通過有機化學(xué)實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生新藥研發(fā)能力

陳韶蕊, 余旭東

(河北科技大學(xué) 理學(xué)院，石家莊 050018)

0 引 言

有機化學(xué)是一門理論性、實踐性很強的學(xué)科，是應(yīng)用化學(xué)、藥學(xué)、制藥、環(huán)境和高分子材料等眾多專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，其重要性是不言而喻的。“化學(xué)實驗課是實施全面化學(xué)教育的一種最有效的教學(xué)形式”[1]。但傳統(tǒng)的有機化學(xué)實驗多是經(jīng)典實驗，學(xué)生只是按照指導(dǎo)照方抓藥，偏重于驗證性，缺乏創(chuàng)新性，不利于學(xué)生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。

加強科教融合，以科學(xué)研究促進實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新是高校構(gòu)建高水平人才培養(yǎng)體系、培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的重要途徑[3-5]。甾體類藥物是非常重要的一類藥物，超過300余種甾體類化合物被應(yīng)用于臨床疾病的治療，是僅次于抗生素的第二大類藥物[6-7]。由于甾體化合物本身所具有的潛在抗腫瘤、抗衰老、抗菌、消炎、抗艾滋病毒等生物活性，所以基于甾體的新藥研發(fā)一直是新藥研發(fā)的熱門領(lǐng)域[8-12]。本文結(jié)合多年來從事有機化學(xué)教學(xué)實踐以及制藥企業(yè)對學(xué)生的實際需求，選取了科研項目中較為成熟的部分科研成果—氨基甾體衍生物的合成，將其開發(fā)為綜合創(chuàng)新型實驗。通過將教師的部分科研工作內(nèi)容轉(zhuǎn)化為綜合實驗，不僅滿足了為綜合實驗提供新技術(shù)、新應(yīng)用和新視野的要求，同時激發(fā)了學(xué)生的科研興趣和創(chuàng)新理念，提高了學(xué)生分析和解決問題的綜合能力。

從新藥研發(fā)實際出發(fā)，強化學(xué)生開放性思維的培養(yǎng)，通過對官能團保護、選擇性脫保護，羥醛縮合及環(huán)加成反應(yīng)等多步反應(yīng)，使學(xué)生掌握各步反應(yīng)的原理及技能，利用MestRec進行數(shù)據(jù)處理并通過波譜分析的知識分析和確認(rèn)化合物結(jié)構(gòu)，進一步利用奧弗豪塞爾核效應(yīng)(Nuclear Overhauser Effect, NOE)圖譜分析新引入手性碳的構(gòu)型，體現(xiàn)理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)的緊密結(jié)合，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才奠定了基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑：二氯甲烷、乙酸乙酯、石油醚，雄烯二酮，對甲基苯磺酸，鹽酸，乙醇，對甲基苯甲醛，水合肼，氫氧化鉀，氟化鉀，三氧化二鋁等。

主要儀器：磁力攪拌器，電子天平，三用紫外儀，循環(huán)水泵，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，500 MHz 核磁共振波譜儀等。

1.2 氨基甾體衍生物的合成路線

氨基甾體衍生物的合成如圖1所示，以雄烯二酮為原料，首先以乙二醇進行羰基的保護，選擇性的脫除17位的保護，16位引入苯亞甲基再環(huán)合得目標(biāo)化合物。

圖1 氨基甾體衍生物的合成路線

1.2.1 3,3,17,17-亞乙二氧基-5-雄烯二酮的合成(1)

將10.0 g (35.0 mmol) 雄烯二酮 (AD)，苯200 mL，乙二醇50 mL，對甲苯磺酸0.35 g (1.9 mmol) 加入500 mL四口瓶中，加裝分水器，冷凝管，加熱回流48 h后反應(yīng)完全，冷卻至室溫。加入適量飽和碳酸鈉溶液調(diào)中性，分出有機層，水層二氯甲烷萃取(50 mL×3)，合并有機層，水洗(100 mL×3)，無水硫酸鎂干燥，過濾旋蒸得粗品，無水乙醇重結(jié)晶得白色固體7.9 g，產(chǎn)率60.2%;熔點(m.p.) 169～171 ℃，與文獻值一致[13]；1H NMR (CDCl3, 500 MHz), δ: 0.87 (3H, s, 18-CH3). 1.03 (3H, s, 19-CH3), 3.82 (8H, m, OCH2CH2O), 5.36 (1H, m, 6-H)。

1.2.2 3, 3-亞乙二氧基-17-酮-5-烯雄甾烷的合成(2)

