L-氮杂环丁烷-2-羧酸合成工艺研究进展

汤 漾，胡俊斌，谭 军

(1.浙江星月药物科技股份有限公司，浙江 嘉兴 314204；2.嘉兴学院生物与化学工程学院，浙江 嘉兴 314001)

L-氮杂环丁烷-2-羧酸(又称S-氮杂环丁烷-2-羧酸，通常也叫做L-Aze 或L-A-2-C)是一种极为重要的医药中间体。L-Aze由Fowden首次发现，其通过70%的乙醇对铃兰的新鲜树叶和种子进行萃取，首次分离得到了L-Aze[1]，它也是第一个被证实存在于植物中的具有氮杂环丁烷结构的天然氨基酸，同时在玉竹、百合花科及龙舌兰科植物中也有该化合物[2]。L-Aze是一种具有很强生物活性的物质，因为它所具有的氮参杂的四元环结构与合成天然蛋白质所需的L-脯氨酸再结构上极为相似。因此在合成肽链的过程中，L-Aze与L-脯氨酸之间形成竞争关系，通过替代掉L-脯氨酸来干扰相应蛋白质正常的新陈代谢，进而引起生物体产生一系列的变化。研究者根据其对大肠杆菌繁殖的抑制作用出发做过药理毒理试验，证实isomugineic acid和nicotianamine具有良好杀菌作用的物质[3]。同样含有该结构的药物在防止静脉阻塞上的突出表现也吸引了大量的研究兴趣，如希美加曲的类似物美拉加群、Exenta[4]、放疗增敏剂[5]、可用于治疗乳腺癌的药物p185erbB-2[6]、Merk公司报道的拮抗剂VLA-4[7]、以及葛兰素史公司研发的组织蛋白酶 K 抑制剂[8]等医药产品。此外，L-Aze四元环的刚性结构使其具有旋光性而能被用于制备有机手性化合物，故被大量应用在Diels-Alder反应、不对称 Michael加成反应、环丙烷化等领域。随着L-Aze作为医药中间体的市场需求逐渐增加，仅从天然植物中提取已不能满足产量要求，故而高效地人工合成L-Aze成为现实的需求。L-Aze的结构相当简单，但是人工合成的途径一直较为困难，在经过广泛的研究后主要有以下两种合成路线：(1)消旋法合成L-Aze[9-10]；(2) 拆分法合成L-Aze[11]。

1 消旋法合成L-Aze

1.1 碱性条件下环化消旋

Fowden[1，12]于1955年通过萃取的方式发现铃兰植物中含有L-Aze，并以γ-氨基丁酸为原料，经过溴代反应后得到α-溴-γ-氨基丁酸，将其于0.5 N的氢氧化钡溶液中回流除去残留的盐酸及诱导闭环反应，得到最终的L-Aze。另外，Fowden还报道了以L-二氨基-丁酸-盐酸盐为原料，先将其转化为α-氯-γ-氨基-丁酸盐，同样通过氢氧化钡溶液处理可除去多余的盐酸并诱导闭环反应得到L-Aze。

由于上述方法中卤素取代反应效率较低，且都存在需使用过量盐酸的情况，后来研究者通过对第一步反应的优化，来提高合成路径的效率。如Yamada等[13]以3-溴-2-烷氧基-1-吡咯啉为溴代反应的反应物合成L-Aze。首先以2-吡咯烷酮为原料，分别经过硫酸二甲酯和三乙基氧氟硼酸盐处理后得到2-甲氧基吡咯啉和2-乙氧基-1-吡咯啉，产物与等量的N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)在四氯化碳溶剂中回流得到3-溴-2-烷氧基-1-吡咯啉，该步收率可达45～50%。该溴代产物在稀盐酸处理下容易发生开环反应生成γ-氨基-溴丁酸，并经过重结晶提纯后再滴加至热碱溶液中，产率为50～58%。

