汉防己甲素全合成研究进展

刘继红, 赖月琴, 王浩宇, 陈 宇, 周鸣强*, 袁伟成, 韩文勇*

(1.遵义医科大学 药学院,贵州 遵义 563000; 2.中国科学院 成都有机化学研究所 手性药物国家工程研究中心,四川 成都 610041; 3.成都大学 高等研究院,四川 成都 610106; 4.浙江金华康恩贝生物制药有限公司,浙江 金华 321016)

汉防己甲素(Tetrandrine)又名粉防己碱。1928年,Kondo和Yano[1-2]首次分离出了汉防己甲素。汉防己甲素是一种具有双苄基异喹啉结构的生物碱(Chart 1),主要存在于防己科千金藤属植物粉防己(Stephania tetradra S.Moore)的根块中[3]。汉防己甲素为临床药物汉防己甲素片、汉防己甲素注射液的主要成分。动物实验及临床应用表明,汉防己甲素具有系列生物活性及药用价值：首先可用于风湿性关节炎的治疗,其抑制关节炎的效果强于阿司匹林[4-5];其次,汉防己甲素为钙离子通道阻滞剂,同时能够阻断钙激活的钾通道,具有扩张血管,降低肺动脉高压的作用,并且可用于治疗阵发性室上性心动过速[6-9];汉防己甲素还能够直接或间接抑制胶原基因的转录,减少病变组织中胶原蛋白的合成,从而用于单纯硅肺Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期及各期煤硅肺的治疗[10-12]。此外,汉防己甲素在治疗慢性肝细胞纤维化[13,14]、消除眼部炎症[15]、增强抗癌药物作用[16-18]方面具有一定应用前景。

Chart 1

鉴于汉防己甲素在临床应用上表现出巨大的应用潜力,可以预见的是未来对汉防己甲素的需求量是非常巨大的。然而,目前市场流通的汉防己甲素全部来源于自然生长或人工种植的粉防己植物。但粉防已根中总生物碱含量为1.5%～2.3%,而汉防已甲素的含量仅约1%[19-22]。因此,通过粉防已根块中提取的方法生产汉防己甲素缺点显著：生产效率较低、提取工艺复杂;原材料需求量大、供不应求、生产受限;生产废渣量大、环保压力大。化学合成法生产药物具有以下优点：原料廉价易得,不受限制;生产中相关原料、中间体、溶剂等可多次回收套用;生产量大,可连续生产。因此,开展汉防己甲素的全合成研究对于开发汉防己甲素的化学合成生产工艺具有重要的指导作用。

本文以线性式合成法和汇聚式合成法进行分类,对汉防己甲素的全合成等方面的研究成果进行了综述,以期为后续相关研究开展提供参考,并有助于开发出更多经济、绿色、高效的合成方案。

Inubushi等[23]首次实现了汉防己类生物碱的全合成,主要包括汉防己甲素、异汉防己甲素及亮花木碱。在该报道中,作者首先实现了光学纯异汉防己甲素及亮花木碱的全合成,随后依据相同合成路线实现了外消旋汉防己甲素的全合成(Scheme 1)。该合成路线虽然合成步骤较为复杂,但首次证明了化学合成汉防己甲素的可行性,为汉防己甲素的不对称构建奠定了基础。

在该报道中,首先以高香草酸1.1为起始原料,经苄基保护顺利合成3-苄氧基-4-甲氧基苯乙酸1.2,随后化合物1.2与3-溴-4,5-二甲氧基苯乙胺1.3发生酰胺化反应得中间体1.4。中间体1.4经比施勒-纳皮耶拉尔斯基反应(Bischler-Napieralski reaction)[24-25]、氢化还原合成四氢异喹啉环化合物1.5。中间体1.5经埃施魏勒-克拉克反应甲基化反应(Eschweiler-Clarke reaction)[26,27]顺利实现四氢异喹啉环的N-甲基化得化合物1.6的构建,紧接着化合物1.6与化合物1.7发生分子间乌尔曼偶联反应(Ullmann reaction)[28-29],能够以中等的产率得到化合物1.8。化合物1.8经苄基脱除后,再次与4-溴代苯乙酸甲酯发生乌尔曼偶联反应(Ullmann reaction),顺利构建化合物1.9。化合物1.9经过三氟乙酸脱除叔丁氧羰基及分子内酰胺化反应,得大环内酰胺1.10。化合物1.10经比施勒-纳皮耶拉尔斯基反应(Bischler-Napieralski reaction)顺利构建第二个四氢异喹啉环状结构。所合成的化合物1.11经硼氢化钠还原得汉防己甲素前体化合物1.12。最后再次经埃施魏勒-克拉克甲基化反应可顺利实现外消旋汉防己甲素得全合成。该方法最显著的优点在于,首先作者巧妙地利用比施勒-纳皮耶拉尔斯基反应顺利构建二氢异喹啉环系。其次,通过铜催化的乌尔曼反应实现二芳基醚单元的构建。尽管该全合成方法合成步骤较多,但这实现了汉防己甲素全合成研究的首次突破。

