偽石榴堿的提取與合成及其衍生物的應用研究進展

(1.西華大學理學院,四川 成都 610039;2.西華大學食品與生物工程學院，四川 成都 610039)

·基礎學科·

偽石榴堿的提取與合成及其衍生物的應用研究進展

王周玉1,2,何 其2，賴 鵬2，楊文宇2，錢 珊2

(1.西華大學理學院,四川 成都 610039;2.西華大學食品與生物工程學院，四川 成都 610039)

偽石榴堿是一種重要的生物堿，存在于石榴的莖皮、根皮和果皮中。偽石榴堿具有一個獨特的9-氮雜雙環[3.3.1]壬烷結構，該結構與托品酮類似，是一些活性物質的主要骨架。本文綜述偽石榴堿的提取、合成方法及其衍生物在生物活性和合成方面的應用，指出研究偽石榴堿的提取和生物活性、進一步合成更加新穎的偽石榴堿衍生物并研究其應用是研究偽石榴堿及其衍生物下一步需要解決的問題。

偽石榴堿；提取；合成；應用

生物堿是植物中含氮的堿性有機化合物，大部分有明顯的生理活性，是很多中草藥及藥用植物的有效成分。石榴的生物堿自19世紀以來就有人研究，石榴中主要含哌啶類和吡咯烷類生物堿[1]。偽石榴堿屬于哌啶類生物堿，存在于石榴的莖皮、根皮和果皮中。它具有一個獨特的9-氮雜雙環結構，該結構類似于托品酮，是一些活性物質的主要骨架，特別是在止吐藥物格拉司瓊中，偽石榴堿獨特的9-氮雜雙環結構對格拉司瓊的活性至關重要。托品酮和偽石榴堿的結構如圖1所示。另外，該雙環結構還可作為原料合成手性的雜環類化合物。本文將對偽石榴堿的提取、合成方法及其衍生物在生物活性和合成方面的應用進展做一綜述。

圖1 托品酮和偽石榴堿的結構

1 偽石榴堿的提取和合成方法

1879 年Tanret和1880年Piccinini的報道中分別提取出了偽石榴堿，但其含量很少。直到20世紀，文獻[2-3]相繼報道了偽石榴堿在石榴中的存在，但沒有專門關于其提取方法的報道。直到1957年，文獻[2-3]才詳細地記載了通過Robinson-Sch?pf反應合成偽石榴堿的實驗方法(圖2)。該方法以丙酮二羧酸、戊二醛和甲胺為原料通過Mannich反應合成偽石榴堿，該方法操作簡單、原料易得。目前，市場上的純偽石榴堿來源主要通過該反應合成。

圖2 通過Robinson-Sch?pf反應合成偽石榴堿

除此之外，Putney小組在1955年報道了1-甲基-2,6-哌啶乙酸二乙酯在金屬鈉的作用下通過Dieckmann 縮合得到偽石榴堿[4](圖3)。該方法以1-甲基-2,6-哌啶乙酸二乙酯為原料在金屬鈉的條件下通過Dieckmann縮合反應得到乙氧羰基偽石榴堿，緊接著在酸性條件下脫羧得到偽石榴堿。通過此方法合成偽石榴堿在收率上和通過Robinson-Sch?pf反應差不多；但是該方法在操作上要復雜一些，而且原料1-甲基-2,6-哌啶乙酸二乙酯的制備要復雜得多。

圖3 通過Dieckmann 反應合成偽石榴堿

在1999年，文獻[5]報道了一個利用N-甲基尸胺氧化酶(MPO)介導合成托品烷酮和偽石榴堿及其類似物的方法(圖4)。該文以尸胺或腐胺為起始原料，首先烷基化生成N-烷基二元胺，然后在N-甲基尸胺氧化酶(MPO)作用下將N-烷基二元胺轉化為N-烷基托品烷酮，最終生成偽石榴堿。

