雙氫青蒿素合成工藝探討

王令兆，吳洪達(dá)，王讀福，管廷江

(1.山東濰焦集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，山東 濰坊 262404；2.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

雙氫青蒿素合成工藝探討

王令兆1，吳洪達(dá)2*，王讀福1，管廷江1

(1.山東濰焦集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，山東 濰坊 262404；2.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

用硼氫化鈉還原青蒿素合成雙氫青蒿素，用高效液相色譜法分析組分含量；考察了反應(yīng)溶劑、還原劑用量、添加劑種類和用量、反應(yīng)溫度等因素對合成反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，溶劑性質(zhì)影響青蒿素的溶解度和硼氫化鈉的穩(wěn)定性，但不是影響反應(yīng)速率及雙氫青蒿素產(chǎn)率的決定性因素；甲醇是最適宜的反應(yīng)溶劑，反應(yīng)過程中，硼氫化鈉與甲醇反應(yīng)生成甲氧基硼氫負(fù)離子(BH3(OCH3)-)，然后將青蒿素還原為雙氫青蒿素；添加氯化鈣有助于提高反應(yīng)速率；反應(yīng)溫度過高以及反應(yīng)時間過長會導(dǎo)致副反應(yīng)增多。在甲醇溶液中，當(dāng)n(CaCl2)/n (DHA)=0.3，n(NaBH4)/n(ART)=2.5，0℃反應(yīng)1.5 h。青蒿素轉(zhuǎn)化率高于98%，雙氫青蒿素產(chǎn)率高于96%。

青蒿素；雙氫青蒿素；硼氫化鈉；無水氯化鈣

青蒿素是我國首次發(fā)現(xiàn)的抗瘧特藥物，由于其油溶性、水溶性均不佳，穩(wěn)定性差，限制了它的醫(yī)用價值，因此，人們制備了一系列青蒿素衍生物，其中雙氫青蒿素與青蒿素相比具有更好的水溶性，更易吸收且具有排泄和代謝迅速、高效、低毒等優(yōu)點[1]，其抗瘧作用是青蒿素的4～ 8倍[2]；同時，雙氫青蒿素也是合成青蒿素衍生物抗瘧藥的中間原料，深入研究其合成工藝具有重要意義。過去的研究[3-8]表明，由青蒿素合成雙氫青蒿素過程中，還原劑用量、溶液酸堿度、溶劑性質(zhì)、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間會顯著影響青蒿素轉(zhuǎn)化率和雙氫青蒿素產(chǎn)率，但有關(guān)反應(yīng)機(jī)理未有詳盡的表述。本文進(jìn)一步研究了青蒿素合成雙氫青蒿素的工藝，對硼氫化鈉還原青蒿素的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析，探討了一些添加劑在合成反應(yīng)中的作用。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

高效液相色譜儀(島津LC一20AT)；紫外檢測器(島津SPD-20A)；自動雙重純水蒸餾器(上海亞榮生化儀器廠)。

1.1.2 試劑

青蒿素(廣西仙草堂制藥有限責(zé)任公司，純度≥99.99%)，乙腈(色譜純)；硼氫化鈉，氯化鈣等試劑均為分析純。

1.2 合成與檢測

在圓底燒瓶中加入青蒿素和溶劑，室溫攪拌溶解，加入助劑繼續(xù)攪拌溶解，轉(zhuǎn)移到冰水浴中，分批加入一定量硼氫化鈉，攪拌反應(yīng)一定時間后，用鹽酸終止反應(yīng)，調(diào)節(jié)溶液pH值在5～6。樣品經(jīng)過濾后用HPLC法分析組分含量。色譜條件：色譜柱: 島津ODS-C18(4.6 mm × 250 mm,5μm); 流動相: 20 mmol/L 磷酸鹽溶液(pH值5.0)-乙腈(40∶60)；柱溫25℃；檢測波長210nm；流速1.0 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溶劑的影響

