喹喔啉酮類JNK3抗腫瘤抑制劑的綠色合成
——推薦一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)

金夢詩，沈佳斌，徐駿，章鵬飛，李萬梅

杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，浙江省化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州 311121

烯胺酮的定義最初由Greenhill提出，常稱為烯胺基酮[1]。它是一類十分重要的有機(jī)合成骨架，常被廣泛用于合成各種具有生物活性和藥理活性的含氮雜環(huán)化合物[2]，例如，培氟沙星、氧氟沙星、諾氟沙星等抗菌藥物。其中，具有3,4-二氫喹喔啉酮骨架的烯胺酮因其優(yōu)良的抗癌、抗菌、抗糖尿病和抗病毒的活性(圖1)[3]，一直都是近年來的研究熱點(diǎn)[4]。

圖1 含喹喔啉酮骨架的烯胺酮類活性分子

眾所周知，含有喹喔啉酮結(jié)構(gòu)母核的衍生物具有多種藥理活性，被廣泛用作抗腫瘤劑、抗真菌劑、HIV-1逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑、抗凝血?jiǎng)?、降血糖劑等[5]。通過對喹喔啉酮C3位進(jìn)行官能團(tuán)化修飾，可以設(shè)計(jì)成各式各樣的活性分子。2016年，崔秀靈課題組[6]以過硫化鉀為氧化劑，磷酸酯為磷源，對喹喔啉酮C3位進(jìn)行了磷酸化修飾；2017年，張課題組[7]以二芳基碘鎓鹽為芳基源對喹喔啉酮的C3位進(jìn)行了芳基化修飾；2018年，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所的卿鳳翎教授課題組[8]以3,3,3-三氟-2,2-二甲基丙酸為烷基化試劑，通過脫羧偶聯(lián)對喹喔啉酮的C3位進(jìn)行了烷基化修飾。

綜上，我們設(shè)計(jì)了以4-甲氧基苯乙酮和喹喔啉酮為原料，通過Mannich反應(yīng)[9]得到喹喔啉酮類JNK3抑制劑的綜合實(shí)驗(yàn)。在該反應(yīng)中，我們以可循環(huán)的酸性樹脂Amberlyst 15為非均相催化劑，以綠色溶劑水為反應(yīng)溶劑，可見光為反應(yīng)光源。相較書本上常見的金屬催化劑，有機(jī)溶劑以及高溫狀態(tài)，學(xué)生們將切身實(shí)際地感受到現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“綠色化學(xué)”。通過該綜合實(shí)驗(yàn)，“綠色化學(xué)”概念更深入學(xué)生的心中，并且讓他們接觸到了不同于教材上的最前沿的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，大大提高了他們的學(xué)習(xí)熱情。此外，通過對喹喔啉酮類JNK3抑制劑的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，學(xué)生將掌握NMR (核磁共振儀)、MS (質(zhì)譜儀)和ESR (電子自旋共振波譜儀)等儀器的基本操作規(guī)程和相應(yīng)的圖譜分析。在這16個(gè)課時(shí)的設(shè)計(jì)中，通過大量相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研和拓展閱讀，學(xué)生將不斷認(rèn)識(shí)到有機(jī)化學(xué)的魅力與發(fā)展。同時(shí)，結(jié)合課堂講解，學(xué)生也將深入了解和掌握Mannich反應(yīng)以及單電子反應(yīng)機(jī)理。該綜合實(shí)驗(yàn)將最基礎(chǔ)的Mannich反應(yīng)、目前科研熱點(diǎn)以及我們課題組的科研成果緊密地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)操作可行又綠色新穎的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅可以拓寬學(xué)生對不同研究領(lǐng)域的認(rèn)知，更加明確其發(fā)展方向，也為綠色化學(xué)深入大學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂提供新的能量，將新鮮血液灌注進(jìn)當(dāng)代大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 通過查閱文獻(xiàn)，了解烯胺酮和喹喔啉酮的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景。

(2) 掌握Mannich反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理和操作方法，鞏固分離和提純的實(shí)驗(yàn)技能。

(3) 掌握NMR、MS和ESR等儀器的基本操作規(guī)程和相應(yīng)的圖譜分析。

(4) 掌握非均相催化劑的回收、再生和循環(huán)。

(5) 了解和掌握探究反應(yīng)機(jī)理時(shí)的控制實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

以喹喔啉酮和4-甲氧基苯乙酮為反應(yīng)原料，以酸性樹脂Amberlyst 15為非均相催化劑，以水作為溶劑，在可見光環(huán)境中，常溫常壓反應(yīng)6 h得到喹喔啉酮類JNK3抑制劑。

