甾体化合物结构修饰

甾体化合物的结构修饰 甾体药物有独特的疗效 是目前临床及计划生育中的一类重要药物 据统计 国际市场上这类药物的年产值高达20多亿美元 截至目前 80 的甾体药物是以天然甾体化合物为原料 经过合成制备而得 早年合成甾体药物的甾体原料主要用动物界的胆固醇和胆酸等 薯蓣皂苷元的发现和利用 为从植物界获得资源丰富和经济的天然甾体原料开辟了新途径 此后有关从植物界寻找新甾体原料 或寻找已知甾体化合物的新资源 以及生产工艺的研究 都有较多报道 1935年Fujii和Matsukawa首次在薯蓣植物中发现了薯蓣皂苷元 1943年Marker研究证明薯蓣皂苷元是合成甾体激素药物的原料 自此以后 薯蓣属植物的开发利用在全世界迅速展开 薯蓣皂苷元是合成多种甾体激素和甾体避孕药比较理想的前体 世界各国生产的甾体激素60 以上以它为原料 甾体激素应用广泛 发展迅速 美国仅皮质激素一类就有60多种药品上市 每年所需甾体原料以薯蓣皂苷元 diosgenin 折算 约需2000吨 1957年我国植物学工作者开始进行薯蓣资源的调查研究和开发利用 取得了巨大的成绩 据报道 我国薯蓣植物中含薯蓣皂苷元的种类有17种 1亚种 2变种 可供工业生产利用的有10种 约占全世界含有薯蓣皂苷元植物的50 以上 其中以盾叶薯蓣和穿龙薯蓣的品质最好 不同品种的薯蓣所含有的薯蓣皂苷元差别很大 同一品种也因产地 栽培条件 环境条件等的影响使其薯蓣皂苷元的含量有差异 但以盾叶薯蓣含量最高 为1 05 16 15 目前 国内已可用薯蓣皂苷元合成黄体酮 强的松 可的松 性激素等50余种激素类药物 dioscin diosgenin 薯蓣皂苷 dioscin 和薯蓣皂苷元 diosgenin 的结构 盾叶薯蓣或穿龙薯蓣的干燥根茎 加水浸透 自然发酵後 加硫酸或盐酸通蒸汽加压水解 粉碎调浆 蒸汽灭菌并糊化 接种黑曲霉通气发酵 水解物 发酵液 用水或碳酸纳溶液洗去酸液 干燥后粉碎 含水量 6 干燥粉 湿相滤渣 提取液 粗制薯蓣皂苷元 薯蓣皂苷元mp204 207 过滤 得滤渣 滤液用于制糖或柠檬酸 加活性碳 然后加有机溶剂 连续回流提取20小时 回收有机溶剂 浓缩 静置 使结晶完全析出后 离心 干燥 酸调浆水解 洗去酸液 干燥 自乙醇或丙酮中重结晶 以薯蓣皂苷元为起始原料 半合成各类甾体激素 这些激素包括肾上腺皮质激素类的糖皮质激素 氢化可的松 泼尼松等 盐皮质激素 醛甾酮 醋酸氟氢可的松等 性激素类的雌性激素 雌二醇 雌酮等 雄性激素 睾丸酮 雄酮等 蛋白同化激素 去氢甲睾酮 苯丙酸诺龙等 以及避孕药 炔诺酮 甲地孕酮等 共计2000余种物质 由于薯蓣皂苷元是合成多种甾体激素和甾体避孕药比较理想的前体 世界上合成甾体激素类药物大部分是以薯蓣皂苷元为原料 据统计 目前全世界年产薯蓣皂苷元3000T 其中我国年产1500T 而国际市场的年需求量为6000T 国内年需求量为3000T 对薯蓣皂苷元的需求缺口很大 因此 必须寻找新的甾体原料 薯蓣皂苷元的主要用途 在国内研究开发薯蓣皂苷元的同时 我所选用了另一种甾体原料 海柯皂苷元 进行了合成 去氢皮质酮的研究 目前 我国生产的海柯皂苷元除一部分用于国内皮质激素药物的生产外 大部分出口至英 美等国 过去十年仅出口英国葛兰素化学有限公司的数量已达300余吨 创外汇2000余万美元 我国已成为世界上生产海柯皂苷元最多的国家 六十年代末 我国开始大量生产甾体避孕药 急需寻找开发新的甾体原料 1976年我所利用大量种植的东一号剑麻 Agavedong 为植物原料 