Fe3 O4磁珠催化還原法改進(jìn)普魯卡因的合成

陳惠渝，楊林峰，吳 玉，朱大利，湯善文

（重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054）

普魯卡因作為酯類(lèi)局部麻醉藥，是國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的基本藥物之一［1］。普魯卡因?qū)χ袠谢蛲庵苌窠?jīng)沖動(dòng)和傳導(dǎo)均有明顯的阻斷作用［2］，臨床上常用于浸潤(rùn)麻醉、硬膜外麻醉、阻滯麻醉、腰椎麻醉以及局部封閉療法等。近年來(lái)，隨著對(duì)普魯卡因藥理作用的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)其不僅可以作為局麻藥，而且在臨床其他學(xué)科也有著廣泛應(yīng)用，如支氣管哮喘、腹型過(guò)敏性紫癜、大咳血、瘙癢癥、神經(jīng)官能癥、胃腸絞痛等。此外，普魯卡因在肝癌、胃癌、結(jié)腸癌、白血病等癌癥治療中也取得了一定的療效［2］。

目前，普魯卡因的制備方法主要有對(duì)硝基苯甲酰氯法、氯代乙酯法、直接酯化法、苯佐卡因法［3-4］。其中，苯佐卡因法較為成熟，此法生產(chǎn)周期短，原料易得。該方法中，硝基的還原步驟使用Fe／HCl還原體系，還原后的苯佐卡因不溶于水，與鐵泥難以分離，往往需用有機(jī)溶劑提取分離，后處理繁瑣且還原收率低，有待改進(jìn)。

Fe3O4磁性納米粒在生物醫(yī)藥、材料、有機(jī)合成等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用［5-9］。2011年，Seyoung Kim等報(bào)道了超順磁Fe3O4納米粒催化水合肼還原芳硝基化合物［10］。與傳統(tǒng)的Fe／HCl還原體系相比，該方法使用易回收的超順磁Fe3O4納米粒為催化劑，避免了大量鐵泥固體廢物的產(chǎn)生，簡(jiǎn)化了后處理過(guò)程，且避免了強(qiáng)酸的使用，僅生成無(wú)害的副產(chǎn)物如氮?dú)夂退?0］，還原方法環(huán)保高效。本研究將該方法應(yīng)用到普魯卡因的合成中，可提高藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普魯卡因制備的成功率，并且避免了大量固體廢物的產(chǎn)生，環(huán)保高效，有望應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

此外，本文還對(duì)酯交換方法中其他步驟進(jìn)行了優(yōu)化。為避免試劑對(duì)設(shè)備的腐蝕、減少副反應(yīng)，在酯化反應(yīng)制備對(duì)硝基苯甲酸乙酯步驟采用對(duì)甲苯磺酸（PTSA）代替濃硫酸，其不引起氧化、結(jié)炭等副反應(yīng)，所得產(chǎn)物純度高、顏色淺［11］。在酯交換反應(yīng)中，向反應(yīng)體系中通入惰性氣體，將生成的乙醇蒸汽吹出體系的方式推動(dòng)反應(yīng)正向進(jìn)行，取代了傳統(tǒng)合成方法中采用的減壓蒸餾方法，此法簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1 實(shí)驗(yàn)部分

改進(jìn)后的酯交換法制備普魯卡因可分為酯化反應(yīng)、還原反應(yīng)、酯交換反應(yīng)3個(gè)反應(yīng)步驟。合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 改進(jìn)后普魯卡因的合成路線示意圖

1.1 儀器與試劑

儀器：核磁共振波譜儀（500 MHz，Bruker）；ZF-I型三用紫外分析儀（上海寶山顧村電光儀器廠）；加熱磁力攪拌油浴鍋（河南予華儀器有限公司）；薄層色譜（HSGF254，煙臺(tái)江友硅膠開(kāi)發(fā)有限公司）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（N1300，上海愛(ài)朗儀器有限公司）；電子天平（FA2204C，上海天美天平儀器有限公司）；熔點(diǎn)儀WRR（上海精科物光儀電物光）。

