通过有机化学实验教学培养学生新药研发能力

陈韶蕊, 余旭东

(河北科技大学 理学院，石家庄 050018)

0 引 言

有机化学是一门理论性、实践性很强的学科，是应用化学、药学、制药、环境和高分子材料等众多专业的基础必修课程，其重要性是不言而喻的。“化学实验课是实施全面化学教育的一种最有效的教学形式”[1]。但传统的有机化学实验多是经典实验，学生只是按照指导照方抓药，偏重于验证性，缺乏创新性，不利于学生科研创新能力的培养[2]。

加强科教融合，以科学研究促进实验教学改革与创新是高校构建高水平人才培养体系、培养学生科研创新能力的重要途径[3-5]。甾体类药物是非常重要的一类药物，超过300余种甾体类化合物被应用于临床疾病的治疗，是仅次于抗生素的第二大类药物[6-7]。由于甾体化合物本身所具有的潜在抗肿瘤、抗衰老、抗菌、消炎、抗艾滋病毒等生物活性，所以基于甾体的新药研发一直是新药研发的热门领域[8-12]。本文结合多年来从事有机化学教学实践以及制药企业对学生的实际需求，选取了科研项目中较为成熟的部分科研成果—氨基甾体衍生物的合成，将其开发为综合创新型实验。通过将教师的部分科研工作内容转化为综合实验，不仅满足了为综合实验提供新技术、新应用和新视野的要求，同时激发了学生的科研兴趣和创新理念，提高了学生分析和解决问题的综合能力。

从新药研发实际出发，强化学生开放性思维的培养，通过对官能团保护、选择性脱保护，羟醛缩合及环加成反应等多步反应，使学生掌握各步反应的原理及技能，利用MestRec进行数据处理并通过波谱分析的知识分析和确认化合物结构，进一步利用奥弗豪塞尔核效应(Nuclear Overhauser Effect, NOE)图谱分析新引入手性碳的构型，体现理论教学与实践环节的紧密结合，为培养创新型人才奠定了基础。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

主要试剂：二氯甲烷、乙酸乙酯、石油醚，雄烯二酮，对甲基苯磺酸，盐酸，乙醇，对甲基苯甲醛，水合肼，氢氧化钾，氟化钾，三氧化二铝等。

主要仪器：磁力搅拌器，电子天平，三用紫外仪，循环水泵，旋转蒸发仪，500 MHz 核磁共振波谱仪等。

1.2 氨基甾体衍生物的合成路线

氨基甾体衍生物的合成如图1所示，以雄烯二酮为原料，首先以乙二醇进行羰基的保护，选择性的脱除17位的保护，16位引入苯亚甲基再环合得目标化合物。

图1 氨基甾体衍生物的合成路线

1.2.1 3,3,17,17-亚乙二氧基-5-雄烯二酮的合成(1)

将10.0 g (35.0 mmol) 雄烯二酮 (AD)，苯200 mL，乙二醇50 mL，对甲苯磺酸0.35 g (1.9 mmol) 加入500 mL四口瓶中，加装分水器，冷凝管，加热回流48 h后反应完全，冷却至室温。加入适量饱和碳酸钠溶液调中性，分出有机层，水层二氯甲烷萃取(50 mL×3)，合并有机层，水洗(100 mL×3)，无水硫酸镁干燥，过滤旋蒸得粗品，无水乙醇重结晶得白色固体7.9 g，产率60.2%;熔点(m.p.) 169～171 ℃，与文献值一致[13]；1H NMR (CDCl3, 500 MHz), δ: 0.87 (3H, s, 18-CH3). 1.03 (3H, s, 19-CH3), 3.82 (8H, m, OCH2CH2O), 5.36 (1H, m, 6-H)。

1.2.2 3, 3-亚乙二氧基-17-酮-5-烯雄甾烷的合成(2)

在三口瓶中加入5.0 g (13.5 mmol)化合物1，丙酮300 mL，HCl 25 mL (0.1 mol/L)，常温下搅拌12 h停止反应。加入适量饱和碳酸钠溶液调中性，二氯甲烷萃取(50 mL×3)，合并有机层，水洗(100 mL×3)，无水硫酸镁干燥，抽滤旋蒸得粗品，柱色谱分离提纯得类白色固体3.13 g，产率73.5%; m.p. 194～196 ℃，与文献值一致[13]；1H NMR (CDCl3, 500 MHz), δ: 0.89 (3H, s, 18-CH3), 1.06 (3H, s, 19-CH3), 3.95 (4H, m, OCH2CH2O), 5.38 (1H, m, 6-H)。

1.2.3 3, 3-亚乙二氧基-16-对甲基苯亚甲基-17-酮-5-烯雄甾烷合成(3)

在单口瓶中加入1.0 g (1.8 mmol) 化合物2, 乙醇50 mL, 对甲基苯甲醛 (0.24 g, 2.0 mmol), KF/Al2O3催化剂 (0.29 g, 1.8 mmol), 加热回流4 h，冷至室温，过滤浓缩得粗品，乙醇重结晶得纯品0.64 g，产率82.1%; m.p. > 250 ℃；1H NMR (CDCl3, 500 MHz), δ: 0.98 (3H, s, 18-CH3), 1.09 (3H, s, 19-CH3), 2.39 (3H, s, Ph-CH3), 3.95 (4H, m, OCH2CH2O), 5.40 (1H, m, 6-H), 7.22 (2H, d,J=8.5 Hz, Ph), 7.42 (1H, s, =CH-Ph), 7.45 (2H, d,J=8.5 Hz, Ph)。

1.2.4 3, 3-亚乙二氧基-[16,17-c]吡唑-5′-对甲基苯基-5-烯雄甾烷的合成(4)

