甲硫基嘧啶-5-羧酸乙酯衍生物的绿色氧化

杨亮茹, 王海涛, 康彦龙, 买文鹏, 毛 璞, 袁金伟, 肖咏梅



甲硫基嘧啶-5-羧酸乙酯衍生物的绿色氧化

杨亮茹1,3, 王海涛1, 康彦龙2, 买文鹏3, 毛 璞1,3, 袁金伟1,3, 肖咏梅1,3

（1. 河南工业大学化学化工学院, 河南郑州 450001; 2. 北京阳光诺和药物研究有限公司, 北京 100043;3. 河南省天然药物化学院士工作站, 河南郑州 450001)

()-4-(3-氯-4-甲氧基苄氨基)-2-(2-羟甲基-1-吡咯烷基)-5-嘧啶甲酸乙酯(3)是合成阿伐那非的关键中间体之一。以钨酸钠为催化剂，H2O2氧化4-(3-氯-4-甲氧基苄氨基)-2-甲硫基-5-嘧啶甲酸乙酯(1)，得亚砜(2a)与砜(2b)的混合物，再与-脯氨醇反应得到()-4-(3-氯-4-甲氧基苄氨基)-2-(2-羟甲基-1-吡咯烷基)-5-嘧啶甲酸乙酯(3)；研究了氧化剂用量、催化剂用量、溶剂、反应温度等因素对反应的影响，利用响应面设计实验方案进行优化，得出最佳工艺条件，验证实验与优化结果相符。产物结构经1H-NMR、13C-NMR、ESI-MS、FT-IR等表征及分析予以确认。

过氧化氢；绿色氧化；硫醚；响应面

1 前 言

阿伐那非是一种用于治疗ED(Erectile Dysfunction)的新药，2012年4月27日由美国FDA (Food and Drug Administration)批准上市[1~3]；()-4-(3-氯-4-甲氧基苄氨基)-2-(2-羟甲基-1-吡咯烷基)-5-嘧啶甲酸乙酯(3)的合成是阿伐那非合成路线中的关键步骤之一[3]。合成化合物3关键的一步是将硫醚氧化为砜或亚砜(图1)。2012年Das等[4]以W(VI)配合物催化H2O2氧化硫醚和二苯并噻吩，在室温下将其选择性氧化为亚砜；2015年，Doherty等[5]通过金属过氧化物与吡咯烷鎓盐衍生物的阴离子交换作用，将离子液体固载到金属过氧化物的骨架上，得到[PO4{WO(O2)2}4]@PIILP，可催化H2O2将硫醚选择性氧化为砜与亚砜；Shi[6]，Afrasiabi[7]，Fazaeli[8]，Karimi等[9]分别通过不同的方法，合成了W催化剂，在温和条件下用H2O2将硫醚选择性氧化为砜或亚砜。在上述报道的参考文献中，大部分都需要制备较为复杂的催化剂，且反应底物多为芳基与烃基组成的结构较为简单硫醚，很少含有嘧啶环或较多杂原子的复杂结构，而此类化合物在医药合成中具有重要的作用；2004年Yamada等[10]用间氯过氧苯甲酸将此类硫醚氧化为砜，产率60%~70%，但其氧化剂非绿色氧化剂。本实验用含有嘧啶环的硫醚为反应底物，H2O2为氧化剂，将其氧化为砜或亚砜。

图1 化合物3的合成路线

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

Bruker Avance 400型超导核磁共振仪(瑞士Bruker公司)，ICPMS7700型电感耦合等离子体质谱仪(深圳华普通用科技有限公司)，X-4型数字显微熔点测定仪(北京福凯科仪科技有限公司)；实验试剂均为市售分析纯，购于百灵威科技有限公司。