在三口瓶中加入5.0 g (13.5 mmol)化合物1，丙酮300 mL，HCl 25 mL (0.1 mol/L)，常溫下攪拌12 h停止反應(yīng)。加入適量飽和碳酸鈉溶液調(diào)中性，二氯甲烷萃取(50 mL×3)，合并有機層，水洗(100 mL×3)，無水硫酸鎂干燥，抽濾旋蒸得粗品，柱色譜分離提純得類白色固體3.13 g，產(chǎn)率73.5%; m.p. 194～196 ℃，與文獻值一致[13]；1H NMR (CDCl3, 500 MHz), δ: 0.89 (3H, s, 18-CH3), 1.06 (3H, s, 19-CH3), 3.95 (4H, m, OCH2CH2O), 5.38 (1H, m, 6-H)。

1.2.3 3, 3-亞乙二氧基-16-對甲基苯亞甲基-17-酮-5-烯雄甾烷合成(3)

在單口瓶中加入1.0 g (1.8 mmol) 化合物2, 乙醇50 mL, 對甲基苯甲醛 (0.24 g, 2.0 mmol), KF/Al2O3催化劑 (0.29 g, 1.8 mmol), 加熱回流4 h，冷至室溫，過濾濃縮得粗品，乙醇重結(jié)晶得純品0.64 g，產(chǎn)率82.1%; m.p. > 250 ℃；1H NMR (CDCl3, 500 MHz), δ: 0.98 (3H, s, 18-CH3), 1.09 (3H, s, 19-CH3), 2.39 (3H, s, Ph-CH3), 3.95 (4H, m, OCH2CH2O), 5.40 (1H, m, 6-H), 7.22 (2H, d,J=8.5 Hz, Ph), 7.42 (1H, s, =CH-Ph), 7.45 (2H, d,J=8.5 Hz, Ph)。

1.2.4 3, 3-亞乙二氧基-[16,17-c]吡唑-5′-對甲基苯基-5-烯雄甾烷的合成(4)

將化合物3 (0.43 g, 1.0 mmol), 無水乙醇8 mL, 0.36 g ( 4.0 mmol) 水合肼加入三口瓶中加熱回流10 h，反應(yīng)完全，蒸除溶劑，加入適量冰水冷卻0.5 h，抽濾得粗品，甲醇重結(jié)晶得類白色固體0.24 g, 產(chǎn)率50.2% ; m.p. 183～185 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件選擇

藥物分子中存在多種官能團，為了能夠讓化學(xué)反應(yīng)選擇性在某個官能團上進行，非常有必要對官能團進行保護。在選擇保護基時，要考慮到保護基的引入和脫除的操作簡單，收率高且在保護階段各種反應(yīng)條件下穩(wěn)定等各種因素[14-15]。綜合考慮后利用乙二醇進行雄稀二酮的3位和17位羰基的保護，由于甾體17位羰基的反應(yīng)速率大于3位羰基，因此先制備雙保護產(chǎn)物，再選擇性地脫除3位的保護基團。經(jīng)單一條件實驗發(fā)現(xiàn)反應(yīng)48 h,雙保護產(chǎn)物經(jīng)乙醇重結(jié)晶后產(chǎn)率最高達60.2 %。而在脫保護時酸的濃度過大和反應(yīng)時間過長，會得到3位和17位均脫除保護的雄稀二酮，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)利用0.1 mol HCl反應(yīng)12 h，選擇性脫除17位保護產(chǎn)率最佳(73.5 %)。

KF/Al2O3作為一種溫和的固體催化劑，在有機合成上有著廣泛的應(yīng)用，可以高效催化Aldol縮合反應(yīng)[16]。利用羥醛縮合反應(yīng)合成化合物3時，采用KF/Al2O3而摒除強堿條件。由表1所示可知KF/Al2O3與雄烯二酮的摩爾比為1∶1，回流4 h產(chǎn)率可達82.1%，而其他的堿如50% KOH，t-BuOK和CH3ONa等產(chǎn)率均較低或雜質(zhì)多不易分離。

