马波沙星中间体的合成6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧代-3-喹啉羧酸乙酯的合成

理工学院毕 业 论 文学生姓名： 武志颖 学 号： 12L0151128 专 业： 制药工程 题 目：6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的合成研究 指导教师： 评阅教师： 2016 年 6 月 河北科技大学理工学院毕业论文成绩评定表姓 名武志颖学 号 12L0151128成 绩专 业 制药工程题 目6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的合成研究指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日毕 业 论 文 中 文 摘 要6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯是氟喹诺酮类抗菌药马波沙星的重要中间体。本文以6,7,8,-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯为原料经N-甲基哌嗪亲核取代反应合成6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯。用高效液相色谱法对哌嗪化产品进行含量测定。考察了溶剂、反应温度、反应时间、缚酸剂、物料配比等影响反应收率的主要因素。确定了反应的最佳合成条件为：溶剂为丙酮，反应时间为10 h，温度55 ，n(环合产物):n(N-甲基哌嗪):n(三乙胺)=1:6:2，以6,7,8,-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯计收率为65。产物结构经1H-NMR、FT-IR进行了表征。关键词 6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯 液相检测 合成 工艺优化 本 科 毕 业 论 文 第 II 页 共 II 页毕 业 论 文 外 文 摘 要Title Synthesis of 6,8-difluoro-1,4-dihydro-1-(N-methyl formamide)-7-(4-methyl-1-piperazinyl)-4-oxo-3-quinoline carboxylate ethyl esterAbstract6,8-difluoro-1,4-dihydro-1-(N-methylformamido)-7-(4-methyl-piperazinyl)-4-oxo-3-quinoline carboxylate ethyl ester, which is an important intermediate of Marbofloxacin a new kind of fluoroquinolones. In this paper, 6,7,8-thrifluoro-1,4-dihydro-1-(N-methylformamido)-4-oxo-3-quinoline carboxylate ethyl ester was used as raw material, undergoing nucleophilic substitution with N-methyl piperazine to prepare 6,8-difluoro-1,4-dihydro-1-(N-methylformamido)-7-(4-methyl- piperazinyl)-4-oxo-3-quinoline carboxylate ethyl ester. The content of product was determined by high performance liquid chromatography (HPLC). The effect factors of reaction temperature, time, solvent and material ratio on the product yield were studied in detail. The optimal synthetic conditions of reaction were as follows: reaction solvent was acetone, reaction time was of 10 h, reation temperature was of 55 oC, n(the cyclization product):n(N-methyl piperazine):n(trieylamine)=1:6:2. The total yiled was 65% taking 6,7,8-thrifluoro-1,4-dihydro-1-(N-methylformamido)-4-oxo-3-quinoline