周江峰，李宏利，釧永明，季四平，袁明龍，蔣 琳

(云南民族大學(xué) 云南省生物高分子功能材料工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500)

碳青霉烯類抗生素(carbapenem)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一類全新結(jié)構(gòu)的β-內(nèi)酰胺酶抑制劑[1-2]. 泰比培南(tebipenem)(1)，中文化學(xué)名為(1R, 5S, 6S)-6-[(1R)-羥乙基]-1-甲基-2-[1-(1-(2-噻唑啉-2-基)氮雜環(huán)丁烷-3-基硫代]-1-碳青霉-2-烯-3-羧酸(見圖1)，其特戊酯型前藥是惠氏制藥公司研制的第一個口服碳青霉烯類抗生素，于2009年在日本上市. 泰比培南在臨床上多用于兒科呼吸道、泌尿道細(xì)菌感染的治療，對革蘭陽性、陰性菌及厭氧菌都具有很強(qiáng)的抗菌活性[3].

泰比培南化學(xué)結(jié)構(gòu)具有培南類藥物分子的共同特征，即培南母核和側(cè)鏈通過硫醚鍵連接，因此泰比培南半合成工藝研究主要是對其側(cè)鏈合成工藝的改進(jìn)[4]. 泰比培南側(cè)鏈2(見圖1)，中文化學(xué)名為1-(4, 5-二氫-2-噻唑啉基)-3-巰基氮雜環(huán)丁烷鹽酸鹽，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為氮雜環(huán)丁烷的1位和3位分別被4,5-二氫-2-噻唑啉基和巰基取代.

本實(shí)驗以芐胺為起始原料，經(jīng)與環(huán)氧氯丙烷取代開環(huán)，N-烷基化反應(yīng)合成1-芐基-3-羥基氮雜環(huán)丁烷4；化合物4經(jīng)氫化脫芐基、N-叔丁氧羰基(Boc)化制備1-Boc-3-羥基氮雜環(huán)丁烷5；再經(jīng)甲磺?；⒚揃oc、連續(xù)取代反應(yīng)、酯交換、成鹽6步反應(yīng)合成泰比培南側(cè)鏈2，總收率24.3%. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR、HRMS及元素分析確證，泰比培南側(cè)鏈合成路線見圖2.

1 實(shí)驗部分

1.1 儀器與試劑

Optimelt全自動熔點(diǎn)儀；Varain 400 MHz核磁共振譜儀；Finnigan LCQDECA型液質(zhì)聯(lián)用儀；Yanako CHN-Corder元素分析儀.

乙腈使用前用氫化鈣回流除水，二甲基亞砜使用前減壓蒸餾純化，其余化學(xué)試劑及溶劑均為市售分析純.

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 1-芐基-3-羥基氮雜環(huán)丁烷(4)的合成

反應(yīng)燒瓶中加入芐胺 (72.0 g, 670 mmol)和600 mL水，冰浴下滴加環(huán)氧氯丙烷(59.0 g, 640 mmol)，滴畢反應(yīng)24 h，濾集析出的白色沉淀，真空干燥得白色固體198 g，為中間體3，77% yield; m.p. 70～72 ℃(lit. 72～73 ℃)；中間體3(70.0 g, 350 mmol) 和碳酸氫鈉 (59.1 g, 700 mmol) 中加入 560 mL 乙腈，回流24 h，冷卻至室溫，濾除不溶物，剩余物經(jīng)石油醚/乙酸乙酯重結(jié)晶得白色固體247.2 g(4)，82% yield; m.p. 64～65 ℃(lit. 64～65 ℃[5]).

1.2.2 1-叔丁氧羰基-3-羥基氮雜環(huán)丁烷(5)的合成

化合物4(40.0 g, 240 mmol) 溶于120 mL甲醇和40 mL水，加入甲酸銨 (30.3 g, 480 mmol) 和鈀碳 (10%含量, 10.0 g)，室溫反應(yīng)12 h，過濾，濾液于冰浴下加入 (Boc)2O (52.4 g, 240 mmol) 和4-二甲氨基吡啶 (DMAP) (1.5 g, 12 mmol)，攪拌8 h，乙酸乙酯提取，有機(jī)相減壓濃縮，所得殘余物經(jīng)石油醚/乙酸乙酯重結(jié)晶得白色固體35.3 g，為中間體5(85% yield);1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ：4.53 (m, 1 H), 4.11～4.07 (dd,J= 10.4, 7.2 Hz, 2H), 3.78～3.74 (dd,J=8.8, 4.4 Hz, 2 H), 3.60 (s, 1 H), 1.38 (s, 9 H).

