關玲　徐烜峰　邊磊　高楊　張奇涵

(北京大學化學基礎實驗教學中心　北京 100871)

褪黑激素的合成——介紹一個探索性有機化學實驗

關玲徐烜峰邊磊高楊張奇涵*通訊聯(lián)系人，E-mail：zqh@pku.edu.cn

(北京大學化學基礎實驗教學中心北京 100871)

摘要介紹一個面向大學二年級本科生的探索性實驗?；趯＠墨I方法的合成路線較為適宜學生實驗且具有良好訓練價值：以鄰苯二甲酰亞胺、1,3-二溴丙烷、乙酰乙酸乙酯、對甲氧基苯胺為基本原料，以Japp-Klingemann 反應和Fischer吲哚合成法聯(lián)用構建吲哚環(huán)，經(jīng)水解脫羧、乙?；?，合成了褪黑激素。對學生在實驗中的條件優(yōu)化探索進行了簡要介紹。

關鍵詞探索性實驗褪黑激素Japp-Klingemann反應多步合成

The Synthesis of Melatonin

——An Exploratory Organic Chemistry Experiment

Guan LingXu XuanfengBian LeiGao YangZhang Qihan*

(ExperimentalChemistryCenter,PekingUniversity,Beijing100871,China)

AbstractThe synthesis of melatonin is an exploratory experiment completed by second-year undergraduates. The synthetic approach based on the procedure provided by the patent is a short, simple, and industrially feasible process suitable for organic chemistry laboratory. The formation of the indole ring is completed based on Japp-Klingemann reaction and Fischer indole synthesis using phthalimide, 1,3-dibromo-propane, ethyl acetoacetate and 4-anisidine as the main reactants. Melatonin forms after hydrolyzation, decarboxylation and acetylation of the indole ring. The optimization of conditions is also discussed briefly.

Key WordsExploratory experiment; Melatonin; Japp-Klingemann reation; Multi-step synthesis

褪黑激素(N-乙酰-5-甲氧基色胺(1)，melatonin)是一種神經(jīng)系統(tǒng)激素，它具有廣泛的生理活性。最早由耶魯大學的學者Aaron Lerner等人在1958年從松果腺中分離得到[1-2]，因而又稱松果腺素。研究資料表明褪黑激素具有多種生物活性和多方面的商業(yè)應用前景[3]。

褪黑激素的合成引起了很多有機合成化學家的興趣，發(fā)展了多條合成路線。早期的合成方法是從3，5-二取代的吲哚出發(fā)進行的結構修飾[4]，之后出現(xiàn)的一些以簡單的取代苯化合物出發(fā)的合成，才是真正意義上的全合成。其中，F(xiàn)ranco等人的路線[5]最為引人入勝，利用Japp-Klingemann反應和Fisher吲哚合成反應巧妙地設計了一條從簡單易得的廉價原料制備褪黑激素的路線。 這條合成路線的每步收率都較高，且純化方法多為重結晶，適于工業(yè)生產(chǎn)，是褪黑激素合成研究中的重要發(fā)現(xiàn)?；诖耍覀冞x擇了該合成路線作為基本方法，參考其他文獻[6-7]，并在教學過程中，通過學生實驗逐步篩選出在反應試劑、反應條件、反應時間、純化方法等各方面均適于有機化學實驗教學的實驗條件，具體介紹如下。

