现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 206-210. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.037

科研与开发

辅助疾病预警与诊断的石胆酸衍生物设计与合成

毕洪梅 ^*

作者信息 +

Design and synthesis of lithocholic acid derivatives for disease early warning and diagnosis

BI Hong-mei ^*

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文章历史 +

Received		Published
2025-03-05		2025-09-30
Issue Date	Revised Date
2025-10-29	2025-03-05

PDF (1826K)

摘要

设计合成了一种石胆酸衍生物并优化了其合成工艺。以石胆酸为起始原料,经酰胺化、还原、酯化、脱卤化氢、肟化等反应对石胆酸进行结构修饰和改造,得到可与Zn²⁺络合实现其浓度灵敏测定的衍生物3-{2-[2-(6-乙醛肟吡啶基)乙醛肟醚基]乙酸酯基}-胆甾烷-24-吗啉,纯度达98.6%,可用于辅助某些疾病的预警与诊断。优化后的合成工艺条件温和,适合工业化生产。

Abstract

A derivative of lithocholic acid was designed and synthesized and its synthesis process was optimized.Starting from lithocholic acid,the structure was modified through a series of reactions including amidation,reduction,esterification,dehydrohalogenation,and oximation.The final product,3-{2-[2-(6-acetaldoxime pyridinyl) acetaldoxime ether] acetate ester-}-cholestan-24-morpholine,exhibited enhanced physiological activity on assisting in the early warning and diagnosis of some diseases,the purity of the product is 98.6%.The optimized synthetic route features mild reaction conditions,making it suitable for industrial-scale production.

Graphical abstract

关键词

石胆酸衍生物 / 诊疗 / 检测 / 工艺优化 / 合成

Key words

lithocholic acid derivatives / diagnosis / detection / process optimization / compositing

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甾体化合物石胆酸(3-羟基-胆甾烷-24-酸)是一种次级胆汁酸,具有利胆、降血脂、抗炎、清除自由基、抗氧化、免疫调节等功效和功能,其含量变化在肝脏疾病诊疗中具有重要参考价值^[1-5]。以石胆酸为母体进行结构修饰与改造所得的衍生物在机体代谢过程解析及病理机制研究方面有广泛应用^[6-8]。经过结构修饰改造后的特殊石胆酸衍生物可与特殊离子,如Zn²⁺络合,而病患特定病灶或肿瘤病变区域的Zn²⁺浓度会发生变化。通过定量测定特定区域的微量Zn²⁺浓度变化,可以实现对某些肿瘤病症的早期预警,对扩大甾族化合物在医疗上疾病监测与诊断的应用具有重要意义^[9-11]。

本研究以石胆酸为起始原料,经酰胺化、还原、酯化、链接脱卤化氢、肟化等五步设计合成石胆酸衍生物3-{2-[2-(6-乙醛肟吡啶基)乙醛肟醚基]乙酸酯基}-胆甾烷-24-吗啉,通过优化开发一条绿色环保、反应条件温和、副产物少、中间体易于分离纯化、收率较高的合成路线,避免使用高毒试剂、生产成本低、无需柱色谱纯化,适合工业化生产,具有较高应用价值。

1 试剂与仪器

1.1 材料

石胆酸(>97%)、2.6-二乙酰基吡啶(99.5%)、盐酸羟胺(99.99%)、1,4-二氧六环(>99.5%)、吗啉(>99.5%)、二氯甲烷(DCM,>99.9%)、4-二甲氨基吡啶(99%)、氯乙酰氯(98%)、CHCl₃(99.5%)、三乙胺(>99.5%)、二甲基甲酰胺(DMF,99.5%),均为分析纯,购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;甲硼烷-四氢呋喃络合物(BH₃THF,分析纯,98%),购于西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;其他常规试剂和溶剂购于上海麦克林生化科技股份有限公司。

1.2 仪器

LC-FA3204电子天平,上海力辰科技有限公司生产;Bruker ARX-400/600 NMR型核磁共振波普仪,德国布鲁克公司生产;SZCL数显恒温磁力搅拌器,上海力辰科技有限公司生产;冷凝回流装置,常规搭建。

