CN113480471A - 一种多手性的氮取代哌啶醇衍生物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于手性哌啶醇类化合物制备技术领域，具体涉及一种多手性的氮取代哌啶醇衍生物及其制备方法。本发明以3‑羟基吡啶为起始原料，依次通过催化氢化还原，氨基保护，羟基氧化，Stork烯胺‑碳烷基化合成得到相应的底物，再通过酶催化直接获得高选择性的手性中心体，即为多手性的氮取代哌啶醇衍生物。其工艺简单，反应条件温和，特别是采用酮还原液体酶（KRED‑101）选择性催化，得到具有手性目标产物，其产率稳定，三废少，且所得的具有手性中心体的哌啶杂环类衍生物有多种药物活性，适用于工业化生产。

Description

一种多手性的氮取代哌啶醇衍生物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多手性的氮取代哌啶醇衍生物及其制备方法，尤其涉及一种通过生物酶选择性催化合成多个手性中心体的哌啶衍生物（2R,3S）-1-N-取代基（R）-2-取代基（Z）-3-羟基哌啶及其制备方法。
背景技术
哌啶单环骨架，作为含氮杂环化合物中的一类，具有独特的生物活性，而哌啶类衍生物因易于修饰而具有更广泛的生物活性。哌啶生物碱广泛分布在植物界，并显示多种生物活性（Richerson G. B.,Wu Y. M. Dynamic equilibrium of neurotransmittertransporters: not just for reuptake anymore.[J]. J. Neurophysiol., 2003, 90(3):1363-1373.）。而具有光学纯的哌啶衍生物广泛存在于天然产物中，如常山甲素，常山乙素（常山叶及其提取物的新用途 CN201910256964.5）；在新药物分子合成领域里，将有光学纯的哌啶衍生物引入到药物分子当中也有专利报道（株式会社大熊制药CN201880006571.2）。复旦大学报道了一条以L-谷氨酸为原料制备trans-3-羟基-2-烯丙基哌啶和哌啶类似物的制备方法（CN107954923）。青岛农业大学报道一条以(S)-N-苄基吡咯-2-甲醛为原料来合成（2S，3R）-1-取代苄基-2-烯丙基-3-羟基哌啶及其制备方法（201310162250.0）。目前关于具有双手性光学哌啶衍生物合成文献报道较少，化学合成较复杂，仅停留在实验阶段，不利于产业化生产。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种多手性的氮取代哌啶醇衍生物及其制备方法。
本发明限定了一种多手性的氮取代哌啶醇衍生物，其特征在于其结构通式如式（I）所示：
Figure 476339DEST_PATH_IMAGE001
式中，R选自叔丁氧羰基、苄氧羰基、乙酰基、笏甲氧羰基、烯丙氧羰基、苄基、噻吩甲基、吡啶甲基、吡咯甲基、卤甲基、C1-C6的烷基或环氧基；Z选自卤代丙烯的烯丙基取代，丙烯腈的氰乙基取代，卤代烷烃单烷基取代或酰卤的酰化取代基团。
本发明还限定了一种多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于以式（Ⅱ）所示的3-羟基吡啶为起始原料，经催化氢化还原得到式（Ⅲ）所示的3-羟基哌啶，氨基保护，羟基氧化，Stork烯胺合成反应和酶的选择性催化反应得到式（I）所示的目标化合物多手性的氮取代哌啶醇衍生物；具体包括如下步骤：
（1）以式（Ⅱ）所示的3-羟基吡啶为起始原料，在催化剂A作用下，经催化氢化还原得到如式（Ⅲ）所示的3-羟基哌啶；
