（生物医学工程专业论文）别秋水仙碱类似物的立体选择性合成.pdf

独创性声明 l i i iii i i rlr li i 1i iiil 17 8 8 7 6 9 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：链日期：2 匕墅笪f o 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 崔注 导师签名 ： 2 ，fj ，6 、。 1 j 要的地位。作用于微管蛋白的抗癌药物在癌症的临床治疗中已有广泛的应用。别 秋水仙碱是一种天然的微管蛋白抑制剂，能够有效地抑制肿瘤细胞的有丝分裂， 进而使癌细胞产生凋亡。但别秋水仙碱毒性过大，限制了它作为抗癌药物在临床 上的应用。因此，以别秋水仙碱为先导化合物，研制和开发高效低毒的新型抗癌 药物具有重要的意义。 根据文献报道的构效关系，以光学纯的a 氨基酸作为手性源，设计并合成了 新型的含有手性稠合桥环的联苯类化合物。从非环前体4 5 a d 出发，在质子酸或 l e w i s 酸的催化作用下，通过亚胺正离子中间体的环合反应，实现了目标分子 4 6 a d 和4 7 b d 的立体选择性合成。实验结果显示，环合反应的非对映体选择性 主要依赖于底物自身的化学结构本质，选用的催化剂和反应介质对环合反应的非 对映体选择性具有重要的影响。在反应机制方面，对亚胺正离子环合反应的立体 化学过程进行了初步的探讨。以轴手性联苯基作为支撑构架，以含有手性中心的 光学纯的a 氨基酸作为手性源，设计并合成了一系列含有两个a 氨基酸残基和 两个联苯基结构单元的光学活性大环化合物。在质子酸的催化作用下，在非高度 稀释的反应条件下，从非环前体5 1 a - c 和5 4 a c 出发，通过分子间环合反应，高 立体选择性地合成了轴手性热力学稳定的目标大环化合物5 2 a - c 和5 5 a c 。 本论文共合成新化合物5 7 个，其中目标化合物2 5 个。目标化合物的化学结 构通过核磁共振( 1 h - n m r , 1 3 c - n m r ) 和高分辨质谱( h r m s ) 等方法进行表征。通 过x r a y 单晶衍射实验、圆二色( c d ) 实验和计算化学的方法对目标分子的立体化 学结构进行表征。目标化合物的光学活性通过比旋光度进行表征。部分目标化合 物的对映体过量百分数( e e ) 通过配备手性柱的高效液相色谱进行测定。 关键词别秋水仙碱；抗癌；亚胺正离子；联苯基；立体选择性环合 北京工、i k 大学工学硕l 学位论迁 a b s t r a c t a b s t r a c t c a n c e ri sas e r i o u sd i s e a s ew h i c hc a nd i r e c t l yc a u s et h ed e a t hi nh u m a nb e i n g s t h e d r u gt h e r a p yp l a y sak e yr o l e i nt h et r e a t m e n to fc a n c e r s t h ea n t i c a n c e rd r u g s t a r g e t i n gt u b u l i na r ew i d e l yu s e di nt h ec l i n i c a lt r e a t m e n to f c a n c e r s a l l o c o l c h i c i n e ， a san a t u r a l l yo c c u r r i n gt u b u l i ni n h ! b i t o r , c a ne f f e c t i v e l yi n h i b i tt h em i t o s i so fc a n c e r c e l l sa n dl e a dt ot h ea p o p t o s i so fc a n c e rc e l l s h o w e v e r ，a l l o c o l c h i c i n ei sn o ty e t c l i n i c a l l ya p p l i e da sa l la n t i c a n c e rd r u gd u et ot h el i m i t a t i o no fi t sh i i g ht o x i c i t y t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pn o v e la n t i c a n c