2.2 化合物的合成

2.2.1 4-(3-氯-4-甲氧基苄氨基)-2-甲硫基-5-嘧啶甲酸乙酯(1)的合成

往100 mL圆底烧瓶中，加入20 mL DMF，10 mL TEA，25 mmol 3-氯-4-甲氧基苄胺盐酸盐；称取20 mmol 4-氯-2-甲硫基-5-嘧啶甲酸乙酯，量取20 mL DMF将其溶解，0℃下将其滴加到圆底烧瓶中，室温下反应2 h；将反应液倒入20 mL 冰水中，得乳状液，用乙酸乙酯萃取；有机层依次用10%(wt)柠檬酸水溶液、饱和食盐水洗涤，再用无水硫酸钠干燥、过滤、浓缩，将残余物柱层析提纯（硅胶柱，乙酸乙酯/石油醚淋洗），得化合物1。白色固体，mp: 82~83℃。1H-NMR (400 MHz, DMSO-d6):= 8.78 (t,= 5.96 Hz, 1H), 8.55 (s, 1H), 7.43 (d,= 2.0 Hz, 1H), 7.29 (dd,= 2.0 Hz,= 8.5 Hz, 1H), 7.09 (d,= 8.5 Hz,1H), 4.62 (d,= 6.0 Hz, 2H), 4.28 (q,= 7.1 Hz, 2H), 3.82 (s, 3H), 2.43 (s, 1H), 1.30 (t,= 7.1 Hz, 3H) ppm;13C-NMR (100 MHz, DMSO-d6):= 175.4, 166.2, 159.6, 158.4, 153.9, 132.7, 129.5, 127.9, 121.1, 113.1, 101.2, 61.4, 56.5, 43.0, 14.5, 14.1 ppm。FT-IR (KBr),(cm-1): 3346, 3058, 2925, 1685, 1574, 1377, 1265, 1182, 928, 802。

2.2.2 ()-4-(3-氯-4-甲氧基苄氨基)-2-(2-羟甲基-1-吡咯烷基)-5-嘧啶甲酸乙酯(3)的合成

称取2 mmol 4-(3-氯-4-甲氧基苄氨基)-2-甲硫基-5-嘧啶甲酸乙酯(1)，量取10 mL丙酮，加入50 mL圆底烧瓶中，升温至45℃溶解；称取0.1 mmol Na2WO4·2H2O、8 mmol H2O2和2 mmol乙酸，将其混合均匀后，滴加入圆底烧瓶中；TLC点板监测反应，原料消耗完全后，加入亚硫酸钠(5%(wt))溶液消耗过量的过氧化氢，再加入饱和的碳酸氢钠溶液中和乙酸，然后用二氯甲烷萃取，有机层经无水硫酸钠干燥后，浓缩得2a, 2b混合物，用于下一步反应。

往化合物2a, 2b混合物中，加入5 mL THF和2 mmol-脯氨醇，室温搅拌反应1 h后，浓缩，将残余物柱层析提纯（硅胶柱，乙酸乙酯/石油醚淋洗），得化合物3。白色固体，mp: 88-90 ℃。1H-NMR (400 MHz, DMSO-d6):= 8.48-8.42 (m, 2H), 7.35 (t,= 3.0 Hz, 1H), 7.24 (d,= 8.4 Hz, 1H), 7.0 (dd,= 2.5 Hz,= 8.4 Hz, 1H), 4.51 (d,= 6.5 Hz, 2H), 4.16 (q,= 7.1 Hz, 2H), 3.82 (s, 1H), 3.77 (d,= 1.1 Hz, 3H), 3.59-3.52 (m, 1H), 3.48-3.39 (m,2H), 3.30 (dd,= 7.4 Hz,= 10.3 Hz, 1H), 1.95-1.81 (m, 4H), 1.22 (t,= 7.1 Hz, 3H) ppm;13C-NMR(100 MHz, DMSO-d6):= 166.7, 160.9, 160.3, 160.0, 153.7, 133.2, 129.3, 128.0, 121.0, 112.8, 95.4, 62.0, 60.2, 59.1, 56.3, 47.5, 42.5, 27.9, 22.8, 14.4 ppm。FT-IR (KBr),(cm-1): 3329, 2937, 2876, 1678, 1601, 1531, 1487, 1257, 1122, 1069, 802。

3 结果与讨论

3.1 单因素实验

首先硫醚1被过氧化氢选择性氧化为亚砜和砜的混合物(2a, 2b)，然后与-脯氨醇反应生成化合物3；由于第二步反应较容易发生，因此在工艺优化时只改变第一步氧化的反应条件，第二步的反应条件不变。以化合物3的产率为考察的目标函数，进行条件优化：考察了催化剂、溶剂、反应温度等条件对反应的影响，结果见表1。

表1 单因素实验

Note: 1. a:-toluenesulfonic acid; b: H3BO3; c: Na2WO4·2H2O; d: CH3COOH. 2. Catalyst loading 5 %(mol), CH3COOH (1.0 molar ratio) was added as co-catalyst.

