天然产物(±)-Lupinine和(±)-Epilupinine的简便合成

范玉雪, 丁会丽, 景 明, 张 建,2*

(1. 甘肃中医药大学 药学院,甘肃 兰州 730000； 2. 甘肃省高校中(藏)药化学与质量研究省级重点实验室,甘肃 兰州 730000)

天然化合物及其衍生物在新药开发中具有重要作用,而生物碱又是自然界中重要一类含氮化合物,大约30%的天然生物碱具有氮杂双环系统,大小不同的氮杂双环体系由于不同的构象使其具有丰富的药理活性。两个稠合的氮杂双环,其氮原子位于桥头位置,可根据环的大小进行分类。其中吡咯里西啶(即[3.3.0]-氮杂双环)、吲哚里西啶(即[3.4.0]-氮杂双环)和喹诺里西啶(即[4.4.0]-氮杂双环)是3种最常见的类别[1],这些结构在众多活性生物碱分子中广泛存在。

羽扇豆碱(lupinine)和表羽扇豆碱(epilupinine)是喹诺里西啶类生物碱中结构最为简单的生物碱之一(Chart 1)。羽扇豆碱最初是从鲁冰花种子和黄花羽扇豆的幼苗中提取得到的[2]。自被分离以来,许多课题组对其展开了合成研究[3-4]。同时,羽扇豆碱因其含有活性基团羟基,可使其作为先导化合物合成各种活性衍生物。例如,合成得到的羽扇豆胺衍生物具有镇痛,利尿,抗炎,抗心律失常等药理活性[5]。研究发现,(-)-lupinine在碱性条件下加热可转化为热力学稳定的(+)-epilupinine。表羽扇豆碱(epilupinine)最初被认为是(-)-lupinine的表异构体,但后来发现它也是羽扇豆属植物的次级代谢物之一[6]。据报道,表羽扇豆碱在体外表现出对白血病P-388和淋巴细胞白血病L1210的抑制活性[7]。同时,表羽扇豆碱的结构常包含在一些药物中作为药效团发挥作用[8-9]。由于表羽扇豆碱多样性的生物活性,许多课题组也对其展开了一系列合成研究。到目前为止,约有17条不对称合成路线[10-15]和30多个外消旋体的合成路线被报道[16-18]。

Scheme 1

Chart 1

基于本课题组的前期成果[19],本文以(±)-哌啶酸乙酯盐酸盐(1)为起始原料,通过和4-溴代丁酸乙酯发生N-烷基化反应得到二酯化合物2,再在碱性条件下发生Dieckmann缩合反应构建两种生物碱的喹诺里西啶氮杂环系。然后在酸性条件下脱除酯基得到氨基环酮化合物4。氨基环酮化合物4经Witting反应得到关键中间体5,总收率46.7%,化合物5可参考文献方法[20],通过硼氢化氧化反应,共5步反应完成(±)-lupinine和(±)-epilupinine的形式合成(Scheme 1)。据文献报道,最后一步硼氢化氧化的产物(±)-lupinine和(±)-epilupinine的总收率为62%,二者比例约为2/1。和其他合成路线相比,该合成路线具有路线短,原料简单易得,操作方便,反应产率高等优点,可用于两种生物碱分子的大量制备,为进一步的结构修饰和合成具有类似骨架的衍生物药物分子奠定基础。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker AM-400 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS为内标)。

所用试剂均为分析纯或化学纯,溶剂在使用前均经过重新蒸馏,无水溶剂均按标准方法或文献方法进行处理。

1.2 合成

(1)2的合成

向25 mL圆底烧瓶中,依次加入2-哌啶酸乙酯盐酸盐1(194 mg, 1 mmol),乙腈10 mL,无水碳酸钾(345 mg, 2.5 mmol)和4-溴代丁酸乙酯(195 mg, 1 mmol),加热至回流,反应10 h(TLC检测)。原料反应完毕,冷却至室温,过滤,滤液经减压蒸除溶剂,残余物经柱色谱(PET/EtOAc=4/1)分离得淡黄色油状液体2260 mg,收率96%, Rf=0.5(petroleum ether/EtOAc=2/1);1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 1.23～1.29(m, 6H), 1.33～1.43(m, 1H), 1.58～1.64(m, 3H), 1.70～1.84(m, 4H), 2.15～2.20(m, 1H), 2.24～2.39(m, 3H), 2.50～2.58(m, 1H), 3.03～3.09(m, 2H), 4.09～4.20(m, 4H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 14.1, 14.2, 22.0, 22.4, 25.2, 29.5, 32.0, 50.1, 55.5, 60.0, 60.1, 65.0, 173.4, 173.7。

