江 瀾， 張 立, 蔡林宏, 官曉書, 胡湘南*

(1. 重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067; 2. 重慶醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，重慶 400016)

單晶是了解物質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，單晶結(jié)構(gòu)分析可以提供一個(gè)化合物在固態(tài)中所有原子的精確空間位置，從而為化學(xué)、材料化學(xué)和生命科學(xué)等研究提供廣泛而重要的信息[1-2]。晶體的生長和質(zhì)量主要依賴于晶核形成和生長的速率[3]。目前，常用的單晶培養(yǎng)的方法包括溶劑揮發(fā)法、凝膠擴(kuò)散法、蒸汽擴(kuò)散法、升華法等[4]。溶劑揮發(fā)法是通過冷卻或蒸發(fā)化合物的飽和溶液，讓化合物結(jié)晶出來[5]。這時(shí)，最好采取必要措施，使其緩慢冷卻或蒸發(fā)，以求獲得完美的晶體。

Chart 1

Scheme 1

Scheme 2

由諾華[6]設(shè)計(jì)的維格列汀[7-8](Chart 1)是一種高度選擇性，可逆的口服活性二肽基肽酶IV(DPP-IV)抑制劑[9]，用于治療2型糖尿病[10]。通過維格列汀逆合成路線分析(Scheme 1)，發(fā)現(xiàn)(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸(1) (Chart 1)是一種手性化合物，也是制備維格列汀的重要中間體[11]。在維格列汀手性源的制備中，產(chǎn)物的構(gòu)型既可能保持不變，也可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)或手性轉(zhuǎn)移，而只有(2S)-維格列汀才具有DPP-IV抑制活性，因此，為了保證其合成得到產(chǎn)物立體結(jié)構(gòu)的一致性，手性中間體的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)確證顯得尤為重要。另外，維格列汀專利的保護(hù)已于2019年年底到期，隨著市場需求量的增加，維格列汀的研發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)引起2型糖尿病治療藥物研究的新浪潮。則在維格列汀合成過程中的一些重要中間體的化學(xué)結(jié)構(gòu)，特別是立體絕對構(gòu)型的確證，對今后維格列汀的工藝制備及其研究具有指導(dǎo)意義。

采用無溶劑法合成1，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，與原有文獻(xiàn)[12]相比，該合成路線降低了成本。采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面方法對合成工藝進(jìn)行優(yōu)化后摸索出較優(yōu)良的合成路線(Scheme 2)。通過溶劑揮發(fā)法獲得1的單晶，并通過單晶X-射線衍射對其分子空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

RY-1型毛細(xì)管熔點(diǎn)儀； PerkinAmelmer Spectrum One型紅外光譜儀；AV500 MHz型核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo)，DMSO-d6為溶劑)；2010A型質(zhì)譜儀；APEX-II Smart-apex-2型單晶衍射儀；APEX-II CCD型面探測儀。

L-脯氨酸(重慶鴻兵生物科技發(fā)展有限公司)；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)1的合成

將L-脯氨酸4.0 g(0.034 mol)裝入100 mL圓底燒瓶中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下緩慢滴加氯乙酰氯9.8 mL(0.129 mol)于反應(yīng)瓶中，滴畢，升溫?cái)嚢?.5 h。反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，向反應(yīng)瓶中加入水(30 mL)和乙酸乙酯(50 mL)萃取，收集有機(jī)層，將水層用乙酸乙酯(3×15 mL)萃取，將有機(jī)層用飽和食鹽水(30 mL)洗滌，合并有機(jī)層，無水硫酸鈉干燥，過濾，濃縮得淡黃色油狀液體，冰浴條件下滴加異丙醚析晶，抽濾干燥得白色固體(1) 5.67 g，產(chǎn)率85.28%, m.p.108～110.9 ℃(m.p.108 ～ 110 ℃[13]);1H NMR(500 MHz, DMSO-d6)δ: 1.97～2.34(m, 4H, CH2), 3.57～3.74(m, 2H, CH2), 4.04～4.15(m, 2H, CH2Cl), 4.55～4.64(m, 1H, CHCOOH), 12.47(s, 1H, COOH);13C NMR(125 MHz, DMSO-d6)δ: 24.5, 28.5, 41.8, 47.2, 59.3, 166.2, 174.9; IRν: 3418, 3051, 2989, 2938, 2810, 1718, 1608, 1475, 1461 cm-1； HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H10NO3Cl{[M + H]+}192, found 191.61。

(2) 單晶培養(yǎng)

將12.00 g(0.0104 mol)加入到甲醇(20 mL)中并劇烈攪拌溶解。所得溶液放入50 mL圓底燒瓶中，瓶口用穿有幾個(gè)小孔的石蠟?zāi)じ采w，使其在室溫下緩慢揮發(fā)。14 d后，得到無色透明塊狀晶體，適用于單晶X-射線衍射檢測。

