“生物碱Dielsine的全合成”项目的结题报告.doc

“生物碱Dielsine的全合成”项目的结题报告一 摘要本项目成员1人，李舒衡，南京大学化学化工学院2004级本科；指导老师，王少仲副教授，南京大学化学化工学院，有机方向硕导。具有特殊结构的有机小分子与生物受体相互作用，可诱导和调控受体生物学功能。了解生命过程中分子与受体相互作用机制，有助于发现药物先导化合物和药物分子。其中，生物碱是一类具有广泛生物活性的小分子。4-氮杂芴酮类是其中引人注目的一类。在金属催化领域，如过渡金属Fe、Au，对于C-C键，C-N键和C-O键的形成具有独特的机理和选择性。课题的目标是建立从简单非氮环原料多步合成天然含吡啶-2-酮核生物碱Dielsine和4-氮杂芴酮生物碱Onychine的全合成方法学研究，其中包括过渡金属催化新型碳-碳键、碳-氮键和d-酮腈分子内成环合成5-酯基吡啶-2-酮形成方法学研究。项目的实施得到了王少仲老师的悉心指导，到2008年6月至，项目申请专利2项（专利一：合成1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯及其衍生物的方法，申请号：200810019328.2；专利二：生物碱Onychine的合成方法，申请号：200810024895.7），投稿一篇（FeCl3-Promoted 3+3 Cycloaddition: Efficient Preparation of 1,2-Dihydro-2-oxo-3-pyridinecarboxylate and 1,2-Dihydro-2-oxo-3-pyridinecarboxamide Derivatives，submitted）二 正文（一）选题背景我从小就对人类征服疾病的道路特别感兴趣，一战后的300年内挽救了无数生命疟疾特效药奎宁给我留下了深刻的印象。奎宁，就是生物碱(alkaloids)的一种。随着更深入的探究，我了解到生物碱丰富的生理活性使它具有十分有前景的医用和药用价值，但是从自然界提取生物碱不仅有着需要用大量的有机溶剂（对环境不友好）的缺点以外，往往得到的只是极其有限量的提取物，而这远远不能满足医用和研究的需要，所以说寻找新的成功可行的实验室合成方法在推动生物碱的发展方面起着重要的作用。作为一个化学专业的学生，在经过了三年系统性的理论和实验技能的培养后，我取得了年级前20名的成绩，在三年级时，进入实验室开始实践，尝试把学过的知识真正应用到科研中去，锻炼自己的创新能力，用现有的知识来解决未知的问题。在实验室期间，在导师的指导下，我已经进行了带有不同取代基的吡啶类的部分生物碱的合成，掌握了一定生物碱的合成的方法。具有吡啶-2-酮核生物碱Dielsine（1）与Dielsinol（2）是从Guatteria Dielsiana树干中提取而来，具有抗HIV活性和抗菌活性1。而与Dielsine具有类似吡啶酮环骨架的另一种天然生物碱Onychine（3）主要存在于Annonaceae物种之中，经过测试具有明显的抗念珠菌、真菌活性2（图一）。图一 生物碱Dielsine和Onychine的化学结构式1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯结构存在于许多药物分子之中，表现出不同的生物活性诸如抗HIV活性（5）和胞质抑制活性（6）1。选择性地对特定取代1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯母核的2-位进行烷基化修饰得到的分子可以用作Cannabinoid受体拮抗剂（7）和农药除草剂（8）3 (图二)。图二 含有1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯结构的一些物质的化学结构式1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酰胺（7）可以被看作1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯的衍生物。而1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酰胺的Hofmann重排产物1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶胺具有有效的药学活性：如专一性HIV-1逆转录酶抑制剂（8）和凝血酶抑制剂（9）（图三）。