1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯的合成

刘莎莉，李睿哲,周 进，2,蒋 蕻，李玉龙，孙宏顺

（1.南京科技职业学院，江苏省磁共振靶向显像剂工程实验室,江苏南京210048；2.南京工业大学化学与分子工程学院,江苏南京211816）

磁共振成像因为其较高的空间分辨率、良好的软组织对比度、无电离辐射损害以及能进行功能成像等特点，在医疗诊断方面得到极大的应用。目前，世界上大约50%的磁共振成像检查都需要使用磁共振对比剂。通过磁共振对比剂对正常组织与病变组织的清晰分辨，能够帮助医生对有关疾病进行更好的诊断和治疗。

目前临床使用的大多是含Gd的T1类型对比剂，如Gd-DTPA·HO、Gd-DTPA-BMA·HO、Gd-DOTA·HO和Gd-HP-DO3A·HO（图1）等。其中，线性分子DTPA（二乙三胺五乙酸）由于对钆离子的螯合能力相对较弱，游离出来的钆离子可能造成肾源性系统性纤维化，会对人体造成二次伤害，而环状分子DOTA（三叔丁基-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸）与钆离子螯合形成的化合物有着更好的动力学和热力学稳定性。因此，目前由线性分子DTPA构成的磁共振对比剂正逐渐退出市场，从而使得对于由Gd-DOTA构成的新型环状磁共振对比剂的研究具有重要意义。

1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯（4）是一种用来制备DOTA环状类磁共振对比剂的常用螯合前体。本课题组曾对其另一种类似螯合前体4,7,10-三（叔丁氧羰酰甲基）-1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1-乙酰肼的合成进行过研究。

本文以轮环藤宁和溴乙酸叔丁酯为原料，制得1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7-三乙酸叔丁酯溴酸盐中间体，再经过两种不同的合成路线得到目标产物（反应式1），并研究了温度、浓度、反应时间和催化剂等对产率的影响，获得了较高的收率，产物及中间体结构经H NMR、C NMR、IR和MS确证。

图1 部分临床使用磁共振对比剂Fig.1 Part of the clinically used magnetic resonance contrast agents

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

XT-4A型显微熔点仪（温度未校正）；ZF-7型三用紫外分析仪；BRUKER DRX300型核磁共振仪（CDCl为溶剂，TMS为内标）；Nicolet FT-IR 360型红外光谱仪（KBr压片）；Mircomass Q-TOF micro型质谱仪。

轮环藤宁；乙腈；溴乙酸叔丁酯；碳酸氢钠；甲醇；二氯甲烷；碳酸钾；溴乙酸乙酯；无水硫酸钠；乙醚；所用试剂均为分析纯。

反应式1目标产物合成路线Scheme 1 Synthetic routes of the target product

1.2 产物及中间体制备

（1）中间体2的合成

在500 mL圆底烧瓶中盛入轮环藤宁（1）5.16 g（30.0 mmol），加入300 mL无水乙腈，加热至1完全溶解，再补加30 mL无水乙腈。冷却至0℃,加入碳酸氢钠7.56 g（90 mmol）,缓慢滴加溴乙酸叔丁酯17.55 g（90 mmol）与200 mL无水乙腈组成的混合溶液，0℃反应24 h，再在80℃下回流反应4 h，TLC检测（5%水-乙腈）反应完全。过滤，滤液减压蒸干得黄色油状固体，用混合溶剂[V（甲醇）∶V（二氯甲烷）=1∶9]重结晶得1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7-三乙酸叔丁酯溴酸盐（2）的白色固体14.64 g，收率82%，m.p.189.7℃～191.6℃;H NMRδ∶10.00（s,2H）,3.36（s,4H）,3.28（s,2H）,3.09（s,4H）,2.91（s,7H）,2.87（s,5H）,1.45（s,27H）;C NMRδ∶170.4,169.5,81.7,81.5,58.1,51.3,49.2,48.8,47.4,28.1;FT-IR v∶3 442,2 976,2 949,2 853,2 736,1 729,1 368,1 255,1 149 cm;HR-MS（ESI）m/z:Calcd for CHNO{[M+H]}515.380 9,found 515.386 7。

（2）中间体3的合成

在250 mL圆底烧瓶中，加入5.86 g（10.0 mmol）中间体2,用100 mL无水乙腈溶解，冷却至0℃，加入碳酸钾2.0 g（15 mmol）,室温搅拌0.5 h，滴加溴乙酸乙酯2.5 g（15 mmol）与50 mL无水乙腈组成的混合溶液，滴加完毕，80℃下回流反应12 h，TLC检测（5%水-乙腈）反应完全。过滤除盐，滤液减压抽干得黄色油状固体，经硅胶柱层析[洗脱剂：A=V（甲醇）∶V（二氯甲烷）=5∶95]纯化得黄色玻璃状固体1,4,7-三（叔丁氧碳酰甲基）-10-乙氧碳酰甲基-1,4,7,10-四氮杂环十二烷（3）5.5 g，收率91%；H NMRδ∶4.14（q,J=6.9 Hz,2H）,3.14（br,10H）,2.32（br,8H）,2.12（s,6H）,1.43（s,27H）,1.24（t,J=7.1 Hz,3H）;C NMRδ:172.1,171.7,170.6,81.5,55.4,54.3,49.8,27.7,27.6;FT-IR v∶3 422,2 980,2 935,2 831,1 728,1 369,1 226,1 159 cm;MS（ESI）m/z:601.4{[M+H]},623.4{[M+Na]}。