e rd r u g sw i t hah i g h e f f i c i e n c ya n dl o wt o x i c i t yu s i n ga l l o c o l c h i c i n ea sal e a dc o m p o u n d o nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i pr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e ，as e r i e s o fn o v e lb i p h e n y la n a l o g sc o n t a i n i n gac h i r a la n df u s e db r i d g eh a v eb e e nd e s i g n e d a n ds y n t h e s i z e du p o ne m p l o y i n ge n a n t i o m e r i c a l l yp u r ei x a m i n oa c i d sa sc h i r a l s o u r c e s s t a r t i n gf r o ma c y c l i cp r e c u r s o r s4 5 a - d ，t h es t e r e o s e l e c t i v es y n t h e s i so ft a r g e t m o l e c u l e s4 6 a - da n d4 7 b - dw a sa c c o m p l i s h e dv i at h ei n t r a m o l e c u l a rc y c l i s a t i o n so f i m i n i u mi o n sc a t a l y z e db yp r o t o n i ca c i d so rl e w i sa c i d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h a v es h o w nt h a tt h eo b s e r v e dd i a s t e r e o s e l e c t i o n so ft h ec y c l i s a t i o n sa r eh i g h l y d e p e n d e n t o nt h es t r u c t u r a ln a t u r eo ft h es u b s t r a t e s ，a n dt h ed i a s t e r e o s e l e c t i o n so ft h e c y c l i s a t i o n sa r ei n f l u e n c e dt os o m ed e g r e eb yt h eu s e ds o l v e n t sa n dc a t a l y s t s t h e s t e r e o c h e m i c a lc o u r s eo ft h ec y c l i s a t i o n so fi m i n i u mi o n sw a sp r e l i m i n a r i l ye x p l o r e d i l lt e r m so fr e a c t i o nm e c h a n i s m s as e r i e so f o p t i c a l l ya c t i v em a c r o c y c l e sc o n t a i n i n g t w oa - a m i n oa c i da n d t w ob i a r y lr e s i d u e sw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e du s i n ga x i a l l y c h i r a lb i p h e n y l sa ss c a f f o l d sa n do p t i c a l l yp u r e0 【- a m i n oa c i d sa sc h i r a ls o u r c e s s t a r t i n gf r o mt h ea c y c l i cp r e c u r s o r s5 1 a - ca n d5 4 a - e , t h et a r g e tm a c r o c y c l e s5 2 a