L-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸合成工藝研究進(jìn)展

湯 漾，胡俊斌，譚 軍

(1.浙江星月藥物科技股份有限公司，浙江 嘉興 314204；2.嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

L-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸(又稱S-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸，通常也叫做L-Aze 或L-A-2-C)是一種極為重要的醫(yī)藥中間體。L-Aze由Fowden首次發(fā)現(xiàn)，其通過(guò)70%的乙醇對(duì)鈴蘭的新鮮樹葉和種子進(jìn)行萃取，首次分離得到了L-Aze[1]，它也是第一個(gè)被證實(shí)存在于植物中的具有氮雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)的天然氨基酸，同時(shí)在玉竹、百合花科及龍舌蘭科植物中也有該化合物[2]。L-Aze是一種具有很強(qiáng)生物活性的物質(zhì)，因?yàn)樗哂械牡獏㈦s的四元環(huán)結(jié)構(gòu)與合成天然蛋白質(zhì)所需的L-脯氨酸再結(jié)構(gòu)上極為相似。因此在合成肽鏈的過(guò)程中，L-Aze與L-脯氨酸之間形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，通過(guò)替代掉L-脯氨酸來(lái)干擾相應(yīng)蛋白質(zhì)正常的新陳代謝，進(jìn)而引起生物體產(chǎn)生一系列的變化。研究者根據(jù)其對(duì)大腸桿菌繁殖的抑制作用出發(fā)做過(guò)藥理毒理試驗(yàn)，證實(shí)isomugineic acid和nicotianamine具有良好殺菌作用的物質(zhì)[3]。同樣含有該結(jié)構(gòu)的藥物在防止靜脈阻塞上的突出表現(xiàn)也吸引了大量的研究興趣，如希美加曲的類似物美拉加群、Exenta[4]、放療增敏劑[5]、可用于治療乳腺癌的藥物p185erbB-2[6]、Merk公司報(bào)道的拮抗劑VLA-4[7]、以及葛蘭素史公司研發(fā)的組織蛋白酶 K 抑制劑[8]等醫(yī)藥產(chǎn)品。此外，L-Aze四元環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)使其具有旋光性而能被用于制備有機(jī)手性化合物，故被大量應(yīng)用在Diels-Alder反應(yīng)、不對(duì)稱 Michael加成反應(yīng)、環(huán)丙烷化等領(lǐng)域。隨著L-Aze作為醫(yī)藥中間體的市場(chǎng)需求逐漸增加，僅從天然植物中提取已不能滿足產(chǎn)量要求，故而高效地人工合成L-Aze成為現(xiàn)實(shí)的需求。L-Aze的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但是人工合成的途徑一直較為困難，在經(jīng)過(guò)廣泛的研究后主要有以下兩種合成路線：(1)消旋法合成L-Aze[9-10]；(2) 拆分法合成L-Aze[11]。

1 消旋法合成L-Aze

1.1 堿性條件下環(huán)化消旋

Fowden[1，12]于1955年通過(guò)萃取的方式發(fā)現(xiàn)鈴蘭植物中含有L-Aze，并以γ-氨基丁酸為原料，經(jīng)過(guò)溴代反應(yīng)后得到α-溴-γ-氨基丁酸，將其于0.5 N的氫氧化鋇溶液中回流除去殘留的鹽酸及誘導(dǎo)閉環(huán)反應(yīng)，得到最終的L-Aze。另外，F(xiàn)owden還報(bào)道了以L-二氨基-丁酸-鹽酸鹽為原料，先將其轉(zhuǎn)化為α-氯-γ-氨基-丁酸鹽，同樣通過(guò)氫氧化鋇溶液處理可除去多余的鹽酸并誘導(dǎo)閉環(huán)反應(yīng)得到L-Aze。

由于上述方法中鹵素取代反應(yīng)效率較低，且都存在需使用過(guò)量鹽酸的情況，后來(lái)研究者通過(guò)對(duì)第一步反應(yīng)的優(yōu)化，來(lái)提高合成路徑的效率。如Yamada等[13]以3-溴-2-烷氧基-1-吡咯啉為溴代反應(yīng)的反應(yīng)物合成L-Aze。首先以2-吡咯烷酮為原料，分別經(jīng)過(guò)硫酸二甲酯和三乙基氧氟硼酸鹽處理后得到2-甲氧基吡咯啉和2-乙氧基-1-吡咯啉，產(chǎn)物與等量的N-溴代琥珀酰亞胺(NBS)在四氯化碳溶劑中回流得到3-溴-2-烷氧基-1-吡咯啉，該步收率可達(dá)45～50%。該溴代產(chǎn)物在稀鹽酸處理下容易發(fā)生開環(huán)反應(yīng)生成γ-氨基-溴丁酸，并經(jīng)過(guò)重結(jié)晶提純后再滴加至熱堿溶液中，產(chǎn)率為50～58%。

