背景技术
可可碱，又名3，7-二氢-3，7-二甲基-1H-嘌呤-2，6-二酮，用如下结构式表示：
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可可碱是可可豆中主要的生物碱，可可豆含有1.5-3％的可可碱，因此在巧克力中可找到它。在可乐果和茶叶中也可找到这种碱。可可碱属于黄嘌呤类化合物，黄嘌呤类化合物还包括咖啡因和茶碱。尽管该化合物的名称是“可可碱”(theobromine)但它不含有溴，因为该名称实际上是由可可(Theobroma)，即可可树的属名衍生而来。
可可碱是一种分子式为C7H8N4O2的结晶体。它微溶于水(0.5g/l)，部分溶于沸水(1g/150ml)，几乎不溶于乙醚和氯仿。然而，可可碱溶于浓酸并中度溶于氨水。
作为一种甲基化的黄嘌呤，可可碱是一种有效的环磷腺苷磷酸二酯酶抑制剂(cAMP)，抑制磷酸二酯酶这种酶由活性的cAMP转化为非活性形式。cAMP是各种代谢系统中的第二信使。可可碱可用作制备己酮可可碱的初始原料，己酮可可碱是一种甲基黄嘌呤的衍生物。己酮可可碱改善血液流动并常用于治疗间歇性跛行和血管性痴呆病。
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己酮可可碱
根据捷克专利279270，可可碱由1-甲基-5-甲酰基甲基氨基-6-氨基尿嘧啶制备，如下面方案1中描绘的：
方案1
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1-甲基-5-甲酰基甲基氨基-6-氨基尿嘧啶 可可碱
本反应包括回流含KOH的乙醇溶液中的化合物1-甲基-5-甲酰基甲基氨基-6-氨基尿嘧啶，分离出可可碱钾盐，将其溶于水并酸化至pH为6，用醋酸中和得到产物。然而上述方法不具实用性，因为初始原料1-甲基-5-甲酰基甲基氨基-6-氨基尿嘧啶不是工业原料。
欧洲专利0319854公开了一种由3-甲基黄嘌呤起始，通过其与碳酸二甲酯在100bar的压力下、1N盐酸中、在170℃反应2.5小时制备可可碱的方法。欧洲专利0319854还公开了一种由黄嘌呤起始，通过其与碳酸二甲酯在160bar的压力下、1N盐酸中、在200℃反应2.5小时制备可可碱的方法。
该方法描绘在以下方案2中：
方案2
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3-甲基黄嘌呤 可可碱
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黄嘌呤 可可碱
捷克专利281006公开了一种由3-甲基-2，6-二氧-1，2，3，6-四氢-1H-嘌呤(3-甲基黄嘌呤)起始，通过起始原料与碳酸二甲酯在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中在三乙基苄基氯化铵(TEBAC)存在下反应制备可可碱的方法。该方法描绘在以下方案3中：
方案3
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3-甲基黄嘌呤 可可碱
其它由3-甲基黄嘌呤起始制备可可碱的方法见描述于，如在罗马尼亚专利RO 101894中，采用苯磺酸甲酯(PhSO3Me)在NaOH存在下甲基化3-甲基黄嘌呤；如在捷克专利267100中，采用氯代甲烷(MeCl)在甲醇中和NaOH存在下甲基化3-甲基黄嘌呤；如在韩国专利申请KR 2008076146中，3-甲基黄嘌呤悬浮于环丁砜，并在碱的存在下被甲基化。然而，因为氯代甲烷是极其易燃和有毒的，使用诸如氯代甲烷这样的试剂是不利的。例如环丁砜，具有非常高的284℃的沸点，因此从最终产物中清除残留的痕量的该溶剂是困难的。
