《藥物合成反應(yīng)》課程中關(guān)于羰基選擇性保護(hù)的綜合性實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

楊春梅 馮書(shū)曉

(河南科技大學(xué)醫(yī)院，河南 洛陽(yáng) 471023；河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

官能團(tuán)保護(hù)問(wèn)題和反應(yīng)的選擇性問(wèn)題是《藥物合成反應(yīng)》課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)[1]。酮羰基具有許多反應(yīng)性能，是藥物化學(xué)中最易發(fā)生反應(yīng)的活性官能團(tuán)之一[2]。目前常用的酮羰基保護(hù)方法是與乙二醇生成縮酮來(lái)降低羰基活性。當(dāng)?shù)孜锝Y(jié)構(gòu)中含有兩種以上不同類型的酮羰基，同時(shí)又需要對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行專屬化學(xué)反應(yīng)時(shí)，酮羰基的選擇性保護(hù)問(wèn)題則顯得尤為重要。因此，選擇一個(gè)雙酮基底物分子開(kāi)設(shè)官能團(tuán)保護(hù)的綜合性實(shí)驗(yàn)，是考察官能團(tuán)保護(hù)和反應(yīng)選擇性兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的有效途徑。結(jié)合課題組在甾體藥物及其中間體合成的科研實(shí)踐，本文選取雄烯二酮為例，探討了乙二醇選擇性保護(hù)甾體酮羰基的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

雄烯二酮(Androstendione, AD，1)是雄甾-4-烯-3,17-二酮的簡(jiǎn)稱，是一種由腎上腺和性腺分泌的19碳的甾體激素，作為生物化學(xué)合成雄性激素睪酮和雌性激素雌酮雌二醇的中間產(chǎn)物[3]。近些年來(lái)，隨著微生物限制性切除甾醇碳17側(cè)鏈技術(shù)的成功[4～7]，使雄烯二酮成為繼薯蕷皂素的又一甾體藥物合成原料，成為甾體制藥企業(yè)開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)[8, 9]。由于雄烯二酮的碳3位和碳17位均含有酮羰基結(jié)構(gòu)，因此在對(duì)其結(jié)構(gòu)修飾改造的過(guò)程中，經(jīng)常需要有選擇性的保護(hù)其中的一個(gè)或雙保護(hù)，合成方法見(jiàn)圖1。

圖1 乙二醇選擇性保護(hù)雄烯二酮3,17-二酮Fig 1 Selective protection of androstendione3,17-diketone by ethylene glycol

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

Bruker Avance 400 MHz核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo)，德國(guó)Bruker公司)；Q-Tof MicroTM高分辨質(zhì)譜儀(美國(guó)waters公司)；XT-4型顯微熔點(diǎn)儀(美國(guó)Perkin-Elmer 公司)。

雄烯二酮(湖北康寶泰精細(xì)化工公司)；對(duì)甲苯磺酸(TsOH·H2O)(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑)；乙二醇(天津市風(fēng)船化學(xué)試劑)；甲苯、丙酮、氯仿及其它試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1TsOH催化雄烯二酮乙二醇縮酮的合成

雄甾-4-烯-3,17-二酮(雄烯二酮， AD， 1)1.00 g(3.5 mmol)，乙二醇4.34 g(70 mmol)，對(duì)甲苯磺酸一水合物(TsOH·H2O)55 mg(0.26 mmol)，甲苯50 mL，置于100 mL三口燒瓶中，在分水器下攪拌回流6 h后大約產(chǎn)生8 mL水，停止反應(yīng)，冷卻；分別用5 mL飽和NaHCO3溶液中和，加入50 mL乙酸乙酯萃取，10 mL水洗滌2次，靜置分層，無(wú)水Na2SO4干燥，過(guò)濾，減壓旋蒸除去乙酸乙酯，加入10 mL甲醇熱溶，冷卻析晶，過(guò)濾得雄甾-5-烯-3,17-二乙二醇縮酮(2)白色固體；純化用甲醇重結(jié)晶。產(chǎn)率68%。TLC檢測(cè)反應(yīng)(碘熏顯色)。甲醇濾液蒸干得副產(chǎn)物：雄甾-4-烯-3-酮-17-乙二醇縮酮(3)。

