（化学工艺专业论文）紫杉醇C13侧链的合成与工艺研究.pdf

硕上论文紫杉醇c 1 3 侧链的合成j 工艺研究 摘要 紫杉醇是从短叶红豆杉的树皮中提取得到的，是一种二萜类化合物，它对卵巢癌等 许多癌症有非常好的疗效。天然红豆杉在世界范围数量很少，含量甚微，目前主要是通 过c 一1 3 侧链与1 0 去乙酰巴卡亭i i i 对接合成紫杉醇。因此，对紫杉醇c 1 3 侧链的合成 与工艺研究具有很大实用价值。 本文通过对c 1 3 侧链合成路线的研究，对各种方法进行比较，确定出最佳合成方 法。该方法以氯乙酰氯与手性的薄荷醇为原料，首先合成氯乙酸酯，然后与苯甲醛通过 d a r z e n 缩合合成( 2 r , 3 r ) 2 ，3 环氧3 苯基丙酸酯，再通过叠氮化，还原，胺解，水解等 反应合成手性的紫杉醇c 1 3 侧链。同时还优化了反应过程，避免了柱色谱分离。此法 原料易得，反应条件比较温和，并且成本低，有利于工业化生产。 论文优化了合成路线，分析各种条件( 时间，温度，投料比，催化剂用量等) 的变 化对反应产率和纯度的影响，确定最佳反应条件。各步产品均经过熔点测定，核磁、红 外，质谱等分析手段得到表征，分析结果表明得到的产物均符合目标产物，因此可以证 实设计方案的可行性。 关键词：紫杉醇c 1 3 侧链、手性辅助剂，合成、工艺优化 a b s t r a c t 硕l ：论文 a b s t r a c t t a x o lw h i c hw a se x t r a c t e dt a x u sb r e v i f o l i ab a r ki sad i t e r p e n o i d i th a sav e r yg o o d e f f e c to no v a r i a nc a n c e ra n dm a n yc a n c e r s n o wi tw a so b t a i n e dt h r o u g ht h es e m i s y n t h e t i c m e t h o dt h a ti sc o n n e c t i o no fc - l3s i d ec h a i nw i t h10 d e a c e t y l b a c c a t i ni i i t h e r e f o r e s y n t h e s i sa n dt e c h n o l o g yo ft a x o lc - 13s i d ec h a i ni sg r e a tp r a c t i c a lv a l u a b l e t h ec - 13s i d ec h a i ns y n t h e t i cr o u t ew a ss t u d yi nt h i sp a p e r t h eb e s ts y n t h e t i cr o u t e w a sd e t e r m i n e dt h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h ev a r i o u sm e t h o d s s t a r t e df r o mc h l o r o a c e t y l c h l o r i d ea n dc h i r a lm e n t h o l ，c h l o r o a c e t i ca c i de s t e rw a so b t a i n e d ，a n dt h e nc y c l i z e dt oo b t a i n ( 1s , 2 r ，5 s ) 一( + ) m e n t h y l ( 2 r ，3 r ) 一3 - p h e n y l g l y c i d a t eb yd a r z e nc o n d e n s a t i o nw i t hb e n z a l d e h y d e a f t e rt h ea z i d eo ft h ef o r m e rp r o d u c t ，i tw a st h e nr e d u c e d f i n a l l y ，c 一13s i d ec h a i no f t a x o lw a so b t a i n e da f t e rh y d r o l y s i sr e a c t i o n t h i ss y n t h e t i cr o u t ew a sq u i t ef e a s i b l eb e c a u s e o fc o m m o nr a wm a t e r i a l sa n dm i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s b e s i d e s ，e a c hi n t e r m e d i a t ew a ss o l i d a n dw a sc