硫化氢供体桥二硫哌嗪二酮类小分子的合成

陈 钏, 张春燕, 赵玉玺

(1. 川北医学院 a. 药学院， b. 药物研究所，四川 南充 637000)

·快递论文·

硫化氢供体桥二硫哌嗪二酮类小分子的合成

陈 钏1a,1b*, 张春燕1a,1b, 赵玉玺1a,1b

(1. 川北医学院 a. 药学院， b. 药物研究所，四川 南充 637000)

利用改良的Trown合成法，以甘氨酸酐为原料，经氮烷基化、溴化、取代、脱乙酰基及氧化反应合成了4个桥二硫哌嗪二酮环类小分子化合物，其结构经1H NMR和MS(EI)确证。

甘氨酸酐; 气体信号分子; 硫化氢供体; Trown合成; 桥二硫哌嗪二酮; 合成

硫化氢(H2S)是继气体信号分子一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)后发现的第三种新型气体信号分子[1]。其生物合成依赖于三种酶[2-3]，胱硫醚-β-合成酶(CBS),胱硫醚-γ-裂解酶(CSE)和巯基丙酮酸硫转移酶(MPST)。这三种酶存在于不同的组织中，可将半胱氨酸或半胱氨酸衍生物转化为H2S。研究发现，生理浓度下H2S具有多种生理活性[4-8]，如抗炎、扩张血管和心血管保护、神经保护及抗肿瘤等作用，因而在治疗高血压、心脏缺血性疾病、动脉粥样硬化、炎症及肿瘤等方面具有极大的应用前景[9]。

目前，外源性的H2S供体主要有以下几种类型[10-16]。硫化盐如Na2S, NaHS及CaS等无机盐是最常见的硫化氢供体。这些盐可以快速释放H2S，但是无法控制其释放速度，因而很难控制其浓度以及控制H2S不从溶液中溢出。目前对硫化氢供体的研究多集中于有机化合物，其H2S的释放得到控制。劳森试剂(二硫代磷酸酯类衍生物)，如GYY4137，溶于水即可缓慢释放H2S，天然产物如大蒜素(DATS)等；二硫代硫酮类衍生物如去甲茴三硫的衍生物、N-(苯甲酰基)-硫代苯甲酰胺类衍生物、S-乙酰基过硫类化合物及硫代氨基酸类化合物等。

在自然界中，桥二硫哌嗪二酮环类小分子epidithiapiperazinediones(ETPs)是由真菌产生的二次代谢产物，目前至少发现14种不同的ETPs(除了部分变化很小的化合物)均表现了一定的生物活性，多具有抗菌和抗病毒作用[17]。但天然产物大多结构复杂，不易合成。

Scheme 1

小分子ETPs最早在1968年由Trown成功合成[18]，接着在七十年代研究较多，先后出现几种其他的合成方法，如Hino合成[19]、Schmidt合成[20]、Srinivasan合成[21]及Aliev合成[22]。为了研究该类分子是否可以在生理条件下释放硫化氢，本文设计合成了一类简单的ETPs含硫有机化合物以供研究。采用简单易行的改良Trown合成法[23]，利用甘氨酸酐为原料，通过氮烷基化、溴化、取代、酸催化下脱除乙酰基及I2的氧化反应合成了4个简单桥二硫哌嗪二酮环类小分子(3a～3d, Scheme 1)，其结构经1H NMR和MS(EI)确证。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker AM 300型超导核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；MAT-95型质谱仪(低分辨EI)； Agilent 1100 Bruker Esquire 3000 plus型液相色谱质谱联用仪(LC-MS)。

硅胶H60(300-400目)和硅胶zcx-II(100-200目)，青岛海洋化工厂；HSGF 254薄层层析硅胶板，烟台化工研究院；甘氨酸酐(TCI， 98%)、氢化钠(NaH， 60%分散于油中)、溴化苄(98%)、碘代正丁烷(98%)、溴代异丁烷(98%)、溴代异戊烷(96%)、N-溴代丁二酰亚胺(NBS， 98%)、 2,2-偶氮二异丁腈(AIBN， 98%)、硫代乙酸钾(KSAc， 98%)；碘化钾(KI， 99%)和碘(99.5%)，阿拉丁试剂公司；氯化氢甲醇溶液(HCl/MeOH)，自制；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成[23]

(1) 1a～1d的合成(以1a为例)

将甘氨酸酐264 mg(2.3 mmol)溶于DMSO 10 mL中，加入氢化钠200 mg(在矿物油中含量60%)，搅拌下于室温反应30 min；待无气泡产生时，加入溴苄1.008 g(5.9 mmol)，于室温反应过夜。加水稀释，用二氯甲烷(3×20 mL)萃取，合并有机相，依次用水和饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，减压蒸干得1,4-二苄基哌嗪-2,5-二酮(1a)700 mg，收率100%。

用类似方法合成1b～1d。

1a: 白色粉末，收率100%;1H NMRδ: 7.34(m, 6H, ArH), 7.26(m, 4H, ArH), 4.58(s, 4H, NCH2), 3.96(s, 4H, 3,6-H); MS(EI)m/z: 294[M+]。

