科研项目转化为药物化学实验的教学探索

白 玫，崔宝东，韩文勇，陈永正

（遵义医科大学，贵州 遵义 563000）

药物化学是一门以实验为基础的学科，而药物化学实验作为药学专业学生的一门基本课程，对学生掌握相关实验技巧以及理解本专业知识都起到了重要的作用，它不仅要求学生能熟练掌握药物合成中涉及的基本原理操作技能，也要求学生能将理论结合实践，通过查阅文献、设计反应路线、监测反应进度，最终合成目标产物，并能对目标产品进行理化性质及结构分析检测。这样不仅有利于学生动手能力的培养，也有利于他们科研能力和创新意识的培养[1]。当前实验教学内容面临的突出问题是：（1）由于沿用传统实验教材，内容相对陈旧，缺乏科研前沿内容，难以满足行业发展的需要。（2）实验操作过程单层次、单侧面，实验技术和知识点之间常常脱节，不能较好地激发学生的求知欲。所以，可以将科研项目的最新成果渗透到实验课程内容中，增加综合设计性、研究性和创新性实验题目的比例，探索教学与科研的结合，将科学研究工作的思想、方法、技术等注入实验教学，调整优化实验教学方案和模式，促进实验教学整体质量提升[2]。

手性药物（chiral drug）是药物化学的一个很重要的概念，它是药物分子结构中引入手性中心后，得到的一对互为实物与镜像的对映异构体。含手性因素的化学药物的对映体在人体内的药理活性、代谢过程及毒性存在显著差异。当前手性药物的研究已成为国际新药研究的主要方向之一，而我们常规的药物化学实验很少涉及含手性因素的化学药物的合成（即不对称合成）相关内容，我们希望将此内容整合到药物化学实验中，加强对实验教学的研究和改革，使学生实验能够贴近科研前沿、吸收最新科研成果，有利于培养学生的实践能力和创新意识。

不对称合成是反应过程中因受分子内或分子外的手性因素的影响，试剂向反应物某对称结构的两侧进攻，进而在形成化学键时表现出不均等，结果得到不等量的立体异构体的混合物，具有旋光活性。不对称合成虽然一直是科研前沿，但是理论课教材介绍不够详尽，也比较抽象，所以这个实验必须课前进行充分预习，为使学生在实验前更好地预习，我们将本实验要研究的手性问题、实验需要的资料、预习要求等放到实验中心的网页上，要求学生实验前根据研究的手性问题和预习要求查阅相关的文献，回答预习题，写出预习报告、文献综述和实验方案等。让学生充分了解这一领域的研究进展，并鼓励学生根据所学理论知识设计实验方案，比较不同实验方法的优劣点。与教师讨论确定实验方案后，再进行实验，这些主要安排在课外完成，同时，这种安排也锻炼了学生的自学、理解、总结和应用能力。

本文结合多年来从事药物化学教学实践以及接触的前沿热点领域，选取了作者自身科研项目中的部分科研成果——不对称合成C3位含有氮原子的3，3'-二取代氧化吲哚结构单元的化合物，将其开发为研究性、综合性化学实验。在实验完成以后，学生之间通过实验结果的相互比较以及与本科研项目已经发表的实验数据进行比较，就可以了解到反应对产物的影响。

1 实验原理

本文采用市售易得的金鸡纳生物碱（奎宁）作为有机小分子催化剂，对3-NCS氧化吲哚和亚胺类化合物进行不对称串联Mannich/cyclization反应，一步获得C3位含有氮原子的3，3'-二取代氧化吲哚结构，这为以后的生物活性筛选提供丰富的化合物来源。本反应以3-NCS氧化吲哚和N-对甲苯磺酰基醛亚胺为模板底物，经过条件筛选，已证明的最优条件为：1 mol%奎宁作为催化剂，甲苯作为溶剂，反应温度为0℃，50 mg 4Å分子筛为添加剂，在10分钟内即可反应完全。

为了使学生理解不对称合成中的溶剂、时间、温度等反应条件对产物的对映选择性、非对映选择性和产率的影响，我们将学生分成若干组，在反应的过程中分组考察催化剂量的改变、溶剂的改变、反应时间的改变、温度的改变对产物的影响，进而掌握不对称合成中最优条件的筛选方法。