对其叶中含有的甾体皂苷元生产替告皂苷元的工艺和产品的检测方法等进行了全面的研究 国产的替告皂苷元除已用于蛋白同化激素药物和53号避孕药的生产外 已外销美国 墨西哥等国 我国是世界上首先和唯一生产替告皂苷元的国家 1 利用替告皂苷元合成甾体药物 替告皂苷元 tigogenin 是发现最早的天然甾体皂苷元之一 已从多种植物中得到 在已研究过的近300种龙舌兰属植物中大多含有此苷元 早年对其立体结构的化学研究和合成甾体药物的研究都有较多报导 认为替告皂苷元是有竞争性的甾体原料之一 但是由于未发现高含量和资源丰富的植物 国外尚未进行生产 六十年代末 我国纤维工业大面积改种了纤维质量好产量高的东一号剑麻为生产原料 1974年我所和华南热带作物研究所同期发现东一号剑麻叶中有高含量的替告皂苷元 以全国已种植的近15万亩的东一号剑麻计算 每年可供生产200余吨的替告皂苷元 资源极为丰富 2 3 1 利用替告皂苷元 Tigogenin 1 合成甾体药物时 首先需将其裂解开环制成关键中间体醋酸烯醇甾酮 2 或表雄甾酮 3 由 2 和 3 出发 可合成一系列甾体药物 CrO3 HOAc Ac2O HOAc 180 C 1 5 4 将替告皂苷元1在醋酐中于180 C裂解F环为4 用铬酸氧化开裂E环得5 H2NOH HCl py KOAc 5 6 2 消除5的16 取代基团即得中间体2 再将2制成酮肟6 16 NaOH EtOH POCl3 py 6 7 3 6在三氯氧磷存在下进行重排得酰胺7 然后水解即得中间体表雄甾酮3 8 1 1口服避孕药双炔失碳酯的合成 双炔失碳酯 anordrin 8 是一种女用口服探亲避孕药 临床试验表明 同居期间连续服用数片即可达到避孕目的 可以以表雄甾酮 3 合成 CrO3 H2SO4 Ac2O NaOH 表雄甾酮3以铬酸氧化 使A环开裂生成二羧酸9 在醋酐中进行环化得五元环酮10 3 9 10 在氢氧化钠存在下通入乙炔使10进行炔化反应生成双炔醇11 在酸催化下用丙酐将11酰化反应得8 C2H2 NaOH PrO 2O TsOH 10 11 8 12 1 2骨骼肌松驰药哌库溴铵的合成 哌库溴铵 pipecuroniumbromide 12 是一种非去极化型长效肌松药 用于手术中气管插管横纹肌松弛 与其他肌松药比较 12对病人的血流动力学影响较小 对心率 血压无明显影响 心电图无明显改变 临床广泛应用于心血管疾病患者手术 从3出发 用含有对甲苯磺酸的硅胶进行脱水生成烯酮13 在酸催化下用醋酸异丙烯酯将13酯化得烯醇酯14 TsOH SiO2 CH2 C Me OAc TsOH 3 13 14 14 以间氯过苯甲酸氧化烯醇酯14 生成双环氧化物15 然后在甲基哌嗪中回流 开环生成哌嗪开环物16 m CPBA CH3NC4H8NH 16 15 NaBH4 MeOH Ac2O 17 16 18 16在甲醇中用硼氢化钠还原得二醇17 以醋酐酯化 生成二醋酸酯18 18 12 MeBr CH3COCH3 在丙酮中将18与溴甲烷一起搅拌 即可得到12 19 20 1 3哺乳动物性信息素雄甾烯酮和雄甾烯醇 雄甾 16 烯 3 酮 19 和雄甾 16 烯 3 醇 20 为哺乳动物性信息素雄甾烯酮和雄甾烯醇 MeC6H4SO2NHNH2 LiAlH4 CrO3 H2SO4 3 21 22 19 将3与对甲苯磺酰肼反应生成腙21 用氢化锂铝将其还原得16 烯22 用Jone s试剂进行氧化 生成具有气味的19 TsCl py MeC6H4SO2NHNH2 NaNO2 LiAlH4 3 23 24 20 在吡啶中将3用对甲苯磺酰氯酯化 