1，4-二正丁基哌嗪-2，5-二酮(1b): 白色粉末，收率85%;1H NMRδ: 3.96(s, 4H, 3,6-H), 3.38(t,J=7.1 Hz, 4H, NCH2), 1.52(m, 4H, CH2CH2), 1.32(m, 4H, CH2CH3), 0.90(t,J=7.0 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 226[M+]。

1,4-二异丁基哌嗪-2,5-二酮(1c): 白色粉末，收率56.8 %;1H NMRδ: 3.96(s, 4H, 3,6-H), 3.20(d,J=7.2 Hz, 4H, NCH2), 1.96(m, 2H, CH), 0.90(d,J=7.0 Hz, 12H, CH3); MS(EI)m/z: 226[M+]。

1,4-二异戊基哌嗪-2,5-二酮(1d): 白色粉末，收率98.7%;1H NMRδ: 3.96(s, 4H, 3,6-H), 3.38(t,J=7.2 Hz, 4H, NCH2), 1.56(m, 2H, CHCH3), 1.42(m, 4H, CH2CH2), 0.90(d,J=6.5 Hz, 12H, CH3); MS(EI)m/z: 254[M+]。

(2) 2a～2d的合成(以2a为例)

将1a 470 mg(1.6 mmol)， NBS 683 mg(3.8 mmol)和AIBN 5 mg溶于四氯化碳20 mL中，搅拌下回流反应1 h。冷却，过滤，滤液蒸干得粗品，用二氯甲烷20 mL溶解，加入硫代乙酸钾456 mg(4.0 mmol)，于室温反应过夜。过滤，滤液减压蒸干，用正己烷/乙酸乙酯重结晶得3,6-二(硫代乙酰基)-1,4-二苄基哌嗪-2,5-二酮(2a)246 mg，收率34.8%。

用类似方法合成2b～2d。

2a： 白色粉末，收率34.8%;1H NMRδ: 7.34(m, 6H, ArH), 7.26(m, 4H, ArH), 5.84(s, 2H, 3,6-H), 5.00(d,J=14.7 Hz, 2H, NCH2), 4.00(d,J=14.7 Hz, 2H, NCH2), 2.40(s, 6H, COCH3); MS(EI)m/z: 442[M+]。

3，6-二(硫代乙酰基)-1，4-二正丁基哌嗪-2，5-二酮(2b)： 白色粉末，收率35.6%;1H NMRδ: 5.62(s, 2H, 3,6-H), 3.96(m, 2H, NCH2), 2.96(m, 2H, NCH2), 2.40(s, 6H, COCH3), 1.60(m, 4H, CH2CH2), 1.34(m, 4H, CH2CH3), 0.94(t,J=7.0 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 374[M+]。

3，6-二(硫代乙酰基)-1，4-二异丁基哌嗪-2，5-二酮(2c)： 白色粉末，收率40.2%;1H NMRδ: 5.62(s, 2H, 3,6-H), 3.86(dd,J=13.7 Hz, 8.9 Hz, 2H, NCH2), 2.64(dd,J=13.7 Hz, 8.9 Hz, 2H, NCH2), 2.40(s, 6H, COCH3), 2.00(m, 2H, CH), 0.94(d,J=6.5 Hz, 6H, CH3), 0.86(d,J=6.6 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 374[M+]。

3，6-二(硫代乙酰基)-1，4-二异戊基哌嗪-2，5-二酮(2d)： 白色粉末，收率36.5%;1H NMRδ: 5.62(s, 2H, 3,6-H), 3.86(m, 2H, NCH2), 2.98(m, 2H, NCH2), 2.40(s, 6H, COCH3), 1.56(m, 2H, CH2CH3), 1.44(m, 4H, CH2CH2), 0.94(d,J=6.5 Hz, 12H, CH3); MS(EI)m/z: 402[M+]。

(3) 3a～3d的合成(以3a为例)

将2a 200 mg(0.45 mmol)溶于3 mol·L-1盐酸甲醇溶液(20 mL)中，搅拌下回流反应1 h。冷却，减压蒸干，将残留物溶于10 mL氯仿和10 mL 2%碘化钾水溶液中，滴加碘0.2 g的氯仿(10 mL)溶液，滴毕，于室温反应至反应液颜色变为棕黄色。分液，水相用氯仿(3×20 mL)萃取，合并有机相，用无水硫酸钠干燥，减压蒸干，残留物经硅胶柱层析[洗脱剂：A=V(石油醚)/V(乙酸乙酯)=8/1]纯化得1，4-二苄基-3，6-桥二硫哌嗪-2，5-二酮(3a) 100 mg,收率59.2%。

用类似方法合成3b～3d。

1，4-二苄基-3，6-桥二硫哌嗪-2，5-二酮(3a)： 淡黄色粉末，收率59.2%;1H NMRδ: 7.34(m, 6H, ArH), 7.26(m, 4H, ArH), 5.22(s, 2H, 3, 6-H), 4.82(d,J=14.7 Hz, 2H, NCH2), 4.50(d,J=14.7 Hz, 2H, NCH2); MS(EI)m/z: 356[M+]。