（3）产物4的合成

（a）在50 mL圆底烧瓶中，加入0.58 g（1.0 mmol）中间体2，用10 mL无水乙腈溶解，加入碳酸钾0.2 g（1.5 mmol），室温搅拌0.5 h，加入溴乙酸0.28 g（2.0 mmol）与10 mL无水乙腈组成的混合溶液，80℃下回流反应24 h，TLC检测（10%甲醇-二氯甲烷）反应完全。过滤除盐，滤液减压抽干得黄色油状物，用乙酸乙酯重结晶得白色固体1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯（4）0.17 g，收率30%。

（b）在50 mL圆底烧瓶中，加入0.6 g（1.0 mmol）中间体3，加入10 mL 0.5 M NaOH溶液（THF与HO的体积比为3∶2），60℃下回流反应4 h，TLC检测（10%甲醇-二氯甲烷）反应完全。冷却至室温，用二氯甲烷萃取（3×50 mL），合并有机相，用饱和食盐水（15 mL）洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，滤液减压浓缩得油状固体，乙醚重结晶得白色固体1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯（4）0.55 g，收率96%。

表征：H NMRδ:3.82-2.00（m,24H）,1.47（s,27H）;C NMRδ:174.8,172.2,82.4,56.1,55.9,55.5,28.1,28.0,27.9;FT-IR v∶3 096,2 979,2 832,1 748,1 732,1 631,1 456,1 384,1 365,1 255,1 179 1 090 cm;MS（ESI）m/z:573.4{[M+H]},595.4{[M+Na]}。

2 结果与讨论

2.1 合成条件优化

本文对产物4的合成路线a和b均进行了探讨，在合成路线a中，主要研究了作为缚酸剂的碱对反应的影响，分别使用了KCO、NaCO、NaOH及三乙胺，但收率均很低，最高达30%，因此，从收率上来说，合成路线a不具有优势。在合成路线b中，我们分别从溶剂、温度、碱的种类、碱的浓度及当量五个方面对反应条件进行了研究，具体见表1。

表1 产物4的反应条件优化Tab.1 Optimization of reaction conditions for synthesizing product 4

由表1可见，No.1～3为不同碱对反应收率的影响，结果显示，当以NaOH溶液为水解试剂时，收率最高（65%）；No.3～8为不同溶剂对收率的影响，可以看出，当溶剂为THF时，收率最高（86%），当溶剂为CHOH时收率最低，推测可能甲醇与乙酯基发生了酯交换反应，从而降低了产品收率；No.8～13为不同碱的浓度对收率的影响，结果显示，当NaOH浓度为0.5 M时收率最高（86%）；No.8、No.14～18为碱的当量对反应收率的影响，当NaOH的当量为5.0 eq.时，收率最高达96%，再提高碱的当量对收率提高没有作用；No.16、No.19～20为温度对反应收率的影响，结果显示，60℃时反应收率最高，室温下反应收率相对较低，增加反应时间对收率可能有利，温度为80℃时收率略有下降，可能原因为叔丁基酯基可能在温度高时也发生水解，从而导致目标产物收率降低。

综上，目标产物4的合成路线b的最佳反应条件为：以THF为溶剂，NaOH溶液为水解试剂，浓度为0.5 M，使用当量为5.0 eq.，反应温度为60℃，反应时间4 h，收率最高达96%，比文献收率高2%。

2.2 表征

由4的H NMR分析可知，24个—CH—吸收峰位于

δ

2.00～3.82处，为一较大宽峰，27个-CH-吸收峰位于

δ

1.47处，为一尖锐单峰，符合叔丁基甲基特征。由4的C NMR分析可知，羧基碳和叔丁基酯基碳的吸收峰分别位于

δ

174.8和

δ

172.2处，叔丁基碳的吸收峰分别在

δ

82.4处，

δ

56.1、

δ

55.9和

δ

55.5为-CH-吸收峰，

δ

28.1、

δ

28.0和

δ

27.9为-CH-吸收峰。由4的FT-IR分析可知，3 096 cm处强吸收峰为羧酸中O-H伸缩振动峰，2 979 cm处为甲基伸缩振动吸收峰，2 932 cm处为亚甲基伸缩振动吸收峰，1 748 cm处为羧基的C=O伸缩振动强吸收峰，1 732 cm处为酯基的C=O伸缩振动强吸收峰，1 384 cm和1 365 cm为叔丁基中甲基的面外弯曲振动吸收峰。另其质谱中[M+H]和[M+Na]离子峰也符合质谱特征。

3 结论

本文以轮环藤宁和溴乙酸叔丁酯为原料，制得1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7-三乙酸叔丁酯溴酸盐中间体，再分别经与溴乙酸反应和与溴乙酸乙酯反应后再水解两条路线得到目标化合物1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯（4）。第二条路线中，目标产物4的最佳反应条件为：以THF为溶剂，NaOH溶液为水解试剂，碱浓度为0.5 M，使用当量为5.0 eq.，反应温度为60℃，反应时间4 h，收率最高达96%。