一种制备D-(+)-生物素中间体的方法 【技术领域】
本发明涉及一种化合物合成方法，具体地说，涉及一种生物素中间体：(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮的制备方法。属于机化学合成领域。
背景技术
(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮具有下列结构式：
该化合物是立体专一性方法合成生物素的关键中间体，在手性碳的诱导下顺式加氢，再脱苄水解可得到D-生物素。
以L-半胱氨酸或L-胱氨酸等本身具有旋光性的物质作为起始原料，进行生物素的立体定向合成是一种较稳定的合成方法，与传统的Hoffmann-La Roche生产技术相比，该方法有诸多优越之处。1)不需进行复杂的光学立体拆分，因而无须使用价昂、短缺的光学拆分剂如麻黄碱等，降低了生产成本。2)总的反应收率较高，提高了生产效率。L-半胱氨酸或L-胱氨酸最符合生物素结构的要求，它们包含有生物素双环骨架中的两个杂原子(N和S原子)，三个碳原子，还有一个与D-生物素构型相吻合的手性中心。
到目前为止，已有十多种以L-半胱氨酸或L-胱氨酸为起始物立体专一性地合成出D-生物素的方法，其中以2001年日本的TakahashiMasami的JP 2001-002679公开的方法最为简便，总共8步反应。由L-半胱氨酸盐酸盐出发，先经苯甲醛环合保护S和N原子，再与异氰酸钠作用形成咪唑环，在Zn/HOAc条件下开环生成N-单苄基-L-巯基海因，然后用己二酸单甲酯酰氯对硫醇酰化，再用苄基保护N原子得到(4aR)-3-单苄基-4-(1-己二酸单甲酯酰基硫甲基)-咪唑-2，5-二酮。利用Mcmurry偶联反应，以钛为还原剂使羰基偶联还原环合关环形成结构式I的(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮，最后在手性碳的诱导下顺式加氢，再脱苄水解得到D-生物素，合成流程如图1所示。
该方法虽然简便，但也存在许多问题，如某些原料(如异氰酸钠)难得，且中间体(4aR)-1，3-二苄基-4-(1-己二酸单甲酯酰基硫甲基)-咪唑-2，5-二酮的合成条件苛刻，反应需连续搅拌7d；巯基海因产率低，难于实现工业化生产；羰基还原偶联反应的稳定性和重现性差等等。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述不足提供一种成本低、收率高的(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮的制备方法。
本发明针对日本专利JP 2001-002679所述方法进行改进，选用价廉易得的原料，优化反应条件，调整反应次序，先对咪唑环部分的氮原子进行苄基保护，然后开环生成硫醇的反应次序，使之更加合理实用。本发明仍以L-半胱氨酸盐酸盐为起始原料，通过6步反应合成生物素中间体(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮。
为了实现本发明目的，本发明的一种结构式I的D-(+)-生物素中间体：(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮的制备方法，其包括如下步骤：
a)先将L-半胱氨酸盐酸盐经苯甲醛环合保护S和N原子，得到四氢-(4R)-羧基-(2s)-苯基噻唑(II)；
b)然后化合物II以氰酸钠为关环试剂，在冰醋酸为溶剂作用下水浴反应形成咪唑环，得到(7aR)-3-苯基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6，7aH)-5，7-二酮(III)；
c)在N，N-二甲基甲酰胺为溶剂下，化合物III与溴化苄和碳酸钾水浴回流反应对N原子苄基保护，冷冻结晶，生成(7aR)-3-苯基-6-苄基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6H，7aH)5，7-二酮(IV)；
d)再以锌为还原剂，化合物IV在冰醋酸中加热反应开环合成N，N-二苄基-L-巯基海因(V)；
e)以四氢呋喃为溶剂，在冰水浴条件下，化合物V经与己二酸单甲酯酰氯的酯化反应引入侧链，生成(4aR)-1，3-二苄基-4-(1-己二酸单甲酯酰基硫甲基)-咪唑-2，5-二酮(VI)；