o n v e n i e n tt op u r i f i e da n dd e a l tw i t h w h i c hi sb e n e f i c i a lt oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sw e r ec a r d e dt od e t e r m i n et h em o s te f f e c t i v ec o n d i t i o n ss u c h a sr e a c t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r e ，m a t e r i a lr a t i oa n dc a t a l y z e rd o s e af e ws t e p sw e r ec a r r i e do u t t od e t e r m i n es c h e m e st h a tm e e td i f f e r e n tr e q u i r m e n t s p r o d u c t sw e r e c h a r a c t e r i z e db yt h e m e l t i n gp o i n td e t e r m i n a t i o n ，m a s s ( m s ) ，1h n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( h n m r ) ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h e ya r ei nl i n ew i t ht h et a r g e tp r o d u c t s 1 1 1 er o u r t eo fs y n t h e s i so fc 一13s i d e c h a i no ft a x o lw a sv e r i f l e dt ob ee f f i c i e n t 。 k e y w o r d s ：c 13s i d ec h a i no f t a x o l ，c h i r a la u x i l i a r i e s ，s y n t h e s i s ，o p t i m i z a t i o n u 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：整盔煎矽辟钿媚 硕十论丈 紫杉醇c 1 3 侧链的合成与工艺= 研究 1 绪论 1 1 概述 1 1 1 课题研究背景 紫杉醇是目前世界上公认的广谱、强活性抗癌药物，具有独特的抗癌机理l l j 。经临 床证明它对多种癌症都有疗效，尤其对子宫癌、卵巢癌、乳腺癌有特殊的疗效。该药在 上市之后销售量逐年增长，目前在美国的销售额已居同类药物首位，是一种非常好的抗 肿瘤药物，有着良好的应用前景。 紫杉醇的直接来源是从天然植物红豆杉树皮中提取，含量甚微( 最高仅达0 0 6 9 ) 。 这将破坏生态环境和野生资源，而且天然红豆杉在世界范围数量很少，生长周期长，对 紫杉醇的进一步丌发造成了很大的困难。所以从天然红豆杉中提取紫杉醇远远不能满足 人们对紫杉醇的需要，紫杉醇的神奇疗效和药源的严重短缺使其价格极为昂贵。为了解 决这难题，近年来，化学家们对紫杉醇的化学全合成研究取得了很大地进步，但是由 于全合成比较复杂，且成本较高，目前并无实用价值。后来科学家在对紫杉醇的分离纯 化研究中发现一种副产物1 0 去乙酰巴卡亭i ，同时这种副产物可以从红豆杉树叶中提 取。由于红豆杉树叶一年可采4 次，树叶又能再生，所以1 0 一去乙酰巴卡亭i i i 来源丰富， 只需要大量合成c 1 3 侧链，然后就可以在1 0 一去乙酰巴卡亭1 1 1 分子中引入c 1 3 侧链， 通过半合成的方法获得这种抗癌药物。 1 1 2 应用价值 迄今为止，紫杉醇及其衍生物主要用于治疗恶性肿瘤，其药效研究有扩大趋势，被 广泛用于卵巢癌、子宫癌，肺癌等的治疗【2 。3 1 ，是目前应用最广泛的天然抗癌药物之一。 另外，紫杉醇还在防治移植动脉硬化、抗瘢痕形成、抗血管形成等有一些疗效，但是还 处于临床研究阶段。紫杉醇的应用非常广泛，据统计，紫杉醇年需求量达5 0 0 0 k g ，仅 美国年需求量就达到3 0 0 k g ，目前产量远远不能满足国际市场的需要。目前世界上的原 料药提供的主要途径是半合成方法，与通过植物提取紫杉醇相比，紫杉醇半合成有明显 的优点。因此，改进紫杉醇的半合成工艺，寻找一条适合于工业生产的切实可行的合成 路线变得非常重要，所以提高c 1 3 侧链合成的产率，对紫杉醇化学合成的工业化具有 十分重要的意义，具有非常好的应用前景。 1 绪论 硕士论文 1 2 紫杉醇简介 1 2 1 紫杉醇及其衍生物的化学结构 美国科学家w a l l 和w a n i 发现红豆杉树皮提取物对p 3 8 8 鼠白血病细胞株有抑制作 用。