一步法催化氧化2-吲哚酮合成2,3-吲哚醌衍生物的工艺研究

高蕊蕊，杨晓琳，李春江，巩超彦，逯晓青，贺润丽

(山西中医药大学，山西 晋中 030619)

一种有内源性活性因子的杂环分子——2,3-吲哚醌衍生物广泛存在于人体体液[1]，海洋生物组织，药用植物青黛、甘蓝、大青叶和板蓝根中，其化学结构简单明晰，分子量较小，是制备抗癌新药靛玉红的前驱体、染料的中间体[2]。刘娜等[3]研究证实，2,3-吲哚醌衍生物能够抑制乳腺癌细胞的增殖并且保护正常细胞，提高免疫和抗氧化能力，起到抗癌功效。张芳等[4]研究发现2,3-吲哚醌衍生物能减轻H2O2导致的多巴胺(DA)能细胞氧化损伤，为预防和治疗相关功能失调疾病提供了新思路。2,3-吲哚醌衍生物还具有抗衰老、抗抑郁、抗帕金森、抗阿尔茨海默病、抗动脉粥样硬化、抗病毒、抑菌、生殖保护等作用[5-10]。

早在2002年，Rossiter[11]利用溴化铜和乙酸乙酯催化2-吲哚酮首先生成中间体2,2-二溴代吲哚酮，然后在甲醇水溶液中水解回流2 h合成2,3-吲哚醌衍生物，发现其在癌症治疗方面具有潜在的应用价值。Yadav等[12]利用摩尔浓度10%的CeCl3·7H2O和2-碘酰基苯甲酸将吲哚取代物在乙腈水溶液中催化氧化为吲哚醌衍生物，收率在85%以上。西北大学的刘建利教授课题组[13]利用苯胺(或苯胺衍生物)、水合三氯乙醛、盐酸羟胺反应生成中间体异亚硝基乙酰苯胺及其衍生物，然后加入浓硫酸关环生成吲哚醌及其衍生物。也有学者以吲哚酮和苯甲醛衍生物为原料，在微波辐射条件下经缩合反应成功合成具有较强抗肿瘤作用的吲哚醌衍生物[如3-(3-甲氧基-4-羟基)苯亚甲基吲哚-2-酮][7,14]。Jiro等[15]通过两步法由吲哚制备靛红：首先5-氰基吲哚与氢化钠、二甲基乙酰胺(DMAC)、卤代烷反应生成中间体1-烷基-5-氰基吲哚；然后中间体在N-溴代丁二酰亚胺-二甲基亚砜(NBS-DMSO)体系中生成1-烷基-5-氰基吲哚醌，收率可达90%。

天然的吲哚醌类生物碱不易提取分离、收率较低，而传统的人工合成方法存在步骤多[15-17]、反应条件苛刻、原料昂贵等问题，因此，开发一种简便、低成本、高收率的2,3-吲哚醌衍生物的合成方法势在必行。Rossiter[11]发现，2-吲哚酮衍生物苄位上的氢原子具有一定的活性，在甲醇水溶液中加热即可得到相应取代基的2,3-吲哚醌衍生物。基于此，作者采用一步法，通过醋酸铜 [Cu(OAc)2]催化2-吲哚酮衍生物苄位上氢原子得到相应碳自由基，然后经氧气氧化成过氧自由基[18-19]，最后脱去1分子水合成2,3-吲哚醌衍生物。以5-氯-2-吲哚酮(Ⅰa)、5-溴-2-吲哚酮(Ⅰb)、6-氯-2-吲哚酮(Ⅰc)为原料合成相应的2,3-吲哚醌衍生物的路线如图1所示。

