一步法催化氧化2-吲哚酮合成2,3-吲哚醌衍生物的工藝研究

高蕊蕊，楊曉琳，李春江，鞏超彥，逯曉青，賀潤麗

(山西中醫(yī)藥大學，山西 晉中 030619)

一種有內源性活性因子的雜環(huán)分子——2,3-吲哚醌衍生物廣泛存在于人體體液[1]，海洋生物組織，藥用植物青黛、甘藍、大青葉和板藍根中，其化學結構簡單明晰，分子量較小，是制備抗癌新藥靛玉紅的前驅體、染料的中間體[2]。劉娜等[3]研究證實，2,3-吲哚醌衍生物能夠抑制乳腺癌細胞的增殖并且保護正常細胞，提高免疫和抗氧化能力，起到抗癌功效。張芳等[4]研究發(fā)現2,3-吲哚醌衍生物能減輕H2O2導致的多巴胺(DA)能細胞氧化損傷，為預防和治療相關功能失調疾病提供了新思路。2,3-吲哚醌衍生物還具有抗衰老、抗抑郁、抗帕金森、抗阿爾茨海默病、抗動脈粥樣硬化、抗病毒、抑菌、生殖保護等作用[5-10]。

早在2002年，Rossiter[11]利用溴化銅和乙酸乙酯催化2-吲哚酮首先生成中間體2,2-二溴代吲哚酮，然后在甲醇水溶液中水解回流2 h合成2,3-吲哚醌衍生物，發(fā)現其在癌癥治療方面具有潛在的應用價值。Yadav等[12]利用摩爾濃度10%的CeCl3·7H2O和2-碘?；郊姿釋⑦胚崛〈镌谝译嫠芤褐写呋趸癁檫胚狨苌?，收率在85%以上。西北大學的劉建利教授課題組[13]利用苯胺(或苯胺衍生物)、水合三氯乙醛、鹽酸羥胺反應生成中間體異亞硝基乙酰苯胺及其衍生物，然后加入濃硫酸關環(huán)生成吲哚醌及其衍生物。也有學者以吲哚酮和苯甲醛衍生物為原料，在微波輻射條件下經縮合反應成功合成具有較強抗腫瘤作用的吲哚醌衍生物[如3-(3-甲氧基-4-羥基)苯亞甲基吲哚-2-酮][7,14]。Jiro等[15]通過兩步法由吲哚制備靛紅：首先5-氰基吲哚與氫化鈉、二甲基乙酰胺(DMAC)、鹵代烷反應生成中間體1-烷基-5-氰基吲哚；然后中間體在N-溴代丁二酰亞胺-二甲基亞砜(NBS-DMSO)體系中生成1-烷基-5-氰基吲哚醌，收率可達90%。

天然的吲哚醌類生物堿不易提取分離、收率較低，而傳統(tǒng)的人工合成方法存在步驟多[15-17]、反應條件苛刻、原料昂貴等問題，因此，開發(fā)一種簡便、低成本、高收率的2,3-吲哚醌衍生物的合成方法勢在必行。Rossiter[11]發(fā)現，2-吲哚酮衍生物芐位上的氫原子具有一定的活性，在甲醇水溶液中加熱即可得到相應取代基的2,3-吲哚醌衍生物?；诖耍髡卟捎靡徊椒?，通過醋酸銅 [Cu(OAc)2]催化2-吲哚酮衍生物芐位上氫原子得到相應碳自由基，然后經氧氣氧化成過氧自由基[18-19]，最后脫去1分子水合成2,3-吲哚醌衍生物。以5-氯-2-吲哚酮(Ⅰa)、5-溴-2-吲哚酮(Ⅰb)、6-氯-2-吲哚酮(Ⅰc)為原料合成相應的2,3-吲哚醌衍生物的路線如圖1所示。