3 儀器和試劑

儀器：RE 52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠)，SHB-IIIA循環(huán)水式真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)，JBZ-14B型磁力攪拌器(上海志威電器有限公司)，JJ 223BC 型電子天平(常熟市雙杰測試儀器廠)，ZF-7A型紫外燈(上海驥輝科學(xué)分析儀器有限公司)，HP1200高效液相(美國安捷倫公司)，ADVANCE III 500 MHz核磁共振儀(德國Bruker公司)，Agilent 5975質(zhì)譜儀(美國安捷倫公司)，JES X320電子自旋共振光譜(Jeol/日本電子株式會(huì)社)。

試劑：喹喔啉酮(上海畢得醫(yī)藥科技股份有限公司)，4-甲氧基苯乙酮(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，無水MgSO4(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)，二氯甲烷(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，石油醚(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，乙酸乙酯(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，去離子水(上海麥克林生化科技有限公司)。所用試劑均為分析純。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

將喹喔啉酮(1.46 g，10 mmol)、4-甲氧基苯乙酮(4.5 g，30 mmol)、酸性樹脂Amberlyst 15 (2 g)和去離子水(90 mL)加入到250 mL試管中，以常見的藍(lán)色LEDs燈為光源，在常溫常壓下反應(yīng)6 h (圖2，圖3)。反應(yīng)結(jié)束后，首先通過過濾移除酸性樹脂Amberlyst 15，然后用二氯甲烷(100 mL × 3)對水相進(jìn)行萃取，收集有機(jī)層，無水MgSO4干燥、過濾并用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去二氯甲烷。粗產(chǎn)物用硅膠色譜柱進(jìn)行分離提純，石油醚和乙酸乙酯3 : 1 (體積比)為洗脫劑。得到黃色液體(2.4 g，83%)。1H NMR(500 MHz, DMSO)δ13.60 (s, 1H)，11.99 (s, 1H)，7.99 (d,J= 8.8 Hz, 2H)，7.52–7.45 (m, 1H)，7.14 (d,J= 4.4 Hz, 3H)，7.07 (d,J= 8.8 Hz, 2H)，6.79 (s, 1H)，3.86 (s, 3H)。13C NMR (126 MHz, CDCl3)δ195.2，156.2，144.0，140.4，136.6，131.3，130.1，128.4，128.2，125.7，125.2，124.3，123.9，116.6，114.4，94.9，55.6。ESI-MS [M + Na]+：分子式C17H14N2O3Na，計(jì)算值為317.0902，實(shí)測值為317.0904，兩者完全相符。

圖2 喹喔啉酮類JNK3抑制劑的合成路線

圖3 反應(yīng)裝置

5 結(jié)果與討論

5.1 酸性樹脂Amberlyst 15循環(huán)實(shí)驗(yàn)

將喹喔啉酮(1.46 g，10 mmol)、4-甲氧基苯乙酮(4.5 g，30 mmol)、酸性樹脂Amberlyst 15 (2 g)和去離子水(90 mL)加入到250 mL試管中，以常見的藍(lán)色LEDs燈為光源，在常溫常壓下反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后，首先通過過濾移除酸性樹脂Amberlyst 15，然后用二氯甲烷(100 mL × 3)對水相進(jìn)行萃取，收集有機(jī)層，粗產(chǎn)物用硅膠色譜柱進(jìn)行分離提純。將得到的Amberlyst 15非均相催化劑重新用于催化轉(zhuǎn)化?；厥?次后，首先用乙醇、乙酸乙酯和1,2-二氯甲烷對Amberlyst 15催化劑進(jìn)行連續(xù)清洗，去除有機(jī)雜質(zhì)。然后，用鹽酸(2 mol·L?1)、蒸餾水和NaOH (2 mol·L?1)清洗催化劑三次，去除水溶性雜質(zhì)。然后將催化劑浸泡在2 mol·L?1的HCl中12 h，用蒸餾水反復(fù)洗滌得到的催化劑，直到pH為7左右。最后在真空條件下干燥得到再生的Amberlyst 15非均相催化劑，再次應(yīng)用于催化反應(yīng)(圖4)。

圖4 催化劑Amberlyst 15的循環(huán)與再生

5.2 機(jī)理探究控制實(shí)驗(yàn)

將喹喔啉酮(1.46 g，10 mmol)、4-甲氧基苯乙酮(4.5 g，30 mmol)、酸性樹脂Amberlyst 15 (2 g)和去離子水(90 mL)加入到250 mL試管中，以常見的藍(lán)色LEDs燈為光源，在常溫常壓下反應(yīng)2 h，經(jīng)高效液相檢測產(chǎn)率。隨后，關(guān)燈在黑暗條件下反應(yīng)2 h，經(jīng)高效液相檢測產(chǎn)率。隨后循環(huán)至在開燈下共反應(yīng)6 h，通過光開關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證連續(xù)的光照射在該反應(yīng)中是必要的。隨后，通過ESR檢測，電子自旋共振光譜的解析(g= 2.0034，AN= 1.36 mT，AH= 1.28 mT)，也驗(yàn)證該反應(yīng)在光照條件下會(huì)產(chǎn)生超氧根自由基來引發(fā)反應(yīng)(圖5)。