1 9 6 9 年，他们提取到了这种活性物质( 紫杉醇) ，随后确定了它的结构。 紫杉醇( c 4 7 h 5 i n o l 4 ) ，商品名为t a x o l ，化学名为5 p ，2 0 环氧1 ，2 0 【，4 ，7 p ，1 0 p ，1 3 a 六羟 基紫杉烷1 1 烯9 酮4 ，1 0 双乙酸酯2 苯甲酸酯一1 3 一酯( 2 7 r ，3 s ) n 苯甲酰基3 苯 基异丝氨酸酯。它的分子结构比较复杂，可以分为两部分，基本骨架是一个三环二萜的 紫杉烷类，侧链是三个芳香环和一个环氧丙烷环。紫杉醇及其衍生物的共同特征是分子 结构中都具有三环二萜结构，只是不同化合物在紫杉烷骨架的c l 、c 2 、c 5 、c 7 、c l o 和 c 1 3 位上的取代基不同。目前已从红豆杉属植物中分离出3 5 0 余种紫杉醇类似物。 艮o p o h 匆h no k p h 乃蜍n 。 6 r 4 图1 1 紫杉醇结构图 o b z 经研究发现，其c 7 ，c 9 ，c l o 位基团以及c l l 和c 1 2 位的双键对其生物活性影响不太大， 但是c 2 ，c 4 位基团和c 1 3 侧链对其生物活性有较大的影响。 1 2 2 紫杉醇的性质 紫杉醇纯品在常温下为白色固体，熔点为2 1 3 2 1 6 。它是一个非极性白色固体物， 具有高度亲脂性，难溶于水，易溶于有机溶剂，与血浆蛋白的结合率为8 9 9 8 。 1 2 3 紫杉醇的制备 紫杉醇具有良好的抗癌活性，近年来需求量逐年增长，最早人们主要是从短叶红豆 杉树皮中提取，但是由于在天然红豆杉中含量比较低，而且目前可供提取紫杉醇的野生 红豆杉资源日益减少，有的地方甚至频临灭绝，因此，仅仅依靠从植物中提取紫杉醇已 无法满足日益增长的药用需求。现在医药中使用的紫杉醇主要是通过人工制备的。 目前紫杉醇的生产方法主要有化学半合成或全合成法、红豆杉细胞工程法、基因工 程法和内寄生真菌生产法等。 ( 一) 紫杉醇的全合成 2 硕士论文 紫杉醇c 1 3 侧链的合成与工艺研究 世界上许多合成化学家对紫杉醇复杂的结构着迷，把全合成紫杉醇看作是一项富有 挑战性的工作。经过2 0 多年的努力，直到1 9 9 4 年美国的r a h o l t o n 和k c n i c o l a o u 两个研究小组才完成紫杉醇的的全合成【4 - 引。随后，分别有4 个研究小组也完成了这项 全合成工作。从紫杉醇的结构可以看出，紫杉醇含有一个母核和一个苯丙酸酯侧链，其 中母核是由四个环( a ，b ，c ，d 环) 构成的。总的来说，全合成有一个共同的特点，都是先 合成四个环，并把他们环连接起来，最后再接上侧链，不同的是起始原料不同、四个环 连接的先后顺序不同。这些科学家在紫杉醇的合成中，历时多年，出色的完成了许多挑 战性的工作，例如：完成了紫杉醇骨架的构建、研究了多取代八元环的构象、为后来紫 杉醇半合成的工业化奠定了基础等。现在仍然有一些化学家在进行紫杉醇的全合成工 作，努力通过全合成使紫杉醇实现工业化。但是，从总体上来看，到目前为止，紫杉醇 全合成路线仍然不适合工业化生产，因为，紫杉醇的结构比较复杂，全合成路线比较长， 合成步骤繁琐，而且需要的化学试剂也比较昂贵，收率偏低，而且在合成中反应条件不 好控制，需要有专门技术的有机人员操作，这给全合成的工业化带来了相当大的困难。 但是，化学家在全合成中一些创新的思路对有机化学的发展起到了非常重要的作用。 ( 二) 紫杉醇的半合成 由于紫杉醇全合成存在着许多局限性，为了满足现代药用需求，目前紫杉醇的化学 合成主要采用半合成法。半合成法主要是通过母核卡巴亭i i l l 3 位上的羟基与侧链上的 羧基对接实现的。主要是因为1 0 去乙酰巴卡亭i i i 是从红豆杉的针叶中提取的一j ，而红 豆杉树叶一年可以采四次，这为化学半合成提供了较丰富的资源。 h o r a o c h n 曰 r a o c h n o ，8 + p h 佩h p m o i o r 46 r 4 半合成法是将红豆杉植物中的紫杉醇相似物转化为紫杉醇，由于巴卡亭i i i 比较容易 得到，因此通过半合成法可以大大改善紫杉醇需求紧张的情况。因而半合成的研究工作 主要集中在对侧链和母核巴卡亭的研究上。 由于母核1 3 位羟基周围的空间位阻效应，使得只要一步酯化反应的半合成工作比 较困难。现在半合成法大多采用对母核的7 位羟基进行保护，再对1 0 位羟基酯化，然 后再进行母核与侧链的对接。根据侧链不同可以分为不同的合成方法。一些化学家对具 体的合成方法进行了改进，例如：o j i m a 等将7 位保护的1 0 去乙酰巴卡亭i i i n 备成钠 盐，从而将h o l t o n 的反应时间由1 2 h 降为3 h ，并且回收了1 0 去乙酰巴卡亭i i i 。后来 g e n n a r i 等对合成路线也进行了改进，同样可以回收母核，而且提高了产率。他们的合 成方法都具有很高的实用价值。 