（有机化学专业论文）雌酚酮及雌激素衍生物的合成研究.pdf

摘要 随着社会的不断进步、经济的持续发展、人类生活观念的h 渐改变以及我国 人口老龄化的加速，雌激素类药物的需求量将越来越大。如何解决原料匮乏问题、 研发更新更有效的雌激素药物、提高药物研发及生产中的经济性等诸多挑战正摆 在人们面前。我的论文研究工作涉及到在我们课题组原有工作基础上，进行探讨 d d q 对1 9 羟甲基4 雄甾烯3 ，1 7 二酮( 1 - 0 4 ) 的脱氢反应，及将脱氢产物利用 r e t r o a l d o l 碎片化反应应用于雌酚酮及雌激素衍生物的合成中。 在对1 9 羟甲基4 雄甾烯3 ，1 7 - - - 酮( 1 0 4 ) 的d d q 脱氢反应的研究中，首 先运用各种常见类型的羟基保护基对化合物l 0 4 进行了保护，然后考察了它们 在d d q d i o x a n e 叫流条件。卜的脱氯反应。研究中发现若羟基不保护或使用醚类 保护基则无法在此条件下发生脱氢反应，若保护基的类型为酯基则能快速发生反 应。 利用化合物1 0 4 脱氢反应得到的关键中间体1 1 2 和2 - 0 5 ，运用r e t r o a l d o l 碎片化反应合成了雌酚酮、6 ，7 脱氢雌酚酮、6 ，7 环氧雌酚酮、3 一烷基醚雌酚酮 和7 ，8 脱氢雌酚酮，并对3 一胺基雌酚酮和h 8 b i n o l 甾体衍生物的合成进行了 研究。这些新的合成方法未见报道，合成路线简洁、产率高、产品质量好、避免 了众多有毒试剂的应用。 本论文的研究内容为雌激素类药物的合成提供了一个更佳的途径。 关键词：雌激素、脱氢、r e t r o a l d o l 碎片化反应、合成 a b s t r a c t a l o n gw i t hs o c i a lp r o g r e s s ，e c o n o m i cd e v e l o p m e n t , c h a n g e si nt h ec o n c e p to fh u m a n l i f e ，弱w e l la st h ea c c e l e r a t i o no fc h i n a sa g i n gp o p u l a t i o n ，e s t r o g e nd r u g sw i l l i n c r e a s i n g l yd e m a n d h o wt os o l v et h ep r o b l e mo fl a c ko fr a wm a t e r i a l s ，d e v e l o p n o v e la n dm o r ee f f e c t i v ee s t r o g e nd r u g s ，i m p r o v et h ee c o n o m yo fd r u gr&da n d p r o d u c t i o na n ds oo n ，a r et o u g hc h a ll e n g e st oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m sf o rp e o p l e b a s e do nt h er e a s e a c hr e s u l t so fo u rr e s e a r c hg r o u p ，m yd i s s e r t a t i o ni sc o n c e m e do n i n v e s t i g a t i n g1 , 2 一d e h y d r o g e n a t i o no f19 - h y d r o x y a n d r o s t 一4 一e n e - 3 17 - d i o n el - 0 4w i t h d d q a so x i d a n ta n du t i l i z i n gt h ed e h y d r o g e n a t i o no fl 一0 4s t e r o i d sw i t hs u b s e q u e n t a r i n ga r o m a t i z a t i o nv i ar e t r o - a l d o l t y p ef r a g m e n t a t i o nr e a c t i o np r o v i d e daf l e x i b l e a n de f f i c i e n tp r o t o c o lf o rt h es y n t h e s i so fe s t r o g e n s i no r d e rt o i n v e s t g a t i n gt h e1 , 2 - d e h y d r o g e n a t i o no f1 - 0 4 ，f i r s t l yw eu s ev a d o u s c o m m o nt y p e so fh y d r o x y lp r o t e c t i n gg r o u p st op r o t e c tc o m p o u n d1 - 0 4 ，a