以常用藥物布洛芬為起始原料的兩個大學化學有機合成實驗*

孫禮林

(安徽師范大學化學與材料科學學院 安徽蕪湖 241000)

1 實驗一 布洛芬高分子載體藥物的合成

現(xiàn)在用來治病的藥物，不論是人工合成的還是天然的，大多是相對分子質(zhì)量不大的小分子化合物，也叫低分子藥物。許多傳統(tǒng)的低分子藥物存在很多不足之處，如在體內(nèi)新陳代謝快、半衰期短、體內(nèi)濃度很快降低從而影響療效等；為此需要加大劑量，增加進藥次數(shù)，但過高的藥劑濃度又會增加藥物的副作用。與低分子藥物相比，許多高分子藥物具有長效、增效、緩釋、低毒副作用及藥理活性高等優(yōu)點。因此，通過低分子藥物高分子化克服其缺點已成為當前廣泛研究的課題。

高分子藥物一般可分為以下幾種：① 高分子化的低分子藥物；② 本身具有藥理活性的高分子；③ 藥物的微膠囊化，即將小分子藥物通過范德華力與高分子基質(zhì)結(jié)合并為其包裹。通常高分子藥物主要指高分子化的低分子藥物，即高分子載體藥物，也就是將低分子藥物連接到高分子上制成高分子藥物以獲得緩釋或靶向功能[1]。

布洛芬(brufen)又名依布洛芬或異丁苯丙酸，化學名稱為2-(4-異丁基苯基) 丙酸，具有抗炎、鎮(zhèn)痛、解熱等作用。該藥口服吸收雖快，但排泄也很快，1h后血液濃度即達最高峰，且半衰期較短。為維持一定的血藥濃度，需頻繁給藥，導(dǎo)致明顯的峰谷效應(yīng)[2]。

本實驗將低分子藥物布洛芬以酯鍵連接到甲基丙烯酸-2-羥乙酯(HEMA)上制成可聚合的含布洛芬的單體，然后單體在引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN)的存在下，經(jīng)過自由基聚合反應(yīng)[3-6]合成出布洛芬高分子載體藥物[7]。布洛芬藥物的有效成分通過羧酸酯鍵連接在高分子主鏈上，通過酯鍵的逐步水解或酶解可望達到布洛芬藥物的緩釋和長效的結(jié)果。雖然合成的布洛芬高分子前體藥物的藥理性能有待進一步研究，但開展此實驗顯然有助于學生了解高分子載體藥物的概念、原理、合成方法以及烯類單體自由基聚合的原理和操作技術(shù)。實驗具有趣味性和探究性，涉及多種合成操作技能，有利于培養(yǎng)學生的學習興趣，增強其實驗動手能力，同時也能促進基礎(chǔ)化學實驗教學方法的改革。

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

(1) 了解高分子載體藥物的概念及其應(yīng)用的基本原理。

(2) 初步了解高分子載體藥物的合成方法。

(3) 掌握烯類單體在引發(fā)劑存在下自由基聚合的基本原理和操作。

1.2 合成路線設(shè)計

布洛芬高分子載體藥物的合成路線見圖1。

圖1 布洛芬高分子載體藥物的合成路線

1.3 主要儀器和試劑

儀器：Bruker AV300核磁共振譜儀，Nicolet FTIR 5DX紅外光譜儀，NMR樣品管，三頸燒瓶，二頸燒瓶，回流冷凝管，干燥管，玻璃漏斗，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等。

試劑：布洛芬(市售布洛芬藥片)，甲基丙烯酸-2-羥基乙酯(HEMA)(AR)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(AR)，氯化亞砜(AR)，吡啶(AR)，氯仿(AR)，偶氮二異丁腈(AIBN)(CP，經(jīng)乙醇重結(jié)晶純化)，無水乙醇(AR)，四氫呋喃(THF)(AR，使用前經(jīng)鈉絲回流后蒸出)，5%碳酸氫鈉溶液，飽和食鹽水，無水硫酸鎂(AR)，氘代氯仿(內(nèi)標TMS)。