i 绪论 硕1 j 论文 紫杉醇的半合成相对全合成和直接提取的方法有下列优点： 1 前体1 0 去乙酰巴卡亭i i i 在红豆杉中的含量高于紫杉醇，并且在红豆杉树针叶中 就可提取，针叶产量大，可再生能力强，这样就节约了资源，可以保护野生植物紫杉醇。 从以往的文献来看，1 0 去乙酰巴卡亭i i i 的提取率要高于紫杉醇6 倍。 2 半合成方法灵活性比较好，侧链可以发生很大的变化。有助于将来在合成过程 中有助于发现更有用的紫杉醇衍生物。 ( - - ) 植物组织培养生产紫杉醇 1 9 8 9 年，美国农业部首先发现了一部分短叶红豆杉的植物细胞能产生紫杉醇。而 另一些红豆杉的皮、针叶所产生的细胞株并不能培养出紫杉醇，而是产生其他的紫杉烷 类化合物【l 。目前国内外主要采用以下方法进行细胞培养产生紫杉醇。第一，红豆杉愈 伤组织和细胞悬浮培养；第二，红豆杉体细胞胚胎发生及胚性细胞悬浮培养；第三，红 豆杉细胞的固定化培养。 ( 四) 基因工程法生产紫杉醇 近年来，随着基因组学和生物信息学的快速发展，给植物代谢组学的研究带来了革 命性的变化，自从1 9 9 4 年m e p 首次在植物中发现以来，分子遗传学和生物化学研究得 到了很大的发展。可利用基因工程法增加红豆杉中紫杉醇的含量，例如：紫杉醇骨架中 的a ，b ，c 环是由g g p p 环化得到的，而g g p p 合酶催化i p p 与f p p 可以生成g g p p ，然 后g g p p 在紫杉烯酶的作用下生产紫杉烯，形成紫杉烷类化合物的a ，b ，c 环，然后，经 过连续的氧化反应，再经过d 环形成，依赖c o a 酰基化反应形成1 0 d a b ，最后合成紫 杉醇。到目前为止，已经克隆出了催化这些反应的酶基因f 1 2 】，而且其编码的蛋白液得到 了功能鉴定。可利用基因工程法增加红豆杉中紫杉醇的含量，这决于两个条件：分离红 豆杉中紫杉醇生物合成有关的酶和基因；红豆杉遗传转化和再生体系的建立。 ( 五) 内生真菌提取培养法生产紫杉醇 自从1 9 9 3 年s t i e r l e l l 3 1 发现红豆杉上的一种寄生真菌能产生紫杉醇后，又陆续发现 了许多能产生紫杉醇的内生真菌【1 4 , 1 5 】。虽然产率比较低，但是由于真菌的基因操作较容 易，因此可用传统的基因工程结合的方法来提高紫杉醇的产率。 1 3 紫杉醇的半合成 从紫杉醇来源可以看出，红豆杉中提取紫杉醇，因含量较低，资源不足，无法持 续续生产；化学全合成因结构复杂，合成路线较长，合成过程条件难以控制，使得紫 杉醇的化学全合成成本高，不具有商业价值：细胞培养法因为发酵周期长，中试投产 有一定的困难，要实现工业化更需要比较长的时间：基因工程法提高紫杉醇含量确实 4 硕十论文 紫杉醇c 1 3 侧链的含成与工艺研究 是比较诱人的途径，但是由于生物合成的具体途径不是很清楚，而且合成需要多个基因， 所以还需要进一步研究。 到目前为止，紫杉醇化学半合成是相对较好的途径，具有较高的研究价值。文献报 道的紫杉醇半合成主要分为以下两类： ( 1 ) 以1 0 一去乙酰基卡巴亭i i i 为前体合成紫杉醇 ( 2 ) 以l o 一去乙酰基紫杉醇为前体合成紫杉醇 1 3 1 以1 0 - 去乙酰基卡巴亭为前体的半合成 1 0 一去乙酰巴卡亭i 可以从红豆杉针叶中提取得到，这为紫杉醇的化学半合成提供 了丰富的原料。以1 0 一去乙酰巴卡亭i i i 为前体的半合成方法主要是用三乙基氯硅烷对7 位的羟基进行保护，然后再酰化1 0 位羟基，再与侧链进行缩合，最后去保护得到紫杉 醇。根据侧链结构不同，可分为以下5 类半合成方法： 1 3 1 1 b 内酰胺与7 三乙基硅烷1 0 去乙酰基卡巴亭i i i 缩合 在吡啶和4 二甲氨基吡啶存在- f ( 3 r ，4 s ) n 苯甲酰3 一o 一【( 1 - 乙氧基) 乙基】- 4 - 苯基一2 一 吖啶酮( 1 ) 与( 2 ) 缩合得到( 3 ) ，然后再用0 5 的盐酸溶于乙醇中去保护得到紫杉醇 日o ，, p h 7 - t e s - b a c 嘣h 3 d 猡渺一7 - t e s 2 i _ e e 鼬l 一锹o i o ( 2 )( 1 ) ( 3 ) h o l t o n 1 6 1 的方法需要5 当量的( 1 ) ，而且反应速率比较慢，化学家o j i m a 1 7 】等对这一 方法进行了改进。他用n a o h 将( 3 ) 制成钠盐，提高了( 2 ) 的亲核性，同时( 1 ) 的用量也减 少到1 5 当量，以4 0 的产率分离得到( 3 ) ，并且反应时间由原来的1 2 h 将至3 h 。 