利用無溶劑研磨反應制備3-取代異吲哚啉-1-酮類化合物

王平安，姚琳，張東旭，聶慧芳，李穆瓊，姜茹

空軍軍醫大學藥學系，藥物化學與藥物分析學教研室，西安 710032

3-取代異吲哚啉-1-酮是許多藥物和具有生理活性的天然產物的重要結構單元(圖1)[1]，含有該結構單元的藥物如帕戈隆(Pagoclone)、帕嗪克隆(Pazinaclone)等已經用于治療如口吃、焦慮、失眠等一些精神性疾病。經愛思唯爾(Elsevier)公司化學數據庫Reaxys?查詢可知，含有這類骨架的化合物達29000多個，其中有生理活性的化合物占到80%以上，表現出良好的抗炎、抗癌、抗真菌、抗病毒、抗精神疾病等藥理活性，如多巴胺D4受體激動劑(S)-PD-172938[2]和苯二氮卓類受體拮抗劑(R)-JM 1232[3]等。3-取代異吲哚啉-1-酮結構單元還存在于許多具有生理活性的天然分子中，如生物堿Lennoxamine、Chilenine、Taliscanine等。這些分子被證實具有抗癌、抗氧化等作用。3-取代異吲哚啉-1-酮骨架的合成方法分為金屬催化和有機催化兩類[4]，這些方法絕大多數是在有機溶劑中進行的，反應時間較長(2–72 h)，有些還使用了對水、空氣敏感的試劑，所得產物絕大多數需要柱層析分離純化，操作繁瑣，難以規模化合成。

圖1 含有3-取代異吲哚啉-1-酮結構單元的藥物及生物活性分子

綠色合成化學[5]的發展涌現出一大批優異的反應模式，光照、超聲、微波、加壓、研磨等物理手段介入有機合成化學，為各類化合物的綠色制備提供便捷。研磨反應(Grinding Reaction)是機械化學(Mechanochemistry)[6]的分支，分為兩種方法，一種是將反應物在研缽里混勻并研磨；另一種是將反應物加入到球磨機里，使用不同直徑的研磨球進行球磨。上述兩種方法絕大多數無需使用易揮發的有機溶劑，操作簡單、反應時間短且產率高，在有機物合成、納米材料制備以及藥物輔料生產中應用廣泛。

研磨反應在有機合成中的應用非常廣泛。然而，在目前大學化學的實驗教材中，均未見到使用研磨反應制備有機化合物的實例。近期我們發展了利用簡單研磨快速進行Michael加成反應的方法[7]。為展示研磨反應簡便高效的特點，我們設計了以2-氰基芳醛和活潑亞甲基化合物(如丙二酸二甲酯、乙酰乙酸乙酯等)為原料，在無水碳酸鉀催化下，通過室溫研磨反應，一步制備3-取代異吲哚啉-1-酮類化合物的實驗，期望能夠拋磚引玉，將研磨反應帶入到本科生化學實驗課堂。旨在讓學生建立綠色合成化學理念，開拓知識視野，熟練運用薄層色譜(TLC)監測反應進程和產物純度，了解有機合成化學的發展前沿，激發學習興趣。

1 實驗目的

(1) 熟悉相關文獻檢索網站(如美國化學會ACS，英國皇家化學會RSC等)，學習中英文相關文獻檢索方法，通過查閱文獻了解含有3-取代異吲哚啉-1-酮骨架化合物的生物及藥理活性；

(2) 了解綠色有機合成化學的發展現狀，加深對研磨法制備有機化合物的認識；

(3) 熟悉Aldol串聯環化反應機理，掌握3-取代異吲哚啉-1-酮類化合物的制備方法；

(4) 掌握薄層色譜監測反應的實驗操作；

(5) 理解核磁共振儀的基本操作和相應的譜圖分析。

2 實驗原理

利用2-氰基芳甲醛和活潑亞甲基化合物構建3-取代異吲哚啉-1-酮的反應機理比較復雜[8]，如圖2所示。第一步，活潑亞甲基在催化劑作用下與2-氰基芳甲醛發生Aldol反應，生成加成中間體A；第二步，加成中間體A的羥基分子內親核進攻鄰位―CN，生成環亞胺B，緊接著發生重排(rearrangement)，形成開環中間體C；第三步，C發生分子內Michael加成，得到3-取代異吲哚啉-1-酮骨架。這幾步緊密相連，互為基礎，共同完成環化反應。

圖2 Aldol串聯環化反應機理

3 儀器和試劑

儀器：核磁共振儀(Bruker AV 400 Spectrometer，CDCl3為溶劑，TMS為內標)；高分辨質譜儀(Bruker microTOF-Q II Mass Spectrometer，ESI-HRMS)；高效液相色譜儀(HPLC，安捷倫1260)；熔點儀(JH30)全自動熔點儀。