n dt h e n e x a m i n e dt h e i r1 , 2 - d e h y d r o g e n a t i o nw i t hd d qa so x i d a n ta n dd i o x a n ea ss o l v e n t u n d e rr e f l u xc o n d i t i o n t h es t u d yf o u n dt h a ti fi td o e sn o tp r o t e c to ru s eo fe t h e r h y d r o x yp r o t e c t i n gg r o u pc a n to c c u li ft h ep r o t e c t i n gg r o u po ft h et y p ei se s t e r ，t h e r e a c t i o nr e a c tq u i c k l y t od e m o n s t r a t et h eu t i l i t yo ft h ep r o t o c o l ，p h a r m a c e u t i c a l l ya t t r a c t i v ee s t r o g e n sw e r e s y n t h e s i z e df r o me a s i l ya v a i l a b l e19 - h y d r o x y - 4 - e n e - 3 - k e t os t e r o i d s ，s u c ha se s t r o n e ， 6 ，7 - d e h y d r o e s t r o n e ，6 , 7 一e p o x ye s t r o n ea n d3 - e t h e r i f i e de s t r o n e b e s i d e sw es t u d i e d t h es y n t h e s i so f3 一a m i n oe s t r o n ea n dh a b i n o ls t e r o i dd e r i v a n t t h e s en e ws y n t h e t i c m e t h o d sh a v en o tb e e nr e p o a e d ，s y n t h e t i cr o u t e ss i m p l e ，h i g hy i e l d ，p r o d u c tq u a l i t y , t oa v o i dt h ea p p l i c a t i o no faw i d er a n g eo f t o x i cr e a g e n t s t h r o u g h o u tt h ep a p e r i t sab e t t e rw a yf o rt h es y n t h e s i so fe s t r o g e nd r u g s k e yw o r d s ：e s t r o g e n ，d e h y d r o g e n a t i o n ，r e t r o a l d o lf r a g m e n t a t i o nr e a c t i o n ，s y n t h e s i s 上海师范大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡 献均已在论文中做了明确的声明并表示了感谢。 论文使用授权声明 作者签名：景4 扔r ， l 、 日 期：0 2 汐矽- 汐岁2 矿 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保留论 文。保密论文在解密后遵守此规定。 作者签名：芬后扩 日期：如胗矽2 孑 导师签名。辅 e l 期：加7 眇杉弓l 8 7 上海师范大学硕士学位论文刖茜 前言 甾体化合物( s t e r o i d s ) 是存在于生物体内，并且与生物生命过程密切相关的 一类化学物质，r f w i t z m a n n 博士曾将它称为“生命的钥匙”。国际上有不少杰 出的科学家曾由于从事与甾体相关的研究而获得诺贝尔奖。迄今，人类对甾体的 认识已有2 3 0 0 多年的历史，但随着研究的深入和这类生命物质的重要作用及功 能不断被阐明，更新更深入的问题又不断显露出来。一些新的发现使人们更深刻 地意识到，对甾体结构与功能的认识是打开生命奥秘之门的关键之一【1 j 。 甾体化学虽是门古老的学科，但又是门不断发展的重要学科。在过去的 数十年，尤其是近十年，众多具有新颖结构的甾体化合物被发现和合成出来。它 们往往具有独特的生理作用，特别是具有较强的抗癌活性，这已引起许多甾体化 合家、生物学家和医学家极大的研究兴趣1 2 1 。 甾体化合物被广泛地用于治疗风湿性关节炎、心脏病、阿氏海默症、红斑 狼疮、血管新生、肿瘤等疾病，在控制人口过度增长中用作避孕药。生产这类 药物，首先就必须解决原料问题，虽然动物的某些腺体组织也含有这些激素， 但是含量极少，如每2 0 0 磅牛睾丸仅得睾丸素1 5 毫克；从1 5 吨的猪卵巢中 仅能提取出1 2 毫克雌二醇；1 0 0 0 吨尿液只能提取1 公斤雄酮激素。