褪黑激素的合成——介紹一個(gè)探索性有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

關(guān)玲　徐烜峰　邊磊　高楊　張奇涵

(北京大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心　北京 100871)

褪黑激素的合成——介紹一個(gè)探索性有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

關(guān)玲徐烜峰邊磊高楊張奇涵*通訊聯(lián)系人，E-mail：zqh@pku.edu.cn

(北京大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心北京 100871)

摘要介紹一個(gè)面向大學(xué)二年級(jí)本科生的探索性實(shí)驗(yàn)。基于專利文獻(xiàn)方法的合成路線較為適宜學(xué)生實(shí)驗(yàn)且具有良好訓(xùn)練價(jià)值：以鄰苯二甲酰亞胺、1,3-二溴丙烷、乙酰乙酸乙酯、對(duì)甲氧基苯胺為基本原料，以Japp-Klingemann 反應(yīng)和Fischer吲哚合成法聯(lián)用構(gòu)建吲哚環(huán)，經(jīng)水解脫羧、乙酰化，合成了褪黑激素。對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的條件優(yōu)化探索進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞探索性實(shí)驗(yàn)褪黑激素Japp-Klingemann反應(yīng)多步合成

The Synthesis of Melatonin

——An Exploratory Organic Chemistry Experiment

Guan LingXu XuanfengBian LeiGao YangZhang Qihan*

(ExperimentalChemistryCenter,PekingUniversity,Beijing100871,China)

AbstractThe synthesis of melatonin is an exploratory experiment completed by second-year undergraduates. The synthetic approach based on the procedure provided by the patent is a short, simple, and industrially feasible process suitable for organic chemistry laboratory. The formation of the indole ring is completed based on Japp-Klingemann reaction and Fischer indole synthesis using phthalimide, 1,3-dibromo-propane, ethyl acetoacetate and 4-anisidine as the main reactants. Melatonin forms after hydrolyzation, decarboxylation and acetylation of the indole ring. The optimization of conditions is also discussed briefly.

Key WordsExploratory experiment; Melatonin; Japp-Klingemann reation; Multi-step synthesis

褪黑激素(N-乙酰-5-甲氧基色胺(1)，melatonin)是一種神經(jīng)系統(tǒng)激素，它具有廣泛的生理活性。最早由耶魯大學(xué)的學(xué)者Aaron Lerner等人在1958年從松果腺中分離得到[1-2]，因而又稱松果腺素。研究資料表明褪黑激素具有多種生物活性和多方面的商業(yè)應(yīng)用前景[3]。

褪黑激素的合成引起了很多有機(jī)合成化學(xué)家的興趣，發(fā)展了多條合成路線。早期的合成方法是從3，5-二取代的吲哚出發(fā)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)修飾[4]，之后出現(xiàn)的一些以簡(jiǎn)單的取代苯化合物出發(fā)的合成，才是真正意義上的全合成。其中，F(xiàn)ranco等人的路線[5]最為引人入勝，利用Japp-Klingemann反應(yīng)和Fisher吲哚合成反應(yīng)巧妙地設(shè)計(jì)了一條從簡(jiǎn)單易得的廉價(jià)原料制備褪黑激素的路線。 這條合成路線的每步收率都較高，且純化方法多為重結(jié)晶，適于工業(yè)生產(chǎn)，是褪黑激素合成研究中的重要發(fā)現(xiàn)。基于此，我們選擇了該合成路線作為基本方法，參考其他文獻(xiàn)[6-7]，并在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)逐步篩選出在反應(yīng)試劑、反應(yīng)條件、反應(yīng)時(shí)間、純化方法等各方面均適于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件，具體介紹如下。

