6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉-3-羧酸甲酯的制备 ——介绍一个大学药物化学综合实验

郭举，高艺，胡诗敏，樊可，龙思会

武汉工程大学化工与制药学院，绿色化工过程教育部重点实验室，武汉 430205

药物化学是药学类专业的核心课程，药物化学课程的实验教学是其理论知识的实践和深化，对学生掌握药物合成反应实验操作技能和巩固有机化学理论知识有重要价值。我校化工与制药学院开设的药物化学实验课程是针对制药工程专业和药物制剂专业高年级学生开展的专业实验课程，着重培养这两个专业学生的基础有机化学实验单元操作、药物合成工艺路线设计及未知化合物的结构分析确证等综合能力，为学生进一步学习专业知识提供科学的实践训练。本文介绍的药物化学实验属于专业实验课程，实验内容来源于最新的科研工作进展，课时在24学时左右，供学生选做。该实验是以笔者目前所从事的Poly(ADP-ribose) Polymerase 1 (PARP1)抑制剂，即多聚ADP核糖聚合酶1抑制剂研究中的关键中间体6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉-3-羧酸甲酯为目标分子，通过以L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸为原料，经过甲酯化后和多聚甲醛发生Pictet-Spengler反应来合成，目标产物的结构经核磁共振氢谱(1H NMR)、质谱(MS)等分析方法进行表征。

通过文献的学习和专业教师对实验的讲解，学生对该药物合成实验产生了较高的实践热情，并对相关科研工作表现出了浓厚的学习兴趣，这有利于培养学生的科研思维和创新精神。在具体的实验过程中，通过对具体有机合成反应的实践操作和化合物结构分析确证的学习，如：对有机人名反应机理的学习、对核磁共振仪和质谱仪分析原理的学习和实践操作等环节，将药物化学、有机化学、分析化学课程的理论知识与实践知识相结合，能够全面提高学生的综合实验素质，同时也能培养学生的科研思维，为学生进入更高环节的科学实验积累理论和实践基础[1-4]。

1,2,3,4-四氢异喹啉是许多活性天然产物的骨架结构，也是药物化学领域的常见分子结构，其是多种药物的核心骨架(图1)[5]，例如图1中的Quinapril (盐酸喹那普利)是抗高血压药；化合物Apomorphine (阿扑吗啡)是用于治疗神经退行性疾病帕金森疾病的药物；化合物Trabectedin (曲贝替定)是用于抗肿瘤的药物，其中化合物Trabectedin (简称ET-743)是第一个来源于海洋的抗肿瘤药物，用于治疗晚期软组织瘤；由于这类药物的合成工艺中含有四氢异喹啉结构的关键中间体，因此通过开展专业实验来学习四氢异喹啉分子的合成方法对全面掌握药物化学知识具有重要的科学意义。

图1 Quinapril、Apomorphine和Trabectedin的化学结构

关于1,2,3,4-四氢异喹啉的合成方法，文献报道了多种经典的人名合成方法[6,7]，有Pictet-Spengler反应，Bischler-Napieralski (B-N)反应等，本实验介绍的是利用经典的Pictet-Spengler人名反应[8,9]，以L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸为原料，以甲醇为溶剂，二氯亚砜为脱水剂，室温搅拌反应成酯后不经纯化，直接以二氯甲烷为溶剂，三氟乙酸为催化剂，与多聚甲醛发生Pictet-Spengler反应环合形成四氢异喹啉的大型综合有机合成实验。

1 实验目的

(1) 掌握四氢异喹啉类化合物的相关药物化学知识，包括其构效关系和在药物中的应用等实验内容。

(2) 掌握包括本实验目标分子6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉-3-羧酸甲酯在内的四氢异喹啉分子结构的合成方法。