目前甾类 激素均已可能实现人工全合成，但如果从基本化工原料开始人工合成这类药 物，路线冗长、步骤繁多、产率低，而利用自然界某些植物中含有的甾族化合 物，对它们的基本骨架加以改造，就能得到不同类型的甾体药物。 甾类化合物于动植物界中广泛存在，主要应用于甾类激素半合成原料的 有胆甾醇( c h o l e s t e r 0 1 ) 【3 】，豆甾醇( s t i g m a s t e r 0 1 ) 【4 1 ，薯蓣皂甙元( d i o s g e n i n ) 【5 1 、 剑麻皂甙元( t i g o g e n i n ) 、蕃麻皂甙元( h e c o g e n i n ) 和澳洲茄次胺( s o l a s o d i n e ) 等( f i g u r eo 0 1 ) 。我国薯蓣皂甙元资源丰富，产量位居世界前列【6 】，有巨大的 潜力待挖掘。 胆甾醇 h o 豆甾醇 1 日u 罱 上海师范大学硕士学位论文 h o 薯蓣皂甙元 蕃麻皂甙元 o 剑麻皂甙元 澳洲茄次胺 f i g u r e0 0 1 甾体激素是甾体化合物中的一类，具有环戊烷多氢菲母核。甾体激素是一 类能够维持生命、保持正常生活、调节机体物质代谢、细胞发育分化、促进性 器官发育以及维持生殖的重要活性物质。甾体激素及其受体是一些基因调节蛋 白，它们通过调节特定基因的活动诱导特定蛋白质生成而发挥作用，具有较高 的专属性。当体内甾体激素水平缺乏时，会产生令人不适的症状，丧失牛殖能 力，甚至危及生命。早期用动物腺体粗提取物，外源性甾体激素作为替补药物， 取得了肯定的疗效，挽救了无数生命。这些都激励着广大科技工作者对甾体激 素进行不断深入研究产生了极大兴趣。 甾体激素以其来源的不同和生理功能的差异可以分为肾一卜腺皮质激素和 性激素( 雄激素、雌激素和孕激素) 【7 】；从化学角度，可分为雌甾烷类、雄甾 烷类及孕甾烷类化合物，具有如下结构( f i g u r e0 0 2 ) ： 2 1 8 1 8 雌甾烷雄甾烷 孕甾烷 f i g u r e0 0 2 2 1 上海师范大学硕士学位论文前言 雌甾烷具有环戊烷多氢菲母核，在c 1 3 上有甲基取代，此甲基编号为c 1 8 雄甾烷及孕甾烷在c 1 0 及c 1 3 上都有甲基取代，分别为c 1 8 、c 孕甾烷在c 1 7 上还有两个碳取代，分别为c 2 0 、c 2 l 。 肾上腺皮质激素可分为糖皮质激素( 如：氢化可的松、可的松) ( f i g u r e0 0 3 ) 和盐皮质激素( 如：醛甾酮) ( f i g u r eo 0 3 ) 。糖皮质激素具有调节糖、蛋白质 和脂肪代谢的功能，可影响葡萄糖的合成和利用、脂肪的动员及蛋白质合成。 盐皮质激素是维持体内正常水盐代谢不可缺少的激素。它们在肾上腺皮质中合 成，受脑垂体前叶分泌的促肾上腺皮质激素的刺激而产生。肾上腺皮质激素分 泌减少会导致人体极度虚弱、食欲不振、贫血、恶心、呕吐、低血压、皮肤色 素沉积和精神抑郁。 o 氢化可的松可的松醛甾酮 f i g u r eo 0 3 甾体性激素包括雄激素、孕激素和雌激素三类。 雄激素是维持男性生殖器官的发育及促进第二性征发育的物质。雄激素的 化学结构特点是3 ，酮1 7 b 羟基雄甾烷，c 3 和c 1 7 位的氧是雄激素活性所必需 的。3 ，4 的双键易被酶还原。 1 9 3 1 年b u t e n a n d t 从15 吨男性的尿液中提取得到1 5 m g 表雄酮 ( a n d r o s t e r o n e ) ， 1 9 3 4年同样从尿液中发现去氢表雄酮 ( d e h y d r o o p i a n d r o s t e r o n e ) ，随后，1 9 3 5 年又从雄仔牛的睾丸中提取出睾酮 ( t e s t o s t e r o n e ) ，这是人们最早获得的天然雄性激素纯品【引。现己证明：睾酮是 睾丸分泌的原始激素，雄激素则是睾酮的体内代谢产物。除此之外天然雄激素 还有：雄烯双酮( a n d r o s t e n e d i o n e ) 9 1 、雄烯i 酮( a d r e n o s t e r o n e ) 【1 0 1 、1 lp 羟基 雄烯双酮等，而其中睾酮的活性最强( f i g u r e0 0 4 ) 。 3 前言 上海师范大学顾+ 学位论文 h o 表雄酮 去氢表雄酮 睾酮 雄烯双酮 雄烯三酮 1 1 b - 羟基一雄烯双酮 f i g u r e0 0 4 天然雄激素的生理作用较多，主要作用是刺激雄性外生殖器官与内生殖器 官( 精囊、前列腺等) 发育成熟，并维持其机能，刺激男性第二性征的出现，同 时维持其正常状态，如胡须、阴毛和毛发的男性分布形式，出现喉结，声带变宽 变长，声音由细变粗，骨胳粗壮，肌肉发达，呈现男性体型等。 孕激素是由由卵巢的黄体分泌，妊娠后逐渐由胎盘分泌。其结构特征为a 环具有3 ，酮，1 7 位有甲酮基。它对子宫内膜的分泌转化、蜕膜化过程、维 持性周期以及保持妊娠起重要作用，也是女用甾体口服避孕药的主要成分。 按化学结构，孕激素可以分为孕酮类和睾酮类。 