c a n d5 5 a - cw i t hat h e r m o d y n a m i c a l l ys t a b l ec h i r a la x i sh a v eb e e ns y n t h e s i z e di na h i g h l ys t e r e o s e l e c t i v ef a s h i o nv i a t h ei n t e r m o l e c u l a rm a c r o c y c l i s a t i o nr e a c t i o n si nt h e p r e s e n c eo fp r o t o n i ca c i dw i t h o u tt h en e e do f t h eh i g h l yd i l u t e dr e a c t i o nc o n d i t i o n s i n t h i sw o r k , 5 7n e wc o m p o u n d sw e r es y n t h e s i z e di i lt o t a l a n da m o n gw h i c h2 5 c o m p o u n d sa r et a r g e tm o l e c u l e s t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo f t h et a r g e tc o m p o u n d sw a s i d e n t i f i e du s i n gt h em e t h o d so f n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( 1 h - n m r , c - n m r ) a n d h i g hr e s o l u t i o nm a s ss p e c t r o m e t r y ( h r m s ) t h ea b s o l u t ec o n f i g u r a t i o n so f t h et a r g e t m o l e c u l e sw e r eu n e q u i v o c a l l yd e t e r m i n e db yt h em e t h o d so f x r a ys t r u c t u r ea n a l y s i s ， c dm e a s u r e m e n t sa n dc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y t h eo p t i c a la c t i v i t yo ft h et a r g e t c o m p o u n d sw a se v a l u a t e du s i n gs p e c i f i co p t i c a lr o t a t i o na n dt h ee n a n t i o m e r i ce x c e s s p e r c e n t a g e ( e e ) o fs o m et a r g e tm o l e c u l e s w a sc h a r a c t e r i e db yc h i r a lh p l c i h - j 北京丁业大学工学硕士学伊论之 k e yw o r d s ：a l l o c o l c h i c i n e ；a n t i c a n c e r ；i m i n i u mi o n ；b i a r y l ；s t e r e o s e l e c t i v ec y c l i s a t i o n i v 目录 摘要 i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究背景l 1 1 1 癌症治疗的现状 1 1 1 2以微管蛋白为靶点的抗癌药物l 1 1 3 别秋水仙碱类抗癌药物的研究 3 1 1 4 别秋水仙碱分子的立体化学结构特点和构效关系研究 5 1 2 亚胺正离子亲电环合反应简介 7 1 2 1 亚胺正离子的制备 7 1 2 2 亚胺正离子亲电环合反应在不对称有机合成中的应用 8 1 3 课题主要研究内容 1 l 1 4 本章小结 1 2 第2 章结果与讨论1 3 2 1 含手性稠合桥环的联苯类化合物的立体选择性合成 1 3 2 1 1 偶联反应 1 3 2 1 2 醛基的保护1 4 2 1 3 还原反应 1 5 2 1 