（2）将式（Ⅲ）所示的3-羟基哌啶与保护基试剂进行氨基保护反应，反应结束后采用溶剂A进行提取，所得有机层浓缩蒸干后，加入结晶溶剂B结晶处理，得到如式（Ⅳ）所示的化合物；
（3）将式（Ⅳ）所示的化合物加入溶剂C中，在催化剂TMEPO、次氯酸钠水溶液存在下，进行羟基氧化反应，反应结束后，经后处理得到式（V）所示的化合物；
（4）将步骤（3）得到的式（V）所示的化合物溶解至溶剂D中，加入二级胺，与Z取代基试剂进行Stork烯胺合成反应，经后处理得到式（VI）所示的化合物；
（5）向磷酸盐缓冲溶液中加入式（VI）所示的化合物、一水葡萄糖，氮气保护下加入酶液和辅酶，氮气保护下，进行酶的选择性催化反应，反应过程中加碱控制反应体系的pH值，反应结束后加入溶剂E进行萃取，再经后处理得到式（I）所示的目标化合物多手性的氮取代哌啶醇衍生物，本发明实施例中采用的辅酶为葡萄糖脱氢酶GDH，其反应过程如下：
Figure 137127DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步地，本发明还限定了步骤（1）中的催化剂A为铑炭、钌炭或钯炭，催化剂A与式（II）所示的3-羟基吡啶投料质量比为0.03~0.1:1。
进一步地，本发明还限定了步骤（2）中保护基试剂选自二叔丁基二碳酸酯、氯甲酸苄酯、三氟乙酸乙酯、Fmoc-Cl、Alloc-Cl、苄溴、苄氯或C1-C6卤代脂肪烷烃，保护基试剂与式（III）所示的3-羟基哌啶的投料摩尔比为1.2~2.5:1；溶剂A为甲苯、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、氯仿、二氯甲烷或1，2二氯乙烷；结晶溶剂B为石油醚、正己烷、环己烷、正庚烷或1,4-二氧六环；氨基保护反应步骤中，加入缚酸剂，所述缚酸剂为三乙胺、三正丁胺、吡啶。
进一步地，本发明还限定了步骤（3）中的溶剂C为乙酸乙酯、乙酸甲酯、甲苯、氯仿、二氯甲烷或1,2-二氯乙烷。
进一步地，本发明还限定了步骤（3）中的次氯酸钠与式（IV）所示的化合物摩尔比为1.0~2.5:1；催化剂TEMPO与式（IV）所示的化合物的质量比为0.001~0.05:1。
进一步地，本发明还限定了步骤（4）中的溶剂D为环己烷、正己烷、甲苯或二甲苯；二级胺为四氢吡咯、吗啉或哌啶，二级胺与式（V）所示的化合物的投料摩尔比为1.1~2.0:1；Z取代基试剂为丙烯腈、碘甲烷、氯甲酸乙酯、溴丙烯、丙烯酸甲酯或乙酰氯，Z取代基试剂与式（V）所示的化合物的投料摩尔比为1.1~2.5:1。
进一步地，本发明还限定了步骤（5）中的磷酸盐缓冲溶液为磷酸氢二钠/磷酸氢钠缓冲液或磷酸氢二钾/磷酸氢钾缓冲溶液，磷酸盐缓冲溶液体积用量以式（VI）所示的化合物的质量计为10~20mL/g；酶液为酮还原液体酶KRED-101，酶液的质量以式（VI）所示的化合物的质量比为0.5~1.5:1。
进一步地，本发明还限定了步骤（5）中的一水葡萄糖的质量以式（VI）化合物的摩尔比为1.0~2.0:1。
进一步地，本发明还限定了步骤（5）中的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠或碳酸钾；溶剂E为乙酸乙酯、乙酸甲酯、甲苯、氯仿、甲基叔丁基醚、1,4二氧六环、二氯甲烷或1,2-二氯乙烷。
进一步地，本发明还限定了多手性的氮取代哌啶醇衍生物，即所述(2R,3S）-1-N-取代基（R）-2-取代基（Z）-3-羟基哌啶的制备方法，具体操作步骤如下：
（1）向高压釜加入水、式（II）所示的3-羟基吡啶和3%∼10%催化剂A，升温至80-150℃，4.0∼6.0MPa反应10∼24小时，反应完全后，减压蒸除水，进一步精馏得到式（III）所示的3-羟基哌啶；