carboxylate ethyl ester as the raw material. The structure of the compound prepared was characterized by 1H-NMR and FT-IR.Key Words 6,8-difluoro-1,4-dihydro-1-(N-methylformamido)-7-(4-methyl-piperazinyl)-4-oxo-3-quinolinecarboxylate ethyl ester HPLC Synthesis Process Optimization目 录1 引言12 本课题研究内容12.1 喹诺酮类药物简介22.1.1 喹诺酮类药物的发展概述22.1.2 喹诺酮类药物的作用机制32.1.3 喹诺酮类药物构效关系42.2 马波沙星简介52.2.1 马波沙星的名称与结构52.2.2 马波沙星作用机制62.2.3 马波沙星的应用62.3 合成路线的确立与设计62.4 本课题要研究的问题93 实验仪器与药品113.1 实验仪器与药品113.1.1 实验仪器113.1.2 实验药品124 实验部分134.1 备料过程134.1.1 2,3,4,5-四氟苯甲酰氯的合成134.1.2 3-(甲基-苄基-氨基)-丙烯酸乙酯134.1.3 3-(甲基-苄基-氨基)-2-(2,3,4,5-四氟苯甲酰基)丙烯酸乙酯134.1.4 N-甲基-N-氨基甲酰胺134.1.5 6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的合成134.2 制备6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的具体实验操作145 结构检测确定与实验结果分析155.1 检测前期准备155.2 高效液相色谱165.2.1 紫外检测165.2.2 检测方法175.2.3 标准曲线175.3 6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯合成的工艺优化185.3.1 反应溶剂筛选实验185.3.2 反应温度考察实验195.3.3 反应时间考察实验195.3.4 摩尔配比筛选实验205.3.5 缚酸剂筛选实验及最佳工艺的确定205.3.6 反应后处理过程及产物纯化方法215.4 平行实验与放大实验22结 论23致 谢24参 考 文 献25 本 科 毕 业 论 文 第 26 页 共 26 页1 引言现如今，喹诺酮类药物的地位仅次于-内酰胺的抗生素，在临床上有比较多的应用。在1962年，人们发现了不同于其他类型的抗菌药，也就是萘啶酸。并且经过长时间的研究发展，已经研究出了治疗多种疾病的喹诺酮类药物，其中一些喹诺酮类药物的抗菌作用强大，在抗菌药的历史上有重要意义。这一类药物主要针对于多种革兰氏阴性菌，大多应用于治疗病原微生物所致的人体第一道防线的疾病，如泌尿生殖系统疾病，以及皮肤组织的革兰氏阴性菌感染。喹诺酮药物除了用于治疗人体治疗外，还研发了兽用的抗菌药种类，而人体摄入过多含有喹诺酮药物的动物制品会使人体产生耐药性，因此为了保护人类的身体健康，就有必要研发低毒、低残留、抗菌性能优良的喹诺酮类动物专用抗菌药，这也是当今世界兽药的发展趋势。马波沙星、沙拉沙星、丹诺沙星、达诺沙星是现在常用的动物专用喹诺酮药物。而与本课题相关的马波沙星在治疗对喹诺酮抗菌药具有有效反映的细菌引起的牛、猪、犬、猫的呼吸道、消化道、泌尿道感染方面有良好的疗效。本课题研究的是马波沙星重要中间体的工艺优化，即6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的合成优化，该中间体可以通过六步反应得到，本课题只研究第六步反应的工艺优化。首先，2,3,4,5-四氟苯甲酸与二氯亚砜反应生成2,3,4,5-四氟苯甲酰氯。其次，N-甲基苄胺与丙炔酸乙酯两者发生反应生成3-(甲基-苄基-氨基)-丙烯酸乙酯。之后，由2,3,4,5-四氟苯甲酰氯与3-(甲基-苄基-氨基)-丙烯酸乙酯发生缩合反应生成缩合料3-(甲基-苄基-氨基)-(2,3,4,5-四氟苯甲酰基)丙烯酸乙酯。然后，甲基肼与甲酸甲酯反应生成N-甲基-N-氨基甲酰胺，N-甲基-N-氨基甲酰胺再与前一步所得到的3-(甲基苄基氨基)-(2,3,4,5-四氟苯甲酰基)丙烯酸乙酯成环生成环合产物6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯。最后，6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪反应生成该中间体，即6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯，本步反应属于取代反应，即N-甲基哌嗪取代7位上的氟。