4 缩合反应 1 5 2 1 5 亚胺正离子级联环合反应 1 6 2 1 6 小结 2 0 2 2 含手性稠合桥环的联苯类化合物的立体化学结构分析2 l 2 2 1 运用量子化学计算方法确定绝对构型2 1 2 2 2 单晶x 射线衍射分析方法确定绝对构型2 4 2 2 3 小结 2 6 2 3 含手性桥环的联苯类大环化合物的立体选择性合成2 7 2 4 含手性桥环的联苯类大环化合物的立体化学结构分析 2 9 2 5 本章小结 3 2 v 第3 章实验部分3 5 3 1 试剂及仪器3 5 3 1 1 试剂来源和纯度3 5 3 1 2 实验仪器3 5 3 2 目标化合物的合成与结构表征3 6 3 3 本章小结6 4 结论6 5 参考文献6 7 p 付录 7 3 攻读学位期间发表和提交的学术论文8 5 致谢8 7 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 癌症治疗的现状 癌症是直接危及人类生命的一种严重疾病。在我国，癌症的发病率在前十名 主要疾病排名中列第二位，占死亡总人数的2 1 。随着抗癌药物的不断发展，癌 症的化学治疗已成为癌症治疗的主要方法之一。 近年来，天然产物类抗癌药物研究已经取得重大进展，不断涌现出新结构类 型的抗癌药物n 刮。其中，作用于微管蛋白的抗癌药物如紫衫醇( p a c l i t a x e l ) 、多西 他塞( d o c e t a x e l ) 、长春瑞宾( n a v e l b i n e ) 和伊沙匹隆( i x e m p r a ) 就是这类药物的典型 代表，它们对癌症的治疗发挥着不可替代的作用。多年来的临床实践已经证明， 微管蛋白是研制抗癌药物的理想而有效的靶标。作用于微管蛋白的抗癌药物，由 于具有独特的作用机制、高效的抗癌活性和对实体瘤疗效显著等优点，近年来倍 受人们的关注n 3 。该类抗癌药物在抗癌药物市场上均占有相当大的销售份额，因 此开发以微管蛋白为靶标的抗癌药物具有着广阔的市场前景，并将产生显著的社 会效益和可观的经济效益。 1 1 2 以微管蛋白为靶点的抗癌药物 微管蛋i 刍( t u b u l i n ) 通过聚合作用形成微管( m i c r o t u b l e ) 。微管是真核细胞中普 遍存在且独有的管状细胞器结构，是细胞骨架的重要组成部分。微管主要存在于 细胞质中，同时又是纤毛、鞭毛等运动性器官以及中心粒的组成部分。微管与微 丝、中间纤维等一起构成细胞骨架结构，维持细胞的形态，保持细胞内部结构有 序性。微管有聚合和解聚的动力学特性，对于细胞内物质运输、能量转换、信息 传递、细胞分裂以及纤毛和鞭毛的运动等也是不可缺少的。在细胞有丝分裂过程 中，当细胞由分裂间期进入分裂期后，细胞质中的微管迅速解聚成徼管蛋白，微 管蛋白重新装配为纺锤体，介导染色体的运动；分裂进入末期后，纺锤体解聚又 装配成微管。以微管蛋白为靶标的抗癌药物，利用微管的动力学特性，通过促进 微管解聚或抑制微管聚合，直接影响细胞的有丝分裂，并影响细胞的诸多正常生 理功能0 | 。 一些从天然产物中分离得到的和人工合成的化合物能作用于微管蛋白，干扰 微管的正常功能1 2 3 。它们或者抑制微管的聚合，从而抑制纺锤体形成，使有丝 分裂停止在中期；或者促进微管的装配，抑制微管解聚而抑制细胞的有丝分裂。 这些微管蛋白活性抑制剂按照与微管蛋白二聚体结合位点及作用的机制不同大 北京工、i k 大学工学硕士学伊论文 致可分为以下三大类：第一类是作用于微管蛋白二聚体秋水仙碱结合位点 ( c o l c h i c i n ed o m a i n ) 的化合物，以秋水仙碱和别秋水仙碱为代表，抑制微管蛋白 的聚合。别秋水仙碱结合的微管蛋白二聚体能够装配到微管的末端，同时阻止其 它的微管蛋白二聚体继续加入。但微管的解聚不受影响，最终导致微管结构彻底 崩解。第二类是结合于长春花碱结合位点( v i n c ad o m a i n ) 的化合物，以长春花碱 为代表。长春花碱的作用机制与秋水仙碱类似，能抑制微管的形成，使细胞有丝 分裂停止在m 期，但也有报道长春新碱同时表现出抑制微管的形成和抑制微管解 聚的双重作用。第三类是结合于紫杉醇位点( t a x a n es i t e ) 的化合物，以紫杉醇为 代表，促进微管的装配、抑制微管解聚。紫杉醇诱导的微管非常稳定，但这种稳 定对细胞同样是有害的，使细胞有丝分裂阻滞于g 2 m 期。 在这三类具有不同作用机制的抑制剂中，紫衫醇类、长春碱类抑制剂在癌症 治疗方面已得到重要应用n 1 4 1 ，一些抑制剂或者已经上市，或者正处于临床研究 阶段【1 鲫。