（2）将步骤（1）得到的3-羟基哌啶溶解在水中，在缚酸剂存在或不存在下，在10-25℃下滴加保护基试剂进行反应，保温过夜，反应完全后，用溶剂A萃取，之后有机层浓缩干，再加入结晶溶剂B结晶，得到式（IV）所示的化合物；
（3）向溶剂C中加入步骤（2）得到的式（IV）所示的化合物、催化剂TMEPO和溴化钾，在0∼10℃下滴加次氯酸钠水溶液进行反应，反应完全后，分液，有机相水洗，浓缩得到式（V）所示的化合物；
（4）将步骤（3）得到的式（V）化合物溶解到溶剂D中，再加入二级胺，回流分水反应10-20h，降温到25-60℃，滴加Z取代基试剂进行Stork烯胺合成反应，反应完全后，加入冰水，搅拌1-5h，分出有机层，水层用溶剂D萃取后合并有机层，再水洗，脱色之后减压浓缩得到式（VI）所示的化合物；
（5）向磷酸盐缓冲溶液中加入步骤（4）得到的式（VI）所示的化合物，氮气保护下加入酮还原液体酶（KRED-101），在25-30℃保温反应10-30小时，反应过程中加碱控制反应体系的pH值为6-7，过滤，水层用溶剂E萃取，分液，有机相水洗，饱和氯化钠盐水洗涤，减压浓缩得到式（I）所示的目标化合物多手性的氮取代哌啶醇衍生物。
通过采用上述技术，本发明以3-羟基吡啶为起始原料，依次经催化氢化还原、氨基保护、羟基氧化、Stork烯胺合成反应和酶的选择性催化反应得到的（2R,3S）-1-N-取代基（R）-2-取代基（Z）-3-羟基哌啶。该工艺具有操作简便、反应条件温和，收率和ee值高等特点，本发明所得的哌啶衍生物具有双手性结构，为合成更多的手性哌啶候选化合物提供了一种通用、高效的新策略，具有较高生物活性和产业化应用价值，在农药、医药领域应用前景较为广阔。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明的保护范围不限于此。
实施例1：
以R为叔丁氧羰基，Z为烯丙基为具体实施例，按照以下合成路线制备（2R,3S）-1-叔丁氧羰基-2-烯丙基-3-羟基哌啶：
Figure 420341DEST_PATH_IMAGE003
1、3-羟基哌啶（Ⅲ）的制备
在带有自动控制器的1L高压反应釜中加入3-羟基吡啶(100g，1.05mol)，水500mL，5%钌炭（Ru/C）催化剂5g，接着氮气置换二次，氢气置换二次，再通氢气至5.0MPa，加热升温至125℃，氢化反应15小时取样检测，反应完全后，过滤，回收催化剂，母液先减压蒸除水，然后通过减压蒸馏，收集67-70℃/0.2mmHg，冷却固化得产品式（Ⅲ）所示的3-羟基哌啶92.0g，收率86.7%，为了保证下一步的反应原料用量，本发明每个实施例中，每一步反应都重复操作一次，下同。
2、1-叔丁氧羰基-3-羟基哌啶（Ⅳ-a）的制备
在带有四氟搅拌、温度计的1L三口瓶中加入水202mL，3-羟基哌啶 (101g，1.0mol)，搅拌均匀，并控制温度为10-25℃，保持该温度范围，滴加二叔丁基二碳酸酯（262g，1.2mol），滴加结束后，保温过夜，反应结束后，用二氯甲烷（200ml×3）萃取，合并有机层，水洗，分出有机层减压浓缩至干，加环己烷搅拌降温结晶，抽滤，烘干后得1-叔丁氧羰基-3-羟基哌啶182.3g，收率90.6%。
3、1-叔丁氧羰基-3-哌啶酮（Ⅴ-a）的制备
在带有四氟搅拌、温度计的2L三口瓶中加入二氯甲烷606mL，1-叔丁氧羰基-3-羟基哌啶（201.2g，1.0mol）搅拌溶解，加入催化剂TMEPO（四甲基哌啶氧化物）0.2g，溴化钾5g，搅拌降温至0-10℃，保温下开始滴加10%次氯酸钠溶液 (744.4g，1.0mol)，滴加结束保温搅拌1小时，TLC检测反应完成后，分出有机层，用水洗，有机层减压浓缩至干，得1-叔丁氧羰基-3-哌啶酮195.8g，收率98.3%。