試劑：對(duì)硝基苯甲酸（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），對(duì)甲苯磺酸一水合物（Adamas，上海泰坦科技股份有限公司），乙醇（重慶川東化工（集團(tuán)）有限公司），F(xiàn)eCl2·4H2O（北京伊諾凱科技有限公司），F(xiàn)eCl3·6H2O（阿法埃莎（中國(guó)）化學(xué)有限公司），NH4OH（25%～28%水溶液，重慶川東化工（集團(tuán)）有限公司），水合肼（80%，Adamas，上海泰坦科技股份有限公司），二乙氨基乙醇（Adamas，上海泰坦科技股份有限公司），叔丁醇鉀（阿法埃莎（中國(guó)）化學(xué)有限公司），甲醇鈉（薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司）。

1.2 對(duì)硝基苯甲酸乙酯的合成

稱(chēng)取對(duì)硝基苯甲酸（1.67 g，10 mmol）、對(duì)甲苯磺酸一水合物（0.38 g，2 mmol）和乙醇（1.75 mL，3當(dāng)量），依次加入到25 mL單頸圓底燒瓶中，置于油浴中鍋，磁力攪拌下，外溫90℃下回流反應(yīng)6 h。以薄層色譜法（TLC）監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)結(jié)束，待反應(yīng)液稍冷，將其倒入盛有10 mL水的燒杯中，攪拌1 min，抽濾。將濾餅轉(zhuǎn)移至10 mL、5%的碳酸鈉溶液中攪拌5 min，抽濾，用少量水洗滌濾餅，室溫真空干燥，得到白色固體1.80 g，測(cè)定熔點(diǎn)56.4～57.5℃（文獻(xiàn)值57℃［12］），產(chǎn)率為92.2%。

1.3 對(duì)氨基苯甲酸乙酯的合成

1.3.1 Fe3O4磁珠的制備

采用共沉淀法制備超順磁Fe3O4納米粒［13］。將FeCl2·4H2O（0.86 g）和FeCl3·6H2O（2.36 g）在氮?dú)獗Ｗo(hù)下溶解于40 mL去離子水中，劇烈攪拌。當(dāng)溶液加熱到80℃時(shí)，加入NH4OH（5 mL，w%為25%～28%），在該溫度下持續(xù)劇烈攪拌30 min。待反應(yīng)完成后，將懸浮液冷卻至室溫，用去離子水洗滌，排水分離得到Fe3O4納米粒，抽真空干燥，得到超順磁Fe3O4納米粒1.08 g。

1.3.2 對(duì)硝基苯甲酸乙酯的還原

稱(chēng)取Fe3O4（46 mg，0.2 mmol）置于25 mL單頸圓底燒瓶中，加入乙醇（6 mL），在氬氣保護(hù)下超聲處理2 min。超聲處理完畢，加入對(duì)硝基苯甲酸乙酯（0.195 g，l mmol）和水合肼（0.125 mL，2.5當(dāng)量）。該混合物在氬氣保護(hù)下，油浴鍋中，80℃回流攪拌反應(yīng)1 h，以TLC（石油醚∶乙酸乙酯＝5∶1）監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。待反應(yīng)結(jié)束后，利用外加磁場(chǎng)收集Fe3O4，將混合物液體轉(zhuǎn)移至另一個(gè)干燥的單頸瓶中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，真空干燥，得白色固體結(jié)晶0.163 g，測(cè)定熔點(diǎn)89.0～90.4℃（文獻(xiàn)值89～90℃［14］），產(chǎn)率98.8%。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ7.84（d，J＝8.3 Hz，2 H），6.61（d，J＝8.3 Hz，2 H），4.30（q，J＝7.1 Hz，2 H），4.15（s，2 H），1.34（t，J＝7.1 Hz，3 H），如圖2所示。