通过探讨工艺条件对该中间体收率的影响，做大量单因素试验，找出最优反应溶剂、物料配比，是否加入缚酸剂以及缚酸剂种类的选择，在此基础上进行优化，从而提高该中间体的收率和纯度，为工业化奠定基础，使马波沙星能够尽快得到应用。2 本课题研究内容2.1 喹诺酮类药物简介2.1.1 喹诺酮类药物的发展概述从药物的抗菌作用及活性来看，喹诺酮类药物大致可以分为四代。第一代喹诺酮类抗菌药只对革兰氏阴性菌有作用。这类抗菌药的活性中等，容易在体内代谢，但是作用时间短且毒性较大，长时间使用会产生不利的影响。除此之外，这类药物的抗菌谱较窄，容易与蛋白质结合。因为这些缺陷使得第一代喹诺酮抗菌药在临床应用上受到限制，所以研发了第二代喹诺酮抗菌药。以下为第一代喹诺酮抗菌药的代表药物： 氯喹 萘啶酸 图2-1 第一代喹诺酮类药物结构图随着药物研究的发展，第二代喹诺酮抗菌药的抗菌谱由革兰氏阴性菌扩大到革兰氏阳性菌，同时药物活性增加、毒性减小、耐药性降低。第二代喹诺酮药物与第一代喹诺酮类药物萘啶酸的区别在于它的7位上引入了碱性的含氮基团，提高了分子的碱性与水溶性，因此使抗菌活性增强。之后的诺氟沙星又在6位上引入了氟，后来证明6位上的氟有利于药物进入细菌细胞并且提高了与DNA聚合酶的结合能力，从而使得药物的抗菌活性增加，所以后来开发的喹诺酮药物都保留了6位上的氟和7位上的哌嗪基团。以下是第二代喹诺酮抗菌药的代表药物： 吡哌酸 吡咯米酸图2-2 第二代喹诺酮类药物结构图第三代喹诺酮抗菌药的特征之一是具有抗革兰氏阳性菌和阴性菌的活性，而且对铜绿假单胞菌的作用要比氨基糖苷类抗生素强，除此之外还对衣原体、支原体有抗菌作用，临床上主要用于治疗由对喹诺酮抗菌药具有有效反映的细菌引起的尿道、肠道等感染性疾病。第三代喹诺酮药不仅在6位上引入了氟原子，还将7位上的哌嗪基团改为其电子等排体。这些改变使这类药物有了良好的组织渗透性，也改善了药物代谢动力学性质。第三代喹诺酮药物主要有环丙沙星、氧氟沙星、左氧氟沙星、加替沙星、斯帕沙星等。 环丙沙星 氧氟沙星 左氧氟沙星 加替沙星 斯帕沙星图2-3 第三代喹诺酮类药物结构图第四代喹诺酮类抗菌药物拥有与前几代相比更加繁杂的结构，这些新研发出的药物更加注重药物的选择性和减少对人体的副作用，抗菌活性和对病原体的活性都得以加强。莫西沙星、洛美沙星和西他沙星被人们认为是第四代喹诺酮类药物。而莫西沙星是第四代喹诺酮类抗菌药中抗菌活性最高的一个。以下为第四代喹诺酮抗菌药的代表药物： 莫西沙星 洛美沙星 西他沙星 曲伐沙星图2-4 第四代喹诺酮类药物结构图2.1.2 喹诺酮类药物的作用机制喹诺酮类抗菌药的作用靶点是DNA回旋酶和拓扑异构酶IV，两者都属于同类的DNA酶，而且作用机制相似。细菌的DNA回旋酶由四个亚A基构成，两个使DNA链断裂形成缺口的A聚体组，两个使ATP水解的B聚体组。喹诺酮类抗菌药以氢键的形式与DNA回旋酶-DNA复合物形成新的结合物，使DNA回旋酶失去活性，使染色体复制过程和基因转录过程发生错误。近年来发现拓扑异构酶IV同样也是喹诺酮类抗菌药物的作用靶点它也是由四个亚基组成，与DNA回旋酶作用机制一样，通过与其形成稳定的化合物，进而阻碍细菌细胞的生长分裂1,2。2.1.3 喹诺酮类药物构效关系喹诺酮类药物的构效关系：图2-5 喹诺酮类药物母环结构(1)N-1位N-1位上的取代基与喹诺酮类药物的抗菌作用有关。当取代基为脂肪烃时，抗菌活性最明显的取代基为乙基，由于体积相似的原因，乙烯基、氟乙基的抗菌作用与乙基的相似4-7。由于立体体积、电子供给和空间效应等方面因素的影响，环丙基取代基的抗菌活性要优于乙基取代基，比如环丙沙星，但环丙沙星具有较大的细胞毒性，因此对其进行了改造，用电子等排体顺式氟环丙基代替环丙基得了到西他沙星，西他沙星有更强的抗菌活性，而且细胞毒性也明显降低5。(2)C-2位研究发现，C-2上引入取代基后，空间位阻变大将会影响喹诺酮类抗菌药与受体的结合，进而使抗菌作用降低甚至消失4。(3)C-3位与C-4位C-3位上的羧基与C-4上的酮羰基是喹诺酮药物具有抗菌活性的必需基团，变化较小。3位羧酸基可以由其他酸性基团代替，比如乙酸基、磷酸基、磺酰氨基，而4位酮羰基由硫酮基、亚氨基代替时会导致活性减弱1。(4)C-5位早期研究认为当5位有取代基时会使药物活性降低，然而近些年的研究却得出了与之前结论相反的结果。C-5位上可以用氨基取代也可以用甲基取代，人们发现当5位上用氨基取代时，药物的抗菌活性将会有所提高，比如斯帕沙星，斯帕沙星对革兰氏阳性菌及阴性菌都用明显的效果。除此之外，C-5位被氨基取代时，N-1位用环丙基取代时可以得到更好的抗菌效果，若此时在N-1位上引入乙基则会导致抗菌效果变差，使药物抗菌活性降低。与之相似，C-5位被甲基取代时，N-1位引入环丙基可以得到较高的药物活性，而引入乙基或叔丁基取代物的抗菌效果不佳。(5)Y-6位当Y-6位上引入氟原子时，由于氟原子的存在增强药物与DNA回旋酶的结合力以及细菌细胞壁的通透性，从而使药物抗菌活性增加1。Y-6位上不同取代基对活性的影响强弱顺序为：HNH2CNClF。