由表1中Entries 1~4可知钨酸钠作催化剂时产率最高，接下来另外分别选用四氢呋喃、乙酸乙酯、乙酸、乙醇、二氯甲烷、乙腈、甲醇为溶剂进行实验，结果显示用丙酮作溶剂的反应结果最好。

如图2所示，在30~40℃，随着反应温度的升高，产率升高，在40℃时达到最大值67%；继续升高温度至40~55℃，产率急剧下降；低于40℃时，升高反应温度，反应速率加快，产率升高；当温度过高时，随着反应温度升高，可能导致过氧化氢的分解加快，加入的过氧化氢还未进行反应就已经分解，产率开始下降。

图2 反应温度对产率的影响

图3 过氧化氢用量对反应产率的影响

如图3所示，随着过氧化氢用量增加产率升高，过氧化氢:硫醚=4.5:1(摩尔比)时达到最大；当摩尔比为4.5~5.5时，随着过氧化氢用量的增加，产率下降。当摩尔比在3~4.5时随着过氧化氢用量的增加，硫醚被氧化得更充分，产率提高；摩尔比超过4.5以后可能会过度氧化，嘧啶环上的氮被氧化，导致产率下降。

如图4所示，反应3~4 h，产率随反应时间的延长显著增加；反应4~6 h，产率随反应时间的延长缓慢增加；6 h以后，再延长反应时间，产率基本不变。

图4 反应时间对反应产率的影响

3.2 响应面实验设计

3.2.1 实验方案设计

在单因素实验分析的基础上，选取反应时间(1/ h)、反应温度(2/℃)、过氧化氢用量(3/ molar ratio)为响应面设计的考察因素。每个因素取+1、0、-1三个水平，以化合物(3)的产率(Yield/%)为目标函数，设计三因素三水平17个实验点的响应面设计实验，其中12个析因点，5个中心点。根据实验方案安排实验，分析实验数据进行二次回归拟合，得到含有交互作用项和平方项二次回归方程，在实验水平的范围内求出最优解。本实验设计及数据处理是在软件Design-Expert 8.0.5中的Box-Behnken Design(BBD)选项的辅助下完成的[11]。各实验因素的水平及编码见表2，实验方案设计及结果见表3。

表2 响应面实验因素和水平编码表

3.2.2 实验结果显著性分析

利用Design-Expert 软件处理实验结果，得到二次拟合方程= + 73.50 + 2.241+ 0.892+ 2.283+ 0.8512- 0.07513+ 0.02523+ 1.0712-9.0322-15.832(编码值)，方程中系数为正数的项，说明该项与目标函数为正相关，方程中系数为负数的项，说明该项与目标函数负相关，其绝对值越大，说明对目标函数的影响越大。对回归方程系数显著性分析见表4，结果表明：各响应因子反应时间(1)、反应温度(2)、氧化剂过氧化氢的用量(3)的Prob＞项均小于0.01，说明123为高度显著模型项；交互作用项22、32的Prob＞项小于0.01，22、32为高度显著模型项，12、12的Prob＞项小于0.05，12、12为显著模型项，而13、23项的Prob＞项大于0.05，13、XX3为不显著模型项。

表4 回归方程系数显著性分析

Note:: degree of freedom;test valueof;-value, Prob>, test value of;0.05, significant difference *;0.01, very significant difference * *.

3.2.3 实验结果方差分析

实验结果进行方差分析见表5，结果表明：模型值364.4997，说明该模型高度显著，Prob＞项小于 0.0001，说明只有0.01%的可能性不适合该模型，而这种可能性很可能是由于误差产生的；失拟项值为6.281609，Prob＞项为0.0540大于0.05，失拟项不显著，说明该方程对实验拟合较好；该回归方程的预测决定系数2Pred=0.9713满足调整决定2Adj= 0.9951的要求；决定系数2=0.9979(＞90%)且大于调整决定系数2Adj= 0.9951，说明只有0.21%的变异不能用此模型进行描述，该模型可以较好地描述实验结果；离散系数(C.V.)，用来衡量模型的精确度，其值越大表明精确度越低，即可靠性愈低，该实验C.V. %= 1.10，符合要求，说明该模型的可信度较高；信噪比大于4即符合要求，本模型的信噪比为Adeq Precision = 52.999，说明该模型信噪比很好，可以用于设计实验方案。

表5 响应面实验结果方差分析

Note:2: coefficient of determination;2Adj: adjusted coefficient of determination;2Pred: predicted coefficient of determination; C.V.: coefficient of variance; Adeq Precision: signal-to-noise ratio.

