藥物化學實驗中普魯卡因合成方法的改進*

張 燕，曾要富，劉 映，鄭 興，陳洪飛

(1 南華大學教務部，湖南 衡陽 421001；2 南華大學藥學院，湖南 衡陽 421001)

藥物化學是對化學物質進行設計、優化和開發以得到藥物的一門學科，它是藥學各二級學科中的上游學科之一，承擔著培養新藥研發人才的社會職能，在國家重大新藥創制戰略中發揮著舉足輕重的作用。作為藥物研發的龍頭和主干，藥物化學其教學始終重視理論與實驗的“知行合一”，即重視通過實驗來驗證和鞏固理論知識，并在實驗過程中拓展理論知識、改進合成路線。

《藥物化學實驗》作為理論課的配套實踐課，是以藥物的化學合成為主體，兼含文獻查閱、實驗方案設計、計算機輔助藥物設計、產物結構確證等內容的一門課程，其目的是使學生了解藥物化學概貌，培養藥物化學思考方法，鍛煉基本的化學合成操作技能，為更好地掌握藥物化學知識及更進一步的研究性學習做好鋪墊。

目前廣泛使用的藥物化學實驗教材《藥物化學實驗與指導》中編入了多種藥物的化學合成步驟，其中即包括經典局麻藥普魯卡因的合成實驗。普魯卡因是由可卡因結構改造而得--可卡因是最早使用的局麻藥，是從南美古柯樹葉中提取的生物堿，但其具有很強的成癮性和毒性，早已不再用于臨床；德國化學家Alfred Einhorn通過簡化可卡因的莨菪烷結構、保留活性必需的酯結構，得到了普魯卡因，它克服了可卡因的成癮性和毒性，并保持了優良的局麻活性。該藥化學結構簡潔，合成路線簡短可行，難度不大而易于學生操作，所需原料及試劑也都是常規試劑，價廉易得，很適合作為學生學習藥物化學實驗的經典范例，是實驗教學中必做實驗之一。

教材中普魯卡因鹽酸鹽的合成路線如圖1所示。

圖1 鹽酸普魯卡因的合成Fig.1 Synthesis of procaine hydrochloride

該合成路線是以對硝基苯甲酸為起始原料，經過與N,N-二甲基乙醇胺的酯化反應、鐵粉還原、與鹽酸成鹽等三個主要步驟反應而得，路線較為簡短，反應原理不復雜，理論上來說是相對容易成功的實驗。然而，在普魯卡因鹽酸鹽合成的教學過程中，我們發現學生按照該路線操作時實驗成功率非常低(只有約10%)，遇到的問題包括收率較低甚至得不到產物、合成費時費料、后處理操作困難等；在與學生交流互動中，我們感受到了學生渴望實驗成功的強烈愿望--大多數同學都要求重做該實驗，但終因時間不足而不得不放棄；以及對實驗失敗原因的強烈探求欲--在實驗過程中學生有大量疑問，而老師們往往苦于無暇完全作答，學生則“惑終不解矣”。

考慮到實驗中遇到的困難，以及學生的知識儲備可能尚不足以解決這些問題，因此本教研室老師們決定對合成路線予以改進。通過對實驗路線進行分析，并總結操作過程中的不利/失敗因素，我們認為，第一步反應是實驗成功的關鍵，原路線低收率、難處理，直接影響了后續實驗，是需要改進的關鍵一步；另外后續操作中也有一些需要改進的地方。經過討論我們提出了相應的解決方案。

1 起始原料的選擇

(1)問題一。第一步反應是以對硝基苯甲酸與N,N-二甲基乙醇胺發生酯化反應，此步驟所得的產物硝基卡因太少，直接影響了后面幾步的合成。這是因為對硝基苯甲酸的酯化效率低(與羧酸基團較弱的酰化能力有關，大量對硝基苯甲酸沒有反應，造成了浪費)，而且因溶劑二甲苯難處理亦損失部分產物，最終導致與N,N-二甲基乙醇胺的酯化反應收率約為10%～20%左右(投料對硝基苯甲酸20.0 g，得硝基卡因3～6 g)；同時由于酯化反應速度慢，反應時間長達六小時，期間學生只能等待，無法動手操作，浪費了寶貴的實驗時間。

此步反應結束后，未反應的對硝基苯甲酸會冷卻形成堅硬的結塊，而結塊的孔隙中也吸納了大量液體(包含產物硝基卡因及溶劑二甲苯)，既無法充分蒸除，又很難進行過濾；而按照教材中將結塊“以3%鹽酸140 mL溶解”操作時，學生往往會得到粘稠油狀物，很難分離提取產物。

(2)解決方案。對該反應進行分析后，我們認為對硝基苯甲酸較低的反應活性是癥結所在，而考慮到酰氯的酰化效率遠高于羧基，我們試用對硝基苯甲酰氯來作為起始原料，并加入三乙胺作為縛酸劑。預實驗中我們使用對硝基苯甲酰氯5.6 g，反應結束處理后，得到硝基卡因7.5 g，其酯化反應收率可近95%；且反應時間大大縮短，只需要0.5小時即可反應完全，節省了時間；原子轉化率高，節省了大量物料。