Niegel等人在专利DD 222026(东德)中描述了通过3-甲基黄嘌呤和硫酸二甲酯在例如水和甲醇的混合物中，碳酸钾存在下反应合成可可碱(实施例1)，以获得73％收率的可可碱，但是该专利关于所得可可碱的纯度并无记载。在检索制备可可碱改进的方法时，本发明的发明人重现了专利DD 222026实施例1，而所得可可碱具有非常低的纯度(采用高效液相色谱HPLC分析)，如在比较例1中所描述的那样。
很显然，本领域技术人员通过上文中描述的各方法来实现获得高纯可可碱可能不是容易的任务，而且这样所得的精制可可碱收率易偏低。因此，需要一种使用易于获得的起始原料和溶剂生产可可碱的改进方法。此外，该方法应该能够高纯度和收率地分离出产品，而且其中的杂质含量是极少的。
具体实施方式
本发明提供了一种通过在溶剂中，可以是有机溶剂或者有机溶剂和水的混合物，碱存在下，甲基化3-甲基黄嘌呤或它的盐(如它的二钠盐)制备可可碱的新方法。
很显然，本领域技术人员要实现获得高纯可可碱可能不是容易的任务，而且这样所得的精制可可碱收率易偏低。因此，需要一种以高纯度和高收率生产可可碱的改进方法，其中杂质的含量极少。进而，在一个实施例中，本发明提供了一种高收率制备可可碱的方法，包括：
(a)加热3-甲基黄嘌呤粗品或其盐，溶剂和碱的混合物；
(b)加入甲基化试剂并加热；并且
(c)酸化所述反应混合物以生产可可碱。术语“甲基化”，如在此定义的，指的是甲基化反应，即使用甲基化试剂给分子加上一个甲基基团。
本文所用术语“3-甲基黄嘌呤粗品”指的是具有按重量计达98.9％纯度的3-甲基黄嘌呤，优选按重量计达约98.5％的3-甲基黄嘌呤。
本文所用术语“高纯可可碱”或“精制可可碱”指的是具有按重量计至少99.0％纯度的可可碱，优选按重量计至少99.5％或至少99.8％的可可碱。
根据本发明，在酸化反应混合物后进一步冷却以获得固体，该固体通过过滤和干燥得到。
优选地，通过在此所提供的方法，没有进一步精制，能获得具有按重量计至少99％，或者按重量计至少99.5％的纯度的可可碱。
根据本发明的一些实施例，甲基化试剂选自重氮甲烷，碳酸二甲酯，二甲氧基丙烷，硫酸二甲酯，二甲锌，碘甲烷，氟磺酸甲酯和三氟甲磺酸甲酯。优选地，甲基化试剂为硫酸二甲酯。
根据一些其他实施例，3-甲基黄嘌呤粗品、溶剂和碱的混合物可被加热到至少约55℃的温度。温度可为至少60℃左右，至少65℃左右，至少70℃左右，至少75℃左右，至少80℃左右，至少85℃左右，或者至少90℃左右。溶液被加热到的温度取决于制备该溶液所用的溶剂和该溶剂的物理性质(如沸点)，温度的确定在相关技术领域人员能力范围内。
根据一些实施例，反应中所用的溶剂可以是选自甲醇，乙醇，n-丙醇，异丙醇，n-丁醇，叔丁醇，1-甲氧基-2-丙醇，甲苯，丙酮，甲乙酮，甲基异丁基甲酮及其类似物中的有机溶剂，以及它们的混合物。例如，有机溶剂可以是丙酮或该有机溶剂和水的混合物，例如丙酮和水的混合物。
根据本发明的一个较佳实施例，如分别在例2和例3中展示的一样，优选在溶剂丙酮和水混合物中使用3-甲基黄嘌呤或在不加水的丙酮中使用3-甲基黄嘌呤二钠盐进行反应。