再在DMF中与亚硝酸钠反应 使C3羟基发生转位 生成雄素酮23 将其制成对甲苯磺酰腙24 再用氢化锂铝还原 可得具有气味的20 3 TsCl py NaNO2 22 20 将22在吡啶中用对甲苯磺酰氯酯化 再在DMF中与亚硝酸钠反应 则C3羟基发生转位 亦可得到20 25 1 4麝香雄甾成分雄甾二醇 5 雄甾 3 17 二醇 25 是麝香中所含11种雄甾成分之一 NaBH4 MeOH TsCl py 26 28 27 将3的醋酸酯26在甲醇中用硼氢化钠还原 生成17 羟基甾体27 然后在吡啶中用对甲基磺酰氯酯化 得对甲苯磺酸酯28 17 NaOH MeOH KOAc DMF 28 29 30 25 28和醋酸钾在DMF中一起回流 生成转位产物混合物 用硅胶柱分离 可得29和30纯品 两者用NaOH MeOH水解 均得25 1 5蛋白同化激素美雄酮 美雄酮 metandienone 大力补 31 的蛋白同化活性与丙睾相同 但雄激素活性仅约1 分化指数为3 可促进蛋白质合成 促进食欲 增长肌肉 增加体重 加速骨钙化和骨生长 促进创伤和溃疡的修复 临床适用于慢性消耗性疾病 严重感染 创伤 烧伤和术后康复等 据报道 它对再生障碍性贫血有较好的疗效 MeI Mg CH3OCH3 CrO3 H2SO4 微生物 3 32 33 31 将3用甲基格氏试剂进行加成得二醇32 用Jone s试剂将32氧化生成美雄诺龙 mestanolone 33 再以适当微生物脱氢即可的31 32 31 微生物 也可用微生物将32进行氧化和脱氢 一步得到美雄酮31 34 1 6蛋白同化激素羟甲烯龙 羟甲烯龙 oxymetholone 康复龙 34 具有蛋白同化激素样作用 用于治疗各种原因引起的身体衰弱和消瘦 HCOOEt MeONa 34 33 美雄诺龙33在甲醇钠存在下与甲酸乙酯缩合 即得羟甲烯龙34 35 1 7蛋白同化激素司坦唑醇 司坦唑醇 stanozolol 康力龙 35 为一高效蛋白同化激素 其活性为甲睾酮的30倍 还具有升高白血球和治疗高脂血性动脉硬化的功效 34 35 NH2NH2 将羟甲烯龙34与肼反应制成酮腙 环化得司坦唑醇35 36 1 8蛋白同化激素夫拉扎勃 夫拉扎勃 furazabol 去脂舒 36 的作用与司坦唑醇 35 相似 适用于慢性消耗性疾病及骨质疏松性骨折和骨萎缩症等 并能显著降低血脂 已被用作降血脂药以防治动脉粥样硬化 NaNO2 HCl NH2OH HCl NaOH CH2OH 2 180 C 34 38 37 36 羟甲烯龙34用亚硝酸钠处理生成酮基酮肟37 然后与盐酸羟胺反应得到38 38在NaOH参与下环化制得夫拉扎勃36 39 1 9抗心率失常药Amafalone 3 氨基 2 羟基 5 雄甾烷 17 酮盐酸盐 Amafalone 39 对实验动物心率失常有防治作用 疗效超过利卡多因 且毒性较低 无激素样作用 已试用于慢性室性心律失常的病人 K2CO3 NBS HClO4 41 13 40 烯酮13在高氯酸催化下以NBS在含水二噁烷中进行加成反应得溴醇40 40环化生成环氧酮41 NaN3 DMF Ni H2 HCl 41 42 39 环氧酮41在DMF中以叠氮化钠打开环氧得叠氮醇42 用Raney Ni催化氢化 再加盐酸成盐即得39 43 1 10抗肿瘤药环硫雄醇 环硫雄醇 epitiostanol 43 的抗乳腺癌活性比丙睾强一倍 一次注射疗效可维持一周 临床上适用于治疗乳腺癌 KBH4 MeOH KSCN H3PO4 KOH 43 44 41 45 