馬曉雪, 陳旭東, 吳志文, 楊 洋, 齊賽男, 葛 唱, 汪緒龍, 隋 強(qiáng)*

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,上海 201620; 2. 中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)研究總院,上海 201203)

麥角硫因(1),化學(xué)名為(2S)-N,N,N-2-三甲基乙胺(2-巰基-1H-咪唑-4-基)丙酸,是一種稀有的天然手性氨基酸[1]。麥角硫因由放線菌與多種真菌等微生物合成,因動(dòng)物機(jī)體無(wú)法主動(dòng)合成,所以?xún)H能從食物中攝取[2-3]。麥角硫因是機(jī)體內(nèi)重要的生理活性物質(zhì)[1],具有抗氧化、抗衰老、防止紫外輻射、抗炎、抗甲狀腺、預(yù)防心血管類(lèi)疾病等多種功能[3-4],分別于2017年和2019年通過(guò)歐盟和FDA的安全性審查。因此,麥角硫因不僅在化妝品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,而且在治療學(xué)、生物醫(yī)學(xué)與保健品等領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值[5]。

目前,文獻(xiàn)已報(bào)道麥角硫因的化學(xué)合成方法主要有4種。路線1(Scheme 1):以L-組氨酸甲酯鹽酸鹽為起始原料,經(jīng)還原胺化、巰基化、巰基保護(hù)、甲基化、脫保護(hù)5步反應(yīng)得到1,總收率31.66%[6]。路線2(Scheme 2):以L-組氨酸為起始原料,經(jīng)酯化、咪唑開(kāi)環(huán)、脫保護(hù)、咪唑關(guān)環(huán)、巰基保護(hù)、還原胺化、甲基化、脫保護(hù)8步反應(yīng)制得1,收率21.39%[7]。兩條路線均采用巰基化-巰基保護(hù)-甲基化-脫保護(hù)策略,導(dǎo)致路線冗長(zhǎng),收率較低。并且,脫除保護(hù)基時(shí),反應(yīng)溫度較高,3-巰基丙酸用量過(guò)大造成資源浪費(fèi),導(dǎo)致收率均較低。

Scheme1

Scheme 2

路線3(Scheme 3)和路線4(Scheme 4)模仿生物合成途徑制備1:L-組氨酸,先經(jīng)三甲基化得直接生物前體L-組氨酸甜菜堿,后經(jīng)巰基化得麥角硫因[8](避免引入巰基保護(hù)基,縮短反應(yīng)路線)。路線3以N-叔丁氧羰基-1-芐基-L-組氨酸為原料,經(jīng)叔丁氧羰基脫除、還原胺化、甲基化、巰基化、裂解5步反應(yīng)得到1[9]。該路線收率為51.53%,高于文獻(xiàn)[6-7,10]收率,但原料價(jià)格昂貴,中間體純化需兩次使用反相層析柱(C18),不符合經(jīng)濟(jì)效益原則,反應(yīng)規(guī)模停留在毫克級(jí)別,不適于大量1的制備。路線4以直接生物前體L-組氨酸甜菜堿為起始原料,與L-半胱氨酸、3-巰基丙酸經(jīng)“一鍋法”制得1,收率40.00%[10]。該方法縮短反應(yīng)路線,省去中間體分離純化操作,符合綠色發(fā)展理念,但原料價(jià)格昂貴,獲取途徑少,因此仍有改進(jìn)空間。

