CN104987342B - 天然产物(+)‑生物素的全合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然产物(+)‑生物素的全合成方法方法。本发明以式1化合物端炔为起始原料，经烷基化、脱去丙叉保护基、硫代、常温碱催化构建噻吩环，再依次经硼氢化氧化、甲磺酰基保护、叠氮取代、叠氮还原、脱Boc保护基、与三光气反应，最后经生物转化即可得到(+)‑生物素。本发明整个合成路线设计思路新颖独特合理。本发明首次使用Na₂CO₃催化完成了目标分子(+)‑生物素合成中关键步骤噻吩环的构建。本发明的全合成方法，具有反应收率高、操作工艺简便、反应条件温和、速率快、产物构型单一、副反应相对少、可大大降低合成成本等优点。

Description

天然产物(+)-生物素的全合成方法

技术领域

本发明涉及天然产物的合成方法，具体地指一种天然产物(+)-生物素的全合成方法。

背景技术

生物素(Biotin)为B族维生素之一，又称维生素H、维生素B7、辅酶R(Coenzyme R)等。其广泛分布于动、植物组织中，常从含量较高的卵黄和肝组织中提取。现代科学研究证明，生物素在糖原的异生，脂肪酸的综合作用以及某些氨基酸的新陈代谢中具有重要的调控作用，且能通过产生能量对促进某些蛋白质的合成；同时可协助细胞生长、制造脂肪酸、代谢醣类、脂肪及蛋白质，且有助于维他命B群的利用；还可以维护头发及皮肤健康需要充足的生物素；并且具有防止某些男性脱发、白发，促进汗腺、神经组织及骨髓的健康、缓和肌肉的痛楚、减轻湿疹，皮肤炎等一系列重要作用。现代医学还证明生物素可以有效提高人体的免疫功能。如果人体内生物素缺乏，就可能造成湿疹、皮炎皮肤病以及抑郁、脱发、脂肪代谢障碍等多种病症。

生物素分子具有咪唑酮环和噻吩环两个环状结构，有一戊酸侧链，其末端羧基可以结合抗体和其他生物大分子，经化学修饰后，生物素可成为带有多种活性基团的衍生物——活化生物素。其中最为经典的是70年代末发展起来的一种新型生物反应放大系统——生物素－亲合素系统(Biotin-Avidin—System，BAS)，现已被广泛应用于医学领域。

通常认为，如果机体生物素不能被再利用，仅凭日常饮食摄取的生物素是不足以维持机体正常运行的，需要长期服用生物素来维持健康状况。医药市场对(+)-生物素的巨大需求，使得(+)-生物素的全合成也成为了众多合成化学家的不懈追求。自(+)-生物素首次全合成报道至今近七十年来，一直是化学家关注的“明星分子”，企业界和学术界对生物素的兴趣半个多世纪以来丝毫没有减弱。随着合成技术的不断进步，化学家对生物素的全合成思路不断扩展，将其合成研究推向了一个全新的高度。许多人分析生物素已有的研究，认为对它的全合成似乎已接近终点，发展全新的合成路线因此就具有重要的学术价值；另外，目前市场上生物素的价格非常昂贵(Sigma-Aldrich价格：2000元/100毫克)，发展具有新型的、高效的生物素全合成路线又极具经济价值。

鉴于此，亟需设计了一条全新的生物素全合成路线，成功实现了天然产物(+)-生物素的全合成。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有合成方法存在的问题，为生物素的合成提供了一条全新的合成工艺路线。

为实现上述目的，本发明所设计的天然产物(+)-生物素的全合成方法，其特别之处在于：它以式1化合物为原料，经端炔烷基化、脱去丙叉保护基、硫代得到式4化合物，式4化合物在常温碱催化条件下得到式5化合物，然后式5化合物依次经硼氢化氧化、甲磺酰基保护、叠氮取代、叠氮还原、脱Boc保护基得到式10化合物，式10化合物与三光气反应即可得到式11化合物，式11化合物经生物转化即可得到目标分子12，即(+)-生物素；反应式如下：

本发明步骤a)中，式1化合物经端炔烷基化反应的条件为：由式1化合物在-78℃下正丁基锂拔除端炔位置的氢后，于室温条件下用碘戊烷烃进行烷基化，即可得式2化合物。

本发明步骤b)中，式2化合物脱去丙叉保护基的反应条件为：式2化合物溶解到甲醇中，冷却到0℃，加入对甲苯磺酸室温搅拌5小时后，即可得到式3化合物。

本发明步骤c)中，式3化合物硫代反应条件为：在氮气保护下，将三苯基膦溶解到无水四氢呋喃中，冷却到0℃，加入偶氮二甲酸二乙酯，反应30分钟后；把式3化合物溶于无水四氢呋喃中加入继续反应10分钟，再滴加硫代乙酸继续反应1小时，即可得到式4化合物。

本发明步骤d)中，式4化合物在常温碱催化反应的条件为：在氮气保护下，式4化合物溶解到无水甲醇中，冷却到0℃，加入Na₂CO₃后室温搅拌4小时，即可得到式5化合物。