1實(shí)驗(yàn)原理

Franco等以鄰苯二甲酰亞胺鉀、1,3-二溴丙烷、對(duì)甲氧基苯胺為主要原料，經(jīng)5步反應(yīng)合成了褪黑激素(圖1)：以鄰苯二甲酰亞胺鉀與1,3-二溴丙烷反應(yīng)得到N-(3-溴丙基)-鄰苯二甲酰亞胺，在堿存在下與乙酰乙酸乙酯反應(yīng)得到2-乙酰基-5-鄰苯二甲酰亞氨基戊酸乙酯，與對(duì)甲氧基苯胺重氮鹽偶聯(lián)后環(huán)化，得到2-羧乙基-3-(2-鄰苯二甲酰亞氨乙基)-5-甲氧基吲哚，再經(jīng)氫氧化鈉皂化水解、脫羧后，得到5-甲氧基色胺，經(jīng)乙酰化后得到褪黑激素。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最早即按照此方法的路線及反應(yīng)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明，該方法具有較好的可重復(fù)性，但從實(shí)驗(yàn)課教學(xué)角度需要解決的問(wèn)題是：減少反應(yīng)投料量，在有效控制副反應(yīng)、促使主反應(yīng)進(jìn)行得較為徹底的同時(shí)，盡量縮短反應(yīng)時(shí)間、簡(jiǎn)化后處理，使得多數(shù)實(shí)驗(yàn)者可以在6～7次的實(shí)驗(yàn)中完成合成。

圖1　褪黑激素的合成

2儀器與試劑

2.1　儀器

磁力攪拌器，循環(huán)水式多用真空泵，顯微熔點(diǎn)儀，紫外分析儀，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，核磁共振儀，電子天平，一套小量半微量磨口玻璃儀器。

2.2　試劑

鄰苯二甲酰亞胺，1,3-二溴丙烷，乙酰乙酸乙酯，無(wú)水乙酸鈉，4-甲氧基苯胺，氫氧化鈉，氫氧化鉀，無(wú)水乙醇，丙酮，無(wú)水乙醚，二氯甲烷，甲醇，無(wú)水硫酸鈉，無(wú)水氯化鈣，濃鹽酸，硫酸，亞硝酸鈉。

3參考實(shí)驗(yàn)步驟

3.1　N-(3-溴丙基)鄰苯二甲酰亞胺(2)

將4.4g(30mmol)鄰苯二甲酰亞胺，6.7g(33mmol)1，3-二溴丙烷以及12.4g(90mmol)碳酸鉀加入100mL圓底燒瓶中，加入30mL丙酮，攪拌回流2h，TLC檢測(cè)原料基本轉(zhuǎn)化完全。產(chǎn)物經(jīng)硅膠短柱層析，洗脫液經(jīng)旋蒸除去溶劑，得到白色固體。抽濾，用石油醚洗滌固體，再經(jīng)重結(jié)晶或柱層析純化，得白色晶體，收率70%～80%。mp72～75℃(EtOH)。

1H NMR(CDCl3)：δ=7.80～7.90(m,2H),7.75(m,2H),3.85(t,2H),3.45(t,2H),2.30(m,2H)。

3.2　2-乙酰基-5-鄰苯二甲酰亞氨基戊酸乙酯(3)

在100mL 圓底燒瓶中加入2.68g(10mmol)N-(3-溴丙基)-鄰苯二甲酰亞胺，3.90g(30mmol)乙酰乙酸乙酯，0.60g(15mmol)NaOH，0.35g(2.5mmol)NaI，25mL CH3CN，攪拌回流1h。產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱層析分離，得到白色固體，收率約70%。mp56～58℃。

IR:1739,1713,1401,1244,1192,1145,1043,725cm-1。1H NMR(CDCl3):δ=7.75(m,4H),4.15(q,2H),3.7(t,2H),3.5(t,1H),2.25 (s,3H),1.5～2.0(m,4H),1.25(t,3H)。

3.3　2-羧乙基-3-(2-鄰苯二甲酰亞氨基乙基)-5-甲氧基吲哚(4)

3.3.1對(duì)甲氧基苯胺重氮鹽的制備

在錐形瓶中加入1.31g(10.6mmol)對(duì)甲氧基苯胺、6.1mL H2O、4.1mL濃鹽酸，加熱溶解成均相后用冰鹽浴冷卻，保持溫度低于-3℃，攪拌下滴加2mL含0.80g(12mmol)NaNO2的水溶液。室溫放置30min得到棕紅色重氮鹽溶液。

3.3.2Japp-Klingemann反應(yīng)

在圓底燒瓶中加入3.1g(9.8mmol)2-乙酰基-5-鄰苯二甲酰亞氨基戊酸乙酯、3.9g(48mmol)NaOAc、35mL EtOH，加熱溶解后在攪拌下于冰浴中冷卻。攪拌中滴加上述棕紅色重氮鹽溶液，冰浴下攪拌1h。室溫下繼續(xù)攪拌3h。將反應(yīng)液倒入100mL水中，用150mL CH2Cl2萃取3次，合并有機(jī)相，水洗兩次，無(wú)水硫酸鈉干燥，旋蒸除去CH2Cl2，得棕色黏稠狀液體。

