鵝去氧膽酸關(guān)鍵中間體的合成工藝研究

王盈盈, 孫 彬,2, 金 燦,2*

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院 長三角綠色制藥協(xié)同創(chuàng)新中心,浙江 杭州 310014; 2. 國家化學(xué)原料藥合成工程技術(shù)研究中心,浙江 杭州 310014)

鵝去氧膽酸(Chenodeoxycholic acid, CDCA)在臨床上被廣泛用于治療膽結(jié)石和其他肝膽疾病[1]。研究表明,CDCA在抗炎、降血壓、解痙、平喘及調(diào)節(jié)免疫等方面具有一定的藥理活性[2-3]。

此外,鵝去氧膽酸也是合成熊去氧膽酸、奧貝膽酸及其他甾體化合物的關(guān)鍵原料[4-6]。而3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯(1)是合成CDCA的關(guān)鍵中間體,即在C-6/7位形成雙鍵,雙鍵經(jīng)環(huán)氧化生成環(huán)氧,最后開環(huán)選擇性合成7α-羥基。王鐘麒[7]、張飛[8]和劉明等[9]均采取此種路線合成CDCA,其中劉明等[9]采用Shapiro反應(yīng),在溫和的條件下將酮基轉(zhuǎn)變成烯烴類化合物;張國明[10]、盧茂芳[11]和張宗磊等[12]以CDCA為原料,通過將7α-羥基氧化還原即可合成熊去氧膽酸。根據(jù)IIDA[13]和KANG等[14]的研究可知,3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯的3-OH經(jīng)保護(hù)后,通過環(huán)氧開環(huán)和水解等一系列步驟可合成得到α-鼠膽酸。3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯作為重要中間體具有廣闊的應(yīng)用前景,因此開發(fā)綠色、簡便和高效的3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯合成方法成為制藥工作者近年研究的熱點(diǎn)。

合成3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯的關(guān)鍵步驟是氧化豬去氧膽酸的C-6羥基得到中間體3α-羥基-6-氧代-5β-膽酸甲酯(2)。豬去氧膽酸的C-3位和C-6位均為仲羥基,傳統(tǒng)方法采用直接選擇性氧化C-6羥基,然而此方法存在氧化選擇性差的問題。周維善[15]、蔣忠良等[16]以重鉻酸吡啶鹽為氧化劑氧化C-6羥基合成化合物2,收率分別為62.00%和48.20%,但含鉻廢水量大,后處理繁瑣;竇倩[17]、李陽等[18]采用N-溴代琥珀酰亞胺(NBS)作為選擇性氧化劑,但同樣存在氧化反應(yīng)選擇性問題。2018年,韓迎等[19]利用Jones試劑作為氧化劑,在-20 ℃條件下以67.00%收率得到化合物2,但該方法需要低溫,條件苛刻,不利于工業(yè)化生產(chǎn);2020年,LIANG等[20]以2-碘酰苯甲酸(IBX)為氧化劑,以叔丁醇為溶劑,在85 ℃下以72.00%收率合成得到化合物2,但I(xiàn)BX在有機(jī)溶劑中溶解性不好,且高價(jià)碘試劑成本高,性質(zhì)不穩(wěn)定。總體來看,上述報(bào)道的方法均需消耗化學(xué)當(dāng)量級的氧化劑,不僅原子利用率低,產(chǎn)生三廢多,污染環(huán)境,而且反應(yīng)選擇性較差,易產(chǎn)生C-3羥基氧化產(chǎn)物及雙氧化產(chǎn)物,不易分離提純。