本发明步骤e)中，式5化合物经硼氢化氧化反应的条件为：在氮气保护下，式5化合物溶解到无水四氢呋喃中，冷却到0℃，滴加硼烷四氢呋喃络合物溶液后室温搅拌15小时，在0℃下加入甲醇搅拌1小时，再加入10％氢氧化钠溶液和30％双氧水的混合溶液，反应搅拌24小时后，即可得到式6化合物。

本发明步骤f)中，式6化合物经甲磺酰基保护的反应条件为：在氮气保护下，式6化合物溶解到无水二氯甲烷中，在0℃条件下滴加三乙胺及甲基磺酰氯并搅拌反应2小时，即可得到甲磺酰基保护的产物式7化合物。

本发明步骤g)中，式7化合物叠氮取代反应的条件为：式7化合物叠氮取代反应的条件为：式7化合物溶解到丙酮中，0℃下加入溶解于去离子水的叠氮化钠后，回流反应过夜，即可得到叠氮基取代产物式8化合物。

本发明步骤h)中，式8化合物叠氮还原的反应条件为：式8化合物溶解到无水四氢呋喃中，加入三苯基膦和去离子水反应4小时，即可得到还原产物式9化合物。

本发明步骤i)中，式9化合物脱Boc保护基反应的条件为：式9化合物溶于无水二氯甲烷中，加入三氟乙酸常温下搅拌反应2～4小时，即可得到式10化合物

本发明步骤j)中，式10化合物溶解到无水二氯甲烷中，加入三乙胺、三光气反应2小时，即可得到关环产物式11化合物。

本发明的有益效果在于：本发明的合成方法旨在以端炔式1化合物为原料，经过端炔烷基化，脱丙叉保护，硫代，碱催化构建噻吩环，双键的硼氢化氧化等过程得到目标分子。

本发明整个合成路线设计思路新颖独特合理，最突出的特点在于完成了天然产物(+)-生物素全合成，本发明首次使用Na₂CO₃催化完成了目标分子(+)-生物素合成中关键步骤噻吩环的构建即式5化合物的合成，此方法至今未见有文献报道。本发明的全合成方法，具有反应收率高、操作工艺简便、反应条件温和、速率快、产物构型单一、副反应相对少、可大大降低合成成本等优点。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

1)式1化合物的合成

首先根据文献报道方法(Reginato G,Mordini A,Caracciolo M.The Journal ofOrganic Chemistry,1997,62(18):6187-6192.)合成式1化合物。

2)式2化合物的合成

在氮气保护下，式1化合物(7.8g，34.7mmol)溶解在200ml无水四氢呋喃(THF)溶液中，冷却到-78℃，在氮气保护下滴加13.9ml(34.7mmol)正丁基锂，并在-78℃反应一个小时后，加入28ml六甲基磷酰三胺(HMPA)，搅拌5分钟后加入碘戊烷的四氢呋喃溶液，继续反应一个小时后移到室温并搅拌5h。用冰氢氧化钠(0.01M)溶液猝灭反应。减压蒸出溶剂THF后有机物用饱和氯化铵溶液洗涤，乙酸乙酯(3×100mL)萃取，合并有机相，并经饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式2化合物11.4g，收率：90％。

3)式3化合物的合成

式2化合物(11.4g，31.2mmol)溶解到150ml甲醇中，冷却到0℃，加入对甲苯磺酸(6.4g，37.2mmol)室温搅拌5h后，用三乙胺猝灭反应。减压蒸出溶剂甲醇后有机物用饱和氯化铵溶液洗涤，乙酸乙酯(3×100mL)萃取。合并有机相，并经饱和食盐水洗涤，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式3化合物7.3g，收率：92％。

4)式4化合物的合成

在氮气保护下，将三苯基膦(16.5g，63.1mmol)溶解到85mL无水四氢呋喃中，冷却到0℃，加入偶氮二甲酸二乙酯(9.9mL，63.1mmol)反应30min后，把式3化合物(7.3g，28.7mmol)溶于30mL无水四氢呋喃中加入，继续反应10min后，向黄色乳浊液中滴加硫代乙酸(4.5mL，63.1mmol)，继续反应1h，加入饱和氯化钠200ml，分液萃取，合并有机相，并经饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得到无色油状物化合物式4化合物(8.5g，产率95％)。

5)式5化合物的合成

在氮气保护下，式4化合物(8.5g，27.2mmol)溶解到130ml无水甲醇中，冷却到0℃，加入Na₂CO₃(7.5g，55mmol)后室温搅拌4h，反应液用饱和氯化铵溶液洗涤，乙酸乙酯(3×100mL)萃取。合并有机相，并经饱和食盐水洗涤，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式5化合物7.3g，收率：99％。

