黃酮藥物分子的高效合成

房忠雪，金琦浩，文浩宇，孫文婷，戴兢陶

鹽城師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224007

1 引言

黃酮類化合物是自然界分布較廣的一類次生代謝產(chǎn)物，是藥用植物中的主要活性成分之一，具有廣泛的藥理作用，如抗氧化、降血壓、抗腫瘤等[1–4]。近年來，每年都有大量文獻(xiàn)報(bào)道從天然產(chǎn)物中提取分離得到新的黃酮化合物[5,6]?；A(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中“中藥槐花米中蘆丁的提取”，是利用回流、減壓蒸餾和抽濾等實(shí)驗(yàn)技術(shù)從植物中提取黃酮的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握了植物提取黃酮藥物的原理和方法[7]。但學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)黃酮的提取產(chǎn)率較低，提取不完全，主要原因是植物中黃酮的含量低，成分多樣，這一問題激發(fā)起學(xué)生去探究高效制備黃酮的興趣。學(xué)生們發(fā)現(xiàn)化學(xué)合成法可以克服植物提取的弊端，通過分析了一系列植物提取的黃酮分子結(jié)構(gòu)，顯示這些分子結(jié)構(gòu)中均含有2-苯基色原酮結(jié)構(gòu)(俗稱黃酮)。根據(jù)以上分析結(jié)果，學(xué)生們自主設(shè)計(jì)了既適合本科教學(xué)，又安全、易操作的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來合成最簡單的黃酮母核結(jié)構(gòu)分子。首先，學(xué)生采用逆合成法，設(shè)計(jì)了合成2’-羥基查爾酮的路線。然后，通過查閱文獻(xiàn)[8,9]，發(fā)現(xiàn)利用碘催化可以實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)的環(huán)合，能獲得高收率的黃酮藥物分子。根據(jù)所設(shè)計(jì)的合成路線，學(xué)生運(yùn)用已掌握的實(shí)驗(yàn)技能成功地實(shí)現(xiàn)了兩步合成黃酮化合物。

本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)具有安全、易操作、重復(fù)性好、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，既可應(yīng)用到大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可用于學(xué)生的課外拓展與開放實(shí)驗(yàn)。此外，通過本次實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)激發(fā)了學(xué)生對其他黃酮類藥物合成的興趣，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生采用與本實(shí)驗(yàn)類似的方法，設(shè)計(jì)并合成了乙氧黃酮(治心絞痛藥物立可定中的主要活性成分)。將這一改進(jìn)實(shí)驗(yàn)引入到本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，非常有利于學(xué)生更深刻認(rèn)識到化學(xué)合成的安全性和高效性，也使學(xué)生認(rèn)識到不僅要在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)知識和技能，還要學(xué)會(huì)用科學(xué)的眼光發(fā)現(xiàn)問題，并設(shè)計(jì)合理的方法去解決問題，為本科畢業(yè)后從事科學(xué)研究和服務(wù)社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2’-羥基查爾酮合成的反應(yīng)機(jī)理主要分為四個(gè)步驟(圖1)。首先堿與2-羥基苯乙酮中的α-氫和羥基氫結(jié)合，脫去兩分子水，形成碳負(fù)離子中間體，隨后互變異構(gòu)成烯醇負(fù)離子，負(fù)離子作為親核試劑，立即進(jìn)攻苯甲醛分子中的羰基碳原子，發(fā)生加成反應(yīng)后生成一個(gè)烷氧負(fù)離子。接著烷氧負(fù)離子與水作用得到β-羥基酮化合物。最后經(jīng)分子內(nèi)脫水，由于脫水是反式共面消除，因此生成的雙鍵構(gòu)型應(yīng)為反式。再用鹽酸酸化，得到最終產(chǎn)物2’-羥基查爾酮[10]。

圖1 2’-羥基查爾酮生成機(jī)理

黃酮合成的反應(yīng)機(jī)理：首先，DMSO分子的氧進(jìn)攻碘，碘分子異裂，碘正離子加成到DMSO上形成硫鎓離子，隨后碘負(fù)離子進(jìn)攻2’-羥基查爾酮的雙鍵發(fā)生類似Michael加成，氧負(fù)離子進(jìn)攻硫鎓離子，然后經(jīng)過分子內(nèi)消除HI，硫鎓鹽以DMSO形式離去。隨后經(jīng)過β消除脫去一分子碘化氫，得到產(chǎn)物黃酮(圖2)[11,12]。碘化氫被DMSO氧化回碘，完成催化劑循環(huán)[13]。