1 3 1 22 - 0 保护的n 一苯甲酰基3 苯基异丝氨酸与7 - - - 7 , 基硅烷1 0 一去乙酰基卡巴亭i i i 缩合 g r e e n e t 馏】用6 当量的2 - 0 ( 1 乙氧基) 乙基 - 3 苯基n 苯甲酰基异丝氨酸( 4 ) 与( 2 ) 缩 合，以4 0 产率得到( 3 ) ，然后( 3 ) 在酸性条件下水解得到紫杉醇 7 t e s b a c c a t i ni i l + ( 2 ) b z h n 一0 p h 久少o h o e t i c h 3 ( 4 ) 7 - t e s 2 e et a x o l t a x o l ( 3 ) s h i i n a l l 9 1 等用苄基代替( 1 乙氧基) 乙基的异丝氨酸( 5 ) ，然后与( 2 ) 反应得到( 6 ) ，虽然 5 l 绪论 硕j ：论文 产率仅为3 4 ，但是他们发现反应在2 h 即可完成，然后将反应混合物用硅胶柱层析， 可回收未反应完的( 2 ) ，证明缩合的副产物在硅胶上易分解为( 2 ) ，向回收物o p n a ( 5 ) 和 d m a p , 得到产物( 6 ) 。这样反复几次，总产率可达到6 6 ，然后催化氢化得到紫杉醇， 产率7 6 。 b z h n 一0 7 - t e s - b a c c a t i ni i i +p h 夕k o h 7 - t e s - 2 b nt a x o i t a x 。i o b n ( 2 )( 5 )( 6 ) 1 3 1 3 ( 4 s ，5 r ) 一2 ，4 - 二苯基口恶唑- 5 - 羧酸与7 - 三乙基硅烷一1 0 一去乙酰基卡巴亭1 1 1 缩合 在二环己基碳二亚胺存在下，以( 4 s ，5 r ) 2 ，4 - 二苯基口恶唑一5 一羧酸( 7 ) 与( 2 ) 缩合，并 且对产物进行纯化得到( 8 ) ，产率为9 5 ，再在9 5 c 用l m o l l 的盐酸进行水解得到紫杉 醇。 一川l i + p 一呤p h 一吖长。 ( 2 )( 7 ) _ t a x o i ( 8 )r l = a cr 3 2 s i e t 3 g e r m a r i l 2 0 】等对反应进行了改进，在强碱条件下，用羧酸苯硫酯与( 2 ) 缩合，反应时 间可缩短为1 5 m i n ，以8 9 9 8 的产率得到( 7 ) ，最后再经过2 步反应以8 0 的产率得 到紫杉醇。 1 3 1 4 n ，o 一保护的b 苯基异丝氨酸与7 位保护的巴卡亭i i i 缩合 在d c c 和d m a p 存在下，( 4 s ，5 r ) 2 ，2 二甲基3 叔丁氧羰基4 苯基口恶唑一5 - 羧酸( 9 ) 与( 10 ) 缩合，得到产物( ) ，产率9 9 1 2 1 1 ，然后去保护，再对侧链进行苯甲酰化，去7 位保护基得到紫杉醇。 6 ”r o c - b a c c a 瓤n + 孵一 7 ti + ，v - ( 1 0 )( 9 )( 1 1 )r l = a c r 3 = c 0 2 c h 2 c c l 3 硕十论文紫杉醇c 1 3 侧链的合成与t 艺研究 a l i c e l 2 2 1 等也在d c c 和d m a p 存在tn ( 4 s ，5 r ) 一2 对甲氧基苯基一3 苯甲酰基4 苯基 u 恶唑5 一羧酸( 1 2 ) 与( 2 ) 缩合得至l j ( 1 3 ) ，然后再用0 5 当量的盐酸去保护得到紫杉醇。s h i i n a 对这种方法进行了改进，用相同的方法制备t ( 1 3 ) ，但是他们对去保护方法做了改进， 然后用三乙胺，h 2 0 水解( 1 3 ) ，产率达到1 0 0 。 w -+pbzny-乓c扎训e-一pes-baccatin i 7 t + i ，u p h 、 (2)02) ( 1 3 ) 1 3 1 5n 苯甲酰基3 苯基异丝氨酸与7 三乙基硅烷1 0 去乙酰基卡巴亭1 1 1 缩合 这里要指出的是，王九一等将2 位未保护的n 苯甲酰基3 苯基异丝氨酸直接与 7 三乙基硅烷1 0 去乙酰基卡巴亭i i l 缩合，然后再在盐酸存在下水解去7 位上的保护基 得到紫杉醇。此方法简化了合成步骤，提高了收率。 b z h n o 7 - t e s - b a c c a t i n + p h 三? 八o h 斗 7 - t e s - b a c c a t n 川 t a x 。i 6 h 1 3 2 以1 0 去乙酰紫杉醇为前体的化学半合成暖加 由于1 0 去乙酰紫杉醇比较容易得到，可以用下面的方法将它转化为紫杉醇。在 d m a p 存在下用乙酸酐对1 0 去乙酰紫杉醇进行酯化得到紫杉醇，再对粗产品柱层析分 离，产率7 6 。为了提高产率，用二甲胺对粗产物的乙醇溶液进行处理，然后经重结晶 得到纯的紫杉醇，产率8 8 。 现在紫杉醇的化学半合成已经比较成熟，国内外已用这种方法生产紫杉醇。美国已 经于1 9 9 4 年批准半合成紫杉醇应用，而且，半合成前体已由原来的一种向多种发展， 半合成技术的不断进步和发展将缓解紫杉醇供应紧张的局面。 1 4 紫杉醇侧链的合成方法研究 通过对紫杉醇化学结构和药理活性的研究发现，紫杉醇c 1 3 侧链对紫杉醇活性有 非常显著的影响，去掉侧链后其活性基本消失。在紫杉醇半合成中，可以通过半合成方 法合成该侧链，主要采用下列方法实现侧链的光学活性：直接合成手性侧链，然后再 与母核对接；首先合成侧链前体物，然后在与母核进行缩合过程中使侧链产生光学活 7 1 绪论硕j ：论文 性。 紫杉醇c 1 3 侧链的合成方法主要分为以下两类：化学法和生物酶法。