1.2.2酸催化雄烯二酮雙縮酮選擇性脫保護(hù)

向150 mL圓底燒瓶中，分別加入100 mL丙酮，0.1 mol/L HCl 10 mL，攪拌混勻，然后加入化合物2(2.68 mmol，1.00 g)，室溫?cái)嚢? h后停止反應(yīng)，TLC點(diǎn)板檢測(cè)反應(yīng)終點(diǎn)；加入40 mL飽和NaHCO3溶液，減壓旋蒸除去丙酮及水，加入氯仿30 mL萃取，過(guò)濾除去不溶物，不溶物用氯仿洗滌，合并氯仿液，分別用10 mL飽和NaCl溶液洗滌2次，10 mL水洗滌2次，無(wú)水Na2SO4干燥，過(guò)濾，減壓旋蒸除去氯仿，加入丙酮重結(jié)晶(濾除不溶物)，置于冰箱中析晶(-20 ℃)，過(guò)濾得雄甾-5-烯-17-酮-3-乙二醇縮酮(4)白色固體；純化用丙酮重結(jié)晶。產(chǎn)率53%。點(diǎn)板檢測(cè)反應(yīng)(碘熏顯色)。丙酮濾液蒸干得起始原料：雄烯二酮(1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 縮酮保護(hù)法的合成機(jī)理

有機(jī)反應(yīng)機(jī)理是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)內(nèi)在的規(guī)律，是有機(jī)化學(xué)理論學(xué)習(xí)的重要組成部分?？s酮保護(hù)法是酮羰基保護(hù)的最經(jīng)典方法之一，該反應(yīng)在酸催化下生成，但同時(shí)也可以被酸催化水解成原來(lái)的羰基。因此，保護(hù)后的縮酮在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定，但在酸性條件下非常敏感。此方法通常以乙二醇為試劑，由于原料廉價(jià)易得，操作方便，故而在甾體藥物合成中常常應(yīng)用。該反應(yīng)的機(jī)理如圖2所示。

圖2 縮酮保護(hù)法的反應(yīng)機(jī)理Fig 2 reaction mechanism byketal protection method

2.2 結(jié)構(gòu)解析

有機(jī)化合物波譜解析是確認(rèn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本手段[12]，是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)中，原料雄烯二酮與產(chǎn)物雄甾-5-烯-3,17-二縮酮、雄甾-4-烯-3-酮-17-縮酮和雄甾-5-烯-17-酮-3-縮酮三種產(chǎn)物的甾體母核結(jié)構(gòu)相似，保護(hù)基相同，四種化合物的結(jié)構(gòu)解析對(duì)學(xué)生有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定能力提出了較高的要求，尤其是核磁共振數(shù)據(jù)解析(包括氫譜和碳譜)。表1對(duì)比列出了4種化合物的典型NMR數(shù)據(jù)以供學(xué)生實(shí)驗(yàn)參考。

從圖1的反應(yīng)式可以看出，C3位酮羰基與乙二醇形成縮酮保護(hù)基后，會(huì)引發(fā)鄰位雙鍵的重排，從C4-C5位遷移重排至C5-C6位；這與表1的核磁數(shù)據(jù)一致，即雄甾-5-烯-3,17-二縮酮和雄甾-5-烯-17-酮-3-縮酮均出現(xiàn)了化學(xué)位移5.3×10-6的單峰，積分面積為1，此峰是H-6的特征峰；碳譜數(shù)據(jù)也相應(yīng)出現(xiàn)C5(140×10-6)和C6(121×10-6)的特征峰。C3位酮羰基沒(méi)有與乙二醇發(fā)生反應(yīng)的，雙鍵依舊在C4-C5位，如雄甾-4-烯-3-酮-17-縮酮的氫譜中則保留了與原料雄甾-4-烯-3,17-二酮相同的H-4特征峰(5.7×10-6，單峰)；碳譜數(shù)據(jù)也保留了C4(123×10-6)和C5(170×10-6)的特征峰。另一方面，碳譜數(shù)據(jù)中羰基通常出現(xiàn)在200×10-6的低場(chǎng)區(qū)，例如實(shí)驗(yàn)中220×10-6的C17和199×10-6的C3，均可以作為酮羰基是否被保護(hù)的判定依據(jù)；而且酮羰基被乙二醇保護(hù)形成縮酮后，均在氫譜中出現(xiàn)OCH2CH2O的特征峰，通過(guò)氫的數(shù)目也可以判定是單保護(hù)還是雙保護(hù)?？傊巯┒叶伎s酮保護(hù)實(shí)驗(yàn)對(duì)考察學(xué)生藥物波譜解析知識(shí)的掌握具有實(shí)踐意義。

