湯 漾，胡俊斌，譚 軍

(1.浙江星月藥物科技股份有限公司，浙江 嘉興 314204；2.嘉興學院生物與化學工程學院，浙江 嘉興 314001)

L-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸(又稱S-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸，通常也叫做L-Aze 或L-A-2-C)是一種極為重要的醫(yī)藥中間體。L-Aze由Fowden首次發(fā)現(xiàn)，其通過70%的乙醇對鈴蘭的新鮮樹葉和種子進行萃取，首次分離得到了L-Aze[1]，它也是第一個被證實存在于植物中的具有氮雜環(huán)丁烷結構的天然氨基酸，同時在玉竹、百合花科及龍舌蘭科植物中也有該化合物[2]。L-Aze是一種具有很強生物活性的物質，因為它所具有的氮參雜的四元環(huán)結構與合成天然蛋白質所需的L-脯氨酸再結構上極為相似。因此在合成肽鏈的過程中，L-Aze與L-脯氨酸之間形成競爭關系，通過替代掉L-脯氨酸來干擾相應蛋白質正常的新陳代謝，進而引起生物體產(chǎn)生一系列的變化。研究者根據(jù)其對大腸桿菌繁殖的抑制作用出發(fā)做過藥理毒理試驗，證實isomugineic acid和nicotianamine具有良好殺菌作用的物質[3]。同樣含有該結構的藥物在防止靜脈阻塞上的突出表現(xiàn)也吸引了大量的研究興趣，如希美加曲的類似物美拉加群、Exenta[4]、放療增敏劑[5]、可用于治療乳腺癌的藥物p185erbB-2[6]、Merk公司報道的拮抗劑VLA-4[7]、以及葛蘭素史公司研發(fā)的組織蛋白酶 K 抑制劑[8]等醫(yī)藥產(chǎn)品。此外，L-Aze四元環(huán)的剛性結構使其具有旋光性而能被用于制備有機手性化合物，故被大量應用在Diels-Alder反應、不對稱 Michael加成反應、環(huán)丙烷化等領域。隨著L-Aze作為醫(yī)藥中間體的市場需求逐漸增加，僅從天然植物中提取已不能滿足產(chǎn)量要求，故而高效地人工合成L-Aze成為現(xiàn)實的需求。L-Aze的結構相當簡單，但是人工合成的途徑一直較為困難，在經(jīng)過廣泛的研究后主要有以下兩種合成路線：(1)消旋法合成L-Aze[9-10]；(2) 拆分法合成L-Aze[11]。

1 消旋法合成L-Aze

1.1 堿性條件下環(huán)化消旋

Fowden[1，12]于1955年通過萃取的方式發(fā)現(xiàn)鈴蘭植物中含有L-Aze，并以γ-氨基丁酸為原料，經(jīng)過溴代反應后得到α-溴-γ-氨基丁酸，將其于0.5 N的氫氧化鋇溶液中回流除去殘留的鹽酸及誘導閉環(huán)反應，得到最終的L-Aze。另外，F(xiàn)owden還報道了以L-二氨基-丁酸-鹽酸鹽為原料，先將其轉化為α-氯-γ-氨基-丁酸鹽，同樣通過氫氧化鋇溶液處理可除去多余的鹽酸并誘導閉環(huán)反應得到L-Aze。

由于上述方法中鹵素取代反應效率較低，且都存在需使用過量鹽酸的情況，后來研究者通過對第一步反應的優(yōu)化，來提高合成路徑的效率。如Yamada等[13]以3-溴-2-烷氧基-1-吡咯啉為溴代反應的反應物合成L-Aze。首先以2-吡咯烷酮為原料，分別經(jīng)過硫酸二甲酯和三乙基氧氟硼酸鹽處理后得到2-甲氧基吡咯啉和2-乙氧基-1-吡咯啉，產(chǎn)物與等量的N-溴代琥珀酰亞胺(NBS)在四氯化碳溶劑中回流得到3-溴-2-烷氧基-1-吡咯啉，該步收率可達45～50%。該溴代產(chǎn)物在稀鹽酸處理下容易發(fā)生開環(huán)反應生成γ-氨基-溴丁酸，并經(jīng)過重結晶提純后再滴加至熱堿溶液中，產(chǎn)率為50～58%。