圖2 還原產(chǎn)物的1 H NMR

1.4 普魯卡因的合成

向25 mL雙口圓底燒瓶中，加入對(duì)氨基苯甲酸乙酯（0.33 g，2 mmol）和二乙氨基乙醇（2 mL，15 mmol），通氬氣，油浴升溫至35℃將固體完全溶解后停止加熱。向反應(yīng)混合液中加入叔丁醇鉀（0.067 g，0.6 mmol，30 mol%），油浴鍋升溫至90℃，在磁力攪拌下反應(yīng)9 h，以TLC（石油醚∶乙酸乙酯∶三乙胺＝25∶25∶1）監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。待反應(yīng)結(jié)束后，以水（10 mL）和乙酸乙酯（5 mL×2）進(jìn)行萃取，合并有機(jī)相。采用10%的HCl溶液（5 mL×2）對(duì)有機(jī)相進(jìn)行反萃取，合并酸性水層。向酸性混合液中滴加20%的NaOH溶液至pH＝12，攪拌析出普魯卡因。待固體析出完全，抽濾，濾餅用水洗滌，干燥稱(chēng)重，得淺黃白色固體結(jié)晶0.407 g，測(cè)定熔點(diǎn)48.6～50.8℃（文獻(xiàn)值51℃［15］，普魯卡因二水合物），產(chǎn)率74.8%。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ8.14（d，J＝8.4 Hz，2 H），6.92（d，J＝8.4 Hz，2 H），4.64（t，J＝6.2 Hz，2 H），4.51（s，2 H），3.14（t，J＝6.2 Hz，2 H），2.93（q，J＝7.1 Hz，4 H），1.37（t，J＝7.2 Hz，6 H），如圖3所示。

圖3 普魯卡因的1 H NMR

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)硝基苯甲酸乙酯合成條件的探索

為優(yōu)化反應(yīng)條件，著重考察了原料配比、催化劑用量、反應(yīng)溫度等條件變化對(duì)反應(yīng)收率的影響（表1）。在沒(méi)有催化劑的情況下，乙醇和對(duì)硝基苯甲酸酯化合成對(duì)硝基苯甲酸乙酯的產(chǎn)率極低（序號(hào)6），對(duì)甲苯磺酸能顯著提高酯的生成產(chǎn)率。當(dāng)乙醇的用量從1.5個(gè)當(dāng)量增加到3.0個(gè)當(dāng)量時(shí)，產(chǎn)率得到了顯著提高，繼續(xù)增加乙醇的用量，酯化反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)率并沒(méi)有提高，且隨著乙醇用量的增加，酯化產(chǎn)率卻緩緩下降（表1，序號(hào)1-5）。隨后，考察了催化劑PTSA的當(dāng)量對(duì)產(chǎn)率的影響，當(dāng)催化劑用量為5 mol%時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行速度非常緩慢，6小時(shí)后仍可明顯觀察到大量剩余的對(duì)硝基苯甲酸固體原料（表1，序號(hào)7），增加催化劑當(dāng)量到20 mol%可使產(chǎn)率提高到90%以上。嘗試將反應(yīng)放大到0.1 mol仍能達(dá)到89.3%產(chǎn)率（表1，序號(hào)13）。

表1 酯化反應(yīng)條件

2.2 Fe3O4催化還原反應(yīng)條件優(yōu)化

磁性可分離催化劑是一種非常有吸引力的非均相催化劑，因其表現(xiàn)出良好的分散性，并且在反應(yīng)后易于回收利用，受到廣泛的關(guān)注。為獲得最佳的Fe3O4磁珠催化對(duì)硝基苯甲酸乙酯還原合成對(duì)氨基苯甲酸乙酯的反應(yīng)條件，本研究對(duì)催化劑用量、反應(yīng)溫度和原料配比等影響產(chǎn)率的關(guān)鍵因素進(jìn)行考察（表2）。結(jié)果表明：使用1.5當(dāng)量的水合肼時(shí)，反應(yīng)重復(fù)性不好，容易出現(xiàn)還原不完全的現(xiàn)象。當(dāng)水合肼用量增至2.5當(dāng)量時(shí)，不再出現(xiàn)還原不完全的現(xiàn)象（表2，序號(hào)1-6），產(chǎn)率能夠維持95%以上且重復(fù)性好。反應(yīng)溫度為40℃，反應(yīng)在氫源足夠的情況下能完成，但反應(yīng)速度較慢。80℃回流反應(yīng)可縮短反應(yīng)時(shí)間（表2，序號(hào)7）。催化劑當(dāng)量由20 mol%降低到5 mol%，適當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，仍能得到96%的產(chǎn)率（表2，序號(hào)8和9）。將反應(yīng)放大到0.05 mol級(jí)，使用20 mol%的Fe3O4磁珠或回收的Fe3O4磁珠都能實(shí)現(xiàn)91.2%產(chǎn)率（表2，序號(hào)11、12）。

