煙酰胺碳核苷類似物的模塊化合成

奚亦凡, 馬瑩瑩, 李宏瑞, 程志浩, 楊 凱, 張永強(qiáng)

(華東理工大學(xué) 藥學(xué)院，上海 200237)

煙酰胺核苷(Chart 1)，通過轉(zhuǎn)化為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)，廣泛參與體內(nèi)氧化還原代謝反應(yīng)，在細(xì)胞物質(zhì)代謝和能量合成等多種生理活動中發(fā)揮著重要作用[1]。煙酰胺核苷的碳核苷類似物，如Tiazofurin和Benzamide Riboside(Chart 1)，具有與其相似的三維立體特征和更好的代謝穩(wěn)定性，可選擇性干擾腫瘤細(xì)胞異常的物質(zhì)代謝和能量合成，表現(xiàn)出廣譜的抗腫瘤活性[2-9]。例如，Tiazofurin可有效抑制次黃嘌呤脫氫酶(IMPDH)，干擾鳥苷酸合成，作為治療慢性髓系白血病的候選藥物，目前處于臨床II期研究階段。

煙酰胺碳核苷類似物，作為抗腫瘤候選藥物，結(jié)構(gòu)上通常包含D-(脫氧)核糖和芳(雜)甲酰胺兩部分，二者以Csp2-Csp3鍵(碳核苷鍵)相連，通常為β構(gòu)型，具有多手性中心和多親水性基團(tuán)的特征。該類結(jié)構(gòu)的合成方法主要有兩種，一種是從頭合成法，一種是片段偶聯(lián)法。從頭合成法，以芳(雜)環(huán)或(脫氧)核糖基的從頭構(gòu)建為特征。如Tiazofurin的合成，需要通過硫化氫與氰基加成、硫代甲酰胺與溴代丙酮酸乙酯的環(huán)化等3步反應(yīng)，從頭構(gòu)建噻唑環(huán)(Scheme 1A)[10]，也有經(jīng)氰基與半胱氨酸乙酯環(huán)化和進(jìn)一步芳構(gòu)化，從頭構(gòu)建噻唑環(huán)的報道[11- 12]。Benzamide Desoxyriboside的合成，也曾使用從頭合成脫氧核糖基的方法，由于涉及到多手性中心的構(gòu)建，整個路線需要11步反應(yīng)[13]。顯然，這類方法立足于目標(biāo)結(jié)構(gòu)，不具有普適性，且步驟相對繁雜，合成效率不甚理想，難以有效應(yīng)用于多樣性煙酰胺碳核苷類似物的快速構(gòu)建。片段偶聯(lián)法，以(脫氧)核糖基與糖苷配基的直接偶聯(lián)為特征，代表著更為直接有效的合成方式，尤其在Benzamide Riboside的合成中，得到了廣泛的應(yīng)用(Scheme 1B)[5-7,14-15]。然而該方法的關(guān)鍵片段偶聯(lián)步驟，往往使用危險易燃芳(雜)基有機(jī)金屬試劑與核糖內(nèi)酯等的親核加成反應(yīng)，存在反應(yīng)條件苛刻、反應(yīng)官能團(tuán)兼容性差等缺陷。由此可見，缺乏溫和高效通用的模塊化合成方法，不利于多樣性煙酰胺碳核苷類似物的快速構(gòu)建，成為制約相關(guān)抗腫瘤新藥開發(fā)的瓶頸。

Chart 1

Scheme 1

可見光/金屬鎳雙重催化脫羧偶聯(lián)反應(yīng)，通過可見光催化的脫羧反應(yīng)促進(jìn)烷基自由基生成，降低了金屬鎳催化偶聯(lián)反應(yīng)的能壘，使其在綠色溫和條件下，有效介導(dǎo)Csp2—Csp3鍵的構(gòu)建，在藥物合成中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[16-17]。我們團(tuán)隊在該領(lǐng)域也開展了一系列卓有成效的工作，實現(xiàn)了(脫氧)核糖異頭羧酸與溴代芳(雜)環(huán)的有效偶聯(lián)[18]。有鑒于此，以核糖異頭羧酸合成為起始，利用該反應(yīng)進(jìn)行核糖基和糖苷配基的片段偶聯(lián)，與氰基水解相結(jié)合，本研究發(fā)展了一種高效實用的芐基保護(hù)煙酰胺碳核苷類似物合成新方法(Scheme 2)。該方法，簡潔高效，立體選擇性優(yōu)異(β/α>99/1)；所用關(guān)鍵砌塊溴代芳(雜)甲腈，結(jié)構(gòu)多樣，商業(yè)易得，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有助于實現(xiàn)模塊化合成?；谠摲椒?，本文初步實現(xiàn)了多樣性芐基保護(hù)煙酰胺碳核苷類似物6a～6i的合成，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR和HR-MS(ESI)表征。

