郭舉，高藝，胡詩敏，樊可，龍思會

武漢工程大學化工與制藥學院，綠色化工過程教育部重點實驗室，武漢 430205

藥物化學是藥學類專業(yè)的核心課程，藥物化學課程的實驗教學是其理論知識的實踐和深化，對學生掌握藥物合成反應實驗操作技能和鞏固有機化學理論知識有重要價值。我?；づc制藥學院開設的藥物化學實驗課程是針對制藥工程專業(yè)和藥物制劑專業(yè)高年級學生開展的專業(yè)實驗課程，著重培養(yǎng)這兩個專業(yè)學生的基礎有機化學實驗單元操作、藥物合成工藝路線設計及未知化合物的結(jié)構(gòu)分析確證等綜合能力，為學生進一步學習專業(yè)知識提供科學的實踐訓練。本文介紹的藥物化學實驗屬于專業(yè)實驗課程，實驗內(nèi)容來源于最新的科研工作進展，課時在24學時左右，供學生選做。該實驗是以筆者目前所從事的Poly(ADP-ribose) Polymerase 1 (PARP1)抑制劑，即多聚ADP核糖聚合酶1抑制劑研究中的關(guān)鍵中間體6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氫異喹啉-3-羧酸甲酯為目標分子，通過以L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸為原料，經(jīng)過甲酯化后和多聚甲醛發(fā)生Pictet-Spengler反應來合成，目標產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)經(jīng)核磁共振氫譜(1H NMR)、質(zhì)譜(MS)等分析方法進行表征。

通過文獻的學習和專業(yè)教師對實驗的講解，學生對該藥物合成實驗產(chǎn)生了較高的實踐熱情，并對相關(guān)科研工作表現(xiàn)出了濃厚的學習興趣，這有利于培養(yǎng)學生的科研思維和創(chuàng)新精神。在具體的實驗過程中，通過對具體有機合成反應的實踐操作和化合物結(jié)構(gòu)分析確證的學習，如：對有機人名反應機理的學習、對核磁共振儀和質(zhì)譜儀分析原理的學習和實踐操作等環(huán)節(jié)，將藥物化學、有機化學、分析化學課程的理論知識與實踐知識相結(jié)合，能夠全面提高學生的綜合實驗素質(zhì)，同時也能培養(yǎng)學生的科研思維，為學生進入更高環(huán)節(jié)的科學實驗積累理論和實踐基礎[1-4]。

1,2,3,4-四氫異喹啉是許多活性天然產(chǎn)物的骨架結(jié)構(gòu)，也是藥物化學領域的常見分子結(jié)構(gòu)，其是多種藥物的核心骨架(圖1)[5]，例如圖1中的Quinapril (鹽酸喹那普利)是抗高血壓藥；化合物Apomorphine (阿撲嗎啡)是用于治療神經(jīng)退行性疾病帕金森疾病的藥物；化合物Trabectedin (曲貝替定)是用于抗腫瘤的藥物，其中化合物Trabectedin (簡稱ET-743)是第一個來源于海洋的抗腫瘤藥物，用于治療晚期軟組織瘤；由于這類藥物的合成工藝中含有四氫異喹啉結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵中間體，因此通過開展專業(yè)實驗來學習四氫異喹啉分子的合成方法對全面掌握藥物化學知識具有重要的科學意義。

圖1 Quinapril、Apomorphine和Trabectedin的化學結(jié)構(gòu)

關(guān)于1,2,3,4-四氫異喹啉的合成方法，文獻報道了多種經(jīng)典的人名合成方法[6,7]，有Pictet-Spengler反應，Bischler-Napieralski (B-N)反應等，本實驗介紹的是利用經(jīng)典的Pictet-Spengler人名反應[8,9]，以L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸為原料，以甲醇為溶劑，二氯亞砜為脫水劑，室溫攪拌反應成酯后不經(jīng)純化，直接以二氯甲烷為溶劑，三氟乙酸為催化劑，與多聚甲醛發(fā)生Pictet-Spengler反應環(huán)合形成四氫異喹啉的大型綜合有機合成實驗。

1 實驗目的

(1) 掌握四氫異喹啉類化合物的相關(guān)藥物化學知識，包括其構(gòu)效關(guān)系和在藥物中的應用等實驗內(nèi)容。

(2) 掌握包括本實驗目標分子6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氫異喹啉-3-羧酸甲酯在內(nèi)的四氫異喹啉分子結(jié)構(gòu)的合成方法。