1.4 實驗步驟

(1) 布洛芬的提?。簩⑹惺鄄悸宸宜幤兴?，加無水乙醇攪拌后靜置過夜，過濾后減壓抽干乙醇溶劑得布洛芬。

(2) 單體的合成：在干燥無水條件下，將6mL SOCl2加入到裝有回流冷凝管、干燥裝置及氣體吸收裝置的100mL三口燒瓶中，用冰水浴冷卻并攪拌，加入10.3g布洛芬，滴入7～8滴無水DMF，攪拌后轉(zhuǎn)入油浴緩慢升溫到80℃左右，回流5h，減壓抽去過量的SOCl2，得黃色油狀的布洛芬酰氯。在冰鹽浴下向上述反應(yīng)瓶中加入10mL無水THF，強烈攪拌，先加入4.3mL無水吡啶，再加入5.8mL HEMA和20mL THF的混合溶液，反應(yīng)6h。反應(yīng)結(jié)束后過濾，將沉淀溶于水中，用氯仿萃取，將萃取液與濾液合并，相繼用水、5%碳酸氫鈉水溶液、飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鎂干燥。過濾后濾液減壓濃縮得淡黃色油狀產(chǎn)物(單體)12.1g，產(chǎn)率約為80%。

(3) 含藥單體的聚合：在裝有冷凝管和氬氣導(dǎo)入管的雙頸瓶中加入15mL THF，1g單體及40mg 引發(fā)劑AIBN，通入氬氣10min除氧。加熱到75℃，氬氣氛下反應(yīng)5h，反應(yīng)結(jié)束后用冰水浴急速冷卻。產(chǎn)物用甲醇沉淀，離心沉降后棄去上層甲醇，沉淀經(jīng)THF溶解，再用甲醇沉淀。如此重復(fù)3次并抽干得純化的米白色聚合物粉末0.4g左右。

(4) 單體和布洛芬高分子載體藥物的表征：單體和聚合物的1H NMR譜用Bruker AV300 核磁共振儀測試，以CDCl3(內(nèi)標TMS)為溶劑；單體及聚合物的IR用Nicolet FTIR 5DX紅外光譜儀測試，液膜法或KBr壓片制樣(聚合物的相對分子質(zhì)量和相對分子質(zhì)量分布可由Water-150C凝膠色譜儀測定，THF為流動相，柱溫30℃，以聚苯乙烯為標準樣品進行普適校正)。

1.5 實驗結(jié)果

1.5.1 產(chǎn)物狀態(tài)及產(chǎn)率

產(chǎn)物的狀態(tài)、相對分子質(zhì)量及產(chǎn)率見表1。

表1 產(chǎn)物狀態(tài)、相對分子質(zhì)量及產(chǎn)率

注：單體相對分子質(zhì)量根據(jù)分子式計算，聚合物相對分子質(zhì)量和相對分子質(zhì)量分布用凝膠色譜法(GPC)測定。Mn：數(shù)均相對分子質(zhì)量，Mw：重均相對分子質(zhì)量。

1.5.2 譜圖數(shù)據(jù)

1.6 實驗要點及注意事項

(1) 布洛芬與SOCl2作用制備酰氯時，由于SOCl2和酰氯都易水解而導(dǎo)致實驗失敗，故實驗裝置和試劑都應(yīng)干燥無水，回流冷凝管上應(yīng)加干燥管以防止?jié)駳膺M入。此外，應(yīng)使用氣體吸收裝置吸收反應(yīng)中放出的有害氣體氯化氫。

(2) 空氣中的氧氣對自由基聚合有一定的阻聚作用，所以，在單體聚合時應(yīng)向反應(yīng)裝置中通氮氣或氬氣等惰性氣體以充分除氧，并使反應(yīng)在惰性氣氛下進行。

(3) 測定產(chǎn)物紅外光譜、核磁共振譜的有關(guān)操作要點參見實驗教材有關(guān)內(nèi)容。

1.7 問題討論

(1) 高分子藥物有哪幾種類型？與傳統(tǒng)的低分子藥物相比有什么特點？

(2) 酰氯與醇作用生成酯時加吡啶的作用是什么？商品中的烯類單體在存放時為什么要加入阻聚劑(如對苯二酚等)？

(3) 常見的自由基聚合引發(fā)劑有哪幾種類型？偶氮二異丁腈(AIBN)的結(jié)構(gòu)式和其作為引發(fā)劑的機理是什么？精制引發(fā)劑為什么要在較低的溫度下進行？