f)在氩气保护下，锌铜粉为催化剂作用下，以钛为还原剂，化合物VI还原环合生成(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮(I)。
其中，步骤a)中以水和乙醇作为溶剂，L-半胱氨酸盐酸盐与三水醋酸钠和苯甲醛反应发生环合保护S和N原子，冰水浴冷却过滤得到四氢-(4R)-羧基-(2s)-苯基噻唑(II)。
反应温度为20～30℃，在搅拌下反应2～3h，优选为2h；冰水浴冷却时间为2～3h，优选为2h。
L-半胱氨酸盐酸盐、三水醋酸钠和苯甲醛之间摩尔比为1∶1～1.1∶1。
步骤b)中水浴反应温度为85～90℃，优选为90℃；回流时间为12～15h，优选为12h。化合物II与氰酸钠的摩尔比为1∶2.4～2.5。
步骤c)中水浴回流温度为50～60℃，优选50℃，水浴回流时间为3～5h，优选为3h。
化合物III、碳酸钾和溴化苄之间的摩尔比为1∶1～1.1∶1。
冷冻结晶时所用溶剂为甲醇或乙醇。
步骤d)中反应温度为90～95℃，优选90℃，时间为7～9h，优选为9h，通入氮气或氩气保护。化合物IV与锌粉的摩尔比为1∶20～30，优选为1∶30。
步骤e)中反应温度为0℃以下，时间为6～8h，优选为6h。化合物V与己二酸单甲酯酰氯之间的摩尔比为1∶1。
步骤f)中反应温度为70～80℃，优选为75℃，通入氮气或氩气保护。化合物VI与钛还原剂的摩尔比为1∶9～10，优选为1∶9。
所述钛还原剂为四氯化钛。反应溶剂为四氢呋喃。
催化剂铜锌粉中铜与锌的摩尔比为1∶1。
本发明各步骤中所得化合物的后处理方法均可采用本领域常用的方法进行。
本发明与现有技术(如专利JP2001-002679)相比，具有以下优点：
1)在步骤b)中使用氰酸钠代替异氰酸钠为关环试剂，异氰酸钠获得比较困难，且合成工艺一般要用到诸如氰化钠、光气等剧毒物质，危险性高。因此考虑到实际生产的需要，使用氰酸钠代替异氰酸钠，氰酸钠相对毒性较小，购买容易，且在冰醋酸中可生产异氰酸钠，代替后该步收率仍达到75％以上。
2)在步骤b)中现有技术加热回流时间达到17h，反应温度为80℃。通过提高反应温度至85～90℃，回流时间12～15h即可达到反应目的，反应液由白色浑浊液变为黄色透明溶液，收率不变。
3)现有方法在步骤b)以后，采用对结构式III的(7aR)-3-苯基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6，7aH)-5，7-二酮的噻唑环部分先开环生成硫醇，接着引入侧链，然后对咪唑部分的N原子进行苄基保护，最后在低价钛试剂的还原下，使羰基偶联关环形成结构式I的(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮。根据该方法条件进行反应，收率极低，且由(4aR)-3-单苄基-4-(1-己二酸单甲酯酰基硫甲基)-咪唑-2，5-二酮来合成(4aR)-1，3-二苄基-4-(1-己二酸单甲酯酰基硫甲基)-咪唑-2，5-二酮反应条件很苛刻，需要持续反应7d，无法适应工业化生产，本发明通过调整反应次序，采用先对结构式III的(7aR)-3-苯基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6，7aH)-5，7-二酮的咪唑环部分的N原子苄基保护，然后再开环生成硫醇最后引入侧链的步骤，克服了原方法的不足之处。
4)专利JP2001-002679在使用低价钛和锌粉做催化剂进行羰基偶联关环反应时，反应剧烈，试验稳定性与重现性较差，产物容易分解，本发明改用锌铜粉作为催化剂，取得较好效果，解决上述问题。
本发明以L-半胱氨酸盐酸盐为起始原料，以苯甲醛，氰酸钠为关环试剂环化合成(7aR)-3-苯基-6-苄基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6H，7aH)-5，7-二酮，然后利用溴苄对N原子苄基保护，继而以锌为还原剂开环合成N，N-二苄基-L-巯基海因，经与己二酸单甲酯酰氯的酯化反应引入侧链，以钛为还原剂还原环合生成(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮，成功地建立了生物素的立体化学骨架，总收率34.0～38.0％。
【附图说明】
图1为专利JP2001-002679的合成路线图；
图2为本发明所述结构式I的D-(+)-生物素中间体的合成路线图。
【具体实施方式】
