离子液体中核苷类似物的化学合成

1、离子液体中核苷类似物的化学合成詹天荣1, 2贾思佳 1侯万国 1, 2*(1青岛科技大学化学与分子工程学院 生态化工教育部重点实验室 青岛 266042; 2山东大学化学与化工学院 胶体与界面化学教育部重点实验室济南 250100 *联系人 , E-mail :wghousdu. edu. cn山东省 “ 泰 山 学 者 ” 基 金 项 目 (ts20070713 、 山 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目 (ZR2009BM022 、 山 东 省 博 士 后 创 新 项 目 专 项 资 金 (200902027 、 国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室开放基金项目 (20101

2、3 和国家海洋局海洋生 态 环 境 科 学 与 工 程 重点实验室开放基金项目 (MESE-2010-08 资助 2010-11-16收稿 , 2011-01-10接受摘 要 核苷类似物因其显著的抗病毒 、 抗肿瘤活性 , 已作为化疗药物在临床上得到了广泛应 用 。 核 苷类似物的高效绿色合成是有机化学和药物化学领域的重要课题 。 本文对近年来离子液体介质中的核苷改造进行了综述 , 主要包括羟基和氨基的 保 护 、 糖 基 的 改 造 、 碱 基 的 改 造 、 糖 基 与 碱 基 的 耦 合 和 寡 核 苷 酸 的 合 成 。离子液体作为一类物理化学性能 “ 可设计 ” 的绿色软介质材料 ,

3、 应用在核苷的化学合成中 , 不仅增加了核苷化合物的溶解度 ,提高了核苷类似物的合成效率 , 而且避免了有机溶剂产生的毒害 。 关键词 离子液体 核苷化学合成 溶解度 核苷改造 寡核苷酸Chemical Synthesis of Nucleoside Analogues in Ionic LiquidsZhan Tianrong 1, 2, Jia Sijia 1, Hou Wanguo 1,2*(1Key Laboratory of Eco-chemical Engineering , Ministry of Education , College of Chemistry andMolec

4、ular Engineering , Qingdao University of Science and Technology , Qingdao 266042;2Key Laboratory of Colloid and Interface Chemistry , Ministry of Education , College of Chemistryand Chemical Engineering , Shandong University , Jinnan 250100Abstract Many nucleoside analogues are prominent clinical dr

5、ugs and have been widely applied for cancer andviral chemotherapy because of their excellent antiviral and antitumor activities. It is the important issues to developmore efficient and greener methods for preparation of nucleosides. The advances on nucleoside modification usingionic liquids (ILs ,in

6、cluding protection of hydroxyl and amino group , modification of sugar moiety , modification of base moiety , coupling between sugar and base , synthesis of oligonucleotide were summarized. ILs can greatly improvethe synthetic efficiency by increasing solubility of nucleoside owing to its unique and

7、 tunable physical and chemicalproperties and replace the use of the hazardous and deleterious organic solvents.Keywords Ionic liquids , Chemical synthesis for nucleoside , Solubility , Nucleoside modification , Oligonucleotide核苷 (nucleosides 不仅是核苷酸的重要前体化合物 , 而且涉及很多辅酶的结构 , 对生物的新陈代谢 至关重要 , 这使得天然核苷及其衍生

8、物在抗菌 、 抗病毒和抗肿瘤方面具有广泛的应用 1, 2。 目前 , 已有许多核苷类抗 病 毒 药 物 用 于 临 床 , 包 括 齐 多 夫 定 (Zidovudine ,AZT 、 2 , 3 -双 脱 氧 胞 苷 (2 , 3 -dideoxycytidine , ddC 、 司 他 夫 定 (Stavudine , d4T 、 溴 夫 定 (Brivudine , BVDU 、 三 氟 尿 苷 (Trifluridine ,TFT 、 碘苷 (Idoxuridine ,IDU 和 氟尿苷 (Floxuridine , FUdR 等 3 5。 而且随着 反 义 寡 核 苷 酸 (anti