Tatsuya[14]等以S-4-氨基-2羟基丁酸甲酯为原料，将二氯亚砜加入S-4-氨基-2羟基丁酸甲酯盐酸盐中并室温下搅拌，随后50 ℃下搅拌4h。反应之后通过减压蒸馏分离得到光学纯度达96.9%的R-4-氨基-2-氯丁酸甲酯盐酸盐。并将其溶解在1 M硫酸溶液中，在室温下搅拌27 h。然后再向所得的混合液中加入30%的氢氧化钠和氢氧化钡，将该混合物在100 ℃下加热搅拌。向溶液中加入盐酸调节pH值至1.0。将该溶液分次经过离子交换树脂柱，水洗至流出液的pH为中性。之后洗脱合并洗脱液得到光学纯度为87.0%的S-氮杂环丁烷-2-羧酸，产率为60.5%。

1968年Pichat等[15]通以β-丙内脂为原料，利用氰化钾作用发生开环反应，并在铂催化剂下催化加氢生成4-氨基丁酸，该中间产物在浓盐酸条件下，以红磷为催化剂与溴发生反应得到2-溴-4-氨基丁酸，最后通过在碱液中回流发生环化反应得到L-Aze。

1.2 催化氢解消旋法

Rodebaugh和Cromwell[11，16]采用γ-丁内酯为原料，在红磷的条件下开环得到溴代产物，该中间体再在盐酸条件下与苄醇作用生成相应的苄酯，经过提纯后的苄醇与二苯基甲氨发生环化反应，并经过三乙胺处理后在钯/碳催化剂下催化氢解，最终得到消旋的目标产物，产率为53%。

2 拆分法合成L-Aze

2.1 D-酒石酸为拆分剂

Rodebaugh等[11]在1969年提出了一种四步法制备L-Aze的合成路径，该合成过程包括对DL-Aze的保护、拆分及脱保护等步骤。其中，以L-酪氨酰肼为拆分剂对N-苄氧羰基保护的DL-Aze进行拆分，最后再进行分离提纯。但是该方法所使用的L-酪氨酰肼价格昂贵，难以进行工业生产。为解决拆分剂昂贵的问题，Barth等[17]发现采用D-酒石酸可与外消旋的Aze作用形成L-偶氮-D-酒石酸盐结晶，进一步分离后可得到光学纯的L-Aze，收率达36%。

张琦[18]等根据上述利用γ-丁内酯为原料合成氮杂环丁烷-2-羧酸的路线，以γ-丁内酯为原料，经溴代、酯化、环化、拆分、氢化、保护、水解等过程合成了具有旋光性的N-Boc-氮杂环丁烷-2-羧酸。该技术路线通过优化中间产物(S)/(R)-N-Boc-氮杂环丁烷-羧酸甲酯(5/5')的处理。同时为了减少在加氢过程中的副反应，在利用D-酒石酸作拆分剂进行化学拆分后将加氢脱苄和上Boc-保护基团的两步通过“一锅法”实现。经过优化后的合成路线避免了使用柱层析分离，大幅降低了该路线的生产成本，合成具有旋光性的N-Boc-氮杂环丁烷-2-羧酸，总收率可达43%。

2.2 酶拆分法

除了利用天然产物来拆分外消旋体外，利用选择性的水解酶可以得到高ee值的L-Aze产物。如Takashima[19]等为了解决外消旋体消除法及利用天然手性拆分剂拆分制备L-Aze步骤繁琐，产率较低等问题，提出了利用生物酶进行催化拆分，利用从关节杆菌中分离出的水解酶SC-6-98-28对外消旋体进行拆分，一步法合成了具有旋光活性的氨基保护L-Aze。

Starmans[20]等发现脂肪酶能有效的催化羧基与亲核试剂之间的反应，故利用从南极假丝酵母中分离出来的脂肪酶来催化制备L-Aze，并发现这种脂肪酶在催化合成L-Aze衍生物的同时能够对其外消旋体进行拆分。

