《药物合成反应》课程中关于羰基选择性保护的综合性实验开发

杨春梅 冯书晓

(河南科技大学医院，河南 洛阳 471023；河南科技大学化工与制药学院，河南 洛阳 471023)

官能团保护问题和反应的选择性问题是《药物合成反应》课程的学习重点[1]。酮羰基具有许多反应性能，是药物化学中最易发生反应的活性官能团之一[2]。目前常用的酮羰基保护方法是与乙二醇生成缩酮来降低羰基活性。当底物结构中含有两种以上不同类型的酮羰基，同时又需要对其中一个进行专属化学反应时，酮羰基的选择性保护问题则显得尤为重要。因此，选择一个双酮基底物分子开设官能团保护的综合性实验，是考察官能团保护和反应选择性两个知识点的有效途径。结合课题组在甾体药物及其中间体合成的科研实践，本文选取雄烯二酮为例，探讨了乙二醇选择性保护甾体酮羰基的综合性实验设计。

雄烯二酮(Androstendione, AD，1)是雄甾-4-烯-3,17-二酮的简称，是一种由肾上腺和性腺分泌的19碳的甾体激素，作为生物化学合成雄性激素睾酮和雌性激素雌酮雌二醇的中间产物[3]。近些年来，随着微生物限制性切除甾醇碳17侧链技术的成功[4～7]，使雄烯二酮成为继薯蓣皂素的又一甾体药物合成原料，成为甾体制药企业开发研究的重点[8, 9]。由于雄烯二酮的碳3位和碳17位均含有酮羰基结构，因此在对其结构修饰改造的过程中，经常需要有选择性的保护其中的一个或双保护，合成方法见图1。

图1 乙二醇选择性保护雄烯二酮3,17-二酮Fig 1 Selective protection of androstendione3,17-diketone by ethylene glycol

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

Bruker Avance 400 MHz核磁共振仪(TMS为内标，德国Bruker公司)；Q-Tof MicroTM高分辨质谱仪(美国waters公司)；XT-4型显微熔点仪(美国Perkin-Elmer 公司)。

雄烯二酮(湖北康宝泰精细化工公司)；对甲苯磺酸(TsOH·H2O)(国药集团化学试剂)；乙二醇(天津市风船化学试剂)；甲苯、丙酮、氯仿及其它试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1TsOH催化雄烯二酮乙二醇缩酮的合成

雄甾-4-烯-3,17-二酮(雄烯二酮， AD， 1)1.00 g(3.5 mmol)，乙二醇4.34 g(70 mmol)，对甲苯磺酸一水合物(TsOH·H2O)55 mg(0.26 mmol)，甲苯50 mL，置于100 mL三口烧瓶中，在分水器下搅拌回流6 h后大约产生8 mL水，停止反应，冷却；分别用5 mL饱和NaHCO3溶液中和，加入50 mL乙酸乙酯萃取，10 mL水洗涤2次，静置分层，无水Na2SO4干燥，过滤，减压旋蒸除去乙酸乙酯，加入10 mL甲醇热溶，冷却析晶，过滤得雄甾-5-烯-3,17-二乙二醇缩酮(2)白色固体；纯化用甲醇重结晶。产率68%。TLC检测反应(碘熏显色)。甲醇滤液蒸干得副产物：雄甾-4-烯-3-酮-17-乙二醇缩酮(3)。

1.2.2酸催化雄烯二酮双缩酮选择性脱保护

向150 mL圆底烧瓶中，分别加入100 mL丙酮，0.1 mol/L HCl 10 mL，搅拌混匀，然后加入化合物2(2.68 mmol，1.00 g)，室温搅拌6 h后停止反应，TLC点板检测反应终点；加入40 mL饱和NaHCO3溶液，减压旋蒸除去丙酮及水，加入氯仿30 mL萃取，过滤除去不溶物，不溶物用氯仿洗涤，合并氯仿液，分别用10 mL饱和NaCl溶液洗涤2次，10 mL水洗涤2次，无水Na2SO4干燥，过滤，减压旋蒸除去氯仿，加入丙酮重结晶(滤除不溶物)，置于冰箱中析晶(-20 ℃)，过滤得雄甾-5-烯-17-酮-3-乙二醇缩酮(4)白色固体；纯化用丙酮重结晶。产率53%。点板检测反应(碘熏显色)。丙酮滤液蒸干得起始原料：雄烯二酮(1)。