下面结合实施例与图2所示的工艺路线，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1四氢-(4R)-羧基-(2s)-苯基噻唑
50g(0.32mol)L-半胱氨酸盐酸盐溶于500mL水中，添加42g(0.31mol)三水醋酸钠，搅拌0.5h。再添加w(C2H5OH)＝95％的乙醇250mL，苯甲醛35mL，在20℃下搅拌反应3h。冰浴冷却至5℃以下搅拌2h。反应完毕后，过滤，滤饼用乙醇清洗两次，得白色固体化合物II 70g(收率90％)。
1HNMR(DMS0)，δ：7.40(m，5H)，6.8(bm，1H)，5.8(s，1H)，4.4～4.0(dd，1H)，3.5～3.0(m，2H)。
元素分析C10H11NO2S(209.27)实测值(理论值)，％：w(C)＝56.87(57.40)，(H)＝5.28(5.30)，w(N)＝6.81(6.69)，w(S)＝15.89(15.32)。
实施例2(7aR)-3-苯基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6，7aH)-5，7-二酮
将实施例1中得到化合物II30g和22g氰酸钠溶于300mL冰醋酸中，水浴90℃下加热回流12小时，直至反应热变为黄色透明液体，旋转浓缩得到油状黄色液体，将其溶于1000mL水中，产生黄白色沉淀。过滤后滤饼使用500mL四氢呋喃，然后饱和食盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，旋转浓缩去除溶剂，加正己烷结晶得到黄色固体化合物III27g(收率80％)。
IR(KBr压片)，v/cm-1：1725，1394；1HNMR(CDCl3)，δ：3.20～3.37(m，2H)，4.58～4.63(t，J＝7.4Hz，1H)，7.26～7.46(m，5H)，8.67(br，1H)。
实施例3(7aR)-3-苯基-6-苄基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6H，7aH)5，7-二酮
将10.0g化合物III(0.043mol)溶于30mL N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌下加入6g碳酸钾和5.5mL溴化苄，水浴50℃下加热回流5h。反应完毕后，过滤除去不溶物，旋转浓缩得黏稠状液体，将其溶于45mL甲醇中，室温搅拌20min，0℃下结晶，过滤，得12g白色晶体化合物IV(收率85.7％)。
1HNMR(CDCl3)，δ：7.30～7.45(m，1OH)，6.41(s，1H)，4.67(s，2H)，4.52(t，1H)，3.30(dd，1H)，3.15(dd，1H)。
元素分析C18H16N2O2S(324.4)实测值(理论值)，％：w(C)＝66.41(66.58)，w(H)＝4.91(4.93)，w(N)＝8.71(8.63)，w(S)＝9.95(9.86)。
实施例4N，N-二苄基-L-巯基海因
化合物IV 10g(0.03mol)加入100mL冰醋酸中，水浴加热至90℃后，加人锌粉60g(0.92mol)，在氮气保护下回流9h，反应完毕后冷却至室温，过滤除去锌，旋转浓缩得黏稠状液体，将其溶于乙酸乙酯中，依次用c(HCl)＝1mol/L的盐酸水溶液、水、饱和食盐水清洗1次，无水硫酸镁干燥。旋转浓缩至干得无色油状液体V8.8g(收率90％)。
1HNMR(CDCl3)，δ：7.26～7.43(m，10H)，4.88(d，1H)，4.70(dd，2H)，4.23(d，1H)，4.10(dd，1H)，2.93(dd，1H)，2.79(dd，1H)，1.15(dd，1H)。
元素分析C18H18N2O2S(326.4)实测值(理论值)，％：w(C)＝66.06(66.18)，w(H)＝5.50(5.51)，w(N)＝87.70(87.58)，w(S)＝9.90(9.80)。
实施例5(4aR)-1，3-二苄基-4-(1-己二酸单甲酯酰基硫甲基)-咪唑-2，5-二酮
将化合物V 10g(0.031mol)和三乙胺4.9mL(0.031mol)溶于100mL四氢呋喃中，在0℃下将己二酸单甲酯酰氯5.8g(0.032mol)溶于5mL四氢呋喃中缓慢滴加到反应器中，搅拌6h。反应完毕，将混合物溶于乙酸乙酯中，依次用水、碳酸氢钠水溶液和饱和食盐水清洗1次，无水硫酸镁干燥，旋转浓缩至干得黄色油状液体，硅胶柱精制，冼脱剂为V(乙酸乙酯)∶V(正己烷)＝1∶3，得VI 12g(收率83％)。
