漢防己甲素全合成研究進(jìn)展

劉繼紅, 賴月琴, 王浩宇, 陳 宇, 周鳴強(qiáng)*, 袁偉成, 韓文勇*

(1.遵義醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院,貴州 遵義 563000; 2.中國科學(xué)院 成都有機(jī)化學(xué)研究所 手性藥物國家工程研究中心,四川 成都 610041; 3.成都大學(xué) 高等研究院,四川 成都 610106; 4.浙江金華康恩貝生物制藥有限公司,浙江 金華 321016)

漢防己甲素(Tetrandrine)又名粉防己堿。1928年,Kondo和Yano[1-2]首次分離出了漢防己甲素。漢防己甲素是一種具有雙芐基異喹啉結(jié)構(gòu)的生物堿(Chart 1),主要存在于防己科千金藤屬植物粉防己(Stephania tetradra S.Moore)的根塊中[3]。漢防己甲素為臨床藥物漢防己甲素片、漢防己甲素注射液的主要成分。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床應(yīng)用表明,漢防己甲素具有系列生物活性及藥用價(jià)值：首先可用于風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的治療,其抑制關(guān)節(jié)炎的效果強(qiáng)于阿司匹林[4-5];其次,漢防己甲素為鈣離子通道阻滯劑,同時(shí)能夠阻斷鈣激活的鉀通道,具有擴(kuò)張血管,降低肺動(dòng)脈高壓的作用,并且可用于治療陣發(fā)性室上性心動(dòng)過速[6-9];漢防己甲素還能夠直接或間接抑制膠原基因的轉(zhuǎn)錄,減少病變組織中膠原蛋白的合成,從而用于單純硅肺Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期及各期煤硅肺的治療[10-12]。此外,漢防己甲素在治療慢性肝細(xì)胞纖維化[13,14]、消除眼部炎癥[15]、增強(qiáng)抗癌藥物作用[16-18]方面具有一定應(yīng)用前景。

Chart 1

鑒于漢防己甲素在臨床應(yīng)用上表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,可以預(yù)見的是未來對漢防己甲素的需求量是非常巨大的。然而,目前市場流通的漢防己甲素全部來源于自然生長或人工種植的粉防己植物。但粉防已根中總生物堿含量為1.5%～2.3%,而漢防已甲素的含量僅約1%[19-22]。因此,通過粉防已根塊中提取的方法生產(chǎn)漢防己甲素缺點(diǎn)顯著：生產(chǎn)效率較低、提取工藝復(fù)雜;原材料需求量大、供不應(yīng)求、生產(chǎn)受限;生產(chǎn)廢渣量大、環(huán)保壓力大。化學(xué)合成法生產(chǎn)藥物具有以下優(yōu)點(diǎn)：原料廉價(jià)易得,不受限制;生產(chǎn)中相關(guān)原料、中間體、溶劑等可多次回收套用;生產(chǎn)量大,可連續(xù)生產(chǎn)。因此,開展?jié)h防己甲素的全合成研究對于開發(fā)漢防己甲素的化學(xué)合成生產(chǎn)工藝具有重要的指導(dǎo)作用。

本文以線性式合成法和匯聚式合成法進(jìn)行分類,對漢防己甲素的全合成等方面的研究成果進(jìn)行了綜述,以期為后續(xù)相關(guān)研究開展提供參考,并有助于開發(fā)出更多經(jīng)濟(jì)、綠色、高效的合成方案。

Inubushi等[23]首次實(shí)現(xiàn)了漢防己類生物堿的全合成,主要包括漢防己甲素、異漢防己甲素及亮花木堿。在該報(bào)道中,作者首先實(shí)現(xiàn)了光學(xué)純異漢防己甲素及亮花木堿的全合成,隨后依據(jù)相同合成路線實(shí)現(xiàn)了外消旋漢防己甲素的全合成(Scheme 1)。該合成路線雖然合成步驟較為復(fù)雜,但首次證明了化學(xué)合成漢防己甲素的可行性,為漢防己甲素的不對稱構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