本文以豬去氧膽酸為起始原料(圖1),先經(jīng)酯化保護(hù)其側(cè)鏈的羧基得到甲酯化合物3。然后選擇大位阻保護(hù)基叔丁基二甲基氯硅烷(tert-Butyldimethylsilyl chloride, TBMDSCl)實(shí)現(xiàn)對C-3羥基選擇性保護(hù),以91.60%收率合成化合物4;再采用Fe(NO3)3/4-OH-TEMPO/NaCl體系[21]催化氧氣氧化C-6羥基,以92.80%收率得到中間體酮5。利用四丁基氟化銨脫去硅醚保護(hù)基合成化合物2(收率94.06%)后,不經(jīng)分離純化,直接與對甲苯磺酰肼進(jìn)行腙化反應(yīng)合成中間體腙6。隨后進(jìn)行Shapiro反應(yīng)以合成C-6/7位烯烴產(chǎn)物3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯(1),收率為77.32%。

圖1 3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯的合成路線

對比之前報(bào)道的方法,本研究通過先對豬去氧膽酸甲酯的C-3羥基選擇性保護(hù),再以氧氣為氧化劑,催化量的硝酸鐵、4-OH-TEMPO和NaCl為催化劑氧化C-6羥基,然后脫硅醚保護(hù)合成3α-羥基-6-氧代-5β-膽酸甲酯。其中,氧化步驟采用天然易得的空氣作為氧化劑,且4步總收率可達(dá)78.36%。最后通過腙化、脫腙合成鵝去氧膽酸關(guān)鍵中間體3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯。該路線總收率達(dá)55.21%。各步驟產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR和HR-MS確證。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Buchi型數(shù)字熔點(diǎn)儀;Bruker 400 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo));Thermo Finnigan型質(zhì)譜儀。

豬去氧膽酸,上海麥克林生化科技有限公司。其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)3的合成

將豬去氧膽酸(10.00 g, 25.50 mmol)溶于甲醇(100.00 mL),加入濃H2SO4(0.20 mL, 3.80 mmol),室溫反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束,減壓蒸餾除去甲醇,加入乙酸乙酯(100.00 mL)溶解,依次用飽和NaHCO3水溶液(3×20 mL)、飽和NaCl水溶液(3×20 mL)洗滌,收集乙酸乙酯層,加入無水MgSO4干燥,抽濾得濾液,減壓蒸餾除去乙酸乙酯得到10.10 g白色固體化合物3,收率98.00%, m.p.146～148 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 4.09(dt,J=12.3 Hz, 4.7 Hz, 1H), 3.70(s, 3H), 3.68～3.61(m, 1H), 2.39(td,J=10.1 Hz, 5.0 Hz, 1H), 2.26(ddd,J=15.6 Hz, 9.6 Hz, 6.5 Hz, 1H), 0.96(d, 3H ), 0.92(s, 3H), 0.68(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 174.72, 71.67, 68.15, 56.21, 51.45, 50.46, 42.69, 41.51, 39.82, 39.65, 39.44, 35.36, 35.34, 35.05, 34.62, 32.87, 31.02, 31.00, 30.63, 28.13, 23.69, 22.77, 20.59, 18.27, 11.76; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C25H43O4{[M+H]+}407.3083, found 407.3079。

(2)4的合成

向100 mL圓底燒瓶中依次加入化合物3(10.00 g, 24.63 mmol)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(30.00 mL),室溫?cái)嚢?待溶解完全后,依次加入TBDMSCl(5.40 g, 35.83 mmol)、咪唑(4.90 g,71.95 mmol),室溫反應(yīng)3 h,TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)結(jié)束后,加入乙酸乙酯,用水萃取3次,分離得有機(jī)層,無水硫酸鈉干燥,抽濾得濾液,減壓蒸餾回收乙酸乙酯,甲醇重結(jié)晶,得到白色固體11.73 g,收率91.60%, m.p.149～152 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 4.02(dt,J=11.8 Hz, 4.7 Hz, 1H), 3.68(s, 3H), 3.60(dt,J=10.8 Hz, 6.0 Hz, 1H), 2.37(ddd,J=15.3 Hz, 10.2 Hz, 5.1 Hz, 1H), 2.23(ddd,J=15.6 Hz, 9.6 Hz, 6.4 Hz, 1H), 0.94(s, 3H), 0.92(d,J=3.9 Hz, 3H), 0.89(s, 9H), 0.66(s, 3H), 0.05(s, 6H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 174.65, 72.53, 68.21, 56.06, 55.96, 51.40, 48.56, 42.85, 39.92, 39.66, 35.95, 35.80, 35.32, 35.12, 34.90, 31.06, 30.98, 30.94, 29.47, 28.09, 25.94(3C), 24.18, 23.46, 20.74, 18.24, 11.99, -4.58, -4.60; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C31H57O4Si{[M+H]+}521.3947, found 521.3951。

