1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯的合成

劉莎莉，李睿哲,周 進(jìn)，2,蔣 蕻，李玉龍，孫宏順

（1.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇省磁共振靶向顯像劑工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210048；2.南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,江蘇南京211816）

磁共振成像因?yàn)槠漭^高的空間分辨率、良好的軟組織對比度、無電離輻射損害以及能進(jìn)行功能成像等特點(diǎn)，在醫(yī)療診斷方面得到極大的應(yīng)用。目前，世界上大約50%的磁共振成像檢查都需要使用磁共振對比劑。通過磁共振對比劑對正常組織與病變組織的清晰分辨，能夠幫助醫(yī)生對有關(guān)疾病進(jìn)行更好的診斷和治療。

目前臨床使用的大多是含Gd的T1類型對比劑，如Gd-DTPA·HO、Gd-DTPA-BMA·HO、Gd-DOTA·HO和Gd-HP-DO3A·HO（圖1）等。其中，線性分子DTPA（二乙三胺五乙酸）由于對釓離子的螯合能力相對較弱，游離出來的釓離子可能造成腎源性系統(tǒng)性纖維化，會對人體造成二次傷害，而環(huán)狀分子DOTA（三叔丁基-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸）與釓離子螯合形成的化合物有著更好的動力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性。因此，目前由線性分子DTPA構(gòu)成的磁共振對比劑正逐漸退出市場，從而使得對于由Gd-DOTA構(gòu)成的新型環(huán)狀磁共振對比劑的研究具有重要意義。

1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯（4）是一種用來制備DOTA環(huán)狀類磁共振對比劑的常用螯合前體。本課題組曾對其另一種類似螯合前體4,7,10-三（叔丁氧羰酰甲基）-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1-乙酰肼的合成進(jìn)行過研究。

本文以輪環(huán)藤寧和溴乙酸叔丁酯為原料，制得1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7-三乙酸叔丁酯溴酸鹽中間體，再經(jīng)過兩種不同的合成路線得到目標(biāo)產(chǎn)物（反應(yīng)式1），并研究了溫度、濃度、反應(yīng)時間和催化劑等對產(chǎn)率的影響，獲得了較高的收率，產(chǎn)物及中間體結(jié)構(gòu)經(jīng)H NMR、C NMR、IR和MS確證。

圖1 部分臨床使用磁共振對比劑Fig.1 Part of the clinically used magnetic resonance contrast agents

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

XT-4A型顯微熔點(diǎn)儀（溫度未校正）；ZF-7型三用紫外分析儀；BRUKER DRX300型核磁共振儀（CDCl為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)）；Nicolet FT-IR 360型紅外光譜儀（KBr壓片）；Mircomass Q-TOF micro型質(zhì)譜儀。

輪環(huán)藤寧；乙腈；溴乙酸叔丁酯；碳酸氫鈉；甲醇；二氯甲烷；碳酸鉀；溴乙酸乙酯；無水硫酸鈉；乙醚；所用試劑均為分析純。

反應(yīng)式1目標(biāo)產(chǎn)物合成路線Scheme 1 Synthetic routes of the target product

1.2 產(chǎn)物及中間體制備

（1）中間體2的合成

在500 mL圓底燒瓶中盛入輪環(huán)藤寧（1）5.16 g（30.0 mmol），加入300 mL無水乙腈，加熱至1完全溶解，再補(bǔ)加30 mL無水乙腈。冷卻至0℃,加入碳酸氫鈉7.56 g（90 mmol）,緩慢滴加溴乙酸叔丁酯17.55 g（90 mmol）與200 mL無水乙腈組成的混合溶液，0℃反應(yīng)24 h，再在80℃下回流反應(yīng)4 h，TLC檢測（5%水-乙腈）反應(yīng)完全。過濾，濾液減壓蒸干得黃色油狀固體，用混合溶劑[V（甲醇）∶V（二氯甲烷）=1∶9]重結(jié)晶得1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7-三乙酸叔丁酯溴酸鹽（2）的白色固體14.64 g，收率82%，m.p.189.7℃～191.6℃;H NMRδ∶10.00（s,2H）,3.36（s,4H）,3.28（s,2H）,3.09（s,4H）,2.91（s,7H）,2.87（s,5H）,1.45（s,27H）;C NMRδ∶170.4,169.5,81.7,81.5,58.1,51.3,49.2,48.8,47.4,28.1;FT-IR v∶3 442,2 976,2 949,2 853,2 736,1 729,1 368,1 255,1 149 cm;HR-MS（ESI）m/z:Calcd for CHNO{[M+H]}515.380 9,found 515.386 7。

