新型 2-硫杂-5-氮杂双环［2.2.1］庚-3-酮衍生物的合成＊

蒋旭东，俞 雄，袁哲东

(1.广西工学院生物与化学工程学院，广西柳州 545006;2.上海医药工业研究院创新药物与制药工艺国家重点实验室，上海 200437)

反式-4-羟基-L-脯氨酸及其衍生物在抗感染药物合成中起着重要的作用，尤其作为碳青霉烯类抗生素的重要中间体和合成砌块，开发了部分临床上市药物以及大量具有药学研究价值的新化合物。(2S，4S)-5-甲基-2-硫杂-5-氮杂双环［2.2.1］庚-3-酮盐酸盐(5a)是合成碳青霉烯类抗生素的重要中间体。研究表明，5a的引入有助于提高尿回收率，提高抗菌活性［1～5］。

为进一步探讨5a的合成方法及所构建化合物的构效关系，本文以反式-4-羟基-L-脯氨酸为起始原料，经氮烷基化、酯化、磺酰化、硫代乙酸钾反向进攻4-位构型转换后，再水解酯基、缩合和成盐反应合成了一系列2-硫杂-5-氮杂双环［2.2.1］庚-3-酮衍生物(5a～5f，Scheme 1)，其结构经1H NMR和MS表征，其中5b～5f为新化合物。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-4型数显显微熔点仪(温度未校正);DRX-400型核磁共振仪(D2O为溶剂，TMS为内标);LC-MSD 1100型液-质联用仪。

反式-4-羟基-L-脯氨酸，河北冀荣氨基酸有限公司;其余所用试剂均为分析纯或化学纯。

Scheme 1

1.2 合成

(1)(2S，4R)-4-羟基-1-烷基-2-吡咯烷羧酸(1a～1f)的合成(以1a为例)

在氢化反应釜中依次加入反式-4-羟基-L-脯氨酸20.0 g(150 mmol)，37% 甲 醛 24 mL(330 mmol)，冰乙酸42 mL 和10%Pd/C 2.2 g，搅拌使其溶解;于5 kg氢压下反应5 h。滤去残渣，滤液减压蒸干溶剂，残留物用乙醇(100 mL)分散结晶，过滤，滤饼用乙醇(2×10 mL)洗涤，干燥得白色固体1a，收率94.3%，m.p.236 ℃ ～239 ℃;1H NMR δ:2.23 ～2.30(m，1H)，2.47 ～2.52(m，1H)，3.05(s，3H)，3.18(dd，J=14.0 Hz，2.0 Hz，1H)，3.95(dd，J=13.2 Hz，4.8 Hz，1H)，4.18(dd，J=10.8 Hz，7.2 Hz，1H)，4.60 ～4.69(m，1H);MSm/z:146.05{［M+H］+}。

用类似方法合成白色固体1b～1f，其表征数据［9］与Scheme 1预期结构吻合。

(2)(2S，4R)-4-羟基-1-甲基-2-吡咯烷羧酸甲酯盐酸盐(2a～2f)的合成(以2a为例)

将1a 43.5 g(390 mmol)悬浮在300 mL甲醇中，搅拌下于0℃ ～5℃缓慢滴加氯化亚砜56 mL(780 mmol)，滴毕，于室温反应3 h;于50℃反应8 h。减压蒸除溶剂，冷却，加入二氯甲烷200 mL，搅拌分散析出固体，抽滤，滤饼干燥得类白色固体2a，收率 98.9%，m.p.204 ℃ ～207 ℃;1H NMR(CD3OD)δ:2.31 ～2.38(m，1H)，2.48 ～2.55(m，1H)，3.15(s，3H)，3.15 ～3.23(m，1H)，3.81(s，3H)，3.91 ～3.98(m，1H)，4.45(dd，J=10.4 Hz，7.2 Hz，1H)，4.59 ～4.66(m，1H);MSm/z:160.05{［M+H］+}。

用类似方法合成类白色固体2b～2f，其表征数据［10］与Scheme 1预期结构吻合。

(3)(2S，4R)-4-甲磺酰氧基-1-甲基-2-吡咯烷羧酸甲酯(3a～3f)的合成(以3a为例)

在反应瓶中依次加入2a 29.0 g(150 mmol)和二氯甲烷280 mL，搅拌下于40℃反应1 h。于0℃～5℃依次缓慢滴加三乙胺45 mL(330 mml)，甲磺酰氯13 mL(160 mmol)，滴毕，反应2 h。加入乙酸乙酯200 mL和5%碳酸氢钠溶液100 mL，分液，有机层用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，减压蒸除溶剂得淡黄色油状液体3a，收率89.6%。