試劑：2-氰基苯甲醛(分析純)，丙二酸二甲酯(分析純)，丙二酸二乙酯(分析純)，丙二酸二異丙酯(分析純)，丙二酸二芐酯(分析純)，乙酰丙酮(分析純)，乙酰乙酸乙酯(分析純)，二氯甲烷(分析純)，石油醚(精餾級)，乙酸乙酯(精餾級)，三乙胺(Et3N，分析純)，二異丙基乙基胺(iPr2NEt，分析純)，三乙烯二胺(DABOC，分析純)，1,8-二氮雜雙環[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU，分析純)，三苯基膦(PPh3，分析純)，氫氧化鈉(NaOH，分析純)，碳酸鈉(Na2CO3，分析純)，無水碳酸鉀(K2CO3，分析純)，薄層色譜硅膠板(F254)和柱層析硅膠(200–300目)均購于青島海洋化工有限公司。

4 實驗內容

4.1 篩選實驗

我們選用2-氰基苯甲醛和丙二酸二甲酯為模板底物，使用三乙胺(Et3N)、二異丙基乙基胺(iPr2NEt)、三乙烯二胺(DABOC)、1,8-二氮雜雙環[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)、三苯基膦(PPh3)、氫氧化鈉(NaOH)、碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸鉀(K2CO3)等8種有機和無機堿，對無溶劑研磨反應制備3-取代異吲哚啉-1-酮的可能性進行了驗證，實驗結果如表1所示。

實驗操作如下：

稱取1.0 mmol 2-氰基苯甲醛(132 mg)、1.1 mmol丙二酸二甲酯(135 mg)和表1相應數量的堿，置于6 cm口徑天然瑪瑙研缽中，混合均勻，室溫研磨相應時間。用薄層色譜監測反應情況。待反應完全后，用15 mL二氯甲烷轉移反應混合物。對使用固體無機堿或鹽的反應液過濾，蒸干溶劑得產品；對使用液體有機堿的反應液先用1 mol·L?1HCl 5 mL洗滌一次，再分別用水(5 mL)和飽和食鹽水(5 mL)洗滌一次，無水硫酸鈉干燥，蒸干溶劑后得產品，分別計算產率。

表1 篩選實驗結果

表1的篩選實驗結果表明，除PPh3以外，其他有機堿都可以催化模板反應，且能獲得較高產率，但由于所使用的有機堿均為液體，不方便準確量取，因此選用固體NaOH作為催化劑，相同條件下導致反應結果復雜，無法得到相應產物；將催化劑換成Na2CO3時，可獲得75%的產率；當使用10% (x，摩爾百分比)的K2CO3催化該反應時，室溫研磨1 min即可獲得大于99%的產率，且無機鹽一般難溶于有機溶劑，很容易從反應體系中除去，所以最終選用K2CO3作為最優催化劑。

4.2 主體實驗

稱取1.0 mmol 2-氰基芳甲醛、1.05 mmol活潑亞甲基化合物和14.0 mg無水K2CO3(10% (x))，置于6 cm口徑天然瑪瑙研缽中，混合均勻，室溫研磨1–10 min。薄層色譜監測顯示反應完全(展開劑石油醚/乙酸乙酯，體積比為2 : 1，產物的Rf值為0.1–0.3之間)。用10 mL二氯甲烷分批轉移干凈反應混合物，過濾，濃縮，無需柱層析即可獲得產品。通過上述無溶劑研磨反應，一共獲得了15個產物(圖3)，顯示了該方法的穩定性、普適性和便捷性。所得產物用核磁共振分析確定其結構。

隨著綜合含水的上升，每采出1 噸油所需要的產液量大幅度增加，用于補充地層能量的注水量也相應增加，導致舉升成本、處理成本、注入成本增加，單位生產成本上升。

圖3 無溶劑研磨反應制備3-取代異吲哚啉-1-酮類化合物結構

4.3 實驗結果

我們分別以“2-氰基苯甲醛+丙二酸二甲酯”“2-氰基苯甲醛+丙二酸二乙酯”“4-氟-2-氰基苯甲醛+丙二酸二乙酯”和“2-氰基苯甲醛+乙酰乙酸乙酯”為例，進行了無溶劑研磨放大實驗(5–10 mmol規模，圖4)，它們的具體實驗結果如下。

圖4 無溶劑研磨反應放大操作

4.3.1 反應實例1：2-氰基苯甲醛+丙二酸二甲酯(式-1)

稱取140 mg無水K2CO3(10 mol%)，置于12 cm口徑的白色陶瓷研缽中，快速研磨成細粉末(約10 s)，迅速加入事先稱取好的10.0 mmol 2-氰基苯甲醛和10.5 mmol丙二酸二甲酯(式-1)。室溫繼續研磨，反應混合物變得粘稠，1 min后液體原料完全消失，此時反應混合物結塊(注意：反應輕微放熱)；再研磨2 min至粉末狀。薄層色譜監測顯示反應完全(展開劑石油醚/乙酸乙酯，體積比為2 : 1，產物1的Rf值為0.20，圖5)。先將固體粗產物粉末轉移出研缽(粗產物的粉紅色來自原料2-氰基苯甲醛)，再用20 mL二氯甲烷分批轉移干凈反應混合物。將粗產物粉末用40 mL二氯甲烷溶解，合并后通過1.0 cm厚的200–300目硅膠抽濾，用10 mL二氯甲烷洗滌硅膠層，得淺黃色至黃色清亮濾液。濃縮濾液，即可得到產物。所得產物用核磁共振氫譜確定其結構(圖6)。淡黃色至黃色固體，2.62 g，產率> 99%。