尽管如此，由于这两类抗癌药物的化学结构相当复杂( 见图1 - 1 ) ，而 且天然资源有限，使得这些药物的化学合成和结构改造受到极大的限制。 紫衫醇( p a c l i t a x e l ) | 长春碱( v i n b l a s t i n e ) 图卜1紫衫醇和长春碱的结构 f i g u r e1 1 t h es t r u c t u r eo f p a c l i t a x e la n dv i n b l a s t i n e h 3 与紫衫醇和长春碱类抑制剂相比，秋水仙碱类抑制剂由于其微管蛋白结合位 点结合腔体积较小，相应抑制剂的化学结构相对简单，易于化学合成和结构改造 ，2 引。如图1 - 2 所示，为从天然产物中分离得到的具有抗癌活性的秋水仙碱类抑 制剂。 在众多秋水仙碱类的小分子抑制剂当中，别秋水仙碱( a l l o c o l c h i c i n e ) 作为具 有抗肿瘤活性的天然产物，其化学稳定性高，合成原料来源易得，目标分子容易 进行化学结构改造和修饰。同时，与秋水仙碱相比，别秋水仙碱与微管蛋白具有 更高的亲和力。因此，对别秋水仙碱进行结构改造并进行生物活性评价已经成为 一个研究热点。 2 h c o i c h i c i n e o c h 3 o h o c h 3 p o d o p h y l l o t o x i o o c l h 3 c o h 3 c o o h o c h 3 c o m b r e t a s t a t i na 4 图1 - 2 作用于秋水仙碱位点的微管蛋白抑制剂 f i g u r e1 - 2c o l c h i c i n eb i n d i n gs i t et u b u l i ni n h i b i t o r s 1 1 3 别秋水仙碱类抗癌药物的研究 别秋水仙碱是从百合科植物秋水仙( c o l c h i c u ma u t u m n a l e ) 的花中分离得到的 具有抗肿瘤活性的天然产物心4 1 。别秋水仙碱的骨架结构由a 环、b 环和c 环稠合而 成，其结构与秋水仙碱( c o l c h i c i n e ) 的结构类似，用苯环替代秋水仙碱结构中的环 庚三烯酚酮结构单元( 见图卜2 ) 。在一定的条件下，秋水仙碱分子的环庚三烯酚 酮结构也很容易转化为苯环，生成别秋水仙碱分子他引。与秋水仙碱分子相比，别 秋水仙碱的化学稳定性和与微管蛋白的亲和力都有显著的提高。 尽管别秋水仙碱类抑制剂对微管蛋白具有很好的抑制活性，但与紫衫醇和长 春碱类抑制剂相比，此类抑制剂毒性过大，限制了它作为抗癌药物在临床上的应 用乜蚴3 。为降低别秋水仙碱类抑制剂的毒副作用，同时提高其对微管蛋白的抑制 活性，大量文献报道了对别秋水仙碱类微管蛋白抑制剂的结构改造并考察其对微 管蛋白聚合作用的抑制活性。 2 0 0 0 年，b r e c h t 等人瞄卅从秋水仙碱分子出发，采用半合成方法，合成了别秋 水仙碱b 环类似物1 3 。b r e c h t 等人首先考察了c 7 位置不同官能团对微管蛋白聚 合的抑制作用，与别秋水仙碱分子( i c 5 0 = 2 3p m ) 相比，七元桥环化合物1 和2 的抑制活性略有下降( 1 ：i c 5 0 = 3 4p m ，2 ：i c 5 0 = 3 1 m ) 。有趣的是，在桥环上不具 有手性中心的化合物2 与手性桥环化合物1 相比，抑制活性有所提高；他们随 后考察了增大桥环对抑制活性的影响，发现具有八元桥环的别秋水仙碱类似物3 对微管蛋白的聚合没有抑制活性。 北京工、i k 大学工学硕士学伊论文 h o 1 i c s 0 23 4p m i c 5 0 = 3 1p m i n a c t i v e 2 0 0 2 年，h a n 等人陋们以别秋水仙碱分子为起始原料，对其b 环进行修饰，合 成了化合物4 和5 。x - r a y 单晶衍射实验显示，化合物5 为外消旋体，与手性 桥环化合物4 相比，其抑制活性明显降低，i c 5 0 = 6 2 0g m 。 h 3 c o h 3 c o n h c o c h 2 c i h h 3 c o 4 i c 5 0 21 2 0p m h 3 c o5 i c s o = 6 2 0p m 2 0 0 5 年，b u t t n e r 等人暗以多取代基的卤代芳香烃为原料，经过u l l m a n 交叉偶 联反应合成了目标分子联苯基骨架单元，又经过多步反应合成了具有稠合桥环结 构的别秋水仙碱类似物6 - 8 。他们发现，此类具有稠合桥环的化合物对微管蛋白 的聚合均具有较高的抑制活性( 6 ：1 c 5 0 = 1 1p m , 7 ：i c 5 0 = 0 2 5p m ，8 ：i c s o = 0 3p m ) 。 