常山酮的合成方法研究*

顾艳艳,刘世旭,王诗玺,万升标,江 涛

(中国海洋大学医药学院教育部海洋药物重点实验室,山东青岛266003)

常山酮的合成方法研究*

顾艳艳,刘世旭,王诗玺,万升标,江 涛**

(中国海洋大学医药学院教育部海洋药物重点实验室,山东青岛266003)

本文对常山酮(halofuginone)的合成方法进行了研究和改进,以2-甲基-3-羟基吡啶为起始原料,其甲基化产物与乙腈加成后经Rh/A l2O3选择性还原得(3-甲氧基-2-哌啶基)-丙酮,再经溴代、N-保护后与6-氯-7-溴-4(3H)-喹唑啉酮偶联,产物经水解脱保护得目标化合物6-氯-7-溴-3-(3-(3-羟基-2-哌啶基)-丙酮基)-4(3H)-喹唑啉酮氢溴酸盐,通过6步反应制得了常山酮,总收率为11.6%,为常山酮的工业化生产提供了可能。目标产物和各步中间体结构经MS、1HNMR和13CNMR确证。

常山酮;抗球虫药;合成方法

常山酮(halofuginone,1),化学名为6-氯-7-溴-3-[3-(3-羟基-2-哌啶基)-丙酮基]-4(3H)-喹唑啉酮氢溴酸盐,是中药常山提取物常山碱(febrifugine)的衍生物[1]。0.6%氢溴酸常山酮预混剂的商品名为速丹(Steno ro l),主要由德国Hoechst-Roussel Agri-Vet公司生产和经营。常山酮目前主要用于驯养类动物如家禽、家畜抗球虫病、抗疟疾的预防和治疗,具有广谱高效、不可逆、停药后无复发、无交叉抗药性、毒性小、安全等优点[2]。近年研究发现,常山酮还可用于预防肝纤维化、肺纤维化、硬皮病等以Ⅰ型胶原合成过多为特征的疾病[3]及膀胱癌、前列腺癌、乳腺癌、皮肤癌、肺癌等恶性肿瘤及瘢痕的治疗[4],市场前景广阔。目前,常山酮为进口兽药,由于合成工艺复杂,国内还无法实现其工业化生产,因此价格昂贵。本文以2-甲基-3-羟基吡啶为起始原料,按设计路线合成了目标化合物,并对文献方法进行了工艺改进和优化。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

JEOL JNM-EPC 600 NM R核磁共振仪(内标TM S);WRS-1B型熔点仪;Agilent 1100 series高效液相色谱仪;Q-tof U ltima Global质谱仪(ESI电喷雾检测器);2-甲基-3-羟基吡啶(工业级,≥98%,山西金桃园化工有限公司);其余所用试剂均为市售化学纯或分析纯。

1.2 合成方法

1.2.1 2-甲基-3-甲氧基吡啶(2) 将2-甲基-3-羟基吡啶(50 g,0.46 mol)溶于KOH(32 g,0.57 mol)的200 m L甲醇溶液中,室温搅拌0.5 h后减压蒸干甲醇,剩余物溶于400 mL DM F中,冰浴下缓慢滴加碘甲烷(29 m L,0.46 mol),室温下搅拌反应过夜。将反应液用稀盐酸酸化到p H=1,减压蒸干后,沉淀物加200 m L水溶解,用10%NaOH溶液碱化到p H=10,氯仿萃取3次,无水M gSO4干燥,蒸干氯仿,减压蒸馏收集84～86℃(15 mm Hg)馏分35 g。收率62%。1HNMR(CDCl3)δ:8.02(m,1H,6-H),7.02～7.04(m,2H,4-H,5-H),3.77(s,3H,3-OCH3),2.42(s,3H,2-CH3);13CNMR(CDCl3)δ:153.8,148.7,140.2,121.7,116.2,55.1,19.4。

1.2.2 (3-甲氧基-2-吡啶基)-丙酮(3) 氮气保护下向100 m L无水乙醚中加入2.5 mol/L正丁基锂的正己烷溶液(48.1 mL,0.12 mol),控温<5℃,缓慢滴加2-甲基-3-甲氧基吡啶(10 g,0.081 mol),滴加完毕后继续搅拌反应1 h。冷却至0℃,缓慢滴加新蒸的乙腈(6.26 m L,0.089 mol),控温<5℃,滴加完毕后室温反应过夜。加入20 m L水稀释,用3 mol/L硫酸酸化至p H<3,分去乙醚层,水相用10%NaOH溶液碱化至p H=10,氯仿萃取3次,萃取液用无水M gSO4干燥。蒸干溶剂后减压蒸馏收集84～86℃(15 mm Hg)馏分,为未反应的2-甲基-3-甲氧基吡啶,收集86～89℃(0.1 mm Hg)馏分9.1 g。回收率68%。1H NM R(CDCl3)δ:8.13(m,1H,6-H),7.14～7.17(m,2H,4-H,5-H),3.93(s,2H,2-CH2-CO-),3.80(s,3H,3-OCH3),2.17(s,3H,-CH3);13C NM R(CDCl3)δ:205.5,153.9,145.5,140.7,123.1,117.3,55.4,48.2,29.8。