(3)5的合成

在氧氣氛圍下,依次向50 mL圓底燒瓶中加入Fe(NO3)3·9H2O(0.25 mmol, 0.10 g)、 4-OH-TEMPO(0.52 mmol, 0.09 g)、化合物4(5.00 mmol, 2.60 g)、 NaCl(0.51 mmol, 0.03 g)和1,2-二氯乙烷(20.00 mL),在25 ℃下攪拌,TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)結(jié)束后,反應(yīng)體系經(jīng)水洗、二氯甲烷萃取后分液得有機(jī)層,無水硫酸鈉干燥,抽濾得濾液,減壓蒸餾濃縮除去溶劑,得到粗產(chǎn)品。粗產(chǎn)品經(jīng)柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯/石油醚=1/15,V/V)純化,得到2.40 g白色固體化合物5,收率92.80%, m.p.141～145 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 3.68(d,J=1.4 Hz, 3H), 3.58(tt,J=10.3 Hz, 4.8 Hz, 1H), 2.37(ddd,J=15.3 Hz, 10.0 Hz, 5.1 Hz, 1H), 2.25(dt,J=8.6 Hz, 6.4 Hz, 1H), 2.23～2.16(m, 2H), 2.11(dd,J=12.9 Hz, 4.5 Hz, 1H), 0.94(d,J=6.5 Hz, 3H), 0.89(s, 9H), 0.84(s, 3H), 0.66(s, 3H), 0.06(s, 3H), 0.05(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 213.88, 174.60, 71.17, 59.82, 56.76, 55.86, 51.46, 43.11, 42.86, 39.73, 39.60, 37.91, 37.10, 35.50, 35.28, 34.67, 31.06, 30.94, 30.56, 27.98, 25.85, 23.96, 23.23, 20.83, 18.24, 18.17, 11.95, -4.68, -4.71; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C31H55O4Si{[M+H]+}519.3755, found 519.3761。

(4)2的合成

將化合物5(1.00 mmol, 0.52 g)、四丁基氟化銨水合物(1.50 mmol, 0.39 g)、四氫呋喃(THF)(5.00 mL)加入到50 mL圓底燒瓶中,室溫?cái)嚢? h,TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)結(jié)束后,加入乙酸乙酯(30 mL)和飽和NaCl水溶液(3×20 mL)洗滌。分離得有機(jī)層,用無水硫酸鈉干燥,抽濾得濾液,減壓蒸餾濃縮除去有機(jī)溶劑,異丙醇重結(jié)晶得0.38 g白色固體化合物2,收率94.06%, m.p.134～136 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 3.66(s, 3H), 3.65～3.60(m, 1H), 2.36(ddd,J=15.4 Hz, 10.1 Hz, 5.2 Hz, 1H), 2.26～2.21(m, 1H), 2.20～2.16(m, 2H), 2.15～2.09(m, 1H), 0.93(d,J=6.5 Hz, 3H), 0.84(s, 3H), 0.65(s, 3H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 213.96, 174.68, 70.09, 59.42, 56.81, 55.79, 51.52, 43.09, 42.90, 39.98, 39.59, 37.97, 37.06, 35.27, 34.86, 34.38, 31.04, 30.90, 29.82, 27.98, 23.96, 23.16, 20.83, 18.23, 11.95; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C25H41O4{[M+H]+}405.2975, found 405.2979。