化学法主要 分为：手性合成和拆分外消旋体，其中手性合成有几种方法：手性催化法；引入手性辅 助剂法；手性中心诱导法。生物酶法可以分为酶催化还原法和酶催化拆分法两种。 1 4 1 手性催化剂法 为了产生单一的光学异构体并且能加快化学反应，一直以来科学家们都希望研发 出一种高效的催化剂。科学家发现了一些高效的手性催化剂，通过多条路线合成紫杉 醇c 一1 3 侧链。例如j a c o b s e n 【2 5 之9 1 用m n s a l e n 络合物来合成c 1 3 侧链，该反应立体选 择性较差且催化剂价格昂贵。因为手性催化剂大部分都要通过复杂合成过程才能得 到，所以一般价格都比较贵，另外大部分手性催化剂都有剧毒，不适合大量生产。 phj。et石塑一ha坚phvnh204p p n o rr ) - 4 p c o o e te t o h洲i - 1 2 一 ( ， h ， h 。 三 h 墼人nh2少q2 。h)h - - - - j j h l 2 s 0 4 i 1 1 ： u h b z h n o 坚2 ) h c l p h 入少o h ， 7 丫、 其中( r ，r ) 一4 为m n - s a l e n 络合物 图1 2 手性催化法制备紫杉醇侧链 1 4 2 手性中心诱导法 8 这种合成方法一般是从手性原来出发，通：, 一, - j - 诱导原料分子中的手性中心得到新的 手性中心【3 8 】，这是制备单一手性物的常用方法。如g r e e n e l 3 0 1 以( s ) ( + ) 苯基甘氨酸为起 始原料，但是这种方法的起始原料选择范围比较小，因为它要求反应物与产物的结构 要十分相似，这种原料一般价格较高，使得生产成本较高无法实现工业化。 如_ n h 2 。h 丽l i a i h 4 n h b 悃zh p h 孓 m e 2 c ( o m e ) 2 p p t s r m 刚必嵩 图1 3 手性中心诱导法制备紫杉醇侧链 p p 。h b z n x 。 硕士论文 紫杉时c 1 3 侧链的合成与工艺研究 洲邸。话e器p抖o，me6、mem辞phch c o k 0 h ! ：! 萏e (s)3足lj 挑 m e m 二e 甜豸e b p z 烈h n o h m e ： o g p 图1 4 手性辅助剂法制备紫杉醇侧链 1 4 4 拆分外消旋体法 此法是用黄麻素作为拆分剂来拆分外消旋体的【3 4 ，3 5 1 ，但是黄麻素是易制毒药品， 此药控制严格，不易工业化生产。 r c 。h ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! h c i 铲湖h 一铲咖h 图1 5 外消旋体拆分法制备紫杉醇侧链 1 4 5 酶催化还原法惭i 酶催化还原法效率比较高，但是它和手性中心诱导法类似，也要求反应物和产物 在结构上相似，且价格昂贵，而且选择范围也比较小，这种方法目前还处于起步阶段， 不够成熟。由于酶的不稳定性，无法得到稳定的产率。 1 4 6 环状前体合成法 环状前体有三种类型：f 恶嗪酮型、3 - 内酰胺型3 9 ，4 川和u 恶唑烷型【4 1 。卵。在这三种类 型中，比较有代表性的是u 恶哗烷型，合成方法简单、多样。很多报道的合成紫杉醇侧 链都选用门恶唑烷型作为前体。因为这种前体与1 0 去乙酰基巴卡亭一i i i 酯化时，立体选 择性和收率都比较高。 9 l 绪论 硕。1 ：论文 1 5 紫杉醇的应用及前景 光谱抗癌药物紫杉醇的研究开发一直是近年来的热点，它的作用机理独特，临床上 主要用于治疗乳腺癌和卵巢癌，另外对淋巴瘤，脑瘤和直肠癌等都有一定的疗效。虽然 紫杉醇有良好的抗癌作用，但是它也有两个缺点：第一是来源有限，第二是在水中溶解 度很低。而水溶性对一个抗癌药物是非常重要的。2 0 世纪9 0 年代紫杉醇制剂先后在全 球近4 0 个国家上市，为了改善紫杉醇的水溶性，科学发致力于开发紫杉醇前体药物， 主要用于改善其水溶性，同时降低药物毒性和提高抗肿瘤活性。 紫杉醇是目前唯一一种可以促进微管聚合和稳定己聚合微管的药物，紫杉醇在作用 于细胞后会在细胞内积累大量的微粒，这样就干扰了细胞的各种功能，阻断了细胞的正 常分裂，紫杉醇的抗癌研究已有明显结果。 紫杉醇不仅是继阿霉素和顺铂后的热点抗癌新药，而且是目前治疗乳腺癌和卵巢癌 的特效药。紫杉醇的研究方兴未艾，具有很大的社会价值和经济效益。目前，癌症越来 越严重地威胁着人类的生命。可以预期，随着紫杉醇的半合成，从人工栽培的红豆杉树 叶中提取紫杉醇技术的发展和完善，将会逐渐解决紫杉醇的来源问题。 1 6 本文研究内容 本文主要是参考已有的文献f 4 硒2 1 ，对紫杉醇c 1 3 侧链的合成路线及工艺来进行研 究，并对紫杉醇的应用进行了阐述。参照以往的合成路线，本着成本低，合成方法简单， 条件温和，收率高的原则，最后确定以薄荷醇和氯乙酰氯为原料合成c 1 3 侧链的路线。 论文还对合成的各步反应机理和工艺条件进行了分析研究，并对产物进行结构分析和表 征。 