D-生物素的高效合成研究

王晨光，杨士伟，束 鑫，3

（1.安徽泰格维生素实业有限公司，安徽蚌埠 233700；2.安徽省药食同源天然资源开发与利用工程实验室（合肥师范学院），安徽合肥 230601；3.安徽丰原药业股份有限公司，安徽合肥 230601）

D-生物素（D-Biotin，又名维生素H、辅酶R）[1-2]是一种水溶性B 族维生素，为无色结晶性粉末。天然D-生物素广泛存在于动物的肾、肝、胰等器官中，以及牛奶、蛋黄、酵母中。它是脂肪和蛋白质正常代谢不可或缺的物质，在医疗、饲料以及生物技术等领域中有广泛应用[3]。

目前，D-生物素几乎都是由化学合成法生产[4-7]，顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮是合成D-生物素的关键中间体。现有技术通常采用1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（式II 所示化合物）脱水关环反应合成顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮（式I 所示化合物），反应路线如下：

图1 顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮的合成路线

陈芬儿等[8]在上述反应体系中添加乙酸酐催化反应的进行，但1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸与乙酸酐的摩尔比例必须为1∶3 反应才能进行，收率90%，仍有5%～10%的原料未反应完全，难以得到高纯度的产品；且反应后形成大量乙酸酐和乙酸的混合物，二者不易分离套用，并且对反应设备的耐腐蚀性要求高，严重危害环境。陈芬儿等[9]公开了将1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸与酰卤在无溶剂条件下发生脱水、关环反应制得顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮的方法。该方法同样存在产生大量腐蚀性的酸，对反应设备要求高的缺陷。

Sing 等[10]公开了添加催化量的有机酸或无机酸使1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸发生脱水、关环反应制得顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮的方法。该法虽然避免了使用大量具有腐蚀性的酸，但是仍需要添加酸性脱水剂，同样对反应设备的耐腐蚀性要求高，同时也不利于对反应液的回收套用。将1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸在高沸点有机溶剂中回流反应、共沸带水，制得了顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮。该方法虽然不需要添加任何脱水剂即可反应完全，但是其反应速率较慢，实验室量级的反应需要至少6 h才能完成，工业生产中则需要15 h左右，能耗高，反应时间长，溶剂损耗大。因此，有待于研究一种反应效率更高、设备腐蚀性更小的合成环酸酐的方法。

本文以二羧酸为原料，叔胺硫酸盐或叔胺硫酸盐与硫酸的混合物为催化剂，分别进行了实验室量级、公斤级顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮合成实验。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

三正丁胺，98.9%，安耐吉试剂有限公司；邻二甲苯，AR，麦克林试剂有限公司；甲苯、二氯甲烷（DCM）、四氢呋喃（THF）、三乙胺（TEA）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化钾（KOH）、氢氧化锂（LiOH）、浓硫酸，AR，国药集团化学试剂有限公司。

Agilent1290 超高压液相色谱仪；AB4000 三重四级杆串联质谱仪（ESI+源）；高效液相色谱（HPLC）；Nicolet 6700 傅里叶红外光谱仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司；AVⅢ400 MHz 型核磁共振波谱仪（DMSO-d6为溶剂，TMS 为内标），瑞士Bruker 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮的合成

将三正丁胺（0.261 5 g，0.001 4 mol）与浓硫酸（折合硫酸0.138 5 g，0.001 4 mol）置于反应瓶中，加热至45℃，搅拌30 min，形成三正丁胺硫酸盐；加入1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（30.0 g，0.084 7 mol）和甲苯510 mL，加热至110℃，搅拌回流带水（冷凝管+回流过滤器除水）2 h，反应结束后冷却至室温，析出固体，过滤，滤饼用少量甲苯淋洗，干燥后得白色粉末（28.458 8 g），即为顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮。HPLC（高效液相色谱）检测产物纯度为99.95%，收率为99.95%。m.p.236℃～237℃。 IR（KBr）：v=1 805，1 740，1 687，1 227 cm-1。1H NMR（CDCl3）:δ=4.21（s，2H，2×CH），4.19，5.10（dd，4H，J=15 Hz，2×CH2C6H5），7.26～7.39（m，10H，2×C6H5）ppm。EI-MS：（m/z，%）=336（M+，13.6），264（15.6），173（5.8），132（10.9），91（100）。

1.2.2 高效液相色谱检测纯度的条件

流动相：55% 乙腈+ 45% 缓冲盐[KH2PO4（1.35 g）+ 85% H3PO4（0.45 mL）+水（500 mL）]，用0.45 μm 滤膜过滤，超声脱气；柱型：5 μm，4.6×250 mm，C18;流速：1.0 mL/min；检测波长：210 nm。

2 结果与讨论

2.1 实验室级反应条件考查

当三正丁胺（0.261 5 g，0.001 4 mol）与浓硫酸（折合硫酸0.138 5 g，0.001 4 mol）置于反应瓶中，加热至45℃，搅拌30 min，形成三正丁胺硫酸盐；加入1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（30.0 g，0.084 7 mol）和甲苯510 mL，加热至110℃，搅拌回流带水（冷凝管+回流过滤器除水）2 h，反应结束后冷却至室温，析出固体，过滤，滤饼用少量甲苯淋洗，干燥后得白色粉末（28.458 8 g），即为顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮。HPLC（高效液相色谱）检测产物纯度为99.95%，收率为99.95%（表1，序号1）。

当三乙胺（0.203 0 g，0.002 0 mol）与浓硫酸（折合硫酸0.197 0 g，0.002 0 mol）置于反应瓶中，加热至45℃，搅拌30 min，形成三乙胺硫酸盐；加入1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（30.0 g，0.084 7 mol）和邻二甲苯510 mL，加热至145℃，搅拌回流带水（冷凝管+回流过滤器除水）2 h，反应结束后冷却至室温，析出固体，过滤，滤饼用少量邻二甲苯淋洗，干燥后得白色粉末（28.456 8 g），即为顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮。HPLC检测产物纯度为99.75%，收率为99.74%（表1，序号2）。

