硫化氫供體橋二硫哌嗪二酮類小分子的合成

陳 釧, 張春燕, 趙玉璽

(1. 川北醫(yī)學(xué)院 a. 藥學(xué)院， b. 藥物研究所，四川 南充 637000)

·快遞論文·

硫化氫供體橋二硫哌嗪二酮類小分子的合成

陳 釧1a,1b*, 張春燕1a,1b, 趙玉璽1a,1b

(1. 川北醫(yī)學(xué)院 a. 藥學(xué)院， b. 藥物研究所，四川 南充 637000)

利用改良的Trown合成法，以甘氨酸酐為原料，經(jīng)氮烷基化、溴化、取代、脫乙?；把趸磻?yīng)合成了4個橋二硫哌嗪二酮環(huán)類小分子化合物，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和MS(EI)確證。

甘氨酸酐; 氣體信號分子; 硫化氫供體; Trown合成; 橋二硫哌嗪二酮; 合成

硫化氫(H2S)是繼氣體信號分子一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)后發(fā)現(xiàn)的第三種新型氣體信號分子[1]。其生物合成依賴于三種酶[2-3]，胱硫醚-β-合成酶(CBS),胱硫醚-γ-裂解酶(CSE)和巰基丙酮酸硫轉(zhuǎn)移酶(MPST)。這三種酶存在于不同的組織中，可將半胱氨酸或半胱氨酸衍生物轉(zhuǎn)化為H2S。研究發(fā)現(xiàn)，生理濃度下H2S具有多種生理活性[4-8]，如抗炎、擴張血管和心血管保護、神經(jīng)保護及抗腫瘤等作用，因而在治療高血壓、心臟缺血性疾病、動脈粥樣硬化、炎癥及腫瘤等方面具有極大的應(yīng)用前景[9]。

目前，外源性的H2S供體主要有以下幾種類型[10-16]。硫化鹽如Na2S, NaHS及CaS等無機鹽是最常見的硫化氫供體。這些鹽可以快速釋放H2S，但是無法控制其釋放速度，因而很難控制其濃度以及控制H2S不從溶液中溢出。目前對硫化氫供體的研究多集中于有機化合物，其H2S的釋放得到控制。勞森試劑(二硫代磷酸酯類衍生物)，如GYY4137，溶于水即可緩慢釋放H2S，天然產(chǎn)物如大蒜素(DATS)等；二硫代硫酮類衍生物如去甲茴三硫的衍生物、N-(苯甲?；?-硫代苯甲酰胺類衍生物、S-乙?；^硫類化合物及硫代氨基酸類化合物等。

在自然界中，橋二硫哌嗪二酮環(huán)類小分子epidithiapiperazinediones(ETPs)是由真菌產(chǎn)生的二次代謝產(chǎn)物，目前至少發(fā)現(xiàn)14種不同的ETPs(除了部分變化很小的化合物)均表現(xiàn)了一定的生物活性，多具有抗菌和抗病毒作用[17]。但天然產(chǎn)物大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易合成。

Scheme 1

小分子ETPs最早在1968年由Trown成功合成[18]，接著在七十年代研究較多，先后出現(xiàn)幾種其他的合成方法，如Hino合成[19]、Schmidt合成[20]、Srinivasan合成[21]及Aliev合成[22]。為了研究該類分子是否可以在生理條件下釋放硫化氫，本文設(shè)計合成了一類簡單的ETPs含硫有機化合物以供研究。采用簡單易行的改良Trown合成法[23]，利用甘氨酸酐為原料，通過氮烷基化、溴化、取代、酸催化下脫除乙酰基及I2的氧化反應(yīng)合成了4個簡單橋二硫哌嗪二酮環(huán)類小分子(3a～3d, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和MS(EI)確證。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AM 300型超導(dǎo)核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；MAT-95型質(zhì)譜儀(低分辨EI)； Agilent 1100 Bruker Esquire 3000 plus型液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS)。