圖4 N-甲基尸胺氧化酶介導合成偽石榴堿

鄰-碘酰基苯甲酸(IBX)，是一個非常好的高價碘氧化試劑。2001年，K. C. Nicolaou等[6]利用IBX氧化環辛酮得到偽石榴堿(圖5)。該文以環辛酮為起始原料，可以分步或一鍋法合成偽石榴堿。在分步合成中，環辛酮(A)在IBX的存在下能夠高效地合成環辛二烯酮(C, 88%收率)，得到的環辛二烯酮可以順利地得到偽石榴堿。同時，他們以環辛酮為起始原料采用一鍋法也可以順利地合成偽石榴堿，收率可以高達80%。

圖5 利用IBX合成偽石榴堿

2 偽石榴堿及其衍生物的生物活性

具有氮雜環結構的生物堿廣泛存在于很多藥物和天然產物中，該結構是這些物質具有生物活性的關鍵原因之一，也是學術界研究的主要結構之一。由于偽石榴堿及其衍生獨特的雜氮雙環結構是許多生物活性物質的關鍵結構，關于偽石榴堿及其衍生物在生物活性方面的應用主要集中在以下幾個方面。

2.1偽石榴堿衍生物在5-HT3受體拮抗劑中的生物活性

5-羥色胺(5-HT)是一種重要的腦神介質。Fozard在1984年首次發現5-HT3受體位于外周神經系統，并報道了最早的5-HT3受體拮抗劑MDL 72222[7]。在接下來的幾年里又有其他幾種5-HT3受體拮抗劑[8-9]相繼被報道。

直到1989年，Gareth J. Sanger等報道了BRL 43694(格拉司瓊)在周圍神經模型中的活性，通過觀察其在已經建立的5-HT3受體模型中的活性，證明BRL 43694是一個有效的和選擇性良好的5-HT3受體拮抗劑[8]。

同一年，文獻[9]報道了BRL 43694作為5-HT3受體拮抗劑的藥代動力學研究情況。通過靜脈注射18例(30 min輸入40 ug/kg劑量的BRL43694)接受高致吐性化療藥物的病人的研究路線來研究BRL43694對5-HT3的抑制作用。實驗結果表明，其中9個患者完全不存在胃腸道不良反應，剩余的大部分患者中，惡心的發生和嚴重程度顯著改善。此外，觀察在此劑量下無其他不良反應，并且在所用情況下藥物的耐受性良好[9]。

格拉司瓊中的一個關鍵結構特征是9 - 氮雜雙環[3.3.1]壬烷堿性側鏈，被認為與5-HT3受體的關鍵結合相互作用，可能是與天門冬氨酸的離子相互作用。1994年F.D. King[10]發現在9 - 氮雜雙環[3.3.1]壬烷的三位上引入雜原子(O和S)，在保持活性的條件下可以改變側鏈的PKa值(圖6)。

圖6 格拉司瓊及其衍生物

在這一發現的啟發下，1994年文獻[11]開發出了一系列新的3,9-二氮雜雙環[3.3.1]壬烷體系，通過變化芳香基團和在三位上引入N原子基團來形成系列3,9-二氮雜雙環[3.3.1]壬烷，活性研究結果表明該芳基酰胺類保持了良好的5-HT3受體的親和力和拮抗劑的效力(圖7)。

圖7 3,9-二氮雜環[3.3.1]壬烷-7-氨基衍生物

在隨后的幾年里相繼報道了關于格拉司瓊的研究，然而對其衍生物的研究較少。直到2010年文獻[12]對格拉司瓊衍生物的構效關系進行了研究。這篇文章首先取代格拉司瓊可能的位置，取得了14種不同的格拉衍生物，并首次報道格拉司瓊衍生物的晶體結構，同時對這些衍生物對人類5-HT3親和力進行了探索，實驗結果顯示衍生物2a，5a，5c和7的親和力等于或優于格拉司瓊測量的親和力(圖8)。

圖8 格拉司瓊衍生物對人類5-HT3親和力的研究

2.2偽石榴堿衍生物在其他方面的生物活性

1996年，文獻[13]報道了關于偽石榴堿衍生物多巴胺轉運蛋白(DAT)中作為可卡因結合位點的親和力的研究。在這篇報道中，研究者們合成了一系列的9-甲基-3β-苯基-2-取代-9-氮雜雙環[3.3.1]壬烷衍生物(圖9)，并研究了這一系列衍生物在多巴胺轉運蛋白(DAT)中作為可卡因結合位點的親和力。