当三辛胺（0.313 3 g，0.000 9 mol）与浓硫酸（折合硫酸0.086 7 g，0.000 9 mol）置于反应瓶中，加热至45℃，搅拌30 min，形成三辛胺硫酸盐；加入1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（30.0 g，0.084 7 mol）和乙苯510 mL，加热至135℃，搅拌回流带水（冷凝管+回流过滤器除水）2 h，反应结束后冷却至室温，析出固体，过滤，滤饼用少量乙苯淋洗，干燥后得白色粉末（28.460 1 g），即为顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮。HPLC检测产物纯度为99.65%，收率为99.65%（表1，序号3）。

当三正丁胺（0.185 4 g，0.001 0 mol）与浓硫酸（折合硫酸0.147 1 g，0.001 5 mol）置于反应瓶中，加热至45℃，搅拌30 min，形成三正丁胺硫酸盐；加入1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（30.0 g，0.084 7 mol）和对二甲苯750 mL，加热至140℃，搅拌回流带水（冷凝管+回流过滤器除水）4 h，反应结束后冷却至室温，析出固体，过滤，滤饼用少量对二甲苯淋洗，干燥后得白色粉末（28.456 2 g），即为顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮。HPLC检测产物纯度为99.56%，收率为99.55%（表1，序号4）。

将三正丁胺（0.064 9 g，0.000 35 mol）与浓硫酸（折合硫酸0.038 3 g，0.000 39 mol）置于反应瓶中，加热至45℃，搅拌30 min，形成三正丁胺硫酸盐；加入1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（30.0 g，0.084 7 mol）和甲苯510 mL，加热至110℃，搅拌回流带水（冷凝管+回流过滤器除水）3 h，反应结束后冷却至室温，析出固体，过滤，滤饼用少量甲苯淋洗，干燥后得白色粉末（28.453 4 g），即为顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮。HPLC检测产物纯度为99.78%，收率为99.76%（表1，序号5）。

将三正丁胺（0.261 5 g，0.001 4 mol）与浓硫酸（折合硫酸0.138 5 g，0.001 4 mol）置于反应瓶中，加热至45℃，搅拌30 min，形成三正丁胺硫酸盐；加入1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（30.0 g，0.084 7 mol）和甲苯510 mL，加热至110℃，搅拌回流带水（冷凝管+回流过滤器除水）2 h，反应结束后冷却至常温，形成含顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮的悬浮液；向上述悬浮液中加入（S）-1，1-二苯基-1，2-丙二醇（19.38 g，0.085 mol），然后滴加三乙胺（10.1 g，0.054 6 mol），搅拌反应4 h，生成（4S，5R）-1，3-二苯甲基-2-氧代-4，5-咪唑烷二羧酸5-[（S）-2-羟基-1-甲基-2，2-二苯乙基]酯三乙胺，将得到的溶液用10wt%的氢氧化锂水溶液进行处理，过滤，滤饼用纯化水洗涤，真空干燥，得到（4S，5R）-1，3-二苯甲基-2-氧代-4，5-咪唑烷二羧酸5-[（S）-2-羟基-1-甲基-2，2-二苯乙基]酯酸锂46.2 g。经HPLC（高效液相色谱）检测，产物非对映异构纯度为98.5%，总收率为95.5%（表1，序号6）。

当三正丁胺用量为0.001 4 mol，硫酸用量为0.001 0 mol，得到白色粉末产物28.023 6 g，HPLC 检测纯度为98.90%，收率为97.39%（表1，序号7）。当三正丁胺用量为0.001 0 mol，硫酸用量为0.002 0 mol，得到白色粉末产物27.659 8 g，HPLC检测纯度为98.61%，收率为95.84%（表1，序号8）。

当三正丁胺替换为等摩尔量的正丁胺，得到白色粉末产物12.653 1 g，HPLC 检测纯度为88.91%，收率为39.53%（表1，序号9）。当三正丁胺替换为等摩尔量的二正丁胺，得到白色粉末产物12.236 7 g，HPLC 检测纯度为89.60%，收率为38.53%（表1，序号10）。当三正丁胺替换为等摩尔量的三乙胺，HPLC 检测纯度为88.92%，收率为35.21%（表1，序号11）。

表1 反应条件的优化

2.2 公斤级放大试验

将三正丁胺（4.36 kg，23.6 mol）与浓硫酸（折合硫酸2.31 kg，23.6 mol）置于反应釜中，加热至45℃，搅拌30 min，形成三正丁胺硫酸盐；加入1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-顺-4，5-二羧酸（500 kg，1 412.4 mol）和甲苯8 500 L，加热至110℃，搅拌回流带水（冷凝管+回流过滤器除水）8 h，反应结束后冷却至室温，析出固体，过滤，滤饼用少量甲苯淋洗，干燥后得白色粉末（474.55 kg），即为顺-1，3-二苄基咪唑啉-2-酮-2H-呋喃并[3，4-d]咪唑-2，4，6-三酮。HPLC 检测产物纯度为99.92%，收率为99.92%。

3 结论

（1）本文采用的催化剂，实验室级需2 h 可反应完全，公斤级需8 h，比文献报道时间短。

（2）使用的催化剂中叔胺与硫酸的摩尔比过小，硫酸含量过高，导致反应产物被部分氧化，产物纯度和反应速率均明显下降。

（3）本文发现伯胺硫酸盐和叔胺硫酸盐基本没有催化作用，可为工业化生产提供参考。