(6)C-7位C-7位引入五元环或六元环时，药物活性明显增强，其中哌嗪为取代基时得到的药物抗菌活性最佳。因此，第三代喹诺酮药物的C-7位上大多是哌嗪或其电子等排体。虽然哌嗪取代基药物活性最好，但是由于哌嗪取代基的出现使药物与GABA受体的亲和力也增强了不少，造成了中枢副作用1。(7)X-8位8位上常用的取代基有氟、甲氧基、氯、硝基、氨基，其中氟取代时药物活性最佳，但是卤素会对药物的光毒性产生影响，其大致顺序为C-FC-ClNC-HC-CF3C-OCH3。因此8位上被甲氧基取代时，对这一部位的改造可以使光毒性减小，比如格替沙星、莫西沙星。2.2 马波沙星简介2.2.1 马波沙星的名称与结构中文名称：马波沙星或麻保沙星英文名称：Marbofloxacin 化学名：9-氟-2,3-二氢-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪基)-7-氧-7H-吡啶-3,2,1-ij(4,1,2)苯并噁二嗪-6-羧酸结构式： 分子式：C17H19FN4O4分子量：362.35CAS No：115550-35-1性质：一般为白色或淡黄色结晶性粉末，熔点268-271C，在水中极微溶解，在盐酸或氢氧化钠溶液中易溶解，制成钠盐后易溶于水，水溶液显碱性。2.2.2 马波沙星作用机制快速杀菌是第四代喹诺酮抗菌药物最引人注目的优点之一。与大多数喹诺酮类药物相似，马波沙星通过抑制DNA螺旋酶，破坏其活性，进而影响DNA超螺旋合成，使染色体复制过程和基因转录过程出现中断，进而使细菌细胞停止生长分裂，起到杀菌效果。2.2.3 马波沙星的应用马波沙星属于氟喹诺酮类兽用抗菌药，除了用于治疗猫的皮肤感染、急性呼吸道感染和软组织感染外，还可以治疗犬尿路感染和皮肤感染。同时还可以治疗牛、羊的乳腺炎和猪乳腺炎-子宫炎-无乳综合征。目前在国内马波沙星生产不稳定，无法进行大规模工业化生产，因此对其合成路线的研究具有很大的工业价值。2.3 合成路线的确立与设计经过查阅相关文献2,8,9，本文总结出以下几种合成路线。路线一(本实验选定的合成路线)：本路线以2,3,4,5-四氟苯甲酸为原料，首先2,3,4,5-四氟苯甲酸与二氯亚砜发生酰氯化反应生成2,3,4,5-四氟苯甲酰氯，之后丙炔酸乙酯与N-甲基苄胺生成3-(甲基苄基氨基)丙烯酸乙酯，以上两步得到的化合物经过缩合生成3-二烷基氨基-2-(2,3,4,5-四氟苯甲酰基)丙烯酸乙酯,经过胺交换，与N-甲基哌嗪发生缩合反应，在浓KOH溶液中水解后，在甲醛/甲酸溶液的条件下发生环合反应，最后中和得到9-氟-2,3-二氢-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪)-7-氧-7H-吡啶-3,2,1-ij4,1,2-苯并噁二嗪-6-羧酸，即马波沙星。该路线操作简单，反应条件相对温和，没有涉及剧烈毒性的药品，研究成本较低，收率较好，同时对环境并不恶劣影响，因此选用此路线进行研究设计。反应路线如下： 图2-6 文献合成路线一路线二：本路线同样以2,3,4,5-四氟苯甲酸为起始原料，首先与二氯亚砜发生酰氯反应，再发生丙二酸二乙酯酰化反应，然后在对甲苯磺酸催化的条件下脱掉一个羧基，在醋酸酐条件下与原甲酸三乙酯发生缩合反应，再经过胺交换，分子内亲核取代反应，与N-甲基哌嗪发生缩合反应，在浓KOH溶液中水解后，在甲醛/甲酸溶液的条件下发生环合反应，最后氨水中和得到9-氟-2,3-二氢-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪)-7-氧-7H-吡啶-3,2,1-ij4,1,2-苯并噁二嗪-6-羧酸。反应路线如下：图2-7 文献合成路线二路线三：与前两条合成路线不同，该路线是以2,3-二氟-6-硝基苯酚为起始原料，经过催化加氢等一系列反应得到9-氟-2,3-二氢-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪)-7-氧-7H-吡啶-3,2,1-ij4,1,2-苯并噁二嗪-6-羧酸，即马波沙星。但是该路线使用了有爆炸危险的按化试剂，同时考虑该路线比较复杂，反应要求较高，因此该路线仅适合实验室少量制备，无法实现工业化。反应路线如下：图2-8 文献合成路线三2.4 本课题要研究的问题马波沙星作为一种全合成的氟喹诺酮类抗菌药，其作用机制是通过抑制DNA螺旋酶和拓扑异构酶IV的合成进而起到抑菌作用。对于氟喹诺酮类药物来说，对1,5,6,7,8位的改造可以改变药物的活性，喹诺酮母环的7位带有含氮杂环是氟喹诺酮类药物的特征之一，尤其是7位取代基的改变对抗菌谱和药代动力学有显著影响。目前常用的环丙沙星和左氧氟沙星作为第三代喹诺酮类药物的杰出代表，都在7位上有哌嗪取代基，它们对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都有良好的抗菌效果。