环氧酮41以硼氢化钾还原得环氧醇44 于磷酸存在下用硫氰化钾打开环氧生成开环物45 再以碱环化即得43 46 1 11氢化可的松 氢化可的松 hydrocortisone 46 原是一种天然糖皮质激素 现已人工合成 抗炎作用为可的松得1 25倍 还具有免疫抑制作用 抗毒作用 抗休克作用等 可用于结核性脑膜炎 胸膜炎 关节炎等 H2O2 NaOH MeOH AcO2 py HBr HOAc Ni H2 EtOH 49 2 47 48 将醋酸烯醇甾酮2在甲醇中用过氧化氢氧化得环氧物47 于吡啶中用醋酐乙酰化 再在醋酸中用HBr开环得溴醇48 然后在乙醇中用镍催化氢解脱溴生成脱溴物49 在甲醇中将49用碳酸钾水解乙酰基 再在氯仿中碘化 得碘化物50 在DMF中用醋酸钾置换碘 得醋酸酯51 再用诺卡氏菌和蓝色梨头酶混合发酵转化 即得46 KOAc AcO2 DMF K2CO3 MeOH I2 CaO CHCl3 微生物 49 50 51 46 52 1 12地塞米松 地塞米松 dexamethasone 52 是一种含氟强效皮质激素药物 具有抗炎作用及控制皮肤过敏的作用 MeMgX CuCl THF CH3COO2H 2 从醋酸烯醇甾酮2开始 经过甲基化 酯化得53 53经过环氧化得到17 20 环氧化物54 在环氧化过程中 氧原子是专一地从空间位阻较小的甾体分子53背向进攻的 Ac2O 53 54 17 20 54 Br2 CHCl3 KOH KOAc DMF 55 56 57 54在碱性条件下水解得16 甲基 17 羟基化合物55 然后在C 21位引入溴原子得C 21位溴代物56 用醋酸钾交换溴原子得C 21位醋酸酯57 16 21 Ac2O py Arthrobatersimplex 57 58 59 57用醋酐 吡啶将C 3位羟基乙酰化 生成二醋酸酯58 用节杆菌转化 则3 21 二乙酰基发生水解 C 3位羟基氧化为酮基并进行1 4 脱氢 生成二烯酮56 59 Asidia 常法 5步 60 52 二烯酮59用梨头酶转化 可引入11 羟基得16 甲基泼尼松龙57 由57可按常法合成地塞米松52 11 61 1 13氨基甾体化合物 5 雄甾烷类的氨基甾体化合物具有抗心率失常 降血压 抗炎和杀真菌等药理活性 17 氨基 5 雄甾 61 可由表雄甾烷 3 合成得到 TsCl Py LiBr DMF 3 62 63 在对甲苯磺酰作用下 表雄甾酮3转变为62 然后在溴化锂作用下脱去羟基得63 NH2OH HCl Py Na n PrOH 5 雄甾 2 烯 17 酮63在盐酸羟胺作用下得到64 然后在金属钠作用下还原为17 氨基 5 雄甾 2 烯65 和17 氨基 5 雄甾 2 烯65 63 64 65 17 5 NH4 2SO4 HCHO HCOOH 180 C HCl 利用Leuckart wallach反应将63转化为甲酰衍生物66 然后在甲醇中用盐酸水解为65 和65 63 66 65 由63合成65的路线二 Pd C 65 61 17 氨基 5 雄甾 2 烯65 在乙醇中催化还原得17 氨基 5 雄甾61 2 利用薯蓣皂苷元的结构修饰 上世纪70年代 中科院成都生物研究所以穿龙薯蓣为原料 研制成功防治心血管病药物 穿龙冠心宁 产品主要成分为总甾体皂甙 药理试验表明 穿龙冠心宁 能减缓或消除冠状动脉斑块的堆积与形成 临床试验表明 该产品对胸闷 气短 心跳过速 心绞痛等冠心病症状有明显治疗效果 上世纪80年代该所又以盾叶薯蓣为原料成功研制出防治心血管疾病药物 地奥心血康 