1.2.3 (3-甲氧基-2-哌啶基)-丙酮(4) 高压反应釜中,加入(3-甲氧基-2-吡啶基)-丙酮(8 g,0.05 mol)和三氟乙酸(6.9 g,0.06 mol)的100 mL THF溶液,再加入催化剂Rh/A l2O3(8g)。通入氢气,并保持压力在2～3 atm范围内,25℃反应6 h。取出反应液,过滤回收催化剂,蒸除溶剂。剩余物加50 m L水溶解,用10%NaOH溶液碱化后氯仿萃取3次,萃取液用无水M gSO4干燥。蒸干溶剂后减压蒸馏收集65～75℃(0.2 mm Hg)馏分6.4 g。收率78%。

1HNMR(CDCl3)δ:3.31(s,3H,3-OCH3),3.23(m,1H,2-H),3.14(m,1H,3-H),2.91(d,1H,6-H),2.71(dd,1H,6-H),2.62(m,2H,2-CH2-CO-),2.17(s,3H,-CH3),2.06(m,1H,4-H),1.65(m,1H,4-H),1.48(m,1H,5-H),1.35(m,1H,5-H);13C NM R(CDCl3)δ:208.0,75.8,56.1,54.9,45.6,45.5,30.6,26.2,20.8。

1.2.4 2-溴丙酮基-3-甲氧基哌啶羧酸烯丙酯(5)

将(3-甲氧基-2-哌啶基)-丙酮(2.75 g,0.016 mol)溶于12 m L冰醋酸,加入33%的溴化氢乙酸溶液(12 m L),缓慢滴加溴(0.8 m L,0.016 mol)的3 m L乙酸溶液,控温16～20℃,滴加完毕继续反应2 h。反应液减压蒸去乙酸,剩余物溶于60 m L氯仿,冷却至0℃以下,加入60 m L饱和NaHCO3溶液,一次性加入氯甲酸烯丙酯(1.8 mL,0.017 mol),0℃下继续反应1.5 h。分出氯仿层,先后用1N盐酸洗涤1次,水洗1次,再用无水M gSO4干燥,蒸干得油状物3.4 g。收率64%。ESIM S:m/z=335.1[M+H]+;1H NM R(CDCl3)δ:5.89(m,1H,-CH=),5.26(m,2H,=CH2),5.08(m,1H,-O-CH2-),4.54(m,2H,Br-CH2-),3.90(m,3H,-O-CH2-,2-H,6-H),3.38(m,4H,6-H,3-OCH3),3.06(m,1H,3-H),2.79(m,1H,2-CH2-CO-),2.57(m,1H,2-CH2-CO-),1.87(m,1H,4-H),1.66(m,1H,4-H),1.43(m,2H,5-H);13CNMR(CDCl3)δ:200.1,155.1,132.8,117.6,76.8,66.4,56.7,50.9,50.4,38.7,35.9,25.4。

1.2.5 6-氯-7-溴-3-(3-(3-甲氧基-2-(1-烯丙氧羰基)哌啶基)-丙酮基)-4(3H)-喹唑啉酮(6) 氮气保护下,将甲醇钠(0.43 g,6.3 mmol)溶于8 m L甲醇,加入6-氯-7-溴-4(3H)-喹唑啉酮(1.64 g,6.3 mmol),缓慢滴加2-溴丙酮基-3-甲氧基哌啶羧酸烯丙酯(2.1 g,6.3 mmol)的10 mL甲醇溶液,然后室温搅拌反应4 h。混合液减压蒸去甲醇,残留物加20 m L水搅拌均匀后用氯仿萃取3次,萃取液经无水M gSO4干燥,蒸干溶剂得浅黄色固体物1.91 g。收率59%。ESIM S:m/z=536.1[M+Na]+;HRESIM S:512.0581[M+H]+,cacl.for C21H24N3O5ClBr:512.0588;1HNMR(CDCl3)δ:8.31(s,1H,2-H),8.04(s,1H,5-H),7.95(s,1H,8-H),5.90(m,1H,-CH=),5.22(d,1H,=CH2),5.20(d,1H,=CH2),4.98(m,2H,-O-CH2-),4.58(m,2H,N-CH2-CO-),4.02(s,1H,2′-H),3.72(m,2H,6′-H),3.38(d,3H,3′-OCH3),2.85(m,3H,2′-CH2-CO-,3′-H),1.89(m,1H,4′-H),1.82(m,1H,4′-H),1.65(m,1H,5′-H),1.45(m,1H,5′-H);13CNMR(CDCl3)δ:199.6,159.7,148.2,147.3,138.2,133.8,132.8,129.6,127.7,121.9,117.6,76.9,66.8,58.6,56.6,40.9,39.4,23.6,19.3,18.5。