3.3.3Fischer吲哚合成

向所得液體中加入5mL無(wú)水乙醇溶解，攪拌下緩慢滴加10mL 20% HCl-EtOH溶液，滴加完成后，回流反應(yīng)2h。冰水浴冷卻，過(guò)濾析出的固體，分別用甲醇、水、甲醇洗滌固體，得到淺褐色粉末狀固體(4)，收率約為80%。無(wú)需進(jìn)一步純化，可直接用于下步反應(yīng)。

IR:3324,1772,1719,1683,1393,1261,1219,1017,716cm-1。1H NMR(DMSO+CDCl3):δ=11.3(brs,1H),7.8(m,4H),7.3(d,1H),7.0(s,1H),6.8(d,1H),4.3(q,2H),3.9(t,2H),3.8(s,3H),3.7(t,2H),1.4(t,3H)。

3.4　5-甲氧基色胺(5)

在圓底燒瓶中加入2.95g(7.5mmol)2-羧乙基-3-(2-鄰苯二甲酰亞氨基乙基)-5-甲氧基吲哚(4)，加入14mL 12% NaOH溶液，加熱回流2h，得黃色澄清溶液。稍冷后攪拌下慢慢加入38mL 20%硫酸，回流5h，冰浴冷卻，過(guò)濾，濾液用二氯甲烷萃取除去可溶性雜質(zhì)。水溶液以冰浴冷卻，攪拌下慢慢滴加30% NaOH至pH=9～10，二氯甲烷萃取，有機(jī)相水洗后用無(wú)水硫酸鈉干燥，旋蒸除去二氯甲烷，得黃色固體，收率60%～70%。mp120～122℃。

IR:3349,3197,1662,1499,1215,1110,1024,808,776cm-1。1H NMR(CDCl3):δ=9.2(brs,1H),7.25(m,1H),7.0(m,2H),6.8(m,1H),3.8(s,3H),2.8～3.1(m,4H),2.5(brs,2H)。

3.5　褪黑激素 Melatonin(1)

將0.90g(4.7mmol)5-甲氧基色胺(5)溶于10mL二氯甲烷, 滴加2.1mL(15mmol)Et3N及1.0mL(10mmol)Ac2O，室溫?cái)嚢?0～60min。TLC監(jiān)測(cè)至反應(yīng)完全。加入10mL水，分液，水相用二氯甲烷萃取兩次，合并有機(jī)相，水洗，有機(jī)相用無(wú)水硫酸鈉干燥，旋蒸除去溶劑，硅膠柱層析純化，得褪黑激素黃色固體，收率約80%。mp116～117℃。

IR:3304，1629，1586，1555，1489，1212，1176，1041cm-1。1H NMR(CDCl3):δ=8.1(brs，1H)，7.3(d，1H)，7.05(brs，2H)，6.9(d，1H)，5.6(brs，1H)，3.9(s，3H)，3.6(m，2H)，2.95(t，2H)，1.95(s，3H)。

4討論分析

縱觀本實(shí)驗(yàn)所選的褪黑激素合成的各步反應(yīng)，基本上均為較易完成的方法，實(shí)驗(yàn)成功率很高，一般不會(huì)出現(xiàn)徹底失敗或收率極低的情況。問(wèn)題集中在如何提高收率、減少副產(chǎn)物生成以及如何用簡(jiǎn)便高效的反應(yīng)后處理純化方法來(lái)快速得到足夠量的中間體進(jìn)行下步反應(yīng)，且其純度不會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)行或帶來(lái)影響下一步產(chǎn)物的純化問(wèn)題。其中探索得到的所謂理想條件，要求適于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間因素，即不能有過(guò)長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，中間體純化時(shí)間不能影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，能夠達(dá)到中等收率60%～80%。以下分述各步反應(yīng)中的主要影響因素，有關(guān)條件實(shí)驗(yàn)及初步結(jié)論均來(lái)源于學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