圖5 產物1的TLC分析

圖6 產物1的1H NMR圖譜

1H NMR (400 MHz, Chloroform-d)δ7.89 (d,J= 7.4 Hz, 1H)，7.61–7.52 (m, 2H)，7.35 (d,J= 7.4 Hz，1H)，6.81 (s, 1H)，5.21 (d,J= 7.8 Hz, 1H)，3.89 (s, 3H)，3.72 (s, 3H)，3.64 (d,J= 7.8 Hz, 1H)。

4.3.2 反應實例2：2-氰基苯甲醛+丙二酸二乙酯(式-2)

操作步驟(式-2)同反應實例1。反應較丙二酸二甲酯慢，需研磨7–10 min，Rf= 0.2 (展開劑石油醚/乙酸乙酯，體積比為2 : 1，圖7)。所得產物用核磁共振氫譜確定其結構(圖8)。淡黃色至黃色固體，2.88 g，產率> 99%。1H NMR (400 MHz, Chloroform-d)δ7.89(d,J= 7.4 Hz, 1H)，7.61–7.52(m, 2H)，7.39 (d,J= 7.36 Hz, 1H)，6.81(s, 1H)，5.19 (d,J= 7.16 Hz, 1H)，4.39–4.31 (m, 2H)，4.14 (q,J= 7.12 Hz,2H)，3.65 (d，J= 7.28 Hz, 1H)，1.35 (t，J= 7.12 Hz, 3H)，1.14 (t,J= 7.12 Hz, 3H).

圖7 產物2的TLC分析

圖8 產物2的1H NMR圖譜

4.3.3 反應實例3：4-氟-2-氰基苯甲醛+丙二酸二甲酯(式-3)

圖9 產物3的TLC分析

圖10 產物3的1H NMR圖譜

4.3.4 反應實例4：2-氰基苯甲醛+乙酰乙酸乙酯(式-4)

操作步驟(式-4)同反應實例1 (5 mmol規模)。反應較丙二酸二甲酯慢，需研磨7–10 min，Rf= 0.2(展開劑石油醚/乙酸乙酯，體積比為2 : 1，圖11)。所得產物為非對映異構體混合物(4/1)。核磁共振氫譜確定其結構(圖12)。淡黃色至黃色低熔點固體，1.30 g，產率> 99%。1H NMR (400 MHz, Chloroformd)δ7.88, 7.74 (d,J= 6.6 Hz, 1H), 7.59–7.50 (m, 2H), 7.32 (d,J= 8.2 Hz, 1H), 6.68, 6.21 (s, 1H), 5.26 (d,J= 7.6 Hz, 1H), 4.35, 4.15 (q,J= 7.2 Hz, 2H ), 3.82, 3.86 (d,J= 9.6 Hz, 1H), 2.39, 2.22 (s, 3H), 1.16, 0.98(t,J= 7.2 Hz, 3H)。

圖11 產物13的TLC分析

圖12 產物13的1H NMR圖譜

5 討論

5.1 底物對反應的影響

活潑亞甲基化合物種類繁多，對丙二酸酯類化合物而言，甲酯的反應速率大于乙酯，乙酯的反應速率大于異丙酯，叔丁酯則幾乎不發生上述研磨反應；對乙酰乙酸乙酯和乙酰丙酮而言，前者的反應速率大于后者；硝基乙酸乙酯、丙二腈、氰乙酸甲酯等活潑亞甲基化合物也能發生上述研磨反應。亞甲基兩側基團相同時(對稱亞甲基化合物，如丙二酸二甲酯)，可得到一對外消旋體；當亞甲基兩側基團不同時(非對稱亞甲基化合物，如乙酰乙酸乙酯)，會得到4種異構體，但通常以一對外消旋體為主要產物。

5.2 無水K2CO3用量對反應的影響

無水K2CO3的用量控制在10%–15% (x)之間為宜，減少用量會導致反應速率變慢；增加用量則會導致產物收率降低，可能是因為酯基水解的緣故。

6 實驗注意事項

(1) 無水K2CO3在空氣中易吸水，要快稱快用。

(2) 2-氰基芳醛質輕，粉末容易飛濺，易引起呼吸道不適(如咳嗽等)，應在通風櫥中稱量和使用。

(3) 建議反應規模控制在5 mmol以下，以免造成污染和浪費。

7 結語

利用無溶劑研磨反應制備3-取代異吲哚啉-1-酮類化合物，相比較傳統的使用溶劑攪拌反應而言，要方便快捷。使用的活潑亞甲基化合物價廉易得，既可大量操作，也能微量反應。所得產物可以進一步水解脫羧[9]或進行其他官能團轉化，非常適合綠色有機合成實驗教學。