因此7位取代的改造成为该类药物的研究重点，而对7位上的改造通常都是通过亲核取代反应引入一个含氮杂环3。本课题主要对“6,7,8,-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪发生亲核取代反应生成6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯”的工艺路线进行优化，该工艺路线主要发生7位亲核取代反应，即N-甲基哌嗪取代7位氟。 图2-9 6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的合成路线取代反应是有机合成中较常见的一种反应类型，其大致可分为亲核取代、亲电取代、均裂反应和协同反应四大类，本课题仅涉及分子内亲核取代反应。经查阅文献可知2，能够降低喹诺酮母核7位上电子云密度的取代基将有利于7位亲核取代反应的发生，因此一个好的离去基团通常在其邻位或对位具有强吸电子基。而6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的4位羰基就具有这样的特性，处于7位对位的4位羰基可以使7位的电子云密度降低，因此亲核取代反应主要发生在7位上。在7位亲核取代反应中，N-甲基哌嗪在反应中既是反应原料也是缚酸剂，被取代基团的离去能力越强，反应速率就会越快，选择性就会越高，因此收率也较高。但是由于N-甲基哌嗪价格较贵，因此在本课题中通过加入其他五种常用缚酸剂，即碳酸钠、碳酸钾、醋酸钠、醋酸钾和三乙胺，以达到降低N-甲基哌嗪使用量的目的。图2-10 7位亲核取代反应机理3 实验仪器与药品3.1 实验仪器与药品3.1.1 实验仪器表3-1 实验仪器一览表仪器名称型号生产厂家四口瓶100 mL天津市北方化学试剂玻璃仪器有限公司单口瓶100 mL天津市北方化学试剂玻璃仪器有限公司量筒10 mL蜀牛分液漏斗250 mL蜀牛恒压滴液漏斗30 mLBomex玻璃仪器厂烧杯250 mL蜀牛抽滤瓶250 mL蜀牛布氏漏斗小型石家庄光明化工设备有限公司冷凝管直型光明仪器厂循环水式多用真空泵SHB-B95郑州长城科工贸有限公司EYELA油浴锅OSB-2100上海爱朗仪器有限公司EYELA冷却水循环装置CCA-1111上海爱朗仪器有限公司EYELA旋转蒸发仪M-1100上海爱朗仪器有限公司磁力电动搅拌98-2上海司乐仪器有限公司紫外分析仪WFH-203B杭州齐威仪器有限公司电子天平JJ500常熟市双节测试仪器厂循环水式真空泵SHZ-D(III)巩义市子华仪器有限公司高效液相自动进样器Waters 2707美国Waters高效液相检测器Waters 2998美国 Waters高效液相二元泵Waters 1525美国Waters电热恒温鼓风干燥箱DHG-9423A上海精宏实验设备有限公司3.1.2 实验药品表3-2 实验药品一览表药品名称纯度生产厂家石油醚分析纯天津市津东天正精细化学试剂厂氯化钠分析纯天津市博迪化工股份有限公司碳酸钾分析纯天津市恒兴化学试剂制造有限公司甲苯分析纯石家庄市北方化学试剂有限公司DMF分析纯天津市津东天正精细化学试剂厂乙酸乙酯分析纯天津市永大化学试剂有限公司无水硫酸镁分析纯天津市大茂化学试剂厂三乙胺分析纯天津市永大化学试剂有限公司二氯甲烷分析纯天津市大茂化学试剂厂氨水分析纯石家庄市试剂厂醋酸钾分析纯天津市博迪化工股份有限公司甲醇色谱纯天津彪仕其科技发展有限公司4 实验部分4.1 备料过程4.1.1 2,3,4,5-四氟苯甲酰氯的合成2,3,4,5-四氟苯甲酸与二氯亚砜发生酰氯化反应生成2,3,4,5-四氟苯甲酰氯。4.1.2 3-(甲基-苄基-氨基)-丙烯酸乙酯的合成丙炔酸乙酯与N-甲基苄胺反应生成3-(甲基-苄基-氨基)-丙烯酸乙酯。4.1.3 3-(甲基-苄基-氨基)-2-(2,3,4,5-四氟苯甲酰基)丙烯酸乙酯的合成2,3,4,5-四氟苯甲酰氯与3-(甲基-苄基-氨基)-丙烯酸乙酯发生缩合反应，生成3-(甲基-苄基-氨基)-2-(2,3,4,5-四氟苯甲酰基)丙烯酸乙酯。4.1.4 N-甲基-N-氨基甲酰胺的合成甲基肼与甲酸甲酯反应生成N-甲基-N-氨基甲酰胺。4.1.5 6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的合成新制的N-甲基-N-氨基甲酰胺与3-(甲基-苄基-氨基)-2-(2,3,4,5-四氟苯甲酰基)丙烯酸乙酯在碳酸钠条件下发生环合反应，生成6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯。通过备料过程为后期条件筛选实验制得约50 g的6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基) -4-氧-3-喹啉羧酸乙酯。