表1 特征性核磁數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 the comparation of charactrisic NMR datas

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與安排

(1)實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)與準(zhǔn)備。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，了解雄烯二酮在甾體藥物合成中的意義；重點(diǎn)了解有機(jī)化學(xué)官能團(tuán)保護(hù)、化學(xué)反應(yīng)選擇性、有機(jī)波譜解析等理論知識(shí)；熟悉原料雄烯二酮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、縮酮法保護(hù)酮羰基的反應(yīng)機(jī)理，以及核磁共振儀等現(xiàn)代化儀器的原理和使用方法。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排與分組。按照普通化學(xué)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排開(kāi)展，采取2人/組，16組/班實(shí)施。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)與要求。寫(xiě)出反應(yīng)方程式，并分析反應(yīng)機(jī)理；計(jì)算反應(yīng)收率；根據(jù)核磁共振譜圖找出特征峰和化學(xué)位移，說(shuō)明解析依據(jù)；撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 結(jié) 論

該綜合實(shí)驗(yàn)包括文獻(xiàn)檢索、化學(xué)合成和表征、機(jī)理分析和結(jié)構(gòu)解析等過(guò)程，涵蓋有機(jī)化學(xué)多個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)?；瘜W(xué)工藝、制藥工程和精細(xì)化工等專業(yè)的學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，系統(tǒng)掌握復(fù)雜有機(jī)化合物的化學(xué)合成、官能團(tuán)保護(hù)、反應(yīng)選擇性控制以及結(jié)構(gòu)解析等實(shí)驗(yàn)技能，為進(jìn)一步完成專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))和從事科學(xué)研究工作打下良好基礎(chǔ)。

[1] 何彩霞. 基團(tuán)保護(hù)及其在有機(jī)合成中的作用[J]. 北京教育學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 3(4): 5～7.

[2] Peter G.M.Wuts著. 羅千福, 張春梅, 王朝霞 等譯. 有機(jī)合成中的保護(hù)基: 酚、羰基、羧基、巰基的保護(hù)(原著第五版)[M]. 上海: 華東理工大學(xué)出版社, 2016, 371～427.

[3] Callow N H, Callow R K. The isolation of androsterone and transdehydroandrosterone from the urine of normal women.[J]. Biochemical Journal, 1938, 32(10):1 759～1 762.

[4] Arima K, Nagasawa M, Bae M. Microbial transformation of Sterols. Part I. Decom- position of cholesterol by Microorganisms[J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1969, 33(11): 1 636～1 643.

[5] Nagasawa M, Bae M, Tamura G, et al. Microbial Transformation of Sterols. Part II. Cleavage of Sterol Side Chains by Microorganisms [J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1969, 33(11): 1 644～1 650.

[6] Nagasawa M; Watanabe N; Hashiba H. Microbial transformation of Sterols. Part III. Substrate specificity for cleaving steroid side chains by Arthrobacter simplex [J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1970, 34(5): 798～800.

[7] Femanders P; Cruz A; Pinheiro H M. Microbial conversion of steroid compounds: recent developments [J]. Enzyme Microb Technol, 2003, 32(6): 688～705.

[8] Redpath J, Zeelen F J. Stereoselective synthesis of steroid side-chains [J]. Chemical Society Reviews, 1983, 12(1): 75～98.

[9] Hogg J A. Steroids, the steroid community, and Upjohn in perspective: a profile of innovation [J]. Steroids. 1992, 57(12): 593～616.

[10] Smith S W, Newman M S. Gem-dialkyl effect. III. Kinetic and equilibrium studies of steroid cyclic ketal formation and hydrolysis [J]. Journal of the American Chemical Society, 1968, 90(5):1 253～1 257.