1.2.3 1-叔丁氧羰基-3-甲烷磺酸酯基氮雜環(huán)丁烷(6)的合成

化合物5(1.0 g, 5.8 mmol) 溶于20 mL二氯甲烷，加入三乙胺 (1.2 mL, 8.7 mmol)，冰浴下滴加甲烷磺酰氯 (0.58 mL, 7.5 mmol)，0 ℃反應(yīng)2 h，反應(yīng)液依次用水和飽和食鹽水洗滌，Na2SO4干燥有機(jī)層，減壓濃縮溶劑得淡黃色液體粗品1.4 g，為中間體6(96% yield);1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ:5.19 (m, 1H), 4.26 (dd,J= 10.0 Hz, 6.8 Hz, 2H), 4.08 (dd,J= 10.0 Hz, 3.6 Hz, 2H), 3.05 (s, 3H), 1.43 (s, 9H).

1.2.4 1-( 4, 5-二氫-2-噻唑啉基)-3-甲烷磺酸酯基氮雜環(huán)丁烷(8)的合成

化合物6(1.4 g, 5.6 mmol) 溶于10 mL二氯甲烷，冰浴下加入1 mL三氟醋酸，反應(yīng)2 h，抽濾得白色固體7(1.31 g, 88% yield)；中間體7(0.92 g, 4.9 mmol) 溶于10 mL乙腈，加入2-甲硫基-2-噻唑啉(0.65 g, 4.9 mmol)，50 ℃反應(yīng)6 h，減壓濃縮溶劑，殘余物溶于水中，飽和碳酸鉀水溶液調(diào)節(jié)pH至9，乙酸乙酯提取，提取液用飽和食鹽水洗滌，Na2SO4干燥，濃縮溶劑得白色固體8(0.87 g, 75% yield);1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ:5.30 (m, 1H), 4.34 (dd,J= 9.6 Hz, 6.8 Hz, 2H), 4.17 (dd,J= 10.8 Hz, 4.4 Hz, 2H), 4.03 (t,J= 7.6 Hz, 2H), 3.39 (t,J= 7.6 Hz, 2H), 3.07 (s, 3H).

1.2.5 1-( 4, 5-二氫-2-噻唑啉基)-3-硫代乙酸酯基氮雜環(huán)丁烷(9)的合成

化合物8(1.0 g, 4.2 mmol) 與硫代乙酸鉀 (0.97 g, 8.4 mmol) 溶于10 mL二甲基亞砜(DMSO)，110 ℃反應(yīng)3 h，乙酸乙酯稀釋，依次用水、飽和食鹽水洗滌，Na2SO4干燥，減壓濃縮溶劑，殘余物經(jīng)快速柱層析純化，V(石油醚)∶V(丙酮)=2∶1得黃色液體0.76 g，為中間體9(yield 84%);1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ:4.43 (t,J= 8.4 Hz, 2H), 4.30 (m, 1H), 4.01 (t,J=7.6 Hz, 2H), 3.89 (dd,J= 9.2 Hz, 5.6 Hz, 2H), 3.36 (t,J= 7.6 Hz, 2H), 2.34 (s, 3H).

1.2.6 1-( 4, 5-二氫-2-噻唑啉基)-3-巰基氮雜環(huán)丁烷鹽酸鹽(2)的合成

化合物9(500 mg, 2.3 mmol) 溶于甲醇 (10 mL)，加入甲醇鈉 (128.8 mg, 2.3 mmol)，室溫下攪拌0.5 h，加入濃度為2 mol/L的氯化氫甲醇溶液2.8 mL (5.5 mmol)，反應(yīng)15 min后過濾除去不溶物，濾液減壓濃縮，乙腈/四氫呋喃重結(jié)晶得無色晶體，為目標(biāo)產(chǎn)物2(413 mg, 85% yield); m.p. 132～134 ℃, (lit. 134～136 ℃[5]);1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ:12.19 (s, 1H), 5.26～5.19 (m, 1H), 4.63 (t,J= 7.6 Hz, 2H), 4.18～4.02 (m, 4H), 3.59 (t,J= 7.6 Hz, 2H), 2.57 (d,J= 7.2 Hz, 1H); HRMS (FAB) calcd for C6H11N2S2175.0364, found 175.0376 (M-Cl); Anal. Calcd for C6H11ClN2S2: C, 34.19; H, 5.26; N, 13.29, found: C, 34.17; H, 5.18; N, 13.24.