Tatsuya[14]等以S-4-氨基-2羥基丁酸甲酯為原料，將二氯亞砜加入S-4-氨基-2羥基丁酸甲酯鹽酸鹽中并室溫下攪拌，隨后50 ℃下攪拌4h。反應(yīng)之后通過(guò)減壓蒸餾分離得到光學(xué)純度達(dá)96.9%的R-4-氨基-2-氯丁酸甲酯鹽酸鹽。并將其溶解在1 M硫酸溶液中，在室溫下攪拌27 h。然后再向所得的混合液中加入30%的氫氧化鈉和氫氧化鋇，將該混合物在100 ℃下加熱攪拌。向溶液中加入鹽酸調(diào)節(jié)pH值至1.0。將該溶液分次經(jīng)過(guò)離子交換樹脂柱，水洗至流出液的pH為中性。之后洗脫合并洗脫液得到光學(xué)純度為87.0%的S-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸，產(chǎn)率為60.5%。

1968年P(guān)ichat等[15]通以β-丙內(nèi)脂為原料，利用氰化鉀作用發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，并在鉑催化劑下催化加氫生成4-氨基丁酸，該中間產(chǎn)物在濃鹽酸條件下，以紅磷為催化劑與溴發(fā)生反應(yīng)得到2-溴-4-氨基丁酸，最后通過(guò)在堿液中回流發(fā)生環(huán)化反應(yīng)得到L-Aze。

1.2 催化氫解消旋法

Rodebaugh和Cromwell[11，16]采用γ-丁內(nèi)酯為原料，在紅磷的條件下開環(huán)得到溴代產(chǎn)物，該中間體再在鹽酸條件下與芐醇作用生成相應(yīng)的芐酯，經(jīng)過(guò)提純后的芐醇與二苯基甲氨發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，并經(jīng)過(guò)三乙胺處理后在鈀/碳催化劑下催化氫解，最終得到消旋的目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)率為53%。

2 拆分法合成L-Aze

2.1 D-酒石酸為拆分劑

Rodebaugh等[11]在1969年提出了一種四步法制備L-Aze的合成路徑，該合成過(guò)程包括對(duì)DL-Aze的保護(hù)、拆分及脫保護(hù)等步驟。其中，以L-酪氨酰肼為拆分劑對(duì)N-芐氧羰基保護(hù)的DL-Aze進(jìn)行拆分，最后再進(jìn)行分離提純。但是該方法所使用的L-酪氨酰肼價(jià)格昂貴，難以進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。為解決拆分劑昂貴的問(wèn)題，Barth等[17]發(fā)現(xiàn)采用D-酒石酸可與外消旋的Aze作用形成L-偶氮-D-酒石酸鹽結(jié)晶，進(jìn)一步分離后可得到光學(xué)純的L-Aze，收率達(dá)36%。

張琦[18]等根據(jù)上述利用γ-丁內(nèi)酯為原料合成氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸的路線，以γ-丁內(nèi)酯為原料，經(jīng)溴代、酯化、環(huán)化、拆分、氫化、保護(hù)、水解等過(guò)程合成了具有旋光性的N-Boc-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸。該技術(shù)路線通過(guò)優(yōu)化中間產(chǎn)物(S)/(R)-N-Boc-氮雜環(huán)丁烷-羧酸甲酯(5/5')的處理。同時(shí)為了減少在加氫過(guò)程中的副反應(yīng)，在利用D-酒石酸作拆分劑進(jìn)行化學(xué)拆分后將加氫脫芐和上Boc-保護(hù)基團(tuán)的兩步通過(guò)“一鍋法”實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的合成路線避免了使用柱層析分離，大幅降低了該路線的生產(chǎn)成本，合成具有旋光性的N-Boc-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸，總收率可達(dá)43%。

2.2 酶拆分法

除了利用天然產(chǎn)物來(lái)拆分外消旋體外，利用選擇性的水解酶可以得到高ee值的L-Aze產(chǎn)物。如Takashima[19]等為了解決外消旋體消除法及利用天然手性拆分劑拆分制備L-Aze步驟繁瑣，產(chǎn)率較低等問(wèn)題，提出了利用生物酶進(jìn)行催化拆分，利用從關(guān)節(jié)桿菌中分離出的水解酶SC-6-98-28對(duì)外消旋體進(jìn)行拆分，一步法合成了具有旋光活性的氨基保護(hù)L-Aze。

Starmans[20]等發(fā)現(xiàn)脂肪酶能有效的催化羧基與親核試劑之間的反應(yīng)，故利用從南極假絲酵母中分離出來(lái)的脂肪酶來(lái)催化制備L-Aze，并發(fā)現(xiàn)這種脂肪酶在催化合成L-Aze衍生物的同時(shí)能夠?qū)ζ渫庀w進(jìn)行拆分。