4.2 制备6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的具体实验操作以丙酮为溶剂、三乙胺为缚酸剂、6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯、N-甲基哌嗪和三乙胺的摩尔比为1:6:2的实验举例说明本实验的具体操作。首先称取1 g(0.00304 mol)的6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯，然后用量筒量取10 mL丙酮作为溶剂，再量取0.65 g(0.00608 mol)的三乙胺，将三者一起加入到四口瓶中，打开搅拌和加热。20 min后待温度升高至55 时有回流现象出现，使用滴液漏斗分三次滴加总量1.83 g(0.01824 mol)的N-甲基哌嗪(分批加入N-甲基哌嗪的原因是为了避免发生6位取代)。滴加完毕后，加热回流10 h。通过TLC观察反应情况，发现无原料剩余后停止反应，得到棕色透明溶液。使用旋转蒸发仪将反应液蒸干后，向其加入20 mL的CH2Cl2溶解固体，然后将其倒入分液漏斗中，用30 mL的水将有机相水洗三次，合并三次所得有机相，再加入适量无水MgSO4除去残留的水。抽滤除掉无水硫酸镁后将得到的有机相旋蒸以除去CH2Cl2。第二次旋蒸得到目标产物即6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的粗产品，对粗产品进行重结晶。先向粗产品中加入5 mL乙酸乙酯，打开搅拌，带固体完全溶解后，使用滴液漏斗滴加10 mL石油醚，滴加完毕后，搅拌1 h。最后抽滤得到较纯的目标产品，干燥后得到0.88 g 产品，经高效液相色谱检测后由峰面积计算收率。5 结构检测确定与实验结果分析5.1 检测前期准备经查阅文献，确定合成路线。以丙酮为溶剂，N-甲基哌嗪适当过量，加入缚酸剂，加热回流10 h时，反应结束，得到哌嗪化的粗品。粗品经柱层析（层析液为：VCH2Cl2 :V CH 3OH=50:1)与重结晶（结晶试剂为：V乙酸乙酯:V石油醚=1:2)技术结合得到纯品，并对其进行表征。图5-1 6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7- (4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的1H-NMR图1H-NMR: (500MHz, CDCl3), :8.44(s, 1H), 8.27(t, 1H), 7.91(d, 1H), 4.38(s, 2H), 3.55(s, 3H), 3.39(d, 3H),2.54(s, 4H), 2.36(s, 4H), 1.40(s, 3H).图5-2 6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7- (4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的IR图FT-IR:(KBr), ,cm-1:3063(苯环,-CH), 2792(-CH2,-CH3), 1730(-C=O), 1618(烯烃,-C=C-), 1476(苯环,-C=C-), 1255(C-N), 1040(C-O), 827(-C-H)5.2 高效液相色谱5.2.1 紫外检测314 nm286 nm图5-3 6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的UV图紫外检测显示目的产物即6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯最大吸收波长为286 nm和314 nm。我们分别在286 nm和314 nm处做了产品的高效液相检测，图谱显示检测波长为286 nm时液相图出峰相对少，鉴于本实验只需计算产品收率的实验目的，我们选择286 nm作为检测波长。5.2.2 检测方法柱 温：40 流 速：1 mL/min进样量：10 L色谱柱：Shield RP18 3.5 m 4.6150 mm流动相：甲醇/磷酸盐缓冲液（pH=7.0）= 40/60(V/V)检测波长：286 nm5.2.3 标准曲线取300 mg纯的6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯加入50 mL的容量瓶中，定容，用移液管分别移取0.1 mL、0.5 mL、0.8 mL、1.2 mL、1.2 mL、2.0 mL、2.5 mL，分别移入10 mL容量瓶中，定容，用注射器取1 mL，通过滤膜注入液相小瓶中，即得所配纯品的浓度分别为60 ppm、300 ppm、480ppm、720 ppm、960 ppm、1200 ppm、1500 ppm，下面为液相检测的峰面积数据。