黄体酮( p r o g e s t e r o n e ) 即是天然存在的孕酮类孕激素，其于1 9 3 4 年从孕妇 的尿液中分离得到。黄体酮口服后经胃肠道吸收会被破坏而失活，因此只能注 射使用。通过对黄体酮的结构进行改造，可以获得一系列孕酮类孕激素，如甲 羟孕酮、甲地孕酮、氯地孕酮等( f i g u r e0 0 5 ) ，它们都是强效的口服孕激素， 是目前最为常用的口服避孕药。 睾酮类孕激素是人们在研究睾酮1 7 a 烷基衍生物时发现的。人们发现1 7 口 位引入乙炔基，雄性激素活性下降而显示出孕激素活性，并口服有效。睾酮类 激素包括乙炔睾酮、炔诺酮、异炔诺酮、炔诺孕酮等( f i g u r e0 0 5 ) 。 4 上海师范大学硕士学位论文日舀 o o 黄体酮 甲羟孕酮 飞 o o o 甲地孕酮 飞。 o c i 氯地孕酮乙炔睾酮 炔诺酮 o 异炔诺酮 o 炔诺孕酮 f i g u r eo 0 5 雌激素是最早被发现的甾体激素。早期人们为了寻找天然雌激素的来源， 尝试过动物的不同脏器和植物不同部位，但是都没能找到合适的、含有充足雌 激素成分的物质。1 9 2 7 年，a s c h e i m 和z o n d e k 发现怀孕的妇女尿液中存在大量 的雌激素成分，1 9 2 9 年d o i s y 和b u t e n a n d t 分别成功地把结晶状的雌酚酮 ( e s t r o n e ) 从孕妇尿中分离出来。1 9 3 0 年，c o i l i p 报道人胎盘中存在水溶性、口服 活性良好的一种雌激素成分，并将其命名为“e m m e n i n ”。1 9 3 6 年，c o h e n 和 m a r t i a n t 1 4 】分离出作为孕妇尿液中主要雌激素成分的雌三醇糖苷酸( e s t r i o l g l y c u r o n i d e ) ，之后含有雌酮和雌三醇糖苷酸( e s t r i o lg l y c u r o n i d e ) 制剂上市。19 3 5 年d o i s y 又把活性更高的雌二醇( e s t r a d i 0 1 ) 从卵巢中直接分离出来，随后陆续 有雌三醇( e s t r i 0 1 ) 、马烯雌酮( e q u i l i n ) 、马萘雌甾酮( e q u i l e n i n ) 、二氢马萘雌 甾酮( d i h y d r o e q u i l e n i n ) ( f i g u r eo 0 6 ) 等具有激素活性的代谢物质被发现。天 然雌激素中，雌二醇的活性最高。在酶的作用下，雌酚酮、雌二醇、雌三醇三 者可以相互转化( s c h e m e0 0 1 ) 。这些天然雌激素是a 环芳香化的雌甾烷化合 5 前言上海师范大学硕士学位论文 物，c 3 位有酚羟基，c i 7 位氧代或有p - 羟基，雌三醇在c 1 6 位有c - 羟基。 h o 马烯雌酮 雌二醇 雌三醇 马萘雌甾酮 二氢马萘雌甾酮 f i g u r e0 0 6 雌一：醇脱氢酶 h o o h 雌二醇脱氢酶 s c h e m e0 0 l h o 雌酚酮 - i o e 雌激素的结构专属性很小，很多化合物，包括没有甾体骨架的物质亦具有 雌激素活性。通过分子药理学研究，其构效关系主要有以下几点： 1 ) 激素在与受体结合中a 环是主要的结构，其在3 位的羟基与受体结合部 位间形成氢键，若没有羟基，则与受体的亲和力大大降低； 2 ) 羟基位置的改变也会影响a 环与受体的结合，如2 位羟基取代物亲和力 较低，可能2 位羟基影响定向氢键； 3 ) d 环受限较小，但在控制活性表达方面起主要作用； 4 ) 在6 ，7 及ll 位引入羟基；从3 位或1 7 位脱去含氧功能基或雌二醇1 7 羟基 的差向异构化；以及在b 环引入双键均降低活性； 5 ) 雌二醇及雌酚酮二者的d 环扩大则雌激素活性大为降低； 6 ) 1 7 0 【位引入甲基或乙炔基时，效力与雌二醇无异，但可口服，口服效 6 上海师范大学硕士学位论文刚舌 力较雌二醇大1 0 - - - 2 0 倍。 因此雌激素的骨架特点是a 环为芳香环，没有c l o 的角甲基，同时3 位上均 有一个酚性羟基。在1 7 位上必须有含氧功能基团，以1 7 d 羟基效力最强，a 位 的效力仅为其的1 1 0 0 - - - 1 2 0 0 ，雌酮效力则为其的1 5 - 1 1 0 。 雌激素在体内是由芳香化酶催化雄激素转化而来的，外周雌激素主要由卵 巢、睾丸产生，脑内主要由下丘脑、边缘系统的神经元产生。雌激素按其化学结 构归属为类固醇激素，呈脂溶性，其靶组织众多，包括生殖系统、骨骼、心血管 等。近年的研究表明，对中枢神经系统、消化系统等也具有广泛的作用。雌激素 分泌人血后在血液中与性激素结合球蛋白及清蛋白可逆性结合，游离的雌激素 扩散到靶组织发挥其特殊作用，最后代谢产物经尿液排出体外1 5 】。雌激素类药 物的生理及药理作用表现在： 1 ) 对未成年女性，雌激素能促使女性第二性征和性器官发育成熟。如子宫 发育、乳腺腺管增生及脂肪分布变化等； 2 ) 对成年妇女，除保持女性性征外，并参与形成月经周期。它使子宫内膜 增殖变厚( 增殖期变化) ，并在黄体酮的协同作用下，使子宫内膜进而转变为分泌 期状态，提高子宫平滑肌对缩宫素的敏感性。