根据本发明，如表1所示，溶剂与碱的不同组合不会在收率和分离出的可可碱纯度方面产生同样好的结果。多数这些溶剂与碱的组合对于获得具有必需纯度的可可碱是不适用的。
根据一些其他实施例，碱选自氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化锂，氢氧化铯，碳酸钾，碳酸钠，碳酸锂，碳酸铯，碳酸氢钾，碳酸氢钠，碳酸氢锂，碳酸氢铯，和它们的组合。优选地，碱为碳酸钠或碳酸氢钠。
在本发明的一个较佳实施例中，生产可可碱的方法可以通过在碳酸钠存在下，丙酮作溶剂，3-甲基黄嘌呤二钠盐与硫酸二甲酯反应，再酸化得到产品来实现。
根据另一个实施例，进行3-甲基黄嘌呤二钠盐和硫酸二甲酯反应的温度是55-60℃；滴加硫酸二甲酯3至5小时，反应时间为0.5至1.5小时。
根据另一个实施例，3-甲基黄嘌呤二钠盐∶碳酸钠∶硫酸二甲酯的比例按重量计为1∶0.3-0.5∶0.95，3-甲基黄嘌呤二钠盐∶溶剂的比例为1g∶4-6ml。
根据另一个实施例，在反应完成后，降低温度；反应物被酸化至pH为4-6，再过滤，洗涤并干燥以获得可可碱。
根据另一个较佳实施例，生产可可碱的方法可以通过在碳酸氢钠存在下，丙酮和水的混合物作溶剂，3-甲基黄嘌呤与硫酸二甲酯反应，再酸化获得产品来实现。
优选地，3-甲基黄嘌呤粗品与溶剂的比例，即3-甲基黄嘌呤：溶剂比例，为每至少2毫升(ml)溶剂约1克(g)3-甲基黄嘌呤，优选每约5到约10ml溶剂约1g 3-甲基黄嘌呤。
如果溶剂是有机溶剂和水的混合物，例如丙酮和水的混合物，丙酮∶水的比例为约2-12ml丙酮每至少1毫升(ml)水；优选为约6ml丙酮每至少1ml水。
根据本发明，可可碱可以通过包括如下步骤的方法精制：
(a)将可可碱与水混合，加入碱并加热该混合物；
(b)加入活性炭，搅拌并过滤除去活性炭；
(c)加热并酸化所述混合物；并且
(d)冷却，过滤所得固体，洗涤并干燥。
优选地，精制可可碱的方法进一步包括在酸化混合物和过滤之前加入还原剂。
根据本发明的一些实施例，碱选自氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化锂，氢氧化铯，碳酸钾，碳酸钠，碳酸锂，碳酸铯，碳酸氢钾，碳酸氢钠，碳酸氢锂，碳酸氢铯，和它们的组合。优选地，碱为氢氧化钠。
根据一个较佳实施例，通过加入30％氢氧化钠水溶液溶解可可碱溶液，脱色，并过滤；将还原剂加到滤液中；然后将滤液在60-80℃下酸化至pH＝5-6，过滤并干燥以得到可可碱成品。
根据本发明，30％氢氧化钠加入可可碱粗品中使其溶解成钠盐，因部分可可碱被氧化而形成深褐色，这导致颜色变深。优选地，视情况添加少量还原剂。在一定温度下，当酸化进行时，部分被氧化的可可碱还原成可可碱，这使得颜色变得较浅。
根据另一实施例，还原剂为亚硫酸钠，亚硫酸氢钠，焦亚硫酸钠，硫化钠，硫代硫酸钠或者硫化氢。
根据另一实施例，可可碱粗品对还原剂的重量比为1∶0.01至0.03。
根据另一实施例，可可碱∶30％氢氧化钠水溶液∶还原剂的比例按重量计为1∶0.75∶0.01-0.03。
根据本发明的其他实施例，酸选自盐酸，高氯酸，高碘酸，磷酸，亚硫酸，硫酸氢钠和硫酸，优选盐酸。
为了使沉淀更容易，可以将含有可可碱的混合物冷却。优选地，将混合物冷却至约-10℃至约25℃。溶液可以冷却足够时间以实现可可碱最大量的沉淀。
比较例1
本实例根据专利DD 222026实例1展示可可碱的制备。
