（有机化学专业论文）l核糖的合成和工艺优化及其衍生物研究.pdf

l 眦l l l u i l lu l l i 叭帆帅m 叭1 1 1 1 脯 y y 17 9 8 2 0 6 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 。晒多年岁月f 与日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在五年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：靠五畚学位论文作者签名；多降狄 解密时间： 协年 5月，芗日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：锦智豇 。细g 年多月，岁日 替代的作用。尤其是l 一核苷类化合物由于其优良的抗病毒活性和毒副作用低的 特点，在抗病毒药物中占有重要地位：然而，这些化合物在自然界中不存在， 只能通过人工合成的方法加以制备，一些市场需求量很大的核苷药物中间体成 本居高不下，造成无法在社会很快地普及，限制了其应用。如果能够降低这些 药物或药物中间体的生产成本，那么必然对其应用产生极大的推动作用。 基于本组以前的工作，本论文中我们选择了l 一核糖为研究对象，对它的合 成路线进行改进，使之更适于实际生产。论文首先探讨了l 一核糖的合成，基于 其合成机理，通过使用廉价易得的d 一核糖为起始物，经过六步反应，以较高产 率合成了l 一核糖，且简化了合成流程，优化了反应条件。这条路线操作简单， 原料易得，比已有的实验室合成方法更适合工业化生产，经进一步改进后可为 合成l 一核苷类药物提供大量廉价的原料。此外，本论文还通过整合现有的合成 方法，利用得到的l 一核糖合成了p l 腺苷，并对其合成机理进行了讨论，对合 成过程中的反应现象也进行了合理的解释。p l 腺苷经修饰后可用于合成其他的 l 一嘌呤类衍生物，具有广阔的应用前景。 关键词：l 一核糖，核苷，p - l 腺苷 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , n u c l e o s i d e sa n dt h e i ra n a l o g u e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nl i f es c i e n c e s a n dp h a r m a c e u t i c a lc h e m i s t r yd u et ot h e i rs i g n i f i c a n ts t r u c t u r e s i np a r t i c u l a r , t h eu s e o fn u c l e o s i d e sa n dt h e i rd e r i v a t i v e si nm e d i c i n a la p p l i c a t i o nh a sg r e a t l yi n c r e a s e d a m o n gt h e s ec o m p o u n d s ，l n u c l e o s i d e sa n dt h e i ra n a l o g u e sh a v eb e c o m eu s e f u l a g e n t sf o rt h et r e a t m e n to fv i r a ld i s e a s e sd u ei np a r tt ot h e i rg o o da n t i v i r a la c t i v i t y a n dg e n e r a l l yl o wt o x i c i t y h o w e v e r , t h e s eu n n a t u r a lc o m p o u n d sc u r r e n t l yw e r e s y n t h e s i z e dw i t hh i g hc o s t ，w h i c hr e s t r i c t e dt h e i ra p p l i c a t i o ni nc u r a t o r i a la s p e c t i nt h i st h e s i s ，l r i b o s ea n db l a d e n o s i n ew e r ec h o s e nf o rr e s e a r c h w eh a v e s y n t h e s i z e d l r i b o s ei nah i g hy i e l df r o mi t se n a n t i o m e rd - r i b o s e ，w h i c hi s i n e x p e n s i v ea n