為了選擇合適的溶劑，首先研究了硼氫化鈉在幾種常見溶劑中的穩(wěn)定性，用碘量法[9]測定溶劑中硼氫化鈉的剩余量，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，硼氫化鈉溶于溶劑后的最初幾分鐘內(nèi)，其分解反應(yīng)速率很高，10min后，硼氫化鈉的分解率變化相對較??；原因是，而硼氫化鈉與溶劑接觸反應(yīng)后，溶液的堿性增強(qiáng)，提高了硼氫化鈉的穩(wěn)定性[10]。由圖1還可看出，硼氫化鈉在溶劑里的穩(wěn)定性排序為：無水乙醇>蒸餾水>N,N-二甲基甲酰胺>二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合液(體積比1∶1)>甲醇和N,N-二甲基甲酰胺混合液(體積比1∶1)>甲醇和二氯甲烷混合液(體積比1∶4)>甲醇。顯然，硼氫化鈉在甲醇中很不穩(wěn)定，這與甲醇的羥基氫較活潑有關(guān)。因此，在甲醇溶劑中使用硼氫化鈉作還原劑時，應(yīng)將硼氫化鈉固體分多次少量加入為宜。

a.甲醇；b.甲醇和二氯甲烷(1∶4)；c.甲醇和N,N-二甲基甲酰胺(1∶1)；d.二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺(1∶1)；e.N,N-二甲基甲酰胺；f.水；g.乙醇

圖1 硼氫化鈉在0℃(A)和20℃(B)不同溶劑中的穩(wěn)定性

Fig.1 Stability of sodium borohydride in different solvent

在二氯甲烷溶劑中合成雙氫青蒿素的研究已有文獻(xiàn)報道[4]，我們考察了其它幾種溶劑對雙氫青蒿素產(chǎn)率的影響，實驗選擇0℃下反應(yīng)1.5 h，結(jié)果如表1所示。

表1 不同溶劑中，雙氫青蒿素在不同時間的產(chǎn)率

表1說明，溶劑性質(zhì)對反應(yīng)速率及雙氫青蒿素產(chǎn)率的影響十分顯著。雖然圖1表明，硼氫化鈉在乙醇和N,N-二甲基甲酰胺溶劑穩(wěn)定性好，而在甲醇溶劑中穩(wěn)定性很差；但表1顯示，在乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸甲酯溶劑中，青蒿素與硼氫化鈉的反應(yīng)速率很小，雙氫青蒿素產(chǎn)率較低，不是合成雙氫青蒿素的好溶劑；而甲醇表現(xiàn)為良好的反應(yīng)溶劑，0℃下反應(yīng)1.5 h，青蒿素轉(zhuǎn)化率為97.67 %，雙氫青蒿素產(chǎn)率達(dá)到96.57 %。因此，從硼氫化鈉在溶劑中的穩(wěn)定性不能對實驗結(jié)果作出好的解釋。我們再來考慮溶劑極性的影響，文獻(xiàn)[5]曾指出，在水溶液中，硼氫化鈉對青蒿素的還原反應(yīng)經(jīng)歷了SN1反應(yīng)歷程；按照SN1反應(yīng)的特征，溶劑極性增大時，應(yīng)有利于青蒿素轉(zhuǎn)化為極性更大的雙氫青蒿素。但表1所用的溶劑中，甲醇極性為6.6，N,N-二甲基甲酰胺極性為6.4，兩者極性相差不大，而在甲醇中硼氫化鈉與青蒿素的反應(yīng)速率要比在甲醇和N,N-二甲基甲酰胺組成的混合溶劑中的反應(yīng)速率大很多。因此，溶劑極性的改變也不是影響硼氫化鈉與青蒿素反應(yīng)速率的主要因素。表1給出的結(jié)果差異可能提示硼氫化鈉或四氫化硼負(fù)離子與青蒿素直接反應(yīng)的速率比較小，而烷氧基硼氫負(fù)離子BH3(OR)-可能是更好的還原劑。我們認(rèn)為，在甲醇溶劑中，硼氫化鈉先與甲醇反應(yīng)生成的烷氧基負(fù)離子可能與新生態(tài)硼烷(BH3)結(jié)合成中間產(chǎn)物—烷氧基硼氫負(fù)離子BH3(OR)-，由于烷氧基的供電子性，提高了烷氧基硼氫負(fù)離子中氫原子的電子云密度，從而增強(qiáng)了烷氧基硼氫負(fù)離子上的氫向青蒿素帶正電性的羰基碳原子進(jìn)攻的能力。乙醇分子上的氫原子活潑性小，不易生成乙氧基負(fù)離子，所以，在乙醇溶劑中，青蒿素與硼氫化鈉的反應(yīng)速率較小；在乙酸甲酯和N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，硼氫化鈉不能生成烷氧基，只能以四氫化硼負(fù)離子與青蒿素反應(yīng)，故速率小。綜上所述，在甲醇溶液中，烷氧基負(fù)離子的存在及其濃度才是影響硼氫化鈉與青蒿素反應(yīng)速率的主要因素。

