(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸的制备及晶体结构

江 澜， 张 立, 蔡林宏, 官晓书, 胡湘南*

(1. 重庆工商大学 环境与资源学院，重庆 400067; 2. 重庆医科大学 药学院，重庆 400016)

单晶是了解物质分子空间结构的基础，单晶结构分析可以提供一个化合物在固态中所有原子的精确空间位置，从而为化学、材料化学和生命科学等研究提供广泛而重要的信息[1-2]。晶体的生长和质量主要依赖于晶核形成和生长的速率[3]。目前，常用的单晶培养的方法包括溶剂挥发法、凝胶扩散法、蒸汽扩散法、升华法等[4]。溶剂挥发法是通过冷却或蒸发化合物的饱和溶液，让化合物结晶出来[5]。这时，最好采取必要措施，使其缓慢冷却或蒸发，以求获得完美的晶体。

Chart 1

Scheme 1

Scheme 2

由诺华[6]设计的维格列汀[7-8](Chart 1)是一种高度选择性，可逆的口服活性二肽基肽酶IV(DPP-IV)抑制剂[9]，用于治疗2型糖尿病[10]。通过维格列汀逆合成路线分析(Scheme 1)，发现(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸(1) (Chart 1)是一种手性化合物，也是制备维格列汀的重要中间体[11]。在维格列汀手性源的制备中，产物的构型既可能保持不变，也可能发生翻转或手性转移，而只有(2S)-维格列汀才具有DPP-IV抑制活性，因此，为了保证其合成得到产物立体结构的一致性，手性中间体的立体化学结构确证显得尤为重要。另外，维格列汀专利的保护已于2019年年底到期，随着市场需求量的增加，维格列汀的研发和生产已经引起2型糖尿病治疗药物研究的新浪潮。则在维格列汀合成过程中的一些重要中间体的化学结构，特别是立体绝对构型的确证，对今后维格列汀的工艺制备及其研究具有指导意义。

采用无溶剂法合成1，并对其结构进行了表征，与原有文献[12]相比，该合成路线降低了成本。采用星点设计-效应面方法对合成工艺进行优化后摸索出较优良的合成路线(Scheme 2)。通过溶剂挥发法获得1的单晶，并通过单晶X-射线衍射对其分子空间结构进行了研究。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

RY-1型毛细管熔点仪； PerkinAmelmer Spectrum One型红外光谱仪；AV500 MHz型核磁共振仪(TMS为内标，DMSO-d6为溶剂)；2010A型质谱仪；APEX-II Smart-apex-2型单晶衍射仪；APEX-II CCD型面探测仪。

L-脯氨酸(重庆鸿兵生物科技发展有限公司)；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1)1的合成

将L-脯氨酸4.0 g(0.034 mol)装入100 mL圆底烧瓶中，氮气保护下缓慢滴加氯乙酰氯9.8 mL(0.129 mol)于反应瓶中，滴毕，升温搅拌1.5 h。反应完成后，冷却至室温，向反应瓶中加入水(30 mL)和乙酸乙酯(50 mL)萃取，收集有机层，将水层用乙酸乙酯(3×15 mL)萃取，将有机层用饱和食盐水(30 mL)洗涤，合并有机层，无水硫酸钠干燥，过滤，浓缩得淡黄色油状液体，冰浴条件下滴加异丙醚析晶，抽滤干燥得白色固体(1) 5.67 g，产率85.28%, m.p.108～110.9 ℃(m.p.108 ～ 110 ℃[13]);1H NMR(500 MHz, DMSO-d6)δ: 1.97～2.34(m, 4H, CH2), 3.57～3.74(m, 2H, CH2), 4.04～4.15(m, 2H, CH2Cl), 4.55～4.64(m, 1H, CHCOOH), 12.47(s, 1H, COOH);13C NMR(125 MHz, DMSO-d6)δ: 24.5, 28.5, 41.8, 47.2, 59.3, 166.2, 174.9; IRν: 3418, 3051, 2989, 2938, 2810, 1718, 1608, 1475, 1461 cm-1； HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C7H10NO3Cl{[M + H]+}192, found 191.61。

(2) 单晶培养

将12.00 g(0.0104 mol)加入到甲醇(20 mL)中并剧烈搅拌溶解。所得溶液放入50 mL圆底烧瓶中，瓶口用穿有几个小孔的石蜡膜覆盖，使其在室温下缓慢挥发。14 d后，得到无色透明块状晶体，适用于单晶X-射线衍射检测。