dp l e n t i f u li nn a t u r e 1 1 1 eg e n e r a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r ed i s c u s s e d ， a n do p t i m i z e dp r o c e d u r ew a sa c q u i r e d t i l i sm e t h o dm a yb eu s e di nc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n ，a f f o r d i n gak i n do fi n e x p e n s i v em a t e r i a lt os y n t h e s i z el n u c l e o s i d e sa n d m e i rd e r i v a t i v e s a l lo ft h ei n t e r m e d i a t e sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym s ，e a ，1 hn m r ， 1 3 cn m a n dp o l a r i m e t r y p - l a d e n o s i n ew a sa l s op r e p a r e df r o ml r i b o s ei na s i m p l em e t h o da n di t ss t m c t u r ei sc o n f i r m e d t h ep h e n o m e n aw e r el o g i c a l l yd e f i n e d a n dt h em e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：l r i b o s e ，n u c l e o s i d e s ，p - l - a d e n o s i n e 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用1 第一节核苷的历史和化学结构1 1 1 1 核酸化学的历史1 1 1 2 核苷的化学结构2 第二节核苷类化合物的应用3 1 2 1核苷类化合物在分子生物学领域的应用3 1 2 2 核苷类化合物作为药物的应用4 1 2 2 1核苷类抗肿瘤药物4 1 2 2 2 核苷类抗病毒药物5 1 2 2 3 核苷类抗生素8 第三节核苷类化合物的合成1 0 1 3 1 重金属盐法( f i s c h e r - h e l f e r i c hp r o c e d u r e ) i i 1 3 2h i l b c r t - j o h n s o n 及硅化反应法1 2 1 3 3 熔融缩合法( h e l f e r i c h 反应) 1 4 1 3 4 逐步合成法1 5 第四节l 核苷类化合物的合成和应用1 7 第五节论文的设计思想1 8 参考文献19 第二章l 核糖的高效合成及工艺优化2 2 第一节l 核糖合成方法概述2 3 2 1 1 化学合成法2 3 i i i 目录 2 1 1 2 立体选择性化学合成法”2 7 2 1 1 3 催化立体异构法”2 9 2 1 2 微生物法2 9 第二节l 核糖合成方法探讨和数据讨论3 0 第三节实验部分3 4 2 3 1 仪器与试剂3 4 2 3 2 实验操作及结构表征3 5 附图：若干合成中间体和l 核糖的核磁、质谱谱图3 9 参考文献”4 3 第三章b l 腺苷的合成表征4 4 第一节l 腺苷合成概述4 4 第二节实验部分4 7 3 3 1仪器与试剂4 7 3 3 2 实验操作和数据4 7 附图：b l 腺苷及代表性中间体谱图4 9 参考文献5 1 主要结论5 2 个人简历5 3 致谢5 4 第一章核苛类化合物的结构、合成与应用 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 第一节核苷的历史和化学结构 1 1 1 核酸化学概况 自2 0 世纪五十年代，w a t s o n 和c r i c k 在汲取此前各学科科学家的见解，并 综合各方面的最新结果提出d n a 分子的双螺旋结构以来【l 】，分子生物学和生命 科学得到了突飞猛进的发展。作为d n a 分子化学结构基础的核苷以及与之相关 的核酸化学的发端则早于其1 0 0 多年。1 8 4 7 年，德国化学家j u s t u sy o nl i e b i g 第 一次从细胞中分离出核苷化合物，标志着遗传物质化学_ 核酸化学”的开创，但 第一次确定核苷的正确结构直到1 9 1 1 年才由l e v e n e 和j a c o b s 完成，即确定次 黄嘌呤核苷( h y p o x a n t h i n r i b o s i d e ) 5 磷酸酯的结构。 