薯蓣皂苷元和黄山药总皂苷抗高脂血症作用比较 地奥心血康胶囊是以薯蓣科植物黄山药的根茎提取物 黄山药总皂苷 totalsaponinofDioscoreapathaica 为原料药的治疗高脂血症和冠心病的中成药 对TSDP肠内菌代谢研究表明 TSDP可以被人和大鼠肠内菌代谢转化为多种代谢产物 通过薄层色谱和电喷雾质谱分析发现 TSDP经口服后的诸多代谢产物中能够被吸收入血并达到一定血药浓度的化学成分是薯蓣皂苷元 Dio 比较了TSDP和Dio对实验性高胆固醇血症的预防和治疗作用 表1 TSDP和Dio对高胆固醇血症小鼠血清总胆固醇升高的预防作用 结果表明 给小鼠igTSDP 400 200mg kg 和Dio 160 80mg 时 Dio对小鼠高胆固醇血症有明显预防作用 而TSDP只有大剂量才有一定预防作用 ip给药时 Dio 40 20mg kg 仍然有效 但TSDP无效 表2TSDP和Dio对高胆固醇血症小鼠血清总胆固醇升高的治疗作用 结果 给小鼠igDio 160 80mg kg 对高胆固醇血症有明显治疗作用 其它各组无效 表3TSDP和Dio对高胆固醇血症大鼠血清总胆固醇升高的预防作用 结果表明 给大鼠igDio和TSDP均能明显改善喂饲胆固醇引起的大鼠高脂血症 但Dio 200mg kg 预防大鼠高胆固醇血症的效果明显优于TSDP 200 400mg kg 表4 TSDP和Dio离体对胆固醇微胶粒形成的抑制作用 结果表明 Dio在肠道中抑制胆固醇微胶粒形成的作用强度明显高于TSDP 结果 给小鼠igTSDP和Dio Dio对高脂血症有明显预防和治疗作用 而TSDP只有大剂量才有一定预防作用 小鼠ip给予Dio仍然有效 TSDP无效 大鼠igDio的预防效果明显优于TSDP Dio体外抑制胆固醇微胶粒形成作用明显强于TSDP 结论 Dio抗高脂血症作用优于TSDP 可能与其抑制胆固醇微胶粒形成和吸收抑制有关系 2 1薯蓣皂苷元的氨基酸酯 薯蓣皂苷元具有增强心脏收缩力 减慢心率 抗动脉硬化 改善微循环 抗衰老以及抗关节炎等功效 将薯蓣皂苷元 1 与氨基酸缩合 得到薯蓣皂苷元的氨基酸衍生物 二肽衍生物 再进一步制备成各种盐 可获得具有治疗心脑血管疾病的薯蓣皂苷元衍生物 a 1 DCC2 CF3CO2H3 NaHCO3b 1 N BocAminoAcid DCC HOBt2 CF3CO2H3 NaHCO3 1 甘氨酸薯蓣皂甙元酯 Diosgeninylglycinate 1 DL 组氨酸薯蓣皂甙元酯醋酸盐 DiosgeninylDL histidinateacetate 2 L 赖氨酸薯蓣皂甙元酯 DiosgeninylL ysinate 3 N L 赖氨酰基甘氨酸薯蓣皂甙元酯醋酸盐 DiosgeninylN L lysinatylglycinateacetate 4 N L 精氨酰基甘氨酸薯蓣皂甙元酯醋酸盐 DiosgeninylN L argininatylglycinateacetate 5 N DL 组氨酰基甘氨酸薯蓣皂甙元酯醋酸盐 DiosgeninylN DL histidinatylglycinateacetate 6 合成了六个衍生物 对心肌缺血大鼠心肌梗死范围的影响结果表明 结扎前降支的模型对照组大鼠梗死范围为17 1 与假手术组相比 心肌梗死范围明显 大鼠灌服1 2 3 4及6 其梗死范围显著缩小 其强度依次为2 1 6 3 结果见表1 对心肌缺血大鼠心肌酶AST LDH CKMB的影响 结果表明 结扎前降支的模型对照组心肌酶AST LDH CK MB均明显升高 与假手术组比较差异非常明显 