2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑的合成及其與頭孢母環(huán)對接工藝優(yōu)化

曹輝，薛峰，董乾乾，居沈貴

(南京工業(yè)大學 化工學院，江蘇 南京 211816)

頭孢洛林酯，由武田制藥(日本)與Forest Laboratories開發(fā)[1-2]。作為第四代頭孢菌素類抗生素頭孢唑蘭的衍生物，其對對甲氧西林敏感的金葡菌和MRSA肺炎都有較好的療效，也在應對諸如菌血癥和心內(nèi)膜炎等侵襲性感染的臨床治療中，具有較高的殺菌效果[3]。

本文采用4-羥基吡啶為原料進行了2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑的合成研究，從雜環(huán)環(huán)合角度出發(fā)[4-8]，設計了步驟簡化、反應時長縮短、產(chǎn)品收率提高的合成路線，并完成其與頭孢母環(huán)3-羥基頭孢的對接[9-10]。并對合成工藝進行了優(yōu)化，優(yōu)化了反應條件，確定了最優(yōu)工藝，使總收率從22%上升到37.47%[11]。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

4-乙酰吡啶、3-羥基頭孢、甲基磺酸鈉、濃氨水、二硫化碳、乙醚、液溴、氫溴酸、冰醋酸、甲醇、異丙醇、異丙醚、無水硫酸鎂、氯化銨、三乙胺、氯化鈉、碳酸鉀、氫氧化鈉、二氯甲烷、鹽酸、濃硫酸均為分析純。

SGW X-4B顯微熔點儀；ZF-1型三用紫外分析儀；JJ-1電動磁力攪拌器；HDM-500調溫恒溫電熱套；BHX-9101-2SA電熱恒溫鼓風干燥箱；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵；DFY-5L/40低溫恒溫反應??；RE-52AA旋轉蒸發(fā)儀；Bruker DRX500.(500 MHz)核磁共振光譜儀；Bruker DRX300.(300 MHz)核磁共振光譜儀;Q-TOF B.05.01質譜儀。

1.2 2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑的合成

合成路線見圖1。

圖1 2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑合成路線Fig.1 The synthetic route of 4-(4-pyridinyl)thiazole-2-thiol

1.2.1 二硫代氨基甲酸銨的合成 準備1 000 mL的三口燒瓶，將200 mL無水乙醇、200 mL二氯甲烷和128 mL二硫化碳加入到其中，攪拌下冰水浴，保持0～5 ℃。在另一個燒瓶中加入200 g片堿，緩慢滴加500 mL氨水，并用磁力攪拌攪動溶液?？刂品磻俣?，使得滴加氨水速度和吸收速度相持平，通入約1/3氣體時，出現(xiàn)淺黃色渾濁。最后稍微加熱片堿的氨水溶液，使得氨氣得到最大限度的放出。通氣結束，封口，置于冰箱中冷藏過夜。次日，取出快速抽濾，得到淺黃色固體，用50 mL正己烷漂洗濾餅。于40 ℃真空干燥，得到淺黃色結晶體，收率89.2%。m.p. 75～77 ℃；MS (m/z,CH6N2S2)：110.12，exp：110.12。

1.2.2 4-溴乙酰吡啶氫溴酸鹽的合成 準備500 mL的三口燒瓶，在70 ℃水浴條件下，在33%HBr的乙酸(220 mL)溶液中，加入4-乙?；?吡啶(25 g)溶液。然后將溴(33.38 g，0.208 mol)在45%HBr水溶液(30 mL)中滴加到反應混合物中，滴加過程中溶液始終能回到最初的油黃色，滴加完畢，保溫2 h。待冷卻至室溫后過濾，用30 mL正己烷淋洗濾餅，最后干燥得白色固體，產(chǎn)率77.8%。m.p. 193.5～195 ℃；MS (m/z,C7H6NOBr)：280.85，exp：280.85。

1.2.3 2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑氫溴酸鹽的合成 準備250 mL的三口燒瓶(帶電動攪拌器)，使用低溫反應浴，首先加入25 g之前制得的4-溴乙酰吡啶氫溴酸鹽，其次加入乙醇75 mL、乙腈75 mL，待溫度降至0～5 ℃時，將新制得的二硫代氨基甲酸銨取10.6 g分多次緩慢加入燒瓶中，期間保持溫度恒定不變，待全部加入后保溫攪拌12 h，體系變?yōu)殚冱S色懸濁液時，停止攪拌，抽濾，用15 mL異丙醇、15 mL異丙醚依次淋洗濾餅，之后使用200 mL甲醇分2次打漿洗滌濾餅層，最后，干燥得黃色晶體粉末，收率55.1%。m.p. 262.5～263.8 ℃；MS (m/z,C8H6N2S2·HBr)：275.19，exp：275.19。