(3) 掌握药物合成的实验操作和化合物的分离纯化及结构分析方法。

(4) 熟悉分析仪器核磁共振仪和质谱仪的分析原理和操作使用方法。

2 实验方案

先以L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸为原料，二氯亚砜为脱水剂，对其进行甲酯化，甲酯化的产物1在三氟乙酸的催化下，与多聚甲醛进行Pictet-Spengler环合反应制得目标四氢异喹啉化合物2 (图2)。

图2 6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉-3-羧酸甲酯的合成路线

3 仪器和试剂

仪器：磁力搅拌器，圆底烧瓶，色谱柱，薄层板，旋转蒸发仪，紫外灯(254 nm)，Yanaco显微熔点仪(温度未经校正)，PerkinElmer Polarimeter 341LC型旋光仪，核磁共振(NMR)仪(BRUKER-400 MHz，TMS内标)，电喷雾四级杆串联飞行时间质谱(HRMS)仪(micrOTOF Q-II)。

试剂：L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸(98%，安耐吉)，多聚甲醛(＞ 99%，TCI)，三氟乙酸(98%，安耐吉)，GF254硅胶板(10 × 25 cm，青岛海洋化工厂)，300-400目柱层析硅胶(青岛海洋化工厂)，二氯亚砜，乙酸乙酯，石油醚，二氯甲烷(化学纯)。

4 实验步骤

氩气保护下，将L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸(4.54 g，0.02 mol)溶于无水甲醇(70 mL)中，在冰浴下缓慢滴加二氯亚砜(2 mL，0.024 mol)，滴加完毕后，室温反应12 h后，薄层色谱(展开剂，V(甲醇) :V(二氯甲烷) = 1 : 10)监测反应(紫外灯(254 nm)显色)，反应完全后，旋蒸除去溶剂得白色泡状物用(乙酸乙酯/乙醇)混合溶剂重结晶得白色晶体4.6 g，氩气保护下向圆底三口烧瓶中依次加入无水二氯甲烷(80 mL)，化合物1 (4.78 g，0.02 mol)，多聚甲醛(6 g，0.02 mol)溶于无水二氯甲烷(50 mL)中，室温下滴加三氟乙酸(9 mL)溶液，搅拌反应18 h，薄层色谱(展开剂，V(乙酸乙酯) :V(石油醚) = 2 : 1)监测反应(紫外灯(254 nm)显色)，反应完成后，用饱和碳酸氢钠溶液(100 mL)猝灭反应，再用二氯甲烷(30 mL × 3)萃取，合并有机层，无水硫酸钠干燥后减压浓缩，经柱色谱分离(洗脱剂，V(乙酸乙酯) :V(石油醚) = 1 : 2)，旋转蒸发仪蒸除溶剂后得到目标化合物。最后用1H NMR和MS对产物结构进行表征。

5 结果与讨论

6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉-3-羧酸甲酯，黄色油状液体，产量4.67 g，收率共计77%。

6 实验组织运行的建议

(1) 该化学综合实验为我校制药工程专业和药物制剂专业高年级学生选做的实验之一，我们在实施时要求学生以4人为一小组合作完成。学生首先通过文献查阅学习四氢异喹啉类化合物在药物中的应用以及化学合成方法，再由指导教师对文献进行讲解，重点学习有机合成的反应机理，并确定最终实验方案。

(2) 在实验方案确定后，集中三天时间(大约24课时)完成实验。第一天进行酯化反应合成中间体化合物1，第二天进行Pictet-Spengler反应合成目标化合物2，第三天对化合物2进行分离纯化和结构表征。在实验前，同学要学习并掌握相关实验试剂的安全使用方法，如第一步甲酯化实验中的催化剂二氯亚砜和第二步Pictet-Spengler反应中的催化剂三氟乙酸均具有强腐蚀性和挥发性，因此反应必须在通风橱中进行操作。在实验过程中，学生在进行实验时，要学会积极思考，比如第一步甲酯化反应的反应温度是先低温后室温，要积极思考实验的收率是否与温度有关；第二步Pictet-Spengler环合反应中，文献中的方法除了二氯甲烷/三氟乙酸的催化体系之外，还有乙酸/乙酸钠和盐酸/三氯甲烷作为催化体系的反应方法，学生要思考每种反应条件的区别有哪些，还可以通过平行实验，研究不同溶剂对反应的影响，同时反应原料除了L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸和多聚甲醛，也可以选择苯丙氨酸和甲醛溶液、酪氨酸和多聚甲醛、L-dopa和多聚甲醛等为原料进行四氢异喹啉分子结构的合成实验，研究不同反应底物对该反应的影响。同时还可以通过以上实验来研究Pictet-Spengler反应在不同的酸性催化体系中的反应收率，探索各种影响Pictet-Spengler反应的因素，包括原料、反应温度、催化体系等。