用类似方法合成淡黄色油状液体3b～3f收率分别为 90.6%，90.3%，85.1%，82.9% 和89.3%。

(4)(2S，4R)-4-乙酰硫基-1-甲基-2-吡咯烷羧酸甲酯(4a～4f)的合成(以4a为例)

将3a 33.0 g(190 mmol)溶于混合溶剂［V(DMF)∶V(乙酸乙酯)=1 ∶1］(500 mL)中，氮气保护，搅拌下加入硫代乙酸钾31.8 g(280 mmol)，于室温反应3 h;于60℃反应5 h。冷却至室温，加水(200 mL)稀释，乙酸乙酯(3×300 mL)萃取，合并有机相，依次用水和饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，减压蒸除溶剂得黄色油状液体4a 27.0 g，收率 89.0%。

用类似方法合成淡黄色油状液体4b～4f，收率分别为 86.6%，85.0%，90.0%，81.3% 和77.5%。

(5)(2S，4S)-5-烷基-2-硫杂-5-氮杂双环［2.2.1］庚-3-酮盐酸盐(5a～5f)的合成(以5a 为例)

在反应瓶中加入4a 22.0 g(100 mmol)和5 mol·L-1盐酸30 mL，搅拌使其溶解;于 80 ℃ 反应5 h。减压蒸除溶剂，加入乙酸15 mL和乙酸乙酯30 mL，搅拌析出固体，抽滤，滤饼用乙酸(28 mL)溶解;缓慢滴加乙酸酐17 mL，滴毕，于60℃反应2 h。减压蒸除溶剂，加入乙酸乙酯100 mL和饱和碳酸氢钠溶液100 mL，搅拌使其溶解。分液，水层用乙酸乙酯(3×300 mL)萃取，合并有机层，用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，减压蒸除溶剂，用乙酸乙酯(20 mL)溶解;于0℃ ～5℃滴加饱和HCl/乙酸乙酯溶液10 mL，析出晶体，抽滤，滤饼干燥得白色固体5a。

用类似的方法合成白色固体5b～5f。

5a:收率 49.1%，m.p.191 ℃ ～192 ℃;1H NMR δ:2.56(d，J=12.4 Hz，1H)，2.80(d，J=12.4 Hz，1H)，2.94(s，3H)，3.11(d，J=11.2 Hz，1H)，4.31(s，1H)，4.36(s，1H)，4.42(d，J=11.2 Hz，1H);MSm/z:144.04{［M+H］+}。

5b:收率 37.6%，m.p.183 ℃ ～185 ℃;1H NMR δ:1.45(t，J=7.6 Hz，3H)，2.54 ～2.59(m，2H)，3.04 ～3.11(m，2H)，3.87(d，J=11.2 Hz，1H)，4.16(d，J=12.4 Hz，1H)，4.50(s，1H)，4.56(s，1H);MSm/z:158.04{［M+H］+}。

5c:收率 46.2%，m.p.178 ℃ ～180 ℃;1H NMR δ:0.88(t，J=7.2 Hz，3H)，1.65 ～1.71(m，2H)，2.49 ～2.53(m，2H)，3.03 ～3.13(m，2H)，3.53(d，J=11.2 Hz，1H)，3.89(d，J=11.2 Hz，1H)，4.53(s，1H)，4.57(s，1H);MSm/z:172.07{［M+H］+}。

5d:收率 55.9%，m.p.174 ℃ ～176 ℃;1H NMR δ:1.30(d，J=6.8 Hz，6H)，2.38 ～2.52(m，2H)，3.22 ～3.25(m，1H)，3.56(d，J=11.6 Hz，1H)，3.89(d，J=11.6 Hz，1H)，4.54(s，1H)，4.63(s，1H);MSm/z:172.08{［M+H］+}。

5e:收率 50.0%，m.p.180 ℃ ～182 ℃;1H NMR δ:0.87(t，J=7.2 Hz，3H)，1.26 ～1.33(m，2H)，1.58 ～1.67(m，2H)，2.43 ～2.51(m，2H)，3.01 ～3.12(m，2H)，3.47(d，J=11.2 Hz，1H)，3.86(d，J=11.2 Hz，1H)，4.48(s，1H)，4.54(s，1H);MSm/z:186.06{［M+H］+}。