圖1 2,3-吲哚醌衍生物的合成路線Fig.1 Synthetic route of 2,3-indolequinone derivatives

1 實驗

1.1 試劑與儀器

所用試劑均為分析純，國藥集團。

XR4型顯微熔點測定儀(溫度未經校正)，上海光學儀器廠；Vario EL型元素分析儀，德國Elementar公司；INOVA-400MHz型核磁共振儀，美國Varian公司；Nicolet iS10型傅立葉紅外光譜儀(KBr壓片)，美國賽默飛公司；MAT95XP型高分辨質譜(ESI)，美國菲尼根公司。

1.2 2,3-吲哚醌衍生物的合成

在裝有蛇形回流冷凝管、磁力攪拌器、溫度計的5 mL三頸圓底燒瓶中加入0.25 mmol取代2-吲哚酮和0.012 5 mmol(2.3 mg)Cu(OAc)2，橡膠塞密封瓶口，連接油泵將圓底燒瓶抽真空后換成氧氣球，使氧氣充滿整個圓底燒瓶；然后迅速加入1.0 mL干燥的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。將裝好原料的圓底燒瓶置于50 ℃恒溫油浴中不斷攪拌，采用薄層色譜法(TLC)分析監(jiān)測生成物，反應完全后，將反應混合液冷卻至室溫，加30 mL乙醚進行稀釋，用飽和食鹽水洗滌5～6次，加入少量無水Na2SO4干燥，減壓濃縮，得到固體2,3-吲哚醌衍生物粗品，經柱層析(乙酸乙酯∶石油醚=1∶2，體積比)分離，晾干，即得2,3-吲哚醌衍生物純品，稱重后計算收率。

2 結果與討論

2.1 2,3-吲哚醌衍生物的結構表征

分別以5-氯-2-吲哚酮(Ⅰa)、5-溴-2-吲哚酮(Ⅰb)、6-氯-2-吲哚酮(Ⅰc)為原料，合成得到3種目標產物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc，其表征數據如下(1HNMR選取δ2.61作為內標，13CNMR選取δ39.4作為內標)：

5-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱa)：橘紅色晶體，m.p. 245～247 ℃，收率82%。IR,ν,cm-1:3 440(N-H),3 094、3 086(苯環(huán)上H),1 745、1 703(2個羰基),1 616、1 550(芳雜環(huán)的骨架振動);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.07(s,1H),7.54(d,J=8.0 Hz,1H),7.48(s,1H),6.85(d,J=8.0 Hz,1H);13CNMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:183.4,159.2,149.2,137.3,126.8,124.2,119.2,113.8;HRMS(ESI),m/z:[M+Na]+calcd for C8H4ClNO2Na:204.265 5,Found:204.265 0。分子式C8H4ClNO2，分子量181.265 3。理論值：ω(C)=53.38%，ω(H)=2.21%，ω(N)=7.75%，ω(O)=17.66%；計算值：ω(C)=53.37%，ω(H)=2.23%，ω(N)=7.73%，ω(O)=17.46%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

5-溴-2,3-吲哚醌(Ⅱb)：橘紅色晶體，m.p. 236～238 ℃，收率80%。IR,ν,cm-1: 3 387(N-H)，3 004、3 073(苯環(huán)上H),1 703、1 699(2個羰基),1 608、1 450(芳雜環(huán)的骨架振動);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.10(s，1H)，7.70(d，J=8.0 Hz，1H)，7.62(s，1H)，6.83(d，J=8.0 Hz，1H)；13CNMR(100 MHz,DMSO-d6),δ:183.2,159.0,149.6,140.0,126.9,119.6,114.31,114.28;HRMS(ESI)，m/z：[M+Na]+calcd for C8H4BrNO2Na：270.913 3，Found：270.913 6。分子式C8H4BrNO2，分子量245.931 9。理論值：ω(C)=42.49%，ω(H)=1.77%，ω(N)=6.20%，ω(O)=14.16%；計算值：ω(C)=42.51%，ω(H)=1.75%，ω(N)=6.17%，ω(O)=14.20%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