1.2.4 2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑的制備 準備250 mL的三口燒瓶，架于低溫反應浴內(nèi)，首先放入9.6 mL的上步產(chǎn)物2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑氫溴酸鹽，然后加入80 mL的去離子水作為溶劑，待全部溶解并降溫至0～5 ℃后，滴加新制得的25%濃度的NaOH溶液11.8 mL，滴定完后攪拌0.5 h，之后抽濾，并水洗濾餅取得全部深紅色濾液；將濾液轉移回四口燒瓶內(nèi)，使用新制得的10%濃度的稀鹽酸將溶液pH調制6.8，其間析出大量沉淀，滴定完畢攪拌1 h，之后抽濾，用10 mL去離子水水洗濾餅，再用68 mL甲醇打漿洗滌濾餅2 h，最后，抽濾干燥，得紅色粉末，收率97.1%。m.p. 232.8～234.1 ℃；1H NMR (400 MHz,DMSO)，δ：13.86(s,1H),8.65(dd,J= 4.6,1.6 Hz,2H),7.87～7.64(m,3H)；MS(m/z,C8H6N2S2)：194.28，exp：194.28。

1.3 2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑與3-羥基頭孢對接

合成路線見圖2。

圖2 2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑與3-羥基頭孢對接工藝Fig.2 Docking process of 4-(4-pyridinyl)thiazole-2-thiol with 3-hydroxy cephalosporin

1.3.1 7β-苯乙酰氨基-3-甲磺酰氧基-3-頭孢烯-4-羧酸二苯甲基酯的合成 準備500 mL的三口燒瓶，加入20 g 3-羥基頭孢，以80 mLN,N-二甲基甲酰胺為溶劑，攪拌至全部溶解，于低溫反應浴內(nèi)降溫至-10 ℃。稱取11.4 g甲基磺酸酐，緩慢均勻分多次加入，攪拌20 min，之后加入8.88 g碳酸鈉以起縛酸作用，待全部加完，體系穩(wěn)定后，保溫反應3 h。反應完后加水200 mL，均勻攪拌30 min，抽濾，水洗濾餅3次，用正己烷打漿洗滌1次，干燥得白色粉末狀固體，收率77%。m.p. 212～214 ℃；1H NMR (300 MHz,CDCl3)，δ：2.78(s,3H),3.48～3.76(m,4H),5.02(d,1H),5.90(d,1H),6.06(d,1H),6.92(s,1H),7.26～7.40(m,15H)；MS (m/z,C29H26N2O7S2)：577.57，exp：577.57。

1.3.2 7β-苯乙酰氨基-3-(4-吡啶基-2-噻唑巰基)-3-頭孢烯-4-羧酸二苯甲基酯的合成

1.3.2.1 一鍋法 將6 g(30.9 mmol)2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑和40 mL的N,N-二甲基甲酰胺加入100 mL三口燒瓶，攪拌溶解，常溫滴加6 g(33 mmol)甲醇鈉的30%甲醇溶液，滴完攪拌0.5 h；降溫至0 ℃，繼續(xù)攪拌0.5 h，分批加入14 g(23 mmol)7β-苯乙酰氨基-3-甲磺酰氧基-3-頭孢烯-4-羧酸二苯甲基酯，控制溫度，加完攪拌3 h，倒入300 mL鹽水，利用300 mL乙酸乙酯進行萃取，油相繼續(xù)用鹽水(50 mL)洗滌大約3次，無水硫酸鈉攪拌干燥0.5 h，抽濾，濃縮至干，粗品利用200 mL的二氯甲烷和乙醚溶液(1∶1)進行重結晶，得到白色晶體14.35 g，收率80.2%。1H NMR (300 MHz,CDCl3)，δ：3.41～3.73(m,4H),5.02(d,1H),5.85(dd,1H),6.47(d,1H),6.95(s,1H),7.24～7.42(m,15H),7.71(s,1H),7,77(s,2H),8.67(dd,2H)；MS (m/z,C36H28N4O4S3):676,exp:676。