1.2.6 6-氯-7-溴-3-(3-(3-羟基-2-哌啶基)-丙酮基)-4(3H)-喹唑啉酮氢溴酸盐(1) 将上述合成的6-氯-7-溴-3-(3-(3-甲氧基-2-(1-烯丙氧羰基)哌啶基)-丙酮基)-4(3H)-喹唑啉酮(0.86 g,1.67 mmol)溶于20 m L 6 mol/L盐酸,加热回流15 m in,减压蒸干溶剂后加10 m L无水乙醇搅拌均匀,有白色沉淀生成,抽滤,所得白色固体干燥,加入20 m L 40%氢溴酸使之溶解,再加热回流1 h,减压蒸干溶剂后,加入10 mL无水乙醇加热回流0.5 h,冷却后过滤得白色固体,干燥得0.77 g。收率94%。ESIM S:m/z=414[M+H]+;HRESIM S:414.0213[M+H]+,cacl.for C16H18N3O3ClBr:414.0220。1HNMR(DM SO)δ:8.68(s,1H,-OH),8.29(s,1H,2-H),8.23(s,1H,5-H),8.18(s,1H,8-H),5.58(s,1H,-NH-),5.10(dd,2H,N-CH2-CO-),3.52(t,1H,3′-H),3.43(q,1H,2′-H),3.25(dd,1H,6′-H),3.15(d,1H,6′-H),2.91(m,2H,2′-CH2-CO-),1.82(m,1H,4′-H),1.79(m,1H,4′-H),1.64(m,1H,5′-H),1.48(m,1H,5′-H);13CNMR(DM SO)δ:201.3,159.3,150.2,147.8,133.0,132.4,129.1,127.4,122.3,67.3,56.7,54.9,40.3,39.7,20.7,19.1。

2 结果与讨论

Baker小组于1952年首次完成了常山酮全合成研究[5]。设计了几条不同的合成路线,其中的一种方法[6]是以2-乙酰呋喃为起始原料,与氨水在高温高压下发生扩环反应生成2-甲基-3-羟基吡啶,甲基化后与乙醛加成,经PtO2催化加氢、CrO3氧化、溴代、N-保护后,与喹唑啉酮环偶联得常山酮,其合成路线共10步,总收率2.1%。该小组所用的原料易得,方法经典,但由于其中多步反应收率较低,影响了总收率,以后的研究小组对其加以了改进。本文在Baker小组路线的基础上,设计了一条操作简单、收率较高的合成方法,并对该合成方法进行了优化和改进。

本合成方法是以市售2-甲基-3-羟基吡啶为起始原料,甲基化产物2与乙腈的加成生成3,3经Rh/A l2O3选择性还原得重要中间体4(3-甲氧基-2-哌啶基丙酮),4经溴代、N-保护后与6-氯-7-溴-4(3H)-喹唑啉酮对接,产物经水解脱保护得6-氯-7-溴-3-(3-(3-羟基-2-哌啶基)-丙酮基)-4(3H)-喹唑啉酮氢溴酸盐,总收率为11.6%。合成工艺路线如下:

2.1 2-甲基-3-甲氧基吡啶(2)

文献[5-7]多采用苯基三甲基氯化铵作为甲基化试剂和镉盐分离法,回收率可达75%。但后处理比较繁杂,且氯化镉毒性较大。本文参照沈昌茂小组的路线[8]对其进行了改进,采用CH3I为甲基化试剂,DM F为溶剂,简化了后处理操作的同时以相似的收率得到了2。

2.2 3-甲氧基-2-吡啶基)-丙酮(3)

化合物4的合成中,Baker小组采用是在苯基锂作用下,2与乙醛加成,经吡啶环还原、醇羟基氧化为酮得到4。本文参照Barringer等人[9]的方法进行了改进,选用市售的正丁基锂代替苯基锂,2与乙腈进行加成后生成3,简化了反应操作的同时,降低了此步无水反应的难度和试剂的成本,使之更容易工业化。

2.3 3-甲氧基-2-哌啶基)-丙酮(4)

吡啶环选择性还原采用的催化剂一般为Rh/Al2O3或者Rh/C,反应体系可以选用氢溴酸/水、乙酸、三氟乙酸/THF,其中氢溴酸体系和三氟乙酸体系选择性比较好;乙酸体系选择性稍差,需要将酮羰基保护后再还原吡啶环。由于实验条件下,氢溴酸对反应釜体的腐蚀性较大,本文选用三氟乙酸-THF体系。按照文献中的1 atm的氢解条件操作,未达到文献收率。将氢解压力提高到2～3 atm,保持反应高选择性的同时提高了反应的收率。