1 6 1 合成路线的确定 通过查阅前人文献资料，确定出可行的合成路线。从原料来源、产品收率、成本预 算、毒性、实验条件和后处理难易程度等方面对各条路线进行对比和评估，确定最佳合 成路线及备选路线。 实验室合成紫杉醇c 一1 3 侧链包含以下内容 ( 1 ) 氯乙酸薄荷酯的合成：从薄荷醇和氯乙酰氯反应制得。 ( 2 ) ( 2 r , 3 r ) 一2 ，3 一环氧3 一苯基丙酸酯的合成：在n a i l 作用下，通过d a r z e n 缩合反应 制备。 ( 3 ) ( 2 s ，3 r ) 一3 一叠氮基一2 一羟基一3 一苯基丙酸酯的合成：在n a n 3 作用下，环氧酯开环 得到。 ( 4 ) ( 2 s ，3 r ) - 3 一氨基一2 一羟基3 一苯基丙酸酯的合成：p p h 3 把叠氮基还原为胺基得到。 1 0 硕十论文 紫杉醇c - 1 3 侧链的合成与t 艺研究 ( 5 ) ( 2 s ，3 r ) 一3 一苯酰胺基2 一羟基3 一苯基丙酸酯的合成：苯甲酰氯与氨基反应生成酰 胺。 ( 6 ) ( 2 s ，3 r ) 一3 一苯酰胺基一2 一羟基一3 一苯基丙酸的合成：低温下用l i o h 水解酯，再用 h c i 调节p h 值得到最后产物。 合成路线图如下： h 3 h o ， c l h 2 c h 二抖：万一p 替万 1 6 2 产物鉴定与提纯 c h 3 图1 6 替万一 本文合成紫杉醇c 1 3 侧链路线图 通过薄板层析跟踪反应，判断目标产物和副产物，并根据一些性质提纯反应产物， 每步反应的产物通过熔点测定、质谱、红外、核磁等不同的分析手段进行检测，判断是 否符合目标产物。 1 6 3 工艺优化 参考文献报道，根据实验条件，对每一步反应选择合适的试剂与合成方案，并对温 度，反应时间，原料配比等条件进行分析，以最优的条件得到最后目标产物。 1 6 4 机理分析 推断各步可能的反应机理，通过机理分析预知所选方案的可行性，推断重要因素， 以便对实验过程进行改善，达到优化目的。 萏三呲 心乱 oc 3 一 y u ：吼 2 实验部分硕上论文 2 实验部分 2 1 一般实验条件 2 1 1 一般仪器 2 5 0m l 四口烧瓶、5 0 0m l 四口烧瓶、1 0 0m l 四口烧瓶、5 0m l 容量瓶、2 5m l 容量瓶、2 5 0m l 单口烧瓶、1 0 0 m l 单口烧瓶、5 0m l 恒压滴液漏斗、1 0 0m l 恒压滴液 漏斗、2 5 0m l 分液漏斗、5 0 0m l 分液漏斗、1 0 0 0m l 分液漏斗、1 0m l 移液管、砂芯 漏斗、布氏漏斗、烧杯、分水器、直形冷凝管、球形冷凝管、温度计、点样毛细管、熔 点毛细管、电子天平、电热套、水浴锅、油浴锅、广口瓶、u 型管、聚四氟乙烯搅拌棒、 聚四氟乙烯瓶塞( 2 4 捍、1 9 f ) 、玻璃塞( 1 9 撑、1 4 群) 、玻璃棒、橡皮管、生料带、铁架台、 升降台、牛角勺、不锈钢勺、转接头、蒸馏头、表面皿、小坩埚、p h 试纸、滤纸、称 量纸。 s h z d o i i ) 循环水式真空泵 巩义市英峪予华仪器厂 s e n c o r 2 0 1 旋转蒸发器上海申胜生物技术有限公司 三用紫外分析仪上海顾村电光仪器厂 数字温度控制仪上海医用仪表厂 t y h w 型电热套巩义市英峪仪器一厂 增力电动搅拌机上海标本模型厂制造 数显恒温水浴锅国华电器有限公司 c s l 0 1 a 型电热鼓风干燥箱重庆试验设备厂制造 6 6 8 型真空干燥箱大连第四仪表厂 6 4 0 2 型电子继电器南通科学仪器厂 7 9 w h 1 型恒温磁力搅拌器浙江乐成电器厂 2 1 2 仪器分析 i r 光谱：采用p e r k i ne l m e r 公司生产的p a r a g o n5 0 0f t - i r 型红外光谱仪。 熔点( m p ) ：采用r e i c h e r t 公司生产的k o f l e r 型显微熔点测定仪进行测定，温度计没 有经校正。 硕上论文紫杉醇c 1 3 侧链的合成与工艺研究 m s 谱：采用f i n n i g a nm a t 公司生产的m a t - 9 2 0 0 型质谱仪，以直接注入的方式导 入样品；测试时根据化合物的性质的不同，可以采用两种不同的离子源，一种以直接化 学电离( d c i ) 的方式产生，使用氨气作为反应气体，热流通过加热器以8m a s 的速度沿 d c i 直线呈线性上升，另一种以电子轰击电离( e i ) 的方式产生，电离能为7 0e v ，离子源 的温度为2 0 0 。c ；仪器连续记录下质谱，数据以谱图的形式给出，图中标出的数据即反 应了各分子基团的质量数：在对质谱的解析中，所列信号的相对强度一般情况下都大于 5 。 n m r 谱：1 h n m r 谱是在各自指定的溶剂( c d c l 3 , d m s o d 6 等) 中采用 b r u k e r - d a l t o n i k 公司的d p x 2 0 0 或d p x 3 6 0 型核磁共振仪测得，核磁管直径为5 n 埘； 化学位移( 6 ) 以p p m 的形式给出，内标为四甲基硅烷( 0 0 0p p m ) ：质子峰的精细结构用下 列符号表示：s = 单重峰，d = 双重峰，d d = 双二重峰，t = - - - - 重峰，m = 多重峰，b r = 宽峰； 耦合常数j 指1 h 1 h 核之间的耦合。 