h z c o h 3 c o h 3 c o o c 6 i c 5 0 = 1 1u m h 3 c o h a c o h 3 c o 7 i c 5 0 = 0 2 5t j m 2 0 0 8 年，d o d d 等人报道了池1 以吲哚环代替别秋水仙碱分子的c 环，合成了微 管蛋白抑制剂9 。他们发现，当r 基为正丁基时( 9 0 ，9 e 对微管蛋白聚合的抑制 活性最高，i c s o = 1 0p m ；当r 基团体积较小时( 9 b ，r = ( | s ) - m e ) ，抑制活性有所降低， 4 r l a c t i r e l c 5 0 2 1 90 m c 5 0 = 1 0 l a m c s o = 1 7 1 a m 2 0 0 7 年，b a u d o i n 等人口3 1 合成了别秋水仙碱类似物l o 1 2 。研究表明，当a 环与c 环取代基相同时，桥环的大小对其微管蛋白抑制活性具有重要影响，与 化合物( 士) 1 1 相比，化合物( 士) 1 2 的抑制活性有所降低，i c 5 0 = 3 1g m 。同时他 们发现，光学纯的化合物似均一1 1 与化合物( 士) - 1 l 相比，抑制活性有所提高( ( 士) _ 1 1 ： i c 5 0 = 0 7g m ( r , m ) - l l ：i c 5 0 2 0 6 9 m ) 。 h h o c h 3 ( 1 - 1 0 ，r = m e ，i c 5 0 = 1 6l a m i 1 - 1 1 ，r = e t ，i c = 0 7 i j m o c h 3 i ) - 1 2 i c , 5 0 = 3 ，1i j m o c h 3 ( r ，w - ” i c 5 0 = 0 6i j m 综上所述，可以发现，目前文献报道的研究工作，主要是针对别秋水仙碱的 b 环进行结构改造。不同化学结构类型的桥环对目标分子的抑制活性具有重要的 调控作用。同时，通过对桥环b 的立体选择性改造，对于诱导和稳定活性阻转 异构体，具有非常重要的作用。 1 1 4 别秋水仙碱分子的立体化学结构特点和构效关系研究 别秋水仙碱是一种具有光学活性的联苯类生物碱。别秋水仙碱的骨架结构由 a 环、b 环和c 环稠合而成( 见图卜3 ) 。由于a 环和c 环之间手性轴的自由旋转 e e m m 盼趴做轩 = = = = r r r r a b c d 9 9 9 9 北京工业亢掌工宁修上掌伊沦文 受到桥环的限制，使得别秋水仙碱分子存在两种阻转立体异构体：阻转异构 体和( p ) 阻转异构体。构象分析表明，别秋水仙碱桥b 环上的手性中心对分子的 优势构象体具有诱导和稳定作用，即手性中心和手性轴之间存在立体化学协同作 用( s t e r e o c h e m i c a lc o o p e r a t i v i t y , 见图卜3 ) 。在阻转异构体中，别秋水仙碱 分子中乙酰氨基团处于准平伏键位置( p s e u d o e q u a t o r i a lp o s i t i o n ) ，而在( 加阻转异 构体中，乙酰氨基团处于准直立键位置( p s e u d o a x i a lp o s i t i o n ) ，因此，阻转异 构体是别秋水仙碱分子的优势构象体。在一定条件下，阻转异构体与( 固阻 转异构体可以通过联苯基手性轴的旋转相互转化。 ( 力阻转异构体( 尸) - 阻转异构体( o - 阻转异构体( p ) 阻转异构体 图1 - 3 别秋水仙碱的结构和立体化学 f i g u r el 一3t h es t r u c t u r ea n ds t e r e o c h e m i s t r yo fa l l o c o l c h i c i n e s 研究结果表明，别秋水仙碱分子中桥环手性中心与联苯基手性轴的绝对立体 化学构型对分子的微管蛋白抑制活性影响较大。例如，在天然的别秋水仙碱 ( ( 7 a l l o c o l c h i c i n e ) 分子中，c 7 位置手性中心构型为( 回，分子主要采取( 加阻转 异构体，对微管蛋白聚合有抑制活性；相反，其对映体( ( 豫) 一a l l o c o l c h i c i n e ) 的c 7 位置手性中心构型为陋) ，分子主要采取( p ) 阻转异构体，对微管蛋白聚合没有抑 制活性。但是人们发现，一些桥环手性中心为俾) 的别秋水仙碱衍生物对微管蛋 白的聚合却有一定的抑制活性m 1 。