图三 含有1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酰胺类似结构物质的化学结构式文献报道合成1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯方法主要包括：方法一，从-烯胺酮（10）碱性条件下与氰乙酸乙酯成环反应3。方法二，从1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲腈（11）酸性条件水解成羧酸然后酯化反应成酯4。方法三，从烯-内酰胺（12）碱性条件下选择性去酰胺芳构化作用合成1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸乙酯5 (图四)。图四 1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯的合成而1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酰胺的合成方法相对单一，通常是从相应从1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲腈（11）部分水解合成7。这些合成1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯和1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酰胺存在局限性，所使用的起始原料如-烯胺酮和烯-内酰胺性质不稳定或者要经过多步合成；而从1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲腈经过氰基衍生化转换成酯和酰胺的方法明显合成效率不高。因此，提出从简单原料起始、符合原子经济性的合成路线很有必要。三价铁盐，作为一种易得，经济，有效的有机反应催化剂，尤其在C-H键的形成，烯的环氧化和铁-卟啉化学领域，早已获得了化学家们的关注8。用三价铁盐替代Bronsted作为Michael加成反应的催化剂，可以在酸性体系中进行，既避免了传统反应中可能发生的副反应，如Aldol环化或反Aldol分解，同时又特别适用于合成含有敏感性基团的目标分子，应用前景广阔。Onychine是具有5H-茚并1,2-b吡啶-5-酮结构的天然生物碱，主要存在于Annonaceae物种之中。一些A环上羟基、甲氧基取代的5H-茚并1,2-b吡啶-5-酮生物碱相继被发现，并且经过测试具有明显的抗念珠菌、真菌活性2(图五)。图五 一些具有5H-茚并1,2-b吡啶-5-酮结构的生物碱的结构式对于合成该类化合物，已有的合成策略一：从AB环构造C环。从茚酮肟-O-2-丁烯基醚（13）高温热解合成4-甲基-5H-茚并1,2b吡啶，然后经过KMnO4氧化生成Onychine9；或者三丁基-茚-3-基亚胺基正磷（14）与2-丁烯-1-醛进行Michael加成/氮杂Wittig/脱氢芳构化联串反应合成出4-甲基-5H-茚并1,2-b吡啶，然后在催化量CrO3和摩尔量过氧化叔丁基氢协同氧化亚甲基生成酮羰基10；还有茚烯胺（15）与4-甲基-1,2,3-三嗪经过反向电子需求的Diels-Alder反应构造出4-甲基吡啶环，然后KMnO4氧化生成Onychine11；或者利用茚（16）与E-4-苯磺酰亚胺基-2-丁烯酸乙酯进行杂Diels-Alder反应生成4-酯基-二氢5H-茚并1,2-b吡啶,接着经过DDQ脱氢、酯基还原和SmI2脱氧后KMnO4氧化生成Onychine12。图六 合成5H-茚并1,2-b吡啶-5-酮骨架合成策略1结构式合成策略二：从AC环构造B环。苯甲酰乙酸乙酯和巴豆醛Michael加成产物与羟胺5+1成环反应生成2-苯基-4-甲基-3-吡啶甲酸酯（17），然后在多聚磷酸作用下分子内Friedel-Crafts反应生成Onychine13；或者用Pd(PPh3)4催化芳基硼酸和2-溴-4-甲基-3-吡啶甲酸酯（18）Suzuki偶联反应生成2-苯基-4-甲基-3-吡啶甲酸酯，然后分子内环合14。合成策略三：从A环构造BC环。