1 8 7 9 1 9 0 3 年间，k a s s e l 和他的合作者利用不同的方法分离并确定了核酸分 子中的氮杂环碱基：单环结构的胞嘧啶( c y t o s i n e ，简写为c ) 和胸腺嘧啶( t h y m i n e ， 简写为t ) ，双环结构的次黄嘌呤( h y p o x a n s i n e ) ，腺嘌呤( a d e n o s i n e ，简写为a ) 和鸟嘌呤( g u a n i n e ，简写为g ，1 8 4 4 年鸟嘌呤被人们从鸟粪中分离出来，但未能 确定其结构) 。1 9 0 0 年a s c o l i 从酵母核酸中分离确定了尿嘧啶( u r i d i n e ，简写为 u ) ，至此，核酸中的基本碱基都己确定。 此后l e v e n e 和j a c o b s 在1 9 0 8 1 9 1 1 年间成功地从酵母核酸中分离出d 核糖 晶体，并且确定核酸中糖基部分为五元环戊糖，而不是长期以来人们所假设的 六元环己糖。他们同时还定义了两个新的概念：核苷( n u c l e o s i d e ，即由一个氮杂 环碱基与戊糖偶联的分子) 和核苷酸( n u c l e o t i d e ，被磷酸酯化的核苷) 。此后， l e v e n e 通过2 0 多年对核酸化学组成的研究，与1 9 2 9 年通过酶的降解和酸性水 解获得了2 脱氧d 核糖。这一发现清楚地表明核酸存在两种类型，即核糖核酸 ( r n a ) 和脱氧核糖核酸( d n a ) 。 通过一代又一代的科学家们的努力，人们对核酸化学结构的认识逐渐清晰， 并通过其不同的生物功能和化学结构进行了系统的分类，具体而言，含有核糖 ( r i b o s e ) 的核酸称为核糖核酸( r i b o _ n u c l e i ca c i d ，简称r n a ) ，含有脱氧核糖的核 酸称为脱氧核糖核酸( d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ，简称为d n a ) 。此外，r n a 主要 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 存在于生物细胞的细胞质当中，它通常含有a ，g ，c ，u 四种碱基，d n a 主要 存在于细胞核的染色体中，它通常含有a ，g ，c ，t 四种碱基，这也是r n a 和 d n a 的另外一大区别。 与蛋白质一样，核酸也是分子量很大的生物高分子物质，而它的基本单位 为核苷酸，核苷酸又分为核苷和磷酸两个部分，其组成如图1 1 所示。事实上， 核酸可以被看作由成千上万的核苷通过磷酸连接成的长链，核苷的种类以及它 们的排列次序则决定了核酸分子所包含的一切遗传信息。 1 1 2 核苷的化学结构 碱基 d - 核糖和2 一脱氧一d 一核糖 n u c l e l , b a s e s d - r i b o s e 泣2 d e o x y d r i b o s e 厂 嘌呤 嘧啶 p u r i n c ：p y r i m i d i n e 图1 1 核酸的化学组成 核苷是一类非常重要的生命物质，是构成核糖核酸( r n a ) 和脱氧核糖核 酸( d n a ) 的基本结构单元，同时也以游离的形态存在于细胞中，发挥着各种 各样的生理功能【2 3 】。核苷是由含氮碱基( b a s e ) 与糖基( 即核糖或脱氧核糖) 两部分通过糖苷键连接而成。如图1 2 所示，戊糖的1 位c 原子和碱基中的n 原子形成p n 糖苷键，而通过磷酸成酯将核苷糖基的3 和5 位的羟基串联起来 就形成了核酸片段。 根据碱基的不同，还可把核苷分为嘧啶类核苷和嘌呤类核苷。核苷中各种 常见碱基的结构如图1 3 所示，其中次黄嘌呤( h y p o x a n s i n e ) 与核糖形成的核 苷称为次黄嘌呤核苷，即肌苷( i n o s i n e ) 。需要注意的是嘌呤环的编号顺序是按 习惯固定的，包括两个桥头碳原子都要进行编号，这两点不同于其他的多环体 系的命名规则。 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 h o a s e h o b a s e = a ：a d e n o s i n e g ：g u a n o s i n e c ：c y t i d i n e u ：u r i d i n e h ：i n o s i n e a s e 1 b a s e = a ：2 - d e o x y a d e n o s i n e g ：2 - d e o x y g u a n o s i n e c ：2 - d e o x y c y t i d i n e t ：2 - d e o x y t h y m i d i n e 图1 2 核苷的化学结构 2 嚣帮：焱h 2 玲h 毋鑫 ：棘魄 图1 3 常见核苷碱基的化学结构 第二节核苷类化合物的应用 1 2 1 核苷类化合物在分子生物学领域的应用 核苷类化合物在分子生物学、基因克隆、基因芯片、生物医药以至食品工 礅学 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 业中都有极其广泛的应用，特别是破译遗传密码方面起到了非常大的贡献【2 卅。 