5f:收率 48.4%，m.p.175 ℃ ～178 ℃;1H NMR δ:0.88(d，J=7.2 Hz，6H)，1.62 ～1.70(m，1H)，2.44 ～2.53(m，2H)，3.02 ～3.12(m，2H)，3.52(d，J=11.2 Hz，1H)，3.89(d，J=11.2 Hz，1H)，4.52(s，1H)，4.57(s，1H);MSm/z:186.09{［M+H］+}。

2 结果与讨论

5a是合成碳青霉烯类抗生素的重要中间体，其独特的分子结构，对于碳青霉烯类化合物的合成及药物的构效关系研究有着重要的作用。本文在5a的基础上，从改变氮烷基取代出发对其进行结构改造，合成了5b～5f，以探讨氮烷基取代变化对其反应及后续化合物活性的影响。

在1的合成中，文献方法［6～8］采用在 Pd/C 与37%甲醛体系中加入水，一定氢气压力下反应10 h的方法。该方法耗时长、成本高。本文以冰乙酸替代水，使Pd/C的用量降低至文献方法的1/5，反应时间减少一半，而收率略有提高，极大地降低了成本。

在4的合成中，文献［8］方法得到的是带恶臭味的深红色产物，本文改用混合溶剂［V(DMF)∶V(乙酸乙酯)=1∶1］作为反应溶剂，氮气保护下，先室温反应再升温反应的方法，既高收率地得到了产物，又减轻了产物的色泽及硫代反应带来的恶臭。

［1］Kang Y，Shin K，Yoo K，et al.Synthesis and biological evaluation of novel 1-［beta］-methyl-carbapenems having a new moiety at C-2［J］.Bioorg Med Chem Lett，1999，9(16):2385 -2390.

［2］Lee J，Lee K，Kang Y，et al.Synthesis and biological activity of novel 1-［beta］-methylcarbapenems with oxyiminopyrrolidinylamide moiety［J］.Bioorg Med Chem Lett，2003，13(24):4399 -4403.

［3］Revill P，Serradell N，Bolos J.Tomopenem［J］.Drugs Future，2007，32(1):37 -44.

［4］赵丽瑞，袁恒杰.碳青霉烯类抗菌药物耐药机制研究进展［J］.中国药房，2012，23(40):3828 -3830.

［5］蒋旭东，袁哲东，俞雄，等.碳青霉烯类抗生素结构修饰的研究进展［J］.中国医药工业杂志，2007，38(9):664-672.

［6］Kawamoto I，Shimoji Y，Kanno O，et al.Synthesis and structure-activity relationships of novel parenteral carbapenems，CS-023(R-115685)and related compounds containing an amidine moiety［J］.J Antibiot，2003，56(6):565-579.

［7］Kawamoto I，Shimoji Y，Kannno O，et al.R-115685，a novel parenteral carbapenem:Synthesis and structureactivity relationships［J］.40th Intersci Conf Antimicrob Agents Chemother(ICAAC)(Sept 17-20，Toronto)，2000，Abst F-1229.

［8］Fujimoto K K T.Process for producing carbapenem-type antibacterical［P］.WO 0 240 482，2002.

［9］1b:收率 91.0%，m.p.197 ℃ ～199 ℃;1H NMR(D2O)δ:1.33(t，J=7.2 Hz，3H)，2.10 ～ 2.15(m，1H)，2.22 ～2.27(m，1H)，2.71 ～2.77(m，2H)，3.02(dd，J=12.8 Hz，2.4 Hz，1H)，3.65(dd，J=12.4 Hz，4.8 Hz，1H)，4.05(dd，J=10.4 Hz，7.2 Hz，1H)，4.41 ～4.48(m，1H);MSm/z:160.07{［M+H］+}.1c:收率 89.0%，m.p.191℃ ～194 ℃;1H NMR(D2)δ:0.89(t，J=7.2 Hz，3H)，1.52 ～1.61(m，2H)，1.95 ～2.01(m，1H)，2.08 ～2.14(m，1H)，2.65 ～2.75(m，2H)，2.86(dd，J=12.8 Hz，2.4 Hz，1H)，3.52(dd，J=12.4 Hz，4.8 Hz，1H)，3.78(dd，J=10.4 Hz，7.2 Hz，1H)，4.28 ～4.35(m，1H);MSm/z:174.06{［M+H］+}.1d:收率 92.0%，m.p.193 ℃ ～195 ℃;1H NMR(D2O)δ:1.19(d，J=6.8 Hz，6H)，2.13 ～2.18(m，1H)，2.23 ～2.27(m，1H)，2.78 ～ 2.83(m，1H)，2.97(dd，J=12.8 Hz，2.4 Hz，1H)，3.62(dd，J=12.4 Hz，4.8 Hz，1H)，3.73(dd，J=10.0 Hz，7.2Hz，1H)，4.35 ～ 4.42(m，1H);MSm/z:174.08{［M+H］+}.1e:收率 95.0%，m.p.196 ℃ ～199 ℃;1H NMR(D2O)δ:0.87(t，J=7.2 Hz，3H)，1.24 ～ 1.32(m，2H)，1.52 ～ 1.58(m，2H)，2.04 ～2.08(m，1H)，2.15 ～2.21(m，1H)，2.62 ～2.70(m，2H)，2.90(dd，J=12.8 Hz，2.4 Hz，1H)，3.56(dd，J=12.4 Hz，4.8 Hz，1H)，3.75(dd，J=10.4 Hz，7.2 Hz，1H)，4.31 ～ 4.39(m，1H);MSm/z:188.06{［M+H］+}.1f:收率93.0%，m.p.190 ℃ ～ 194 ℃;1H NMR(D2O)δ:0.88(d，J=7.2 Hz，6H)，1.64 ～1.72(m，1H)，2.04 ～2.10(m，1H)，2.18 ～2.26(m，1H)，2.65 ～2.70(m，2H)，2.86(dd，J=12.8 Hz，2.4 Hz，1H)，3.63(dd，J=12.4 Hz，4.8 Hz，1H)，3.82(dd，J=10.4 Hz，6.8 Hz，1H)，4.38 ～ 4.44(m，1H);MSm/z:188.09{［M+H］+}.