2 实验方法

2.1 合成路线设计

以石胆酸为起始物,经酰胺化、还原、酯化、链接脱卤化氢、肟化等五步合成石胆酸衍生物3-{2-[2-(6-乙醛肟吡啶基)乙醛肟醚基]乙酸酯基}-胆甾烷-24-吗啉,具体反应流程如图1所示。

2.2 中间体1的合成

在10℃条件下,将一定量石胆酸(2 g,5.3 mmol)溶于1,4-二氧六环(48 mL)配制成溶液,再加入一定量三乙胺(0.76 mL,5.3 mmol)混合搅拌5 min。再加入定量的吗啉(0.9 mL,10.5 mmol)后回流 18 h^[11-12]。反应混合物经饱和NaHCO₃(50 mL)溶液洗涤,有机层经无水MgSO₄干燥后减压蒸发得到粗产品,用30%乙酸乙酯/二氯甲烷(10 mL)重结晶,得到白色固体,即中间体1(1 360 mg,57.8%)。

2.3 中间体2的合成

取中间体1(1 000 mg,2.25 mmol)置于圆底烧瓶中,再逐滴滴加BH₃THF(50 mL,11.25 mmol)后回流2 h,冷却至室温后继续搅拌15 h,然后用甲醇(50 mL)淬灭反应。蒸发溶剂后得到粗产品,用30%乙酸乙酯/二氯甲烷(10 mL)重结晶,得到白色固体,即中间体2(870 mg,90%)。

2.4 中间体3的合成

取中间体2(750 mg,1.74 mmol)、4-二甲氨基吡啶(20 mg,0.17 mmol)、三乙胺(0.36 mL,2.6 mmol)于0℃溶于DCM(100 mL)中,再滴加DCM配制(50 mL)的氯乙酰氯(294 mg,2.6 mmol)溶液。混合体系升温到室温(25℃)并继续搅拌 16 h后,反应混合液经水(2×50 mL)洗涤,有机层经无水MgSO₄干燥后减压蒸发除去溶剂后得到粗产品。经10%甲醇/二氯甲烷重结晶后得到白色固体,即中间体3(840 mg,95%)。

2.5 中间体4的合成

将一定量2,6-二乙酰基吡啶(815 mg,5 mmol)、盐酸羟胺(260 mg,3.75 mmol)、乙酸钠(41 mg,0.5 mmol)溶于50 mL水中后回流1 h,然后继续在室温下搅拌15 h,得到的白色固体经过滤、水洗、干燥及20%乙酸乙酯/二氯甲烷重结晶,得到白色固体,即中间体4(474 mg,77%)。

2.6 中间体5的合成

在0℃条件下,将一定量的中间体4(320 mg,1.95 mmol)溶于DMF(150 mL)中,再加入一定量碳酸钠(1.8 g,13 mmol)后在室温下搅拌1 h。将上述混合液再次冷却至0℃后加入中间体3(660 mg,1.3 mmol)的DMF(100 mL)溶液。将混合液加热至室温(25℃)后继续搅拌15 h,然后用饱和NaCl溶液(2×100 mL)洗涤,有机层经无水MgSO₄干燥后减压蒸发除去溶剂后得到粗产品。经10%甲醇/二氯甲烷重结晶纯化,得到白色固体,即中间体5(610 mg,72.2%)。