同时，核苷是合成核酸片断和基因的基本原料，利用核苷通过化学手段合成基 因片断已经是分子生物学和基因克隆领域研究的重要方法。如d n a 测序时，p c r 扩增需要大量核苷原料；生物芯片点阵的核苷酸序列片断大多数也用化学方法 合成。随着生物科技的飞速发展，对基础核苷类原料需求越来越大。 1 2 2 核苷类化合物作为药物的应用 从结构上进行划分，具有疾病治疗效果的核苷或核苷酸类药物可以分为两 类，即天然的核苷和核苷酸以及非天然的核苷和核苷酸。由于天然的核苷和核 苷酸是构成生物细胞核酸的主要成分，因此对改善集体的代谢有很大帮助，这 类化合物广泛用于放射病、血液病、肝炎、心血管疾病和脑损伤等的治疗。低 聚的寡核苷酸还可以通过反义疗法，把药物的作用靶点直接指向核酸，抑制基 因表达，即阻止合成引起疾病的蛋白质，达到彻底治愈疾病的目的。非天然的 核苷和核苷酸可以看成核苷和核苷酸的类似物，因为它们的化学结构同天然的 核苷和核苷酸有不同程度的相似和区别。非天然核苷和核苷酸进入体内之后能 达到以假乱真的作用，从而干扰或作用于核酸的代谢过程，阻断蛋白质、核酸 的生物合成，因此这些化合物在抗病毒和抗肿瘤领域占有重要的地位，近些年 来对天然核苷结构进行修饰或变换来得到新的抗癌抗病毒新药的研发速度很 快。以下列举一些常见的核苷类药物的应用。 1 2 2 1 核苷类抗肿瘤药物 这类药物根据碱基的不同，常分为两类，即嘌呤类和嘧啶类核苷药物。嘌 呤类药物包括修饰的嘌呤碱基和它们所形成的核苷和单核苷酸。其中最早应用 的抗肿瘤嘌呤核苷类似物是6 巯基鸟嘌呤( 6 - t h i o g u a n i n e ，6 t g ) t t 和6 硫基嘌呤 ( 6 m e r c a p t o p u r i n e ，6 m p ) 哺】。这类化合物在6 位有一个巯基或硫基，能抑制体内 嘌呤核苷酸的生物合成，主要用于抗白血病【9 l0 1 。嘧啶类药物主要以5 氟尿嘧啶 ( f u ) t l 】及其核苷和胞苷衍生物为主，5 氟尿嘧啶用于肝癌及头颈部癌症，胞 苷衍生物主要用于各类急性白血病的治疗，也可被用作抗病毒药物【1 2 ，l3 1 。 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 h 礅h ：炽r o h o h r = h ，p 0 3 h 2 r 皆出 h o 图1 4 几种核苷类抗肿瘤药物的化学结构 1 2 2 2 核苷类抗病毒药物 自1 9 6 2 年第一个用于治疗疱疹性角膜炎的核苷药物碘苷( i d u ) 出现 以来【1 4 】，抗病毒化学疗法取得了相当大的进展。尤其在艾滋病( a i d s ) 出现之 后，对抗病毒药物的研发提出了更加紧迫的要求。由于人类免疫缺陷病毒( h ) 感染病人往往对其他病毒敏感，治疗h i v 感染的同时也要研究针对这些病毒的 抗病毒药物，抗病毒药物称为研究的重点。目前，核苷类似物在抗病毒药物中 占有很重要的地位，已有多个核苷类抗病毒药获准生产应用【l5 1 。它们主要作为 病毒复制过程中一些重要酶的抑制剂，阻止病毒侵染靶细胞的目的，这类化合 物至今已经合成千余种新化合物。它们的抗病毒机理大致如下【l6 j ： ( ，1 ) 通过抑制病毒基因复制酶，从而抑制核苷三磷酸的形成和利用：抑制病 毒基因组核酸的复制； ( 2 ) 抑制d n a 或r n a 模板的形成抑制病毒基因的转录及修饰抑制r n a 的 转运； ( 3 ) 抑制病毒编码酶的活性，从而抑制病毒蛋白质的合成与转运 从化学结构上看，核苷类化合物与生物细胞内的核酸结构相似。由于病毒 是在细胞内寄生，其复制过程完全依赖于被寄生细胞的代谢过程，其基因通过 宿主细胞的酶系统表达，在宿主细胞内合成病毒的核酸、蛋白质和酶等成分， 完成病毒的生物合成。由于高等动物细胞中自身的酶系统对底物的识别能力高 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 于病毒，若将核苷碱基的结构加以改造，使用这些“非正常”的底物不会被正 常细胞使用，但病毒会将其纳入代谢过程，从而阻断病毒复制的某些环节，达 到抑制病毒复制，控制感染的目的。按照核苷药物作用的病原体种类，可把它 们分为两类，即抗d n a 病毒核苷类似物和抗r n a 病毒核苷类似物。