Scheme 2

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Autopol I 型旋光儀；ZF-TA 型手提式紫外分析儀；Bruker DPX-400/Avance-500 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Finigann MAT8401型高分辨質(zhì)譜。

4CzIPN(CAS: 1416881-52-1)，畢得醫(yī)藥；其余所用試劑均為分析純或化學(xué)純。

1.2 合成

(1)3的合成[19]

將化合物18.2 g(17.7 mmol)溶解于乙腈(35 mL)中，冷卻至-48 ℃,緩慢加入TMSCN 3.3 mL(26.6 mmol)和BF3·Et2O 2.7 mL(21.2 mmol)，攪拌下反應(yīng)15 min(TLC檢測)。用飽和NH4Cl溶液淬滅反應(yīng)，用乙酸乙酯(3×20 mL)萃取，合并有機(jī)相，用飽和食鹽水(2×20 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：PE/EA=3/1,V/V)純化得化合物α-21.9 g，收率25%和β-23.8 g,收率50%。

將β-23.8 g(8.8 mmol)溶解在60 mL二氧六環(huán)和6 mL濃鹽酸中，加熱至80 ℃，攪拌下反應(yīng)4 h(TLC檢測)。冷卻至室溫，將混合物倒入水(20 mL)中，用乙酸乙酯(3×30 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用飽和食鹽水(2×30 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：PE/EA/AcOH=100/100/1,V/V/V)純化得產(chǎn)物33.8 g，收率95%，β/α>99/1。

將α-21.9 g(4.4 mmol)溶解于20%KOH的甲醇(50 mL)溶液中，加熱至80 ℃，攪拌下反應(yīng)4 h(TLC檢測)。冷卻至室溫，濃縮，以6M HCl酸化，用乙酸乙酯(3×50 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用飽和食鹽水(2×30 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(PE/EA/AcOH=100/100/1,V/V/V)純化得31.4 g，收率70%,β/α=5/1。

β-3:1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.42～7.19(m, 15H), 4.79(d,J=12.0 Hz, 1H), 4.67(s, 1H), 4.60(d,J=3.1 Hz, 1H), 4.57(d,J=3.0 Hz, 1H), 4.49～4.44(m, 2H), 4.32(dd,J=9.4 Hz, 2.5 Hz, 1H), 4.21(dd,J=11.7 Hz, 1H), 4.14(d,J=4.5 Hz, 1H), 3.97(dd,J=9.3 Hz, 4.5 Hz, 1H), 3.87(dd,J=10.4 Hz, 2.9 Hz, 1H), 3.54(d,J=10.4, 1H);α-3:1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.50～7.10(m, 15H), 4.76(d,J=11.1 Hz, 1H), 4.64(d,J=11.3 Hz, 1H), 4.55(d,J=4.6 Hz, 1H), 4.53(d,J=4.7 Hz, 1H), 4.46(s, 1H), 4.44(d,J=11.7 Hz, 1H), 4.31(dd,J=8.4 Hz, 3.0 Hz, 1H), 4.20(d,J=11.7 Hz, 1H), 4.14(d,J=4.7 Hz, 1H), 3.96(dd,J=8.9 Hz, 4.7 Hz, 1H), 3.82(dd,J=10.0 Hz, 2.9 Hz, 1H), 3.52(d,J=10.0, 1H)。

(2)6a～6i的合成通法

在25 mL干燥的Schlenk反應(yīng)管中，加入NiBr2(0.02 mmol), bpy(0.024 mmol), K2CO3(0.4 mmol), 4-CzIPN(0.01 mmol),溴代芳(雜)甲腈(0.4 mmol)和3(0.2 mmol)。封閉反應(yīng)管并通入氮氣，注入DMF 10 mL，攪拌下，通氮氣15 min。將反應(yīng)管置于34W藍(lán)色LED條帶下照射，攪拌下反應(yīng)24 h(控溫30 ℃左右，TLC檢測)。加入30 mL水，用乙酸乙酯(3×20 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用飽和食鹽水(2×20 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：PE/EA=5/1,V/V)純化得中間體5a～5i。

將5a～5i0.1 mmol溶于DMSO(3 mL)中，冷卻至0 ℃，加入K2CO3(0.4 mmol)和30%H2O21.8 mL(0.5 mmol)，緩慢升至室溫，攪拌下反應(yīng)1 h(TLC檢測)。冷卻至0 ℃，用飽和Na2S2O3溶液淬滅反應(yīng)，用乙酸乙酯(3×20 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用飽和食鹽水(2×20 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，濃縮，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：PE/EA=1/1,V/V)純化得6a～6i。