圖5 機(jī)理探究實(shí)驗(yàn)

5.3 可能的反應(yīng)機(jī)理

首先，4-甲氧基苯乙酮轉(zhuǎn)化為烯醇式，酸性樹脂Amberlyst 15產(chǎn)生質(zhì)子用于質(zhì)子化底物喹喔啉酮。被質(zhì)子化的亞胺中間體B捕獲轉(zhuǎn)化為中間體C。同時(shí)，底物喹喔啉酮被光激發(fā)形成激發(fā)態(tài)通過能量轉(zhuǎn)移將三線態(tài)氧轉(zhuǎn)化為單線態(tài)氧。隨后，單線態(tài)氧奪取中間體C的質(zhì)子得到目標(biāo)產(chǎn)物喹喔啉酮類JNK3抑制劑(圖6)。

圖6 可能的反應(yīng)機(jī)理

6 實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行的建議

(1) 本綜合實(shí)驗(yàn)是典型的有機(jī)合成、儀器分析和應(yīng)用波譜學(xué)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，在作為開放實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也是本院綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的選做項(xiàng)目。因涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，建議放在短學(xué)期集中5–7天進(jìn)行，學(xué)生可分為3–4人一組。開設(shè)本實(shí)驗(yàn)之前，要求學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，獲得以下知識(shí)：① 了解綠色化學(xué)概念和綠色化學(xué)概念的發(fā)展史；② 授課教師可結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，闡述光催化和非均相催化的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)例讓學(xué)生了解自己專業(yè)的意義和目的；③ 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，讓學(xué)生了解機(jī)理探究的方法和目的，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神。

(2) 如完全實(shí)施本綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需16課時(shí)，其中有機(jī)合成12課時(shí)，波譜分析4課時(shí)，亦可分別納入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用波譜學(xué)或其他相關(guān)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程。在開展有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)課時(shí)，各兄弟院?？山Y(jié)合學(xué)生實(shí)際情況，開展組內(nèi)對比實(shí)驗(yàn)或組間對比實(shí)驗(yàn)，分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)偏差的原因，討論反應(yīng)各影響因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。但要求學(xué)生如實(shí)填寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)教師在以后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展累積更多的經(jīng)驗(yàn)。

(3) 在催化劑循環(huán)再生過程中，需要用到有較強(qiáng)腐蝕性的鹽酸，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)教師需隨時(shí)關(guān)注學(xué)生動(dòng)態(tài)防止發(fā)生意外事件。

(4) 波譜分析是本綜合實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，建議操作之前先培訓(xùn)學(xué)生如何清洗核磁管，確保不因雜質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；如何使用儀器軟件，有哪些步驟及注意事項(xiàng)，先進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，建議測試過程中有儀器管理員或者助教在邊上給予指導(dǎo)，避免損壞儀器。各兄弟院?？山Y(jié)合自身專業(yè)安排，還可和藥物化學(xué)專業(yè)結(jié)合，開展相關(guān)藥理研究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生跨專業(yè)協(xié)同意識(shí)和團(tuán)隊(duì)精神。

7 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)通過經(jīng)典的Mannich反應(yīng)合成喹喔啉酮類JNK3抑制劑，實(shí)驗(yàn)過程中催化劑的回收、再生和循環(huán)，使得綠色化學(xué)的概念深入學(xué)生的心中，在這時(shí)候?qū)W(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格的操作規(guī)范教學(xué)并灌輸綠色化學(xué)思想將對學(xué)生起到重要的影響。而學(xué)生一旦吸取了綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的理念，形成了綠色化學(xué)的意識(shí)，再受到嚴(yán)格的操作規(guī)范約束，非常有利于學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，并在之后較長的實(shí)驗(yàn)生涯中保持。進(jìn)一步的機(jī)理探究控制實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生了解有機(jī)化學(xué)的魅力，培養(yǎng)學(xué)生的探索求知精神，鼓勵(lì)學(xué)生對課題提出自己的想法，敢于實(shí)踐，克服實(shí)驗(yàn)中遇到的困難，在困難中學(xué)會(huì)成長、樹立自信心和創(chuàng)新意識(shí)。大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是教育部為推動(dòng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工作的一項(xiàng)重要改革舉措，是針對在校本科生新教學(xué)模式的探討，是高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量工程的一個(gè)重要組成部分，目的是推動(dòng)高等學(xué)校教育改革，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力；改善教學(xué)方法，探索和推廣研究性學(xué)習(xí)和個(gè)性化培養(yǎng)的教學(xué)方式，從而在高校建立創(chuàng)新文化，進(jìn)一步推動(dòng)教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量[10]。