3－芳基－Β－咔啉－1－酮类化合物及其制备方法与应用.pdf

本发明公开了一类3－芳基－β－咔啉－1－酮化合物及其制备方法与应用，本发明的3－芳基－β－咔啉－1－酮化合物为式IV化合物(式中R为H或CH3O、OCH2O；Ar为C6H5或4－CH3OC6H4、4－ClC6H4)，它的制备方法包括以下步骤：1)使2－氰基－2－乙酰氨基乙酸乙酯与查尔酮发生Michael加成反应；2)加成反应生成的化合物在酸催化条件下发生腈－酮成环反应生成吡啶酮；3)吡啶酮化合物中的酰氨基与卤素发生金属催化的分子内芳胺化反应，生成含氮五元环，得到3－芳基－β－咔啉－1－酮化合物。本发明的3－芳基－β－咔啉－1－酮类化合物可以作为抗肿瘤先导化合物在抗肿瘤药物中得到广泛应用。

1、  式IV化合物
式IV
式中R为H或CH₃O、OCH₂O；Ar为C₆H₅或p-CH₃OC₆H₄、p-ClC₆H₄。

2、  一种制备3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物式IV的方法，包括以下步骤：
1)使2-氰基-2-乙酰氨基乙酸乙酯与查尔酮发生Michael加成反应；
2)加成反应生成的化合物在酸催化条件下发生腈-酮成环反应生成吡啶酮；
3)吡啶酮化合物中的酰氨基与卤素发生金属催化的分子内芳胺化反应，生成含氮五元环，得到3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物。

3、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述查尔酮是邻-卤苯甲醛和苯乙酮缩合生成的，其中卤素为碘或溴。

4、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述2-氰基-2-乙酰氨基乙酸乙酯与查尔酮发生Michael加成反应催化剂为催化量至等当量的碱。

5、  根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述催化剂为有机碱。

6、  根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述有机碱为下述有机化合物中的一种：分子式为NRR¹R²的三烷基胺，其中R、R¹和R²可以相同，也可以不同，R、R¹和R²的链长从C1-C16；四氢吡咯和N-烷基四氢吡咯，其中烷基的链长从C1-C4；哌啶和N-烷基哌啶，其中烷基的链长从C1-C4；吡啶和邻-、间-或对-位取代的甲基吡啶；2，6-二甲基吡啶；2，4，6-三甲基吡啶；碱金属的烷氧基化合物，其中碱金属包括锂、钠和钾，烷氧基链长从C1-C4；其中优选的为10％摩尔的t-BuONa。

7、  根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述催化剂为无机碱。

8、  根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述无机碱为下述无机化合物中的一种：氢氧化钠；氢氧化钾；氢氧化钡；金属离子为锂、钠、钾、铯、钙或镁的碳酸盐；金属离子为钾、钠或铵的醋酸盐。

9、  根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述2-氰基-2-乙酰氨基乙酸乙酯与查尔酮发生Michael加成反应所使用的溶剂为水、4个碳原子以下的醇及其各种比例的水溶液、1，4-二氧六圆、乙二醇二甲醚、THF，DMF或DMSO。

10、  所述腈-酮成环反应的催化剂选自：浓度为85～100％的H₃PO₄；H₃PO₄-P₂O₅混合物，其中H₃PO₄的浓度为50～100％，P₂O₅用量为H₃PO₄重量的1～50％；浓度为85～100％的H₂SO₄；HCl(g)含量为1％至饱和溶液的HCl(g)/HOAc溶液(w/w)；浓度为20～37％的、体积为冰醋酸用量1～50％的盐酸-冰醋酸溶液，其中优选的为1∶10的浓度为37％的盐酸-冰醋酸溶液；所述腈-酮成环反应的时间为10分钟～24小时；腈-酮成环反应的温度为0～50℃。

11、  根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述吡啶酮化合物中的酰氨基与卤素发生分子内芳胺化反应的催化剂为NaH和亚铜盐；所述分子内芳胺化反应的溶剂为DMF、DMA、吡啶或乙二醇二甲醚；所述分子内芳胺化反应的温度是50℃至溶剂的回流温度，反应时间在1～48小时。

12、  根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述亚铜盐为CuI、CuBr、CuCl或Cu₂O；所述亚铜盐的摩尔用量为底物的1～2倍，NaH的摩尔用量为底物的1～4倍。