圖9 2-(甲氧基羰基)-9-甲基-3-苯基-9-氮雜雙環[3.3.1]壬烷衍生物

雖然這一系列的偽石榴堿衍生物對于多巴胺轉運蛋白中可卡因結合位點的親和力不如托品烷類，但關于偽石榴堿衍生物在多巴胺轉運蛋白中其他結合位點表現出較好的親和力得到證明。

2001年，Robert H. Mach小組[14]報道了偽石榴堿衍生物Re-2對于σ2受體的親和力研究。以9-苯基-9-雜氮雙環[3.3.1]壬烷-3-酮為起始原料經過一系列的步驟合成偽石榴堿衍生物Re-2，并測定其對σ1和σ2受體的親和力(圖10)。體外結合實驗結果顯示Re-2對于σ2受體的親和力為(13.7±0.9) nmol/L，對于σ1受體的親和力為(112.5±35) nmol/L，這一結果表明該衍生物對于σ2受體具有良好的親和力。

圖10 錸試劑Re-2

關于偽石榴堿衍生物的生物活性的研究報道主要集中在上面幾個方面，進一步研究偽石榴堿衍生物在其他方面的生物活性仍然具有重要的研究價值。

3 偽石榴堿及其衍生物在合成反應中的應用

偽石榴堿的同系物托品酮是為人熟知的合成托烷衍生物和二環結構的生物堿，托品酮作為原料物質已被成功地用作合成許多生物活性物質(包括可卡因及其類似物)，但是利用偽石榴堿作為原料或中間體應用于雜環化合物的合成和研究相對較少，下面就近幾年偽石榴堿及其衍生物在合成反應中的應用作一簡單介紹。

3.1偽石榴堿衍生物在合成5-HT3拮抗劑中的應用

如前所述，藥物格拉司瓊是一種強效高選擇性外周和中樞神經系統的5-HT3受體拮抗劑。偽石榴堿是合成格拉司瓊的一個主要原料，格拉司瓊化合物最初采用吲哚-3-羧酸甲基化產物與偽石榴堿烷胺反應制得；然而，吲唑-3-羧酸及其甲基化產物在溶劑中的溶解度不佳，吲唑-3-羧酸甲基化反應的反應條件比較劇烈，反應速率較低，通常收率只有約50%，這影響到合成格拉司瓊的總收率。2003年，中國專利1451660A中公開一種高收率制備格拉司瓊的方法[15]。該發明發現N-(內-9-甲基-9-氮雜二環[3.3.1]壬-3-基)-吲唑-3-羧酸酰胺化合物具有很好的脂溶性，進行甲基化反應的反應條件比較溫和，反應收率超過85%(圖11)。

圖11 一種制備格拉司瓊及其鹽的方法

2004年，Isabel Iriepa小組報道了由偽石榴堿衍生物9-甲基-9-氮雜雙環[3.3.1]壬-3-β-醇衍生出一系列苯并咪唑、噻唑和苯并噻唑氨基甲酸酯的方法[16](圖12)。

圖12 偽石榴堿衍生物合成系列苯并咪唑、噻唑和苯并噻唑氨基甲酸酯

3.2偽石榴堿在羥醛縮合反應中的應用

利用托品酮的醛醇縮合反應已經成為了可卡因和一些潛在的生物活性的生物堿的不對稱合成中的關鍵步驟。然而，對于偽石榴堿的羥醛縮合反應直到2011年才由Ryszard Lazny等首次報道[17]。在這篇報道中，9-甲基-9-氮雜雙環[3.3.1]壬烷-3-酮經過脫質子與鋰酰胺反應成烯醇化鋰，它可與醛對映選擇性反應得到外向異構體并且反式/順式的比例可以高達98/2。如果將偽石榴堿與手性氨基化鋰反應，得到的非外消旋烯醇化合物與醛反應可以得到ee值高達93%的羥醛縮合反應產物，重結晶以后ee值可以達到99%(圖13)。