同时使阴道上皮增生，浅表层细胞 发生角化； 3 ) 较大剂量时，可作用于下丘脑一垂体系统，抑制g n r h 的分泌，发挥抗排 卵作用。并能抑制乳汁分泌，是在乳腺水平干扰催乳素的作用所致。此外还有对 抗雄激素的作用： 4 ) 在代谢方面，有轻度水、钠潴留作用。能增加骨骼钙盐沉积，加速骨骺 闭合。大剂量可使甘油三酯和磷脂升高而胆固醇降低，也使糖耐量降低。尚有促 进凝血作用。 雌激素及其衍生物由于都有各自专属的生理活性，已经广泛应用于各种妇 科疾病的治疗和作为避孕药的重要组分。以雌激素为先导化合物的结构改造， 其主要目的往往不是为了提高活性，而是为了能够口服或能够使之长效。为了 延长半哀期，对雌醇的两个羟基进行酯化，如苯甲酸雌二醇( e s t r a d i o l b e n z o a t e ) 、戊酸雌二醇( e s t r a d i o lv a l e r a t e ) 等( f i g u r e0 0 7 ) ，都可在体内缓慢水 解释放出雌二醇而延长疗效。此外在雌二醇在c 1 7 ( i t 一位引入乙炔基得到炔雌醇 7 前言上海师范大学硕士学位论文 ( e t h i n y l e s t r a d i 0 1 ) ，因增大了空间位阻，c 1 7 1 b - 羟基的氧化代谢和硫酸酯化受阻， 雌激素活性大大增强。在炔雌醇和乙炔雌三醇c 3 位上引入烷基醚后得到美雌醇 ( m e s t r a n 0 1 ) 和尼尔雌醇( n i l e s t r i 0 1 ) 等( f i g u r eo 0 7 ) ，由于烷基醚的引入，增加 了其在人体脂肪球中的溶解度，有利于肠道吸收并储存在脂肪组织中，在体内经 酶作用缓慢释放而起长效作用。这些都是长效u 服雌激素。 h o 苯甲酸雌二醇 戊酸雌二醇 炔雌醇 c o o 美雌醇 尼尔雌醇 f i g u r e0 0 7 从3 4 酮型甾体转化为芳香化a 环的过程非常复杂，使雌激素来源受到限 制，促使人们寻找结构简化、制备方便的合成代用品。在新药开发过程中经筛选， 至少有3 0 类以上、1 0 0 0 多种化合物显示有雌激素活性，其中常见的非甾体类雌 激素有乙烯雌酚( s t i l b e s t r 0 1 ) 、苯雌酚( b e n z e s t r 0 1 ) 、道益氏酸( d o i s y n o l i ca c i d ) 等( f i g u r e0 0 8 ) 。它们都符合s c h u e l e r ( 1 9 4 6 年) 提出的雌激素活性的基本要求 分子中在一刚性甾体母核两端的富电子基团( 羟基、羰基、氨基等) 之间的距 离应在1 4 5n m ，商分子宽度应为0 3 8 8n m 。以乙烯雌酮为例，其反式构型符 合上述条件，是这类非甾体化合物中上市最早、最典型的代表( f i g u r eo 0 8 ) ； 而顺式乙烯雌酮的立体结构与天然雌激素相差较远，活性极低。 8 h o 乙烯雌酮 苯雌酚 道益氏酸 上海师范大学硕士学位论文日u 舌 3 8 8n m 雌二醇和反式乙烯雌酮的立体相似性 f i g u r e0 0 8 箔体激素药物关系到治疗人体的多种疾病和降低人口出生率等重大问题， 因而甾体化学作为有机化学和药物化学的一个重要组成部分，具有广阔的发展 前景。甾体化学自身发展可为人们提供许许多多新型的具有特殊生理功能的甾 族化合物，从而有力推进医疗事业和制药工业的发展。 2 0 世纪3 0 年代以来，随着雌酚酮、雌二醇、睾酮等的被发现和提取，从 此开创了甾体化学和甾体药物化学的新领域【l6 1 。甾体激素药物迅猛发展，许 多药物相继被研发出来，因此被称为“性激素”的时代。 4 0 年代人们以薯蓣皂甙元作为甾体激素的f t 业原料，使得甾体激素药物 进入了实用阶段。同时随着合成工艺的不断革新，越来越多的药物已经可以大 量且廉价地投入市场。以氢化可的松为例，它是一种有效的治疗类风湿关节炎 的药物。近6 0 年间其价格下降了约6 0 0 倍【l7 1 。 5 0 年代后期到6 0 年代初期，口服避孕药的出现不仅对计划生育政策的贯 彻发挥了巨大贡献，同时也促进了社会多方面的历史性革新。 7 0 年代以后，由于有机合成的迅猛发展，尤其是不对称合成的进步，甾 体激素药物的全合成实现了工业化。炔诺孕酮( f i g u r eo 0 5 ) 是最早实现工业化 生产全合成的甾体激素药物。由于采用不对称合成，虽然炔诺孕酮中存在6 个手性碳，但是只得到c 1 3 消旋的两个异构体【8 j 。此后一系列的1 8 甲基孕激素 药物也通过全合成得到，从而摆脱了自然资源匮乏的约束。有机合成的发展将 甾体激素药物的工业生产提升到前所未有的高度。 9 前言上海师范大学硕士学位论文 8 0 年代初，甾体新型植物生长调节剂油菜甾醇内酯( f i g u r e0 0 9 ) 的发现为 农业生产带来了质的飞跃。此外米非司耐1 8 1 ( f i g u r e0 0 9 ) 的发现，促进了一类 抗孕激素的发展，翻开了抗孕药物的新篇章。 