表1 不同催化劑對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

2.2 目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)分析

圖2所示給出了目標(biāo)化合物的1H NMR圖譜。從圖中可見有10組特征質(zhì)子信號峰，具體數(shù)值及氫質(zhì)子的歸屬如下：1.07 (3H, s, 18-CH3), 1.13 (3H, s, 19-CH3), 2.34 (3H, s, Ph-CH3), 3.08-3.14 (1H, m, 16-H), 3.91-3.98 (4H, m, OCH3CH3O), 4.48 (1H, d,J=13.5 Hz, pyrazoline-H), 5.34 (1H, m, 6-H), 5.89 (1H, sb, NH), 7.15 (2H, d,J=8.5 Hz, Ph), 7.35 (2H, d,J=8.5 Hz, Ph)，測試值的積分比與目標(biāo)化合物4中質(zhì)子數(shù)量比一致。

圖2 目標(biāo)化合物的1H NMR圖譜

圖3中的13C NMR 譜給出了27組碳信號峰，100×10-6以上數(shù)值有8組，其中包含有4個芳香環(huán)上的碳(因苯環(huán)的對位取代只顯示4組峰137.34×10-6, 137.04×10-6, 129.23×10-6, 126.82×10-6)，甾體5位和6位雙鍵上碳(140.60×10-6和121.52×10-6)，甾體3位碳和17位碳(3-C: 109.38×10-6, 17-C=N: 177.69×10-6)，另外還有19個烷基碳的信號峰，具體數(shù)值如下：13C NMR (125 MHz, CDCl3) δ: 18.88, 20.34, 20.77, 21.19, 27.62, 30.58, 31.07, 31.30, 34.23, 36.24, 36.98, 39.67, 41.89, 50.21, 59.46, 60.35, 64.31, 64.50, 73.62, 109.37, 121.52, 126.82, 129.23, 137.04, 137.34, 140.60, 177.69，結(jié)合目標(biāo)化合物4的結(jié)構(gòu)，測試值與理論值相符。

圖3 目標(biāo)化合物的13C NMR圖譜

測試目標(biāo)化合物的1H NMR和13C NMR圖譜，只能確定目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)正確，并不能明確新引入手性碳原子的構(gòu)型。利用一維NOE確認(rèn)甾體16位碳上的氫和吡唑啉上5′位氫的構(gòu)型，如圖4所示,溶劑是氘代DMSO。當(dāng)照射吡唑啉上的5′氫(4.48×10-6)時，與化學(xué)位移值為7.35×10-6(Ph-H) 和1.07×10-6(18-CH3) 的質(zhì)子峰顯示有NOE效應(yīng)，而與16位氫((3.08-3.14)×10-6)無NOE效應(yīng)。因18-CH3位于α位，因此確認(rèn)了5′氫同樣處于α位，16位氫位于β位，目標(biāo)化合物的構(gòu)型如圖4所示。

圖4 目標(biāo)化合物的1D NOE圖譜

3 教學(xué)探討

綜合考慮工科專業(yè)的專業(yè)特色和我省藥企對學(xué)生的需要，“氨基甾體衍生物的合成”綜合實驗已在我?；瘜W(xué)類相關(guān)專業(yè)中展開。經(jīng)過課后訪談?wù){(diào)研，課程得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)可，取得了很好的實驗教學(xué)效果。學(xué)生利用薄層色譜(TLC)來跟蹤反應(yīng)進程，對反應(yīng)進程更加直觀地認(rèn)知；分離提純方法中不僅利用了重結(jié)晶的方法，還學(xué)會了利用柱色譜來分離提純化合物。結(jié)構(gòu)分析中要求學(xué)生重點復(fù)習(xí)核磁共振光譜的知識，利用Chemdraw、MestRec等軟件處理和分析實驗中自己得到的數(shù)據(jù)，確認(rèn)目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)型。通過實驗設(shè)計，學(xué)生系統(tǒng)了解了甾體藥物的特點和科研思路；通過查閱文獻、設(shè)計實驗方案、實際操作、數(shù)據(jù)處理和論文寫作等多方面練習(xí)，在獲得全面訓(xùn)練的過程中，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際能力，并將所學(xué)理論知識運動到實踐當(dāng)中，大大調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)了學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

4 結(jié) 語

氨基甾體衍生物的合成的綜合實驗結(jié)合當(dāng)前的社會需求和新藥物研發(fā)的熱點，形成了“基礎(chǔ)-綜合創(chuàng)新”的開放式實驗課程體系，結(jié)合了有機化學(xué)理論課中官能團保護、羥醛縮合和波譜分析等內(nèi)容，既促進了有機化學(xué)基礎(chǔ)理論的教學(xué)，又提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。同時拓寬了學(xué)生的知識面，培養(yǎng)了學(xué)生實驗操作技能、軟件操作等各方面能力，加強了學(xué)生的團隊合作意識，培養(yǎng)了學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，對培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才具有重要意義。