2 1 3 色谱分离 薄板层析( t l c ) ：这是一种快速简便的分离方法，常用于微量分离，一般以硅胶、 氧化铝等为固定相，选用适当的展开剂为流动相，通过被分离物的配分系数的差异实现 分离。根据化合物的结构不同，显色方式不同。本实验采用青岛海洋化工公司生产的硅 胶板，厚度为0 2m m ，规格为2 0 2 0c m ；展丌剂根据需要选取，色谱标记在荧光测试 仪( 2 5 4n m 和3 6 6n m ) 光照下进行。 柱层析( c c ) ：柱层析的原理与薄层层析原理是相同的，但被分离物质在柱内与流动 相和固定相相互接触的路径较长，因此分离效果更好，一次性可处理较大体积的样品量， 当样品液体积较大而其中的待测物质浓度较低时，仍然能够有效分离。用于化合物分离 的分离介质主要有硅胶、氧化铝、活性炭、离子交换树脂、大孔树脂、凝胶、十八烷基 硅胶等。本实验采用青岛海洋化工公司生产的2 0 0 3 0 0 目的硅胶；在一定的压力下干法 将硅胶装填到色谱柱内，配好的流动相在加压下洗脱。 高效液相色谱( h p l c ) ：采用w a t e r s 5 0 1 高效液相色谱仪，流动相由讵己烷与乙酸 乙酯组成，两者之间的比例根据不同的样品作相应调整；固定相采用m e r c k 公司提供的 l i c h r o s p e rs i 6 0 ，填料粒径5u m ，底直径4m m ，长2 5 0n u n ；色谱数据按照下列顺序给 出：固定相，流动相，流速，滞留时间。 2 1 4 原料和试剂 1 ( ) 薄荷醇：( 1 r 2 s ，5 r ) - ( ) - m e n t h 0 1 分子式：c 1 0 h 2 0 0 ，分子量：1 6 5 2 实验部分硕 论文 c a s 号：2 2 1 6 5 1 5 无色针状结晶，熔点4 1 4 3 ，沸点2 1 2 。 来源：国药集团化学试剂有限公司， 2 氯乙酰氯：c h l o r o a c e t y lc h l o r i d e 分子式：c 2 h 2 c 1 2 0 分子量：1 1 3 c a s 号：7 9 4 0 9 无色透明液体，熔点一2 2 5 ，沸点1 0 7 ，有刺激性气味。 来源：国药集团化学试剂有限公司 3 氢化钠：s o d i u mh y d r i d e 分子式：n a i l ，分子量：2 4 c a s 号：7 6 4 7 6 9 7 白色至淡灰色的细微结晶，以2 5 5 0 比例分散在油中，熔点8 0 0 分解，易燃易 爆 来源：苏州华丰精细化工公司 4 苯甲醛：b e n z a l d e h y d e 分子式：c 7 h 6 0 ，分子量：1 0 6 c a s 号：1 0 0 5 2 7 无水液体，具有苦杏仁味，熔点2 6 ，沸点1 7 8 来源：济南明鑫制药有限公司 5 三苯基膦：t r i p h e n y l p h o s p h o r a n y l i d e n e 分子式：( c 6 h s ) 3 p 分子量：2 6 2 c a s 号：2 1 3 6 7 5 6 白色或浅黄色片状结晶，熔点7 9 8 2 ，沸点3 7 7 来源：国药集团化学试剂有限公司 6 苯甲酰氯：b e n z o y lc h l o r i d e 分子式：c 7 h s c l 0 分子量：1 4 0 c a s ：9 8 8 8 4 无色液体，有刺激性气味，沸点：1 9 7 来源：国药集团化学试剂有限公司 1 4 硕上论文紫杉醇c 1 3 侧链的合成与工艺研究 二氯甲烷 t h f 乙醚 9 5 乙醇 亚硫酸氢钠 叠氮化钠 氯化铵 石油醚( 6 0 - - - 9 0 。c ) 乙酸乙酯 三乙胺 氢氧化锂 锌粒 盐酸 无水硫酸钠 硅藻土 柱层析硅胶 南京化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 北京长海化工厂 南京化学试剂一厂 南京化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 2 2 紫杉醇c 1 3 侧链的合成 h 萏h 二c l n 邸奠苓叱 2 2 1 1 操作步骤 方法一：在油浴9 0o c t ，将1 0g 的薄荷醇投入到5 0 m l 的三口瓶中，滴加5 6 m l 的苯甲酰氯，约1 0 分钟加完，继续搅拌2 小时，自然冷却至室温，加入2 7 m l 的乙醚， 再加饱和n a h c 0 3 溶液，剧烈搅拌，有大量气泡冒出，用稀盐酸将有机层调为中性，用 1 5 2 实验部分 硕十论文 乙醚萃取水层，再用水萃取有机层一次，合并有机层。再用无水硫酸钠干燥，过滤浓缩 得黄色油状物( 不易吸潮) ，先放入室温冷却，向其中加