硅膠H60(300-400目)和硅膠zcx-II(100-200目)，青島海洋化工廠；HSGF 254薄層層析硅膠板，煙臺化工研究院；甘氨酸酐(TCI， 98%)、氫化鈉(NaH， 60%分散于油中)、溴化芐(98%)、碘代正丁烷(98%)、溴代異丁烷(98%)、溴代異戊烷(96%)、N-溴代丁二酰亞胺(NBS， 98%)、 2,2-偶氮二異丁腈(AIBN， 98%)、硫代乙酸鉀(KSAc， 98%)；碘化鉀(KI， 99%)和碘(99.5%)，阿拉丁試劑公司；氯化氫甲醇溶液(HCl/MeOH)，自制；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成[23]

(1) 1a～1d的合成(以1a為例)

將甘氨酸酐264 mg(2.3 mmol)溶于DMSO 10 mL中，加入氫化鈉200 mg(在礦物油中含量60%)，攪拌下于室溫反應(yīng)30 min；待無氣泡產(chǎn)生時，加入溴芐1.008 g(5.9 mmol)，于室溫反應(yīng)過夜。加水稀釋，用二氯甲烷(3×20 mL)萃取，合并有機相，依次用水和飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥，減壓蒸干得1,4-二芐基哌嗪-2,5-二酮(1a)700 mg，收率100%。

用類似方法合成1b～1d。

1a: 白色粉末，收率100%;1H NMRδ: 7.34(m, 6H, ArH), 7.26(m, 4H, ArH), 4.58(s, 4H, NCH2), 3.96(s, 4H, 3,6-H); MS(EI)m/z: 294[M+]。

1，4-二正丁基哌嗪-2，5-二酮(1b): 白色粉末，收率85%;1H NMRδ: 3.96(s, 4H, 3,6-H), 3.38(t,J=7.1 Hz, 4H, NCH2), 1.52(m, 4H, CH2CH2), 1.32(m, 4H, CH2CH3), 0.90(t,J=7.0 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 226[M+]。

1,4-二異丁基哌嗪-2,5-二酮(1c): 白色粉末，收率56.8 %;1H NMRδ: 3.96(s, 4H, 3,6-H), 3.20(d,J=7.2 Hz, 4H, NCH2), 1.96(m, 2H, CH), 0.90(d,J=7.0 Hz, 12H, CH3); MS(EI)m/z: 226[M+]。

1,4-二異戊基哌嗪-2,5-二酮(1d): 白色粉末，收率98.7%;1H NMRδ: 3.96(s, 4H, 3,6-H), 3.38(t,J=7.2 Hz, 4H, NCH2), 1.56(m, 2H, CHCH3), 1.42(m, 4H, CH2CH2), 0.90(d,J=6.5 Hz, 12H, CH3); MS(EI)m/z: 254[M+]。

(2) 2a～2d的合成(以2a為例)

將1a 470 mg(1.6 mmol)， NBS 683 mg(3.8 mmol)和AIBN 5 mg溶于四氯化碳20 mL中，攪拌下回流反應(yīng)1 h。冷卻，過濾，濾液蒸干得粗品，用二氯甲烷20 mL溶解，加入硫代乙酸鉀456 mg(4.0 mmol)，于室溫反應(yīng)過夜。過濾，濾液減壓蒸干，用正己烷/乙酸乙酯重結(jié)晶得3,6-二(硫代乙?；?-1,4-二芐基哌嗪-2,5-二酮(2a)246 mg，收率34.8%。

用類似方法合成2b～2d。

2a： 白色粉末，收率34.8%;1H NMRδ: 7.34(m, 6H, ArH), 7.26(m, 4H, ArH), 5.84(s, 2H, 3,6-H), 5.00(d,J=14.7 Hz, 2H, NCH2), 4.00(d,J=14.7 Hz, 2H, NCH2), 2.40(s, 6H, COCH3); MS(EI)m/z: 442[M+]。

3，6-二(硫代乙?；?-1，4-二正丁基哌嗪-2，5-二酮(2b)： 白色粉末，收率35.6%;1H NMRδ: 5.62(s, 2H, 3,6-H), 3.96(m, 2H, NCH2), 2.96(m, 2H, NCH2), 2.40(s, 6H, COCH3), 1.60(m, 4H, CH2CH2), 1.34(m, 4H, CH2CH3), 0.94(t,J=7.0 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 374[M+]。

