熒光素的全合成*

祝曙英, 吳 奇， 林成剛, 陳書艷, 史海健

(南京工業大學 化學化工學院,江蘇 南京 210009)

生物體發光[1]俗稱有生命的光，是化學發光反應中的一種特殊類型，是一種非常高能效的發光體系。螢火蟲熒光素(6)存在于螢火蟲的發光細胞中，由于其對ATP(三磷酸腺甙)十分敏感，可用于ATP的含量檢測[2，3]。天然的6產量極小，無法滿足日益增長的需求，通過化學方法合成6顯得尤為必要。

在已知的四種合成6的方法中，Seto合成路線[4]由于原料氨甲酰硫代羰基硫代乙酸必須隨用隨制備，且總收率較低(6.5%)，限制了其應用；White改進路線[5](21%)和Yoshiaki路線[6](34%)總收率相對較高，但合成中用到KCN或CuCN，毒性較大；White早期路線[7，8]起始原料簡單易得，但路線較長,總產率僅5.8%。

本文設計了一條更為簡短的合成6的新路線。以對甲氧基苯胺(1)為起始原料，經酰胺化、硫代、水解、鐵氰化鉀氧化等反應構筑了苯并噻唑環得到6-甲氧基苯并噻唑-2-甲酸(2)。首次采用一鍋法將對2進行酰氯-酰胺化后，經脫水制得關鍵中間體2-氰基-6-甲氧基-苯并噻唑(4)； 4經脫甲基、與D-半胱氨酸鹽酸水合物反應合成了6(Scheme 1)，總收率20%， 100%ee。其結構經UV，1H NMR， FT-IR和MS表征。

Scheme1

與文獻方法相比，該路線具有原料和試劑便宜、易得，工藝更簡單、總產率更高、操作更安全等特點，適合逐步放大生產。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

X-4型顯微熔點儀(溫度計未經校正)；Bruker MD(300 MHz和500 MHz)型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內標)；Nicolet AVATAR-360型紅外光譜儀(KBr壓片)；雙聚焦VG-ZAB-MS型質譜儀(70 eV)。

2參照文獻[6]方法合成；其余所用試劑均為分析純。

1．2 合成

(1) 6-甲氧基-苯并噻唑-2-甲酰胺(3)的合成

在反應瓶中加入250 g(260 mmol),氯仿500 mL, DMF 1 mL和SOCl220 mL(300 mmol),攪拌下回流反應2 h。冷卻，于0 ℃滴加氨水50 mL；滴完，繼續反應2 h。過濾，濾餅用水洗滌得白色固體3 45 g，收率83%(粗品直接進行下步反應；用重結晶的方法制備少量純品用于分析)， m.p.252 ℃～255 ℃；1H NMRδ： 8.32(brs, 1H)， 7.94(brs， 1H)， 7.99(d，J=8.85 Hz， 1H)， 7.76(d，J=2.65 Hz， 1H)， 7.21(dd，J=2.65 Hz， 9.1 Hz， 1H)， 3.87(s， 3H); IRν： 3 343， 3 213， 3 176， 3 001， 2 968， 2 935， 2 833， 1 688， 1 659， 1 602， 1 504， 1 402， 1 260， 1 235， 1 117 cm-1。

(2) 2-氰基-6-甲氧基-苯并噻唑(4)的合成

在反應瓶中加入粗品340 g(192 mmol)和POCl380 mL，攪拌下回流反應3 h。冷卻至室溫，將其緩慢滴加到冰水中，水相用乙酸乙酯(2×100 mL)萃取，合并有機層，依次用飽和NaHCO3溶液、水洗滌，無水硫酸鈉干燥，減壓除去溶劑，粗品用乙酸乙酯重結晶得微黃色固體424 g，收率66%， m.p.120 ℃～122 ℃；1H NMRδ： 8.14(d，J=9.1 Hz， 1H)， 7.86(d，J=2.5 Hz， 1H)， 7.32(dd，J=2.6 Hz， 9.2 Hz， 1H)， 3.88(s， 3H); IRν： 3 445， 3 062， 3 023， 2 980， 2 945， 2 923， 2 842， 2 224， 1 600， 1 506， 1 484， 1 449， 1 271， 1 236， 824 cm-1。