2 结果与讨论

2.1 缩酮保护法的合成机理

有机反应机理是有机化学反应内在的规律，是有机化学理论学习的重要组成部分。缩酮保护法是酮羰基保护的最经典方法之一，该反应在酸催化下生成，但同时也可以被酸催化水解成原来的羰基。因此，保护后的缩酮在碱性介质中稳定，但在酸性条件下非常敏感。此方法通常以乙二醇为试剂，由于原料廉价易得，操作方便，故而在甾体药物合成中常常应用。该反应的机理如图2所示。

图2 缩酮保护法的反应机理Fig 2 reaction mechanism byketal protection method

2.2 结构解析

有机化合物波谱解析是确认物质结构的基本手段[12]，是有机化学的重要组成部分。实验中，原料雄烯二酮与产物雄甾-5-烯-3,17-二缩酮、雄甾-4-烯-3-酮-17-缩酮和雄甾-5-烯-17-酮-3-缩酮三种产物的甾体母核结构相似，保护基相同，四种化合物的结构解析对学生有机化合物结构鉴定能力提出了较高的要求，尤其是核磁共振数据解析(包括氢谱和碳谱)。表1对比列出了4种化合物的典型NMR数据以供学生实验参考。

从图1的反应式可以看出，C3位酮羰基与乙二醇形成缩酮保护基后，会引发邻位双键的重排，从C4-C5位迁移重排至C5-C6位；这与表1的核磁数据一致，即雄甾-5-烯-3,17-二缩酮和雄甾-5-烯-17-酮-3-缩酮均出现了化学位移5.3×10-6的单峰，积分面积为1，此峰是H-6的特征峰；碳谱数据也相应出现C5(140×10-6)和C6(121×10-6)的特征峰。C3位酮羰基没有与乙二醇发生反应的，双键依旧在C4-C5位，如雄甾-4-烯-3-酮-17-缩酮的氢谱中则保留了与原料雄甾-4-烯-3,17-二酮相同的H-4特征峰(5.7×10-6，单峰)；碳谱数据也保留了C4(123×10-6)和C5(170×10-6)的特征峰。另一方面，碳谱数据中羰基通常出现在200×10-6的低场区，例如实验中220×10-6的C17和199×10-6的C3，均可以作为酮羰基是否被保护的判定依据；而且酮羰基被乙二醇保护形成缩酮后，均在氢谱中出现OCH2CH2O的特征峰，通过氢的数目也可以判定是单保护还是双保护。总之，雄烯二酮乙二醇缩酮保护实验对考察学生药物波谱解析知识的掌握具有实践意义。

表1 特征性核磁数据对比Table 1 the comparation of charactrisic NMR datas

3 实验教学与安排

(1)实验前预习与准备。通过查阅文献，了解雄烯二酮在甾体药物合成中的意义；重点了解有机化学官能团保护、化学反应选择性、有机波谱解析等理论知识；熟悉原料雄烯二酮的结构特点、缩酮法保护酮羰基的反应机理，以及核磁共振仪等现代化仪器的原理和使用方法。

(2)实验教学安排与分组。按照普通化学课的实验教学安排开展，采取2人/组，16组/班实施。

(3)实验结果表达与要求。写出反应方程式，并分析反应机理；计算反应收率；根据核磁共振谱图找出特征峰和化学位移，说明解析依据；撰写实验报告。

4 结 论

该综合实验包括文献检索、化学合成和表征、机理分析和结构解析等过程，涵盖有机化学多个重要知识点。化学工艺、制药工程和精细化工等专业的学生通过该实验项目的训练，系统掌握复杂有机化合物的化学合成、官能团保护、反应选择性控制以及结构解析等实验技能，为进一步完成专业实验课程、创新创业训练、毕业论文(设计)和从事科学研究工作打下良好基础。

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