(2)3的合成

向100 mL的单口瓶中加入叔丁醇钾(1.12 g, 10 mmol),置换惰气,在0 ℃下向反应瓶中加入溶于四氢呋喃的化合物2(1.355 g, 5 mmol)。 0 ℃下反应1 h(TLC检测)。原料反应完毕, 加少量水淬灭后,减压蒸除四氢呋喃,残余物用饱和碳酸钠溶液调节pH至弱碱性,用二氯甲烷萃取水相8次,合并有机相,水洗一次,饱和食盐水洗一次,无水硫酸钠干燥,浓缩,得淡黄色油状液体化合物3853 mg,收率80%, Rf=0.7(EtOAc)。化合物3不稳定,无需纯化,直接用于下一步脱酯基操作。

(3)4的合成

无水无氧条件下,向50 mL的双口瓶中加入溶于4 mol/L的盐酸的化合物3(1.484 g, 6.6 mmol),加热回流,反应10 h(TLC检测)。原料反应完毕,用碳酸钠固体调节溶液pH值至弱碱性,用乙酸乙酯萃取6次,合并有机相,水洗一次,饱和食盐水洗一次,无水硫酸钠干燥,浓缩,经柱色谱(DCM/MeOH=30/1)纯化得无色油状液体化合物4877 mg,收率87%,Rf=0.4(DCM/MeOH=10/1);1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 1.11～1.29(m, 1H), 1.30～1.44(m, 1H), 1.45～1.68(m, 2H), 1.71～1.86(m, 1H), 1.87～2.06(m, 3H), 2.09～2.19(m, 1H), 2.21～2.33(m, 1H), 2.34～3.57(m, 3H), 2.79～3.06(m, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 23.7, 24.0, 25.3, 25.5, 39.1, 54.7, 56.8, 70.9, 207.2。

(4)5的合成

向50 mL的单口瓶中加入甲基三苯基碘化磷(1.817 g, 4.524 mmol),置换惰气。在-78 ℃下,依次加入无水四氢呋喃20 mL,正丁基锂(1.73 mL, 4.152 mmol)。反应1 h后,随后缓慢加入化合物4(529 mg, 3.46 mmol)的无水四氢呋喃溶液,然后缓慢升室温。反应16 h(TLC检测)。原料反应完毕,加水淬灭反应,将反应液倒入分液漏斗,加入乙酸乙酯,有机相用水洗涤3次,饱和食盐水洗涤1次,无水硫酸钠干燥,浓缩,经柱色谱分离(梯度洗脱DCM/MeOH=60/1至20/1),得淡黄色油状化合物5357 mg,收率70%, Rf=0.4(DCM/MeOH=10/1);1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 1.18～1.34(m, 1H), 1.43～1.85(m, 7H), 1.94～2.40(m, 5H), 2.87(d, 2H,J=10.8 Hz), 4.74(d, 2H,J=4.8 Hz);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 24.2, 25.3, 26.5, 28.2, 34.8, 56.6, 57.0, 64.5, 107.4, 147.5。

通过5步反应,高收率的完成了羽扇豆碱和表羽扇豆碱的形式合成。在化合物4的合成中,采取了两步连续操作。二酯化合物2在叔丁醇钾/四氢呋喃条件下,经迪克曼缩合反应得到化合物3,简单高效的构建了喹诺里西啶氮杂环系。但实验中发现化合物3稳定性不好,且柱层析时吸附性强,损失较大。所以我们合成得到化合物3的粗产物后,直接用于下一步的Krapcho脱羰反应。两步连续反应的效率更高,且两步连续反应的总产率要明显高于分步操作。

在化合物5的合成条件优化中,经过条件探索,甲基三苯基碘化磷加入量为底物的1.3 eq.,而正丁基锂加入量为1.2 eq.。也就是使甲基三苯基碘化磷稍过量,从而使正丁基锂完全消耗,这样可以避免正丁基锂对反应底物的亲核加成的副反应。同时我们也探索了不同反应温度下的反应情况。在-78 ℃下反应,反应很慢且原料反应不完全。而在0 ℃下反应,反应的副产物较多。通过实验温度条件的探索,在-78 ℃下加完底物后保持该温度反应1 h,然后让反应体系缓慢升至室温,此操作条件下的副产物少,反应产率最高。

以廉价易得的(±)-哌啶酸乙酯盐酸盐为起始原料,通过氮烷基化反应、迪克曼缩合反应、Krapcho脱羰反应、Wittig反应等4步反应合成得到关键中间体5,4步总产率46.7%。化合物5可经文献转化,完成(±)-lupinine和(±)-epilupinine的形式合成。此合成路线为两种天然产物的大量合成奠定了基础。同时,该方法还可为含有此类氮杂环系的复杂生物碱分子的合成提供参考。