表5-4 目标产品标准曲线数值表浓度/ ppm有效浓度/ ppm峰面积6060.322903391.5300301.5813507985.0480482.5321767013.5720723.7933020094.5960965.0544156983.012001120.6354043857.015001507.9068006012.0图5-5 6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯的标准曲线图R2达到三个9，浓度范围在0.06 mg/mL至1.5 mg/mL内符合线性要求。5.3 6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯合成的工艺优化根据实验目的，本实验首先通过6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪的摩尔配比实验，筛选出合适的摩尔配比，再通过反应温度考察实验、反应时间考察实验和溶剂筛选实验确定出合适的反应温度、反应时间和反应溶剂，之后通过缚酸剂实验选出合适的缚酸剂，最后综合考虑纯度和液相收率确定最佳工艺。（每次6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯反应用量均为1 g即0.00304 mol）。5.3.1 反应溶剂筛选实验在反应过程中，溶剂作为一个稀释剂，可以促使反应分子均匀分布和增加分子间的碰撞机会，与此同时反应溶剂还与反应系统的散热或传热有关15。适当的反应溶剂可以使反应速率提高，增加实验操作的便利性，因此选择合适的反应溶剂对本课题有重要意义。本课题选用了三种常用溶剂进行筛选实验，分别为丙酮、DMF和甲苯。同时保持其他条件不变：6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪的不同摩尔配比为1:8，反应温度为回流温度即55 ，反应时间为10 h，实验结果见下表：表5-6 溶剂筛选实验结果溶剂种类丙酮甲苯DMF液相收率/%68.6819.3221.27通过分析可以看出反应溶剂为丙酮时，液相收率较高，且丙酮沸点较低容易操作和控制，因此选用丙酮作为该取代反应的溶剂。5.3.2 反应温度考察实验通常来说提高反应温度有利于加快反应速率、减小反应时间，但是温度过高又会生成不必要的杂质，降低反应的选择性，理想的反应温度应该是在可接受的反应时间内得到高质量的产物的浓度。一般的来说，中试放大和工业生产的反应温度控制在-30120，在这个温度范围内的反应在工业上容易控制实现，超出此温度范围的反应需要专门的设备15。本课题中，反应各组分在回流温度下可以溶解完全，TLC反应状况良好，且回流温度容易控制，因此确定溶剂回流温度为反应温度。6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪在该温度下发生取代反应不仅可以减少副产物的产生，还可以避免能源损耗，由于反应中化学试剂和反应所需设备不需加热，因此还易于进行大规模生产。5.3.3 反应时间考察实验在考察反应时间除了考虑转化率问题外，还需考虑在中试放大和工业生产时减少反应设备的占用时间，两者之间需要达到一种平衡。由于大多数反应在中试放大和工业生产时反应时间会延长，因此在进行实验室工艺优化中需要对可能出现的问题进行预测。若随着反应时间延长，产物在反应条件下生成副产物或者出现降解，需要及时采取措施停止反应。本课题中，通过TLC跟踪整个反应过程，发现反应进行10 h时原料完全反应，反映情况良好，因此确定反应时间为10 h。5.3.4 摩尔配比筛选实验为降低投入成本、提高反应的收率，加入反应旳试剂、原料和溶剂应最小化。最大限度地减少加料总量，同时也节约了后处理过程所需要的时间及资金，这对降低生产成本和提高生产效率有重要意义。但是试剂的最小用量应该保证在反应时间内该反应能够充分进行，基于此原因，本实验首先设计了6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪的不同摩尔配比的实验。在此条件试验中考虑6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪的配料比为1:2、1:4、1:6、1:8、1:10、1:12，同时保证其他反应条件不变：反应溶剂为丙酮，反应温度为回流温度即55 ，反应时间为10 h。实验结果见下表：表5-7 摩尔配比实验结果n(环合产物):n(N-甲基哌嗪)1:21:41:61:81:101:12 液相收率/%61.7264.2266.1368.6860.7265.91结合液相收率考虑，可以发现6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪的配料比为1:8时，反应得到产品的液相收率最高为68.68，因此确定两者配料比为1:8，并以此设计了缚酸剂筛选实验。5.3.5 缚酸剂筛选实验缚酸剂可以吸收反应中产生的酸，即弱碱性物质与酸成盐，缚酸剂的使用可以使反应充分进行，常用的缚酸剂有碳酸钾、碳酸钠、三乙胺和吡啶等。