圖13 偽石榴堿對應選擇性羥醛縮合反應

同年，文獻[18]又報道了一種在水的參與下不添加任何催化劑和另外添加劑的條件下酮的羥醛縮合反應。報道中4 -甲基-1-哌啶酮、托品酮和偽石榴堿在沒有任何催化劑或另外的添加劑的情況下，在水中可以自發的發生羥醛縮合反應(圖14)。該醛醇縮合反應的非對映選擇性取決于水的用量。以水為溶劑，偽石榴堿和對硝基苯甲醛在室溫下反應20 h，可以得到93%的收率和98%的轉化率，非對映選擇性可以達到90%。由于在此條件下的aldol反應同時具有了環境友好性和原子經濟性，所以，這一方法無論是在理論研究還是在實際應用方面都有很好的前景。

圖14 在水的存在下β-氨基酮自發的非對應選擇羥醛縮合反應

3.3偽石榴堿及其衍生物作為原料合成氮雜環生物堿

偽石榴堿獨特的氮雜雙環結構是許多雜環化合物的前提物質，常常用于合成結構更復雜的化合物。1999年，文獻[19]報道了以此結構合成哌啶和吲嗪啶生物堿的方法(圖15)。文章中采用氮保護的9-氮雜雙環[3.3.1]壬烷-3-酮(偽石榴堿的類似物)為起始原料，通過Koga's 手性氨基鋰烯醇化得到手性的烯醇硅醚，隨后通過環丙烷化、開環等反應最終合成了哌啶生物堿、吡啶和吲嗪啶生物堿。

圖15 以偽石榴堿及其類似物不對稱合成哌啶及其對映異構體

4 結束語

由此可見，偽石榴堿自從19世紀從石榴樹的樹皮中被發現以來，就得到了較多的研究。偽石榴堿可以通過不同路線合成，其中最經濟、最常用的方法是通過Robinson-Sch?pf 反應得到。偽石榴堿中獨特的9-氮雜雙環[3.3.1]壬烷-3-酮雙環結構是一系列生物活性物質的主要骨架，圍繞這一骨架的活性物質主要集中在5-HT3受體拮抗節和多巴胺受體基因上。特別是藥物格拉司瓊對因放療、化療及手術引起的惡心和嘔吐具有很好的預防和治療作用，其止吐效果和作用時間遠高于同類藥。偽石榴堿中獨特的雙環結構還是許多環狀物質的前提物質，常常運用到合成結構更復雜的雜環化合物中；但是，關于偽石榴堿本身的提取、活性研究非常少，以偽石榴堿為基本骨架合成的活性物質還相對較少，同時，將偽石榴堿及其衍生物作為活性物質應用于生物活性研究以及合成方法學研究報道的也非常少，所以，研究偽石榴堿的提取和生物活性、進一步合成更加新穎的偽石榴堿衍生物并研究其應用是研究偽石榴堿及其衍生物下一步需要解決的問題。

[1]王如峰, 向蘭, 杜力軍, 等. 石榴的化學成分[J]. 亞太傳統醫藥, 2006(3): 61-71.

[2]Cope C, Hugh L Dryden, Charles F Howell. Pesudopelletierine[J]. Organic Syntheses, 1957, 37: 73.

[3]Leonard N J, Morrow D F,Smart W D. Pesudopelletierine[J]. Organic Syntheses, 1963, 4: 816.

[4]Putney,Soine.A Synthesis of Pseudopelletierine[J]. J Am Pharm Assoc, 1955, 44(17): 17-22.

[5]Henry D Boswell, Birgit Drager, Russell McLauchlan W, et al. Specicities of the Enzymes of N-alkyltropane Biosynthesis in Brugmansia and Datura[J]. Phytochemistry, 1999, 52: 871-878.

[6]Nicolaou K C,Montagnon T,Baran P S, et al. Iodine(V)Reagents in Organic Synthesis. Part 4.o-Iodoxybenzoic Acid as a Chemospecific Tool for Single Electron Transfer-Based Oxidation Processes[J]. J Am Chem Soc, 2002, 124(10): 2002-2245.

[7]Fozard J R. MDL 72222: A Potent and Highly Selective Antagonist at Neuronal 5-hydroxytryptamine receptors[J].Naunyn Schmiedeb Arch Pharmacol, 1984,326(1): 36-44.

[8]Gareth J Sanger, David R Nelson. Selective and Functional 5-hydroxytryptamine 3 Receptor Antagonism by BRL 43694 (granisetron)[J]. European Journal of Pharmacology, 1989, 159: 113-124.

