(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸的制備及晶體結構

江 瀾， 張 立, 蔡林宏, 官曉書, 胡湘南*

(1. 重慶工商大學 環境與資源學院，重慶 400067; 2. 重慶醫科大學 藥學院，重慶 400016)

單晶是了解物質分子空間結構的基礎，單晶結構分析可以提供一個化合物在固態中所有原子的精確空間位置，從而為化學、材料化學和生命科學等研究提供廣泛而重要的信息[1-2]。晶體的生長和質量主要依賴于晶核形成和生長的速率[3]。目前，常用的單晶培養的方法包括溶劑揮發法、凝膠擴散法、蒸汽擴散法、升華法等[4]。溶劑揮發法是通過冷卻或蒸發化合物的飽和溶液，讓化合物結晶出來[5]。這時，最好采取必要措施，使其緩慢冷卻或蒸發，以求獲得完美的晶體。

Chart 1

Scheme 1

Scheme 2

由諾華[6]設計的維格列汀[7-8](Chart 1)是一種高度選擇性，可逆的口服活性二肽基肽酶IV(DPP-IV)抑制劑[9]，用于治療2型糖尿病[10]。通過維格列汀逆合成路線分析(Scheme 1)，發現(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸(1) (Chart 1)是一種手性化合物，也是制備維格列汀的重要中間體[11]。在維格列汀手性源的制備中，產物的構型既可能保持不變，也可能發生翻轉或手性轉移，而只有(2S)-維格列汀才具有DPP-IV抑制活性，因此，為了保證其合成得到產物立體結構的一致性，手性中間體的立體化學結構確證顯得尤為重要。另外，維格列汀專利的保護已于2019年年底到期，隨著市場需求量的增加，維格列汀的研發和生產已經引起2型糖尿病治療藥物研究的新浪潮。則在維格列汀合成過程中的一些重要中間體的化學結構，特別是立體絕對構型的確證，對今后維格列汀的工藝制備及其研究具有指導意義。

采用無溶劑法合成1，并對其結構進行了表征，與原有文獻[12]相比，該合成路線降低了成本。采用星點設計-效應面方法對合成工藝進行優化后摸索出較優良的合成路線(Scheme 2)。通過溶劑揮發法獲得1的單晶，并通過單晶X-射線衍射對其分子空間結構進行了研究。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

RY-1型毛細管熔點儀； PerkinAmelmer Spectrum One型紅外光譜儀；AV500 MHz型核磁共振儀(TMS為內標，DMSO-d6為溶劑)；2010A型質譜儀；APEX-II Smart-apex-2型單晶衍射儀；APEX-II CCD型面探測儀。

L-脯氨酸(重慶鴻兵生物科技發展有限公司)；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)1的合成

將L-脯氨酸4.0 g(0.034 mol)裝入100 mL圓底燒瓶中，氮氣保護下緩慢滴加氯乙酰氯9.8 mL(0.129 mol)于反應瓶中，滴畢，升溫攪拌1.5 h。反應完成后，冷卻至室溫，向反應瓶中加入水(30 mL)和乙酸乙酯(50 mL)萃取，收集有機層，將水層用乙酸乙酯(3×15 mL)萃取，將有機層用飽和食鹽水(30 mL)洗滌，合并有機層，無水硫酸鈉干燥，過濾，濃縮得淡黃色油狀液體，冰浴條件下滴加異丙醚析晶，抽濾干燥得白色固體(1) 5.67 g，產率85.28%, m.p.108～110.9 ℃(m.p.108 ～ 110 ℃[13]);1H NMR(500 MHz, DMSO-d6)δ: 1.97～2.34(m, 4H, CH2), 3.57～3.74(m, 2H, CH2), 4.04～4.15(m, 2H, CH2Cl), 4.55～4.64(m, 1H, CHCOOH), 12.47(s, 1H, COOH);13C NMR(125 MHz, DMSO-d6)δ: 24.5, 28.5, 41.8, 47.2, 59.3, 166.2, 174.9; IRν: 3418, 3051, 2989, 2938, 2810, 1718, 1608, 1475, 1461 cm-1； HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H10NO3Cl{[M + H]+}192, found 191.61。

(2) 單晶培養

將12.00 g(0.0104 mol)加入到甲醇(20 mL)中并劇烈攪拌溶解。所得溶液放入50 mL圓底燒瓶中，瓶口用穿有幾個小孔的石蠟膜覆蓋，使其在室溫下緩慢揮發。14 d后，得到無色透明塊狀晶體，適用于單晶X-射線衍射檢測。