13、  一类抗肿瘤药物，它的活性成分是3-芳基-β-咔啉-1-酮类化合物。

3-芳基-β-咔啉-1-酮类化合物及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种β-咔啉化合物及其制备方法与应用，特别是3-芳基-β-咔啉-1-酮类化合物及其制备方法与应用。
背景技术
β-咔啉化合物，其结构式如图1中的式I所示，是一类具有重要生物学意义的三环生物碱家族。作为该家族的重要成员，许多β-咔啉-1-酮化合物(如图1中的式II所示)本身就是具有生物活性的天然生物碱。由于潜在的生物活性，目前已知结构的大多数β-咔啉-1-酮化合物是从实验室经合成制备的。它们中的许多已经被确认对哺乳动物中枢神经系统具有潜在的生物活性。有的被用作生物酶抑制剂研究，有的被作为生物受体调控试剂研究(Teshigawara，T.Japan Pat.，8628，1967.Vale，C.A.；Damewood，Jr.J.R.；Steelman，G.B.；Bryant，C.；Gomes，B.；Williams，J.J.Med.Chem.，1995，38，86-97.Ritzler，O.；Castro，A.；Grenier，L.；Soucy，F.EP 1134221，2001.Nielsch，U.；Sperzel，M.；Bethe，B.；Junge，B.；Lieb，F.；Velten，R.DE 19807993，1999.)。2001年有专利申请(Menta，E.；Pescalli，N.；Spinelli，S.WO 200109129，2001.)首次报道了在A-环上带有烷氧基取代的β-咔啉-1-酮化合物(如图1中的式III所示)具有抗结肠肿瘤和肺肿瘤活性。
目前，用于制备β-咔啉化合物的方法非常有限，主要是通过直接或间接地利用少数几种吲哚衍生物作为原料来合成(如图2所示)。因此不仅存在有起始原料不易获得和吲哚环上取代基变换困难等问题，而且不适合于合成3-芳基取代的β-咔啉-1-酮化合物。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的β-咔啉-1-酮化合物及其制备方法。
本发明所提供的β-咔啉-1-酮化合物为式IV所示的3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物