将化合物3 (0.43 g, 1.0 mmol), 无水乙醇8 mL, 0.36 g ( 4.0 mmol) 水合肼加入三口瓶中加热回流10 h，反应完全，蒸除溶剂，加入适量冰水冷却0.5 h，抽滤得粗品，甲醇重结晶得类白色固体0.24 g, 产率50.2% ; m.p. 183～185 ℃。

2 结果与讨论

2.1 合成条件选择

药物分子中存在多种官能团，为了能够让化学反应选择性在某个官能团上进行，非常有必要对官能团进行保护。在选择保护基时，要考虑到保护基的引入和脱除的操作简单，收率高且在保护阶段各种反应条件下稳定等各种因素[14-15]。综合考虑后利用乙二醇进行雄稀二酮的3位和17位羰基的保护，由于甾体17位羰基的反应速率大于3位羰基，因此先制备双保护产物，再选择性地脱除3位的保护基团。经单一条件实验发现反应48 h,双保护产物经乙醇重结晶后产率最高达60.2 %。而在脱保护时酸的浓度过大和反应时间过长，会得到3位和17位均脱除保护的雄稀二酮，经过多次实验发现利用0.1 mol HCl反应12 h，选择性脱除17位保护产率最佳(73.5 %)。

KF/Al2O3作为一种温和的固体催化剂，在有机合成上有着广泛的应用，可以高效催化Aldol缩合反应[16]。利用羟醛缩合反应合成化合物3时，采用KF/Al2O3而摒除强碱条件。由表1所示可知KF/Al2O3与雄烯二酮的摩尔比为1∶1，回流4 h产率可达82.1%，而其他的碱如50% KOH，t-BuOK和CH3ONa等产率均较低或杂质多不易分离。

表1 不同催化剂对反应产率的影响

2.2 目标化合物的结构分析

图2所示给出了目标化合物的1H NMR图谱。从图中可见有10组特征质子信号峰，具体数值及氢质子的归属如下：1.07 (3H, s, 18-CH3), 1.13 (3H, s, 19-CH3), 2.34 (3H, s, Ph-CH3), 3.08-3.14 (1H, m, 16-H), 3.91-3.98 (4H, m, OCH3CH3O), 4.48 (1H, d,J=13.5 Hz, pyrazoline-H), 5.34 (1H, m, 6-H), 5.89 (1H, sb, NH), 7.15 (2H, d,J=8.5 Hz, Ph), 7.35 (2H, d,J=8.5 Hz, Ph)，测试值的积分比与目标化合物4中质子数量比一致。

图2 目标化合物的1H NMR图谱

图3中的13C NMR 谱给出了27组碳信号峰，100×10-6以上数值有8组，其中包含有4个芳香环上的碳(因苯环的对位取代只显示4组峰137.34×10-6, 137.04×10-6, 129.23×10-6, 126.82×10-6)，甾体5位和6位双键上碳(140.60×10-6和121.52×10-6)，甾体3位碳和17位碳(3-C: 109.38×10-6, 17-C=N: 177.69×10-6)，另外还有19个烷基碳的信号峰，具体数值如下：13C NMR (125 MHz, CDCl3) δ: 18.88, 20.34, 20.77, 21.19, 27.62, 30.58, 31.07, 31.30, 34.23, 36.24, 36.98, 39.67, 41.89, 50.21, 59.46, 60.35, 64.31, 64.50, 73.62, 109.37, 121.52, 126.82, 129.23, 137.04, 137.34, 140.60, 177.69，结合目标化合物4的结构，测试值与理论值相符。

图3 目标化合物的13C NMR图谱

测试目标化合物的1H NMR和13C NMR图谱，只能确定目标化合物结构正确，并不能明确新引入手性碳原子的构型。利用一维NOE确认甾体16位碳上的氢和吡唑啉上5′位氢的构型，如图4所示,溶剂是氘代DMSO。当照射吡唑啉上的5′氢(4.48×10-6)时，与化学位移值为7.35×10-6(Ph-H) 和1.07×10-6(18-CH3) 的质子峰显示有NOE效应，而与16位氢((3.08-3.14)×10-6)无NOE效应。因18-CH3位于α位，因此确认了5′氢同样处于α位，16位氢位于β位，目标化合物的构型如图4所示。

图4 目标化合物的1D NOE图谱

3 教学探讨

综合考虑工科专业的专业特色和我省药企对学生的需要，“氨基甾体衍生物的合成”综合实验已在我校化学类相关专业中展开。经过课后访谈调研，课程得到了学生的广泛认可，取得了很好的实验教学效果。学生利用薄层色谱(TLC)来跟踪反应进程，对反应进程更加直观地认知；分离提纯方法中不仅利用了重结晶的方法，还学会了利用柱色谱来分离提纯化合物。结构分析中要求学生重点复习核磁共振光谱的知识，利用Chemdraw、MestRec等软件处理和分析实验中自己得到的数据，确认目标化合物的结构和构型。通过实验设计，学生系统了解了甾体药物的特点和科研思路；通过查阅文献、设计实验方案、实际操作、数据处理和论文写作等多方面练习，在获得全面训练的过程中，培养理论联系实际能力，并将所学理论知识运动到实践当中，大大调动了学生的主观能动性，培养了学生的科研创新能力。

4 结 语

氨基甾体衍生物的合成的综合实验结合当前的社会需求和新药物研发的热点，形成了“基础-综合创新”的开放式实验课程体系，结合了有机化学理论课中官能团保护、羟醛缩合和波谱分析等内容，既促进了有机化学基础理论的教学，又提高了实验教学质量。同时拓宽了学生的知识面，培养了学生实验操作技能、软件操作等各方面能力，加强了学生的团队合作意识，培养了学生的科研创新能力，对培养创新型、复合型人才具有重要意义。