2 結(jié)果與討論

2.1 氰基水解與核糖異頭羧酸合成

如Scheme 2所示，在三氟化硼乙醚作用下，3，4，5-三-O-芐基-1-乙酰氧基-D-核糖可原位生成氧鎓離子，與TMSCN發(fā)生親核加成，僅需15 min即可完全轉(zhuǎn)化為中間體2，且α和β兩種異構(gòu)體易于分離。因此，在下一步氰基水解反應(yīng)中，直接以α-2和β-2為底物，對反應(yīng)條件進(jìn)行了研究(表1)。該步轉(zhuǎn)化通常有酸和堿兩種反應(yīng)條件。在酸性條件下，β-2易于水解，以95%收率，立體保持的轉(zhuǎn)化為核糖異頭羧酸3(β/α>99/1)；而α-2，卻主要生成核糖異頭甲酰胺3′，且異頭位發(fā)生部分構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(β/α=4/1)。這可能是因為，在酸性條件下水解時，α-2可通過形成氫鍵，生成熱力學(xué)穩(wěn)定的六元環(huán)中間體I和II，所以第一步水解可以很快完成，而第二步水解卻難以有效進(jìn)行；而強(qiáng)酸性條件下烯醇(胺)中間體III的生成，導(dǎo)致了異頭位構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，生成了熱力學(xué)更為穩(wěn)定的β-3′(Scheme 3)。然而，在堿性條件下，α-2卻可以有效發(fā)生兩步水解，同時伴隨著異頭位構(gòu)型翻轉(zhuǎn)(β/α=5/1)。我們推測，異頭位去質(zhì)子化和烯醇(胺)負(fù)離子中間體VI的生成，導(dǎo)致該位點構(gòu)型翻轉(zhuǎn)，生成了熱力學(xué)更為穩(wěn)定的β構(gòu)型中間體VII；而該中間體的生成，是第二步水解易于進(jìn)行的主要原因(Scheme 4)。

表1 3，4，5-三-O-芐基-1-氰基-D-核糖水解反應(yīng)研究

Scheme 3

Scheme 4

表2 光鎳雙重催化脫羧偶聯(lián)反應(yīng)研究

2.2 光鎳雙重催化脫羧偶聯(lián)反應(yīng)與碳核苷鍵構(gòu)建

在前期研究中，課題組對核糖異頭羧酸和溴代芳(雜)環(huán)的光鎳雙重催化脫羧偶聯(lián)反應(yīng)，已進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，獲得了優(yōu)化反應(yīng)條件[18]。在本研究中，以Benzamide Riboside的合成為模板，重點對溴代苯底物進(jìn)行了篩選，以確保苯甲酰胺糖苷配基可有效生成。首先嘗試了間溴苯甲酰胺，反應(yīng)不能有效進(jìn)行，這可能和酰胺可以與鎳配位，干擾原有反應(yīng)進(jìn)行有關(guān)(表2)。

表3 化合物5g的水解反應(yīng)研究

2.3 氰基水解與芳(雜)甲酰胺糖苷配基的構(gòu)建

缺電子含氮芳雜甲腈的氰基，電正性更高，容易發(fā)生二次水解，生成羧酸；此外，氮原子的潛在配位效應(yīng)，客觀上弱化了多種過渡金屬催化氰基水解反應(yīng)與這類結(jié)構(gòu)的兼容性。因此，相關(guān)碳核苷中間體5e～5i的水解更具挑戰(zhàn)性。有鑒于此，我們以化合物5g的水解為模板，對反應(yīng)條件進(jìn)行了簡單篩選。過渡金屬催化的方法[20-22]，包括PdCl2/CH3CONH2, H2O/THF和CuI/Cs2CO3/DBU/CH3NO2/H2O/100 ℃，的確效果不佳。而無過渡金屬參與的水解方法效果相對較好，其中過氧化氫促進(jìn)的堿性水解方法[K2CO3/H2O2(30%)/DMSO/rt][23]，條件溫和，效果良好，對立體選擇性沒有影響，成為發(fā)展煙酰胺碳核苷類似物模塊化合成方法的優(yōu)先選擇。

從商業(yè)易得的3，4，5-三-O-芐基-1-乙酰氧基-D-核糖出發(fā)，經(jīng)氰基取代，氰基水解為羧基，可見光催化/金屬鎳雙重催化脫羧偶聯(lián)反應(yīng)，氰基水解為酰胺基等4步反應(yīng)，開發(fā)了一項高效通用的芐基保護(hù)煙酰胺碳核苷類似物合成新技術(shù)，實現(xiàn)了一系列該類化合物的高立體選擇性模塊化合成。更多芐基保護(hù)煙酰胺碳核苷類似物的合成，以及經(jīng)脫保護(hù)反應(yīng)構(gòu)建相關(guān)化合物庫的研究正在進(jìn)行之中。