在實際本科生實驗教學過程中，使用對硝基苯甲酰氯后，反應效果很好，收率高而且后處理容易--因原料幾乎完全反應而沒有殘余，因此不會有分離提取的困難，只需除去反應產生的三乙胺鹽酸鹽即可。學生們的動手積極性很高。

圖2 改良的第一步反應Fig.2 Improvement of the first step of synthesis e

表1 改良路線與原路線比較Table 1 Comparison of improved route and original rout

2 反應溶劑的選擇

(1)問題二。第一步反應溶劑采取二甲苯，原理是通過二甲苯回流帶出酯化反應產生的水，并利用分水器除去水，使反應正向進行。然而，二甲苯有一定毒性，據文獻報道，二甲苯可抑制中樞神經系統、導致心室閾值異常增高、肝壞死、胚胎發育不良、致人惡心昏迷等，在實驗操作中，我們常觀察到學生因操作不當而皮膚沾染二甲苯的情況，而實驗室也彌漫二甲苯的氣味，對學生的健康有負面影響；且排放的二甲苯氣體、廢液等都對環境有不利影響[6]。盡管二甲苯毒性并不劇烈，但考慮到實驗室通風櫥效果欠佳，以及它的高沸點、難蒸除的缺點，我們決定換用更安全易處理的溶劑。

(2)解決方案。在起始原料換用對硝基苯甲酰氯后，反應中不再產生水，也即不需要共沸物除水了，因此可供選擇的有機溶劑種類很多。在多次預實驗之后，我們采用無水四氫呋喃為反應溶劑。四氫呋喃是中等極性非質子溶劑，對反應原料溶解性良好，不會破壞或阻礙成酯反應，而且其毒性很低，在環境中是易降解的，因此對人和環境影響都非常小，是比較友好的反應溶劑。在學生實驗中證明其有效，由于沸點較低(為66 ℃，而二甲苯的沸點為139 ℃)，很容易從反應體系中蒸除。

以對硝基苯甲酰氯和四氫呋喃替換之后，則幾乎不會有原料殘余，后處理非常簡便：只需要先濾除反應產生的三乙胺鹽酸鹽，再蒸除四氫呋喃，得到泥狀物；以乙酸乙酯稀釋泥狀物，飽和食鹽水洗3～5次，乙酸乙酯層干燥、過濾、蒸干，即得硝基卡因粗品。

3 最后一步成鹽反應

(1)問題三。普魯卡因為固體粉末，按教材中步驟 “向其中慢慢滴加濃鹽酸至pH 5.5，加熱至60 ℃，加精制食鹽至飽和”非常困難：實際操作時，因所需加的濃鹽酸液體量太少，得到非常粘稠的泥狀物，pH值很難測準，常有學生不小心加過量，回調pH值時，NaOH極易加過量，而導致普魯卡因水解；僥幸沒有加過量時，也因為體系中帶入的水分過多而不得不進行除水，浪費了大量時間。

(2)解決方案：可向普魯卡因固體中加入幾滴飽和食鹽水，稀釋之后再用濃鹽酸調pH值，稀釋之后有利于測定pH值，而普魯卡因鹽酸鹽在飽和食鹽水中因“同離子效應”而溶解度很低，因此損失較小[7]。

4 其他導致失敗的常見因素

(1)問題四。普魯卡因制備的最后一步是“用20%氫氧化鈉堿化至普魯卡因全部析出為止(pH為9.5～10.5)，過濾，抽干，得普魯卡因，供下步成鹽用”。在此步驟中，往年很多同學將抽濾得到普魯卡因濾餅放置在通風櫥中備用；結果在下次實驗課需用時發現普魯卡因全部變成黑色油狀物，變質無法再用。

(2)解決方案。經分析，是濾餅中殘存的少量氫氧化鈉在長時間放置過程中，緩慢水解了普魯卡因的酯鍵；不僅如此，因普魯卡因含有苯胺基團，在空氣中存放時，苯胺基團也會被空氣中的氧氣所氧化[8]，導致無法再用。因此我們想到可以在抽濾時用足量的水充分淋洗濾餅，徹底洗去殘存的氫氧化鈉；并將普魯卡因濾餅放置在充滿氮氣的干燥器中，防止苯胺基團氧化。我們在帶實驗課時，提醒學生按照此要求進行處理，證實了按此操作后普魯卡因不會變質，提高了最終成功率。

5 結 語

普魯卡因鹽酸鹽的合成路線雖然較為簡短，但也有不少容易導致失敗的因素，實際要做成功也并不容易。原路線合成效率低、耗時久、溶劑有一定的毒性，而最終只有極少幾組學生能得到普魯卡因鹽酸鹽；以往的實驗中學生們對此充滿了挫敗感，也會影響后續實驗課的積極性。在本次實驗方法改進中，我們與學生進行了互動，充分聽取了學生的意見，并了解到他們對實驗成功的迫切渴望，很多學生實驗失敗的時候當場要求重做一遍，體現了他們一種鍥而不舍的精神，而我們老師也體會到了實驗方法改進的必要性。在本教研室老師們集思廣益之后提出了本優化方法，并經實驗驗證確實行之有效，實驗成功率達到80%以上。學生的動手積極性也大增，實驗教學效果得到了提高。