h o 饥 h o i n o f i g u r e0 0 9 米非司酮 c h 3 9 0 年代至今，越来越多的具有特殊牛物活性的甾体化合物被分离出来，如 具有抗肿瘤活性的吡嗪双甾体c e p h a l o s t a t i n 类化合物和r i t t e r a z i n e 类化合物 d 9 1 、甾体硫酯p a r a t h i o s t e r o i d s 类化合物【2 0 l ，具有抗血管新生功能的海洋氨基 甾醇化合物角鲨胺( s q u a l a m i n e ) 【2 1 ，2 2 ，2 3 1 和甾体生物碱c o r t i s t a t i n s 类化合物2 4 ，2 5 】 等( f i g u r e0 1 0 ) 。目前这些化合物均已实现人工合成。 i o h 1 0 c o r t i s t a t i na f i g u r e0 1 0 s q u a l a m i n e 上海师范大学硕十学位论文前言 近年来随着生物化学的日益发展，药物筛选技术的不断进步，许多老的甾体 药物的新活性被不断发现，进而扩展了其新的用途。如之前雌激素被成为“女性 激素”，但经研究发现其在男性身上亦发挥了巨大作用，如完善大脑功能、保护 心脏、维护骨骼健康、促进生育等，此外最近研究也表明人体体内雌激素水平与 阿氏海默症有密切联系，这无疑拓展了雌激素药物的新用途，对其的合成也提出 了新的要求。 本论文主要致力于发展以甾体工业更为前端的1 9 羟甲基4 雄甾烯3 ，1 7 二 酮1 0 4 为原料通过化学方法高效合成甾体雌激素，解决以雌酚酮为原料的传统 合成方法中存在的一些问题。研究工作涉及：1 ) 商品化原料1 9 羟甲基一4 雄甾 烯3 ，1 7 二酮1 0 4 的d d q 脱氧反应研究，脱氧产物经r e t r o a l d o l 碎片化反应合 成雌酚酮；2 ) 扩展此方法在甾体雌激素合成中的应用，以较简洁高效的方法合成 一系列雌激素衍生物。 1 1 第一章r e t r o - a l d o l 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究上海师范大学硕士学位论文 第一章r e t r o a i d o i 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究 第一节雌酚酮的化学合成研究进展 自雌激素发现以来，雌激素及其衍生物在医药方面至关重要的作用不断被发 现，但由于它们在自然界动植物体内的含量极少( 甚至不存在) ，不能满足日益增 加的需求，所以必须使用化学方法人工合成米满足临床需要。人们从生产实践和 科学实验中发现：甾体激素分子结构的某些改变，往往会使原有的疗效大为增强， 副作用也有所减少，甚至还会提高某些生理活性方面的专属性。然而，由于甾体 激素药物的结构复杂，且有特定的立体异构方而的要求，国内外对临床应用的甾 体激素药物，大多是采用半合成法，即使用天然甾体资源为原料，经一系列的化 学或生物方法改造以得到所预期的药物。全合成的方法往往步骤繁多，胃立体化 学极难控制，故很少采用。至于极少数甾体药物( 如1 8 甲基炔诺酮等1 9 去甲基 甾体药物) ，由于自然界没有相应的甾体原料可供改造，才以结构较为简单的化 合物作起始原料，通过全合成的方法进行制型2 酗。 非天然雌激素类药物的合成如上所述，主要采用以雌酚酮为起始原料的半合 成方法。雌酚酮通过结构修饰和官能团化改造，合成一系列具有各自独特生理和 药理活性的衍生物。这样，雌酚酮就成了合成雌二醇、炔雌醇等一系列雌激素类 药物及1 9 去甲基甾体药物的重要中间体。 雌酚酮是一种性激素，可从妊娠马或妊妇尿中检出，亦存在于其他妊娠动物 的卵巢或其卵泡液、女性的胎盘和母马的尿中。由于其存在和产生的局限性，所 以雌酚酮在自然界中的资源存量对于医药工业生产来说是杯水车薪。 目前国内雌酚酮的现行生产路线系以薯蓣皂甙元( d i o s g e n i n ) 为起始原料。 薯蓣皂甙是目前最为广泛采用的甾体资源。首先是利用经典的策略先将其降解 为甾体2 0 酮。其降解方法主要有两种，分别是m a r k e r 降解法和双氧水清洁 降解法( s c h e m e1 0 1 ) 。m a r k e r 降解是在高压釜中，薯蓣皂甙元与乙酸酐加热 到2 0 0 0 c 裂解成假薯蓣皂甙元1 0 1 ，再经铬酐氧化以及消除反应得到孕甾烯 酮1 0 2 ，此法仍是甾体化学工业中使用最广泛的方法【2 7 1 。由我们课题组发展 的双氧水清洁降解是同样在乙酸酐中高温裂解成l - 0 l 后，加入h 2 0 2 、有机酸 1 2 上海师范大学硕士学位论文第一章r e t r o - a l d o i 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究 以及催化量的金属盐( 钨酸盐、钼酸盐等) ，就同样可以得到1 0 2 。此法不仅 消除了m a r k e r 降解中重金属使用带来的污染问题，同时还提高了薯蓣皂甙元 的利用度和降解产物的收率【2 8 】。 