在本实验中，需要吸收反应中生成的氟化氢，N-甲基哌嗪既是反应原料也是缚酸剂，又通过配比实验可知，6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯与N-甲基哌嗪配比为1:8时反应进行的最好，同时考虑N-甲基哌嗪较贵，因此选用其他缚酸剂来代替N-甲基哌嗪，以此降低其使用量。本实验选择的缚酸剂有碳酸钾、醋酸钾、醋酸钠以及三乙胺，通过固定缚酸剂与N-甲基哌嗪的量来确定加缚酸剂时的物料配比。实验结果见下表：表5-8 缚酸剂为碳酸钠实验结果n(环合产物):n(N-甲基哌嗪):n(碳酸钠)1:4:41:5:31:6:21:7:1液相收率/%34.5238.9145.0337.06表5-9 缚酸剂为碳酸钾实验结果n(环合产物):n(N-甲基哌嗪):n(碳酸钾)1:4:41:5:31:6:21:7:1液相收率/%33.1640.5143.9641.18表5-10 缚酸剂为醋酸钠实验结果n(环合产物):n(N-甲基哌嗪):n(醋酸钠)1:3:51:4:41:5:31:6:21:7:1液相收率/%52.3450.3759.0862.8961.70表5-11 缚酸剂为醋酸钾实验结果n(环合产物):n(N-甲基哌嗪):n(醋酸钾)1:3:51:4:41:5:31:6:21:7:1液相收率/%51.1352.2955.8863.4358.87表5-12 缚酸剂为三乙胺实验结果n(环合产物):n(N-甲基哌嗪):n(三乙胺)1:2:61:3:51:4:41:5:31:6:21:7:1液相收率/%53.8752.3660.5159.6166.5163.45通过液相收率可以看出：当6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基) -4-氧-3-喹啉羧酸乙酯、N-甲基哌嗪与缚酸剂摩尔配比为1:6:2时，液相收率高于其他摩尔配比的情况。缚酸剂为醋酸钾(醋酸钠)的液相收率要明显高于缚酸剂为碳酸钾(碳酸钠)时的液相收率，因此可以推断出缚酸剂为有机碱的效果要明显优于缚酸剂为无机碱的效果。而缚酸剂为醋酸钠和缚酸剂为醋酸钾的数据通过比较可知，有机碱选择钠盐或钾盐的效果相似。缚酸剂为三乙胺的液相收率要明显优于其他三种缚酸剂，这说明缚酸剂为液体时的效果要明显优于缚酸剂为固体时的效果。5.3.6 最佳工艺的确定通过溶剂筛选实验、反应时间与反应温度的考察、摩尔配比实验以及缚酸剂筛选实验，综合考虑纯度和液相收率，本课题确定了最佳工艺条件，即反应溶剂为丙酮，反应温度为回流温度55 ，反应时间为10 h，缚酸剂为三乙胺，6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯、N-甲基哌嗪与三乙胺摩尔配比为1:6:2，并以此为基础进行平行实验和放大实验。5.3.6 反应后处理过程及产物纯化方法化学反应结束后，目标产物可能会与未反应的底物和试剂、反应生成的副产物以及溶剂等杂质混合在一起，因此需要对得到的粗产品进行后处理和纯化，同时要求后处理和提纯的方法以最经济的工艺得到质量合格的产物。本课题采用的后处理方法是萃取，由于6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯可以在二氯甲烷中很好的溶解，并且二氯甲烷不与被提取的目标产物发生反应，还有沸点较低易与被提纯物质分离易于回收的优点，因此选择二氯甲烷作为萃取试剂，并且舍去水相。对于萃取次数，通常萃取3次后就可以得到满意的效果，将三次萃取所得的有机相合并。对于萃取中出现的乳化现象，本课题采用加入饱和氯化钠溶液进行破乳以增大两相溶剂密度差。后处理得到6,8-二氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺)-7-(4-甲基-1-哌嗪基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯粗产品后，本课题采用重结晶的方法对目标产物的粗品进行纯化。一般来说单一溶剂对产物进行结晶不能得到很好的效果，因此本课题使用混合溶剂进行重结晶，通过比较选择乙酸乙酯与石油醚(V乙酸乙酯:V石油醚=1:2)。5.4 平行实验与放大实验根据最佳工艺条件，即反应溶剂为丙酮，反应温度为回流温度55 ，反应时间为10 h，缚酸剂为三乙胺，6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯、N-甲基哌嗪与三乙胺摩尔配比为1:6:2，本课题设计了平行实验与放大实验。平行实验是在最佳工艺条件下，投入1 g(0.00304 mol)的6,7,8-三氟-1,4-二氢-1-(N-甲基甲酰胺基)-4-氧-3-喹啉羧酸乙酯、1.83 g(0.01824 mol)的N-甲基哌嗪、0.65 g(0.00608 mol)的三乙胺和10 mL的丙酮，而放大实验是在最佳工艺条件下放大20倍，即投入20 g(0.0608 mo