P4 1 2 结果 薯蓣皂甙元水溶性非常差 通过氨基酸缩合 合成了薯蓣皂甙元氨基酸酯衍生物 增加了分子的极性 使薯蓣皂甙元水溶性差的问题得到改善 通过对大鼠心肌缺血所致心肌梗塞的影响验表明 合成的6个新化合物均有抗心肌缺血生理活性 可用于预防心肌缺血 这对于薯蓣皂甙元的开发利用具有重要意义 2 2薯蓣皂苷的酰基化衍生物 天然的甾体皂苷中自由羟基被酰基官能团修饰后 生物活性可发生变化 为药物筛选提供具有生理活性的化合物 利用酶促反应制备酰基化薯蓣皂苷衍生物 区域选择性高 方法简便 生成的单酰基或双酰基薯蓣皂苷衍生物具有抗肿瘤等生理活性 R 酰基 R CH2CF3或CH CH2 2 3 25R 26 羟基胆甾醇的合成 25R 26 羟基胆甾醇 2 是胆甾醇代谢为胆酸的中间体 是HMG CoA还原酶的有效抑制剂 因此可以抑制胆甾醇在体内的生物合成 25R 26 羟基胆甾醇也可抑制DNA的合成 25R 26 羟基胆甾醇 2 可由易得的薯蓣皂苷元 1 为原料合成制得 Zn HCl ethanol TBDMSCl imidazole DMF 1 3 4 用Clemmensen还原反应还原薯蓣皂苷元1得 25R 5 烯 3 16 26 三羟基胆甾醇3 在干燥N N 二甲基甲酰胺中 以咪唑为催化剂 用叔丁基二甲基硅基氯将3的C 3 C 26羟基保护起来得4 1 NaH CS2 MeI imidazole 2 Bu3SnH AIBN toluene HF THF 4 2 5 首先将4转化为中间体二硫代碳酸酯 然后用三丁基氢化锡和偶氮二异丁睛还原4为脱氧化物5 然后用氟化氢脱去硅基保护基得 25R 26 羟基胆甾醇2 2 4引入17位羟基 具有17 羟基甾体螺环结构的偏诺皂苷元 pennogenin 的糖苷化合物是药用植物重楼属植物的活性成分之一 偏诺皂苷元与薯蓣皂苷元 Diosgenin 的结构差别仅在于17 OH的存在与否 由于薯蓣皂苷元是一个经济易得的植物初加工产物 以它为起始原料合成偏诺皂苷元具有很强的实用性 构效关系研究 1982年法国Roussel Uclaf公司推出米非司酮作为抗早孕药物 不但促进了抗早孕激素及抗皮质激素药的发展 而且在甾体药物研究历史上起着里程碑的作用 在甾体激素类药物中 米非司酮是一种很有结构特色的化合物 它是以炔诺酮为先导化合物经结构修饰后得到的新型化合物 表现有较长的消除半衰期平均为34h 以及血药峰值与剂量无明显关系 米非司酮的构效关系为 米非司酮的构效关系 3 5肾上腺皮质激素 肾上腺皮质激素主要以可的松 cortisone 氢化可的松 皮质醇 cortisol 皮质酮 corticosterone 11 脱氢皮质酮及17 羟基 11 脱氢皮质酮组成 统称为天然皮质激素 有较高的生物活性 它们均为甾体化合物 具有孕甾烷基本母核和含有 4 3 20 二酮 21 羟基功能基 11 位含有羟基或氧 17位含有羟基时为可的松类化合物 无羟基时为皮质酮类化合物 1953年又分离出醛固酮 aldosterone 可的松氢化可的松皮质酮 11 脱氢皮质酮17 羟基 11 脱氢皮质酮醛固酮 肾上腺皮质激素按其生理作用特点可分为盐皮质激素及糖皮质激素糖皮质激素包括绝大多数皮质激素 主要与糖 脂肪 蛋白质代谢和生长发育等有密切关系 是一类重要药物 但是它们也或多或少还保留有影响水 盐代谢的作用 使钠离子从体内排出困难而发生水肿 此为其副作用 因此糖皮质激素化学结构修饰的主要目的集中在如何将糖 盐两种活性分开 以减少副作用 在60 70年代 糖皮质激素结构修饰成为当时最热门