2.2 還原劑用量的影響

硼氫化鈉，硼氫化鉀，氫化鋁鋰，硼烷等均是有機(jī)反應(yīng)中常用的還原劑，硼氫化鈉，硼氫化鉀的還原性較弱，適用于醛或酮羰基的還原反應(yīng)，而氫化鋁鋰，硼烷等試劑的還原性較強(qiáng),會導(dǎo)致青蒿素過氧基團(tuán)的還原，所以，由青蒿素制備雙氫青蒿素常用比較溫和的硼氫化鈉作還原劑。圖2給出甲醇為溶劑，在0℃反應(yīng)1.5 h，硼氫化鈉的用量與青蒿素轉(zhuǎn)化率以及雙氫青蒿素產(chǎn)率的關(guān)系。

圖2 還原劑用量對原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

從圖2可知，隨著硼氫化鈉用量遞增，青蒿素轉(zhuǎn)化率逐漸升高，在硼氫化鈉用量為0.20 g時，青蒿素轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%。雙氫青蒿素的產(chǎn)率也隨著還原劑用量遞增而增大，在硼氫化鈉用量為0.16 g時，產(chǎn)率最高，達(dá)92.77%，但繼續(xù)增加硼氫化鈉用量時，雙氫青蒿素產(chǎn)率有降低的趨勢。這是因為，過量的硼氫化鈉將與雙氫青蒿素分子中的過氧基反應(yīng)[6]，甚至與分子中的內(nèi)酯鍵反應(yīng)[11]，導(dǎo)致副產(chǎn)物增加，雙氫青蒿素產(chǎn)率下降。因此，控制硼氫化鈉的用量是必要的。

2.3 添加劑的作用

文獻(xiàn)[12]研究表明，在硼氫化鈉與有機(jī)物的還原反應(yīng)中，加入某些無機(jī)路易斯酸可顯著提高還原劑的活性和選擇性。為此，我們研究了幾個添加劑對合成反應(yīng)的影響。結(jié)果如表2和表3所示。

表2 添加劑對青蒿素轉(zhuǎn)化率的影響

表3 添加劑對雙氫青蒿素產(chǎn)率的影響

從表2可見，隨反應(yīng)時間延長，青蒿素轉(zhuǎn)化率逐漸升高；但只有CaCl2，MgCl2，MgSO4能夠促進(jìn)反應(yīng)；ZnSO4、ZnCl2對反應(yīng)起抑制作用。從表3看，無添加劑或以CaCl2、MgCl2、MgSO4為添加劑時，在1.5 h內(nèi)，雙氫青蒿素的產(chǎn)率隨反應(yīng)時間增加而升高；反應(yīng)時間增至2 h后，無添加劑的反應(yīng)體系中，雙氫青蒿素的產(chǎn)率仍然升高，但有添加劑的反應(yīng)體系中，雙氫青蒿素的產(chǎn)率均出現(xiàn)降低的趨勢。