Tatsuya[14]等以S-4-氨基-2羥基丁酸甲酯為原料，將二氯亞砜加入S-4-氨基-2羥基丁酸甲酯鹽酸鹽中并室溫下攪拌，隨后50 ℃下攪拌4h。反應之后通過減壓蒸餾分離得到光學純度達96.9%的R-4-氨基-2-氯丁酸甲酯鹽酸鹽。并將其溶解在1 M硫酸溶液中，在室溫下攪拌27 h。然后再向所得的混合液中加入30%的氫氧化鈉和氫氧化鋇，將該混合物在100 ℃下加熱攪拌。向溶液中加入鹽酸調節(jié)pH值至1.0。將該溶液分次經(jīng)過離子交換樹脂柱，水洗至流出液的pH為中性。之后洗脫合并洗脫液得到光學純度為87.0%的S-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸，產(chǎn)率為60.5%。

1968年Pichat等[15]通以β-丙內(nèi)脂為原料，利用氰化鉀作用發(fā)生開環(huán)反應，并在鉑催化劑下催化加氫生成4-氨基丁酸，該中間產(chǎn)物在濃鹽酸條件下，以紅磷為催化劑與溴發(fā)生反應得到2-溴-4-氨基丁酸，最后通過在堿液中回流發(fā)生環(huán)化反應得到L-Aze。

1.2 催化氫解消旋法

Rodebaugh和Cromwell[11，16]采用γ-丁內(nèi)酯為原料，在紅磷的條件下開環(huán)得到溴代產(chǎn)物，該中間體再在鹽酸條件下與芐醇作用生成相應的芐酯，經(jīng)過提純后的芐醇與二苯基甲氨發(fā)生環(huán)化反應，并經(jīng)過三乙胺處理后在鈀/碳催化劑下催化氫解，最終得到消旋的目標產(chǎn)物，產(chǎn)率為53%。

2 拆分法合成L-Aze

2.1 D-酒石酸為拆分劑

Rodebaugh等[11]在1969年提出了一種四步法制備L-Aze的合成路徑，該合成過程包括對DL-Aze的保護、拆分及脫保護等步驟。其中，以L-酪氨酰肼為拆分劑對N-芐氧羰基保護的DL-Aze進行拆分，最后再進行分離提純。但是該方法所使用的L-酪氨酰肼價格昂貴，難以進行工業(yè)生產(chǎn)。為解決拆分劑昂貴的問題，Barth等[17]發(fā)現(xiàn)采用D-酒石酸可與外消旋的Aze作用形成L-偶氮-D-酒石酸鹽結晶，進一步分離后可得到光學純的L-Aze，收率達36%。

張琦[18]等根據(jù)上述利用γ-丁內(nèi)酯為原料合成氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸的路線，以γ-丁內(nèi)酯為原料，經(jīng)溴代、酯化、環(huán)化、拆分、氫化、保護、水解等過程合成了具有旋光性的N-Boc-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸。該技術路線通過優(yōu)化中間產(chǎn)物(S)/(R)-N-Boc-氮雜環(huán)丁烷-羧酸甲酯(5/5')的處理。同時為了減少在加氫過程中的副反應，在利用D-酒石酸作拆分劑進行化學拆分后將加氫脫芐和上Boc-保護基團的兩步通過“一鍋法”實現(xiàn)。經(jīng)過優(yōu)化后的合成路線避免了使用柱層析分離，大幅降低了該路線的生產(chǎn)成本，合成具有旋光性的N-Boc-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸，總收率可達43%。

2.2 酶拆分法

除了利用天然產(chǎn)物來拆分外消旋體外，利用選擇性的水解酶可以得到高ee值的L-Aze產(chǎn)物。如Takashima[19]等為了解決外消旋體消除法及利用天然手性拆分劑拆分制備L-Aze步驟繁瑣，產(chǎn)率較低等問題，提出了利用生物酶進行催化拆分，利用從關節(jié)桿菌中分離出的水解酶SC-6-98-28對外消旋體進行拆分，一步法合成了具有旋光活性的氨基保護L-Aze。

Starmans[20]等發(fā)現(xiàn)脂肪酶能有效的催化羧基與親核試劑之間的反應，故利用從南極假絲酵母中分離出來的脂肪酶來催化制備L-Aze，并發(fā)現(xiàn)這種脂肪酶在催化合成L-Aze衍生物的同時能夠對其外消旋體進行拆分。