6-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱc)：棕黃色固體,m.p. 240～241 ℃, 收率78%。IR,ν,cm-1:3 444(N-H)，2 987、3 098(苯環(huán)上H),1 739、1 713(2個羰基),1 630、1 580(芳雜環(huán)的骨架振動);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.11(s,1H),7.46(d,J=8.0 Hz,1H),7.05(d,J=8.0 Hz,1H),6.87(s,1H);13CNMR(100 MHz,DMSO-d6),δ:183.0,159.4,151.8,142.3,126.2,122.7,116.8,112.2;HRMS(ESI)，m/z：[M+Na]+calcd for C8H4ClNO2Na：203.972 0，Found：203.972 4。分子式C8H4ClNO2，分子量180.982 3。理論值：ω(C)=53.04%，ω(H)=2.21%，ω(N)=7.73%，ω(O)=17.68%；計算值：ω(C)=53.14%，ω(H)=2.18%，ω(N)=7.69%，ω(O)=17.58%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

2.2 合成條件優(yōu)化

以5-氯-2-吲哚酮為模型化合物，考察合成條件(催化劑用量、氧化劑、反應溶劑、反應溫度、反應時間)對目標產物5-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱa)收率的影響，結果見表1。

由表1可知：(1)隨著催化劑Cu(OAc)2用量的增加(1#～5#)，收率先升高后降低，在Cu(OAc)2用量為5%時收率達到最高，為82%；反應體系無催化劑時即使反應24 h仍無產物生成；反應體系催化劑用量較少(2%)時將反應時間延長至16 h，收率仍在70%以下。因此，選擇催化劑Cu(OAc)2用量為5%。(2)固定催化劑Cu(OAc)2用量為5%，對反應溶劑(C2H5OH、DMSO、DMF)和氧化劑(氧氣、空氣)進行優(yōu)化(3#、6#～8#)，發(fā)現以DMF為反應溶劑、氧氣為氧化劑時，5-氯-2,3-吲哚醌收率最高，為82%。(3)固定催化劑Cu(OAc)2用量為5%、DMF為反應溶劑、氧氣為氧化劑，對反應溫度和反應時間進行優(yōu)化(3#、9#、10#)，發(fā)現降低反應溫度至40 ℃時，即使延長反應時間至20 h收率仍相對較低，升高反應溫度到60 ℃，收率保持在80%，考慮到節(jié)能，選擇反應溫度為50 ℃、反應時間為12 h。

表1 合成條件的優(yōu)化

綜上，5-氯-2-吲哚酮合成5-氯-2,3-吲哚醌的最佳條件如下：催化劑Cu(OAc)2用量為5%、氧氣為氧化劑、DMF為反應溶劑、反應溫度為50 ℃、反應時間為12 h。

2.3 反應機理分析

根據相關研究及本研究結果，針對取代2-吲哚酮合成2,3-吲哚醌衍生物這一化學反應提出了一種合理的反應機理(圖2)：第一步，取代2-吲哚酮在Cu2+的催化下生成碳自由基中間體1，同時Cu2+被還原為Cu+；第二步，碳自由基中間體1被氧氣氧化為過氧自由基中間體2；第三步，過氧自由基中間體2結合體系中H·生成取代過氧吲哚酮3；第四步，取代過氧吲哚酮3脫去1分子水生成產物2,3-吲哚醌衍生物。

圖2 取代2-吲哚酮合成2,3-吲哚醌衍生物的反應機理Fig.2 Synthetic mechanism of 2,3-indolequinone derivatives from substituted 2,3-indolione

3 結論

以含吸電子基2-吲哚酮為原料，通過醋酸銅催化氧氣氧化一步合成2,3-吲哚醌衍生物。以5-氯-2-吲哚酮為模型化合物，最佳合成條件如下：催化劑醋酸銅用量為5%、氧氣為氧化劑、N,N-二甲基甲酰胺為反應溶劑、反應溫度為50 ℃、反應時間為12 h，在此條件下，5-氯-2,3-吲哚醌收率可達82%。該方法具有原料簡單環(huán)保、反應條件溫和、收率較高等優(yōu)點。作為內源性活性成分的吲哚醌及其衍生物在抗腫瘤、抑菌、精神治療等多方面有實際應用價值，該合成方法將為醫(yī)藥界新藥的開發(fā)提供可靠的技術支撐。