在装有机械搅拌器的500ml四颈反应容器中，8.3g 3-甲基黄嘌呤(0.05mol)，50ml水和21g碳酸钾在85-90℃下混合，以得到溶液。将该溶液冷却到70℃，并加入50ml甲醇，形成凝胶，是不容易搅拌的，接下来逐滴加入9.45g硫酸二甲酯半小时，在此期间温度升至80℃。继续在70-80℃反应一个小时。取出样品，过滤，稀释并注入HPLC。在反应结束时可可碱的纯度为26.8％。
实例2
本实例展示了在碳酸氢钠存在下在丙酮和水的混合物中可可碱的制备。
将16.6g 3-甲基黄嘌呤(0.1mol)和100ml丙酮在装有机械搅拌器的500ml四颈反应容器中混合，并加入20ml水。在搅拌下将36g碳酸氢钠加入并加热至温度为55-60℃。20g硫酸二甲酯在3.5小时内逐滴加入并在55-60℃下保持搅拌半小时。然后，蒸除并回收丙酮。加入50ml水并将该反应容器加热至80℃。然后，将32％盐酸缓慢加入混合物中，测量pH值在5-6的范围内。将混合物冷却至25℃，从而通过沉淀得到形成的固体，用水洗涤并在70℃干燥；以87％收率得到15.7g可可碱，采用高效液相色谱检测具有99.9％的纯度。
实例3
本实例展示了在丙酮中碳酸钠存在下可可碱的制备。
在一个装有搅拌器的500ml四颈反应容器中，在持续搅拌下加入3-甲基黄嘌呤二钠盐(63g)，丙酮(304ml)和碳酸钠(19.1g)。将混合物缓慢加热至约55℃。在4小时内逐滴加入硫酸二甲酯(60g)。然后，在55℃下保持反应半小时。在常压下蒸除丙酮，将水(50ml)加入。使用32％盐酸在30℃将产物溶液中和至pH值为5左右。然后，将溶液过滤，用40℃温水(15ml)洗涤，减压下过滤以除去水，并在70℃干燥，以86.7％收率获得可可碱粗品。
实例4
本实例展示了在碳酸钠存在下在丙酮中可可碱的制备。
在一个装有搅拌器的500ml四颈反应容器中，在搅拌下加入3-甲基黄嘌呤二钠盐(63g)，丙酮(304ml)和碳酸钠(19.1g)。将混合物加热至55℃并在3.5小时内逐滴加入硫酸二甲酯(60g)。然后，在55℃再保持反应半小时。常压蒸除丙酮。加入水(50ml)。使用32％工业盐酸在30℃将所得产物溶液中和至pH值为6左右。然后，将溶液过滤，用40℃温水(10ml)洗涤，减压下过滤以去除水，并在70℃干燥，以84.3％收率获得可可碱。
实例5
本实例展示了在碳酸钠存在下在丙酮中制备可可碱。
在一个装有搅拌器的1000ml四颈反应容器中，在搅拌下加入3-甲基黄嘌呤二钠盐(126g)，丙酮(610ml)和碳酸钠(38.5g)。将混合物缓慢加热至55℃并在3.5小时内逐滴加入硫酸二甲酯(120g)。然后，在57℃再保持反应半小时。常压下蒸除丙酮。加入水(100ml)，使用32％盐酸在30℃将所得产物溶液中和至pH值为6左右。然后，将溶液过滤，用40℃温水(20ml)洗涤，减压下过滤以去除水，并在70℃干燥，以84.9％收率获得可可碱。
实例6-23
这些实例详述了使用不同的溶剂和碱的组合来制备可可碱。
3-甲基黄嘌呤与表1中详述的溶剂和碱一起放置于装有机械搅拌器的500ml四颈反应容器中。在回流条件下搅拌混合溶液，同时温度逐渐升至表1中详述的温度，接下来逐滴加入硫酸二甲酯。然后，继续反应并基本上如实施例2中描述的逐步进行。结果总结于表1中。
表1
实例
溶剂
碱
反应温
度℃
％纯度
(HPLC)
备注
|
6
水/甲醇
氢氧化钾/碳酸钾
75-80
69.5
收率仅为
48％
|
7
甲醇
碳酸钾/四甲基氢氧
化铵(TMAOH)
65-70
---
产出92.5％
的咖啡因
|
8
水/甲醇