Padwa运用Pummerer成环反应/去质子化/环加成联串反应从侧链烯键取代的亚胺基亚砜（19）一步生成五元环和4-甲基-吡啶-2-酮环，然后经过多步修饰生成生物碱Onychine15；或者采用Yb(OTf)3催化联烯基三甲硅基硫代烯酮与亚胺4+2环加成产物d-硫代内酰胺（20），经过氧化、分子内Heck反应、去三甲硅基反应等多步转换合成Onychine16。（图七）图七 合成5H-茚并1,2-b吡啶-5-酮骨架合成策略2、3结构式从前面总结的合成方法可以看出：(1) 从茚结构底物进行高温热解闭环反应或者Diels-Alder成环反应面临条件苛刻、产率低和反应区域选择性差(通常伴有副产物2-甲基-5H-茚并1,2-b吡啶生成)等缺点；(2) 从取代吡啶底物合成Onychine需要强酸强碱条件；(3) 而采用链状底物分步成环的方法步骤冗长，合成效率不高。Au，做为一个贵重的过渡金属，近年来在金属催化领域非常活跃。它有着别的过渡金属所不能比拟的优势：如能够引起碳-氢键的重排和很大程度吸引电子，活化反应基团17。所以，我们尝试用Au()来催化合成吡啶-5-酮环。（二）项目人员和开展情况本项目历时1.5学年，由于大三上学期学习任务较重，项目的主要工作大多在2007-2008学年度第二学期完成。项目成员我一人，自始至终得到了王少仲老师的悉心指导。在项目进展初期，王老师指导我查阅三价铁催化碳-氮键形成的文献并与我讨论如何优化实验条件，例如从溶剂，反应时间和反应温度方面筛选。在实验室进行实验时，遇到了很多和教学实验时不一样的仪器和不同的操作，得到了王老师手把手的知道。在遇到挫折时，王老师都会不厌其烦的与我一起讨论可能的原因。（三）项目的创新点和特色本项目建立了从简单非氮环原料多步合成天然含吡啶-2-酮核生物碱Dielsine和4-氮杂芴酮生物碱Onychine的全合成方法学研究，其中包括过渡金属催化新型碳-碳键、碳-氮键和d-酮腈分子内成环合成5-酯基吡啶-2-酮形成方法学研究。课题中涉及构造1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶环的方法与传统的碱性条件下构造的方法明显不同，本项目使用了酸性溶剂和铁盐催化剂，条件温和、简便可行，特别适合于合成分子中含有碱性敏感基团的1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯和1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酰胺，已申请发明专利。此外，本课题提供了一种新型合成具有抗菌活性天然生物碱Onychine的方法学，与文献报道方法比较：反应条件温和、原料简单易得，已申请发明专利。（四）项目实施情况1 实验说明实验所用药品中，3-胺基-3-氧代丙酸酯、丙二酰胺、不同取代的、-不饱和酮、茚酮和2-丁炔-1-胺为常规方法合成。实验所用溶剂均为分析纯试剂，为直接购得，无说明情况下，未经纯化。催化剂FeCl3和NaAuCl4.2H2O直接购得，纯度大于98%。柱层析所用硅胶为300-400目细硅胶。核磁共振采用BRUCKER DPX-300型核磁共振谱仪，溶剂为CDCl3和DMSO-d6。2 1,2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯及1,2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酰胺的合成（1）1, 2-二氢-4, 6-二苯基-2-氧代-3-吡啶甲酸乙酯（22a）的合成 反应式一 1, 2-二氢-4, 6-二苯基-2-氧代-3-吡啶甲酸乙酯（22a）的合成0.312 g (1.5 mmol)的1,3-二苯基-2-丙烯-1-酮（21a）、0.2358g (1.8 mmol) 3-胺基-3-氧代丙酸乙酯和0.4875 g (3.0 mmol) 无水三氯化铁在丙酸 (3 mL) 溶液中回流反应至原料不再减少(TLC跟踪)。冷却至室温，往体系中加入30 mL盐酸（1.0 M），然后用二氯甲烷提取（30 mL 3），有机相合并后，经饱和碳酸氢钠水溶液（30mL）洗涤、水（30mL）洗涤，无水硫酸镁干燥。减压浓缩，粗产品柱层析。用乙酸/乙醇（1：1）混合溶剂重结晶。