在該報(bào)道中,首先以高香草酸1.1為起始原料,經(jīng)芐基保護(hù)順利合成3-芐氧基-4-甲氧基苯乙酸1.2,隨后化合物1.2與3-溴-4,5-二甲氧基苯乙胺1.3發(fā)生酰胺化反應(yīng)得中間體1.4。中間體1.4經(jīng)比施勒-納皮耶拉爾斯基反應(yīng)(Bischler-Napieralski reaction)[24-25]、氫化還原合成四氫異喹啉環(huán)化合物1.5。中間體1.5經(jīng)埃施魏勒-克拉克反應(yīng)甲基化反應(yīng)(Eschweiler-Clarke reaction)[26,27]順利實(shí)現(xiàn)四氫異喹啉環(huán)的N-甲基化得化合物1.6的構(gòu)建,緊接著化合物1.6與化合物1.7發(fā)生分子間烏爾曼偶聯(lián)反應(yīng)(Ullmann reaction)[28-29],能夠以中等的產(chǎn)率得到化合物1.8?；衔?.8經(jīng)芐基脫除后,再次與4-溴代苯乙酸甲酯發(fā)生烏爾曼偶聯(lián)反應(yīng)(Ullmann reaction),順利構(gòu)建化合物1.9?；衔?.9經(jīng)過三氟乙酸脫除叔丁氧羰基及分子內(nèi)酰胺化反應(yīng),得大環(huán)內(nèi)酰胺1.10?；衔?.10經(jīng)比施勒-納皮耶拉爾斯基反應(yīng)(Bischler-Napieralski reaction)順利構(gòu)建第二個(gè)四氫異喹啉環(huán)狀結(jié)構(gòu)。所合成的化合物1.11經(jīng)硼氫化鈉還原得漢防己甲素前體化合物1.12。最后再次經(jīng)埃施魏勒-克拉克甲基化反應(yīng)可順利實(shí)現(xiàn)外消旋漢防己甲素得全合成。該方法最顯著的優(yōu)點(diǎn)在于,首先作者巧妙地利用比施勒-納皮耶拉爾斯基反應(yīng)順利構(gòu)建二氫異喹啉環(huán)系。其次,通過銅催化的烏爾曼反應(yīng)實(shí)現(xiàn)二芳基醚單元的構(gòu)建。盡管該全合成方法合成步驟較多,但這實(shí)現(xiàn)了漢防己甲素全合成研究的首次突破。

2020年,Bracher等[31]報(bào)道了另一種線性全合成外消旋漢防己甲素的方法(Scheme 2)。該路線與Scheme 1 所示方法的最大區(qū)別在于,Bracher等主要以3-溴-4,5-二甲氧基苯甲醛為起始原料,在四氫異喹啉環(huán)的構(gòu)建中,該合成路線利用N-?；た颂?施彭格勒縮合反應(yīng)(N-acyl Pictet-Spengler condensation)[32]代替比施勒-納皮耶拉爾斯基反應(yīng)(Bischler-Napieralski reaction),僅需一步反應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)1,2,3,4-四氫異喹啉環(huán)的高效構(gòu)建。同時(shí),在四氫異喹啉環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程中引入的兩個(gè)乙氧羰基,只需一步氫化鋁鋰還原即可實(shí)現(xiàn)氮甲基化。在該報(bào)道中,作者經(jīng)過對合成路線的優(yōu)化,可將外消旋漢防己甲素的全合成路線縮減至12步,極大的提高了該天然產(chǎn)物的構(gòu)建效率。

Scheme 1

Scheme 2

該路線的詳細(xì)步驟為：首先以3-溴-4,5-二甲氧基苯甲醛2.1及硝基甲烷為起始原料,經(jīng)亨利反應(yīng)(Henry reaction),能夠以中等的收率合成多取代硝基苯乙烯2.2,化合物2.2經(jīng)Zn/HCl還原,可實(shí)現(xiàn)硝基與雙鍵的同時(shí)還原生成多取代芳基乙酰胺2.3。隨后與氯甲酸乙酯反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氨基的保護(hù),同時(shí)生成相應(yīng)的碳酸酯化合物2.4。經(jīng)此兩步反應(yīng),化合物2.2能夠以70%的收率合成碳酸酯化合物2.4?；衔?.4與甲基苯乙烯醚在酸催化下,可實(shí)現(xiàn)N-酰基化皮克特-施彭格勒縮合反應(yīng),以47%的收率實(shí)現(xiàn)外消旋四氫異喹啉2.6的構(gòu)建。在此步N-酰基化皮克特-施彭格勒縮合反應(yīng)過程中,反應(yīng)具有中等收率及非常高的區(qū)域選擇性。在完成具有1-芐基四氫異喹啉骨架化合物2.6的構(gòu)建后,在溴化亞銅催化下,化合物2.6與N-乙氧羰基苯乙胺2.5順利進(jìn)行烏爾曼類型的碳-氧偶聯(lián)反應(yīng)(Ullmann-type C—O coupling),能夠以41%的收率獲得關(guān)鍵中間體2.8。中間體2.8經(jīng)鈀催化的氫化還原實(shí)現(xiàn)芐基保護(hù)基的脫除,緊接著在三氟乙酸催化下與甲基苯乙烯醚再次進(jìn)行N-?；た颂?施彭格勒縮合反應(yīng),能夠以96%的收率、1/1的非對映選擇性得到中間體2.10。化合物2.10經(jīng)分子內(nèi)的碳-氧偶聯(lián)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)大環(huán)醚2.11的構(gòu)建。最后,經(jīng)氫化鋁鋰還原乙氧羰基,能夠以98%的收率順利實(shí)現(xiàn)外消旋漢防己甲素的合成。