碳酸钾
85-90
26.8
9
甲醇
氢氧化钾
回流
26.9
滴入碱
10
水/甲苯
碳酸氢钠/氢氧化钠
80
92.9
11
异丙醇
碳酸氢钠
80-82
29.7
反应不完全
12
异丙醇
碳酸氢钠/氢氧化钠
40-45
41.5
13
水
碳酸氢钠/氢氧化钠
90-95
38.3
14
异丙醇
47％氢氧化钠
回流
76.5
15
异丙醇
固体氢氧化钠
82
----
无反应
16
叔丁醇
碳酸氢钠/氢氧化钠
82
59.5
17
异丙醇/水
碳酸氢钠/氢氧化钠
80-85
32
18
异丙醇
碳酸钾
78
1.7
19
异丙醇
碳酸氢钠/氢氧化钠
75-82
60
20
水
碳酸氢钠/氢氧化钠
80-85
43.6
21
甲苯
碳酸氢钠/氢氧化钠
100-105
34.2
22
甲苯
碳酸钾
100
4.5
23
水/甲苯
碳酸氢钠/氢氧化钠
95
31.7
TMAOH＝四甲基氢氧化铵五水合物
实例24
本实例详述了使用活性炭来精制可可碱。
将50g的可可碱和500ml水混合，并缓慢加入47％氢氧化钠直至可可碱完全溶解。将混合物加热到至少40℃并搅拌30分钟，同时加入2-5g活性炭(NorritCA1或SX ultra)。活性炭通过压力过滤器过滤，将混合物加热到80℃。缓慢加入32％盐酸并测量pH为5-6。将混合物冷却到25℃，并过滤出形成的固体，用水洗涤并在70℃干燥。
实例25
本实例详述了使用活性炭和焦亚硫酸钠作还原剂来精制可可碱。
在一个装有搅拌器的250ml四颈反应器中，在搅拌下加入可可碱粗品(20g)，水(120ml)和30％的氢氧化钠溶液(12ml)。将反应容器加热至70-80℃的温度。加入活性炭(1g)，溶液脱色半小时。滤出溶液，并将焦亚硫酸钠(0.2g)加入滤液中，在约65-70℃温度下搅拌滤液。然后，用浓盐酸酸化滤液至pH值在5-6范围内。然后，将温度降至约25℃。将处理过的滤液过滤并用去离子水洗涤，然后干燥，以得到18.5g可可碱。进而所得产品按2005版中国药典(CP 2005)，欧洲药典4(EP 4)和美国药典27(USP 27)检验合格。
实例26
本实例详述了使用活性炭和亚硫酸氢钠作还原剂来精制可可碱。
在一个装有搅拌器的250ml四颈反应容器中，在搅拌下加入可可碱粗品(20g)，水(120ml)和30％的氢氧化钠(12ml)。将反应容器加热至温度为70-80℃，并加入活性炭(1g)。将溶液在70-80℃温度下脱色半小时。滤出溶液，并亚硫酸氢钠(0.3g)加入滤液中，在65-70℃温度下搅拌滤液。然后，用浓盐酸酸化滤液至pH范围在5-6范围内。然后，将温度降至25℃。将处理过的滤液滤出并用去离子水洗涤，然后干燥，以得到18.6g可可碱。进而所得产品按2005版中国药典，欧洲药典4和美国药典27检验合格。
实例27
本实例详述了使用活性炭和硫代硫酸钠作还原剂来精制可可碱。
在一个装有搅拌器的250ml四颈反应容器中，在搅拌下加入可可碱粗品(20g)，水(120ml)和30％的氢氧化钠(12ml)。将反应容器加热至温度为70-80℃，并加入活性炭(1g)。将溶液在70-80℃温度下脱色半小时。滤出溶液，并将硫代硫酸钠(0.4g)加入滤液中，在65-70℃温度下搅拌滤液。然后，用浓盐酸酸化滤液至pH值在5-6范围内。然后，将温度降至25℃，并将处理过的滤液滤出，用去离子水洗涤，并干燥，以得到18.2g可可碱。进而所得产品按2005版中国药典，欧洲药典4和美国药典27检验合格。