按照化学 结构可以分为以下三类： ( 一) 嘧啶类抗病毒核苷药物 碘苷( i d o x u r i d i n e ，i d u ) 1 4 】：又名疱疹净，第一个获得临床应用的核苷类药 物，它只对d n a 病毒有效，可与胸苷竞争磷酸化酶和聚合酶，抑制d n a 病毒 合成，使病毒失活，临床上用于单纯疱疹( h s v ) 性角膜炎牛痘病毒性角膜炎和带 状疱疹病毒感染。 阿糖胞苷( c y t o s i n ea r a b i n o s i d c ，a r a c ) u7 j ：可以在体内经激酶磷酸化转化为 活性型而发挥作用，能显著抑制d n a 聚合酶活性和d n a 复制，对r n a 和蛋白 质无显著作用。临床上曾用于疱疹病毒性脑炎及疱疹性角膜炎，因毒性和刺激 性比较大，现主要用于白血病的治疗，对急性粒细胞白血病疗效最好，同时对 急性单核细胞白血病、急性淋巴细胞白血病有效，一般均与其他药物合并使用。 环胞苷( c y c l o c y t i d i n e ) 为a r c c 的缩水化合物，在体内转化成a r c c ，作用与a r c c 相似，其副作用相对较轻，故仍用于眼膏和滴眼剂。 齐多夫定( z y d o v u d i n e ，a z t ) t 1 8 】：即叠氮胸苷，第一种用于临床的艾滋病治 疗用药，1 9 8 7 年由美国国家食品与药物管理局( f d a ) 批准上市。该药物能延 长艾滋病患者的生存时间，推迟h i v 感染者转化为艾滋病患者。其作用机制是 与病毒的d n a 聚合酶结合，中止d n a 链的增长，从而阻抑病毒的复制。对人 的a d n a 聚合酶的影响小而不抑制人体细胞增殖，主要毒副作用是骨髓抑制。 双脱氧胞苷( d i d e o x y c y t i d i n e ，d d c ) 1 9 】：商品名为扎西他滨( z a l c i t a b i n e ) ，与 a z t 类似的抗艾滋病药物，是h i v 逆转录酶抑制剂。对骨髓抑制作用较轻，但 可能出现周围神经病变或胰腺炎等副作用，主要用于对a z t 不能耐受的患者。 拉米夫定( l a m i v u d i n e ，l m v , 3 t c ) 2 0 】：最初用于艾滋病的抗病毒治疗，后来 发现对乙型肝炎病毒( h b v ) 复制的逆转录过程抑制作用非常显著。作用机制是其 在细胞代谢过程中生成拉米夫定三磷酸盐，与脱氧胞嘧啶核苷竞争进入d n a 链， 使之中止复制。拉米夫定在大幅降低病毒含量和抗原的同时，可使长期处于对 h b v 耐受的t 细胞功能得以激活，加强对病毒的清除作用。 其他常见嘧啶核苷类抗病毒药有氟碘代阿糖胞苷( f l u o r o i d o c i t y d i n e ) 、三氟胸 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 苷( t r i f l u r i d i n e ) 、2 ，3 二脱氢- 3 - 脱氧胸苷( d 4 t ) 等，d 4 t 主要用于抗艾滋病的治疗。 h 。蛰h 。蛰h 。毋 h 。毋鬯蛰db 洲h u ( 二) 嘌呤类抗病毒核苷药物 阿糖腺苷( v i d a r a b i n e ，a r a - a ) 2 1 ，2 2 】：在体内转化成三磷酸阿糖腺苷( a r a a t p ) ， 与脱氧腺苷三磷酸竞争结合到病毒上，抑制d n s 多聚酶的活性和d n a 合成， 同时抑制核苷酸还原酶和病毒复制；抑制病毒d n a 末端脱氧核苷酸转移酶活性， 并连接到d n a 链3 - o h 位置末端，从而抑制病毒d n a 合成，对d n a 病毒有 广泛作用。 阿昔洛韦( a c y c l o v i r , a c v ) 2 3 】：这是一种开环的鸟苷类似物，作用机制是被 病毒感染的细胞优先吸收，在体内经胸腺嘧啶激酶活化为三磷酸型，抑制病毒 的d n a 合成酶。 更昔洛韦( g a n c i c l o v i r ，g a v ) t 2 4 ，2 5 】：是美国s y n t e x 公司于1 9 8 8 年批准上市 的抗病毒的开糖环鸟苷类似物，其作用机制与a c v 相似，抑制病毒d n a 合成 和复制，有骨髓毒性。 泛昔洛韦( f a m c i c l o v i r , f c v ) 2 6 1 ：英国s k b 公司研制开发的开环核苷类抗病 毒药物，系更昔洛韦的前药，在体内转化成更昔洛韦而发挥抗病毒作用。 万乃洛韦( v a l a c i c l o v i r ，v a c a ) t 2 7 】：为a c v 的前体药物。 去羟肌苷( d i d a n o s i n e ，d d i ) ：抗h i v 逆转录酶抑制剂。 v a c a d d 图1 6 几种嘌呤类核苷抗病毒药物化学结构 ( 3 ) 其他类抗病毒核苷药物： 利巴韦林( r i b a v i r i n ) 【2 8 】：也叫病毒唑( v i r a z o l c ) ，是重要的广谱抗病毒药， 用于多种病毒性疾病的治疗。