以L-苯丙氨酸为“手性源”合成(S)-吲哚啉-2-甲酸及其衍生物

摘要

(S)-吲哚啉-2-甲酸及其衍生物是天然产物中广泛存在的结构片段，也是众多对心血管疾病有治疗保健作用的药物的特征结构片段，其合成难度大，传统方法存在路线长、收率低、成本高等问题，是影响相关药物制造成本的关键因素。
　　 (S)-吲哚啉-2-甲酸与L-苯丙氨酸的化学结构相似，手性中心相同，因此，本文提出了一种以L-苯丙氨酸为“手性源”，经引入辅助基团、分子内胺化成环、定向合成（S)-吲哚啉-2-甲酸的方法。L-苯丙氨酸为天然氨基酸，来源广泛，价格低廉，该方法具有反应步骤少、无需使用拆分剂、成本低、污染少、可从原料手性确定产物构型等优点。
　　 为保证L-苯丙氨酸的邻位取代顺利进行，需在其对位引入间位定位基团，本文选择硝基为辅助基团，定位效应强，生产成本低。
　　 首先，研究了混酸法合成4-硝基-L-苯丙氨酸的工艺。结果发现，釜式混酸硝化时反应时间长，生成的2-硝基-L-苯丙氨酸和4-硝基-L-苯丙氨酸易与浓硫酸发生缩合反应，是釜式反应收率较低的主要原因，为缩短停留时间、减少返混，特设计了管式反应器，抑制副反应，产物收率提高明显，并以正交实验优化了反应条件，在混酸中硝酸与硫酸体积比为2:1，50℃停留5min，产品收率可达80.9％。
　　 文献报道的混酸法难以直接制备2，4-二硝基-L-苯丙氨酸，其主要原因是第二个硝基的引入需要相对较高的反应温度，此时，混酸具有强氧化性，易将L苯丙氨酸侧链上的苄基很氧化，得到苯甲酸衍生物。
　　 研究了以硝酸脲为硝化剂，以4-硝基-L-苯丙氨酸为原料，在硫酸中制备2，4-二硝基-L-苯丙氨酸的工艺，优化的工艺条件为：在60℃下反应6h，硝化剂与原料摩尔比为1.2:1，产品收率达87.7%。讨论了硝化机理，认为尿素的存在降低了硝酸的氧化性，提高了硝酰正离子的亲电能力，能够实现二硝化反应。
　　 尝试了以硝酸脲为硝化剂对L-苯丙氨酸的“一锅法”硝化制备2，4-二硝基-L苯丙氨酸的工艺。分析了反应能够进行的原因，认为反应中硫酸浓度非常重要。优化了工艺条件，反应分段进行：前期单硝化时，硝酸脲与底物摩尔比为1:1，冰水浴反应2h；后期二硝化时，补加1.2倍量的硝酸脲，在60℃反应4h，2，4-二硝基-L-苯丙氨酸收率可达75.7%。
　　 为获得高纯度的2，4-二硝基-L-苯丙氨酸，测定了其在十种溶剂中的溶解度，结果表明正丙醇是合适的重结晶溶剂，以该溶剂对2，4-二硝基苯丙氨酸重结晶，可以得到高于99.5%纯度的产品，重结晶母液仍可循环使用。并用Apelblat方程对溶解度数据进行了回归，发现均方差不超过2.5%。
　　 着重研究了影响关键步骤2，4-二硝基-L-苯丙氨酸的分子内环合反应的因素，发现反应随温度和压力变化收率变化很大，以水为溶剂，在180℃下反应6h，可以44.5%的收率得到6-硝基-（S)-吲哚啉-2-甲酸，其e.e.值高于99%。采用.密度泛函理论对分子内氨基取代硝基的反应进行了量子化学计算，结果表明，分子内环合反应脱除亚硝酸生成6-硝基-（S)-吲哚啉-2-甲酸的反应在热力学上优于分子内脱水副反应，脱除亚硝酸释放的能量更多，产物更稳定。氨基取代硝基的反应可用于制备有机胺的反应，扩展了胺取代硝基的反应，选用了不同的硝基底物与胺，发现在相似的条件下，均三硝基苯和二硝基苯均能以较好的收率得到硝基苯胺衍生物，分析了反应机理，认为可能是由于一个硝基使另一个的活性上升所致，而硝基苯和胺分别为硬酸和硬碱，易于反应，是该反应能够进行的主要原因。
　　 为了获得更好的6-硝基-（S)-吲哚啉-2-甲酸的总收率，讨论了4-硝基-L-苯丙氨酸溴化环合的工艺，优化了该反应的工艺条件。其中，溴化反应以三溴异氰脲酸酯为溴化试剂，在室温反应3h可以72.6%的收率得到2-溴-4-硝基-L-苯丙氨酸，其分子内Ullmann反应在氯化亚铜催化下进行，以碳酸钾为碱、水为溶剂，在回流温度下反应4h，收率可达90.5%，产物没有发生消旋现象。详细讨论了各种溴化试剂的反应机理，认为三溴异氰脲酸在浓硫酸中能够多质子化，是其有效将溴正离子转移至钝化芳环的主要原因。
　　 6-硝基-（S)-吲哚啉-2-甲酸经催化还原、重氮化、去重氨基的“一锅”反应制备得到了（S)-吲哚啉-2-甲酸。三步反应在“一锅”内进行，反应过程的较优工艺条件为：还原反应中，使用5%钯碳为催化剂催化加氢，以水为溶剂，氢气压力为0.5MPa，60℃反应4h；重氮化反应在冰水浴中反应3h；脱除重氮基的反应在55℃下反应3h。在上述条件下，三步反应的总收率可达85.9%，e.e.值高于99.5%。
　　 (S)-吲哚啉-2-甲酸在Pd/C催化下，可还原为(2S,3aS,7aS)-八氢吲哚-2-甲酸，将其固载在Wang树脂载体上，与预先合成的N-[1-（S)-乙氧羰基丁基]-（S)-丙氨酸反应，可制备培哚普利，收率可达87.8%，将培哚普利与叔丁胺反应，制备得到了临床上广泛使用的培哚普利叔丁胺盐。
　　 反应过程的相关中间体和产物结构均经过了IR，1HNMR和13CNMR等检测，证明结果正确，所有中间体和产物的旋光度均经过检测，其e．e．值均经过手性柱进行HPLC分析，结果表明其e．e.均高于99%。