3，6-二(硫代乙?；?-1，4-二異丁基哌嗪-2，5-二酮(2c)： 白色粉末，收率40.2%;1H NMRδ: 5.62(s, 2H, 3,6-H), 3.86(dd,J=13.7 Hz, 8.9 Hz, 2H, NCH2), 2.64(dd,J=13.7 Hz, 8.9 Hz, 2H, NCH2), 2.40(s, 6H, COCH3), 2.00(m, 2H, CH), 0.94(d,J=6.5 Hz, 6H, CH3), 0.86(d,J=6.6 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 374[M+]。

3，6-二(硫代乙?；?-1，4-二異戊基哌嗪-2，5-二酮(2d)： 白色粉末，收率36.5%;1H NMRδ: 5.62(s, 2H, 3,6-H), 3.86(m, 2H, NCH2), 2.98(m, 2H, NCH2), 2.40(s, 6H, COCH3), 1.56(m, 2H, CH2CH3), 1.44(m, 4H, CH2CH2), 0.94(d,J=6.5 Hz, 12H, CH3); MS(EI)m/z: 402[M+]。

(3) 3a～3d的合成(以3a為例)

將2a 200 mg(0.45 mmol)溶于3 mol·L-1鹽酸甲醇溶液(20 mL)中，攪拌下回流反應(yīng)1 h。冷卻，減壓蒸干，將殘留物溶于10 mL氯仿和10 mL 2%碘化鉀水溶液中，滴加碘0.2 g的氯仿(10 mL)溶液，滴畢，于室溫反應(yīng)至反應(yīng)液顏色變?yōu)樽攸S色。分液，水相用氯仿(3×20 mL)萃取，合并有機相，用無水硫酸鈉干燥，減壓蒸干，殘留物經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：A=V(石油醚)/V(乙酸乙酯)=8/1]純化得1，4-二芐基-3，6-橋二硫哌嗪-2，5-二酮(3a) 100 mg,收率59.2%。

用類似方法合成3b～3d。

1，4-二芐基-3，6-橋二硫哌嗪-2，5-二酮(3a)： 淡黃色粉末，收率59.2%;1H NMRδ: 7.34(m, 6H, ArH), 7.26(m, 4H, ArH), 5.22(s, 2H, 3, 6-H), 4.82(d,J=14.7 Hz, 2H, NCH2), 4.50(d,J=14.7 Hz, 2H, NCH2); MS(EI)m/z: 356[M+]。

1，4-二正丁基-3，6-橋二硫哌嗪-2，5-二酮(3b)： 淡黃色粉末，收率60.0%;1H NMRδ: 5.26(s, 2H, 3,6-H), 3.48(m, 4H, NCH2), 1.60(m, 4H, CH2CH2), 1.34(m, 4H, CH2CH3), 0.94(t,J=7.0 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 288[M+]。

1，4-二異丁基-3，6-橋二硫哌嗪-2，5-二酮(3c)： 淡黃色粉末，收率59.5%;1H NMRδ: 5.26(s, 2H, 3,6-H), 3.44(m, 2H, NCH2), 3.24(m, 2H, NCH2), 2.00(m, 2H, CH2CH3), 0.98(d,J=6.5 Hz, 6H, CH3), 0.90(d,J=6.6 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 288[M+]。

1，4-二異戊基-3，6-橋二硫哌嗪-2，5-二酮(3d)： 淡黃色粉末，收率58.8%;1H NMRδ: 5.26(s, 2H, 3,6-H), 3.44(m, 4H, NCH2), 1.60(m, 2H, CH2CH3), 1.52(m, 4H, CH2CH2), 0.98(d,J=6.5 Hz, 12H, CH3); MS(EI)m/z: 316[M+]。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成