表1 不同取代1,2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸乙酯的产率*Ar1Ar2产率（%）aPhPh65b4-CH3C6H4Ph66cPh4-PhC6H469dPh4-ClC6H460(2) 1, 2-二氢-4, 6-二苯基-2-氧代-3-吡啶甲酰胺（7a）的合成反应式二 1, 2-二氢-4, 6-二苯基-2-氧代-3-吡啶甲酰胺（7a）的合成0.312 g (1.5 mmol)的1,3-二苯基-2-丙烯-1-酮（21 a）、0.1836g (1.8 mmol) 丙二酰胺和0.4875 g (3.0 mmol) 无水三氯化铁在丙酸 (3 mL) 溶液中回流反应至原料不再减少(TLC跟踪)。冷却至室温，往体系中加入30 mL盐酸（1.0 M），然后用氯仿提取（30 mL 3），有机相合并后，经饱和碳酸氢钠水溶液（30mL）洗涤、水（30mL）洗涤，无水硫酸镁干燥。减压浓缩，粗产品柱层析。用乙酸/乙醇（1：1）混合溶剂重结晶。表2 不同取代1,2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酰胺的产率*Ar1Ar2产率（%）aPhPh70b4-CH3C6H4Ph68cPh4-PhC6H465dPh4-ClC6H4603 Onychine的全合成（1）4-甲基-5H-茚并1,2-b吡啶（25）的合成反应式三 4-甲基-5H-茚并1,2-b吡啶（25）的合成单颈瓶中盛有茚酮(24，1.0 mmol)、2-丁炔-1-胺(23，2.0 mmol)和2.0 mL无水乙醇，室温搅拌下加入NaAuCl4 (0.05 mmol)。然后升温至回流反应12小时。减压浓缩除去溶剂乙醇；浓缩液中加入10 mL 6.0M盐酸后，溶液用乙醚提取( 10 mL2)。然后向水溶液中加入50%氢氧化钠溶液调节体系PH值为9左右。接着用乙醚提取(10 mL3)，合并有机相。经过水洗后干燥(Na2SO4)、浓缩。浓缩液用乙醇重结晶得到固体4-甲基-5H-茚并1,2-b吡啶（25）。mp 90-92 oC。 （2）4-甲基-5H-茚并1,2-b吡啶-5-酮(Onychine，3)的合成反应式四 4-甲基-5H-茚并1,2-b吡啶-5-酮(Onychine，3)的合成单颈瓶中盛有4-甲基-5H-茚并1,2b吡啶(25,1.0 mmol)和10 mL丙酮，室温搅拌下加入KMnO4 (5.0 mmol)。然后室温下继续搅拌反应6小时后，加入0.1 mL乙醇淬灭反应。过滤后母液浓缩有固体出现，浓缩液用乙醇重结晶黄色固体4-甲基-5H-茚并1,2-b吡啶-5-酮(3)。（五）项目取得的创新成果截止2008年6月结题，本项目取得的创新成果有1 申请发明专利2项专利一：合成1, 2-二氢-2-氧代-3-吡啶甲酸酯及其衍生物的方法，申请号：200810019328.2；专利二：生物碱Onychine的合成方法，申请号：200810024895.72 提交论文1篇FeCl3-Promoted 3+3 Cycloaddition: Efficient Preparation of 1,2-Dihydro-2-oxo-3-pyridinecarboxylate and 1,2-Dihydro-2-oxo-3-pyridinecarboxamide Derivatives，submitted（六）项目实施过程中的收获与体会在过去的1年半中，我从一个对科研几乎一无所知的大三学生成长为对科研工作有了初步了解的大四学生，这期间收获颇丰，这与本次创新项目的开展和支持是密不可分的。首先，我认识到了科研实验室和教学实验室的不同，巩固了我已有的实验技能，学习了很多新的实验室操作。在科研实验室，最突出的一点就是自己解决发生的问题，没有了老师在你身边谆谆教导，所有问题都需要自己想办法解决，得到实验结果是最重要的。除此以外，还要抓紧分分秒秒，提高效率，根据每次实验结果，不时的修改自己的实验计划，灵活机动，这也是以前没有接触过的。我最大的体会就是，实际与理论的不同。很多时候，在理论上能够顺利进行的反应，在实际操作中有可能就实现不了，这其中的原因就需要实验者认真思索，修改实验条件，继续尝试。第二，这次创新计划的实施，让我有机会接触了科学前沿，大大的开拓了眼界和思路。科研工作的最大的特点就是新。在王老师的指导下，我查阅了近年来关于金属催化方面的文献，逐步了解到了小分子催化，尤其是过渡金属催化方法学领域的前沿知识，并对一些常见的金属催化如Fe，Au等催化的原理和应用实例有了一定的了解。其次，再新的科研工作也离不开基础知识。在学习研究文献的时候，我发现了自己在有机化学反应原理方面基础知识的不足。这就促使了我去学习新的知识，提高自己的专业能力。第三，这次创新计划，让我个人的能力都得到了长足的进步。