（2）中間體3的合成

在250 mL圓底燒瓶中，加入5.86 g（10.0 mmol）中間體2,用100 mL無水乙腈溶解，冷卻至0℃，加入碳酸鉀2.0 g（15 mmol）,室溫?cái)嚢?.5 h，滴加溴乙酸乙酯2.5 g（15 mmol）與50 mL無水乙腈組成的混合溶液，滴加完畢，80℃下回流反應(yīng)12 h，TLC檢測（5%水-乙腈）反應(yīng)完全。過濾除鹽，濾液減壓抽干得黃色油狀固體，經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：A=V（甲醇）∶V（二氯甲烷）=5∶95]純化得黃色玻璃狀固體1,4,7-三（叔丁氧碳酰甲基）-10-乙氧碳酰甲基-1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷（3）5.5 g，收率91%；H NMRδ∶4.14（q,J=6.9 Hz,2H）,3.14（br,10H）,2.32（br,8H）,2.12（s,6H）,1.43（s,27H）,1.24（t,J=7.1 Hz,3H）;C NMRδ:172.1,171.7,170.6,81.5,55.4,54.3,49.8,27.7,27.6;FT-IR v∶3 422,2 980,2 935,2 831,1 728,1 369,1 226,1 159 cm;MS（ESI）m/z:601.4{[M+H]},623.4{[M+Na]}。

（3）產(chǎn)物4的合成

（a）在50 mL圓底燒瓶中，加入0.58 g（1.0 mmol）中間體2，用10 mL無水乙腈溶解，加入碳酸鉀0.2 g（1.5 mmol），室溫?cái)嚢?.5 h，加入溴乙酸0.28 g（2.0 mmol）與10 mL無水乙腈組成的混合溶液，80℃下回流反應(yīng)24 h，TLC檢測（10%甲醇-二氯甲烷）反應(yīng)完全。過濾除鹽，濾液減壓抽干得黃色油狀物，用乙酸乙酯重結(jié)晶得白色固體1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯（4）0.17 g，收率30%。

（b）在50 mL圓底燒瓶中，加入0.6 g（1.0 mmol）中間體3，加入10 mL 0.5 M NaOH溶液（THF與HO的體積比為3∶2），60℃下回流反應(yīng)4 h，TLC檢測（10%甲醇-二氯甲烷）反應(yīng)完全。冷卻至室溫，用二氯甲烷萃取（3×50 mL），合并有機(jī)相，用飽和食鹽水（15 mL）洗滌，無水硫酸鈉干燥，過濾，濾液減壓濃縮得油狀固體，乙醚重結(jié)晶得白色固體1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯（4）0.55 g，收率96%。

表征：H NMRδ:3.82-2.00（m,24H）,1.47（s,27H）;C NMRδ:174.8,172.2,82.4,56.1,55.9,55.5,28.1,28.0,27.9;FT-IR v∶3 096,2 979,2 832,1 748,1 732,1 631,1 456,1 384,1 365,1 255,1 179 1 090 cm;MS（ESI）m/z:573.4{[M+H]},595.4{[M+Na]}。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件優(yōu)化