1實驗原理

Franco等以鄰苯二甲酰亞胺鉀、1,3-二溴丙烷、對甲氧基苯胺為主要原料，經(jīng)5步反應合成了褪黑激素(圖1)：以鄰苯二甲酰亞胺鉀與1,3-二溴丙烷反應得到N-(3-溴丙基)-鄰苯二甲酰亞胺，在堿存在下與乙酰乙酸乙酯反應得到2-乙?；?5-鄰苯二甲酰亞氨基戊酸乙酯，與對甲氧基苯胺重氮鹽偶聯(lián)后環(huán)化，得到2-羧乙基-3-(2-鄰苯二甲酰亞氨乙基)-5-甲氧基吲哚，再經(jīng)氫氧化鈉皂化水解、脫羧后，得到5-甲氧基色胺，經(jīng)乙?；蟮玫酵屎诩に?。實驗教學中最早即按照此方法的路線及反應條件進行實驗。實踐證明，該方法具有較好的可重復性，但從實驗課教學角度需要解決的問題是：減少反應投料量，在有效控制副反應、促使主反應進行得較為徹底的同時，盡量縮短反應時間、簡化后處理，使得多數(shù)實驗者可以在6～7次的實驗中完成合成。

圖1　褪黑激素的合成

2儀器與試劑

2.1　儀器

磁力攪拌器，循環(huán)水式多用真空泵，顯微熔點儀，紫外分析儀，旋轉蒸發(fā)儀，核磁共振儀，電子天平，一套小量半微量磨口玻璃儀器。

2.2　試劑

鄰苯二甲酰亞胺，1,3-二溴丙烷，乙酰乙酸乙酯，無水乙酸鈉，4-甲氧基苯胺，氫氧化鈉，氫氧化鉀，無水乙醇，丙酮，無水乙醚，二氯甲烷，甲醇，無水硫酸鈉，無水氯化鈣，濃鹽酸，硫酸，亞硝酸鈉。

3參考實驗步驟

3.1　N-(3-溴丙基)鄰苯二甲酰亞胺(2)

將4.4g(30mmol)鄰苯二甲酰亞胺，6.7g(33mmol)1，3-二溴丙烷以及12.4g(90mmol)碳酸鉀加入100mL圓底燒瓶中，加入30mL丙酮，攪拌回流2h，TLC檢測原料基本轉化完全。產(chǎn)物經(jīng)硅膠短柱層析，洗脫液經(jīng)旋蒸除去溶劑，得到白色固體。抽濾，用石油醚洗滌固體，再經(jīng)重結晶或柱層析純化，得白色晶體，收率70%～80%。mp72～75℃(EtOH)。

1H NMR(CDCl3)：δ=7.80～7.90(m,2H),7.75(m,2H),3.85(t,2H),3.45(t,2H),2.30(m,2H)。

3.2　2-乙?；?5-鄰苯二甲酰亞氨基戊酸乙酯(3)

在100mL 圓底燒瓶中加入2.68g(10mmol)N-(3-溴丙基)-鄰苯二甲酰亞胺，3.90g(30mmol)乙酰乙酸乙酯，0.60g(15mmol)NaOH，0.35g(2.5mmol)NaI，25mL CH3CN，攪拌回流1h。產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱層析分離，得到白色固體，收率約70%。mp56～58℃。

IR:1739,1713,1401,1244,1192,1145,1043,725cm-1。1H NMR(CDCl3):δ=7.75(m,4H),4.15(q,2H),3.7(t,2H),3.5(t,1H),2.25 (s,3H),1.5～2.0(m,4H),1.25(t,3H)。

3.3　2-羧乙基-3-(2-鄰苯二甲酰亞氨基乙基)-5-甲氧基吲哚(4)

3.3.1對甲氧基苯胺重氮鹽的制備

在錐形瓶中加入1.31g(10.6mmol)對甲氧基苯胺、6.1mL H2O、4.1mL濃鹽酸，加熱溶解成均相后用冰鹽浴冷卻，保持溫度低于-3℃，攪拌下滴加2mL含0.80g(12mmol)NaNO2的水溶液。室溫放置30min得到棕紅色重氮鹽溶液。

3.3.2Japp-Klingemann反應

在圓底燒瓶中加入3.1g(9.8mmol)2-乙?；?5-鄰苯二甲酰亞氨基戊酸乙酯、3.9g(48mmol)NaOAc、35mL EtOH，加熱溶解后在攪拌下于冰浴中冷卻。攪拌中滴加上述棕紅色重氮鹽溶液，冰浴下攪拌1h。室溫下繼續(xù)攪拌3h。將反應液倒入100mL水中，用150mL CH2Cl2萃取3次，合并有機相，水洗兩次，無水硫酸鈉干燥，旋蒸除去CH2Cl2，得棕色黏稠狀液體。