Ca2+，Mg2+離子能夠促進(jìn)反應(yīng)，可能由于堿土金屬離子是一種較為適宜的路易斯酸。在甲醇溶液中，這種離子可能與硼氫化鈉及甲醇反應(yīng)形成還原能力較強(qiáng)的烷氧基硼氫化鈣(鎂)，然后，利用鈣(鎂)離子跟青蒿素分子中的羰基氧配位,導(dǎo)致羰基碳原子正電性增大，有利于烷氧基硼氫負(fù)離子進(jìn)攻羰基碳，隨著氫負(fù)離子加成到羰基碳上，金屬離子與羰基氧的配位鍵斷裂，氧基負(fù)離子再與溶液中的氫離子結(jié)合形成羥基。其反應(yīng)機(jī)理如圖3所示。

圖3 Ca2+存在下，烷氧基硼氫負(fù)離子還原羰基

Fig.3 Alkox boron hydrogen anion reductive carbonyl group under Ca2+

比較表2和表3中，以MgCl2、MgSO4為添加劑時，共存陰離子對反應(yīng)也有影響，Cl-離子對反應(yīng)速率的增效比SO42-離子更好，可能與Cl-離子更易參與配位反應(yīng)有關(guān)。在反應(yīng)體系中加入ZnSO4和ZnCl2時，青蒿素轉(zhuǎn)化率和雙氫青蒿素產(chǎn)率均非常小，顯示其強(qiáng)烈地抑制反應(yīng)。

2.4 添加劑用量

為了探究添加劑用量對合成反應(yīng)的影響，以甲醇為溶劑，催化劑用量為n(NaBH4)/n(ART) = 2.5，選擇不同的添加劑用量，0℃下反應(yīng)1.5 h，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在反應(yīng)體系加入氯化鈣時，青蒿素轉(zhuǎn)化率隨著氯化鈣量增加而增大。當(dāng)氯化鈣與青蒿素的物質(zhì)的量之比為0.5時，青蒿素轉(zhuǎn)化率達(dá)100%，繼續(xù)增加氯化鈣用量，青蒿素的轉(zhuǎn)化率趨于穩(wěn)定。但氯化鈣加入量過多時，雙氫青蒿素產(chǎn)率降低，推測是因為鈣離子濃度大時，生成的烷氧基硼氫負(fù)離子濃度太大，導(dǎo)至雙氫青蒿素中的過氧基或內(nèi)酯鍵被還原，故雙氫青蒿素產(chǎn)率降低。為了驗證上述推測，我們考察了氯化鈣對雙氫青蒿素穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖4 添加劑用量對青蒿素轉(zhuǎn)化率和雙氫青蒿素產(chǎn)率的影響

圖5 時間對雙氫青蒿素的穩(wěn)定性的影響

實驗表明，雙氫青蒿素在單一的甲醇溶液中3h內(nèi)是穩(wěn)定存在的，而加入氯化鈣后，雙氫青蒿素半小時即發(fā)現(xiàn)分解。當(dāng)氯化鈣加入量為n(CaCl2)/n(DHA)=0.3時，共存1.5 h，雙氫青蒿素分解率達(dá)80%，繼續(xù)增加氯化鈣用量，雙氫青蒿素分解率升高，但幅度比較小。而且雙氫青蒿素的分解率在80%左右與合成實驗產(chǎn)率是吻合的。

2.5 反應(yīng)時間

為了探究反應(yīng)時間對合成反應(yīng)的影響，以甲醇為溶劑，n(NaBH4)/n(ART)=2.5，n(CaCl2)/n(DHA)=0.3，在0℃下反應(yīng)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 反應(yīng)時間對青蒿素轉(zhuǎn)化率和雙氫青蒿素產(chǎn)率的影響

從圖6中可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，青蒿素的轉(zhuǎn)化率逐漸增大，在反應(yīng)1.5 h后，轉(zhuǎn)化率變化已經(jīng)很??；雙氫青蒿素產(chǎn)率隨著反應(yīng)時間的延長，先增大后減小，反應(yīng)1.5 h雙氫青蒿素產(chǎn)率最大。這是因為，雙氫青蒿素在堿性溶液不穩(wěn)定[7]，會逐步開環(huán)脫去環(huán)中醚鍵上的氧，并脫去環(huán)內(nèi)過氧鍵，在甲醇溶液中形成甲基化的環(huán)狀半羧醛[13]。