[9]Carmichael J, Cantwell B M J, Edwards C M, et al. A pharmacokinetic Study of Granisetron (BRL 43694A), a Selective 5-HT3 Receptor Antagonist: Correlation with Anti-emetic Response[J]. Cancer Chemother Pharmacol, 1989, 24:45-49.

[10]King F D. In 5-Hydroxytryptamine-3 Receptor Antagonists [M]. Boca Raton, Florida:CRC Press Inc,1994: 1 - 44.

[11]Bermudez J,Gaster L,Gregory J,et al. Synthesis and 5-HT3Receptor Antagonist Potency of Novel (endo)3,9- Diazabicyclo[3.3.1]nonan-7-amino Derivatives[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters,1994, 4(20): 2373-2376.

[12]Sanjeev Kumar V Vernekar, Hasan Y Hallaq, Guy Clarkso, et al. Toward Biophysical Probes for the 5-HT3Receptor: Structure-activity Relationship Study of Granisetron Derivatives[J]. J Med Chem, 2010, 53: 2324-2328.

[13]Zhengming Chen, Sari Izenwasser, Jonathan L Katz, et al. Synthesis and Dopamine Transporter Affinity of 2-(Methoxycarbonyl)-9-methyl-3-phenyl -9-azabicyclo[3.3.1]nonane Derivatives[J]. J Med Chem, 1996, 39: 4744-4749.

[14]Robert H Mach, Kenneth T Wheeler, Suwanna Blair, et al. Preparation of a Technetium-99m SPEC Tagent for Imaging the Sigma-2 Receptor Status of Solid Tumors[J]. J Labelled Cpd Radiopharm, 2001, 44: 899-908.

[15]浙江海正藥業股份有限公司. 一種制備格拉司瓊及其鹽的方法: 中國, 1451660A[P]. 2003, 10, 29.

[16]Isabel Iriepa,Javier Villasante F, Enrique Ga′lvez, et al. Synthesis, Spectroscopic a Crystallographic Study of some Carbamates from an Azabicyclic Chloroformate and Primary Heterocyclic Amines[J]. New J Chem, 2004, 28: 618-624.

[17]Ryszard Lazny, Karol Wolosewicz, Paulina Zielinska, et al. Diastereo- and Enantioselective Aldol Reaction of Granatanone (Pseudopelletierine)[J]. Tetrahedron, 2011, 67: 9433-9439.

[18]Ryszard Lazny, Aneta Nodzewska, Iwona Tomczuk. Spontaneous and Diastereoselective Aldol Reactions of Cyclic β-amino Ketones in the Presence of Water[J]. Tetrahedron Letters, 2011, 52: 5608-5683.

[19]Masayuki Kirihara, Takashl Nishio, Satoshi Yokoyama, et al. Hypervalent λn-Iodane-mediated Fragmentation of Tertiary Cyclopropanol Systems II: Application to Asymmetric Syntheses of Piperidine and Indolizidine Alkaloids[J]. Tetrahedron, 1999, 55: 2911-2926.

(編校：葉超)

ProgressonExtraction，SynthesisofPseudopelletierineandApplicationofDerivatives

WANG Zhou-yu1，2,HE Qi, LAI Peng2, YANG Wen-yu2, QIAN Shan2

(1.SchoolofScience,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.SchoolofFoodandBioengineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Pseudopelletierine is an important alkaloid which exists in the pomegranate stem bark, root bark and pericarp. Pseudopelletierine has a unique 9- azabicyclo [3.3.1] nonane structure which is the analogue of tropinone and main skeleton of some active substances. We summarized the extraction, synthesis methods of pseudopelletierine and the application of both biological activity and synthetic aspects of its derivatives. Meanwhile, the studies of pseudopelletierine extraction, biological activities, novel pseudopelletierine derivatives synthesis and application are the future research direction.

pesudopelletierine; extraction; synthesis; application

2014-09-22

教育部“春暉”項目(Z2012020)國家自然科學基金(21102115)；

王周玉(1977—)，女，教授，碩士生導師，主要研究方向為醫藥中間體合成及應用。

O636

：A

：1673-159X(2015)04-0042-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.04.009