d i o s g e n i n c a t a l y s t 双氧水清洁降解法 s c h e m e1 0 1 o 孕甾烯酮1 0 2 经肟化、重排、水解生成甾体甾体1 7 酮( 1 0 3 ) ，首先将化 合物1 0 3 的5 , 6 双键转化为5 仪一卤素一6 1 3 - 醇，再通过6 p - 羟基的b a r t o n 反应将1 9 位角甲基官能团化，然后经氧化、还原、转位等步骤生成1 9 羟甲基4 雄甾烯 3 ，1 7 二酮( 1 0 4 ) ，再经氧化脱羧和微生物脱氢后得雌酚酮( s c h e m e1 0 2 ) ： e s t r o n e 微生物 1 一0 3 s c h e m e1 0 2 1 旬4 1 3 第一章r e t r o - a l d o l 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究上海师范大学硕士学位论文 上述方法，步骤繁多，甾体皂甙元的利用度不高且其工业化降解过程运 用到的重金属会带来极大的环境污染问题。 夏鹏小组【2 9 】于1 9 9 6 年报道其成功重复了国外的一个新工艺，运用天然甾醇 经微生物发酵再切除l7 位边链得到的雄甾1 ，4 - 二烯3 ，17 二酮( a d d ) 为起始原 料，经缩酮化、芳构化和水解反应制得雌酚酮( s c h e m e1 0 3 ) ： o e s t r o n e s c h e m e1 0 3 我国天然甾醇资源丰富，至今尚未得到有效开发利用。此工艺原料易得 且资源丰富，运用的试剂比较常见，合成步骤短、操作简便。目前此工艺已 完成中试，总收率达到5 4 6 ( w w ) 。中试结果表明此法具有t 业化规模生产 的可能性。 合成雌酚酮的过程实际上就是一个甾体化合物结构改造的过程。在这个 过程中，甾体骨架a 、b 、c 、d 四个环上通过引入新基团，或将原有基团转 变成新基团，最终实现最为关键的a 环芳构化得到所需化合物雌酮。实现关 键的a 环芳构化的策略除了上述微生物脱氢和l i 对交叉二烯酮的还原以外， 常见的还有最早用于雌酚酮合成的高温热解芳构化【3 0 1 ，z n , l = l = 啶或乙二醇条 件下的热还原消除以及近来被较多采用的r e t r 0 1 a l d o l 反应芳构化( s c h e m e 1 0 4 ) 。此外通过利用酸碱催化含有c l o 位取代基的d ，b 不饱和酮实现芳构化亦 见诸报道( s c h e m e1 0 4 ) 。 1 4 上海师范大学硕士学位论文 第一章r e t r o a l d o i 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究 o r 1 0 r = 一o h ，一o a c 。一b r r 12ho ra l k y lg r o u p r = 一o a c s c h e m e1 0 4 1 9 9 7 年t e m p l e t o n j 、组1 3 2 即报道了利用r e t r o a l d o l 反应，以1 9 羟甲基a 4 雄甾烯3 ，1 7 二酮1 0 4 为原料经j 步反应合成雌酚酮( s c h e m e1 0 5 ) 。但其每一 步的产率均不高，且脱氢反应使用到了重金属硒，体现不出此方法较其他方法的 优势。 第一章r e t r o - a l d o l 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究上海师范大学硕士学位论文 ( p h s e o 3 0 s c h e m e1 0 5 e a t r o n o 纵观以上雌酚酮的合成中实现a 环芳构化的化学方法，可见均有明显的 不足，l i z n 还原热消除及高温热解反应条件剧烈，无法运用到其他雌酚酮 衍生物的合成；酸碱催化含有c l o 位取代基的u ，d 不饱和酮实现芳构化的方法 对底物的结构要求苛刻；r e t r 0 1 a l d o l 反应自仃体化合物的制备需要进行l ，2 位的 脱氢反应，而1 9 羟甲基4 雄甾烯3 ，1 7 二酮的脱氢反应，文献鲜有报道且产率 极不稳定。能行突破1 9 羟甲基4 雄甾烯3 ，1 7 - - - 酮脱氢反应这步以高产牢得到 脱氢产物，进而利用r e t r 0 1 a l d o l 反应多样性合成雌酚酮及其衍生物是本论文的主 要研究目的。 第二节1 9 羟甲基a 4 雄甾烯3 ，1 7 二酮l 2 位脱氢反应研究 一甾体化合物的1 ，2 位脱氢研究概况 甾体中引入l ，2 位双键的方法有微生物法和化学法。微生物方法对环境污染 较小，但生产周期长，对设备和生产工艺要求较高。近来化学方法愈加得到重视， 而且发展较快，目前最为常用的是醌类脱氢试剂( d d q ) 。现将化学方法概括如 下： 1 硒化合物脱氢 二氧化硒较先被直接用来脱氢3 3 1 ，但毒副作用较强，而且反应的收率不高。 目前已被苯亚硒酸酐代替3 4 1 。从制药角度来说，采用硒化合物脱氢时最大的弊 病是产物巾会残存微量的硒较难除去且不易检测。目前此脱氢方法已较少采用。 其脱氢反应的机理可解释为甾酮经烯醇式与硒化合物作用生成中间体硒酯，然后 顺式消除，生成1 烯3 酮甾体( s c h e m e1 0 6 ) 。 1 6 上海师范大学硕士学位论文第一章r e t r o a l d o l 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究 s c h e m e1 0 6 2 二氧化锰( m n 0 2 ) 脱氢 与二氧化硒相似，二氧化锰同样具有较强的氧化性，因而能运用到甾体 脱氢中。