在甘氨酸酐經(jīng)氮烷基化反應(yīng)合成1a～1d的過程中，由于甘氨酸酐在其他溶劑中溶解性不好，所以選用二甲基亞砜為溶劑。所用堿為氫化鈉，因此最好用干燥無水二甲基亞砜。加入氫化鈉后待其充分反應(yīng)完，即無氣泡產(chǎn)生為止，可提高收率。該氮烷基化反應(yīng)為雙分子親核取代反應(yīng)，在雙分子親核取代反應(yīng)中鹵烷烴的活性順序為：伯鹵代烷烴>仲鹵代烷烴>叔鹵代烷烴>芳香鹵代烴。因此本文選用伯鹵代烷烴進行反應(yīng)。實驗也發(fā)現(xiàn)溴代異丁烷的收率要比其他幾個烷烴低，僅為56.8%，分析原因可能是異丁烷β-位位阻較大所致。

在2a～2d的合成中，使用NBS為溴化劑比用溴好，收率更高。但是生成的溴取代物仍然不穩(wěn)定，因此在合成中不經(jīng)分離純化直接用于下步反應(yīng)，也能取得較高收率。

在2a～2d水解脫去乙?；蓭€基后，也可不用純化直接將生成的順式反式產(chǎn)物用于下步氧化反應(yīng)。因為只有順式的產(chǎn)物空間上靠得近，能被氧化形成二硫鍵，反式的由于空間上隔得遠(yuǎn)不能發(fā)生氧化反應(yīng)，所以不影響反應(yīng)的進行。

2.2 2,5哌嗪二酮環(huán)的選擇

當(dāng)2，5-哌嗪二酮環(huán)的3,6-位有烷基時，不管用何種溴化試劑，均不能獲得單一產(chǎn)物。在本文的研究中，我們選用了環(huán)(L-脯-L-脯)二肽作為研究對象，用NBS溴化時，薄層分析發(fā)現(xiàn)大量的原料點和一個少量的產(chǎn)物點，用LC-MS分析發(fā)現(xiàn)得到了四溴代產(chǎn)物(Scheme 2)。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[24]推測因在3，6-位上發(fā)生溴代以后，由于3，6-位上有烷基，則可發(fā)生HBr的消除反應(yīng)形成雙鍵，雙鍵上再加成Br生成四溴代產(chǎn)物。即使溴化劑少于理論量，仍然會發(fā)生上述反應(yīng)。所以本文所使用的方法只能用于合成3,6-位無取代烷基或為無α-氫的取代基如苯基。當(dāng)3,6-位有取代烷基時，不能采用Trown合成法。因為溴代時會發(fā)生消除加成反應(yīng)形成四溴代產(chǎn)物，其與硫代乙酸鉀反應(yīng)不會生產(chǎn)硫代產(chǎn)物，而會生成脫硫產(chǎn)物[24]。

Scheme 2

以改良的Trown的合成方法，利用甘氨酸酐為原料，通過氮烷基化、N-溴代丁二酰亞胺溴化、取代、脫保護及氧化合成了4個簡單的橋二硫哌嗪二酮類小分子化合物，這類小分子化合物均含有二硫鍵，有望作為H2S供體用于抗炎、擴張血管和心血管保護、神經(jīng)保護、抗腫瘤等領(lǐng)域。在接下來的實驗中，將研究其H2S的釋放與其生物活性的關(guān)系。

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《合成化學(xué)》編輯部

Synthesis of Epidithiapiperazinediones(ETPs) as Hydrogen Sulfide Donors

CHEN Chuan1a,1b*, ZHANG Chun-yan1a,1b, ZHAO Yu-xi1a,1b

(a. Department of Pharmacy; b. Institute of Medicine, 1. North Sichuan Medical College, Nanchong 637000, China)

Four simple epidithiapiperazinediones(ETPs) were synthesized using glycine anhydride as starting material, by alkylation, bromination withN-bromosuccinimide, substitution, hydrolysis and oxidation with I2,viaimproved Trown’s synthetic method. The structures were confirmed by1H NMR and MS(EI).

glycine anhydride; gas transmitter; hydrogen sulfide donor; Trown’s synthetic method; epidithiapiperazinedione; synthesis

2017-01-12

川北醫(yī)學(xué)院科研發(fā)展計劃重點項目(CBY15-A-ZD11)

陳釧(1983-)，女，漢族，四川南充人，助教，主要從事藥物化學(xué)的研究。 E-mail: 176165515@qq.com

O622.6； O622.7

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.04.17010