2.4 2-溴丙酮基-3-甲氧基哌啶羧酸烯丙酯(5)

N-保护基文献中有多种选择。综合文献,经过尝试,本文选用氯甲酸烯丙酯作为保护基,采用先溴代后N-保护的策略,使此步反应达到了最佳收率。

2.5 6-氯-7-溴-3-(3-(3-羟基-2-哌啶基)-丙酮基)-4(3H)-喹唑啉酮氢溴酸盐(1)

两步法脱除保护基后,以11.6%的总收率得到了常山酮。终产物的结构经质谱、高分辨质谱、1HNMR和13C NM R数据验证。

2.6 目标化合物的纯度检测

色谱条件:色谱柱为Kromasil C18柱,250 mm×4.6 mm;流动相为乙腈-醋酸盐缓冲液(0.25 mol/L,p H=4.3)-水(5∶3∶12);流速为1.0 m L/min;检测波长为243 nm;进样量10μL;柱温25℃。该条件下样品的保留时间12.8 min,纯度>97.0%,杂质含量<3.0%。

3 结语

本文综合相关研究文献,以2-甲基-3-羟基吡啶为起始原料,对常山酮的合成方法进行了研究和改进,为常山酮的工业化生产提供了可能。本文通过6步反应制得了常山酮,总收率11.6%,并通过M S、1H NM R和13CNMR确证了各步中间体和终产物的结构。

[1] Koepfli JB,Mead J F,Brockman J A.An alkaloid with high antimalarial activity from dichroa febrifuga[J].J Am Chem Soc,1947,69:1837.

[2] 程文虹,张震宇.常山酮的抗球虫效果[J].饲料研究,2005,6:35-37.

[3] Nowak R A.Drug therapies for uterine fibroids:a new app roach to an old p roblem[J].Drug Discovery Today:Therapeutic Strategies,2004,1(2):237-242.

[4] Mark P,IsraelL V,A rnon N,et al.Quinazolinone containing pharmaceutical compositons for prevention of neovascularization and for treating malignancies[P].US 6028075,2000-02-22.

[5] Baker B R,Robert E.An Antimalarial A lkaloid from hydrangea.Ⅶ.3-[β-Keto-γ-(5-hydroxyl-2-piperidyl)-p ropyl]-4-quinazolone,an isomer[J].J O rg Chem,1952,17:68-76.

[6] Baker B R,M cevoy F J.An Antimalarial Alkaloid from HydrangeaⅩⅩⅢ:Synthesis by the Pyridine App roach.2[J].J Org Chem,1955,20:136-142.

[7] Baker B R,Nanuet N Y.Method for prep raing quinazolone intermediates[P].US 2775597,1956-12-25.

[8] 沈昌茂,汪世新.禽兔抗球虫药-常山酮的合成研究[J].江苏农学院学报,1988,9(4):17-20.

[9] Barringer D F.Method of prep ration of lower alkoxy piperidyl acetones by hydrogenation with rhodium in acid conditions[P].US 3338909,1967-08-29.

Study on the Synthetic Technique of Halofuginone

GU Yan-Yan,L IU Shi-Xu,WANG Shi-Xi,WAN Sheng-Biao,JIANG Tao
(The Key Labo ratory of Marine D rugs,M inistry of Education,College of Medicine and Pharmacy,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

The synthesis of Halofuginone w as researched and imp roved in this artical.Halofuginone was synthesized from 2-methylpyridin-3-ol by methylation addition and selective catalytic reduction to give 1-(3-methoxypiperidin-2-yl)p ropan-2-one,w hich w as subjected to brom ination,N-p rotection,substitution to afford allyl 2-(3-(7-bromo-6-chloro-4-oxo-quinazolin-3(4H)-yl)-2-oxop ropyl)-3-methoxypiperidine-1-carboxylate,and finally hydrolation with acid to give the product.The chemical structures of halofuginone and its intermediate w ere confirmed by1H NM R,13C NM R and M S.The total yield ratio of production was 11.7%.The new synthetic route p rovided the possibility for industrial production of Halofuginone.

halofuginone;anti-coccidiosis;synthetic method

O621.25

A

1672-5174(2011)09-067-04

青岛市科技攻关计划(08-2-4-4-nsh);科技部科技人员服务企业计划(2009GJC60017)资助

2010-03-21;

2011-06-14

顾艳艳(1984-),女,硕士生。E-mail:gyy0620@yahoo.com.cn

**通讯作者:Tel:0532-82032712;E-mail:jiangtao@ouc.edu.cn

责任编辑 徐 环