在藥物合成或天然產(chǎn)物全合成中,匯聚合成通過分別構(gòu)建最終產(chǎn)物所需的中間體,再由中間體合成最終的目標(biāo)產(chǎn)物。相較于線性合成法,匯聚合成能夠簡化合成步驟,降低物料成本,縮短合成周期,并且更加適合工業(yè)放大生產(chǎn)。2019年,金慶平等[33]通過匯聚合成實(shí)現(xiàn)了外消旋漢防己甲素的全合成,該方法分別通過合成關(guān)鍵四氫異喹啉中間體3.11及4.8。隨后經(jīng)兩步烏爾曼反應(yīng)實(shí)現(xiàn)大環(huán)醚的構(gòu)建,具體合成路線如下。

首先,3-溴香蘭素3.1以碘甲烷作為甲基化試劑,以85%的收率獲得3-溴-4,5-二甲基苯甲醛3.2。隨后,經(jīng)亨利反應(yīng)(Henry reaction)及氫化鋁鋰還原得到相應(yīng)的苯乙胺3.4,兩步反應(yīng)的收率分別為76%和75%。苯乙胺中間體3.4與預(yù)先合成的苯乙酸3.6在羰基二咪唑作用下,生成相應(yīng)的苯乙酰胺中間體3.7,分離收率能夠達(dá)到72%。緊接著,在脫水劑三氯氧磷的作用下,經(jīng)比施勒-納皮耶拉爾斯基反應(yīng)順利構(gòu)建3,4-二氫異喹啉中間體3.8。接下來經(jīng)硼氫化還原、甲基化反應(yīng)及脫芐基反應(yīng),最后得到關(guān)鍵中間體3.11(Scheme 3)。

Scheme 3

Scheme 4

對于四氫異喹啉中間體4.8,其合成路線與四氫異喹啉中間體3.11的合成基本一致。首先以香蘭素4.1為起始原料,依次經(jīng)芐基保護(hù)、亨利反應(yīng)及氫化鋁鋰同時(shí)還原碳碳雙鍵及硝基順利得到3-甲氧基-4-芐氧基苯乙胺4.4, 3步反應(yīng)的總收率為52%。隨后經(jīng)酰胺化反應(yīng)、比施勒-納皮耶拉爾斯基反應(yīng)、硼氫化還原、N-甲基化反應(yīng)最終得到目標(biāo)中間體4.8、該中間體的總收率為24%(Scheme 4)。

在順利合成四氫異喹啉3.11及4.8的基礎(chǔ)上,碘化亞銅催化的烏爾曼反應(yīng)能夠以58%的收率順利構(gòu)建二芳基醚中間體5.1。隨后酸性條件下脫除芐基保護(hù)基得到中間體5.2,該步收率高達(dá)96%。最后,再次進(jìn)行烏爾曼反應(yīng)能夠以45%的收率得到外消旋漢防己甲素(Scheme 5)。該專利合成方法總收率最高可達(dá)2.2%,在不考慮溶劑回收的條件下,相較于已報(bào)道的合成方法成本降低60%左右,因此具有較高的工業(yè)放大價(jià)值。

Scheme 5

漢防己甲素作為從傳統(tǒng)中草藥中提取而來的大環(huán)生物堿化合物,隨著對其研究的深入,其在治療心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、消化系統(tǒng)疾病以及抗癌方面的應(yīng)用潛力逐漸被發(fā)現(xiàn)。目前,漢防己甲素的各類制劑已納入多地省市的醫(yī)保項(xiàng)目,未來漢防己甲素市場需求必定會不斷增加。當(dāng)前,藥用漢防己甲素全部來源于天然產(chǎn)物分離純化,對漢防己甲素的全合成方面的研究少之又少。在已報(bào)道的全合成路線中,僅僅實(shí)現(xiàn)了外消旋漢防己甲素的合成。基于已有的全合成報(bào)道,不難發(fā)現(xiàn)手性四氫異喹啉的高效構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)光學(xué)純漢防己甲素全合成的研究重點(diǎn)。隨著對漢防己甲素研究的深入,研究人員未來有望在光學(xué)純漢防己甲素的全合成方面取得突破。