本反应可能的反应机理如下：奎宁催化剂的三级胺使3-NCS氧化吲哚发生烯醇互变，从而使氧化吲哚C3位作为给体得到活化。另外，奎宁催化剂的C9-OH部分通过氢键活化亚胺，从而使3-NCS氧化吲哚作为给体在催化剂特定的手性环境下从Si面进攻亚胺发生Mannich加成反应，接下来亚胺的另一端再进攻氧化吲哚C3位的NCS发生Cyclization反应，得到了（C7S，C9S）构型的C3位含氮杂原子的螺环氧化吲哚产物。见图 1、表 1。

图1实验原理图

表1 不对称串联Mannich/cyclization反应的实验内容和教学安排

反应过程中，采用薄层色谱法对反应进程进行监测；反应结束后，需经过柱层析分离纯化产物、表征产物；在实验完成后，要求学生处理实验数据，并以小组为单位在课堂上做实验汇报，从实验背景、实验方案设计思路、实验结果及讨论、实验改进思路等几个方面进行陈述，其中必然涉及课堂上没有讲过的知识点和实验方法，这就促使学生去思考和分析，初步了解不对称合成中最优条件的筛选过程，使学生在实验的基础上能够学会综合运用所学知识去分析和解决复杂问题，创新意识和科研能力得到系统训练。这一系列过程的掌握使得学生顺利过渡到随后的科研学术训练和毕业设计培养环节中。

2 试剂及仪器

1H-NMR和13C-NMR用Brucker-300型核磁共振仪测定；质谱用P-SIMS-Gly（Bruker Daltonics．Inc）傅立叶变换离子回旋共振 （FT-ICRMS）高分辨质谱仪和VG-7070E型质谱仪测定；熔点用Büchi B-545测定。

四氢呋喃、甲苯、乙醚以及1，2-二氯乙烷用金属钠和二苯甲酮处理后蒸出。二氯甲烷、氯仿、乙腈等经氢化钙干燥后蒸出。其他溶剂除特别说明外均为国产市售分析纯试剂。柱层析硅胶（200-300目）为青岛海洋化工厂生产，薄层层析硅胶板为烟台江友硅胶开发有限公司产品。

3 操作步骤

将 4ÅMS（50 mg），亚胺（1．1 equiv．），奎宁（1 mol%）加于新蒸的甲苯中搅拌两分钟，随即加入3-NCS氧化吲哚（1．0 equiv）继续反应。TLC检测反应完毕后，柱层析分离（石油醚/乙酸乙酯 =4∶1～2∶1）得到目标产物。

4 产物表征数据

白色固体，收率 95%；78∶22 dr，94%ee；[α]D20=+5．1（c1．15，CH2Cl2）；mp 183．5-184．2 ℃ ；the ee was determined by HPLC analysis（Chiralpak OD-H，EtOH/hexane=30/70，flow rate 1．0 mL/min，λ =254 nm，major diastereomer：tminor=9．5 min，tmajor=13．4 min）；1H NMR（300 MHz，DMSO-d6）δ（major）2．42（s，3H），3．18（s，3H），5．85 （s，1H），6．00（s，1H），6．59（t，J=7．5 Hz，1H），6．89-7．01（m，1H），7．11-7．52（m，8H），7．91（d，J=8．1 Hz，2H），9．92 （s，1H）；13C NMR （75 MHz，DMSO-d6）δ（major）21．2，26．6，67．5，69．8，109．0，121．9，123．3，125．6，127．8，128．4，128．9，129．0，129．3，130．4，135．6，136．5，144．3，144．6，174．2，180．0；HRMS （ESI）：Calculated for C24H21N3NaO3S2[M+Na]+：486．0917，found：486．0908．

5 结语

目前就我们学校来说，学生在药物化学实验课上只做最基本的“往反应瓶中加入试剂，得出实验结果，把实验结果写成模式化的实验报告”。这导致学生缺乏探索精神，只重视结果，忽视了最重要的过程。所以，科研成果引入教学直接向学生展示身边的科学知识，并且建立前沿科学转化为实验教学内容更新的长效机制，有助于学生在实验的过程加深其对化学基础理论的理解和运用，强化基础理论与实践的结合。