3.3.3Fischer吲哚合成

向所得液體中加入5mL無水乙醇溶解，攪拌下緩慢滴加10mL 20% HCl-EtOH溶液，滴加完成后，回流反應2h。冰水浴冷卻，過濾析出的固體，分別用甲醇、水、甲醇洗滌固體，得到淺褐色粉末狀固體(4)，收率約為80%。無需進一步純化，可直接用于下步反應。

IR:3324,1772,1719,1683,1393,1261,1219,1017,716cm-1。1H NMR(DMSO+CDCl3):δ=11.3(brs,1H),7.8(m,4H),7.3(d,1H),7.0(s,1H),6.8(d,1H),4.3(q,2H),3.9(t,2H),3.8(s,3H),3.7(t,2H),1.4(t,3H)。

3.4　5-甲氧基色胺(5)

在圓底燒瓶中加入2.95g(7.5mmol)2-羧乙基-3-(2-鄰苯二甲酰亞氨基乙基)-5-甲氧基吲哚(4)，加入14mL 12% NaOH溶液，加熱回流2h，得黃色澄清溶液。稍冷后攪拌下慢慢加入38mL 20%硫酸，回流5h，冰浴冷卻，過濾，濾液用二氯甲烷萃取除去可溶性雜質。水溶液以冰浴冷卻，攪拌下慢慢滴加30% NaOH至pH=9～10，二氯甲烷萃取，有機相水洗后用無水硫酸鈉干燥，旋蒸除去二氯甲烷，得黃色固體，收率60%～70%。mp120～122℃。

IR:3349,3197,1662,1499,1215,1110,1024,808,776cm-1。1H NMR(CDCl3):δ=9.2(brs,1H),7.25(m,1H),7.0(m,2H),6.8(m,1H),3.8(s,3H),2.8～3.1(m,4H),2.5(brs,2H)。

3.5　褪黑激素 Melatonin(1)

將0.90g(4.7mmol)5-甲氧基色胺(5)溶于10mL二氯甲烷, 滴加2.1mL(15mmol)Et3N及1.0mL(10mmol)Ac2O，室溫攪拌20～60min。TLC監(jiān)測至反應完全。加入10mL水，分液，水相用二氯甲烷萃取兩次，合并有機相，水洗，有機相用無水硫酸鈉干燥，旋蒸除去溶劑，硅膠柱層析純化，得褪黑激素黃色固體，收率約80%。mp116～117℃。

IR:3304，1629，1586，1555，1489，1212，1176，1041cm-1。1H NMR(CDCl3):δ=8.1(brs，1H)，7.3(d，1H)，7.05(brs，2H)，6.9(d，1H)，5.6(brs，1H)，3.9(s，3H)，3.6(m，2H)，2.95(t，2H)，1.95(s，3H)。

4討論分析

縱觀本實驗所選的褪黑激素合成的各步反應，基本上均為較易完成的方法，實驗成功率很高，一般不會出現(xiàn)徹底失敗或收率極低的情況。問題集中在如何提高收率、減少副產(chǎn)物生成以及如何用簡便高效的反應后處理純化方法來快速得到足夠量的中間體進行下步反應，且其純度不會影響反應進行或帶來影響下一步產(chǎn)物的純化問題。其中探索得到的所謂理想條件，要求適于有機化學實驗中的時間因素，即不能有過長反應時間，中間體純化時間不能影響實驗進程，能夠達到中等收率60%～80%。以下分述各步反應中的主要影響因素，有關條件實驗及初步結論均來源于學生實驗。