2.3 利用手性基团合成L-Aze

在Fowden[12]等人从二氨基丁酸开始，制备得到L-Aze后。Kondo 和Ueyama[21]报提了利用邻苯二甲酸及卤素原子对氨基进行保护，得到具有手性的L-Aze衍生物，然后在铂系催化剂作用下于乙醇/水的混合溶液中用肼进行氢解，最终产物可通过重结晶、色谱柱进行提纯。Miyashi[22]提出了一种不需要取代反应以保留L-Aze上碳原子的手性的合成路径，其以甲苯磺酰基-L-高丝氨酸内酯为原料，与氢溴酸在无水乙醇中于60～70 ℃过夜反应，反应液经浓缩后在乙醚和正己烷(1∶1)的混合液中结晶得到开环后的产物，该步骤产率达到90%。然后于氢化纳环境下在DMF溶剂中低温反应环化，并与金属钠在液氨中反应脱去甲苯磺酰基团得到最终产物，产率为73%。

Baldwin[23]报道了从L-甲硫氨酸和L-天冬氨酸出发，合成L-高丝氨酸，再通过重排反应使其转化成N保护的L-Aze的合成路径。L-天冬氨酸被逐步转化为二烯基酯和N-三苯甲基-L-天冬氨酸二苄基酯，然后在甲苯溶剂中经过二异丁基氢化铝(DIBAH)处理，得到N-三苯甲基-L-高丝氨酸内酯。随后在氢溴酸的乙醇溶液中开环并脱去三甲基，随后用Boc基团对氨基进行保护，最后利用一定条件下的重排反应得到目标产物。Chapetti[24]等则以Boc保护的谷氨酸叔丁酯为原料，在CBrCl3溶剂中通过光引发生成自由基脱去一个羧基，然后通过三氟醋酸和三乙基硅烷处理脱去叔丁酯，再经羧基保护后在碳酸钠存在下于DMF中加热至80 °C得到L-Aze，收率达82%。

Yasuhiko[25]等开发了以丙二酸酯中间体通过五步法合成L-Aze (>99.9% ee)的高效途径，总产率为48%。其中关键步骤在DMF中用1,2-二溴乙烷和碳酸铯处理二甲基(S)-(10-甲基)苄基氨基丙二酸酯，从而形成四元环结构，该步骤的转化率高达99%。二甲基(1'S)-1-(1'-甲基)苄基氮杂环丁烷-2,2-二甲酸甲酯的Krapcho脱烷基羰基化过程中，通过在氮原子上引入的手性基团，使得在形成环化产物的过程，以2.7∶1的比例优先形成希望得到的(2S,1'S)-单酯结构，其总收率为78%。通过去质子化和随后的再质子化步骤，可以将不希望得到的(2S,10'S)-异构体转化为适当的立体构型。最后通过脂肪酶优先催化(2S,1'S)-单酯的水解和随后的脱保护过程制备得到纯的(S)-氮杂环丁烷-2-羧酸对映体。该方法从(2S,1'S)-单酯和(2R,1'S)-单酯混合物中得到目标产物的产率高达91%。

为了以工业规模合成L-Aze，Ojima[26]等通过还原4-氧代-2-氮杂环丁烷羧酸衍生物得到氮杂环丁烷-2-甲醇，然后对该化合物进行氨基保护后氧化得到氨基保护的氮杂环丁烷-2-羧酸，最后脱保护得到L-Aze。

3 结束语

综上所述，L-Aze的合成主要分为对外消旋体进行消旋和对一对对映体进行拆分两种途径，但目前的研究方法或因为实验规模太小而无法大规模生产，或因为合成的路径太长，操作复杂、管理成本高而限制了工业生产。除此之外，大量使用溶剂和使用色谱柱等进行分离提纯、昂贵的拆分剂等问题大大增加了生产成本等问题都限制了L-Aze合成的产业化。因此，开发出一种绿色、高效的合成路径，合成较廉价的L-Aze来满足日益增长的需求是未来L-Aze合成研究的方向和迫切需要。