(5)6的合成

將化合物2(0.94 mmol, 0.38 g)置于25 mL圓底燒瓶,加入對甲苯磺酰肼(1.09 mmol, 0.21 g)、對甲苯磺酸(0.06 g, 0.35 mmol)和無水乙醇(5.00 mL),室溫?cái)嚢? h,TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。待反應(yīng)結(jié)束后,加入NaHCO3水溶液,調(diào)節(jié)pH值至7,加入乙酸乙酯(30 mL)和飽和NaCl水溶液(3×20 mL)洗滌,分離得有機(jī)層,用無水硫酸鈉干燥,抽濾得濾液,減壓蒸餾濃縮除去溶劑。粗產(chǎn)品經(jīng)柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯/石油醚=1/5,V/V)純化,得到0.49 g白色固體化合物6,收率91.13%, m.p.95～97 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.70(dd,J=8.2 Hz, 4.0 Hz, 2H), 7.37(d,J=7.9 Hz, 2H), 3.58(s, 3H), 3.45～3.33(m, 1H), 2.73～2.60(m, 1H), 2.37(s, 3H), 2.36～2.27(m, 1H), 2.22(td,J=10.4 Hz, 10.0 Hz, 5.9 Hz, 1H), 0.94(d,J=6.4 Hz, 3H), 0.84(s, 3H), 0.66(s, 3H);13C NMR(101 MHz, DMSO-d6)δ: 174.21, 163.73, 143.28, 136.98, 129.72, 127.79, 69.21, 56.47, 55.74, 52.27, 51.67, 43.02, 42.88, 36.70, 36.60, 35.59, 35.19, 34.50, 31.03, 30.78, 30.17, 28.76, 28.10, 24.13, 22.88, 22.83, 21.47, 18.53, 12.26, 12.17; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C32H49N2O5S{[M+H]+}572.8055, found 572.8049。

(6)1的合成

將氨基鋰(1.75 mmol,0.04 g)溶于5.00 mL氯苯,室溫?cái)嚢枞芙?待用。在氮?dú)夥諊?向上述溶液中滴加腙化物6的氯苯溶液(0.50 mmol, 0.29 g, 5.00 mL PhCl),滴加完畢后,在回流溫度下攪拌3 h,TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)結(jié)束后,冷卻至室溫,調(diào)節(jié)pH至中性。加入和飽和NaCl水溶液(3×20 mL)洗滌。分離得有機(jī)層,用無水硫酸鈉干燥,抽濾得濾液,減壓蒸餾濃縮除去溶劑。粗產(chǎn)品經(jīng)柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯/石油醚=1/3,V/V)純化得到0.15 g白色固體化合物1,收率77.32%, m.p.101～103 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 5.54(d,J=9.7 Hz, 1H), 5.46(d,J=10.1 Hz, 1H), 3.69(s, 3H), 3.60(s, 1H), 2.36(dd,J=10.7 Hz, 5.0 Hz, 1H), 2.25(d,J=7.9 Hz, 1H), 0.95(d,J=6.4 Hz, 3H), 0.87(s, 3H), 0.71(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 174.78, 130.64, 128.11, 71.22, 55.77, 54.72, 51.52, 43.89, 43.36, 40.12, 39.78, 37.64, 35.37, 34.39, 33.24, 31.08, 31.01, 30.45, 29.71, 28.28, 23.90, 22.71, 20.55, 18.27, 12.05; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C25H41O3{[M+H]+}389.5911, found 389.5916。

3α-羥基-6-氧代-5β-膽酸甲酯是合成3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯的關(guān)鍵中間體。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),硅醚類保護(hù)基對豬去氧膽酸3-OH有特殊的選擇性,可以高選擇性地保護(hù)3-OH,而6-OH基本不受影響。本文通過用大位阻硅醚保護(hù)基保護(hù)3-OH,再對6-OH進(jìn)行氧化,避免了傳統(tǒng)氧化方法中3-OH同時(shí)被氧化的情況,提高了氧化選擇性。此外,本文重點(diǎn)考察了4和5的合成工藝條件。