(3) 在对有机化学反应的监测方法上，最常用的是薄层层析色谱(TLC)分析方法，该方法在监测有机合成反应进行的程度上具有简易、快速、准确等优点；根据不同化合物选择不同展开剂和洗脱剂进行分离纯化是巩固基础化学知识的重要途径，如文献上在对四氢异喹啉类化合物进行分析时使用的展开溶剂为乙酸乙酯/石油醚体系，但通过实践我们发现使用二氯甲烷/甲醇体系作为TLC的展开剂(二氯甲烷和甲醇的体积比30 : 1)较为合适，并在此基础上确定了合适的柱色谱洗脱剂(二氯甲烷和甲醇的体积比=50 : 1较为合适)。通过展开剂和洗脱剂配比的探索，使学生掌握化合物化学结构与化学性质的关系，提高学生对有机化学和分析化学理论知识的应用能力。

(4) 同时，在对有机反应进行分析的方法上，除了使用TLC紫外灯吸收来监测反应以外，通过学习使学生掌握根据化合物化学结构的不同选取合适的显色剂的方法，例如化合物中所含有的氨基可以选取氨基的特征性显色剂茚三酮进行显色判断，另外还有广谱的碘显色剂、磷钼酸显色剂等，并且需要训练学生查阅资料并配制各种显色剂的技能，通过科学的实验培养学生分析问题和解决问题的综合能力。

(5) 合成实验完成后，在化合物分离纯化的实验阶段，重点训练学生掌握柱层析色谱分离纯化有机化合物的基本原理和操作方法，如洗脱剂的选择、硅胶的选择等。在对目标分子进行纯化后，需要对化合物进行结构表征，化合物的结构表征需要使用到大型分析仪器如核磁共振仪和质谱仪等，在使用大型分析仪器前，指导教师给学生讲解仪器的分析原理和使用方法及注意事项，并对仪器分析的谱图结果如核磁共振谱图进行分析讲解，学生在培训合格后，独立上机操作完成对化合物的结构分析确证工作。最后，在完成实验工作后，指导学生撰写标准格式的实验报告。

(6) 该实验具有反应条件温和、无金属催化剂、原子经济性等特点，是拓展药物化学知识的教改实验之一，适合药学相关专业高年级学生学习。在实验教学过程中，指导教师可以在实验条件容许的范围内，指导学生进行研究性的平行实验，进一步分析各种反应策略的利弊，同时对于药物化学实验中涉及到的有机化学知识进行学习和分析。教师也可以同步实验提出相关思考题，比如在涉及到手性碳原子的反应中如何避免消旋化、如何进行位置选择性的立体专一的反应、如何对(非)对映异构体进行分离纯化等问题时让学生进行思考，进一步培养学生综合实验能力。

7 结语

本药物化学实验通过专业文献学习、目标分子6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉-3-羧酸甲酯的合成及其分离纯化、化合物结构表征等三个环节，全面培养学生学会从综合化学实验的实践中提炼科学研究的基本方法，训练学生掌握系统的科研思维，激发学生的科研兴趣并提高科研能力，使高年级学生为后面进一步的学习打下坚实的基础，提高学生的专业综合素质。