尽管秋水仙碱衍生物( d a m a c o l c h i c i n e ) 与a ，d 微管蛋白异二聚体( a ，b t u b u l i nh e t e r o d i m e r ) 复合物的晶体结构已经有文献报道 曲引，但别秋水仙碱分子与微管蛋白的结合方式还尚不十分清楚。在溶液中，别秋 水仙碱分子是以( 尸) 阻转异构体和阻转异构体的混合物的形式存在的，两种 阻转异构体之间容易通过手性轴的旋转建立平衡。目前，在天然别秋水仙碱的 ( 7 s , m ) 阻转异构体和( 7 s p ) 阻转异构体当中，具体哪一种阻转异构体对微管蛋白 具有抑制活性，还不确定m 1 ，这给准确地建立构效关系带来了极大的困难。因此， 立体选择性合成具有轴手性热力学稳定的光学纯的别秋水仙碱联苯基类似物具 有重要意义。 构效关系研究表明，别秋水仙碱分子的a 环和c 环是关键药效团，参与了与 6 微管蛋白的结合招7 1 ；b 环作为a 环和c 环的支撑骨架，主要作用在于通过有效抑制 a 环和c 环间的自由旋转，调控a 环和c 环的空间几何构型，诱导分子产生活性阻 转异构体旧8 矧。研究发现，对a 环和c 环的简单修饰通常不会降低其微管蛋白抑 制活性；a 环和c 环间扭转角度的大小对分子的抑制活性能够产生重要影响，特 定的扭转角度可促进分子与微管蛋白的强效结合h 0 4 ，其扭转角度的大小主要通 过b 环来调控。此外，别秋水仙碱类抑制剂普遍存在毒性过大的缺点，限制了它 作为抗癌药物在临床上的应用，通过对b 环的修饰并合成具有不同桥环结构类型 的别秋水仙碱类似物，不仅能够有效的解决其毒性过大的问题，而且还可以使分 子保持较高抑制活性，。 因此，合理的进行对别秋水仙碱联苯类抑制剂的设计与结构改造，应该从以 下几个方面进行考虑：( 1 ) 通过在目标分子中立体选择性构建手性桥环结构，合 成具有热力学稳定的轴手性联苯类化合物，提高其抑制活性；( 2 ) 通过构建大小 和结构类型不同的桥环结构，调控联苯基扭转角度的大小，发现高效低毒的微管 蛋白小分子抑制剂；( 3 ) 通过在桥环上引入适当的取代基，提高其对微管蛋白的 高效特异性结合，降低此类抑制剂的毒副作用。 根据以上三个方面，本论文合成了两类别秋水仙碱联苯类化合物，具体的研 究内容详见随后章节。 1 2 亚胺正离子亲电环合反应简介 亚胺正离子( i m i n i u mi o n ) 是一类重要的活泼有机反应中间体，广泛地应用于 各类手性含氮杂环化合物和生物碱类天然产物的立体选择性合成。通过亚胺正离 子的分子内亲电环合反应，可以形成各类含氮杂环化合物。亚胺正离子作为一个 重要的有机反应中间体，广泛应用于大量的有机合成反应当中，例如m a n n i c h 反应，p i c t e t s p e n g l e r 反应等。亚胺正离子亲电环合反应作为关键反应步骤同样 适用于天然产物的不对称全合成。例如c o r e y , e j 等人利用两个连续的亚胺正离 子环合反应，立体选择性地实现了天然产物a s p i d o p h y t i n e 的全合成，并完全地 实现了对新形成的三个手性中心的立体化学控制h 3 1 。 1 2 1亚胺正离子的制备 亚胺正离子可以通过多种途径获得( 见图卜4 ) 1 。例如通过氨与醛的缩合反 应可以制备亚胺正离子，这种方法一般采用质子性溶剂，在酸性条件下进行。例 如，采用一锅反应的方法，二级胺与醛通过缩合反应，可以得到亚胺正离子。从 具有不同结构特点的叔氨出发，通过氧化消除、a 消除或脱羰等不同的反应条件， 可以得到不同结构类型的亚胺正离子。取代的亚胺通过_ 烷基化反应或烯胺通 北京 、i k 大学r 学硕i j 学伊论文 过异构化反应同样可以制备亚胺正离子。 r 3 、 n h c o n d e n s a t i o n 、 r 3 n - _ 一 2 、 ，r 丽，r 、 、 c 0 2 b n l ；u 2 u n 近年来，合成具有刚性结构的氮杂稠环类氨基酸衍生物已经成为一个研究热 点2 ，6 3 3 。利用亚胺正离子的亲电环合反应可以实现氮杂稠环类化合物的构建。 m i z u t a n i 等人1 报道了对烯丙基氨基酸衍生物3 5 进行加氢醛基化反应生成化合 物3 6 ，随后在t f a 的催化下合成了氮杂稠环化合物3 7 。 洲审ph 2 c 粼o , r h ( a 凳c a c = ) ( c ：审)洲一腑? 浆y h n 锚 o c 0 2 m e v 目 o c 0 2 m e t f a , c a t y n n c h 2 c 1 2 ，r l 6c 。o ，m e 1 3 课题主要研究内容 本课题研究内容主要包括以下四个方面： l 、联苯结构作为优势的药物结构，已经成为众多药物分子中重要的支撑骨 北京工业大宁工学硕上学何论文 架结构嵋堋1 。