(3) 晶體結(jié)構(gòu)的測定

APEX-II單晶衍射儀用CCD面探測儀收集衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在293 K溫度條件下，使用石墨單色器的Cu Kα(λ=1.54184 ?輻射為光源進(jìn)行衍射數(shù)據(jù)收集。在SCALE3 ABSPACK縮放算法中，通過球面諧波效應(yīng)對綜合數(shù)據(jù)和縮放數(shù)據(jù)進(jìn)行了吸收校正。使用Olex2[14]軟件中的ShelXS[15]程序?qū)w結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，并采用ShelXL[16]程序通過最小二乘法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正。利用各向異性位移參數(shù)對所有非氫原子進(jìn)行精制細(xì)化，使用幾何計(jì)算法和差值Fourier法獲得全部氫原子的位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成

以便宜易得的L-脯氨酸作為原料，且為了減少反應(yīng)成本，使用無溶劑法在氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流合成1。1的合成中，發(fā)現(xiàn)3個(gè)影響因素對其產(chǎn)率影響較大，包括：氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比為因素X，反應(yīng)溫度為因素Y，反應(yīng)時(shí)間為因素Z。利用單因素試驗(yàn)法考察它們對1收率的影響。

具體方法為：在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，首先設(shè)定L-脯氨酸的投料量為4 g，反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時(shí)間為1.5 h，考察氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比對1收率的影響；其次設(shè)定L-脯氨酸的投料量為4 g，氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比2.5/1，反應(yīng)時(shí)間為1.5 h，考察反應(yīng)溫度對1收率的影響；最后設(shè)定L-脯氨酸的投料量為4 g，氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比2.5/1，反應(yīng)溫度70 ℃，考察反應(yīng)時(shí)間對1收率的影響，考察結(jié)果見表1。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)考察結(jié)果

由表1結(jié)果可看出，氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間3個(gè)因素對1收率的影響相對較大。因此，分析其影響因素的水平范圍：氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比X為2/1～3/1、反應(yīng)溫度Y為60～80 ℃、反應(yīng)時(shí)間Z為1～2 h。

2.2 星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面優(yōu)化

為了對該反應(yīng)的影響因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，運(yùn)用了星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面優(yōu)化法，該方法同樣以氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比為因素X，反應(yīng)溫度為因素Y，反應(yīng)時(shí)間為因素Z；每個(gè)因素設(shè)定5個(gè)水平，分別用-1.682， -1， 0， +1和+1.682作為代碼，對影響因素進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

表2 因素和水平

2.3 效應(yīng)面優(yōu)化

通過上述數(shù)據(jù)處理可以繪制出任意兩個(gè)自變量的三維響應(yīng)曲面圖(圖1)。通過對圖1分析可知，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間這3個(gè)因素的數(shù)值增大時(shí)會(huì)使1的收率隨之增大，達(dá)到最大值后，又會(huì)逐漸降低。通過分析3個(gè)三維響應(yīng)曲面圖得出最優(yōu)工藝條件為：氯乙酰氯與L-脯氨酸的摩爾比2.55/1，反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時(shí)間1.7 h。在此條件下，預(yù)測收率為89.5 %。

2.4 單晶

單晶X-射線衍射結(jié)果最終確定1的單晶屬于正交晶系，空間群為P212121，a=7.2116(3) ?，b=7.2639(2) ?，c=16.8262(6) ?，α=90°，β=90°，γ=90°，理論密度Dc=1.444 g/cm3， 晶胞內(nèi)分子數(shù)Z=4，晶胞體積V=881.43(6) ?3， Flack因子為0.002(14)，不對稱單位化學(xué)計(jì)量式為C7H10NO3Cl，計(jì)算單個(gè)分子的相對分子質(zhì)量為191.61 g/mol。

圖11的合成效應(yīng)面

從單晶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以看出，該化合物還有一個(gè)手性中心碳原子，即C2，為S構(gòu)型。結(jié)構(gòu)可靠因子S=1.091，接近于1.0，表明結(jié)構(gòu)正確。晶體分子通過強(qiáng)的氫鍵連接O1—H1···O3(1/2+x， 1/2-y， 1-z): O1—H1 0.82 ?， H1···O3 1.77 ?， O1···O3 2.578 ?， O1—H1···O3 168.8°。單晶空間結(jié)構(gòu)解析結(jié)果顯示立體構(gòu)型與預(yù)測構(gòu)型一致。本文所報(bào)道的(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸的晶體學(xué)數(shù)據(jù)已存放至劍橋晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫(CCDC： 1989269)。

圖21的立體結(jié)構(gòu)圖

圖31的晶胞堆積圖

表3 星點(diǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

以L-脯氨酸和氯乙酰氯為原料合成維格列汀的重要手性中間體(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸，應(yīng)用星點(diǎn)設(shè)計(jì)-效應(yīng)面法對合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)采用甲醇溶劑體系下的緩慢揮發(fā)，在室溫條件下得到其單晶，可用于單晶X-射線衍射對其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析鑒定。結(jié)構(gòu)鑒定表明，(S)-1-(2-氯乙?；?吡咯烷-2-甲酸化學(xué)式為C7H10NO3Cl，分子量為191.16 g/mol，該晶胞屬于正交晶系，空間群為P212121，a=7.2116(3) ?，b=7.2639(2) ?，c=16.8262(6) ?，α=90°，β=90°，γ=90°，理論密度Dc=1.444 g/cm3，晶胞內(nèi)分子數(shù)Z=4，晶胞體積V=881.43(6) ?3。