9、sense oligonucleotide 和短干扰 RNA (siRNA 作为基因表达抑制剂的应用 , 近些年治疗性寡核苷酸的化学合成 也异常活跃 6, 7。 核苷化学已成为药物发现的一个重要研究领域 。 虽然对天然核苷糖基和 /或碱基的改造已有许多成功的例子 8, 但核苷的化学改造仍存在许多问题 。 由于核苷化合物在常规有机溶剂中·804·化学通报 2011年 第 74卷 第 5期 http :/www. hxtb. org的溶解度较小 , 使核苷合成中羟基和氨基的选择性保护变得比较困难 ; 而且 , 核苷化学合成中通常使用吡啶 、N , N -二甲基甲 酰 胺 (DM

10、F 、 N , N -二 甲 基 乙 酰 胺 (DMA 、 二 甲 基 亚 砜 (DMSO 、 N -甲 基 吡 咯 烷 酮 (NMP 等高极性有机溶剂 , 不仅对环境和人类的健康具有很大的毒害作用 , 而且非常难回收 。 正是由 于核苷化学存在的上述难题 , 促使有机化学家们不断寻找高效 、 绿色的核苷合成新方法 。离子液体 (ionic liquids , ILs 是指室温或低温下为液体的盐 , 因其具有低挥发性 、 高热稳定性 、 强导电性 、 可再生利用 , 以及对有机和无机化合物特殊的溶解性能等优点 , 已在许多有机反应中作为绿色溶 剂代替传统的挥发性有机溶剂使用 9, 10。 离子

11、液体的另一个特点是 “ 可设计性 ” 。 尤其值得一提的是 ,这些 “ 可设计 ” 的软介质材料可通过组合适当的阴阳离子部分 , 或在阴阳离子中引入适当的结构功能性 基团 ,可调整相应离子液体的物理化学性能 11, 12。 除了可调的物理化学性能 , 也可通过改变离子液体 的阴阳离子部分 , 来调控它们与不同有机溶剂的不互溶性 , 从而实现目标产物与可循环使用催化剂两相 之间的分离 13 15。 对复杂分子如核苷和氨基酸等化合物溶解性能的提高 , 将会使这些生物活性化合物在温和的条件下就能实现有效的结构改造 16 18。 另 外 , 离子液体在许多有机合成中还可以作为催 化剂 、 催化发生器来

12、提高反应的效率 , 而且对有机化学反应的选择性也具有非常重要的影响19, 20, 从而引 起了有机化学家们极大的兴趣 。 本文主要对近年来离子液体介质中核苷化学合成方面取得的进展进行了综述 。 1离子液体对核苷溶解性能的提高自从 1959年第一个有效的核苷抗病毒药物碘苷 (IDU 问世以来 , 核苷类药物在病毒性疾病的治疗中一直占有统治地位 。 但是 一 些 疗 效 优 良 的 核 苷 药 物 ,如 用 于 治 疗 单 纯 疱 疹 病 毒 (HSV 的 阿 昔 洛 韦 (ACV 和其它类似的无环核苷在水中的溶解度却非常小 , 通常要使用有机溶剂溶解 。 鉴于离子液体特殊的物理化学性能 , Ku

13、mar 等 17分别研究了胸苷 (Thymidine 在离子液体 1-甲氧基乙基 -3-甲基咪唑四 氟硼酸盐 (MOEMIM ·BF 4 、1-甲氧基乙基 -3-甲基咪唑三氟乙酸盐 (MOEMIM ·TFA 、 1-甲氧基乙基 -3-甲 基咪唑六氟磷酸盐 (MOEMIM ·PF 6 、1-甲氧基乙基 -3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐 (MOEMIM ·Tf 2N 、 1-甲氧基乙基 -3-甲基咪唑甲烷磺酸盐 (MOEMIM ·OMs 的溶解性 。 结果表明 , 疏水性离子液体 MOEMIM ·PF 6和 MOEMIM ·Tf

14、 2N , 以 及 亲 水 性 离 子 液 体 MOEMIM ·BF 4对 胸 苷 溶 解 度 很 小 , 而 MOEMIM ·TFA 和 MOEMIM ·OMs 则表现出了良好的溶解性 。 以上结果表明 , 阳离子的改变对胸苷的溶解影响非常小 , 而在阳离子相同的条件下 , 阴离子的改变可大大改变其溶解性能 。 研究还发现 , 胸苷在离子液体 1-丁基 -3-甲基咪唑三氟乙酸盐 (BMIM ·TFA 和乙基吡啶三氟乙酸盐 (EtPy ·TFA 中同样具有 较 大 的 溶 解 度 (图1 , 而这 2种离子液体的阴离子同为三氟乙酸根 , 这进一

