《藥物合成反應》課程中關于羰基選擇性保護的綜合性實驗開發

楊春梅 馮書曉

(河南科技大學醫院，河南 洛陽 471023；河南科技大學化工與制藥學院，河南 洛陽 471023)

官能團保護問題和反應的選擇性問題是《藥物合成反應》課程的學習重點[1]。酮羰基具有許多反應性能，是藥物化學中最易發生反應的活性官能團之一[2]。目前常用的酮羰基保護方法是與乙二醇生成縮酮來降低羰基活性。當底物結構中含有兩種以上不同類型的酮羰基，同時又需要對其中一個進行專屬化學反應時，酮羰基的選擇性保護問題則顯得尤為重要。因此，選擇一個雙酮基底物分子開設官能團保護的綜合性實驗，是考察官能團保護和反應選擇性兩個知識點的有效途徑。結合課題組在甾體藥物及其中間體合成的科研實踐，本文選取雄烯二酮為例，探討了乙二醇選擇性保護甾體酮羰基的綜合性實驗設計。

雄烯二酮(Androstendione, AD，1)是雄甾-4-烯-3,17-二酮的簡稱，是一種由腎上腺和性腺分泌的19碳的甾體激素，作為生物化學合成雄性激素睪酮和雌性激素雌酮雌二醇的中間產物[3]。近些年來，隨著微生物限制性切除甾醇碳17側鏈技術的成功[4～7]，使雄烯二酮成為繼薯蕷皂素的又一甾體藥物合成原料，成為甾體制藥企業開發研究的重點[8, 9]。由于雄烯二酮的碳3位和碳17位均含有酮羰基結構，因此在對其結構修飾改造的過程中，經常需要有選擇性的保護其中的一個或雙保護，合成方法見圖1。

圖1 乙二醇選擇性保護雄烯二酮3,17-二酮Fig 1 Selective protection of androstendione3,17-diketone by ethylene glycol

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

Bruker Avance 400 MHz核磁共振儀(TMS為內標，德國Bruker公司)；Q-Tof MicroTM高分辨質譜儀(美國waters公司)；XT-4型顯微熔點儀(美國Perkin-Elmer 公司)。

雄烯二酮(湖北康寶泰精細化工公司)；對甲苯磺酸(TsOH·H2O)(國藥集團化學試劑)；乙二醇(天津市風船化學試劑)；甲苯、丙酮、氯仿及其它試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1TsOH催化雄烯二酮乙二醇縮酮的合成

雄甾-4-烯-3,17-二酮(雄烯二酮， AD， 1)1.00 g(3.5 mmol)，乙二醇4.34 g(70 mmol)，對甲苯磺酸一水合物(TsOH·H2O)55 mg(0.26 mmol)，甲苯50 mL，置于100 mL三口燒瓶中，在分水器下攪拌回流6 h后大約產生8 mL水，停止反應，冷卻；分別用5 mL飽和NaHCO3溶液中和，加入50 mL乙酸乙酯萃取，10 mL水洗滌2次，靜置分層，無水Na2SO4干燥，過濾，減壓旋蒸除去乙酸乙酯，加入10 mL甲醇熱溶，冷卻析晶，過濾得雄甾-5-烯-3,17-二乙二醇縮酮(2)白色固體；純化用甲醇重結晶。產率68%。TLC檢測反應(碘熏顯色)。甲醇濾液蒸干得副產物：雄甾-4-烯-3-酮-17-乙二醇縮酮(3)。

1.2.2酸催化雄烯二酮雙縮酮選擇性脫保護

向150 mL圓底燒瓶中，分別加入100 mL丙酮，0.1 mol/L HCl 10 mL，攪拌混勻，然后加入化合物2(2.68 mmol，1.00 g)，室溫攪拌6 h后停止反應，TLC點板檢測反應終點；加入40 mL飽和NaHCO3溶液，減壓旋蒸除去丙酮及水，加入氯仿30 mL萃取，過濾除去不溶物，不溶物用氯仿洗滌，合并氯仿液，分別用10 mL飽和NaCl溶液洗滌2次，10 mL水洗滌2次，無水Na2SO4干燥，過濾，減壓旋蒸除去氯仿，加入丙酮重結晶(濾除不溶物)，置于冰箱中析晶(-20 ℃)，過濾得雄甾-5-烯-17-酮-3-乙二醇縮酮(4)白色固體；純化用丙酮重結晶。產率53%。點板檢測反應(碘熏顯色)。丙酮濾液蒸干得起始原料：雄烯二酮(1)。