本论文以别秋水仙碱( a l l o c o l c h i c i n e ) 为先导化合物，合成具有不同结 构类型的桥环联苯类化合物。从含有不同取代基的芳香烃出发，利用交叉偶联反 应合成联苯基结构单元，以此作为目标分子的基本骨架结构。 2 、以光学纯的a - 氨基酸作为手性源，从关环前体4 5 出发，采用级联反应， 经过环状亚胺正离子中间体的分子内环合反应，在联苯基结构单元中立体选择性 地构建含有手性中心的稠合桥环体系，诱导和稳定目标分子的活性阻转异构体， 合成第一系列光学纯的目标化合物4 6 和4 7 。 3 、以轴手性联苯基作为支撑构架，以含有手性中心的光学纯的0 【氨基酸作 为手性源，合成第二系列含有两个伍氨基酸残基和两个联苯基结构单元的目标化 合物。在质子酸的催化作用下，在非高度稀释的反应条件下，从非环前体5 1 和 5 4 出发，通过分子间环合反应，利用桥环手性中心对联苯基手性轴的诱导作用， 高立体选择性地合成轴手性热力学稳定的具有光学活性的目标大环化合物5 2 和 5 5 。 4 、目标化合物的化学结构通过核磁共振( 1 h - n m r , 1 3 c 撇) 和高分辨质谱 ( h r m s ) 等方法进行表征。目标化合物的立体化学构型采用计算化学方法、圆二 色谱( c d ) 和x r a y 单晶衍射等技术进行表征。目标化合物的光学活性通过比旋光 度进行表征。目标化合物的对映体过量百分数( e e ) 通过配备手性柱的高效液相 色谱进行测定。 1 4 本章小结 本章通过文献调研，分析了别秋水仙碱类微管蛋白抑制剂的构效关系，确定 了论文的研究内容，提出了目标化合物的设计思路。以联苯基结构作为目标分子 的基本骨架结构，以光学纯的q 氨基酸作为手性源构建目标分子的手性桥环结 构，利用手性诱导的方法立体选择性地合成别秋水仙碱类似物。希望通过对别秋 水仙碱分子进行合理的结构改造，发现高效低毒的抗癌药物。 1 2 第2 章结果与讨论 2 1含手性稠合桥环的联苯类化合物的立体选择性合成 本论文在大量实验基础上，根据如图2 - 1 所示的合成路线，经过六步反应( 包 括偶联反应、醛基的保护、氨基的还原、缩合反应和亚胺正离子的分子内不对称 环合反应等) ，实现了目标化合物4 6 a d 和4 7 b d 的立体选择性合成( 见图2 - 1 ) 。 目标化合物的化学结构通过核磁共振( 1 h - n m r , 1 3 c n m r ) 和高分辨质谱( h r j v i s ) 等方法进行了表征。目标化合物的光学活性通过比旋光度进行了表征。部分目标 化合物的对映体过量百分数( e e ) 通过配备手性柱的高效液相色谱进行了测定。 q ? 燃q 二矣 念 阽鼬3 3 呲9 a ：r = b u , 8 巍0 乱b 帆r , t x h f g l y o o l ，p - t s o h ， m o l e c u l a rs i e v e s - - - - - - - - - - - _ - - b e n z e n e 8 0 0 c h 2 ，p t 0 2 ， e t o h r t or 4 5 a - d 8 3 9 7 9 0 y i e l do b t a i n e df r o m3 9 a 8 7 y i e l do b t a i n e df r o m3 9 b p - t s o h a c e t o n e r t 4 6 a - da n d4 7 b - d 3 5 与6 r - h m e ，i - b u ，b n 图2 14 6 a - - d 和4 7 b d 的合成 f i g u r e2 - 1s y n t h e s i so f4 6 a - d 和4 7 b - d 2 1 1偶联反应 首先以邻溴硝基苯3 8 和邻溴苯甲醛3 9 为初始原料，经过两步反应，合成了 联苯基中间体4 l 。根据文献报道的几种常用的偶联反应方法旧蝴1 ，我们分别尝试 了s u z u k i ，u l l m a n ，s t i l l e 等偶联方法，研究结果显示，s t i l l e 偶联反应相比前两 种方法收率较高，并且反应的选择性较好，只有痕量的自身偶联产物生成；从化 oo娩 臻覃 c嘶 北京工、l k 尢学工学硕l 学伊论文 合物3 8 出发，利用六甲基二锡为原料制备芳基三甲基锡3 9 b ，将得到的3 9 b 与 邻溴苯甲醛4 0 进行交叉偶联反应。反应活性较高，但由于六甲基二锡毒性过大 并且价格过高，故采用六丁基二锡作为原料和3 8 反应合成3 9 a ，将得到的芳基 三丁基锡3 9 a 和邻溴苯甲醛4 0 进行交叉偶联反应；以t m 为溶剂，以p d