2.3 利用手性基團(tuán)合成L-Aze

在Fowden[12]等人從二氨基丁酸開始，制備得到L-Aze后。Kondo 和Ueyama[21]報(bào)提了利用鄰苯二甲酸及鹵素原子對(duì)氨基進(jìn)行保護(hù)，得到具有手性的L-Aze衍生物，然后在鉑系催化劑作用下于乙醇/水的混合溶液中用肼進(jìn)行氫解，最終產(chǎn)物可通過(guò)重結(jié)晶、色譜柱進(jìn)行提純。Miyashi[22]提出了一種不需要取代反應(yīng)以保留L-Aze上碳原子的手性的合成路徑，其以甲苯磺酰基-L-高絲氨酸內(nèi)酯為原料，與氫溴酸在無(wú)水乙醇中于60～70 ℃過(guò)夜反應(yīng)，反應(yīng)液經(jīng)濃縮后在乙醚和正己烷(1∶1)的混合液中結(jié)晶得到開環(huán)后的產(chǎn)物，該步驟產(chǎn)率達(dá)到90%。然后于氫化納環(huán)境下在DMF溶劑中低溫反應(yīng)環(huán)化，并與金屬鈉在液氨中反應(yīng)脫去甲苯磺酰基團(tuán)得到最終產(chǎn)物，產(chǎn)率為73%。

Baldwin[23]報(bào)道了從L-甲硫氨酸和L-天冬氨酸出發(fā)，合成L-高絲氨酸，再通過(guò)重排反應(yīng)使其轉(zhuǎn)化成N保護(hù)的L-Aze的合成路徑。L-天冬氨酸被逐步轉(zhuǎn)化為二烯基酯和N-三苯甲基-L-天冬氨酸二芐基酯，然后在甲苯溶劑中經(jīng)過(guò)二異丁基氫化鋁(DIBAH)處理，得到N-三苯甲基-L-高絲氨酸內(nèi)酯。隨后在氫溴酸的乙醇溶液中開環(huán)并脫去三甲基，隨后用Boc基團(tuán)對(duì)氨基進(jìn)行保護(hù)，最后利用一定條件下的重排反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物。Chapetti[24]等則以Boc保護(hù)的谷氨酸叔丁酯為原料，在CBrCl3溶劑中通過(guò)光引發(fā)生成自由基脫去一個(gè)羧基，然后通過(guò)三氟醋酸和三乙基硅烷處理脫去叔丁酯，再經(jīng)羧基保護(hù)后在碳酸鈉存在下于DMF中加熱至80 °C得到L-Aze，收率達(dá)82%。

Yasuhiko[25]等開發(fā)了以丙二酸酯中間體通過(guò)五步法合成L-Aze (>99.9% ee)的高效途徑，總產(chǎn)率為48%。其中關(guān)鍵步驟在DMF中用1,2-二溴乙烷和碳酸銫處理二甲基(S)-(10-甲基)芐基氨基丙二酸酯，從而形成四元環(huán)結(jié)構(gòu)，該步驟的轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%。二甲基(1'S)-1-(1'-甲基)芐基氮雜環(huán)丁烷-2,2-二甲酸甲酯的Krapcho脫烷基羰基化過(guò)程中，通過(guò)在氮原子上引入的手性基團(tuán)，使得在形成環(huán)化產(chǎn)物的過(guò)程，以2.7∶1的比例優(yōu)先形成希望得到的(2S,1'S)-單酯結(jié)構(gòu)，其總收率為78%。通過(guò)去質(zhì)子化和隨后的再質(zhì)子化步驟，可以將不希望得到的(2S,10'S)-異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)牧Ⅲw構(gòu)型。最后通過(guò)脂肪酶優(yōu)先催化(2S,1'S)-單酯的水解和隨后的脫保護(hù)過(guò)程制備得到純的(S)-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸對(duì)映體。該方法從(2S,1'S)-單酯和(2R,1'S)-單酯混合物中得到目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率高達(dá)91%。

為了以工業(yè)規(guī)模合成L-Aze，Ojima[26]等通過(guò)還原4-氧代-2-氮雜環(huán)丁烷羧酸衍生物得到氮雜環(huán)丁烷-2-甲醇，然后對(duì)該化合物進(jìn)行氨基保護(hù)后氧化得到氨基保護(hù)的氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸，最后脫保護(hù)得到L-Aze。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，L-Aze的合成主要分為對(duì)外消旋體進(jìn)行消旋和對(duì)一對(duì)對(duì)映體進(jìn)行拆分兩種途徑，但目前的研究方法或因?yàn)閷?shí)驗(yàn)規(guī)模太小而無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)，或因?yàn)楹铣傻穆窂教L(zhǎng)，操作復(fù)雜、管理成本高而限制了工業(yè)生產(chǎn)。除此之外，大量使用溶劑和使用色譜柱等進(jìn)行分離提純、昂貴的拆分劑等問(wèn)題大大增加了生產(chǎn)成本等問(wèn)題都限制了L-Aze合成的產(chǎn)業(yè)化。因此，開發(fā)出一種綠色、高效的合成路徑，合成較廉價(jià)的L-Aze來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的需求是未來(lái)L-Aze合成研究的方向和迫切需要。