IR(KBr压片)，v/cm-1：1771，1713。1445；1HNMR(CDCl3)，δ：1.25～1.70(m，4H)，2.04～2.48(m，4H)，3.30(dd，J＝14.4，3.1Hz。1H)，3.44(dd，J＝14.4，4.4Hz，1H)，3.67(S，3H)，3.97(dd，J＝4.4，3.1Hz，1H)，4.06(d，J＝15.2Hz，1H)，4.62(d，J＝15.2Hz，1H)，4.72(d，J＝14.5Hz，1H)，5.03(d，J＝15.2Hz，1H)，7.25～7.4(m，1OH)。Mass(ESI)，m/Z：491.4(MNa+ H，100)。
实施例6(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮
10g锌铜粉加入80mL四氢呋喃中。通入氩气，水浴75℃下加热回流0.5h，后滴加入4.8mL四氯化钛，回流5h。然后，降温至50℃，将5gVI溶于30mL四氢呋喃配制成的溶液缓慢滴加到反应器中。同温度下继续回流6h，反应完毕后冰浴降温至0℃，滴加10.8mL乙二胺，搅拌10min。滤除不溶物，滤液用四氢呋喃清洗，无水硫酸镁干燥。然后过滤，减压馏出溶剂，旋转浓缩至干得3.75g油状液体I(收率80.5％)。
1HNMR(CDCl3)，δ：0.93～1.23(m，4H)，2.05(t，4H)，2.74(dd，J＝17.0，13.9Hz，1H)，2.94(dd，J＝9.9，7.1Hz，1H)，3.57(s，3H)，4.34～4.59(m，3H)，4.73(d，J＝16.9Hz，1H)，4.80(d，J＝16.9Hz，2H)，7.20～7.40(m，1OH)。
实施例7四氢-(4R)-羧基-(2s)-苯基噻唑
50g(0.32mo1)L-半胱氨酸盐酸盐溶于500mL水中，添加47.6g(0.35mol)三水醋酸钠，搅拌3h。再添加w(C2H5OH)＝95％的乙醇250mL，苯甲醛35mL，在30℃下搅拌反应3h。冰浴冷却至0℃以下搅拌3h。反应完毕后，过滤，滤饼用乙醇清洗两次，得白色固体化合物II 69.7g(收率89.6％)。
1HNMR(DMS0)，δ：7.40(m，5H)，6.8(bm，1H)，5.8(s，1H)，4.4～4.0(dd，1H)，3.5～3.0(m，2H).
元素分析C10H11NO2S(209.27)实测值(理论值)，％：w(C)＝56.87(57.40)，(H)＝5.28(5.30)，w(N)＝6.81(6.69)，w(S)＝15.89(15.32)。
实施例8(7aR)-3-苯基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6，7aH)-5，7-二酮
将实施例7中得到化合物II 30g和22g氰酸钠溶于300mL冰醋酸中，水浴85℃下加热回流15小时，直至反应热变为黄色透明液体，旋转浓缩得到油状黄色液体，将其溶于1000mL水中，产生黄白色沉淀。过滤后滤饼使用500mL四氢呋喃，然后饱和食盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，旋转浓缩去除溶剂，加正己烷结晶得到黄色固体化合物III26.3g(收率78％)。
IR(KBr压片)，v/cm-1：1725，1394；1HNMR(CDCl3)，δ：3.20～3.37(m，2H)，4.58～4.63(t，J＝7.4Hz，1H)，7.26～7.46(m，5H)，8.67(br，1H)。
实施例9(7aR)-3-苯基-6-苄基-1H，3H-咪唑并[1，5-C]噻唑-(6H，7aH)5，7-二酮
将实施例8中得到10g化合物III(0.043mol)溶于30mL N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌下加入6.5g碳酸钾和5.5mL溴苄，水浴60℃下加热回流3h。反应完毕后，过滤除去不溶物，旋转浓缩得黏稠状液体，将其溶于45mL甲醇中，室温搅拌30min，0℃下结晶，过滤，得11.1g白色晶体化合物IV(收率79.2％)。
1HNMR(CDCl3)，δ：7.30～7.45(m，10H)，6.41(s，1H)，4.67(s，2H)，4.52(t，1H)，3.30(dd，1H)，3.15(dd，1H).