2.6 反應(yīng)溫度

以甲醇為溶劑，催化劑用量為：n(NaBH4)/n(ART)=2.5，n(CaCl2)/n (DHA)=0.3，在不同溫度下反應(yīng)1.5h，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度對合成反應(yīng)的影響結(jié)果如圖7所示。

圖7 反應(yīng)溫度對青蒿素轉(zhuǎn)化率和雙氫青蒿素產(chǎn)率的影響

從圖7可以看出，在試驗所涉溫區(qū)，青蒿素的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化不大，轉(zhuǎn)化率都在98%以上；但溫度對雙氫青蒿素的產(chǎn)率有明顯的影響，隨著溫度的升高，雙氫青蒿素的產(chǎn)率逐漸降低。這是因為，溫度升高時，雙氫青蒿素分子中的過氧鍵發(fā)生分解[8,14]。高效液相色譜分析結(jié)果也表明，隨著溫度的升高，生成的雜質(zhì)峰逐漸增多，雜質(zhì)峰面積也增大，如圖8所示。

a.雜質(zhì)；b. α-雙氫青蒿素；c. β-雙氫青蒿素；d. 青蒿素

2.7 優(yōu)化條件的驗證

在圓底燒瓶中加入青蒿素和無水甲醇，室溫攪拌溶解后，加入無水氯化鈣(n(CaCl2)/n (DHA)=0.3)攪拌溶解，然后分批加入硼氫化鈉(n(NaBH4)/n(ART)=2.5)，0℃反應(yīng)1.5h。青蒿素轉(zhuǎn)化率高于98%，雙氫青蒿素產(chǎn)率高于96%。

3 結(jié)論

(1)在甲醇溶劑中硼氫化鈉還原青蒿素時，起到還原作用的是甲氧基硼氫負(fù)離子，添加氯化鈣能提高青蒿素還原反應(yīng)速率。

(2)以甲醇為溶劑，硼氫化鈉為還原劑，氯化鈣為添加劑，0℃反應(yīng)1.5 h，青蒿素的轉(zhuǎn)化率高于98%，雙氫青蒿素的產(chǎn)率高于96%。

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(本文文獻(xiàn)格式：王令兆，吳洪達(dá)，王讀福，等.雙氫青蒿素合成工藝探討[J].山東化工,2017,46(7):52-55,60.)

Study on Synthesis of Dihydroartemisinin

WangLingzhao1,WuHongda2*,WangDufu1,GuanTingjiang1

(1.Shandong Weijiao Holdings Group Co.,Ltd.,Weifang 262404,China; 2.College of Biological and Chemical Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

The dihydroartemisinin were formed from artemisinin using sodium borohydride as reductant, and the content of each component were analysised by high performance liquid chromatography (HPLC);The factors on the influence of synthetic reaction were investigated,such as reaction solvent,dosage of reducing agent,additives,reaction temperature and so on. The results showed that the solvent affects the solubility of artemisinin and the stability of sodium borohydride,and it is also not the decisive factor of the reaction rate and the yield of dihydroartemisinin; Methanol is the most suitable solvents in the process,and the reduction of artemisinin to dihydroartemisinin promoted by BH3(OCH3)-,which producted from the reaction sodium borohydride with methanol; The calcium chloride helps to improve the reaction rate; The side effect were significantly when temperature rising and time prolonged. As a result,in methanol solution,when n (CaCl2)/n (DHA) = 0.3,n (NaBH4)/n (ART) = 2.5,the reacton temperature is 0 ℃ and reactin time is 1.5 h,the conversion of artemisinin above 98%,the yield of dihydroartemisinin is higher than 96%.

artemisinin；dihydroartemisinin；sodium borohydride；anhydrous chloride calcium

2017-03-03

王令兆(1989—)，男，山東昌樂人，碩士；通訊作者：吳洪達(dá)(1958—)，男，廣西羅城人，教授，主要從事催化化學(xué)的研究。

O626

A

1008-021X(2017)07-0052-04