［10］2b:收率97.3%，m.p.161 ℃ ～163 ℃;1H NMR δ:1.31(t，J=7.2 Hz，3H)，2.08 ～ 2.12(m，1H)，2.19 ～ 2.23(m，1H)，2.57 ～ 2.65(m，2H)，3.01 ～ 3.07(m，1H)，3.62 ～ 3.68(m，1H)，3.76(s，3H)，4.05(dd，J=10.4 Hz，7.6 Hz，1H)，4.41 ～4.48(m，1H);MSm/z:173.07{［M+H］+}.2c:收率95.7%，m.p.166 ℃ ～169℃;1H NMR(CD3OD)δ:0.90(t，J=7.2 Hz，3H)，1.53 ～ 1.61(m，2H)，1.99 ～ 2.04(m，1H)，2.09 ～ 2.15(m，1H)，2.77 ～ 2.83(m，2H)，3.05 ～ 3.12(m，1H)，3.71 ～ 3.77(m，1H)，3.82(s，3H)，3.98(dd，J=10.4 Hz，7.2 Hz，1H)，4.45 ～4.51(m，1H);MSm/z:188.05{［M+H］+}.2d:收率 90.7%，m.p.157 ℃ ～159℃;1H NMR(CD3OD)δ:1.21(d，J=7.2 Hz，6H)，2.11 ～ 2.17(m，1H)，2.26 ～ 2.32(m，1H)，2.75 ～ 2.81(m，1H)，3.03 ～ 3.08(m，1H)，3.58 ～3.63(m，1H)，3.74(s，3H)，3.88(dd，J=10.4 Hz，7.2 Hz，1H)，4.35 ～4.42(m，1H);MSm/z:188.08{［M+H］+}.2e:收率93.1%，m.p.163 ℃ ～165 ℃;1H NMR(CD3OD)δ:0.89(t，J=7.2 Hz，3H)，1.26 ～ 1.33(m，2H)，1.56 ～ 1.62(m，2H)，2.11 ～ 2.16(m，1H)，2.24 ～ 2.32(m，1H)，2.68 ～ 2.74(m，2H)，2.99 ～ 3.05(m，1H)，3.55 ～ 3.62(m，1H)，3.78(s，3H)，3.92 ～ 3.97(dd，J=10.4 Hz，7.2 Hz，1H)，4.44 ～4.49(m，1H);MSm/z:202.06{［M+H］+}.2f:收率 90.9%，m.p.158℃ ～160 ℃;1H NMR(CD3OD)δ:0.88(d，J=7.2 Hz，6H)，1.58 ～ 1.64(m，1H)，2.06 ～ 2.12(m，1H)，2.18 ～2.27(m，1H)，2.71 ～2.77(m，2H)，2.93 ～ 3.00(m，1H)，3.54 ～ 3.60(m，1H)，3.76(s，3H)，3.92(dd，J=10.4 Hz，7.2 Hz，1H)，4.53 ～4.59(m，1H);MSm/z:202.09{［M+H］+}.