其脱氢机理与二氧化硒相同，较之的优点是副反应通常比二氧化硒 少，但鲜有其应用于脱氢反应的文献报道。 3 通过上卤素原子然后脱除 存酮的q 位直接进行溴取代，然后脱除h b r 得到所需含双键化合物。此 法脱氢，产物的产率较高，但其对反心物要求较高，反应选择性不好，易发 生副反应。 4 i b x 脱氢 i b x 早期作为氧化剂用于醇的选择性氧化制备醛酮【3 6 】。n i c o l a o u 等人【3 7 】 研究表明i b x 可作为脱氢试剂在羰基的a ，1 3 位脱氢制备a ，b 不饱和醛酮。i b x 作为脱氢试剂后处理较d d q 、s e 0 2 方便，其自身毒性较低，且反应后的产物 可回收利用，环境友好。但i b x 脱氢法有一定的局限性，其对a ，p 不饱和酮 无法进行脱氢，可能的原因是a ，p 不饱和酮难以形成交叉式的烯醇，增加了i b x 的脱氢难度( s c h e m e1 0 7 ) 。 l b 困难h o s c h e m e1 0 7 5 醌类的脱氢 一般具有高氧化还原电位的醌类比低氧化还原电位的具有更强的接受电 1 7 第一章r e t r o - a l d o l 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究上海师范大学硕士学位论文 子的能力，体现在反应中就是氧化能力较强，脱氢反应的反应速度更快。醌 类中较常运用来脱氢的是d d q 和t c q 。它们的氧化还原电位一高一低，形成 互补3 引。该法试剂便宜，脱氢速度快，产率较高，但不足之处在于d d q 、t c q 毒性较强，反应后处理麻烦。 d d q 或t c q 氧化4 烯3 酮结构的甾体化合物生成1 , 4 二烯- 3 - 酮或1 , 4 - 二烯3 一酮的反应历程和机理( s c h e m e1 0 8 ) ：反应首先是一个0 【，p 不饱和酮向 其烯醇式结构的转化过程，这是一个慢过程，接着是醌类氧化剂夺取甾体化 合物某个位置的氢负离子h 。，该步骤较慢，最后甾体失去相应位置上的氢正离 子h + ，这步较快。 o s c h e m e1 0 8 秽： 妙 4 一烯3 酮结构的甾体有两种烯醇式a 和b ，其中a 是动力学稳定产物，而 b 则是热力学稳定产物。由于t c q 比d d q 的氧化能力弱，夺取氢负离子的速 度远不如d d q 快，遂烯醇式过渡态是热力学稳定产物b ，进行下面一条反应 途径进行6 ，7 位脱氢。而d d q 则夺取氢负离子速度很快，烯醇式过渡态以动 力学稳定产物a 为主，主要得到l ，2 位脱氢产物。 二1 9 羟甲基4 雄甾烯3 ，1 7 二酮1 0 4 的d d q 脱氢反应研究 我们组许成功同学通过研究意外发现，化合物1 9 羟甲基4 雄甾烯3 ，1 7 二 酮l 0 4 直接进行d d q 脱氢反应，反应重复性不好且体系复杂，得到的产物不 明。对1 0 4 的1 9 位羟基进行保护后，保护基对d d q 脱氢反应具有一定的影 响。当乙酰基保护时，d d q 能够顺利对底物进行1 ，2 位脱氢，而裸露羟基或 使用醚类保护基( m o m - ，t h p 一等) 时，d d q 就无法对底物进行脱氢。由于种 勿心h 上海师范大学硕士学位论文第一章r e t r o a l d o l 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究 种原因，对于此反应未能深入研究下去。我在此基础上尝试了更多不同位阻 大小、不同电子效应的羟基保护，以期能找到某些规律。 羟基的酯基保护基除了上述的乙酰基( a c ) ，考察空间位阻效应我们选择 了位阻更大的新戊酯基( p i v ) ，位阻更小的甲酰基( h c o ) ；考察电子效应我 们选择了三氟乙酰基( c o c f 3 ) ；另外还选择了羰基的q 位没有h 的氯甲酸甲 酯基( c o o m e ) 。 醚类保护基我们除了常见的硅基保护基( t m s ，t b s ) 、m o m 、t h p - 夕卜， 我们还选择了位阻更小的甲基( c h 3 ) 和苄基( b n ) 。 在对化合物l 0 4 进行c h 3 和b n 保护时由于位阻比较大，且反应条件+ 旦剧烈则会出现多个其他反心位点，冈此我们遇到了些困难。在常见的 m e l a 9 2 0 ，b n b r a 9 2 0 ，b n b r k 2 c 0 3 条件下反应4 8h 几乎不反应，而换更强 的条件如m e l n a h ，则反应体系复杂。最终我们采取了迂回路线( s c h e m e 1 0 9 ) ，最终分别成功制备得甲基和苄基保护后的产物1 0 9 和1 1 l 。 常规方法： o m e l ，a 9 2 0 c h 3 c n r e f t r a c e1 - 0 9 d m f 一 b n b r a 9 2 0 d m f b n b r k 2 c 0 3 1 9 第一章r e t r o a l d o l 碎片化反应在雌酚酮合成中的应用研究上海