(3) 晶體結構的測定

APEX-II單晶衍射儀用CCD面探測儀收集衍射強度數據，在293 K溫度條件下，使用石墨單色器的Cu Kα(λ=1.54184 ?輻射為光源進行衍射數據收集。在SCALE3 ABSPACK縮放算法中，通過球面諧波效應對綜合數據和縮放數據進行了吸收校正。使用Olex2[14]軟件中的ShelXS[15]程序對晶體結構進行求解，并采用ShelXL[16]程序通過最小二乘法對結構參數進行修正。利用各向異性位移參數對所有非氫原子進行精制細化，使用幾何計算法和差值Fourier法獲得全部氫原子的位置。

2 結果與討論

2.1 合成

以便宜易得的L-脯氨酸作為原料，且為了減少反應成本，使用無溶劑法在氮氣保護下回流合成1。1的合成中，發現3個影響因素對其產率影響較大，包括：氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比為因素X，反應溫度為因素Y，反應時間為因素Z。利用單因素試驗法考察它們對1收率的影響。

具體方法為：在預實驗中，首先設定L-脯氨酸的投料量為4 g，反應溫度70 ℃，反應時間為1.5 h，考察氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比對1收率的影響；其次設定L-脯氨酸的投料量為4 g，氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比2.5/1，反應時間為1.5 h，考察反應溫度對1收率的影響；最后設定L-脯氨酸的投料量為4 g，氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比2.5/1，反應溫度70 ℃，考察反應時間對1收率的影響，考察結果見表1。

表1 單因素實驗考察結果

由表1結果可看出，氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比、反應溫度、反應時間3個因素對1收率的影響相對較大。因此，分析其影響因素的水平范圍：氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比X為2/1～3/1、反應溫度Y為60～80 ℃、反應時間Z為1～2 h。

2.2 星點設計-效應面優化

為了對該反應的影響因素進行進一步優化，運用了星點設計-效應面優化法，該方法同樣以氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比為因素X，反應溫度為因素Y，反應時間為因素Z；每個因素設定5個水平，分別用-1.682， -1， 0， +1和+1.682作為代碼，對影響因素進行優化實驗。

表2 因素和水平

2.3 效應面優化

通過上述數據處理可以繪制出任意兩個自變量的三維響應曲面圖(圖1)。通過對圖1分析可知，在一定范圍內，當氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比、反應溫度、反應時間這3個因素的數值增大時會使1的收率隨之增大，達到最大值后，又會逐漸降低。通過分析3個三維響應曲面圖得出最優工藝條件為：氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比2.55/1，反應溫度70 ℃，反應時間1.7 h。在此條件下，預測收率為89.5 %。

2.4 單晶

單晶X-射線衍射結果最終確定1的單晶屬于正交晶系，空間群為P212121，a=7.2116(3) ?，b=7.2639(2) ?，c=16.8262(6) ?，α=90°，β=90°，γ=90°，理論密度Dc=1.444 g/cm3， 晶胞內分子數Z=4，晶胞體積V=881.43(6) ?3， Flack因子為0.002(14)，不對稱單位化學計量式為C7H10NO3Cl，計算單個分子的相對分子質量為191.61 g/mol。

圖11的合成效應面

從單晶結構數據的分析結果可以看出，該化合物還有一個手性中心碳原子，即C2，為S構型。結構可靠因子S=1.091，接近于1.0，表明結構正確。晶體分子通過強的氫鍵連接O1—H1···O3(1/2+x， 1/2-y， 1-z): O1—H1 0.82 ?， H1···O3 1.77 ?， O1···O3 2.578 ?， O1—H1···O3 168.8°。單晶空間結構解析結果顯示立體構型與預測構型一致。本文所報道的(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸的晶體學數據已存放至劍橋晶體學數據庫(CCDC： 1989269)。

圖21的立體結構圖

圖31的晶胞堆積圖

表3 星點實驗設計與結果

以L-脯氨酸和氯乙酰氯為原料合成維格列汀的重要手性中間體(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸，應用星點設計-效應面法對合成工藝進行了優化。同時采用甲醇溶劑體系下的緩慢揮發，在室溫條件下得到其單晶，可用于單晶X-射線衍射對其空間結構進行分析鑒定。結構鑒定表明，(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸化學式為C7H10NO3Cl，分子量為191.16 g/mol，該晶胞屬于正交晶系，空間群為P212121，a=7.2116(3) ?，b=7.2639(2) ?，c=16.8262(6) ?，α=90°，β=90°，γ=90°，理論密度Dc=1.444 g/cm3，晶胞內分子數Z=4，晶胞體積V=881.43(6) ?3。