1 9 7 2 年由w i t k o w s k i 等合成，1 9 8 6 年美国f d a 批 准上市。在感染细胞中磷酸转化为三氮唑核苷单磷酸，竞争性抑制肌苷5 单磷 酸脱氢酶，使之不能转化为次黄嘌呤单磷酸，抑制病毒r n a 和d n a 复制。2 0 0 3 年初，非典型肺炎( s a r s ) 首先在国内广东和香港流行，医学专家们立即首先病 毒唑作为一线药物使用，对防治s a r s 病症及增强和调动病人的免疫系统的功 能大有帮助。另外，病毒唑也成为当时预防s a r s 传染的药物在应用，这充分 说明了核苷类药物在抗病毒方面的不可替代的作用。 随着各种病毒的变异和新病毒的不断出现，需要我们不断从核苷类化合物 中不断寻找抗击新病毒的药物，使得对各种类型核苷化合物的合成研究成为一 个长久的课题。 1 2 2 3 核苷类抗生素 2 0 世纪5 0 年代初，人们从冬虫夏草类菌体分离出虫草素( c o r d y c 印i n ) 【2 9 - 3 1 1 ， 化学结构为3 脱氧腺苷，它具有抗菌作用，是第一个核苷类抗生素。从虫草素 被发现以来，至今已经有2 0 0 多种核苷类抗生素。这类核苷绝大多数是从菌类 分离出来的，它们除了有部分可以在医药上发挥作用外，大部分已作为农药使 用，用于防治植物病原性霉菌等。 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 核苷类抗生素数量较大，种类较多，碱基部分主要有咪唑、嘌呤、嘧啶、 吡咯并吡啶、吡唑并吡啶等二十多种，核糖部分种类也较多，包括各种d 核糖、 d 脱氧核糖、d 阿糖、d - 5 可洛糖、d 葡萄糖衍生物等，以及天然五碳糖、八碳 糖等，有数十种。按照糖苷键的类型可分为n 核苷类抗生素和c 核苷类抗生素。 ( 1 ) 嘌呤类n 核苷抗生素( 图1 6 ) ：这类抗生素的作用机制一般是抑制细 菌d n a 或r n a 的生物合成，从而起到杀菌作用。如图1 1 0 所示，这类嘌呤 n 核苷抗生素除了部分在碱基上作了修饰外，在糖环上也有较多的改造。如2 氨基2 脱氧鸟苷( 2 a m i n o 2 d c o x y g u a n o s i n c ) ，由于2 羟基被氨基取代，除了具 有抗菌作用外，还具有抗肿瘤作用。 h o n n o h c o r d y c e p i n ( 虫草素) n u c l e i c i d i n ( 核杀霉素) 2 氨基一2 一脱氧鸟苷 图1 6 嘌呤类核苷抗生素药物的化学结构 ( 2 ) 嘧啶类n - 核苷抗生素( 图1 7 ) - 这类核苷抗生素绝大多数具有抑制植物 病原真菌，病毒等作用，尽管在医药方面目前应用不多，但在农药方面具有较 多的应用，展示出美好的前景。这类核苷在碱基上的修饰主要集中在c 5 位，糖 环不仅有五元环、六元环，还有多聚糖环的情况。 嗡n h 2 h 掺n h 2 n 0 2 裂h2n m h 、1 内彩n h o h o h n h 2 c l i t o c i n e ( 杯伞霉素) b l a s t i c i n es ( 杀稻瘟菌素s ) 嘧啶类核苷抗生素药物的化学结构 ( 3 ) 其他杂环类n 核苷抗生素( 图1 8 ) ：这类核苷抗生素中的布雷青霉素 也 洲礅 故 n e o s i d o m y c i n ( 新赛吲哚霉素)b r e d i n i n ( 布雷青霉素) a z a c y t i d i n e ( 氮杂胞苷) 图1 8 其他几种核苷抗生素药物的化学结构 ( 4 ) c - 核苷抗生素( 图1 9 ) ：这类核苷是由不常见的碱基和糖基以c c 键相连。 间氯霉素a ( f r o m y c i na ) 是腺苷代谢拮抗剂，呈现较广泛的活性，如抗菌、抗病 毒和抗肿瘤等作用。焦土霉素( s h o w d o m y c i n ) 是以顺丁烯二酰胺作碱基的碳核苷， h o h o h p s e u d o u r i d i n e ( 假尿苷) o h o h f o r m i c i na ( 间型霉素a ) h o o h o h s h o w d o m i c i n ( 焦土霉素) 图1 9 碳核苷类抗生素药物的化学结构 第三节核苷类化合物的合成 随着当前生命科学和医药行业的飞速发展，天然核苷和非天然核苷的市场 需求量越来越大，但单纯从生物体中提取天然核苷完全不能满足需求。以从鱼 卵中提取2 脱氧核苷的一般过程为例，每1 0 0 吨大马哈鱼鱼卵经过1 5 个月的加 工提取，只不过能最终得到5 5 k g 的核苷，费时费力【2 】。因此，必须通过化学合 成才能满足日益增长的对核苷和核苷衍生物的市场需求。而通过化学合成核苷 具有以下优势：合成步骤少，适于工业化；生产周期短，效率高；合成核苷种 类单一，不需复杂的分离步骤；减轻生态负担。