而，这些方法在操作过程中存在安全隐患。例如，二甲基甲酰胺具有极高的毒性和爆炸性，已有多起事故报道。尽管三甲基硅基二甲基甲酰胺作为二甲基甲酰胺的替代品已被使用，但其毒性仍然较高，且供应有限，相关的安全事件也时有发生。费歇尔酯化反应虽然被广泛用于酯类的合成，但在处理含有未知化合物的天然产物粗提物时，化学选择性可能成为问题。例如，除了酯化反应外，还可能发生酯交换、立体异构化、重排或酸敏感化合物的降解等副反应，这些都会导致化合物被误认为是天然产物（即分离过程中的假阳性结果）。此外，使用碘甲烷或二甲基硫酸在碱性条件下进行甲基化操作虽然简便，但其试剂具有极强的毒性和致癌性，且可能对其他官能团（如酚类和胺类）进行非目标甲基化。

鉴于传统工具在羧酸甲基化过程中存在的技术和安全问题，有必要开发一种更为可靠、操作简便且安全的方法，用于通过衍生化实现天然产物中羧酸的分离。CDI作为一种商业可得、价格低廉且易于处理的固体试剂，具有较低的毒性，能够高效地激活羧酸和醇类官能团，从而在温和条件下生成对应的甲基酯和碳酸酯。与二甲基甲酰胺、异氰酸酯、光气或氯甲酸酯等试剂相比，CDI的安全性能更为优越。CDI参与的反应所产生的副产物为二氧化碳和咪唑，这两种物质均易于去除。CDI与羧酸反应可生成稳定的N-酰基咪唑，这些中间体作为活性酰基供体，具有与酰氯相似的反应活性，在醇类的亲核酰基取代反应中表现出良好的反应性能。因此，CDI成为一种安全且非腐蚀性的酯类形成试剂。此外，CDI也可与醇类反应生成相对不活泼的N-酰氧基咪唑，这些中间体随后可与醇类反应形成碳酸酯。尽管CDI能够与胺类反应，但可以通过酸碱萃取的方法，将含酸的化合物分离出来，从而避免不必要的反应。

本报告探讨了CDI在含有羧酸和醇类官能团的天然产物粗提物中，通过中性条件实现衍生化反应的潜力。通过这种方式，我们展示了CDI能够高效地将对应的羧酸和醇类转化为酯类和碳酸酯。这种方法大大简化了极性天然产物的分离过程。为了进一步验证CDI的反应性能，我们对多种含有羧酸和/或醇类官能团的天然产物进行了实验。例如，简单的羧酸如吲哚-3-乙酸、脱氢松香酸和油酸分别以68%、79%和89%的产率形成了对应的酯类。其中，脱氢松香酸的酯类形成结果尤为理想，因为已知在标准的费歇尔酯化反应条件下，其酯类的形成需要在甲醇中加热至85°C持续两天，而CDI在温和条件下即可实现该转化。此外，对于含有羟基的天然产物，如 mandelic acid，实验结果表明其能够以38%的产率生成甲基酯，同时以31%的产率生成酯/碳酸酯产物。对于更复杂的化合物，如 gibberellic acid 和 deoxycholic acid，实验结果表明其主要产物为甲基酯，而次要产物中有一个羟基被转化为碳酸酯。在这些实验中，第一步反应需在乙基乙酸酯中进行，因为这些极性化合物在二氯甲烷中溶解度较低。因此，这些化合物成为将高极性化合物转化为低极性化合物的理想模型，这些低极性化合物可通过快速柱层析技术进行有效分离。

此外，我们还发现，在温和条件下，更容易接近的羟基通常优先发生反应。例如，cholic acid 的反应结果表明其主要产物为酯/单碳酸酯，产率可达71%。我们还进一步验证了 gibberellic acid 的甲基酯（13a）可通过方法 E 转化为双功能化的碳酸酯（13c），产率可达61%。通过这种方法，我们不仅实现了对复杂天然产物中极性官能团的高效转化，还有效避免了传统方法中可能存在的副反应和选择性问题。

为了验证这种方法的实用性，我们将其应用于三种植物的粗提物中，这些植物包括：Dodonea viscosa、Grindelia squarrosa 和 Callitris rhomboidea，它们均被报道含有含有羧酸和醇类官能团的次级代谢产物。对于 Dodonea viscosa 的叶子提取物，我们采用酸碱萃取法将其分离为含酸的组分，随后使用方法 A 进行衍生化反应，结果获得了主要产物 ent-labdane 甲基酯（14a）和次要产物甲基碳酸酯（14b），产率分别为2.12%和0.44%。方法 E 的实验结果表明，在40°C和60°C的分步加热条件下，能够以更高的产率获得双功能化的衍生物（14b）和三功能化的衍生物（14c），产率分别为2.18%和0.16%。除了 ent-labdane 类化合物（14b 和 14c），我们还成功分离出一些预酰化黄酮（14d 和 14e），产率分别为0.1%和0.94%。这些化合物的母体天然产物在之前的研究中并未被发现，包括对 Dodonea viscosa 提取物进行费歇尔酯化反应的尝试。这一发现进一步证明了本方法在天然产物分离中的有效性。

对于 Callitris rhomboidea 的叶子提取物，我们采用方法 E 进行处理，结果获得了两种已知化合物：甲基 myrceocommunate（15a）和 (–)-deoxypodorhizone（15b），产率分别为0.32%和0.10%。其中，flavonolignan 类化合物（15b）不含有羧酸或醇类官能团，因此无需进行衍生化即可分离。对于 Grindelia squarrosa 的叶子提取物，我们同样采用方法 E 进行处理，结果获得了甲基 grindelate（16a）、甲基碳酸酯衍生物（16b）和甲基酯衍生物（16c）。这些化合物的核磁共振（NMR）和红外（IR）光谱以及高分辨率质谱（HRESIMS）数据均与所预期的结构一致。其中，化合物（16b）是之前报道的天然产物 7β-羟基-8(17)-脱氢grindelic 酸的衍生物，该化合物曾从 Grindelia chiloensis 中分离得到。我们还通过X射线晶体学进一步确认了化合物（16b）的结构。

最后，我们还研究了CDI在胺类化合物衍生化中的应用，采用方法 E 进行处理，结果表明该方法能够高效地将模型胺（17）转化为对应的氨基甲酸酯（18）。这一过程为胺类化合物的衍生化提供了一种非传统的方法，即通过CDI与胺类反应生成氨基甲酸酯。这一发现进一步拓展了CDI的应用范围，为多种官能团的转化提供了新的思路。

综上所述，本研究开发了一种操作简便的方法，用于在温和条件下对含有羧酸和醇类官能团的分子进行高效功能化处理。这种方法在很大程度上避免了对有毒或有害试剂的需求，以及对酸性或碱性反应条件的依赖。我们验证了该方法在天然产物分离中的实用性，成功实现了多种复杂天然产物的衍生化，这些产物通过快速柱层析技术得以有效分离。此外，该方法还被用于从 Dodonea viscosa 的提取物中分离出之前未被报道的预酰化黄酮，这些化合物以酯类和双碳酸酯的形式被成功分离。这一成果不仅展示了CDI在天然产物分离中的广泛适用性，也为未来的天然产物研究提供了更加安全和高效的工具。同时，该方法在胺类化合物的衍生化中也表现出良好的效果，进一步拓宽了其应用范围。通过这些研究，我们期望该方法能够成为天然产物化学领域的重要工具，为分离和鉴定极性化合物提供新的解决方案。