图1 2,3-吲哚醌衍生物的合成路线Fig.1 Synthetic route of 2,3-indolequinone derivatives

1 实验

1.1 试剂与仪器

所用试剂均为分析纯，国药集团。

XR4型显微熔点测定仪(温度未经校正)，上海光学仪器厂；Vario EL型元素分析仪，德国Elementar公司；INOVA-400MHz型核磁共振仪，美国Varian公司；Nicolet iS10型傅立叶红外光谱仪(KBr压片)，美国赛默飞公司；MAT95XP型高分辨质谱(ESI)，美国菲尼根公司。

1.2 2,3-吲哚醌衍生物的合成

在装有蛇形回流冷凝管、磁力搅拌器、温度计的5 mL三颈圆底烧瓶中加入0.25 mmol取代2-吲哚酮和0.012 5 mmol(2.3 mg)Cu(OAc)2，橡胶塞密封瓶口，连接油泵将圆底烧瓶抽真空后换成氧气球，使氧气充满整个圆底烧瓶；然后迅速加入1.0 mL干燥的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。将装好原料的圆底烧瓶置于50 ℃恒温油浴中不断搅拌，采用薄层色谱法(TLC)分析监测生成物，反应完全后，将反应混合液冷却至室温，加30 mL乙醚进行稀释，用饱和食盐水洗涤5～6次，加入少量无水Na2SO4干燥，减压浓缩，得到固体2,3-吲哚醌衍生物粗品，经柱层析(乙酸乙酯∶石油醚=1∶2，体积比)分离，晾干，即得2,3-吲哚醌衍生物纯品，称重后计算收率。

2 结果与讨论

2.1 2,3-吲哚醌衍生物的结构表征

分别以5-氯-2-吲哚酮(Ⅰa)、5-溴-2-吲哚酮(Ⅰb)、6-氯-2-吲哚酮(Ⅰc)为原料，合成得到3种目标产物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc，其表征数据如下(1HNMR选取δ2.61作为内标，13CNMR选取δ39.4作为内标)：

5-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱa)：橘红色晶体，m.p. 245～247 ℃，收率82%。IR,ν,cm-1:3 440(N-H),3 094、3 086(苯环上H),1 745、1 703(2个羰基),1 616、1 550(芳杂环的骨架振动);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.07(s,1H),7.54(d,J=8.0 Hz,1H),7.48(s,1H),6.85(d,J=8.0 Hz,1H);13CNMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:183.4,159.2,149.2,137.3,126.8,124.2,119.2,113.8;HRMS(ESI),m/z:[M+Na]+calcd for C8H4ClNO2Na:204.265 5,Found:204.265 0。分子式C8H4ClNO2，分子量181.265 3。理论值：ω(C)=53.38%，ω(H)=2.21%，ω(N)=7.75%，ω(O)=17.66%；计算值：ω(C)=53.37%，ω(H)=2.23%，ω(N)=7.73%，ω(O)=17.46%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

5-溴-2,3-吲哚醌(Ⅱb)：橘红色晶体，m.p. 236～238 ℃，收率80%。IR,ν,cm-1: 3 387(N-H)，3 004、3 073(苯环上H),1 703、1 699(2个羰基),1 608、1 450(芳杂环的骨架振动);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.10(s，1H)，7.70(d，J=8.0 Hz，1H)，7.62(s，1H)，6.83(d，J=8.0 Hz，1H)；13CNMR(100 MHz,DMSO-d6),δ:183.2,159.0,149.6,140.0,126.9,119.6,114.31,114.28;HRMS(ESI)，m/z：[M+Na]+calcd for C8H4BrNO2Na：270.913 3，Found：270.913 6。分子式C8H4BrNO2，分子量245.931 9。理论值：ω(C)=42.49%，ω(H)=1.77%，ω(N)=6.20%，ω(O)=14.16%；计算值：ω(C)=42.51%，ω(H)=1.75%，ω(N)=6.17%，ω(O)=14.20%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