圖2 黃酮生成機(jī)理

2.2 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑或材料，以及實(shí)驗(yàn)所需儀器見表1和表2。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑或材料

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 2’-羥基查爾酮的制備

在100 mL三口燒瓶中用移液管依次加入1.02 mL苯甲醛(10 mmol)、1.20 mL 2-羥基苯乙酮(10 mmol)，量筒量取30.0 mL乙醇加入，攪拌。量取10.0 mL 10%的氫氧化鈉(25 mmol)溶液加到恒壓滴液漏斗中，緩慢滴加到三口燒瓶中，室溫下反應(yīng)4 h (圖3)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應(yīng)，展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 20 : 1，比移值約為0.5。反應(yīng)結(jié)束后，把反應(yīng)體系倒入盛有冰鹽水的燒杯中，攪拌下加入10%的鹽酸溶液，調(diào)節(jié)pH為5–6。靜置，待固體完全析出后，抽濾，依次用冰水和無水乙醇洗滌，重復(fù)三次，烘干，稱量，產(chǎn)物2’-羥基查爾酮為黃色固體，稱得質(zhì)量約為2.05 g，收率91%。測得2’-羥基查爾酮熔點(diǎn)為87–88 °C，通過核磁表征確定結(jié)構(gòu)，核磁數(shù)據(jù)顯示雙鍵氫原子耦合常數(shù)為12.4，證明2’-羥基查爾酮中雙鍵為反式。

圖3 2’-羥基查爾酮的制備路線圖

2.3.2 黃酮的制備

在50 mL圓底燒瓶中依次加入1.12 g制備的2’-羥基查爾酮(5 mmol)、0.013 g碘(約0.05 mmol)和10.0 mL二甲基亞砜。把反應(yīng)瓶放到磁力攪拌器上攪拌，使其混合均勻后轉(zhuǎn)移到油浴鍋中，加熱到160 °C，反應(yīng)時(shí)間約1 h (圖4)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應(yīng)，展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 15 : 2，比移值約為0.2。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻，把反應(yīng)體系倒入盛有冰鹽水的燒杯中，用玻璃棒攪拌，靜置，待固體完全析出后，抽濾，依次用水和石油醚洗滌，重復(fù)三次，烘干，稱量，產(chǎn)物黃酮為淡黃色固體，質(zhì)量約為1.02 g，收率92% (核磁收率95%)。測得黃酮熔點(diǎn)為95–96 °C，通過核磁表征確定結(jié)構(gòu)。

圖4 黃酮的制備路線圖

3 結(jié)果與討論

3.1 調(diào)節(jié)pH對合成2’-羥基查爾酮底物的影響

因2’-羥基查爾酮是在堿性條件下羥醛縮合制得的，所以查爾酮結(jié)構(gòu)中含有酚鈉基團(tuán)，這需要調(diào)劑pH釋放出酚羥基。在本實(shí)驗(yàn)中，選用鹽酸做酸化劑，調(diào)節(jié)pH到5–6。因?yàn)閜H調(diào)節(jié)過高，羥基無法完全釋放，影響2’-羥基查爾酮的收率。有同學(xué)調(diào)節(jié)pH時(shí)不小心調(diào)得過低，導(dǎo)致下一步反應(yīng)產(chǎn)率降低，并有較多雜質(zhì)出現(xiàn)。為此同學(xué)們積極思考，提出不同見解。通過查閱文獻(xiàn)，得知pH低于5時(shí)，2’-羥基查爾酮容易發(fā)生分子內(nèi)環(huán)合，得到二氫黃酮副產(chǎn)物(圖5)[14,15]。由此可見，后處理實(shí)驗(yàn)中，pH的調(diào)節(jié)是合成2’-羥基查爾酮反應(yīng)成敗的關(guān)鍵因素。

圖5 副反應(yīng)二氫黃酮的生成路線圖

3.2 反應(yīng)后處理操作

3.2.1 合成2’-羥基查爾酮的后處理

在2’-羥基查爾酮合成反應(yīng)結(jié)束后，主要采用的是抽濾操作。第一步抽濾過程，實(shí)現(xiàn)固液分離，得到2’-羥基查爾酮。第二步用冰水洗滌的目的是除去2’-羥基查爾酮里包裹的少量鹽酸和氯化鈉等無機(jī)物。第三步用乙醇洗滌的主要目的是去除2’-羥基查爾酮里含有的少量有機(jī)雜質(zhì)和水，有助于快速烘干2’-羥基查爾酮，為下一步反應(yīng)節(jié)省時(shí)間。