(4) 如何通過單體和聚合物的1H NMR譜圖的對比及紅外光譜圖的吸收情況的變化來說明單體是否已聚合？

2 實驗二 含芳基肽類表面活性劑的合成

隨著人類資源與環(huán)境壓力的增加，研究并開發(fā)環(huán)境友好的表面活性劑成為表面活性劑工業(yè)的主要方向。以生物質(zhì)資源為原料，通過生物技術(shù)或化學方法得到環(huán)境友好的表面活性劑是國內(nèi)外研究的熱點。氨基酸類表面活性劑就是以生物質(zhì)為基礎(chǔ)的表面活性劑，由于其良好的生物降解性以及環(huán)境相容性而受到廣泛的關(guān)注，成為食品、醫(yī)藥和化妝品行業(yè)的首選，在藥物制造和生物化學領(lǐng)域中也取得了重要成果。氨基酸類表面活性劑是利用氨基酸或者肽等基團作為親水基、以分子結(jié)構(gòu)中的高碳鏈為親油基的具有良好表面活性的一類分子。肽類產(chǎn)品含有與人體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相近的肽鍵，適當利用對人體的安全性相對較高，對皮膚刺激性小，可降解性能強，對環(huán)境友好[8-10]。本實驗通過羧基保護法合成了布洛芬酰甘氨酸及其鈉鹽，利用布洛芬分子結(jié)構(gòu)中的烷基苯環(huán)作為親油基，肽鍵和羧基作為親水基，設(shè)計合成了一種含芳基的肽類表面活性劑，所合成的產(chǎn)物用1H NMR進行了表征，并對其表面活性進行了初步研究。

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

(1) 了解氨基酸肽類表面活性劑的有關(guān)概念及其結(jié)構(gòu)特征。

(2) 初步了解肽類表面活性劑的合成方法及表面活性的研究方法。

(3) 掌握有關(guān)實驗操作的基本原理和技能以及柱層析純化方法。

2.2 合成路線設(shè)計

布洛芬酰甘氨酸鈉的合成路線見圖2。

圖2 布洛芬酰甘氨酸鈉的合成路線

2.3 主要儀器和試劑

儀器：Bruker AV300核磁共振譜儀，NMR樣品管，三頸燒瓶，單頸燒瓶，回流冷凝管，干燥管，玻璃漏斗，層析柱，滴液漏斗，10mL具塞刻度試管，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等。

藥品：布洛芬，甘氨酸(AR)，甲醇(AR)，氯化亞砜(AR)，無水氯化鈣(AR)，二氯甲烷(AR)，乙醚(AR)，三乙胺(CP，加氫氧化鉀浸泡過夜，使用前蒸餾 )，硫酸(AR)，苯(AR)，無水乙醇(AR)，氫氧化鈉(AR)，濃鹽酸(AR)，氘代氯仿(內(nèi)標TMS)。

2.4 實驗步驟

(1) 甘氨酸甲酯鹽酸鹽的合成：取一個100mL三口燒瓶，加入0.75g甘氨酸，50mL甲醇，裝上滴液漏斗、無水氯化鈣干燥管和回流冷凝管，于冰鹽水浴中冷卻至0℃。在攪拌下緩慢滴加1mL(1.31g)氯化亞砜，維持溫度0℃，繼續(xù)反應(yīng)1h，加熱升溫至40～45℃，攪拌1h，使固體全溶。減壓蒸餾出過量的氯化亞砜和鹽酸，剩余物用熱甲醇溶解，冷卻濾去不溶物。加入60mL乙醚，有大量白色沉淀出現(xiàn)，靜置，傾取上層清液，再在清液中加入10mL乙醚，靜置，傾取上層清液，重復(fù)上述操作3次，直到生成的沉淀很少為止。白色沉淀即為甘氨酸甲酯鹽酸鹽。對白色沉淀進行抽濾，所得固體用真空泵減壓干燥，得1.09g白色固體，產(chǎn)率為87%。

(2) 布洛芬酰氯的合成：在裝有無水氯化鈣干燥管的三口燒瓶中加入0.93g(4.5mmol)布洛芬和23mL二氯甲烷，稍加熱使固體全溶。充分攪拌下緩慢滴加0.59g(4.95mmol)氯化亞砜，滴加完畢后再繼續(xù)攪拌反應(yīng)1h，減壓蒸餾除去二氯甲烷、過量的氯化亞砜和生成的氯化氫，得到1.04g油狀的布洛芬酰氯。

(4) 布洛芬酰甘氨酸的合成：在單口燒瓶中加入0.95g布洛芬酰甘氨酸甲酯，再加入10mL水和10mL甲醇的混合溶劑溶解，攪拌下加過量(約0.15g)氫氧化鈉固體。加熱至95℃，反應(yīng)過夜，再用鹽酸調(diào)節(jié)pH為1～2，析出沉淀。沉淀水洗后用無水乙醇重結(jié)晶，得到0.70g產(chǎn)品，產(chǎn)率為78%。