由于本组成员只有我一人，在整个项目的开展过程中，我的独立思考能力和动手能力都得到了很大的提高。在导师的指导下，我不仅加强了自己对文献的检索，综合和分析能力，熟悉和强化了实验的基本操作，并且学会了如何整理、拓展实验思路和优化实验条件。在项目的后半部分，为了摸索Au催化茚酮和炔胺反应的条件，我尝试了将近20个反应，从溶剂、反应温度和反应是否加入附注氧化剂几个方面都进行了实验和研究，最后才找出了在已有的条件下相对反应效率令人满意的条件。第四，创新计划的支持，给了我很多锻炼的机会。从实验初期的提出实验方案，到实验中期自己根据实验方案买药品，整理发票报销，到实验后期专利的申请，创新计划的支持，让我第一手的学习到了科研工作的开展，这个锻炼机会是很难得的，我也学到了很多。最后，我想感谢教育部和学校对我们本科生的支持，有了创新计划的资金支持，才有了我们锻炼和个人成长的机会；还要感谢董婷老师，在整个计划的申请，开展到结题各个阶段的关心、指导，辛苦了；还有指导老师王少仲老师，把我从一个懵懂的大三学生带进了实验室，手把手的引导，指导我做实验，非常感谢您！参考文献(1) Sanderson, P.E.; Naylor-Olsen, A.M.; Dyer, D.L.; Vacca, J.P.; Isaacs, R.C.A.; Dorsey, B.D.; Fraley, M.E., US Patent 5,668,289, 1997; Chem. 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Ed. 2000, 39, 4237附录一 产物表征数据1, 2-二氢-4, 6-二苯基-2-氧代-3-吡啶甲酸乙酯（22a）mp 202-204 1H NMR (300 MHz, CDCl3): d =13.13 (1H, s), 7.91-7.87 (2H, m), 7.52-7.44 (8H, m), 6.55 (1H, s), 4.17 (2H, q, J = 7.1 Hz), 1.06 (3H, t, J = 7.1 Hz). 1, 2-二氢-4-(4-甲基苯基)-6-苯基-2-氧代-3-吡啶甲酸乙酯（22b）mp 216-218 1H NMR (300 MHz, CDCl3): d =13.11 (1H, s), 7.88-7.85 (2H, m), 7.54-7.49 (3H, m), 7.40 (2H, d, J = 8.1 Hz), 7.25 (2H, d, J = 8.1 Hz), 6.63 (1H, s), 4.20 (2H, q, J = 7.1 Hz), 2.42 (3H, s), 1.11 (3H, t, J = 7.1 Hz)。1, 2-二氢-4-苯基-6-(4-苯基苯基)-2-氧代-3-吡啶甲酸乙酯（22c）mp 226-228 1H NMR (300 MHz, CDCl3): d =13.13 (1H, s), 7.97 (2H, d, J = 8.5 Hz), 7.75 (2H, d, J = 8.5 Hz), 7.67-7.64 (2H, m), 7.53-7.38 (8H, m), 6.72 (1H, s), 4.16 (2H, q, J = 7.1 Hz), 1.03 (3H, t, J = 7.1 Hz)。1, 2-二氢-4-苯基-6-(4-氯苯基)-2-氧代-3-吡啶甲酸乙酯（22 d）mp 205-206 1H NMR (300 MHz, CDCl3): d =13.30 (1H, s), 7.84 (2H, d, J = 8.6 Hz), 7.49-7.43 (7H, m), 6.63 (1H, s), 4.17 (2H, q, J = 7.1 Hz), 1.05 (3H, t, J = 7.1 Hz)。1, 2-二氢-4, 6-二苯基-2-氧代-3-吡啶甲酰胺（7a）mp 228-230 1H NMR (300 MHz, DMSO-d6): d =12.04 (1H, s), 7.86-7.83 (2H, m), 7.73 (1H, s), 7.60-7.57 (2H, m), 7.50-7.42 (6H, m), 7.29 (1H, s), 6.63 (1H, s).1, 2-二氢-4-(4-甲基苯基)- 6-苯基-2-氧代-3-吡啶甲酰胺（7b）mp 246-248 1H NMR (300 MHz, DMSO-d6): d =1