6)式6化合物的合成

在氮气保护下，式5化合物(7.3g，26.9mmol)溶解到300mL无水四氢呋喃中，冷却到0℃，滴加1M硼烷四氢呋喃络合物溶液(135ml，134.5mmol)后室温搅拌15h，在0℃下加入甲醇(20mL)搅拌1h，再加入40ml 10％氢氧化钠溶液和8.3mL 30％双氧水的混合溶液，反应搅拌24h后加入饱和氯化铵溶液，乙酸乙酯(3×100mL)萃取。合并有机相，并经饱和食盐水洗涤，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式6化合物7.0g，收率：90％。

7)式7化合物的合成

在氮气保护下，式6化合物(7.0g，24.2mmol)溶解到120mL无水二氯甲烷中，冷却至0℃，滴加三乙胺(8.4mL，60.5mmol)及甲基磺酰氯(2.5mL，31.5mmol)，在0℃条件下搅拌2h，加入饱和氯化钠溶液，二氯甲烷(3×100mL)萃取。合并有机相，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式7化合物8.7g，收率：98％。

8)式8化合物的合成

式7化合物(8.7g，23.7mmol)溶于83mL丙酮中，并冷却至0℃，滴加溶解于17mL去离子水的NaN₃(6.2g，94.8mmol)，反应液回流过夜，加入水50ml，乙酸乙酯(3×100mL)萃取。合并有机相，并经饱和食盐水洗涤，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式8化合物6.1g，收率：82％。

9)式9化合物的合成

式8化合物(6.1g，19.4mmol)溶于100mL无水四氢呋喃中，加入三苯基膦(7.6g，29.1mmol)及3.5mL去离子水，反应回流4h，加入饱和食盐水，乙酸乙酯(3×100mL)萃取。合并有机相，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式9化合物5.2g，收率：94％。

10)式10化合物的合成

式9化合物(5.2g，18.2mmol)溶于50mL无水二氯甲烷中，加入50mL三氟乙酸，常温下搅拌4h，用10％氢氧化钠水溶液调PH值至8。加入饱和食盐水，乙酸乙酯(3×100mL)萃取。合并有机相，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式10化合物3.3g，收率：98％。

11)式11化合物的合成

式10化合物(3.3g，17.8mmol)溶于100mL无水二氯甲烷中，在0℃下分别加入三乙胺(7.4mL，53.4mmol)、三光气(5.28g,17.8mmol)，反应2小时后，加入饱和氯化铵溶液，二氯甲烷(3×100mL)萃取。合并有机相，并经饱和食盐水洗涤，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压蒸出溶剂后经柱色谱分离得白色固体式11化合物3.0g，收率：80％。

12)(+)-生物素的合成

式11化合物可进一步通过生物转化方法得到目标分子12：(+)-生物素，可参考文献(Ogino,S.；Fujimoto,S.；Aoki,Y.Agric.Biol.Chem.,1974,38,275,707.)的方法成功完成(+)-生物素的全合成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种天然产物(+)-生物素的全合成方法，其特征在于，反应式如下：

步骤a)中，由式1化合物在-78℃下正丁基锂拔除端炔位置的氢后，于室温条件下用碘戊烷烃进行烷基化得式2化合物；

步骤b)中，式2化合物溶解到甲醇中，冷却到0℃，加入对甲苯磺酸室温搅拌5小时后得到式3化合物；

步骤c)中，在氮气保护下，将三苯基膦溶解到无水四氢呋喃中，冷却到0℃，加入偶氮二甲酸二乙酯，反应30分钟后，把式3化合物溶于无水四氢呋喃中加入继续反应10分钟，再滴加硫代乙酸继续反应1小时得到式4化合物；

步骤d)中，在氮气保护下，式4化合物溶解到无水甲醇中，冷却到0℃，加入Na₂CO₃后室温搅拌4小时得到式5化合物；

步骤e)中，在氮气保护下，式5化合物溶解到无水四氢呋喃中，冷却到0℃，滴加硼烷四氢呋喃络合物溶液后室温搅拌15小时，在0℃下加入甲醇搅拌1小时，再加入10％氢氧化钠溶液和30％双氧水的混合溶液，反应搅拌24小时后得到式6化合物；

步骤f)中，在氮气保护下，式6化合物溶解到无水二氯甲烷中，在0℃条件下滴加三乙胺及甲基磺酰氯并搅拌反应2小时，得到甲磺酰基保护的产物式7化合物；

步骤g)中，式7化合物溶解到丙酮中，0℃下加入溶解于去离子水的叠氮化钠后，回流反应过夜，得到叠氮基取代产物式8化合物；

步骤h)中，式8化合物溶解到无水四氢呋喃中，加入三苯基膦和去离子水反应4小时，得到还原产物式9化合物；

步骤i)中，式9化合物溶于无水二氯甲烷中，加入三氟乙酸常温下搅拌反应2～4小时，得到式10化合物；

步骤j)中，式10化合物溶解到无水二氯甲烷中，加入三乙胺、三光气反应2小时，得到关环产物式11化合物；

式11化合物通过步骤k)经生物转化即可得到目标分子12，即(+)-生物素。