2020年,Bracher等[31]报道了另一种线性全合成外消旋汉防己甲素的方法(Scheme 2)。该路线与Scheme 1 所示方法的最大区别在于,Bracher等主要以3-溴-4,5-二甲氧基苯甲醛为起始原料,在四氢异喹啉环的构建中,该合成路线利用N-酰基化皮克特-施彭格勒缩合反应(N-acyl Pictet-Spengler condensation)[32]代替比施勒-纳皮耶拉尔斯基反应(Bischler-Napieralski reaction),仅需一步反应即可实现1,2,3,4-四氢异喹啉环的高效构建。同时,在四氢异喹啉环结构的构建过程中引入的两个乙氧羰基,只需一步氢化铝锂还原即可实现氮甲基化。在该报道中,作者经过对合成路线的优化,可将外消旋汉防己甲素的全合成路线缩减至12步,极大的提高了该天然产物的构建效率。

Scheme 1

Scheme 2

该路线的详细步骤为：首先以3-溴-4,5-二甲氧基苯甲醛2.1及硝基甲烷为起始原料,经亨利反应(Henry reaction),能够以中等的收率合成多取代硝基苯乙烯2.2,化合物2.2经Zn/HCl还原,可实现硝基与双键的同时还原生成多取代芳基乙酰胺2.3。随后与氯甲酸乙酯反应实现氨基的保护,同时生成相应的碳酸酯化合物2.4。经此两步反应,化合物2.2能够以70%的收率合成碳酸酯化合物2.4。化合物2.4与甲基苯乙烯醚在酸催化下,可实现N-酰基化皮克特-施彭格勒缩合反应,以47%的收率实现外消旋四氢异喹啉2.6的构建。在此步N-酰基化皮克特-施彭格勒缩合反应过程中,反应具有中等收率及非常高的区域选择性。在完成具有1-苄基四氢异喹啉骨架化合物2.6的构建后,在溴化亚铜催化下,化合物2.6与N-乙氧羰基苯乙胺2.5顺利进行乌尔曼类型的碳-氧偶联反应(Ullmann-type C—O coupling),能够以41%的收率获得关键中间体2.8。中间体2.8经钯催化的氢化还原实现苄基保护基的脱除,紧接着在三氟乙酸催化下与甲基苯乙烯醚再次进行N-酰基化皮克特-施彭格勒缩合反应,能够以96%的收率、1/1的非对映选择性得到中间体2.10。化合物2.10经分子内的碳-氧偶联反应实现大环醚2.11的构建。最后,经氢化铝锂还原乙氧羰基,能够以98%的收率顺利实现外消旋汉防己甲素的合成。

在药物合成或天然产物全合成中,汇聚合成通过分别构建最终产物所需的中间体,再由中间体合成最终的目标产物。相较于线性合成法,汇聚合成能够简化合成步骤,降低物料成本,缩短合成周期,并且更加适合工业放大生产。2019年,金庆平等[33]通过汇聚合成实现了外消旋汉防己甲素的全合成,该方法分别通过合成关键四氢异喹啉中间体3.11及4.8。随后经两步乌尔曼反应实现大环醚的构建,具体合成路线如下。

首先,3-溴香兰素3.1以碘甲烷作为甲基化试剂,以85%的收率获得3-溴-4,5-二甲基苯甲醛3.2。随后,经亨利反应(Henry reaction)及氢化铝锂还原得到相应的苯乙胺3.4,两步反应的收率分别为76%和75%。苯乙胺中间体3.4与预先合成的苯乙酸3.6在羰基二咪唑作用下,生成相应的苯乙酰胺中间体3.7,分离收率能够达到72%。紧接着,在脱水剂三氯氧磷的作用下,经比施勒-纳皮耶拉尔斯基反应顺利构建3,4-二氢异喹啉中间体3.8。接下来经硼氢化还原、甲基化反应及脱苄基反应,最后得到关键中间体3.11(Scheme 3)。

Scheme 3

Scheme 4

对于四氢异喹啉中间体4.8,其合成路线与四氢异喹啉中间体3.11的合成基本一致。首先以香兰素4.1为起始原料,依次经苄基保护、亨利反应及氢化铝锂同时还原碳碳双键及硝基顺利得到3-甲氧基-4-苄氧基苯乙胺4.4, 3步反应的总收率为52%。随后经酰胺化反应、比施勒-纳皮耶拉尔斯基反应、硼氢化还原、N-甲基化反应最终得到目标中间体4.8、该中间体的总收率为24%(Scheme 4)。

在顺利合成四氢异喹啉3.11及4.8的基础上,碘化亚铜催化的乌尔曼反应能够以58%的收率顺利构建二芳基醚中间体5.1。随后酸性条件下脱除苄基保护基得到中间体5.2,该步收率高达96%。最后,再次进行乌尔曼反应能够以45%的收率得到外消旋汉防己甲素(Scheme 5)。该专利合成方法总收率最高可达2.2%,在不考虑溶剂回收的条件下,相较于已报道的合成方法成本降低60%左右,因此具有较高的工业放大价值。

Scheme 5

汉防己甲素作为从传统中草药中提取而来的大环生物碱化合物,随着对其研究的深入,其在治疗心血管系统、呼吸系统、免疫系统、消化系统疾病以及抗癌方面的应用潜力逐渐被发现。目前,汉防己甲素的各类制剂已纳入多地省市的医保项目,未来汉防己甲素市场需求必定会不断增加。当前,药用汉防己甲素全部来源于天然产物分离纯化,对汉防己甲素的全合成方面的研究少之又少。在已报道的全合成路线中,仅仅实现了外消旋汉防己甲素的合成。基于已有的全合成报道,不难发现手性四氢异喹啉的高效构建是实现光学纯汉防己甲素全合成的研究重点。随着对汉防己甲素研究的深入,研究人员未来有望在光学纯汉防己甲素的全合成方面取得突破。