元素分析C18H16N2O2S(324.4)实测值(理论值)，％：w(C)＝66.41(66.58)，w(H)＝4.91(4.93)，w(N)＝8.71(8.63)，w(S)＝9.95(9.86)。
实施例10N，N-二苄基-L-巯基海因
将实施例9中得到化合物IV10g(0.03mol)加入100mL冰醋酸中，水浴加热至95℃后，加人锌粉60g(0.92mol)，在氮气保护下回流7h，反应完毕后冷却至室温，过滤除去锌，旋转浓缩得黏稠状液体，将其溶于乙酸乙酯中，依次用c(HCl)＝1mol/L地盐酸水溶液、水、饱和食盐水清洗1次，无水硫酸镁干燥。旋转浓缩至干得无色油状液体V8.38g(收率85.7％)。
1HNMR(CDCl3)，δ：7.26～7.43(m，10H)，4.88(d，1H)，4.70(dd，2H)，4.23(d，1H)，4.10(dd，1H)，2.93(dd，1H)，2.79(dd，1H)，1.15(dd，1H)。
元素分析C18H18N2O2S(326.4)实测值(理论值)，％：w(C)＝66.06(66.18)，w(H)＝5.50(5.51)，w(N)＝87.70(87.58)，w(S)＝9.90(9.80)。
实施例11(4aR)-1，3-二苄基-4-(1-己二酸单甲酯酰基硫甲基)-咪唑-2，5-二酮
将实施例10中得到化合物V 10g(0.31mol)和三乙胺5.1mL(0.34mol)溶于100mL四氢呋喃中，在0℃下将己二酸单甲酯酰氯5.8g(0.31mol)溶于5mL四氢呋喃中缓慢滴加到反应器中，搅拌8h。反应完毕，将混合物溶于乙酸乙酯中，依次用水、碳酸氢钠水溶液和饱和食盐水清洗1次，无水硫酸镁干燥，旋转浓缩至干得黄色油状液体，硅胶柱精制，冼脱剂为V(乙酸乙酯)∶V(正己烷)＝1∶3，得VI11.8g(收率82.8％)。
IR(KBr压片)，v/cm-1：1771，1713。1445；1HNMR(CDCl3)，δ：1.25～1.70(m，4H)，2.04～2.48(m，4H)，3.30(dd，J＝14.4，3.1Hz。1H)，3.44(dd，J＝14.4，4.4Hz，1H)，3.67(S，3H)，3.97(dd，J＝4.4，3.1Hz，1H)，4.06(d，J＝15.2Hz，1H)，4.62(d，J＝15.2Hz，1H)，4.72(d，J＝14.5Hz，1H)，5.03(d，J＝15.2Hz，1H)，7.25～7.4(m，1OH)。Mass(ESI)，m/Z：491.4(MNa+H，100)。
实施例12(6aR)-1，3-二苄基-4-(4-甲氧羰基丁基)-二氢-噻吩并[3，4-d]咪唑-2-酮
10g锌铜粉加入80mL四氢呋喃中。通入氩气，水浴80℃下加热回流1h，后滴加入4.8mL四氯化钛，回流4h。然后，降温至5℃，将实施例11中得到5gVI溶于30mL四氢呋喃配制成的溶液缓慢滴加到反应器中。同温度下继续回流6h，反应完毕后冰浴降温至0℃，滴加10.8mL乙二胺，搅拌10min。滤除不溶物，滤液用四氢呋喃清洗，无水硫酸镁干燥。然后过滤，减压馏出溶剂，旋转浓缩至干得3.71g油状液体I(收率79.4％)。
1HNMR(CDCl3)，δ：0.93～1.23(m，4H)，2.05(t，4H)，2.74(dd，J＝17.0，13.9Hz，1H)，2.94(dd，J＝9.9，7.1Hz，1H)，3.57(s，3H)，4.34～4.59(m，3H)，4.73(d，J＝16.9Hz，1H)，4.8O(d，J＝16.9Hz，2H)，7.20～7.40(m，1OH)。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。