本文對產(chǎn)物4的合成路線a和b均進(jìn)行了探討，在合成路線a中，主要研究了作為縛酸劑的堿對反應(yīng)的影響，分別使用了KCO、NaCO、NaOH及三乙胺，但收率均很低，最高達(dá)30%，因此，從收率上來說，合成路線a不具有優(yōu)勢。在合成路線b中，我們分別從溶劑、溫度、堿的種類、堿的濃度及當(dāng)量五個方面對反應(yīng)條件進(jìn)行了研究，具體見表1。

表1 產(chǎn)物4的反應(yīng)條件優(yōu)化Tab.1 Optimization of reaction conditions for synthesizing product 4

由表1可見，No.1～3為不同堿對反應(yīng)收率的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)以NaOH溶液為水解試劑時，收率最高（65%）；No.3～8為不同溶劑對收率的影響，可以看出，當(dāng)溶劑為THF時，收率最高（86%），當(dāng)溶劑為CHOH時收率最低，推測可能甲醇與乙酯基發(fā)生了酯交換反應(yīng)，從而降低了產(chǎn)品收率；No.8～13為不同堿的濃度對收率的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)NaOH濃度為0.5 M時收率最高（86%）；No.8、No.14～18為堿的當(dāng)量對反應(yīng)收率的影響，當(dāng)NaOH的當(dāng)量為5.0 eq.時，收率最高達(dá)96%，再提高堿的當(dāng)量對收率提高沒有作用；No.16、No.19～20為溫度對反應(yīng)收率的影響，結(jié)果顯示，60℃時反應(yīng)收率最高，室溫下反應(yīng)收率相對較低，增加反應(yīng)時間對收率可能有利，溫度為80℃時收率略有下降，可能原因?yàn)槭宥』セ赡茉跍囟雀邥r也發(fā)生水解，從而導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物收率降低。

綜上，目標(biāo)產(chǎn)物4的合成路線b的最佳反應(yīng)條件為：以THF為溶劑，NaOH溶液為水解試劑，濃度為0.5 M，使用當(dāng)量為5.0 eq.，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間4 h，收率最高達(dá)96%，比文獻(xiàn)收率高2%。

2.2 表征

由4的H NMR分析可知，24個—CH—吸收峰位于

δ

2.00～3.82處，為一較大寬峰，27個-CH-吸收峰位于

δ

1.47處，為一尖銳單峰，符合叔丁基甲基特征。由4的C NMR分析可知，羧基碳和叔丁基酯基碳的吸收峰分別位于

δ

174.8和

δ

172.2處，叔丁基碳的吸收峰分別在

δ

82.4處，

δ

56.1、

δ

55.9和

δ

55.5為-CH-吸收峰，

δ

28.1、

δ

28.0和

δ

27.9為-CH-吸收峰。由4的FT-IR分析可知，3 096 cm處強(qiáng)吸收峰為羧酸中O-H伸縮振動峰，2 979 cm處為甲基伸縮振動吸收峰，2 932 cm處為亞甲基伸縮振動吸收峰，1 748 cm處為羧基的C=O伸縮振動強(qiáng)吸收峰，1 732 cm處為酯基的C=O伸縮振動強(qiáng)吸收峰，1 384 cm和1 365 cm為叔丁基中甲基的面外彎曲振動吸收峰。另其質(zhì)譜中[M+H]和[M+Na]離子峰也符合質(zhì)譜特征。

3 結(jié)論

本文以輪環(huán)藤寧和溴乙酸叔丁酯為原料，制得1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7-三乙酸叔丁酯溴酸鹽中間體，再分別經(jīng)與溴乙酸反應(yīng)和與溴乙酸乙酯反應(yīng)后再水解兩條路線得到目標(biāo)化合物1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四乙酸三叔丁酯（4）。第二條路線中，目標(biāo)產(chǎn)物4的最佳反應(yīng)條件為：以THF為溶劑，NaOH溶液為水解試劑，堿濃度為0.5 M，使用當(dāng)量為5.0 eq.，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間4 h，收率最高達(dá)96%。