3.2.2 合成黃酮的后處理

在黃酮合成反應(yīng)結(jié)束后，處理方法與2’-羥基查爾酮過程相似，同樣采用抽濾操作。第一步抽濾過程，實(shí)現(xiàn)固液分離，得到需要的黃酮粗產(chǎn)品，通過核磁表征第一步得到的粗產(chǎn)品，結(jié)果表明樣品純度較高，僅含有微量雜質(zhì)。第二步用冰水洗滌的目的是除去粗產(chǎn)品里包裹的少量氫碘酸和DMSO。第三步用石油醚洗滌的主要目的是去除粗產(chǎn)品里含有的少量有機(jī)雜質(zhì)，且有利于快速烘干。

3.3 拓展應(yīng)用

成功合成了黃酮分子后，激發(fā)起了學(xué)生合成黃酮衍生物的興趣。為了進(jìn)一步證明上述合成黃酮藥物分子方法的普適性，開展了拓展應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。藥物立可定主要適用于治療慢性冠脈機(jī)能不全、心絞痛等病癥，長期服用可防止心肌梗塞。與硝酸甘油合用，對自覺癥狀也起到良好的改善效果[16]。從2,4-二羥基苯乙酮和苯甲醛出發(fā)，只需要三步實(shí)驗(yàn)，可以高效地合成出藥物立可定的主要活性成分乙氧黃酮。

3.3.1 2’,4’-二羥基查爾酮的制備

在100 mL三口燒瓶中依次加入3.04 g 2’,4’-二羥基苯乙酮(20 mmol)和30.0 mL乙醇，再緩慢滴加10.0 mL 40%氫氧化鉀溶液到反應(yīng)體系中，攪拌10 min。用移液管移取2.05 mL苯甲醛(20 mmol)加入其中，回流2 h (圖6)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應(yīng)，展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 13 : 4，比移值約為0.3。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻，把反應(yīng)體系倒入盛有冰鹽水的燒杯中，攪拌下加入10%的鹽酸溶液，調(diào)節(jié)pH范圍5–6。靜置，待固體完全析出后，抽濾，依次用冰水洗滌和無水乙醇洗滌，重復(fù)三次，烘干，稱量，產(chǎn)物2’,4’-二羥基查爾酮為黃色固體，質(zhì)量約為3.89 g，收率81%。測得2’,4’-二羥基查爾酮熔點(diǎn)為146–147 °C，通過核磁表征確定結(jié)構(gòu)。

圖6 2’,4’-二羥基查爾酮的合成

3.3.2 7-羥基黃酮的制備

在50 mL圓底燒瓶依次加入1.20 g制備的2’,4’-二羥基查爾酮(5 mmol)、0.013 g碘單質(zhì)(約0.05 mmol)和10.0 mL二甲基亞砜。室溫?cái)嚢杈鶆?，加熱?60 °C，反應(yīng)1 h (圖7)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應(yīng)，展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 10 : 6，比移值約為0.2。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻，把反應(yīng)體系倒入盛有飽和食鹽水的燒杯中，分別用10.0 mL的二氯甲烷萃取三次，再用大量水反萃取三次，去除高沸點(diǎn)的DMSO，收集有機(jī)相，旋蒸除去溶劑后，把得到的樣品進(jìn)行快速的柱層析，得到7-羥基黃酮，產(chǎn)物為白色固體，質(zhì)量約為1.07 g，收率90%。測得7-羥基黃酮熔點(diǎn)為245–246 °C，通過核磁表征確定結(jié)構(gòu)。

圖7 7-羥基黃酮的合成

3.3.3 乙氧黃酮的制備

在25 mL圓底燒瓶中依次加入0.24 g制備的7-羥基黃酮(1 mmol)、0.35 g碳酸鉀(約2.5 mmol)和2.0 mL丙酮，室溫?cái)嚢?0 min。然后加入0.12 mL溴代乙酸乙酯(1.1 mmol)和0.02 g碘化鈉(約0.1 mmol)，于65 °C加熱反應(yīng)2 h (圖8)。采用薄層色譜法監(jiān)測反應(yīng)。展開劑的極性選擇為V石油醚: V乙酸乙酯= 11 : 4，比移值約為0.5。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻，把反應(yīng)體系倒入盛有飽和鹽水的燒杯中，分別用5.0 mL的二氯甲烷萃取三次，收集有機(jī)相，旋蒸除去溶劑后，把得到的樣品進(jìn)行快速的柱層析，得到乙氧黃酮，最終產(chǎn)物乙氧黃酮為淡黃色固體，質(zhì)量約為0.21 g，收率87%。測得乙氧黃酮熔點(diǎn)為123–124 °C，通過核磁表征確定結(jié)構(gòu)。