(3) 掌握藥物合成的實驗操作和化合物的分離純化及結(jié)構(gòu)分析方法。

(4) 熟悉分析儀器核磁共振儀和質(zhì)譜儀的分析原理和操作使用方法。

2 實驗方案

先以L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸為原料，二氯亞砜為脫水劑，對其進行甲酯化，甲酯化的產(chǎn)物1在三氟乙酸的催化下，與多聚甲醛進行Pictet-Spengler環(huán)合反應制得目標四氫異喹啉化合物2 (圖2)。

圖2 6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氫異喹啉-3-羧酸甲酯的合成路線

3 儀器和試劑

儀器：磁力攪拌器，圓底燒瓶，色譜柱，薄層板，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，紫外燈(254 nm)，Yanaco顯微熔點儀(溫度未經(jīng)校正)，PerkinElmer Polarimeter 341LC型旋光儀，核磁共振(NMR)儀(BRUKER-400 MHz，TMS內(nèi)標)，電噴霧四級桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜(HRMS)儀(micrOTOF Q-II)。

試劑：L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸(98%，安耐吉)，多聚甲醛(＞ 99%，TCI)，三氟乙酸(98%，安耐吉)，GF254硅膠板(10 × 25 cm，青島海洋化工廠)，300-400目柱層析硅膠(青島海洋化工廠)，二氯亞砜，乙酸乙酯，石油醚，二氯甲烷(化學純)。

4 實驗步驟

氬氣保護下，將L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸(4.54 g，0.02 mol)溶于無水甲醇(70 mL)中，在冰浴下緩慢滴加二氯亞砜(2 mL，0.024 mol)，滴加完畢后，室溫反應12 h后，薄層色譜(展開劑，V(甲醇) :V(二氯甲烷) = 1 : 10)監(jiān)測反應(紫外燈(254 nm)顯色)，反應完全后，旋蒸除去溶劑得白色泡狀物用(乙酸乙酯/乙醇)混合溶劑重結(jié)晶得白色晶體4.6 g，氬氣保護下向圓底三口燒瓶中依次加入無水二氯甲烷(80 mL)，化合物1 (4.78 g，0.02 mol)，多聚甲醛(6 g，0.02 mol)溶于無水二氯甲烷(50 mL)中，室溫下滴加三氟乙酸(9 mL)溶液，攪拌反應18 h，薄層色譜(展開劑，V(乙酸乙酯) :V(石油醚) = 2 : 1)監(jiān)測反應(紫外燈(254 nm)顯色)，反應完成后，用飽和碳酸氫鈉溶液(100 mL)猝滅反應，再用二氯甲烷(30 mL × 3)萃取，合并有機層，無水硫酸鈉干燥后減壓濃縮，經(jīng)柱色譜分離(洗脫劑，V(乙酸乙酯) :V(石油醚) = 1 : 2)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸除溶劑后得到目標化合物。最后用1H NMR和MS對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進行表征。

5 結(jié)果與討論

6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氫異喹啉-3-羧酸甲酯，黃色油狀液體，產(chǎn)量4.67 g，收率共計77%。

6 實驗組織運行的建議

(1) 該化學綜合實驗為我校制藥工程專業(yè)和藥物制劑專業(yè)高年級學生選做的實驗之一，我們在實施時要求學生以4人為一小組合作完成。學生首先通過文獻查閱學習四氫異喹啉類化合物在藥物中的應用以及化學合成方法，再由指導教師對文獻進行講解，重點學習有機合成的反應機理，并確定最終實驗方案。

(2) 在實驗方案確定后，集中三天時間(大約24課時)完成實驗。第一天進行酯化反應合成中間體化合物1，第二天進行Pictet-Spengler反應合成目標化合物2，第三天對化合物2進行分離純化和結(jié)構(gòu)表征。在實驗前，同學要學習并掌握相關(guān)實驗試劑的安全使用方法，如第一步甲酯化實驗中的催化劑二氯亞砜和第二步Pictet-Spengler反應中的催化劑三氟乙酸均具有強腐蝕性和揮發(fā)性，因此反應必須在通風櫥中進行操作。在實驗過程中，學生在進行實驗時，要學會積極思考，比如第一步甲酯化反應的反應溫度是先低溫后室溫，要積極思考實驗的收率是否與溫度有關(guān)；第二步Pictet-Spengler環(huán)合反應中，文獻中的方法除了二氯甲烷/三氟乙酸的催化體系之外，還有乙酸/乙酸鈉和鹽酸/三氯甲烷作為催化體系的反應方法，學生要思考每種反應條件的區(qū)別有哪些，還可以通過平行實驗，研究不同溶劑對反應的影響，同時反應原料除了L-3,4-二甲氧基苯丙氨酸和多聚甲醛，也可以選擇苯丙氨酸和甲醛溶液、酪氨酸和多聚甲醛、L-dopa和多聚甲醛等為原料進行四氫異喹啉分子結(jié)構(gòu)的合成實驗，研究不同反應底物對該反應的影響。同時還可以通過以上實驗來研究Pictet-Spengler反應在不同的酸性催化體系中的反應收率，探索各種影響Pictet-Spengler反應的因素，包括原料、反應溫度、催化體系等。