2 結(jié)果與討論

已知文獻(xiàn)報道的泰比培南側(cè)鏈合成路徑主要分為3類：①以二苯甲胺為起始原料，首先合成中間體3-羥基氮雜環(huán)丁烷鹽酸鹽10，后對其氨基和羥基進(jìn)行轉(zhuǎn)化，完成4,5-二氫-2-噻唑啉基和巰基的引入(圖3a)[6]；②以烯丙基胺為起始原料，在合成氮雜環(huán)丁烷片段的同時構(gòu)建3-巰基片段，得到中間體3-巰基氮雜環(huán)丁烷鹽酸鹽11后再引入二氫噻唑片段(圖3b)[7-8]；③從芐胺出發(fā)，合成N-芐基-3-羥基氮雜環(huán)丁烷，經(jīng)甲烷磺?；?、氫化脫芐基2步操作得3-甲烷磺酸酯基氮雜環(huán)丁烷鹽酸鹽7，隨后再完成二氫噻唑和巰基片段的構(gòu)建(圖3c)[5,9].

1)與上述合成路徑a, b相比，改進(jìn)后的合成路線避免了強(qiáng)吸濕，大極性中間體10或11的合成或直接分離純化；由于路徑c中用氫氣/鈀碳脫芐基時產(chǎn)物7在反應(yīng)條件下易發(fā)生開環(huán)，新方法在較早階段即對氮上保護(hù)基進(jìn)行更換，使用在常規(guī)酸堿條件下即可快速引入及脫除的Boc基團(tuán)替換芐基，化合物4脫芐后可在反應(yīng)體系中原位與(Boc)2O反應(yīng)而無需對脫芐產(chǎn)物進(jìn)行分離. 通過篩選氫源，確定了以甲酸銨作為氫源在甲醇中反應(yīng)，脫芐產(chǎn)物能夠很好地耐受該反應(yīng)條件，此外，中間體5無需經(jīng)柱層析或是重結(jié)晶純化，粗品即可用于后續(xù)投料.

2)改進(jìn)的合成路線中，中間體6～8粗品即可滿足后續(xù)反應(yīng)需求，如需進(jìn)一步制得純品可通過重結(jié)晶操作，無需柱層析純化.

3)改進(jìn)的合成路線中，中間體6用三氟醋酸脫Boc反應(yīng)收率高，產(chǎn)物7性質(zhì)穩(wěn)定，未觀察到類似路徑c中氫化條件下的開環(huán)副反應(yīng).

3 結(jié)語

本法從廉價易得的芐胺出發(fā)，經(jīng)10步反應(yīng)合成碳青霉烯類抗生素泰比培南側(cè)鏈，總收率24.3%，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR、HRMS及元素分析確證. 改進(jìn)后的合成路線革除了文獻(xiàn)報道方法中毒性大、成本高的反應(yīng)試劑，反應(yīng)條件溫和，操作簡便，收率穩(wěn)定，具有較好的放大生產(chǎn)前景.

參考文獻(xiàn):

[1] 鄧玲華, 李虹影. 碳青霉烯類抗生素的特點(diǎn)與應(yīng)用[J]. 中國全科醫(yī)學(xué), 2004, 7(2): 104-105.

[2] 董耘婷, 張永信. 碳青霉烯類抗生素的發(fā)展與展望[J]. 上海醫(yī)藥, 2011, 32(7): 316-319.

[3] 張文君, 吳文芳, 馮小龍. 新型口服碳青霉烯類抗菌藥物——泰吡培南酯[J]. 河北醫(yī)藥, 2010, 32(18): 2596-2599.

[4] 黃小光, 陳矛, 朱少璇, 等. 替比培南匹伏酯及其側(cè)鏈的合成研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)與生物工程, 2011, 28(12): 20-23.

[5] ISODA T, YAMAMURA I, TAMAI S, et al. A practical and facile synthesis of azetidine derivatives for oral carbapenem, L-084[J]. Chem Pharm Bull, 2006, 54(10): 1408-1411.

[6] 黃小光, 黃冰娥, 朱少璇. 替比培南匹伏酯側(cè)鏈的合成[J]. 中國新藥雜志, 2012, 21(4): 428-430.

[7] HAYASHI K, SATO C, HIKI S. Novel efficient synthesis of 1-azabicyclo[1.1.0]butane and its application to the synthesis of 1-(1,3-thiozolin-2-yl)azetidine-3-thiol useful for the pendant moiety of an oral 1(-methylcarbapenem antibiotic L-084[J]. Tetrahedron Lett,1999, 40(19): 3761-3764.

[8] HAYASHHI K, HIKI S, KUMAGAI T. Synthesis of azetidine derivatives using 1-azabicyclo[1.1.0] butane[J]. Heterocycles, 2002, 56(1/2): 433-442.

[9] ISODA T, TAMAI S, KUMAGAI T. An efficient method for the synthesis of 3-mercapto-1-(1,3-thiazolin-2-yl)azetidine useful for the pendant moiety of oral carbapenem, L-084[J]. Heterocycles，2006, 68(9):1821-1824.