式IV
式中R为H或CH₃O、OCH₂O；Ar为C₆H₅或4-CH₃OC₆H₄、4-ClC₆H₄。
本发明所提供的制备3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物的方法是以非氮环化合物为原料，包括以下步骤(其逆向合成路线如图3所示)：
1)使2-氰基-2-乙酰氨基乙酸乙酯与查尔酮发生Michael加成反应；
2)加成反应生成的化合物在酸催化条件下发生腈-酮成环反应生成吡啶酮；
3)吡啶酮化合物中的酰氨基与卤素发生金属催化的分子内芳胺化反应，生成含氮五元环，得到3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物。
上述合成路线的原料中，查尔酮是由邻-卤苯甲醛和苯乙酮缩合生成的，其中卤素为碘或溴；2-氰基-2-乙酰氨基乙酸乙酯可以按照文献(F.I.Logemann，G.Shaw，Chem. & Ind.，1980，541.或J.C.Caille，S.Didierlaurent，D.Lefrancois，M.H.Lelièvre，C.Sury，J.Aszodi，Synthesis，1995，635.)所提供的方法制备。
所述2-氰基-2-乙酰氨基乙酸乙酯与查尔酮发生Michael加成反应催化剂为催化量至等当量的碱。催化剂既可以是有机碱，也可以是无机碱。当催化剂为有机碱时，可以为下述有机化合物中的一种：分子式为NRR¹R²的三烷基胺，其中R、R¹和R²可以相同，也可以不同，R，R¹和R²的链长从C1-C16；四氢吡咯和N-烷基四氢吡咯，其中烷基的链长从C1-C4；哌啶和N-烷基哌啶，其中烷基的链长从C1-C4；吡啶和邻-、间-或对-位取代的甲基吡啶；2，6-二甲基吡啶；2，4，6-三甲基吡啶；碱金属的烷氧基化合物，其中碱金属包括锂、钠和钾，烷氧基链长从C1-C4；其中优选的为10％摩尔的t-BuONa。当催化剂为无机碱时，可以为下述无机化合物中的一种：氢氧化钠；氢氧化钾；氢氧化钡；金属离子为锂、钠、钾、铯、钙或镁的碳酸盐；金属离子为钾、钠或铵的醋酸盐。
所述2-氰基-2-乙酰氨基乙酸乙酯与查尔酮发生Michael加成反应所使用的溶剂为水、4个碳原子以下的醇及其各种比例的水溶液、1，4-二氧六圆、乙二醇二甲醚、THF，DMF或DMSO。
如图4所示，使用不同取代的查尔酮式Xa-i均可以得到满意的结果，产物式XI的产率均在60％以上。
所述腈-酮成环反应的催化剂选自：浓度为85～100％的H₃PO₄；H₃PO₄-P₂O₅混合物，其中H₃PO₄的浓度为50～100％，P₂O₅用量为H₃PO₄重量的1～50％；浓度为85～100％的H₂SO₄；HCl(g)含量为1％至饱和溶液的HCl(g)/HOAc溶液(w/w)；浓度为20～37％的、体积为冰醋酸用量1～50％的盐酸-冰醋酸溶液，其中优选的为1∶10的浓度为37％的盐酸-冰醋酸溶液；所述腈-酮成环反应的时间为10分钟～24小时；腈-酮成环反应的温度为0～50℃。
典型的腈-酮成环反应试验条件如图5所示：室温下将式XI化合物在1∶10(v/v)的37％浓盐酸-冰醋酸溶液中放置7小时左右，或者直到原料全部消失为止。生成的式XII产物吡啶酮的产率在67-88％之间。
所述吡啶酮化合物中的酰氨基与卤素发生分子内芳胺化反应的催化剂为NaH和亚铜盐；所述分子内芳胺化反应的溶剂为DMF、DMA、吡啶或乙二醇二甲醚；所述分子内芳胺化反应的温度是50℃至溶剂的回流温度，反应时间在1～48小时。所述亚铜盐优选为CuI、CuBr、CuCl或Cu₂O；所述亚铜盐的摩尔用量为底物的1～2倍，NaH的摩尔用量为底物的1～4倍。
代表性的分子内芳胺化反应如图6所示，将摩尔用量比为1∶2∶4的式XII/CuI/NaH在乙二醇二甲醚溶剂中生成的混合物在回流温度下搅拌8-10小时。在该反应条件下，式XIIa-i都顺利地被转化成为相应地式IVa-i 3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物。
实验表明，3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物对BAEC细胞和Hela细胞显示出强烈的抑制活性，是一类具有广泛应用价值的抗肿瘤先导化合物。
本发明的第二个目的是提供一类能够对肿瘤细胞产生有效抑制作用的抗肿瘤药物。
一类抗肿瘤药物，它的活性成分是3-芳基-β-咔啉-1-酮类化合物。
需要的时候，在上述药物中还可以加入一种或多种药学上可接受的载体。所述载体包括药学领域常规的稀释剂、赋形剂、填充剂、粘合剂、湿润剂、崩解剂、吸收促进剂、表面活性剂、吸附载体、润滑剂等；必要时还可以加入香味剂、甜味剂等。
本发明的药物可以制成注射液、片剂、粉剂、粒剂、胶囊、口服液、膏剂、霜剂等多种形式。上述各种剂型的药物均可以按照药学领域的常规方法制备。
本发明提供了一类全新的3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物，并且创造性地揭示了该类化合物简单有效地合成方法及其应用领域，具有重要的理论及现实意义，该类化合物在医药领域将得到广泛应用，并将带来巨大的经济效益。
图1为几种β-咔啉化合物的化学结构式
图2为几种吲哚衍生物的化学结构式
图3为3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物的逆向合成路线图
图4为式XI化合物的制备及其结构式
图5为式XII化合物的制备及其结构式
图6为式IV3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物的制备及其结构式
实施例1：制备3-苯基-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮
一、2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴苯基)-5-酮-5-苯基戊酸乙酯(式XIa)的合成