1.3.2.2 分步法 第一步,4-(4-吡啶基)-1,3-噻唑-2-硫醇鈉的制備。準備250 mL的三口燒瓶，加入25 g(0.128 mol)2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑，以75 mL乙腈、75 mL無水乙醇的混合溶液為溶劑，通氮氣，低溫反應浴降溫至0～5 ℃，攪拌溶解10 min，分多批次加入9.6 g(0.14 mol)乙醇鈉，控溫0 ℃左右，反應1.5 h。反應完畢，加入20 g食鹽，攪拌5 min，過濾，濾液再加入20 g食鹽，攪拌5 min，抽濾。將兩次所得的產(chǎn)物干燥，得27.6 g黃色粉末，產(chǎn)率98.8%。1H NMR (300 MHz,DMSO)δ：7.35(s,1H),7.72(d,2H),8.48(d,2H);MS (m/z,C8H5N2S2Na):216.3,exp:216.3。

第二步,7β-苯乙酰氨基-3-(4-吡啶基-2-噻唑巰基)-3-頭孢烯-4-羧酸二苯甲基酯的合成。準備250 mL 的三口燒瓶，在其中加入11.6 g(0.02 mol)7β-苯乙酰氨基-3-甲磺酰氧基-3-頭孢烯-4-羧酸二苯甲基酯，用30 mLN,N-二甲基甲酰胺溶解，降溫至0 ℃，充分攪拌。10 min后稱取3.5 g 4-(4-吡啶基)-1,3-噻唑-2-硫醇鈉分批次加入體系內(nèi)，保證體系穩(wěn)定，加料完畢，保溫反應2 h。加入120 mL食鹽水并終止反應，用100 mL乙酸乙酯進行萃取，油相繼續(xù)用鹽水(80 mL)洗滌，之后用無水硫酸鈉攪拌干燥0.5 h，抽濾，濃縮至干，粗品用200 mL的二氯甲烷和乙醚溶液(1∶1)進行重結晶，得到白色晶體13.63 g，收率92.1%。1H NMR (300 MHz,CDCl3)，δ：3.41～3.73(m,4H),5.02(d,1H),5.85(dd,1H),6.47(d,1H),6.95(s,1H),7.24～7.42(m,15H),7.71(s,1H),7,77(s,2H),8.67(dd,2H)；MS (m/z,C36H28N4O4S3):676,exp:676。

2 結果與討論

2.1 二硫代氨基甲酸銨的合成中的洗氣裝置

使用NaOH和氨水構成的氨氣發(fā)生裝置不可忽視氨氣氣流中攜帶的大量水蒸氣，而本步反應產(chǎn)物極易溶于水，若水蒸氣被帶入反應釜內(nèi)，會極大降低產(chǎn)率?？疾炝讼礆庋b置對收率的影響，結果見圖3。

圖3 洗氣裝置對收率的影響Fig.3 Effect of gas washing device on yield

由圖3對比說明，濕空氣對于反應的影響極大。氨氣流帶濕空氣進去反應體系內(nèi)，水蒸氣一方面溶解原料，使得反應原料減少，反應速率降低；另一方面水蒸氣降解產(chǎn)物，降低產(chǎn)物收率，因此，在氨氣發(fā)生裝置和反應體系之間應該安裝以片堿、石灰石為原料的洗氣裝置。

2.2 2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑氫溴酸鹽的合成條件優(yōu)化

2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑氫溴酸鹽是2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑的前驅體，依靠第一步產(chǎn)物二硫代氨基甲酸銨與第二步產(chǎn)物4-溴乙酰吡啶氫溴酸鹽環(huán)合生成，是整個反應中極為重要的化合物，而且其收率不高，需要進一步優(yōu)化工藝條件，故對該步反應的投料比、溶劑選擇、溫度、反應時長進行綜合考察。

2.2.1 反應物投料比對于反應產(chǎn)率的影響 以4-溴乙酰吡啶氫溴酸鹽∶二硫代氨基甲酸銨設定為n1∶n2，考察了反應物料比對收率的影響，結果見圖4。

圖4 反應物投料比對于反應產(chǎn)率的影響Fig.4 Effect of reactant ratio on reaction yield

反應物的投料比對于反應的收率存在影響，按照反應配平的原則，反應物1與反應物2的摩爾比應該為1∶1，但實際操作中并非如此。由圖4可知，當n1∶n2在1∶1～1∶1.1之間時，產(chǎn)率呈上升趨勢，之后產(chǎn)率下降。原因是二硫代氨基甲酸銨受熱受潮易分解，因此稍微增加該反應物的投入量，可以保證價格更高的反應物4-溴乙酰吡啶氫溴酸鹽能夠全部參與反應。