圖8 乙氧黃酮的合成

3.4 實(shí)驗(yàn)安全和可行性

3.4.1 實(shí)驗(yàn)安全

本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)涉及2-羥基苯乙酮、2,4-二羥基苯乙酮、苯甲醛、溴代乙酸乙酯、碳酸鉀、碘、碘化鈉、乙醇、二甲基亞砜、丙酮、鹽酸等藥品，均為本科生實(shí)驗(yàn)的常用化學(xué)試劑，因此本實(shí)驗(yàn)原料易得。其中，要注意溴乙酸乙酯為無色或黃色的液體，其蒸氣有毒。反應(yīng)過程因使用溴乙酸乙酯可能產(chǎn)生的溴灼傷，用苯和甘油洗滌，可以迅速溶解溴，再用大量水清洗。丙酮是無色透明液體，具有易燃性，丙酮本身還極易揮發(fā)，大量蒸氣聚集遇熱易發(fā)生爆炸，丙酮被列為危險(xiǎn)品中的第三類易燃液體。鹽酸的性狀為無色透明的液體，有強(qiáng)烈的刺激性氣味，具有腐蝕性。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)全程都要佩戴護(hù)目鏡，穿實(shí)驗(yàn)服，戴手套操作。在實(shí)驗(yàn)過程中，取用藥品和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，全程不出現(xiàn)明火加熱，注意規(guī)范操作。

3.4.2 可行性

黃酮制備實(shí)驗(yàn)需要教學(xué)時(shí)長約6 h，如需縮短教學(xué)時(shí)長，在2’-羥基查爾酮制備實(shí)驗(yàn)時(shí)適當(dāng)提高反應(yīng)溫度到60 °C (產(chǎn)率略下降為74%)，教學(xué)時(shí)長可縮短到4 h。拓展實(shí)驗(yàn)合成乙氧黃酮需要7 h完成，可用于學(xué)生的課外拓展與開放實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)長均符合教學(xué)要求。

進(jìn)一步驗(yàn)證黃酮合成實(shí)驗(yàn)的可行性，在課余時(shí)間組織20名學(xué)生進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在每一步實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，挑選收率較高和較低的同學(xué)合成的產(chǎn)物進(jìn)行核磁氫譜表征和熔點(diǎn)測定。結(jié)果表明，收率高的同學(xué)產(chǎn)物2’-羥基查爾酮和黃酮的純度也高，熔點(diǎn)接近已知數(shù)據(jù)。而收率低的同學(xué)產(chǎn)物顏色不均勻，譜圖顯示產(chǎn)物純度不夠，有明顯的二氫黃酮雜質(zhì)混入，熔程較大。通過結(jié)構(gòu)表征，確定了收率較低的原因，幫助學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)操作技能。

4 結(jié)語

本文所合成黃酮和乙氧黃酮兩個(gè)藥物分子，是對本科有機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)“中藥槐花米中蘆丁黃酮的提取”實(shí)驗(yàn)的拓展實(shí)驗(yàn)。通過有機(jī)化學(xué)合成途徑，以較高收率得到黃酮和乙氧黃酮兩個(gè)藥物分子，實(shí)驗(yàn)具有較好的延伸性，在引導(dǎo)學(xué)生積極探索實(shí)驗(yàn)原理的同時(shí)，教師還可根據(jù)課程需要，靈活安排實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)具有安全、易操作、重復(fù)性好、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，有效地促進(jìn)了學(xué)生實(shí)踐能力的提升和創(chuàng)新意識培養(yǎng)。

本實(shí)驗(yàn)為化學(xué)合成天然藥物提供了切實(shí)可行的教學(xué)案例，可將其納入課程標(biāo)準(zhǔn)中，豐富有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)給學(xué)生自主研究提供了多重角度，拓寬了學(xué)生的思維廣度，提高了學(xué)生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)并提高了學(xué)習(xí)能力，提升了化學(xué)服務(wù)人類健康生活的價(jià)值觀。