2 結果與討論

2.1 縮酮保護法的合成機理

有機反應機理是有機化學反應內在的規律，是有機化學理論學習的重要組成部分。縮酮保護法是酮羰基保護的最經典方法之一，該反應在酸催化下生成，但同時也可以被酸催化水解成原來的羰基。因此，保護后的縮酮在堿性介質中穩定，但在酸性條件下非常敏感。此方法通常以乙二醇為試劑，由于原料廉價易得，操作方便，故而在甾體藥物合成中常常應用。該反應的機理如圖2所示。

圖2 縮酮保護法的反應機理Fig 2 reaction mechanism byketal protection method

2.2 結構解析

有機化合物波譜解析是確認物質結構的基本手段[12]，是有機化學的重要組成部分。實驗中，原料雄烯二酮與產物雄甾-5-烯-3,17-二縮酮、雄甾-4-烯-3-酮-17-縮酮和雄甾-5-烯-17-酮-3-縮酮三種產物的甾體母核結構相似，保護基相同，四種化合物的結構解析對學生有機化合物結構鑒定能力提出了較高的要求，尤其是核磁共振數據解析(包括氫譜和碳譜)。表1對比列出了4種化合物的典型NMR數據以供學生實驗參考。

從圖1的反應式可以看出，C3位酮羰基與乙二醇形成縮酮保護基后，會引發鄰位雙鍵的重排，從C4-C5位遷移重排至C5-C6位；這與表1的核磁數據一致，即雄甾-5-烯-3,17-二縮酮和雄甾-5-烯-17-酮-3-縮酮均出現了化學位移5.3×10-6的單峰，積分面積為1，此峰是H-6的特征峰；碳譜數據也相應出現C5(140×10-6)和C6(121×10-6)的特征峰。C3位酮羰基沒有與乙二醇發生反應的，雙鍵依舊在C4-C5位，如雄甾-4-烯-3-酮-17-縮酮的氫譜中則保留了與原料雄甾-4-烯-3,17-二酮相同的H-4特征峰(5.7×10-6，單峰)；碳譜數據也保留了C4(123×10-6)和C5(170×10-6)的特征峰。另一方面，碳譜數據中羰基通常出現在200×10-6的低場區，例如實驗中220×10-6的C17和199×10-6的C3，均可以作為酮羰基是否被保護的判定依據；而且酮羰基被乙二醇保護形成縮酮后，均在氫譜中出現OCH2CH2O的特征峰，通過氫的數目也可以判定是單保護還是雙保護。總之，雄烯二酮乙二醇縮酮保護實驗對考察學生藥物波譜解析知識的掌握具有實踐意義。

表1 特征性核磁數據對比Table 1 the comparation of charactrisic NMR datas

3 實驗教學與安排

(1)實驗前預習與準備。通過查閱文獻，了解雄烯二酮在甾體藥物合成中的意義；重點了解有機化學官能團保護、化學反應選擇性、有機波譜解析等理論知識；熟悉原料雄烯二酮的結構特點、縮酮法保護酮羰基的反應機理，以及核磁共振儀等現代化儀器的原理和使用方法。

(2)實驗教學安排與分組。按照普通化學課的實驗教學安排開展，采取2人/組，16組/班實施。

(3)實驗結果表達與要求。寫出反應方程式，并分析反應機理；計算反應收率；根據核磁共振譜圖找出特征峰和化學位移，說明解析依據；撰寫實驗報告。

4 結 論

該綜合實驗包括文獻檢索、化學合成和表征、機理分析和結構解析等過程，涵蓋有機化學多個重要知識點。化學工藝、制藥工程和精細化工等專業的學生通過該實驗項目的訓練，系統掌握復雜有機化合物的化學合成、官能團保護、反應選擇性控制以及結構解析等實驗技能，為進一步完成專業實驗課程、創新創業訓練、畢業論文(設計)和從事科學研究工作打下良好基礎。

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