(1)N-(3-溴丙基)鄰苯二甲酰亞胺的合成。

最初依據(jù)的文獻(xiàn)為采用鄰苯二甲酰亞胺鉀與大大過(guò)量的1，3-二溴丙烷反應(yīng)，存在的問(wèn)題一是多出一步鄰苯二甲酰亞胺鉀的制備(由鄰苯二甲酰亞胺與氫氧化鉀在無(wú)水乙醇中反應(yīng))；二是反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；三是會(huì)生成二取代產(chǎn)物，同時(shí)1，3-二溴丙烷用量很大(價(jià)格較高，而回收之后的試劑學(xué)生往往不愿意使用)。因以上原因，在開(kāi)設(shè)兩年之后學(xué)生更傾向于探索以鄰苯二甲酰亞胺在碳酸鉀存在下與1，3-二溴丙烷反應(yīng)的方法，主要探討了反應(yīng)溶劑(丙酮、DMF等)、反應(yīng)溫度及1，3-二溴丙烷使用量對(duì)反應(yīng)時(shí)間及產(chǎn)率的影響，目前較為理想的反應(yīng)條件如實(shí)驗(yàn)步驟中所示。

(2) 2-乙酰基-5-鄰苯二甲酰亞氨基戊酸乙酯的合成。

文獻(xiàn)方法最初為以乙醇鈉為堿在無(wú)水乙醇中反應(yīng)，其問(wèn)題一是時(shí)間較長(zhǎng)(4小時(shí)左右)，二是需要使用金屬鈉，反應(yīng)中會(huì)有氧代產(chǎn)物等。學(xué)生實(shí)驗(yàn)中探索了堿(碳酸鉀、碳酸鈉、叔丁醇鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰等)、溶劑(丙酮、甲醇、乙醇、二氧六環(huán)、四氫呋喃、乙腈、DMF、甲苯等)、溫度(60～100 ℃)等不同組合及堿、乙酰乙酸乙酯使用量對(duì)反應(yīng)時(shí)間、收率、副反應(yīng)控制、產(chǎn)物純化過(guò)程的影響。目前較為理想的條件為氫氧化鈉-乙腈體系。

(3) 2-羧乙基 -3-(2-鄰苯二甲酰亞氨基乙基)-5-甲氧基吲哚的合成。

利用Japp-Klingemann 反應(yīng)和Fischer吲哚合成法聯(lián)用構(gòu)建褪黑激素的吲哚環(huán)是本實(shí)驗(yàn)所選的合成路線的精華所在，學(xué)生普遍的反映是條件非常成熟，基本可以得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而產(chǎn)品可直接用于后面的水解脫羧，不需要進(jìn)行特別的純化。文獻(xiàn)中一般是使用10% HCl-乙醇溶液進(jìn)行關(guān)環(huán)反應(yīng)，在本實(shí)驗(yàn)中采用的20% HCl-乙醇溶液具有更好的效果。

(4) 5-甲氧基色胺及褪黑激素的制備。

這兩步反應(yīng)問(wèn)題較少，其中乙酰化需要注意可能會(huì)有二乙酰化的產(chǎn)物，反應(yīng)需要在溫和條件下進(jìn)行，產(chǎn)品一般需要通過(guò)柱層析進(jìn)行純化。

限于篇幅，我們僅對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的探索進(jìn)行了概要的說(shuō)明，有很多細(xì)節(jié)不便展開(kāi)。需要特別說(shuō)明的是，以上所述條件優(yōu)化及初步結(jié)果，均為歷屆學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的探索，其優(yōu)化的條件自己可以較好地重現(xiàn)，但卻經(jīng)常出現(xiàn)前屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被后屆學(xué)生否定、再重新進(jìn)行優(yōu)化條件探索的情況。我們教學(xué)組認(rèn)為，實(shí)際上見(jiàn)于文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)條件以及學(xué)生自己優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件可能均具有良好的可行性，但因?yàn)閷W(xué)生是首次接觸該實(shí)驗(yàn)，因其在實(shí)驗(yàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)條件把握的差別、實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣和能力的差別，導(dǎo)致出現(xiàn)重現(xiàn)性的差別。對(duì)于我們這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課而言，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是一個(gè)訓(xùn)練的載體，我們期望學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠有自己的探索空間，從中得到經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和收獲；所以這種看似矛盾的情況卻是我們樂(lè)于見(jiàn)到的。

感謝自2008年本實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)以來(lái)參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的田世良、陳瀚、孫長(zhǎng)亮、陳慶德、蔣星、張子旸、耿巍芝、王兮、蔡康、駱周揚(yáng)、郝偉、竇錦虎、王婕妤、顧克驊等教師、研究生助教和2006～2013級(jí)選課學(xué)生的參與合作。

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中圖分類號(hào)O6；G64

doi:10.3866/pku.DXHX20150343