表2 還原反應(yīng)條件

該方法后處理簡(jiǎn)單，在Fe3O4磁珠催化硝基還原的反應(yīng)完成后，可通過(guò)外加磁場(chǎng)收集催化劑，剩余溶液則可倒入另一個(gè)干凈的容器內(nèi)（圖4），除去溶劑得到產(chǎn)物。分離回收的催化劑用乙醇洗滌，再用于下一次反應(yīng)，可非常簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)催化劑的回收再利用。

圖4 Fe3 O4催化劑在反應(yīng)后的磁分離容器

此外，在優(yōu)化的反應(yīng)條件下（20 mol%的Fe3O4，2.5當(dāng)量水合肼，6 mL乙醇，80℃外溫），考察了Fe3O4催化劑的回收循環(huán)能力。第1次反應(yīng)完成后，將催化劑用外磁鐵吸附，反應(yīng)液從反應(yīng)容器中轉(zhuǎn)移，剩余的留在反應(yīng)容器中的催化劑用少量乙醇洗滌后，隨即用于下一次循環(huán)反應(yīng)。如表3所示，20 mol%的Fe3O4催化劑被使用時(shí)，反應(yīng)均在一個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，且到第10個(gè)循環(huán)仍保持良好的催化活性。

表3 Fe3 O4催化劑回收套用試驗(yàn)的產(chǎn)率

2.3 酯交換反應(yīng)條件的優(yōu)化

在酯交換反應(yīng)中，主要考察了堿性催化劑叔丁醇鉀的用量對(duì)反應(yīng)的影響（表4）。結(jié)果表明，叔丁醇鉀的用量需要20 mol%才能達(dá)到較好的催化效果（表4，序號(hào)1-3）。但隨著叔丁醇鉀用量的增加，反應(yīng)產(chǎn)率并不隨叔丁醇鉀的增加而增加（表4，序號(hào)4）。將催化劑叔丁醇鉀換成甲醇鈉，催化效果明顯降低，當(dāng)使用50 mol%甲醇鈉作為催化劑時(shí)，僅得到27.9%的產(chǎn)率（表4，序號(hào)5）。酯交換反應(yīng)為可逆反應(yīng)，往往會(huì)搭建減壓蒸餾裝置（圖5）將生成的乙醇蒸出，以促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行。然而，該裝置的搭建過(guò)于繁瑣，也具有一定的危險(xiǎn)性。因此，改進(jìn)了反應(yīng)裝置，通過(guò)針頭將預(yù)先充有氬氣（或氮?dú)猓┑臍馇蜻B接到反應(yīng)裝置中，并將氬氣充入反應(yīng)體系中，同時(shí)，使用另一個(gè)針頭將反應(yīng)體系與大氣連通，利用氣球的氣壓將生成的乙醇從反應(yīng)體系中不斷排出，以達(dá)到簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置的同時(shí)又能促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行的目的。

表4 催化劑用量對(duì)酯交換反應(yīng)產(chǎn)率的影響

圖5 酯交換反應(yīng)用的減壓蒸餾裝置

3 結(jié)論

1）使用對(duì)甲苯磺酸催化乙醇與對(duì)硝基苯甲酸酯化合成對(duì)硝基苯甲酸乙酯，副反應(yīng)少、產(chǎn)率高、產(chǎn)品顏色淺，僅使用20 mol%的用量即可達(dá)到良好的催化效果。

2）使用Fe3O4磁珠-水合肼體系替代傳統(tǒng)的Fe／HCl體系還原對(duì)硝基苯甲酸乙酯，可以避免大量固體鐵泥廢物的產(chǎn)生，簡(jiǎn)化分離步驟，且催化劑易通過(guò)外加磁鐵分離，副產(chǎn)物僅為氮?dú)夂退G色環(huán)保，操作簡(jiǎn)單。

3）在酯交換步驟中，改變實(shí)驗(yàn)裝置，利用惰性氣體吹出生成的乙醇，促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行，以強(qiáng)堿性的叔丁醇鉀為催化劑，裝置簡(jiǎn)單，收率較高。

綜上，本文中提出的方法具有反應(yīng)條件溫和、催化劑可重復(fù)利用、環(huán)保經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使得普魯卡因的制備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中成功率更高，本課題組將進(jìn)一步探索其用于工業(yè)生產(chǎn)的可能性。