15、步证明阴离子的种类对离子液体的物理化学 性能具有重要的影响 21。 研究还发现 , 对胸苷溶解性高的 MOEMIM ·OMs 、MOEMIM ·TFA 、 BMIM ·TFA 和 EtPy ·TFA , 同样对腺苷 (Adenosine 、 胞苷 (Cytidine 和鸟苷 (Guanosine 3种核苷表现出良好的溶解性能 。 其中 MOEMIM ·OMs 和 MOEMIM ·TFA 对 3种核苷的溶解性最好 ,且上述所有离子液体对 3种核 苷的溶解性明显高于传统的有机溶剂 DMF 和吡啶 (图 2 ,这是由于甲磺酸盐和三氟乙酸盐离

16、子液体中 含氧阴离子与核苷形成了氢键 , 提高了它们对核苷的溶解性能 15。2离子液体中核苷羟基的保护核苷的改造通常涉及分子中的羟基和氨基 , 而核苷化学存在的重要问题之一就是这些功能化基团 的 (选择性 保护及脱保护 。 酰化是羟基和氨基保护常用的手段 , 但传统的方法往往用时 过 长 , 操作繁 杂 , 产率低下 , 而且选择性不高 。 Uzagare 等 18以 1-甲基咪唑为碱 , 4-二氨基吡啶 (DMAP 为催化剂 , 在离子液体介质条件下 , 研究了 2-脱氧核苷 (2 -脱氧腺苷 、 2 -脱氧胞苷 、 2 -脱氧鸟苷 中羟基和氨基的 全酰化 , 发 现 在 摩 尔 比 为 6

17、 6 0. 2的 乙 酸 酐 、1-甲 基 咪 唑 和 DMAP 存 在 下 , 3种 核 苷 在 离 子 液 体 MOEMIM ·OMs 介质中的全乙酰化反应只需不到 1. 5h 的时间 , 产率就能达到 87%以上 (式 1 ; 而 2-脱 氧腺苷和 2 -脱氧胞苷的苯酰化 , 以及 2 -脱氧鸟苷的异丁酰化反应 , 在没有催化剂 DMAP 存在下在 2h内就能完成 , 且产率均在 85%以上 , 产物只需经乙酸 乙 酯 萃 取 、 去 溶 剂 和 干 燥 等 简 单 处 理 就 能 得 到 纯·904·http :/www. hxtb. org 化学通报 2

18、011年 第 74卷 第 5期化 。 对上述全苯酰化的 2 -脱氧腺苷和 2 -脱氧胞苷 , 以及全异丁酰化的 2-脱氧鸟苷进行可控性的水 解 ,就可得到相应 N -酰化的 2 -脱氧核苷 , 从而实现了氨基的选择性保护 。 图 1胸苷在不同离子液体中的溶解性 Fig. 1Solubility analysis of thymidinein different ionicliquids图 2腺苷 (A 、 胞苷 (C 和鸟苷 (G 在离子 液体和有机溶剂中的溶解性比较 Fig. 2Solubility comparison of adenosine , cytidineand guanosin

19、e in ILs and organicsolvents http： / / www. hxtb. org 化学通报 2011 年 第 74 卷 第 5 期 · 413· （7） （8） （9） 5 离子液体中核苷糖基与碱基的偶合 糖基与碱基的偶合是核苷合成的关键， 但通常采用的偶合方法普 遍 存 在 反 应 时 间 长、 择 性 差、 选 产 ， 41 42 率低、 使用昂 贵 催 化 剂 等 缺 陷， 且 使 用 有 毒 的 有 机 溶 剂， 显 与 绿 色 化 学 的 要 求 不 符 而 明 等 43 。 Zare 以 Cs 2 CO 3 为碱性催化剂， 在离子液 体

20、 为 介 质 中， 核 苷 碱 基 （ 嘧 啶 和 嘌 呤 ） 与 ， 使 -不 饱 和 的 羧 酸 酯在微波辐射作用下， 在不到 15min 的时间合成了相应的无环核苷化合物 （ 式 9 ） ， 产率均在 69% 以上， · 414· 化学通报 2011 年 第 74 卷 第 5 期 http： / / www. hxtb. org DMSO） 中 进 行， 其中在离子液体 BMIM·Br 溶剂中， 产率高达 93% ， 同 样 的 反 应 在 有 机 溶 剂 （ DMF、 但 反 而且产率最高也只有 62% ， 而在二甲苯中则只有 21% 的收率。 应时间会增