2.7 目标产物的生成

将一定量盐酸羟胺(42 mg,0.6 mmol)和乙酸钠(16 mg,0.2 mmol)配制成水溶液(7.7 mL),加入到溶有一定量中间体5(260 mg,0.4 mmol)的CHCl₃/乙醇(体积比1∶1,75 mL)溶液中,将混合液加热至60℃并搅拌下反应15 h, 用CHCl₃(100 mL)稀释反应液, 用水(2×50 mL)洗涤2次。有机层经MgSO₄干燥、过滤, 在真空中除去溶剂得到粗产品。经10%甲醇/二氯甲烷重结晶纯化得到白色固体,即目标产物3-{2-[2-(6-乙醛肟吡啶基)乙醛肟醚基]乙酸酯基}-胆甾烷-24-吗啉(255 mg,96.1%)。¹HNMR(400 MHz,CDCl₃),δ(ppm):7.90(m,2H),7.65(t,³J=7.9 Hz,1H), 4.77(m,3H), 3.84(m,4H), 2.62(br.m,4H), 2.48(s,3H),2.41(s,3H), 1.85~0.77(m,40H), 0.66(s,3H)。 ¹³CNMR(100 MHz, CDCl₃), δ(ppm):170.0,157.7,155.7,154.0,152.5,136.2,119.9, 119.6, 75.1, 71.2, 66.4, 60.2, 58.5, 56.2, 54.6, 53.8, 53.6, 42.5, 41.6, 40.3, 39.9, 35.6, 34.8, 34.5, 33.6, 32.0, 29.7, 28.4, 28.0, 26.9, 26.3, 26.2, 24.2, 23.3, 20.8, 18.9, 18.4, 12.0, 11.1, 10.0。

3 结果与分析

3.1 中间体1的合成条件优化

本实验步骤是石胆酸羧基与吗啉脱水的酰胺化反应,吗啉为酰胺化试剂、1,4-二氧六环为溶剂、三乙胺提供利于反应进行的碱性条件。在之前的实验过程中,三乙胺的量对反应产率影响不大,因此分别探讨了合成过程中反应物料比、反应时间对产率的影响,如表1。实验采用原料吗啉过量的方法来提高起始物石胆酸的转化率,石胆酸的转化率随着吗啉用量的提高而提高。二者等摩尔比配比、反应时间在10 h时,中间体1的产率仅为49.6%,其原因是反应本身速率较慢,加上物料和时间均不够充足而所致反应不完全;在石胆酸/吗啉摩尔比为1∶2,且延长反应时间时,产率也相应提高,经过15 h反应后中间体1的产率可达到57.8%左右;石胆酸/吗啉摩尔比为1∶4、反应时间15 h时,产率可达58.1%,反应时间为20 h时,收率可提高到58.8%,产率提高有限。结合物料比、反应时间的综合影响及产出性价比考虑,确定此步反应的最佳石胆酸/吗啉摩尔比为1∶2、反应时间为15 h,此时中间体1产率为57.8%。

3.2 中间体3的合成方案改进与对比

中间体3是中间体1经还原后与酰氯的脱氯化氢反应,常规的合成过程中通常是分步合成。前期的实验表明,以上2步反应分别是羰基的还原与酰基化反应,反应过程简单,分步反应得到的中间体2产率可达90%,中间体3的产率可达95%,产率均比较高。为了简化操作流程,降低中间体的损失,本研究尝试中间步骤不分离的“一步法”改进方案合成中间体3。取中间体1(1 000 mg,2.25 mmol)于圆底烧瓶中,再逐滴滴加BH₃THF(50 mL,11.25 mmol)后回流2 h,冷却至室温后继续搅拌 15 h促使其充分还原,然后用甲醇(50 mL)淬灭反应,蒸发溶剂后得到粗产品后,使体系温度降低至0℃,加入4-二甲氨基吡啶(24 mg,0.2 mmol)、三乙胺(0.45 mL,3 mmol)和DCM(100 mL)搅拌至溶解,再滴加溶有氯乙酰氯(340 mg,3 mmol)的DCM(50 mL)溶液。混合均匀并将体系升温到室温(25℃)下继续搅拌16 h后,反应混合液经水(2×50 mL)洗涤,有机层经无水MgSO₄干燥后减压蒸发除去溶剂后得到粗产品。经10%甲醇/二氯甲烷重结晶后得到白色固体,即中间体3(860 mg,75.6%)。采用中间步骤不分离的“一步法”,中间体3的总产率较分步的累积产率略低,考虑到反应过程操作的简化及中间体的损失,综合认为“一步法”更有实际操作上的优势,适合量产^[13-15]。因为2.3和2.4中两个分步反应按照介质酸碱性及反应比例,均稍过量(50%)即可实现优势产率,因此对其反应量比及时间等未做正交表考察。随着反应时间的延长,产率也相应提高,推测其原因可能是反应本身速率较慢,加上物料和时间均不够充足而所致反应不完全,结合物料比、反应时间的综合影响及产出性价比考虑,确定此步反应时间15 h为宜,中间体3产率为75.6%。