4、1-叔丁氧羰基-2-烯丙基-3-哌啶酮（Ⅵ-a）的制备
在带有磁力搅拌、温度计，分水器的2L三口瓶中加入甲苯750mL，1-叔丁氧羰基-3-哌啶酮（199.2g，1mol），四氢吡咯（78.2g，1.1mol），搅拌下升温至回流分水15小时，分水结束，减压蒸除250mL甲苯；氮气保护下，反应液降温至45-55℃，开始滴加溴丙烯（133.1g，1.1mol），滴加结束，保温3小时，TLC跟踪反应完成，加入至800g冰水中，搅拌1小时，静置分层，用甲苯（100mL×2）萃取，合并甲苯层，水洗，脱色，过滤浓缩至干得1-叔丁氧羰基-2-烯丙基-3-哌啶酮211.3g，收率88.3%。
5、（2R,3S）-1-叔丁氧羰基-2-烯丙基-3-羟基哌啶（Ⅰ-a）的制备
在带有四氟搅拌、温度计的5L、pH计、恒压滴液漏斗的四口瓶中加入pH值为6-7范围的磷酸二氢钠/磷酸氢二钠缓冲溶液2390mL，1-叔丁氧羰基-2-烯丙基-3-哌啶酮（239.3g，1.0mol），一水葡萄糖（237.8g，1.2mol），搅拌均匀后，开始加入酮还原酶液（KRED-101）119.6g，葡萄糖脱氢酶GDH 5g，氮气保护下，温度升温至25-30℃进行保温反应，保温反应过程中，pH计实时监测反应体系的pH值，并通过滴加饱和碳酸钾溶液控制体系的pH至6-7，保温13小时，反应结束，过滤，母液加入乙酸乙酯（200mL×3）萃取，合并有机层，水洗，饱和氯化钠盐水洗涤，干燥、过滤浓缩至干得（2R,3S）-1-叔丁氧羰基-2-烯丙基-3-羟基哌90.5g，简称BPD-3（Ⅰ-a），收率37.5%，本发明对该样品进行了结构表征：
1H-NMR(400MHz，CDCl3) δ：5.74-5.80(m,1H), 5.04-5.11(m, 2H),4.27 (s,1H), 4.00(s, 1H), 3.82(s, 1H), 2.78-2.84(m,1H), 2.16-2.22(m, 3H), 1.75-2.12(m,4H), 1.47(s, 9H).。

Claims (10)

1.一种多手性的氮取代哌啶醇衍生物，其特征在于其结构通式如式（I）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，R选自叔丁氧羰基、苄氧羰基、乙酰基、笏甲氧羰基、烯丙氧羰基、苄基、噻吩甲基、吡啶甲基、吡咯甲基、卤甲基、C1-C6的烷基或环氧基；Z选自卤代丙烯的烯丙基取代，丙烯腈的氰乙基取代，卤代烷烃单烷基取代或酰卤的酰化取代基团。
2.一种根据权利要求1所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于以式（Ⅱ）所示的3-羟基吡啶为起始原料，经催化氢化还原得到式（Ⅲ）所示的3-羟基哌啶，氨基保护，羟基氧化，Stork烯胺合成反应和酶的选择性催化反应得到式（I）所示的目标化合物多手性的氮取代哌啶醇衍生物。
3.根据权利要求2所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）以式（Ⅱ）所示的3-羟基吡啶为起始原料，在催化剂A作用下，经催化氢化还原得到如式（Ⅲ）所示的3-羟基哌啶；
（2）将式（Ⅲ）所示的3-羟基哌啶与保护基试剂进行氨基保护反应，反应结束后采用溶剂A进行提取，所得有机层浓缩蒸干后，加入结晶溶剂B结晶处理，得到如式（Ⅳ）所示的化合物；
（3）将式（Ⅳ）所示的化合物加入溶剂C中，在催化剂TMEPO、次氯酸钠水溶液存在下，进行羟基氧化反应，反应结束后，经后处理得到式（V）所示的化合物；