2.3 利用手性基團合成L-Aze

在Fowden[12]等人從二氨基丁酸開始，制備得到L-Aze后。Kondo 和Ueyama[21]報提了利用鄰苯二甲酸及鹵素原子對氨基進行保護，得到具有手性的L-Aze衍生物，然后在鉑系催化劑作用下于乙醇/水的混合溶液中用肼進行氫解，最終產(chǎn)物可通過重結晶、色譜柱進行提純。Miyashi[22]提出了一種不需要取代反應以保留L-Aze上碳原子的手性的合成路徑，其以甲苯磺酰基-L-高絲氨酸內(nèi)酯為原料，與氫溴酸在無水乙醇中于60～70 ℃過夜反應，反應液經(jīng)濃縮后在乙醚和正己烷(1∶1)的混合液中結晶得到開環(huán)后的產(chǎn)物，該步驟產(chǎn)率達到90%。然后于氫化納環(huán)境下在DMF溶劑中低溫反應環(huán)化，并與金屬鈉在液氨中反應脫去甲苯磺酰基團得到最終產(chǎn)物，產(chǎn)率為73%。

Baldwin[23]報道了從L-甲硫氨酸和L-天冬氨酸出發(fā)，合成L-高絲氨酸，再通過重排反應使其轉化成N保護的L-Aze的合成路徑。L-天冬氨酸被逐步轉化為二烯基酯和N-三苯甲基-L-天冬氨酸二芐基酯，然后在甲苯溶劑中經(jīng)過二異丁基氫化鋁(DIBAH)處理，得到N-三苯甲基-L-高絲氨酸內(nèi)酯。隨后在氫溴酸的乙醇溶液中開環(huán)并脫去三甲基，隨后用Boc基團對氨基進行保護，最后利用一定條件下的重排反應得到目標產(chǎn)物。Chapetti[24]等則以Boc保護的谷氨酸叔丁酯為原料，在CBrCl3溶劑中通過光引發(fā)生成自由基脫去一個羧基，然后通過三氟醋酸和三乙基硅烷處理脫去叔丁酯，再經(jīng)羧基保護后在碳酸鈉存在下于DMF中加熱至80 °C得到L-Aze，收率達82%。

Yasuhiko[25]等開發(fā)了以丙二酸酯中間體通過五步法合成L-Aze (>99.9% ee)的高效途徑，總產(chǎn)率為48%。其中關鍵步驟在DMF中用1,2-二溴乙烷和碳酸銫處理二甲基(S)-(10-甲基)芐基氨基丙二酸酯，從而形成四元環(huán)結構，該步驟的轉化率高達99%。二甲基(1'S)-1-(1'-甲基)芐基氮雜環(huán)丁烷-2,2-二甲酸甲酯的Krapcho脫烷基羰基化過程中，通過在氮原子上引入的手性基團，使得在形成環(huán)化產(chǎn)物的過程，以2.7∶1的比例優(yōu)先形成希望得到的(2S,1'S)-單酯結構，其總收率為78%。通過去質子化和隨后的再質子化步驟，可以將不希望得到的(2S,10'S)-異構體轉化為適當?shù)牧Ⅲw構型。最后通過脂肪酶優(yōu)先催化(2S,1'S)-單酯的水解和隨后的脫保護過程制備得到純的(S)-氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸對映體。該方法從(2S,1'S)-單酯和(2R,1'S)-單酯混合物中得到目標產(chǎn)物的產(chǎn)率高達91%。

為了以工業(yè)規(guī)模合成L-Aze，Ojima[26]等通過還原4-氧代-2-氮雜環(huán)丁烷羧酸衍生物得到氮雜環(huán)丁烷-2-甲醇，然后對該化合物進行氨基保護后氧化得到氨基保護的氮雜環(huán)丁烷-2-羧酸，最后脫保護得到L-Aze。

3 結束語

綜上所述，L-Aze的合成主要分為對外消旋體進行消旋和對一對對映體進行拆分兩種途徑，但目前的研究方法或因為實驗規(guī)模太小而無法大規(guī)模生產(chǎn)，或因為合成的路徑太長，操作復雜、管理成本高而限制了工業(yè)生產(chǎn)。除此之外，大量使用溶劑和使用色譜柱等進行分離提純、昂貴的拆分劑等問題大大增加了生產(chǎn)成本等問題都限制了L-Aze合成的產(chǎn)業(yè)化。因此，開發(fā)出一種綠色、高效的合成路徑，合成較廉價的L-Aze來滿足日益增長的需求是未來L-Aze合成研究的方向和迫切需要。