(3) 晶体结构的测定

APEX-II单晶衍射仪用CCD面探测仪收集衍射强度数据，在293 K温度条件下，使用石墨单色器的Cu Kα(λ=1.54184 Å辐射为光源进行衍射数据收集。在SCALE3 ABSPACK缩放算法中，通过球面谐波效应对综合数据和缩放数据进行了吸收校正。使用Olex2[14]软件中的ShelXS[15]程序对晶体结构进行求解，并采用ShelXL[16]程序通过最小二乘法对结构参数进行修正。利用各向异性位移参数对所有非氢原子进行精制细化，使用几何计算法和差值Fourier法获得全部氢原子的位置。

2 结果与讨论

2.1 合成

以便宜易得的L-脯氨酸作为原料，且为了减少反应成本，使用无溶剂法在氮气保护下回流合成1。1的合成中，发现3个影响因素对其产率影响较大，包括：氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比为因素X，反应温度为因素Y，反应时间为因素Z。利用单因素试验法考察它们对1收率的影响。

具体方法为：在预实验中，首先设定L-脯氨酸的投料量为4 g，反应温度70 ℃，反应时间为1.5 h，考察氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比对1收率的影响；其次设定L-脯氨酸的投料量为4 g，氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比2.5/1，反应时间为1.5 h，考察反应温度对1收率的影响；最后设定L-脯氨酸的投料量为4 g，氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比2.5/1，反应温度70 ℃，考察反应时间对1收率的影响，考察结果见表1。

表1 单因素实验考察结果

由表1结果可看出，氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比、反应温度、反应时间3个因素对1收率的影响相对较大。因此，分析其影响因素的水平范围：氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比X为2/1～3/1、反应温度Y为60～80 ℃、反应时间Z为1～2 h。

2.2 星点设计-效应面优化

为了对该反应的影响因素进行进一步优化，运用了星点设计-效应面优化法，该方法同样以氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比为因素X，反应温度为因素Y，反应时间为因素Z；每个因素设定5个水平，分别用-1.682， -1， 0， +1和+1.682作为代码，对影响因素进行优化实验。

表2 因素和水平

2.3 效应面优化

通过上述数据处理可以绘制出任意两个自变量的三维响应曲面图(图1)。通过对图1分析可知，在一定范围内，当氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比、反应温度、反应时间这3个因素的数值增大时会使1的收率随之增大，达到最大值后，又会逐渐降低。通过分析3个三维响应曲面图得出最优工艺条件为：氯乙酰氯与L-脯氨酸的摩尔比2.55/1，反应温度70 ℃，反应时间1.7 h。在此条件下，预测收率为89.5 %。

2.4 单晶

单晶X-射线衍射结果最终确定1的单晶属于正交晶系，空间群为P212121，a=7.2116(3) Å，b=7.2639(2) Å，c=16.8262(6) Å，α=90°，β=90°，γ=90°，理论密度Dc=1.444 g/cm3， 晶胞内分子数Z=4，晶胞体积V=881.43(6) Å3， Flack因子为0.002(14)，不对称单位化学计量式为C7H10NO3Cl，计算单个分子的相对分子质量为191.61 g/mol。

图11的合成效应面

从单晶结构数据的分析结果可以看出，该化合物还有一个手性中心碳原子，即C2，为S构型。结构可靠因子S=1.091，接近于1.0，表明结构正确。晶体分子通过强的氢键连接O1—H1···O3(1/2+x， 1/2-y， 1-z): O1—H1 0.82 Å， H1···O3 1.77 Å， O1···O3 2.578 Å， O1—H1···O3 168.8°。单晶空间结构解析结果显示立体构型与预测构型一致。本文所报道的(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸的晶体学数据已存放至剑桥晶体学数据库(CCDC： 1989269)。

图21的立体结构图

图31的晶胞堆积图

表3 星点实验设计与结果

以L-脯氨酸和氯乙酰氯为原料合成维格列汀的重要手性中间体(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸，应用星点设计-效应面法对合成工艺进行了优化。同时采用甲醇溶剂体系下的缓慢挥发，在室温条件下得到其单晶，可用于单晶X-射线衍射对其空间结构进行分析鉴定。结构鉴定表明，(S)-1-(2-氯乙酰基)吡咯烷-2-甲酸化学式为C7H10NO3Cl，分子量为191.16 g/mol，该晶胞属于正交晶系，空间群为P212121，a=7.2116(3) Å，b=7.2639(2) Å，c=16.8262(6) Å，α=90°，β=90°，γ=90°，理论密度Dc=1.444 g/cm3，晶胞内分子数Z=4，晶胞体积V=881.43(6) Å3。