科研項目轉(zhuǎn)化為藥物化學(xué)實驗的教學(xué)探索

白 玫，崔寶東，韓文勇，陳永正

（遵義醫(yī)科大學(xué)，貴州 遵義 563000）

藥物化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，而藥物化學(xué)實驗作為藥學(xué)專業(yè)學(xué)生的一門基本課程，對學(xué)生掌握相關(guān)實驗技巧以及理解本專業(yè)知識都起到了重要的作用，它不僅要求學(xué)生能熟練掌握藥物合成中涉及的基本原理操作技能，也要求學(xué)生能將理論結(jié)合實踐，通過查閱文獻、設(shè)計反應(yīng)路線、監(jiān)測反應(yīng)進度，最終合成目標產(chǎn)物，并能對目標產(chǎn)品進行理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)分析檢測。這樣不僅有利于學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，也有利于他們科研能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[1]。當前實驗教學(xué)內(nèi)容面臨的突出問題是：（1）由于沿用傳統(tǒng)實驗教材，內(nèi)容相對陳舊，缺乏科研前沿內(nèi)容，難以滿足行業(yè)發(fā)展的需要。（2）實驗操作過程單層次、單側(cè)面，實驗技術(shù)和知識點之間常常脫節(jié)，不能較好地激發(fā)學(xué)生的求知欲。所以，可以將科研項目的最新成果滲透到實驗課程內(nèi)容中，增加綜合設(shè)計性、研究性和創(chuàng)新性實驗題目的比例，探索教學(xué)與科研的結(jié)合，將科學(xué)研究工作的思想、方法、技術(shù)等注入實驗教學(xué)，調(diào)整優(yōu)化實驗教學(xué)方案和模式，促進實驗教學(xué)整體質(zhì)量提升[2]。

手性藥物（chiral drug）是藥物化學(xué)的一個很重要的概念，它是藥物分子結(jié)構(gòu)中引入手性中心后，得到的一對互為實物與鏡像的對映異構(gòu)體。含手性因素的化學(xué)藥物的對映體在人體內(nèi)的藥理活性、代謝過程及毒性存在顯著差異。當前手性藥物的研究已成為國際新藥研究的主要方向之一，而我們常規(guī)的藥物化學(xué)實驗很少涉及含手性因素的化學(xué)藥物的合成（即不對稱合成）相關(guān)內(nèi)容，我們希望將此內(nèi)容整合到藥物化學(xué)實驗中，加強對實驗教學(xué)的研究和改革，使學(xué)生實驗?zāi)軌蛸N近科研前沿、吸收最新科研成果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。

不對稱合成是反應(yīng)過程中因受分子內(nèi)或分子外的手性因素的影響，試劑向反應(yīng)物某對稱結(jié)構(gòu)的兩側(cè)進攻，進而在形成化學(xué)鍵時表現(xiàn)出不均等，結(jié)果得到不等量的立體異構(gòu)體的混合物，具有旋光活性。不對稱合成雖然一直是科研前沿，但是理論課教材介紹不夠詳盡，也比較抽象，所以這個實驗必須課前進行充分預(yù)習(xí)，為使學(xué)生在實驗前更好地預(yù)習(xí)，我們將本實驗要研究的手性問題、實驗需要的資料、預(yù)習(xí)要求等放到實驗中心的網(wǎng)頁上，要求學(xué)生實驗前根據(jù)研究的手性問題和預(yù)習(xí)要求查閱相關(guān)的文獻，回答預(yù)習(xí)題，寫出預(yù)習(xí)報告、文獻綜述和實驗方案等。讓學(xué)生充分了解這一領(lǐng)域的研究進展，并鼓勵學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識設(shè)計實驗方案，比較不同實驗方法的優(yōu)劣點。與教師討論確定實驗方案后，再進行實驗，這些主要安排在課外完成，同時，這種安排也鍛煉了學(xué)生的自學(xué)、理解、總結(jié)和應(yīng)用能力。

本文結(jié)合多年來從事藥物化學(xué)教學(xué)實踐以及接觸的前沿熱點領(lǐng)域，選取了作者自身科研項目中的部分科研成果——不對稱合成C3位含有氮原子的3，3'-二取代氧化吲哚結(jié)構(gòu)單元的化合物，將其開發(fā)為研究性、綜合性化學(xué)實驗。在實驗完成以后，學(xué)生之間通過實驗結(jié)果的相互比較以及與本科研項目已經(jīng)發(fā)表的實驗數(shù)據(jù)進行比較，就可以了解到反應(yīng)對產(chǎn)物的影響。

1 實驗原理

本文采用市售易得的金雞納生物堿（奎寧）作為有機小分子催化劑，對3-NCS氧化吲哚和亞胺類化合物進行不對稱串聯(lián)Mannich/cyclization反應(yīng)，一步獲得C3位含有氮原子的3，3'-二取代氧化吲哚結(jié)構(gòu)，這為以后的生物活性篩選提供豐富的化合物來源。本反應(yīng)以3-NCS氧化吲哚和N-對甲苯磺酰基醛亞胺為模板底物，經(jīng)過條件篩選，已證明的最優(yōu)條件為：1 mol%奎寧作為催化劑，甲苯作為溶劑，反應(yīng)溫度為0℃，50 mg 4?分子篩為添加劑，在10分鐘內(nèi)即可反應(yīng)完全。