Scheme 3

Scheme 4

Scheme 5

本文在文獻(xiàn)方法基礎(chǔ)上,采用仿生合成法制備1(Scheme 5),并對(duì)合成工藝進(jìn)行改進(jìn):以L-組氨酸為起始原料,與稀硫酸、氫氣和甲醛發(fā)生還原胺化,首次使用稀硫酸作質(zhì)子化試劑,甲醇作重結(jié)晶溶劑,得非吸濕性白色固體N,N-二甲基-L-組氨酸硫酸鹽水合物3,收率由91.00%提高至98.66%[11]。若3以鹽酸鹽形式參與反應(yīng),將導(dǎo)致大量銨鹽溶解在反應(yīng)液中，僅能通過(guò)樹(shù)脂除去。本文先將3變?yōu)橛坞x堿,再過(guò)濾除去硫酸銨,濾液與碘甲烷反應(yīng)得到化合物4,然后用OH-型樹(shù)脂攪拌除去生成的少量碘化銨,收率95.11%[12]。4與L-半胱氨酸、3-巰基丙酸經(jīng)“一鍋法”得麥角硫因(1),用HCO3-型樹(shù)脂除去銨鹽,粗品經(jīng)甲醇精制得白色固體粉末,收率由40.00%提高至50.03%[10],化學(xué)純度99.56%,總收率為46.95%。改進(jìn)后的工藝操作簡(jiǎn)單、原料價(jià)廉易得、步驟簡(jiǎn)短、反應(yīng)條件相對(duì)溫和可控、收率較高,適用于百克級(jí)麥角硫因的制備。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

申光WRS-3型數(shù)字顯示熔點(diǎn)儀;申光WZZ-2S型自動(dòng)旋光儀;Bruker Avance Ⅲ 400 核磁共振儀(CH3OD、 D2O為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo));Agilent 6210系列質(zhì)譜儀;Agilent Infinity 1260高效液相色譜儀。

L-組氨酸,D-組氨酸(梯希愛(ài)化成工業(yè)發(fā)展有限公司);碘甲烷(薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司);L-半胱氨酸,3-巰基丙酸(上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司);氨(甲醇)(阿達(dá)瑪斯試劑有限公司);無(wú)水甲醇(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)3的合成

(2)4的合成

(3)L-麥角硫因(1)的合成

(4)D-麥角硫因的合成

2 結(jié)果與討論

2.1 3的合成

在合成3的過(guò)程中,在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)質(zhì)子化試劑種類(lèi)和重結(jié)晶溶劑進(jìn)行篩選,結(jié)果見(jiàn)表1和表2。經(jīng)分析可知:選用稀硫酸(H2SO4)和濃鹽酸(HCl)作質(zhì)子化試劑,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較高,但鹽酸鹽水合物吸濕性極強(qiáng),不易轉(zhuǎn)移和保存,而硫酸鹽水合物(3)經(jīng)重結(jié)晶得到非吸濕性白色固體;3的粗品為黏度較大的無(wú)色油狀液體,重結(jié)晶溶劑和溶劑體積對(duì)析晶過(guò)程有重要影響,選用3種不同溶劑體系和4種溶劑體積分別對(duì)3進(jìn)行純化。結(jié)果表明,選用6倍體積甲醇(CH3OH)作重結(jié)晶溶劑時(shí),收率最高,達(dá)98.66%,純度99.16%。

表 1 質(zhì)子化試劑和重結(jié)晶溶劑篩選

表 2 重結(jié)晶溶劑體積篩選*

2.2 1的合成

在“一鍋法”合成1的過(guò)程中,對(duì)重結(jié)晶/結(jié)晶溶劑種類(lèi)和體積進(jìn)行篩選,結(jié)果見(jiàn)表3和表4。由實(shí)驗(yàn)可知,1水溶性極好,在有機(jī)溶劑中溶解度一般。選用含水的混合溶劑(Et2O-H2O/CH3OH-H2O)進(jìn)行重結(jié)晶導(dǎo)致1損失過(guò)多。選用對(duì)雜質(zhì)溶解較好、而對(duì)1溶解度較低的甲醇(CH3OH)作結(jié)晶溶劑可提高收率,當(dāng)選用5倍體積甲醇結(jié)晶粗品時(shí),收率最高,達(dá)50.03%,純度為99.56%。

表3 重結(jié)晶/結(jié)晶溶劑篩選

表4 重結(jié)晶溶劑體積篩選*

采用仿生合成法制備麥角硫因,以L-組氨酸為起始原料,經(jīng)還原胺化、甲基化、“一鍋法”得到麥角硫因。對(duì)質(zhì)子化試劑、中間體和終產(chǎn)物重結(jié)晶溶劑進(jìn)行篩選,得到最佳工藝條件:合成3的最佳質(zhì)子化試劑為稀硫酸,甲醇為重結(jié)晶溶劑;優(yōu)選甲醇作為1的結(jié)晶溶劑。該工藝成本低、收率高、條件溫和、適用于百克級(jí)規(guī)模合成。