（4）将步骤（3）得到的式（V）所示的化合物溶解至溶剂D中，加入二级胺，与Z取代基试剂进行Stork烯胺合成反应，经后处理得到式（VI）所示的化合物；
（5）向磷酸盐缓冲溶液中加入式（VI）所示的化合物、一水葡萄糖，氮气保护下加入酶液和辅酶，氮气保护下，进行酶的选择性催化反应，反应过程中加碱控制反应体系的pH值，反应结束后加入溶剂E进行萃取，再经后处理得到式（I）所示的目标化合物多手性的氮取代哌啶醇衍生物，其反应过程如下：
Figure 464119DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求3所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于步骤（1）中的催化剂A为铑炭、钌炭或钯炭，催化剂A与式（II）所示的3-羟基吡啶投料质量比为0.03~0.1:1。
5.根据权利要求3所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于步骤（2）中保护基试剂选自二叔丁基二碳酸酯、氯甲酸苄酯、三氟乙酸乙酯、Fmoc-Cl、Alloc-Cl、苄溴、苄氯或C1-C6卤代脂肪烷烃，保护基试剂与式（III）所示的3-羟基哌啶的投料摩尔比为1.2~2.5:1；溶剂A为甲苯、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、氯仿、二氯甲烷或1，2二氯乙烷；结晶溶剂B为石油醚、正己烷、环己烷、正庚烷或1,4-二氧六环；氨基保护反应步骤中，加入缚酸剂，所述缚酸剂为三乙胺、三正丁胺、吡啶。
6.根据权利要求3所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于步骤（3）中的溶剂C为乙酸乙酯、乙酸甲酯、甲苯、氯仿、二氯甲烷或1,2-二氯乙烷；次氯酸钠与式（IV）所示的化合物的投料摩尔比为1.0~2.5:1；催化剂TEMPO与式（IV）所示的化合物的质量比为0.001~0.05:1。
7.根据权利要求3所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于步骤（4）中的溶剂D为环己烷、正己烷、甲苯或二甲苯；二级胺为四氢吡咯、吗啉或哌啶，二级胺与式（V）所示的化合物的投料摩尔比为1.1~2.0:1；Z取代基试剂为丙烯腈、碘甲烷、氯甲酸乙酯、溴丙烯、丙烯酸甲酯或乙酰氯，Z取代基试剂与式（V）所示的化合物的投料摩尔比为1.1~2.5:1。
8.根据权利要求3所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于步骤（5）中的磷酸盐缓冲溶液为磷酸氢二钠/磷酸氢钠缓冲液或磷酸氢二钾/磷酸氢钾缓冲溶液，磷酸盐缓冲溶液体积用量以式（VI）所示的化合物的质量计为10~20mL/g；酶液为酮还原液体酶KRED-101，酶液的质量以式（VI）所示的化合物的质量比为0.5~1.5:1。
9.根据权利要求3所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于步骤（5）中的一水葡萄糖的质量以式（VI）化合物的摩尔比为1.0~2.0:1。
10.根据权利要求3所述的多手性的氮取代哌啶醇衍生物的制备方法，其特征在于步骤（5）中的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸钠或碳酸钾；溶剂E为乙酸乙酯、乙酸甲酯、甲苯、氯仿、甲基叔丁基醚、1,4二氧六环、二氯甲烷或1,2-二氯乙烷。
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