(3) 2-氰基-6-羥基-苯并噻唑(5)的合成

在三口燒瓶內加入吡啶鹽酸鹽70 g(0.6 mol)，攪拌下于190 ℃加入4 20 g(78 mmol)，體系呈黃色透明熔融態。氮氣保護，避光回流反應4 h。冷卻，反應物經硅膠柱層析(洗脫劑：乙酸乙酯100 mL)純化得黃色固體512 g，收率80%(粗品直接用于下一步反應；取少量粗品用甲醇重結晶得純品用于分析)，m．p.212 ℃～215 ℃；1H NMRδ： 10.5(s， 1H)， 8.04(d，J=9.0 Hz， 1H)， 7.17(dd，J=9.0 Hz， 2.4 Hz， 1H)， 7.57(d，J=2.4 Hz， 1H)； IRν： 3 428， 3 216， 3 074， 2 228， 1 600， 1 461， 1 438， 1 239 cm-1。

(4) 6的合成

2 結果與討論

在3的合成中，首次選用CHCl3作溶劑可以較好地稀釋反應混合物，使2在回流條件下順利地與氯化亞砜進行酰氯化反應生成6-甲氧基-苯并噻唑-2-甲酰氯；接著將氨水滴加到反應混合物中,于0 ℃～室溫反應2 h即可定量得到3，收率達83%，并直接用于下一步反應。

在4的合成中，由于原料溶解度較差，故不宜使用固體脫水劑(如P2O5)，本文選擇POCl3既可作脫水劑，又可以作溶劑。通過TLC監測，回流反應3 h后，3完全轉化，收率達66%。

由4合成5的反應采用了吡啶鹽酸鹽作為去甲基試劑，在190 ℃時，氮氣保護，吡啶鹽酸和4在熔融狀態下反應。脫甲基產物收率80%。

用仿生合成的方法，利用D-半胱氨酸鹽酸水合物作為手性底物參與不對稱合成，有效的得到手性單一的產物D-(-)-熒光素，ee值達100%。反應在室溫，避光，氮氣保護，堿性條件下順利進行，收率89%。

3 結論

設計了一條新的熒光素的合成路線。首次采用一鍋法合成了6-甲氧基-苯并噻唑-2-甲酰胺；7步反應總收率20%。

[1] Bur J G, Dekker M. Chemi- and bio-luminesence[J].Methods Enzymol,1978:57-61.

[2] Branchini B R, Southworth T L, Martha H M,etal. A mutagenesis study of the putative luciferin binding site residues of firefly luciferase[J]．Biochemistry,2003,42:10429-10436.

[3] Eriksson J, Karamohamed S. Method for real-time detection of inorganic pyrophos phatase activity.Pal nyren[J].Analytical Biochemistry,2001,293:67-70.

[4] Seto S, Ogura K, Nishiyama Y. A convenient synthetic method of 2-carbamoyl-6-methoxybenzothiazole[J].Bull Chem Soc Jpn,1963,36:331-333.

[5] White E H, Helmut W, George F. Analogs of firefly luciferin[J].J Org Chem,1965,30(7):2344-2348.

[6] Yoshiaki T, Takagi M, Nakata H. A convenient synthetic method of 2-cyano-6-methoxybenzothiazole[J].Bull Chem Soc Jpn,1992,65：392-395.

[7] White E H. The structure and synthesisi of firefly luciferin[J].J Org Chem,1961,83:2402-2403.

[8] White E H, Frank F. The structure and synthesisi of firefly luciferin[J].J Org Chem,1963,85:337-343.