6-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱc)：棕黄色固体,m.p. 240～241 ℃, 收率78%。IR,ν,cm-1:3 444(N-H)，2 987、3 098(苯环上H),1 739、1 713(2个羰基),1 630、1 580(芳杂环的骨架振动);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.11(s,1H),7.46(d,J=8.0 Hz,1H),7.05(d,J=8.0 Hz,1H),6.87(s,1H);13CNMR(100 MHz,DMSO-d6),δ:183.0,159.4,151.8,142.3,126.2,122.7,116.8,112.2;HRMS(ESI)，m/z：[M+Na]+calcd for C8H4ClNO2Na：203.972 0，Found：203.972 4。分子式C8H4ClNO2，分子量180.982 3。理论值：ω(C)=53.04%，ω(H)=2.21%，ω(N)=7.73%，ω(O)=17.68%；计算值：ω(C)=53.14%，ω(H)=2.18%，ω(N)=7.69%，ω(O)=17.58%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

2.2 合成条件优化

以5-氯-2-吲哚酮为模型化合物，考察合成条件(催化剂用量、氧化剂、反应溶剂、反应温度、反应时间)对目标产物5-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱa)收率的影响，结果见表1。

由表1可知：(1)随着催化剂Cu(OAc)2用量的增加(1#～5#)，收率先升高后降低，在Cu(OAc)2用量为5%时收率达到最高，为82%；反应体系无催化剂时即使反应24 h仍无产物生成；反应体系催化剂用量较少(2%)时将反应时间延长至16 h，收率仍在70%以下。因此，选择催化剂Cu(OAc)2用量为5%。(2)固定催化剂Cu(OAc)2用量为5%，对反应溶剂(C2H5OH、DMSO、DMF)和氧化剂(氧气、空气)进行优化(3#、6#～8#)，发现以DMF为反应溶剂、氧气为氧化剂时，5-氯-2,3-吲哚醌收率最高，为82%。(3)固定催化剂Cu(OAc)2用量为5%、DMF为反应溶剂、氧气为氧化剂，对反应温度和反应时间进行优化(3#、9#、10#)，发现降低反应温度至40 ℃时，即使延长反应时间至20 h收率仍相对较低，升高反应温度到60 ℃，收率保持在80%，考虑到节能，选择反应温度为50 ℃、反应时间为12 h。

表1 合成条件的优化

综上，5-氯-2-吲哚酮合成5-氯-2,3-吲哚醌的最佳条件如下：催化剂Cu(OAc)2用量为5%、氧气为氧化剂、DMF为反应溶剂、反应温度为50 ℃、反应时间为12 h。

2.3 反应机理分析

根据相关研究及本研究结果，针对取代2-吲哚酮合成2,3-吲哚醌衍生物这一化学反应提出了一种合理的反应机理(图2)：第一步，取代2-吲哚酮在Cu2+的催化下生成碳自由基中间体1，同时Cu2+被还原为Cu+；第二步，碳自由基中间体1被氧气氧化为过氧自由基中间体2；第三步，过氧自由基中间体2结合体系中H·生成取代过氧吲哚酮3；第四步，取代过氧吲哚酮3脱去1分子水生成产物2,3-吲哚醌衍生物。

图2 取代2-吲哚酮合成2,3-吲哚醌衍生物的反应机理Fig.2 Synthetic mechanism of 2,3-indolequinone derivatives from substituted 2,3-indolione

3 结论

以含吸电子基2-吲哚酮为原料，通过醋酸铜催化氧气氧化一步合成2,3-吲哚醌衍生物。以5-氯-2-吲哚酮为模型化合物，最佳合成条件如下：催化剂醋酸铜用量为5%、氧气为氧化剂、N,N-二甲基甲酰胺为反应溶剂、反应温度为50 ℃、反应时间为12 h，在此条件下，5-氯-2,3-吲哚醌收率可达82%。该方法具有原料简单环保、反应条件温和、收率较高等优点。作为内源性活性成分的吲哚醌及其衍生物在抗肿瘤、抑菌、精神治疗等多方面有实际应用价值，该合成方法将为医药界新药的开发提供可靠的技术支撑。