(5) 布洛芬酰甘氨酸鈉鹽的制備：在圓底燒瓶內(nèi)將合成的布洛芬酰甘氨酸溶于乙醇中，再加入等物質(zhì)的量的氫氧化鈉，水浴加熱至固體全部溶解，然后蒸出乙醇和水，干燥制得0.69g布洛芬酰甘氨酸鈉鹽，產(chǎn)率為91%。

2.5 實驗結(jié)果

2.5.1 譜圖數(shù)據(jù)

布洛芬酰甘氨酸甲酯：1H NMR(300MHz,CDCl3):δ0.88(d,6H,(CH3)2CHCH2—Ph—),δ1.49(d,3H,—Ph—CH(CH3)—),δ1.82(m,1H,(CH3)2CHCH2—Ph—),δ2.42(d,2H,(CH3)2CHCH2—Ph—),δ3.61(q,1H,—Ph—CH(CH3)—),δ3.68(s，3H，—COOCH3),δ3.98(m,2H,—NH—CH2—),δ6.02(s,1H,—NH—),δ7.18(m,4H,Ph—H)。

布洛芬酰甘氨酸：1H NMR(300MHz,CDCl3):δ0.88(d,6H,(CH3)2CHCH2—Ph—),δ1.49(d,3H,—Ph—CH(CH3)—),δ1.82(m,1H,(CH3)2CHCH2—Ph—),δ2.42(d,2H,(CH3)2CHCH2—Ph—),δ3.66(q,1H,—Ph—CH(CH3)—),δ3.95(m,2H,—NH—CH2—),δ6.35(s,1H,—NH—),δ7.17(m,4H,Ph—H),δ10.21(s,1H,—COOH)。

2.5.2 布洛芬酰甘氨酸鈉的表面活性性能

配制質(zhì)量分數(shù)為5%的布洛芬酰甘氨酸鈉鹽水溶液，用pH試紙測得該鈉鹽水溶液的pH約為6.5。取3mL該鈉鹽5%水溶液于10mL的具塞刻度試管內(nèi)，水浴加熱至50℃，然后上下振蕩50次，記錄泡沫高度為60mm，5分鐘后泡沫高度45mm，說明該鈉鹽溶液具有良好的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性。取5%的該鈉鹽水溶液3mL和3mL苯，倒入10mL具塞刻度試管內(nèi)，上下振蕩5次，靜置1min，再振蕩5次，依次重復(fù)5次，然后記錄分水時間。分水0.5mL所需時間為20min，分水1mL所需時間為45min，說明該鈉鹽溶液具有良好的乳化能力。

2.6 實驗要點及注意事項

SOCl2和酰氯都極易水解而導(dǎo)致實驗失敗，故實驗裝置和試劑都應(yīng)干燥無水，回流冷凝管上應(yīng)加干燥管以防止?jié)駳膺M入。同時，應(yīng)使用氣體吸收裝置吸收反應(yīng)中放出的有害氯化氫氣體。柱層析分離提純的操作方法和要點可參見有關(guān)實驗教材。

2.7 問題討論

(1) 分析1H NMR 譜圖中各個峰的歸屬。如何通過譜圖中吸收峰的變化來說明布洛芬酰甘氨酸甲酯已水解？

(2) 查閱有關(guān)文獻和資料，分析和討論環(huán)境友好表面活性劑的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。

3 結(jié)語

安徽師范大學的基礎(chǔ)化學實驗課程體系和教學方法的深化改革教學研究項目自2008年立項以來，在基礎(chǔ)化學實驗課程體系和教學方法的深化改革等方面做了許多有益的嘗試。對基礎(chǔ)化學實驗內(nèi)容進行了大幅度的調(diào)整和改變，增加了綜合性實驗和設(shè)計性實驗的比例，添加了能反映學科最新進展的實驗內(nèi)容，使學生能及時把握學科的最新動態(tài)。本文介紹的兩個大學化學有機合成實驗的內(nèi)容在教改過程中作為綜合實驗被編入新的實驗講義或作為本科生畢業(yè)論文的研究課題，在教學中均取得了良好的效果，調(diào)動了學生學習的熱情和積極性。布洛芬是一種價格較低廉的常用藥物，將其作為較大規(guī)模的學生合成實驗的起始原料，在價格和成本上都比較合適。

參 考 文 獻

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