3.2.4 响应曲面分析

利用Design-Expert软件处理实验结果，得到三维的响应曲面图，如图5所示：过氧化氢对化合物3产率的影响变化趋势呈抛物线形，即随着反应温度的升高，化合物3产率先增加后减小，过氧化氢用量为硫醚的4.1倍时，反应温度为41℃时，产率最大。

3.2.5 验证实验

根据响应面分析，由二次拟合回归方程：

= + 73.50 + 2.241+ 0.892+ 2.283

+ 0.8512+ 1.07129.032215.832

求得最优解为反应时间7 h，反应温度40.72℃，过氧化氢用量为4.07(molar ratio)，化合物3的产率为76.8%；考虑实验的可操作性，取反应时间7 h，反应温度41℃，过氧化氢用量为4.1(molar ratio)，在此条件下做3组验证性实验，实验结果见表6，与预测结果相符。

图5 反应温度和过氧化氢用量对化合物3 产率的曲面响应图

表6 验证实验

Note: solvent, CH3COCH3; catalyst, Na2WO4×2H2O (5 %(mol)); co-catalyst, CH3COOH (1.0 molar ratio)

4 结 论

以4-(3-氯-4-甲氧基苄氨基)-2-甲硫基嘧啶-5-嘧啶羧酸乙酯为底物，过氧化氢为氧化剂，首先通过单因素实验考察了催化剂种类、反应溶剂、反应温度、过氧化氢用量、催化剂用量、反应时间对目标产物产率的影响；在此基础上，选择反应温度、过氧化氢用量、反应时间为考察的因素，采用Design-Expert软件的BBD方法，分析响应结果，得到二次回归方程= + 73.50 + 2.241+ 0.892+ 2.283+ 0.8512+ 1.0712-9.0322-15.832(编码值)。

根据二次回归方程求出最优反应条件：反应溶剂为丙酮，催化剂为二水合钨酸钠(5%(mol))，辅助催化剂为乙酸(1 molar ratio)，反应时间7 h，反应温度41℃，过氧化氢用量为硫醚的4.1倍时，产率可达76.4%，验证实验与优化结果相符。

参考文献：

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Green Oxidation of (Methylthio)Pyrimidine-5-Carboxylate Derivatives

YANG Liang-ru1,3, WANG Hai-tao1, KANG Yan-long2, MAI Wen-peng,3MAO Pu1,3,YUAN Jin-wei1,3, XIAO Yong-mei1,3

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China;2. Beijing Sun-Novo Pharmaceutical Research Co. Ltd., Beijing 100043, China; 3. Academician Workstation of Natural Medicinal Chemistry of Henan Province, Zhengzhou 450001, China)

()-4-((3-chloro-4-methoxybenzyl)amino)-2-(2-(hydroxymethyl)pyrrolidin-1-yl)pyrimidine-5-carboxylate (3) is a key intermediate for Avanafil synthesis. Na2WO4was used as a catalyst in this study and ethyl 4-((3-chloro-4-methoxybenzyl)amino)-2-(methylthio)pyrimidine-5-carboxylate (1) was oxidized by H2O2to produce sulfone (2a) or sulfoxide (2b) derivatives. These derivatives were reacted with-prolinol to prepare ()-4-((3-chloro-4-methoxybenzyl)amino)-2-(2-(hydroxymethyl)pyrrolidin-1-yl)pyrimidine-5-carboxylate(3). Factors including oxidant dosage, catalyst loading, solvent and temperature on the reaction were optimized and the optimal conditions were obtained using response surface methodology, which were proved via verification experiments. The products obtained were characterized by1H-NMR,13C-NMR, ESI-MS and FT-IR.

hydrogen peroxide; green oxidation; sulfide; response surface

1003-9015(2016)05-1158-06

O626

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.05.025

2015-06-18；

2015-10-19。

国家自然科学基金(21172055)。

杨亮茹(1976-)，女，河南灵宝人，河南工业大学副教授，博士。通讯联系人：杨亮茹，E-mail：lryang@haut.edu.cn