(1)N-(3-溴丙基)鄰苯二甲酰亞胺的合成。

最初依據(jù)的文獻為采用鄰苯二甲酰亞胺鉀與大大過量的1，3-二溴丙烷反應，存在的問題一是多出一步鄰苯二甲酰亞胺鉀的制備(由鄰苯二甲酰亞胺與氫氧化鉀在無水乙醇中反應)；二是反應時間較長；三是會生成二取代產(chǎn)物，同時1，3-二溴丙烷用量很大(價格較高，而回收之后的試劑學生往往不愿意使用)。因以上原因，在開設兩年之后學生更傾向于探索以鄰苯二甲酰亞胺在碳酸鉀存在下與1，3-二溴丙烷反應的方法，主要探討了反應溶劑(丙酮、DMF等)、反應溫度及1，3-二溴丙烷使用量對反應時間及產(chǎn)率的影響，目前較為理想的反應條件如實驗步驟中所示。

(2) 2-乙?；?5-鄰苯二甲酰亞氨基戊酸乙酯的合成。

文獻方法最初為以乙醇鈉為堿在無水乙醇中反應，其問題一是時間較長(4小時左右)，二是需要使用金屬鈉，反應中會有氧代產(chǎn)物等。學生實驗中探索了堿(碳酸鉀、碳酸鈉、叔丁醇鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰等)、溶劑(丙酮、甲醇、乙醇、二氧六環(huán)、四氫呋喃、乙腈、DMF、甲苯等)、溫度(60～100 ℃)等不同組合及堿、乙酰乙酸乙酯使用量對反應時間、收率、副反應控制、產(chǎn)物純化過程的影響。目前較為理想的條件為氫氧化鈉-乙腈體系。

(3) 2-羧乙基 -3-(2-鄰苯二甲酰亞氨基乙基)-5-甲氧基吲哚的合成。

利用Japp-Klingemann 反應和Fischer吲哚合成法聯(lián)用構建褪黑激素的吲哚環(huán)是本實驗所選的合成路線的精華所在，學生普遍的反映是條件非常成熟，基本可以得到較好的實驗結果，而產(chǎn)品可直接用于后面的水解脫羧，不需要進行特別的純化。文獻中一般是使用10% HCl-乙醇溶液進行關環(huán)反應，在本實驗中采用的20% HCl-乙醇溶液具有更好的效果。

(4) 5-甲氧基色胺及褪黑激素的制備。

這兩步反應問題較少，其中乙?；枰⒁饪赡軙卸阴；漠a(chǎn)物，反應需要在溫和條件下進行，產(chǎn)品一般需要通過柱層析進行純化。

限于篇幅，我們僅對學生實驗中的探索進行了概要的說明，有很多細節(jié)不便展開。需要特別說明的是，以上所述條件優(yōu)化及初步結果，均為歷屆學生在實驗中的探索，其優(yōu)化的條件自己可以較好地重現(xiàn)，但卻經(jīng)常出現(xiàn)前屆學生的實驗結果被后屆學生否定、再重新進行優(yōu)化條件探索的情況。我們教學組認為，實際上見于文獻報道的實驗條件以及學生自己優(yōu)化的實驗條件可能均具有良好的可行性，但因為學生是首次接觸該實驗，因其在實驗中對實驗條件把握的差別、實驗操作習慣和能力的差別，導致出現(xiàn)重現(xiàn)性的差別。對于我們這樣一個實驗教學課而言，實驗項目是一個訓練的載體，我們期望學生在實驗中能夠有自己的探索空間，從中得到經(jīng)驗教訓和收獲；所以這種看似矛盾的情況卻是我們樂于見到的。

感謝自2008年本實驗開設以來參加實驗教學的田世良、陳瀚、孫長亮、陳慶德、蔣星、張子旸、耿巍芝、王兮、蔡康、駱周揚、郝偉、竇錦虎、王婕妤、顧克驊等教師、研究生助教和2006～2013級選課學生的參與合作。

參考文獻

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中圖分類號O6；G64

doi:10.3866/pku.DXHX20150343