将2.9g(10mmol)的查尔酮(式Xa)、3.4g(20mmol)的乙酰氨基氰基乙酸乙酯(式IX)和100mg(1.0mmol)的叔丁醇钠在无水THF(50mL)溶液中室温下搅拌约4小时后(TLC跟踪)，减压蒸去溶剂。将残余物溶于二氯甲烷生成的溶液经饱和Na₂CO₃水溶液洗涤、水洗和无水Na₂SO₄干燥。减压浓缩，生成的粗产物经柱层析分离纯化(硅胶，EtOAc/PE＝1∶1)得到化合物式XIa。
经检测，结构正确，检测结果如下：mp 166-170℃(EtOH)；IR：3360，2981，2247，1757，1689，1673，1596，1518，1473，1448，1367，752，689cm^-1；¹H NMR：δ8.35(1H，s)，8.01-7.88(3H，m)，7.65-7.44(5H，m)，7.23-7.20(1H，m)，4.83(1H，dd，J＝8.0Hz，2.9Hz)，4.14-3.90(3H，m)，3.72(1H，dd，J＝19.3Hz，2.8Hz)，2.12(3H，s)，0.95(3H，t，J＝7.2Hz)；MS：m/z(％)458(M+2，0.1)，398(1.8)，396(1.7)，325(3.4)，323(3.5)，274(3.3)，207(55.4)，178(5.0)，105(100)，77(31.3)，43(51.5).Anal.Calcd.forC₂₂H₂₁BrN₂O₄：C，57.68％；H，4.63％；N，6.13％.Found：C，57.71％；H，4.85％；N，6.15％.
二、3-乙酰氨基-4-(2-溴苯基)-6-苯基-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯(式XIIa)的合成
将2.3g(5mmol)的2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴苯基)-5-羰基-5-苯基戊酸乙酯(式XIa)和1∶10(v/v)的37％盐酸-冰醋酸混合物(25mL)在室温下搅拌反应7小时后，倒入到100mL水中。生成的混合物用固体NaHCO₃中和至中性，然后用CH₂Cl₂提取。合并的提取液经水洗和无水Na₂SO₄干燥后蒸去溶剂，得到化合物式XIIa。
经检测，结构正确，检测结果如下：mp 212-216℃(EtOAc)；IR：v3416，3373，2975，2933，1734，1704，1674，1599，1483，1449，769，701cm^-1；¹H NMR：δ7.62(1H，s)，7.59(1H，s)，7.55-7.46(2H，m)，7.45-7.40(3H，m)，7.27-7.25(2H，m)，7.19-7.15(1H，m)，6.72(1H，s)，5.57(1H，d，J＝2.5Hz)，5.26(1H，s)，4.27-4.06(2H，m)，2.13(3H，s)，1.27(3H，t，J＝7.2Hz)；MS：m/z(％)458(M+2，0.2)，456(M⁺，0.2)，399(8.3)，397(8.7)，343(92.9)，341(96.4)，290(100)，262(13.6)，206(14.0)，130(11.0)，104(19.9)，43(53.1).Anal.Calcd.for C₂₂H₂₁BrN₂O₄：C，57.78％；H，4.63％；N，6.13％.Found：C，57.62％；H，4.59％；N，6.08％.
三、3-苯基-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮(式IVa)的合成
在氮气保护下，将0.46g(1mmol)的式XIIa化合物、0.38g(2mmol)CuI和0.16g(4mmol)的NaH在20mL无水乙二醇二甲醚中回流10小时，然后减压蒸去乙二醇二甲醚，残留物倒入到20mL的10％NH₄OH溶液中。生成的混合物在室温搅拌2小时后滤出沉淀，粗产物经柱层析(硅胶，EtOAc/PE)分离和提纯，得到式IVa化合物。
经检测，结构正确，检测结果如下：mp 300-302℃(MeOH)；IR：v3110，3051，2993，1636，1620，1598，1500，1449，834，760，743cm^-1；¹H NMR：(500Mz，DMSO-d₆)δ11.96(1H，s)，11.60(1H，s)，8.10(1H，d，J＝8.0Hz)，7.77(2H，d，J＝7.5Hz)，7.54(1H，d，J＝8.5Hz)，7.47(2H，t，J＝7.0Hz)，7.43-7.39(2H，m)，7.37(1H，s)，7.19(1H，t，J＝7.5 Hz)；¹³C NMR：(DMSO-d₆)δ157.0，140.3，137.2，135.5，129.6，129.2，128.0，127.4，125.7，123.1，122.4，120.5，113.4，99.6；MS：m/z(％)262(M+2，6.2)，261(M+1，60.5)，260(M⁺，100)，231(21.4)，189(5.1)，130(25.1)，102(20.5)，77(16.3).Anal.Calcd.forC₁₇H₁₂N₂O：C，78.44％；H，4.65％；N，10.76％.Found：C，78.44％；H，4.65％；N，10.61％.
实施例2：式IVb-i化合物的合成
一、式XIb-i化合物的合成