3.3 中间体5的合成条件优化

中间体5为中间体3和中间体4之间脱卤化氢反应的产物,反应以DMF为溶剂、碳酸钠为缚酸剂。在这步合成过程中,反应温度不能过高,需在室温及以下温度确保不产生副产物及产物稳定性^[16]。缚酸剂的用量足够吸附产生的卤化氢即可,过量添加对产率影响不大。因此,重点探讨了两种反应物料之比及后续反应时间对产率(以中间体3为基数计算)的影响,见表2。本着充分利用两种中间体的原则,二者之间的摩尔比设置为1∶1、1∶1.5、1∶2来考察,其中当二者摩尔比为1∶1、反应时间为10 h时,中间体5产率为54%,可能是本身反应温度较低,反应速率慢且等摩尔量使得反应不完全所致;当物料摩尔比在1∶1.5,反应时间在15 h时,中间体5产率明显提高至72.2%;中间体3/中间体4摩尔比为1∶2,反应产率有所提高但不显著。同样,当反应时间延长,产率也相应提高,搅拌时间由15 h延长至 20 h时,产率同样有所提高但不再显著。综合考虑到原料经济成本和时间成本,确定此步反应的最佳物料摩尔比为1∶1.5、反应时间为15 h,中间体5产率为72.2%。

3.4 目标产物的生成条件优化

本步骤主要涉及中间体5中的一个碳基与盐酸羟胺的加成-消除反应,即肟化反应。与中间体4肟化反应不同的是,这一步反应不能采用回流的方式进行转化,反应温度不能过高以确保中间体5的结构稳定性,主要采用稍低温度并适当延长反应时间来提高转化率。前期探索中间体4的合成实验表明,选用盐酸羟胺过量50%的最佳物料比开展相应实验,影响目标产物产率(以中间体5为基数计算)的主要因素为反应温度和反应时间两个因素,也是需重点分析讨论的因素,如表3。当反应温度为40℃、反应时间为7 h时,目标产物的产率仅为76%,可能是反应温度及时间不够导致反应不完全;当反应温度提高至60℃、反应时间延长至10 h时,产率明显提高,至89.2%;反应时间继续延长至 15 h,反应产率可高达96.1%,几乎反应完全。而在80℃、10 h时,产率也基本达到90%左右,在此温度下当反应时间延长至15 h时,产率有相应增长。但该温度下反应物颜色比低温下反应物颜色略暗,说明过高的温度可能导致了产物部分分解或是产生了副反应。综合考虑到产品稳定性及产率,确定此步反应的最佳物料摩尔比为1∶1.5、反应温度为60℃、反应时间为15 h,目标产物的产率达96.1%。

4 结论

设计了一条新的合成石胆酸衍生物的工艺路线,以石胆酸为起始原料,经酰胺化、还原、酯化、链接脱卤化氢、肟化等五步反应,合成了目标产物3-{2-[2-(6-乙醛肟吡啶基)乙醛肟醚基]乙酸酯基}-胆甾烷-24-吗啉,且对关键反应进行了初步的工艺优化,得到各步骤的最佳工艺条件。

(1)合成中间体1时,最佳反应物料摩尔比为 1∶2、反应时间15 h。

(2)由中间体1可采用中间体不分离的方案直接合成中间体3,产率可达75.6%。

(3)合成中间体5时最佳物料摩尔比是1∶1.5,反应时间15 h。

(4)最后生成目标产物步骤的最佳物料摩尔比是1∶1.5、反应温度60℃、反应时间为15 h。

优化后的合成路线操作简单,无需使用高毒、高危险试剂,反应条件温和,不需柱色谱纯化,成本低,收率较高,适合工业化放大生产。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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