2.1 硅醚保護(hù)反應(yīng)條件的優(yōu)化

為優(yōu)化4的合成方法,研究了TBMDSCl用量、溶劑種類和反應(yīng)溫度對4的收率的影響。由表1可知,TBMDSCl的用量對該反應(yīng)影響較大,實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),隨著TBMDSCl用量增加,4收率逐漸提高,當(dāng)TBMDSCl的用量為1.5 eq.時(shí),收率最高(Entry 1～3)。但再增加TBMDSCl的用量,6-OH也會(huì)被硅醚保護(hù),生成部分雙保護(hù)副產(chǎn)物。當(dāng)采用CH2Cl2、 CHCl3、 DMF和THF作為反應(yīng)溶劑時(shí),發(fā)現(xiàn)DMF的反應(yīng)效果最好(Entry 5)。同時(shí)還考察了溫度對反應(yīng)收率的影響。分別設(shè)置了-10 ℃、 0 ℃、 25 ℃和45 ℃ 4個(gè)梯度(Entry 5, 7～9),研究表明,隨著溫度升高,4收率不斷提高。當(dāng)反應(yīng)溫度為25 ℃時(shí),收率最高為94.34%。繼續(xù)升高溫度,會(huì)導(dǎo)致雙保護(hù)副產(chǎn)物增加,4收率降低。綜上所述,合成4的最優(yōu)工藝條件為:以DMF為溶劑,TBMDSCl用量為1.5 eq.,咪唑用量為3.0 eq., 25 ℃下反應(yīng)3 h。

表1 4的合成條件優(yōu)化

2.2 氧化合成5的條件優(yōu)化

本文以氧氣為氧化劑,采用Fe(NO3)3/4-OH-TEMPO/NaCl催化體系氧化6-OH,從而合成5。由表2可知,在空氣氛圍下(Entry 1)反應(yīng)收率遠(yuǎn)低于在氧氣氛圍下的反應(yīng)收率,因此氧氣為促進(jìn)該反應(yīng)不可或缺的條件。分別采用ClCH2CH2Cl、 CH2Cl2和EtOAc作為反應(yīng)溶劑,結(jié)果表明,ClCH2CH2Cl的反應(yīng)效果最好。進(jìn)一步考察催化劑4-OH-TEMPO、 Fe(NO3)3·9H2O和NaCl的用量(Entry 2,5～8)可知,當(dāng)4-OH-TEMPO、Fe(NO3)3·9H2O和NaCl的用量分別為10%(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù),下同)、5%和10%時(shí),收率最高為95.17%,說明NaCl有加速反應(yīng)的效果。由Entry 9可知,采用TEMPO和用4-OH-TEMPO效果相差不大,但4-OH-TEMPO價(jià)格更便宜。繼續(xù)考察了溫度對反應(yīng)收率的影響,由Entry 10～11可知,降低溫度至10 ℃時(shí)反應(yīng)速率明顯減慢,升高溫度至40 ℃反應(yīng)過程中雜質(zhì)增多,導(dǎo)致反應(yīng)收率降低。綜上所述,合成5的最優(yōu)工藝條件為:在氧氣保護(hù)下,以ClCH2CH2Cl為溶劑,4-OH-TEMPO用量為10 %, Fe(NO3)3·9H2O用量為5%, NaCl用量為10 %,在25 ℃下反應(yīng)20 h。

表2 5的合成條件優(yōu)化

本研究報(bào)道了以豬去氧膽酸為起始原料,經(jīng)甲酯化、3-OH硅醚保護(hù)、6-OH氧化、脫保護(hù)、腙化和脫腙6步合成得到鵝去氧膽酸關(guān)鍵中間體3α-羥基-6-烯膽烷酸甲酯,總收率為55.21%。該路線避免了當(dāng)量級的重金屬氧化試劑使用,具有氧化選擇性高、原子經(jīng)濟(jì)性高和總收率較高等優(yōu)點(diǎn),為工業(yè)化生產(chǎn)提供了借鑒。