為了使學(xué)生理解不對稱合成中的溶劑、時間、溫度等反應(yīng)條件對產(chǎn)物的對映選擇性、非對映選擇性和產(chǎn)率的影響，我們將學(xué)生分成若干組，在反應(yīng)的過程中分組考察催化劑量的改變、溶劑的改變、反應(yīng)時間的改變、溫度的改變對產(chǎn)物的影響，進而掌握不對稱合成中最優(yōu)條件的篩選方法。

本反應(yīng)可能的反應(yīng)機理如下：奎寧催化劑的三級胺使3-NCS氧化吲哚發(fā)生烯醇互變，從而使氧化吲哚C3位作為給體得到活化。另外，奎寧催化劑的C9-OH部分通過氫鍵活化亞胺，從而使3-NCS氧化吲哚作為給體在催化劑特定的手性環(huán)境下從Si面進攻亞胺發(fā)生Mannich加成反應(yīng)，接下來亞胺的另一端再進攻氧化吲哚C3位的NCS發(fā)生Cyclization反應(yīng)，得到了（C7S，C9S）構(gòu)型的C3位含氮雜原子的螺環(huán)氧化吲哚產(chǎn)物。見圖 1、表 1。

圖1實驗原理圖

表1 不對稱串聯(lián)Mannich/cyclization反應(yīng)的實驗內(nèi)容和教學(xué)安排

反應(yīng)過程中，采用薄層色譜法對反應(yīng)進程進行監(jiān)測；反應(yīng)結(jié)束后，需經(jīng)過柱層析分離純化產(chǎn)物、表征產(chǎn)物；在實驗完成后，要求學(xué)生處理實驗數(shù)據(jù)，并以小組為單位在課堂上做實驗匯報，從實驗背景、實驗方案設(shè)計思路、實驗結(jié)果及討論、實驗改進思路等幾個方面進行陳述，其中必然涉及課堂上沒有講過的知識點和實驗方法，這就促使學(xué)生去思考和分析，初步了解不對稱合成中最優(yōu)條件的篩選過程，使學(xué)生在實驗的基礎(chǔ)上能夠?qū)W會綜合運用所學(xué)知識去分析和解決復(fù)雜問題，創(chuàng)新意識和科研能力得到系統(tǒng)訓(xùn)練。這一系列過程的掌握使得學(xué)生順利過渡到隨后的科研學(xué)術(shù)訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)環(huán)節(jié)中。

2 試劑及儀器

1H-NMR和13C-NMR用Brucker-300型核磁共振儀測定；質(zhì)譜用P-SIMS-Gly（Bruker Daltonics．Inc）傅立葉變換離子回旋共振 （FT-ICRMS）高分辨質(zhì)譜儀和VG-7070E型質(zhì)譜儀測定；熔點用Büchi B-545測定。

四氫呋喃、甲苯、乙醚以及1，2-二氯乙烷用金屬鈉和二苯甲酮處理后蒸出。二氯甲烷、氯仿、乙腈等經(jīng)氫化鈣干燥后蒸出。其他溶劑除特別說明外均為國產(chǎn)市售分析純試劑。柱層析硅膠（200-300目）為青島海洋化工廠生產(chǎn)，薄層層析硅膠板為煙臺江友硅膠開發(fā)有限公司產(chǎn)品。

3 操作步驟

將 4?MS（50 mg），亞胺（1．1 equiv．），奎寧（1 mol%）加于新蒸的甲苯中攪拌兩分鐘，隨即加入3-NCS氧化吲哚（1．0 equiv）繼續(xù)反應(yīng)。TLC檢測反應(yīng)完畢后，柱層析分離（石油醚/乙酸乙酯 =4∶1～2∶1）得到目標產(chǎn)物。

4 產(chǎn)物表征數(shù)據(jù)

白色固體，收率 95%；78∶22 dr，94%ee；[α]D20=+5．1（c1．15，CH2Cl2）；mp 183．5-184．2 ℃ ；the ee was determined by HPLC analysis（Chiralpak OD-H，EtOH/hexane=30/70，flow rate 1．0 mL/min，λ =254 nm，major diastereomer：tminor=9．5 min，tmajor=13．4 min）；1H NMR（300 MHz，DMSO-d6）δ（major）2．42（s，3H），3．18（s，3H），5．85 （s，1H），6．00（s，1H），6．59（t，J=7．5 Hz，1H），6．89-7．01（m，1H），7．11-7．52（m，8H），7．91（d，J=8．1 Hz，2H），9．92 （s，1H）；13C NMR （75 MHz，DMSO-d6）δ（major）21．2，26．6，67．5，69．8，109．0，121．9，123．3，125．6，127．8，128．4，128．9，129．0，129．3，130．4，135．6，136．5，144．3，144．6，174．2，180．0；HRMS （ESI）：Calculated for C24H21N3NaO3S2[M+Na]+：486．0917，found：486．0908．

5 結(jié)語

目前就我們學(xué)校來說，學(xué)生在藥物化學(xué)實驗課上只做最基本的“往反應(yīng)瓶中加入試劑，得出實驗結(jié)果，把實驗結(jié)果寫成模式化的實驗報告”。這導(dǎo)致學(xué)生缺乏探索精神，只重視結(jié)果，忽視了最重要的過程。所以，科研成果引入教學(xué)直接向?qū)W生展示身邊的科學(xué)知識，并且建立前沿科學(xué)轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容更新的長效機制，有助于學(xué)生在實驗的過程加深其對化學(xué)基礎(chǔ)理論的理解和運用，強化基礎(chǔ)理論與實踐的結(jié)合。