在与实施例1中合成式XIa类似的条件下，从相应的式Xb-i查尔酮得到化合物式XIb-i：2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴苯基)-5-酮-5-(4-氯苯基)戊酸乙酯(式XIb)；2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴苯基)-5-酮-5-(4-甲基苯基)戊酸乙酯(式XIc)；2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴-4，5-亚甲二氧基苯基)-5-酮-5-苯基戊酸乙酯(式XId)；2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴-4，5-亚甲二氧基苯基)-5-酮-5-(4-氯苯基)戊酸乙酯(式XIe)；2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴-4，5-亚甲二氧基苯基)-5-酮-5-(4-甲基苯基)戊酸乙酯(式XIf)；2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴-4，5-二甲氧基苯基)-5-酮-5-苯基戊酸乙酯(式XIg)；2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴-4，5-二甲氧基苯基)-5-酮-5-(4-氯苯基)戊酸乙酯(式XIh)；2-乙酰氨基-2-氰基-3-(2-溴-4，5-二甲氧基苯基)-5-酮-5-(4-甲基苯基)戊酸乙酯(式XIi)。
二、式XIIb-i化合物的合成
在与实施例1中合成式XIIa类似的条件下，从相应的式XIb-i得到化合物式XIIb-i：3-乙酰氨基-4-(2-溴苯基)-6-(4-氯苯基)-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯式(式XIIb)；3-乙酰氨基-4-(2-溴苯基)-6-(4-甲基苯基)-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯(式XIIc)；3-乙酰氨基-4-(2-溴-4，5-亚甲二氧基苯基)-6-苯基-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯(式XIId)；3-乙酰氨基-4-(2-溴-4，5-亚甲二氧基苯基)-6-(4-氯苯基)-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯(式XIIe)；3-乙酰氨基-4-(2-溴-4，5-亚甲二氧基苯基)-6-(4-甲基苯基)-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯(式XIIf)；3-乙酰氨基-4-(2-溴-4，5-二甲氧基苯基)-6-苯基-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯(式XIIg)；3-乙酰氨基-4-(2-溴-4，5-二甲氧基苯基)-6-(4-氯苯基)-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯(式XIIh)；3-乙酰氨基-4-(2-溴-4，5-二甲氧基苯基)-6-(4-甲基苯基)-1，2，3-三氢吡啶-2-酮-3-甲酸乙酯(式XIIi)。
三、式IVb-i化合物的合成
在与实施例1中合成式IVa类似的条件下，从相应的式XIIb-i得到化合物式IVb-i：3-(4-氯苯基)-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮(式IVb)；3-(4-甲基苯基)-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮(式IVc)；3-苯基-6，7-亚甲二氧基-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮(式IVd)；3-(4-氯苯基)-6，7-亚甲二氧基-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮(式IVe)；3-(4-甲基苯基)-6，7-亚甲二氧基-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮(式IVf)；3-苯基-6，7-二甲氧基-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮(式IVg)；3-(4-氯苯基)-6，7-二甲氧基-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]-吲哚-1-酮(式IVh)；3-(4-甲基苯基)-6，7-二甲氧基-2，9-二氢-1H-吡啶并[3，4-b]吲哚-1-酮(式IVi)。
实施例3：式IVa-i化合物对肿瘤细胞的抑制作用
牛主动脉内皮细胞(BAECs)从美国Clonetics(San Diego)购买并在含有10％胎牛血清(FBS)和50 units/ml青霉素与50μg/ml链霉素(P/S)的DMEM溶液中培养。Hela细胞购自American Type Culture Collection(ATCC)，并在含有10％胎牛血清(FBS)和50units/ml青霉素与50μg/ml链霉素(P/S)的RPMI 1640溶液中培养。
以式II化合物为对照，用本发明的式IVa-i化合物对肿瘤细胞BAEC和Hela进行抑制实验，增殖细胞接种到一96孔基片上，在不同浓度的待测物或载体溶剂(0.1％ DMSO)中生长24小时(37℃，5％ CO₂气氛下)。细胞用[³H]thymidine(6.7Ci/mmol，1μCi/per well)脉冲6小时，然后用半自动细胞收集器收集在玻璃纤维纸上闪烁计数。所有测定分三份进行，结果取平均值±SD。结果如表1所示，表明化合物式IVa对BAEC细胞的抑制效果最好，IC50为1.12±0.27μM。化合物式IVb对Hela细胞的抑制效果最好，IC50为1.17±0.087μM；将3-芳基-β-咔啉-1-酮化合物与3-位无芳基取代的母体化合物β-咔啉-1-酮(式II)进行的对照实验显示：如果没有3-位的芳基的取代，在同等条件下对BAEC细胞和Hela细胞几乎没有抑制作用。
表1：化合物IVa-I和II对BAEC细胞和Hela细胞的抑制作用