21、长， Paoli 等44在合成碳环胸苷时采用 环 戊 醇 环 氧 化 合 物 的 樟 脑 磺 酸 （ CSA） 酯 与 核 苷 碱 基 偶 合， 这 在 步反应中以 Cs 2 CO 3 为催化剂， 离子液体 BMIM·BF 4 为反应介质， 100W 的微波辐射 4min， 以 即得目标产 产率在 58 70% 之间， 较有机溶剂 DMF 作溶剂的传统合成方法， 大大缩短了反应时间， 产率 物（ 式 10） ， 也提高了 5 6 倍。 （10） 6 离子液体中寡核苷酸的合成 近年来， 科学界对人工合成寡核苷酸的需求越来越多， 它们不仅能满足基因组学的研究， DNA 和 为 46 45

22、， RNA 的人工合成创造条件， 。 因 此， 核 苷 酸 的 有 效 而且已在疾病的 诊 断 与 治 疗 方 面 得 到 了 应 用 寡 规模合成已成为核苷化学家们的重要研究内容之一。 虽然固相合成法在寡核苷酸的合成中取得了较大的成功， 但其不 溶 性 的 聚 合 物 固 载 相 给 多 相 反 应 而且这些固载相材料价格较高， 合成用于 治 疗 疾 病 的 寡 核 苷 酸， 料 成 本 原 条件的控制造成了很大困难， 47 。而在可 溶 性 聚 合 物 （ 如 聚 乙 二 醇 等 ） 担 载 条 件 下 合 成 此 类 化 合 物， 中 30 40% 用于固载相材料 存 在担载容量低、 反

23、应物溶解度差、 产物纯 化 复 杂 等 缺 陷 48 。 Donga 等49采 用 离 子 液 体 担 载 底 物 的 方 法 -脱氧胞苷偶合 （ 式 11 ） ， 合成寡核苷酸， 将羟基功能化离子液体 HEMIM·BF 4 与 5 位丁二酰化的 2 得到 可合成二核苷磷酸酯中间体， 再经氧 离子液体担载的核苷化合物与 1. 5 倍摩尔量不同的亚磷酰胺反应， 化和脱保护基处理中间体， 就得到了二核苷酸， 按照类似的方法可以得到三核苷酸和四核苷酸等。其中 在合成离子液体担载核苷的步骤中， 物 只 需 在 乙 酸 乙 酯 沉 淀 后， 氯 仿 和 水 的 两 相 萃 取 就 能 得 到

24、纯 产 经 化。这种方法可提供高纯度的每步产物， 是大规模生产寡核苷酸的有效方法之一。 （11） 7 结语 近年的研究表明， 离子液体是核苷化学中的有效溶剂， 它对核苷化合物的良好溶解性能使得反应在 温和的条件下就可完成， 而且消耗溶剂更少、 反应时间更短、 合成效率更高。具体来说， 离子液体在核苷 核苷糖基部分和碱基部分的改造、 核苷糖基与碱基的偶合和寡核苷酸的合成 羟基和氨基的选择性保护、 http： / / www. hxtb. org 化学通报 2011 年 第 74 卷 第 5 期 · 415· 方面表现出明显的优势， 与传统的合成方法相比， 大大缩短了时间， 化

25、 了 操 作， 高 了 产 率， 合 成 核 简 提 是 使部分在常规条件下不能发生的反应得以顺利进行， 但 苷化合物较为理想的方法。借助离子液体介质， 对部分核苷化合物的合成反应效果不明显， 其原因有待进一步研究。 离子液体特殊的性能， 使得它在核苷化合物的合成中展现出 了 光 明 的 前 景。 通 过 离 子 液 体 与 其 它 现代合成技术（ 如微波、 超声、 固相反应等） 交叉与综合， 可以拓展核苷合成的新方法。随着离子液体结 构与性能之间关系的进一步研究， 结合不断发展的现代合成新技术， 离子液体将会在核苷化学领域得到 更加广泛的应用。 参 1 D M Huryn， Okab. Ch