尤其在实际应用时可以直接合 第一章核茁类化合物的结构、合成与应用 成目标化合物，省略对天然核苷的修饰步骤，提高生产效率。核苷常通过将碱 基与糖基形成糖苷键得到。以下介绍一些经典的核苷合成方法。 1 3 1 重金属盐法( fis c h e r - h e if e ric hp r o c e d u r e ) 该法是将氮杂环化合物( 碱基) 的金属盐和c 1 位卤代，其他羟基酰化的 核糖衍生物反应得到核苷。1 9 0 1 年k 6 n i g s 和k n o t t 曾发现，四乙酰化溴代葡萄 糖l 和甲醇在a 9 2 c 0 3 存在下进行反应获得溴被甲氧基取代的产物2 3 2 】。基于这 个反应，f i s c h e r 和h e l f e r i c h 最初的实验是将葡萄糖的1 取代溴化物1 分别与嘌 呤衍生物银盐3 进行反应，得到取代的葡萄糖嘌呤苷4 【3 3 1 。后来d a v o l l 和t o d d 等人对此加以扩展，他们将2 ，3 ，5 三氧乙酰基d 呋喃核糖1 一氯化物分别与腺嘌 呤，鸟嘌呤反应制得天然腺苷和天然鸟苷，从而确立了第一种化学手段合成核 苷的方法。 c h s o h _ - - - - - - - ；- - - - - - - a 9 2 c 0 3 + 融c i k 6 n i g k n o r r 的反应 134 图1 1 0f i s c h e r - h e l f e r i c h 法合成糖苷 c i i 礅c i 后来d a v o l l 和l o w y 发现在合成核苷时，用h g c l 2 替代银盐的反应效果更佳， 并可用于腺苷和鸟苷的合成瞰】。f o x 等人发现汞化合物法也可用于合成嘧啶类核 苷【3 5 】，并将其发展成为一种完整的合成天然核苷的汞盐多酰基化糖基卤化物方 法。该法的优点是汞盐可以增加溶解度，比银盐与糖基化合物的反应时间大大 缩短，同时汞与氮原子的结合也比银更好。早期的嘧啶类核苷合成就采用这种 方法，例如氯代的核糖衍生物5 和硫代尿嘧啶汞盐6 反应，最终生成尿苷的衍 生物8 。 第一章核苛类化合物的结构、合成与应用 5 67 图1 1 lf i s c h c r - h e l f c r i c h d a v o l l 法合成嘧啶类核苷 o 8 s 随着核苷衍生物在生物技术中的日益广泛，汞盐法也慢慢暴露出其缺点， 即目标化合物最终仍会含有少量或痕量的汞，这些杂质对生物有毒害性质，从 而对从这些化合物合成的终产物进行生物活性测试时的数据造成影响，甚至使 这些数据毫无意义。2 0 世纪8 0 年代以来发展的钠盐代替汞盐的方法日渐成熟。 这些钠盐与1 氯代糖基衍生物可以高效地得到d 核苷 3 d 3 引，如图1 1 2 所示。 c i h 1 0 b o t o l c 9 艺i 盎逢一t 0 l 。琏8 图1 1 2 钠盐法合成核苷 1 3 2hiib e r t - j o h n s o n 及硅化反应法 h i l b e w t 和j o h n s o n 在1 9 3 0 年发现，2 ，4 二甲氧基嘧啶与碘甲烷反应得到4 - 甲氧基1 甲基2 嘧啶酮，经稀酸处理得到1 甲基尿嘧啶【3 9 1 。根据该反应结果， 使用乙酰基卤化( 常用溴化) 核糖替代碘甲烷可以合成尿苷和胞苷等天然核苷。 例如，乙酰基1 溴代葡萄糖1 与2 ，4 二乙氧基嘧啶1 2 反应，可得葡苷衍生物1 3 ( 图1 1 3 ) 。该反应虽然收率不高，但找到了无需重金属离子参与的合成核苷的 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 方法。本合成方法发现，如果糖基2 位取代基为乙酰氧基是，常得到0 【和1 3 异 构体的混合物，该混合物之间的比例与溶剂极性相关。此外，相当多的解释认 为，由于嘧啶衍生物与糖基之间的s n 2 反应使得1 3 异构体占主导地位。该方法 的缺点也很明显：首先，产率不高；其次，4 位与氧原子相连的甲基不容易去除； 第三；立体选择性问题，即该反应均产生a 和1 3 两种异构体，副产物也比较多。 这些缺点都成为改进h i l b c r t j o h n s o n 合成法的动力。 o a c+ 叙湄一 o e t o a c 1 21 3 图1 13h i l b c r t j o h n s o n 合成法合成核苷 1 4 w i t t e n b e r g 等探讨了2 ，4 双( 三甲基硅氧基) 5 甲基嘧啶和卤代糖在不同 条件下的反应，发展出嘧啶和嘌呤核苷都适合的合成方法，该方法的最大优点 是1 3 异构体的含量高于a 异构体【4 0 4 l 】。此类反应在干燥的非极性溶剂或加入汞盐 并在常温下反应效果最佳【4 2 4 3 1 。 早期的抗癌药物5 氟嘧啶核苷用嘧啶的金属盐与卤代糖聚合得到，但现在 可以用更好的v o r b r i i g g c n 方法合成。