2.2.2 溶劑選擇對于反應產(chǎn)率的影響 分別以水、乙醇、N,N二甲基甲酰胺、乙醇/乙腈混合溶液為溶劑，考察了反應溶劑的選擇對收率的影響，結果見表1。

表1 溶劑對收率的影響Table 1 Effect of solvent on yield

由表1可知，若用水作為溶劑，則反應不會進行，也可以理解為水的存在會阻礙反應的進行，因此，在整個反應過程中，應該通氮氣。而乙醇/乙腈的1∶1混合溶液由于不同分子結構間存在差異，增大了與反應物的接觸面積，提供了更大的反應平臺，比單一的乙醇或者N,N-二甲基甲酰胺溶劑得到更高的收率，因此，本步驟溶劑選擇采用乙醇/乙腈混合溶劑。

2.2.3 溫度對于反應產(chǎn)率的影響 保持溶劑為乙醇/乙腈(1∶1)混合溶劑，反應物投料比(1∶1.1)不變，改變反應溫度，考察了其對收率的影響，結果見圖5。

圖5 溫度對于反應產(chǎn)率的影響Fig.5 Effect of temperature on reaction yield

由圖5可知，當溫度高于20 ℃，反應不進行。隨著溫度降低，產(chǎn)率逐漸提高，到0 ℃左右時，產(chǎn)率為55.1%。值得注意的是，隨著溫度的降低，反應的速率也在逐漸下降，在折中效率和產(chǎn)率的情況下，決定把反應溫度定為0 ℃。

2.3 pH對2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑析出產(chǎn)率的影響

將2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑從抽濾2次的堿性濾液中析出的方法是利用它的溶解度隨溶液堿性減弱而銳減，用10%的鹽酸調節(jié)pH，產(chǎn)品粗品就會明顯析出，通過一系列實驗確定了最佳析出pH，見表2。

表2 pH值對收率的影響Table 2 Effect of pH on the yield

由表2可知，當pH接近6.8時，產(chǎn)率趨于最大值97.1%，當繼續(xù)滴加鹽酸將pH調至更低時，產(chǎn)率幾乎不變，處于經(jīng)濟考慮，將析出pH選定為6.8。

2.4 合成路線的選擇對7β-苯乙酰氨基-3-(4-吡啶基-2-噻唑巰基)-3-頭孢烯-4-羧酸二苯甲基酯產(chǎn)率的影響

共有兩條合成路線：一鍋法以及兩步法，區(qū)別就在于對于反應中間體4-(4-吡啶基)-1,3-噻唑-2-硫醇鈉的制備是否分步進行。從反應收率上來看，如果采用一鍋法進行生產(chǎn)，收率為80.2%，如果改用分步法進行生產(chǎn)，兩步的收率分別為98.8%以及92.1%，總收率為91%，要明顯優(yōu)于一鍋法；而從經(jīng)濟角度上看，分步法盡管耗時可能略長，但由于其對于原料的利用率高，更容易控制配比，且條件可控性高，減少了操作難度，因此，采用分步法。

3 結論

(1)在二硫代氨基甲酸銨的合成工藝中，通過加入以片堿、石灰石為原料的洗氣裝置將產(chǎn)率從23%提升到89.2%。

(2)改進了2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑氫溴酸鹽的合成工藝，確定了最佳投料比為n1∶n2=1∶1.1，溶劑采用乙腈和乙醇的1∶1混合溶液，反應溫度為0 ℃，反應時間低于文獻報道的的18 h，為12 h。

(3)確定了使2-巰基-4-(4-吡啶基)噻唑從反應體系中析出的最佳pH為6.8，且采用10%的鹽酸最適宜。

(4)采用分步法生產(chǎn)7β-苯乙酰氨基-3-(4-吡啶基-2-噻唑巰基)-3-頭孢烯-4-羧酸二苯甲基酯由于其反應可控性高，縮短反應置于堿性環(huán)境的時間，降低了堿性環(huán)境對于產(chǎn)率的干擾，將產(chǎn)率提高近10個百分點。