26、em. Rev. ， M 1992， ：1745 1768. 92 2 L A Agrofoglio. Curr. Org. Chem. ， 2006 ， 10：333 362. 3 E De Clercq. Antiviral Res. ， 2005 ， ：56 75. 67 4 E De Clercq. Curr. Opin. Microbiol. ， 2005 ， ：552 560. 8 5 C Mathe， Gosselin. Antiviral Res. ， G 2006， 71：276 281. 6 A Uhlmann， Pyeman. Chem. Rev. ， A 1990 ，

27、：543 584. 90 7 R W Wagner. Nature， 1994 ， ：333 335. 372 8 M Ferrero， Gotor. Chem. Rev. ， V 2000 ， ：4319 4347 . 100 9 N Jain， Kumar， Chauhan et al. Tetrahedron， A S 2005， ：1015 1060 . 61 10 H Zhao， V Malhotra. Aldrichim. Acta， S 2002 ， ：75 83 . 35 11 B C Ranu， Banerjee. Org. Lett. ， S 2005 ， ：3049 30

28、52 . 7 12 S G Lee. Chem. Commun. ， 2006 ：1049 1063 . 13 J Dupont， F de Souza， A Suarez. Chem. Rev. ， R P 2000， 102：3667 3692 . 14 C E Song. Chem. Commun. ， 2001 ：1033 1043. 15 S V Malhotra， Kumar， Parmar. Curr. Org. Synth. ， V V 2007， ：370 380 . 4 16 H Zhao， V Mathotra. Biotechnol. Lett. ， S 2002， ：

29、1257 1260 . 24 17 V Kumar， S Parmar， V Malhotra. Tetrahedron Lett. ， V S 2007 ， 48：809 812. 18 M C Uzagare， S Sanghvi， M Salunkhe. Green Chem. ， Y M 2003 ， 5：370 372. 19 M J Earle， P Katdare， R Seddon. Org. Lett. ， S K 2004， ：707 710 . 6 20 J Pavlinac， Zupan， K Laali et al. Tetrahedron， M K 2009 ， ：

30、5625 5662. 65 21 S V Dzyuba， A Bartsch. Tetrahedron Lett. ， R 2002 ， 43：4657 4659. 22 A K Prasad， Kumar， Malhotra et al. Bioorg. Med. Chem. ， V S 2005 ， 13：4467 4472. 23 B H Lipahutz， L Stevens， F Lowe. Tetrahedron Lett. ， K R 1995， ：2711 2712 . 36 24 B C Chen， L Quinlan， G Reid et al. Tetrahedron L

31、ett. ， S J 1998 ， 39：729 732. 25 R Paramashivappa， Kumar， V S Rao et al. Tetrahedron Lett. ， P P 2003 ， 44：1003 1005. 26 V Kumar， V Malhotra. Bioorg. Med. Chem. Lett. ， S 2008， ：5640 5642 . 18 27 B V Joshi， T Sudhakar， B Rees. J. Chem. Soc. Perkins Trans. I， R C 1992： 2537 2544 . 28 M Johar， Manning

32、， Y Kunimoto et al. Bioorg. Med. Chem. ， T D 2005 ， 13：6663 6671. 29 K Kamaike， Takahashi， Utsugi et al. Nucleos. Nucleot. Nucl. ，1996， ：749 769 . M K 15 30 A Matsuda， Itoh， Takenuki et al. Chem. Pharm. Bull. ， H K 1988 ， 36：945 953. 31 Y Tanabe， Matsuo， Ohno. J. Org. Chem. ， N N 1988 ， ：4582 4585 .

33、 53 32 X Fan， Zhang， Zhou et al. Antiviral Res. ， X L 2006 ， 71：201 205. 33 E De Clercq. Clin. Microbiol. Rev. ， 2001 ， 14：382 397. 34 X Zhang， Li， Fan. Mol. Divers. ， X X 2009 ， 13：57 61. 35 V Kumar， V Malhotra. Nucleos. Nucleot. Nucl. ， S 2009 ， ：821 834 . 28 36 V Kumar， Yapp， Muroyama et al. Synthesis， J A 2009 ： 3957 3962 . 37 X S Fan， Y Qu， Y Zhang et al. Chin. Chem. Lett. ， Y