天然抗氧化剂麦角硫因的合成工艺研究

马晓雪, 陈旭东, 吴志文, 杨 洋, 齐赛男, 葛 唱, 汪绪龙, 隋 强*

(1. 上海工程技术大学 化学化工学院,上海 201620; 2. 中国医药工业研究总院,上海 201203)

麦角硫因(1),化学名为(2S)-N,N,N-2-三甲基乙胺(2-巯基-1H-咪唑-4-基)丙酸,是一种稀有的天然手性氨基酸[1]。麦角硫因由放线菌与多种真菌等微生物合成,因动物机体无法主动合成,所以仅能从食物中摄取[2-3]。麦角硫因是机体内重要的生理活性物质[1],具有抗氧化、抗衰老、防止紫外辐射、抗炎、抗甲状腺、预防心血管类疾病等多种功能[3-4],分别于2017年和2019年通过欧盟和FDA的安全性审查。因此,麦角硫因不仅在化妆品领域有广泛的应用,而且在治疗学、生物医学与保健品等领域极具应用价值[5]。

目前,文献已报道麦角硫因的化学合成方法主要有4种。路线1(Scheme 1):以L-组氨酸甲酯盐酸盐为起始原料,经还原胺化、巯基化、巯基保护、甲基化、脱保护5步反应得到1,总收率31.66%[6]。路线2(Scheme 2):以L-组氨酸为起始原料,经酯化、咪唑开环、脱保护、咪唑关环、巯基保护、还原胺化、甲基化、脱保护8步反应制得1,收率21.39%[7]。两条路线均采用巯基化-巯基保护-甲基化-脱保护策略,导致路线冗长,收率较低。并且,脱除保护基时,反应温度较高,3-巯基丙酸用量过大造成资源浪费,导致收率均较低。

Scheme1

Scheme 2

路线3(Scheme 3)和路线4(Scheme 4)模仿生物合成途径制备1:L-组氨酸,先经三甲基化得直接生物前体L-组氨酸甜菜碱,后经巯基化得麦角硫因[8](避免引入巯基保护基,缩短反应路线)。路线3以N-叔丁氧羰基-1-苄基-L-组氨酸为原料,经叔丁氧羰基脱除、还原胺化、甲基化、巯基化、裂解5步反应得到1[9]。该路线收率为51.53%,高于文献[6-7,10]收率,但原料价格昂贵,中间体纯化需两次使用反相层析柱(C18),不符合经济效益原则,反应规模停留在毫克级别,不适于大量1的制备。路线4以直接生物前体L-组氨酸甜菜碱为起始原料,与L-半胱氨酸、3-巯基丙酸经“一锅法”制得1,收率40.00%[10]。该方法缩短反应路线,省去中间体分离纯化操作,符合绿色发展理念,但原料价格昂贵,获取途径少,因此仍有改进空间。

Scheme 3

Scheme 4

Scheme 5

本文在文献方法基础上,采用仿生合成法制备1(Scheme 5),并对合成工艺进行改进:以L-组氨酸为起始原料,与稀硫酸、氢气和甲醛发生还原胺化,首次使用稀硫酸作质子化试剂,甲醇作重结晶溶剂,得非吸湿性白色固体N,N-二甲基-L-组氨酸硫酸盐水合物3,收率由91.00%提高至98.66%[11]。若3以盐酸盐形式参与反应,将导致大量铵盐溶解在反应液中，仅能通过树脂除去。本文先将3变为游离碱,再过滤除去硫酸铵,滤液与碘甲烷反应得到化合物4,然后用OH-型树脂搅拌除去生成的少量碘化铵,收率95.11%[12]。4与L-半胱氨酸、3-巯基丙酸经“一锅法”得麦角硫因(1),用HCO3-型树脂除去铵盐,粗品经甲醇精制得白色固体粉末,收率由40.00%提高至50.03%[10],化学纯度99.56%,总收率为46.95%。改进后的工艺操作简单、原料价廉易得、步骤简短、反应条件相对温和可控、收率较高,适用于百克级麦角硫因的制备。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

申光WRS-3型数字显示熔点仪;申光WZZ-2S型自动旋光仪;Bruker Avance Ⅲ 400 核磁共振仪(CH3OD、 D2O为溶剂,TMS为内标);Agilent 6210系列质谱仪;Agilent Infinity 1260高效液相色谱仪。

L-组氨酸,D-组氨酸(梯希爱化成工业发展有限公司);碘甲烷(萨恩化学技术有限公司);L-半胱氨酸,3-巯基丙酸(上海迈瑞尔化学技术有限公司);氨(甲醇)(阿达玛斯试剂有限公司);无水甲醇(国药集团化学试剂有限公司);其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1)3的合成

(2)4的合成

(3)L-麦角硫因(1)的合成

(4)D-麦角硫因的合成

2 结果与讨论

2.1 3的合成

在合成3的过程中,在文献的基础上,对质子化试剂种类和重结晶溶剂进行筛选,结果见表1和表2。经分析可知:选用稀硫酸(H2SO4)和浓盐酸(HCl)作质子化试剂,反应转化率较高,但盐酸盐水合物吸湿性极强,不易转移和保存,而硫酸盐水合物(3)经重结晶得到非吸湿性白色固体;3的粗品为黏度较大的无色油状液体,重结晶溶剂和溶剂体积对析晶过程有重要影响,选用3种不同溶剂体系和4种溶剂体积分别对3进行纯化。结果表明,选用6倍体积甲醇(CH3OH)作重结晶溶剂时,收率最高,达98.66%,纯度99.16%。

表 1 质子化试剂和重结晶溶剂筛选

表 2 重结晶溶剂体积筛选*

2.2 1的合成

在“一锅法”合成1的过程中,对重结晶/结晶溶剂种类和体积进行筛选,结果见表3和表4。由实验可知,1水溶性极好,在有机溶剂中溶解度一般。选用含水的混合溶剂(Et2O-H2O/CH3OH-H2O)进行重结晶导致1损失过多。选用对杂质溶解较好、而对1溶解度较低的甲醇(CH3OH)作结晶溶剂可提高收率,当选用5倍体积甲醇结晶粗品时,收率最高,达50.03%,纯度为99.56%。

表3 重结晶/结晶溶剂筛选

表4 重结晶溶剂体积筛选*

采用仿生合成法制备麦角硫因,以L-组氨酸为起始原料,经还原胺化、甲基化、“一锅法”得到麦角硫因。对质子化试剂、中间体和终产物重结晶溶剂进行筛选,得到最佳工艺条件:合成3的最佳质子化试剂为稀硫酸,甲醇为重结晶溶剂;优选甲醇作为1的结晶溶剂。该工艺成本低、收率高、条件温和、适用于百克级规模合成。