(3) 在對有機化學反應的監(jiān)測方法上，最常用的是薄層層析色譜(TLC)分析方法，該方法在監(jiān)測有機合成反應進行的程度上具有簡易、快速、準確等優(yōu)點；根據(jù)不同化合物選擇不同展開劑和洗脫劑進行分離純化是鞏固基礎化學知識的重要途徑，如文獻上在對四氫異喹啉類化合物進行分析時使用的展開溶劑為乙酸乙酯/石油醚體系，但通過實踐我們發(fā)現(xiàn)使用二氯甲烷/甲醇體系作為TLC的展開劑(二氯甲烷和甲醇的體積比30 : 1)較為合適，并在此基礎上確定了合適的柱色譜洗脫劑(二氯甲烷和甲醇的體積比=50 : 1較為合適)。通過展開劑和洗脫劑配比的探索，使學生掌握化合物化學結(jié)構(gòu)與化學性質(zhì)的關(guān)系，提高學生對有機化學和分析化學理論知識的應用能力。

(4) 同時，在對有機反應進行分析的方法上，除了使用TLC紫外燈吸收來監(jiān)測反應以外，通過學習使學生掌握根據(jù)化合物化學結(jié)構(gòu)的不同選取合適的顯色劑的方法，例如化合物中所含有的氨基可以選取氨基的特征性顯色劑茚三酮進行顯色判斷，另外還有廣譜的碘顯色劑、磷鉬酸顯色劑等，并且需要訓練學生查閱資料并配制各種顯色劑的技能，通過科學的實驗培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的綜合能力。

(5) 合成實驗完成后，在化合物分離純化的實驗階段，重點訓練學生掌握柱層析色譜分離純化有機化合物的基本原理和操作方法，如洗脫劑的選擇、硅膠的選擇等。在對目標分子進行純化后，需要對化合物進行結(jié)構(gòu)表征，化合物的結(jié)構(gòu)表征需要使用到大型分析儀器如核磁共振儀和質(zhì)譜儀等，在使用大型分析儀器前，指導教師給學生講解儀器的分析原理和使用方法及注意事項，并對儀器分析的譜圖結(jié)果如核磁共振譜圖進行分析講解，學生在培訓合格后，獨立上機操作完成對化合物的結(jié)構(gòu)分析確證工作。最后，在完成實驗工作后，指導學生撰寫標準格式的實驗報告。

(6) 該實驗具有反應條件溫和、無金屬催化劑、原子經(jīng)濟性等特點，是拓展藥物化學知識的教改實驗之一，適合藥學相關(guān)專業(yè)高年級學生學習。在實驗教學過程中，指導教師可以在實驗條件容許的范圍內(nèi)，指導學生進行研究性的平行實驗，進一步分析各種反應策略的利弊，同時對于藥物化學實驗中涉及到的有機化學知識進行學習和分析。教師也可以同步實驗提出相關(guān)思考題，比如在涉及到手性碳原子的反應中如何避免消旋化、如何進行位置選擇性的立體專一的反應、如何對(非)對映異構(gòu)體進行分離純化等問題時讓學生進行思考，進一步培養(yǎng)學生綜合實驗能力。

7 結(jié)語

本藥物化學實驗通過專業(yè)文獻學習、目標分子6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氫異喹啉-3-羧酸甲酯的合成及其分離純化、化合物結(jié)構(gòu)表征等三個環(huán)節(jié)，全面培養(yǎng)學生學會從綜合化學實驗的實踐中提煉科學研究的基本方法，訓練學生掌握系統(tǒng)的科研思維，激發(fā)學生的科研興趣并提高科研能力，使高年級學生為后面進一步的學習打下堅實的基礎，提高學生的專業(yè)綜合素質(zhì)。