王平安，姚琳，張東旭，聶慧芳，李穆瓊，姜茹

空軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系，藥物化學(xué)與藥物分析學(xué)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(chǎn)物的重要結(jié)構(gòu)單元(圖1)[1]，含有該結(jié)構(gòu)單元的藥物如帕戈隆(Pagoclone)、帕嗪克隆(Pazinaclone)等已經(jīng)用于治療如口吃、焦慮、失眠等一些精神性疾病。經(jīng)愛思唯爾(Elsevier)公司化學(xué)數(shù)據(jù)庫Reaxys?查詢可知，含有這類骨架的化合物達(dá)29000多個(gè)，其中有生理活性的化合物占到80%以上，表現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shí)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(jī)催化兩類[4]，這些方法絕大多數(shù)是在有機(jī)溶劑中進(jìn)行的，反應(yīng)時(shí)間較長(2–72 h)，有些還使用了對水、空氣敏感的試劑，所得產(chǎn)物絕大多數(shù)需要柱層析分離純化，操作繁瑣，難以規(guī)模化合成。

圖1 含有3-取代異吲哚啉-1-酮結(jié)構(gòu)單元的藥物及生物活性分子

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

研磨反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用非常廣泛。然而，在目前大學(xué)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教材中，均未見到使用研磨反應(yīng)制備有機(jī)化合物的實(shí)例。近期我們發(fā)展了利用簡單研磨快速進(jìn)行Michael加成反應(yīng)的方法[7]。為展示研磨反應(yīng)簡便高效的特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)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(yīng)，一步制備3-取代異吲哚啉-1-酮類化合物的實(shí)驗(yàn)，期望能夠拋磚引玉，將研磨反應(yīng)帶入到本科生化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂。旨在讓學(xué)生建立綠色合成化學(xué)理念，開拓知識視野，熟練運(yùn)用薄層色譜(TLC)監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程和產(chǎn)物純度，了解有機(jī)合成化學(xué)的發(fā)展前沿，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 熟悉相關(guān)文獻(xiàn)檢索網(wǎng)站(如美國化學(xué)會ACS，英國皇家化學(xué)會RSC等)，學(xué)習(xí)中英文相關(guān)文獻(xiàn)檢索方法，通過查閱文獻(xiàn)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(jī)合成化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，加深對研磨法制備有機(jī)化合物的認(rèn)識；

(3) 熟悉Aldol串聯(lián)環(huán)化反應(yīng)機(jī)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(jiān)測反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作；

(5) 理解核磁共振儀的基本操作和相應(yīng)的譜圖分析。

2 實(shí)驗(yàn)原理

利用2-氰基芳甲醛和活潑亞甲基化合物構(gòu)建3-取代異吲哚啉-1-酮的反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)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(fā)生Aldol反應(yīng)，生成加成中間體A；第二步，加成中間體A的羥基分子內(nèi)親核進(jìn)攻鄰位―CN，生成環(huán)亞胺B，緊接著發(fā)生重排(rearrangement)，形成開環(huán)中間體C；第三步，C發(fā)生分子內(nèi)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(chǔ)，共同完成環(huán)化反應(yīng)。

圖2 Aldol串聯(lián)環(huán)化反應(yīng)機(jī)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(nèi)標(biāo))；高分辨質(zhì)譜儀(Bruker microTOF-Q II Mass Spectrometer，ESI-HRMS)；高效液相色譜儀(HPLC，安捷倫1260)；熔點(diǎn)儀(JH30)全自動熔點(diǎn)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(huán)[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(shí)驗(yàn)內(nèi)容

4.1 篩選實(shí)驗(yàn)

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(huán)[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(jī)和無機(jī)堿，對無溶劑研磨反應(yīng)制備3-取代異吲哚啉-1-酮的可能性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)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(yīng)數(shù)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(yīng)時(shí)間。用薄層色譜監(jiān)測反應(yīng)情況。待反應(yīng)完全后，用15 mL二氯甲烷轉(zhuǎn)移反應(yīng)混合物。對使用固體無機(jī)堿或鹽的反應(yīng)液過濾，蒸干溶劑得產(chǎn)品；對使用液體有機(jī)堿的反應(yīng)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(chǎn)品，分別計(jì)算產(chǎn)率。

表1 篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1的篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除PPh3以外，其他有機(jī)堿都可以催化模板反應(yīng)，且能獲得較高產(chǎn)率，但由于所使用的有機(jī)堿均為液體，不方便準(zhǔn)確量取，因此選用固體NaOH作為催化劑，相同條件下導(dǎo)致反應(yīng)結(jié)果復(fù)雜，無法得到相應(yīng)產(chǎn)物；將催化劑換成Na2CO3時(shí)，可獲得75%的產(chǎn)率；當(dāng)使用10% (x，摩爾百分比)的K2CO3催化該反應(yīng)時(shí)，室溫研磨1 min即可獲得大于99%的產(chǎn)率，且無機(jī)鹽一般難溶于有機(jī)溶劑，很容易從反應(yīng)體系中除去，所以最終選用K2CO3作為最優(yōu)催化劑。