如图1 1 4 所示，三甲基硅基保护的嘧啶衍 生物1 7 或1 8 直接同糖基化合物反应，得到容易脱保护的化合物，稍加处理就 能制得2 0 。 对f 詈忡；。命f w 舵，9 1 5x = o h 1 7x = o s i m o ， 1 6x 2 n h 2 1 8x = n h s i m 。e 3 图1 1 4 合成5 - 氟尿嘧啶核苷的v o r b r i i g g e n 方法 o h o h 2 0 通过硅化反应，还有一系列的含氟化合物抗病毒及抗癌药物也能够被合成 出来【“4 6 1 。 洲 t d 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 斗。审r + p 卧景 b z o 类似的反应也可被用于合成抗癌药物2 6 【4 7 4 8 1 。 o b zf 2 4 n h s i m e a 。 h 器 m e 3 s i o 飞 。 2 5 图1 1 6 一种抗癌药物的硅化合成法 1 3 3 熔融缩合法( h e i f e ri c h 反应) 剖2 3 r 莰 1 9 6 0 年，s o t o 等参考h e l f e r i c h 将苯酚和酰基保护的糖在酸催化，加热熔融 得到苯基糖苷的反应，成功地通过熔融缩合法得到腺苷衍生物【4 9 。5 2 】( 图1 1 7 ) 。 随后又通过以上反应条件合成了一系列的嘌呤类核苷。由于反应时需要将反应 物加热到熔融状态，对于熔点较低的嘌呤衍生物可以达到4 0 7 0 的产率，但 对于熔点较高的嘌呤衍生物，例如氨基或羟基嘌呤就不能得到很好的反应效果， 甚至不反应。 a c o 、o y n c h 龠o a c o a c o a 一暾n 易i n 、， 訾眦甾i k o - a 硷 真空负压 h 2 72 8 2 9 图1 1 7h e l f e r i c h 法合成腺苷衍生物 故 r 2 7 1 3 4 逐步合成法 3 0 图1 1 8 融合法合成腺苷衍生物 o a c o a c 3 1 前述的几种方法都可以看做缩合法合成核苷，即将碱基直接和糖的l 位碳 相连，但是这样得到的产物多是a 和p 异构体混合物，合成嘌呤时糖基也可与 碱基上不同的氮原子结合，必须通过不同的方法分离。为合成特定的立体异构 体或在碱基不同的氮原子上引入糖基，可以采用逐步合成法合成这些核苷。例 如合成抗癌药物阿糖胞苷( a r a c ) 3 6 ，最早的合成方法是胞苷转化为 2 ，2 - a n _ h y d r o a r a c ，再开环为a r a c ，即将2 位羟基转化为阿拉伯糖结构，产率 不高【5 4 - 5 8 1 。 梦。h h 2 n c n h - - - - - - - - - - - - - - - - - - h 2 0 n h 。邱 旧d hh _ 三三 c n 图1 1 9 逐步合成法合成a r a - c h 。 a c o 洲h h 2 0 l h o h 3 5 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 s h a n n a h o f f 采用逐步合成法，从d 阿拉伯糖3 2 为原料，通过2 - 位的羟基 和氮原子成环得到d 位的中间体3 4 ，再用这个中间体通过醋酸进行环化得到碱 基在d 位的单一产物3 5 ，开环就能得到a r a c 【5 9 1 。该法改进后可用于工业化合 成a r a c 6 0 】( 图1 1 9 ) 。 抗癌药物4 0 在临床上被用于治疗血癌，本化合物也可通过逐步合成法来进 行合成【6 1 ，6 2 1 ，如图1 2 0 所示，尽管可以通过化合物4 1 和4 2 缩合反应合成化合 物4 0 ，但产率不理想。 逐步合成法也可以被用于嘌呤核苷及其他杂环n 核苷的合成中，如抗癌药 物6 3 , 6 4 。其他几种抗肿瘤药物4 3 6 5 , 6 6 】、4 4 【7 7 1 、4 5 【6 8 】等均可通过逐步合成法来合 成。 a c o 妊c o a c o a c 3 7 a g n c o 悯斟c 。盘 o a c o a c 3 8 悯恰一二。万30a 恰e r + s 。囝 c o a c 。3 。 n h 2 n , , 2 - o c h 3 a c o 、o - 久n h un m 。a c 。a c 3 9 一 o a c o a c i1 ) c h ( o e t 2 ) 3 j 2 ) n h 3 m e o h 1 ) c h 3 c n a c o 2 ) n h 3 m e o h 4 14 2 图1 2 0 逐步合成法合成核苷类似物 o ho h 4 3 n h 2 o ho h n h 2 4 4 图1 2 1 采用逐步合成法合成的一些核苷 h n h 2 n 冬n 、l n 人。 钭 o a c o a c 4 0 o o ho h 4 5 第一章核苷类化合物的结构、合成与应用 第四节l 一核苷类