1，4-二正丁基-3，6-桥二硫哌嗪-2，5-二酮(3b)： 淡黄色粉末，收率60.0%;1H NMRδ: 5.26(s, 2H, 3,6-H), 3.48(m, 4H, NCH2), 1.60(m, 4H, CH2CH2), 1.34(m, 4H, CH2CH3), 0.94(t,J=7.0 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 288[M+]。

1，4-二异丁基-3，6-桥二硫哌嗪-2，5-二酮(3c)： 淡黄色粉末，收率59.5%;1H NMRδ: 5.26(s, 2H, 3,6-H), 3.44(m, 2H, NCH2), 3.24(m, 2H, NCH2), 2.00(m, 2H, CH2CH3), 0.98(d,J=6.5 Hz, 6H, CH3), 0.90(d,J=6.6 Hz, 6H, CH3); MS(EI)m/z: 288[M+]。

1，4-二异戊基-3，6-桥二硫哌嗪-2，5-二酮(3d)： 淡黄色粉末，收率58.8%;1H NMRδ: 5.26(s, 2H, 3,6-H), 3.44(m, 4H, NCH2), 1.60(m, 2H, CH2CH3), 1.52(m, 4H, CH2CH2), 0.98(d,J=6.5 Hz, 12H, CH3); MS(EI)m/z: 316[M+]。

2 结果与讨论

2.1 合成

在甘氨酸酐经氮烷基化反应合成1a～1d的过程中，由于甘氨酸酐在其他溶剂中溶解性不好，所以选用二甲基亚砜为溶剂。所用碱为氢化钠，因此最好用干燥无水二甲基亚砜。加入氢化钠后待其充分反应完，即无气泡产生为止，可提高收率。该氮烷基化反应为双分子亲核取代反应，在双分子亲核取代反应中卤烷烃的活性顺序为：伯卤代烷烃>仲卤代烷烃>叔卤代烷烃>芳香卤代烃。因此本文选用伯卤代烷烃进行反应。实验也发现溴代异丁烷的收率要比其他几个烷烃低，仅为56.8%，分析原因可能是异丁烷β-位位阻较大所致。

在2a～2d的合成中，使用NBS为溴化剂比用溴好，收率更高。但是生成的溴取代物仍然不稳定，因此在合成中不经分离纯化直接用于下步反应，也能取得较高收率。

在2a～2d水解脱去乙酰基生成巯基后，也可不用纯化直接将生成的顺式反式产物用于下步氧化反应。因为只有顺式的产物空间上靠得近，能被氧化形成二硫键，反式的由于空间上隔得远不能发生氧化反应，所以不影响反应的进行。

2.2 2,5哌嗪二酮环的选择

当2，5-哌嗪二酮环的3,6-位有烷基时，不管用何种溴化试剂，均不能获得单一产物。在本文的研究中，我们选用了环(L-脯-L-脯)二肽作为研究对象，用NBS溴化时，薄层分析发现大量的原料点和一个少量的产物点，用LC-MS分析发现得到了四溴代产物(Scheme 2)。经查阅文献[24]推测因在3，6-位上发生溴代以后，由于3，6-位上有烷基，则可发生HBr的消除反应形成双键，双键上再加成Br生成四溴代产物。即使溴化剂少于理论量，仍然会发生上述反应。所以本文所使用的方法只能用于合成3,6-位无取代烷基或为无α-氢的取代基如苯基。当3,6-位有取代烷基时，不能采用Trown合成法。因为溴代时会发生消除加成反应形成四溴代产物，其与硫代乙酸钾反应不会生产硫代产物，而会生成脱硫产物[24]。

Scheme 2

以改良的Trown的合成方法，利用甘氨酸酐为原料，通过氮烷基化、N-溴代丁二酰亚胺溴化、取代、脱保护及氧化合成了4个简单的桥二硫哌嗪二酮类小分子化合物，这类小分子化合物均含有二硫键，有望作为H2S供体用于抗炎、扩张血管和心血管保护、神经保护、抗肿瘤等领域。在接下来的实验中，将研究其H2S的释放与其生物活性的关系。

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《合成化学》编辑部

Synthesis of Epidithiapiperazinediones(ETPs) as Hydrogen Sulfide Donors

CHEN Chuan1a,1b*, ZHANG Chun-yan1a,1b, ZHAO Yu-xi1a,1b

(a. Department of Pharmacy; b. Institute of Medicine, 1. North Sichuan Medical College, Nanchong 637000, China)

Four simple epidithiapiperazinediones(ETPs) were synthesized using glycine anhydride as starting material, by alkylation, bromination withN-bromosuccinimide, substitution, hydrolysis and oxidation with I2,viaimproved Trown’s synthetic method. The structures were confirmed by1H NMR and MS(EI).

glycine anhydride; gas transmitter; hydrogen sulfide donor; Trown’s synthetic method; epidithiapiperazinedione; synthesis

2017-01-12

川北医学院科研发展计划重点项目(CBY15-A-ZD11)

陈钏(1983-)，女，汉族，四川南充人，助教，主要从事药物化学的研究。 E-mail: 176165515@qq.com

O622.6； O622.7

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.04.17010