4.2 主體實(shí)驗(yàn)

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(jiān)測顯示反應(yīng)完全(展開劑石油醚/乙酸乙酯，體積比為2 : 1，產(chǎn)物的Rf值為0.1–0.3之間)。用10 mL二氯甲烷分批轉(zhuǎn)移干凈反應(yīng)混合物，過濾，濃縮，無需柱層析即可獲得產(chǎn)品。通過上述無溶劑研磨反應(yīng)，一共獲得了15個(gè)產(chǎn)物(圖3)，顯示了該方法的穩(wěn)定性、普適性和便捷性。所得產(chǎn)物用核磁共振分析確定其結(jié)構(gòu)。

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

圖3 無溶劑研磨反應(yīng)制備3-取代異吲哚啉-1-酮類化合物結(jié)構(gòu)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行了無溶劑研磨放大實(shí)驗(yàn)(5–10 mmol規(guī)模，圖4)，它們的具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖4 無溶劑研磨反應(yīng)放大操作

4.3.1 反應(yīng)實(shí)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(xì)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(xù)研磨，反應(yīng)混合物變得粘稠，1 min后液體原料完全消失，此時(shí)反應(yīng)混合物結(jié)塊(注意：反應(yīng)輕微放熱)；再研磨2 min至粉末狀。薄層色譜監(jiān)測顯示反應(yīng)完全(展開劑石油醚/乙酸乙酯，體積比為2 : 1，產(chǎn)物1的Rf值為0.20，圖5)。先將固體粗產(chǎn)物粉末轉(zhuǎn)移出研缽(粗產(chǎn)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(zhuǎn)移干凈反應(yīng)混合物。將粗產(chǎn)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(chǎn)物。所得產(chǎn)物用核磁共振氫譜確定其結(jié)構(gòu)(圖6)。淡黃色至黃色固體，2.62 g，產(chǎn)率> 99%。

圖5 產(chǎn)物1的TLC分析

圖6 產(chǎn)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(yīng)實(shí)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(yīng)實(shí)例1。反應(yīng)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(chǎn)物用核磁共振氫譜確定其結(jié)構(gòu)(圖8)。淡黃色至黃色固體，2.88 g，產(chǎn)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(chǎn)物2的TLC分析

圖8 產(chǎn)物2的1H NMR圖譜

4.3.3 反應(yīng)實(shí)例3：4-氟-2-氰基苯甲醛+丙二酸二甲酯(式-3)

圖9 產(chǎn)物3的TLC分析

圖10 產(chǎn)物3的1H NMR圖譜

4.3.4 反應(yīng)實(shí)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(yīng)實(shí)例1 (5 mmol規(guī)模)。反應(yīng)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(chǎn)物為非對映異構(gòu)體混合物(4/1)。核磁共振氫譜確定其結(jié)構(gòu)(圖12)。淡黃色至黃色低熔點(diǎn)固體，1.30 g，產(chǎn)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(chǎn)物13的TLC分析

圖12 產(chǎn)物13的1H NMR圖譜

5 討論

5.1 底物對反應(yīng)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(yīng)速率大于乙酯，乙酯的反應(yīng)速率大于異丙酯，叔丁酯則幾乎不發(fā)生上述研磨反應(yīng)；對乙酰乙酸乙酯和乙酰丙酮而言，前者的反應(yīng)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(fā)生上述研磨反應(yīng)。亞甲基兩側(cè)基團(tuán)相同時(shí)(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(dāng)亞甲基兩側(cè)基團(tuán)不同時(shí)(非對稱亞甲基化合物，如乙酰乙酸乙酯)，會得到4種異構(gòu)體，但通常以一對外消旋體為主要產(chǎn)物。

5.2 無水K2CO3用量對反應(yīng)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(dǎo)致反應(yīng)速率變慢；增加用量則會導(dǎo)致產(chǎn)物收率降低，可能是因?yàn)轷セ獾木壒省?/p>

6 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1) 無水K2CO3在空氣中易吸水，要快稱快用。

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

(3) 建議反應(yīng)規(guī)模控制在5 mmol以下，以免造成污染和浪費(fèi)。

7 結(jié)語

利用無溶劑研磨反應(yīng)制備3-取代異吲哚啉-1-酮類化合物，相比較傳統(tǒng)的使用溶劑攪拌反應(yīng)而言，要方便快捷。使用的活潑亞甲基化合物價(jià)廉易得，既可大量操作，也能微量反應(yīng)。所得產(chǎn)物可以進(jìn)一步水解脫羧[9]或進(jìn)行其他官能團(tuán)轉(zhuǎn)化，非常適合綠色有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。