離子液體中核苷類似物的化學(xué)合成

1、離子液體中核苷類似物的化學(xué)合成詹天榮1, 2賈思佳 1侯萬(wàn)國(guó) 1, 2*(1青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 生態(tài)化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266042; 2山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 膠體與界面化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室濟(jì)南 250100 *聯(lián)系人 , E-mail :wghousdu. edu. cn山東省 “ 泰 山 學(xué) 者 ” 基 金 項(xiàng) 目 (ts20070713 、 山 東 省 自 然 科 學(xué) 基 金 項(xiàng) 目 (ZR2009BM022 、 山 東 省 博 士 后 創(chuàng) 新 項(xiàng) 目 專 項(xiàng) 資 金 (200902027 、 國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目 (20101

2、3 和國(guó)家海洋局海洋生 態(tài) 環(huán) 境 科 學(xué) 與 工 程 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目 (MESE-2010-08 資助 2010-11-16收稿 , 2011-01-10接受摘 要 核苷類似物因其顯著的抗病毒 、 抗腫瘤活性 , 已作為化療藥物在臨床上得到了廣泛應(yīng) 用 。 核 苷類似物的高效綠色合成是有機(jī)化學(xué)和藥物化學(xué)領(lǐng)域的重要課題 。 本文對(duì)近年來(lái)離子液體介質(zhì)中的核苷改造進(jìn)行了綜述 , 主要包括羥基和氨基的 保 護(hù) 、 糖 基 的 改 造 、 堿 基 的 改 造 、 糖 基 與 堿 基 的 耦 合 和 寡 核 苷 酸 的 合 成 。離子液體作為一類物理化學(xué)性能 “ 可設(shè)計(jì) ” 的綠色軟介質(zhì)材料 ,

3、 應(yīng)用在核苷的化學(xué)合成中 , 不僅增加了核苷化合物的溶解度 ,提高了核苷類似物的合成效率 , 而且避免了有機(jī)溶劑產(chǎn)生的毒害 。 關(guān)鍵詞 離子液體 核苷化學(xué)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 不僅是核苷酸的重要前體化合物 , 而且涉及很多輔酶的結(jié)構(gòu) , 對(duì)生物的新陳代謝 至關(guān)重要 , 這使得天然核苷及其衍生

8、物在抗菌 、 抗病毒和抗腫瘤方面具有廣泛的應(yīng)用 1, 2。 目前 , 已有許多核苷類抗 病 毒 藥 物 用 于 臨 床 , 包 括 齊 多 夫 定 (Zidovudine ,AZT 、 2 , 3 -雙 脫 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。 而且隨著 反 義 寡 核 苷 酸 (anti

9、sense oligonucleotide 和短干擾 RNA (siRNA 作為基因表達(dá)抑制劑的應(yīng)用 , 近些年治療性寡核苷酸的化學(xué)合成 也異?；钴S 6, 7。 核苷化學(xué)已成為藥物發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域 。 雖然對(duì)天然核苷糖基和 /或堿基的改造已有許多成功的例子 8, 但核苷的化學(xué)改造仍存在許多問(wèn)題 。 由于核苷化合物在常規(guī)有機(jī)溶劑中·804·化學(xué)通報(bào) 2011年 第 74卷 第 5期 http :/www. hxtb. org的溶解度較小 , 使核苷合成中羥基和氨基的選擇性保護(hù)變得比較困難 ; 而且 , 核苷化學(xué)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 亞 砜 (DMSO 、 N -甲 基 吡 咯 烷 酮 (NMP 等高極性有機(jī)溶劑 , 不僅對(duì)環(huán)境和人類的健康具有很大的毒害作用 , 而且非常難回收 。 正是由 于核苷化學(xué)存在的上述難題 , 促使有機(jī)化學(xué)家們不斷尋找高效 、 綠色的核苷合成新方法 。離子液體 (ionic liquids , ILs 是指室溫或低溫下為液體的鹽 , 因其具有低揮發(fā)性 、 高熱穩(wěn)定性 、 強(qiáng)導(dǎo)電性 、 可再生利用 , 以及對(duì)有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物特殊的溶解性能等優(yōu)點(diǎn) , 已在許多有機(jī)反應(yīng)中作為綠色溶 劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的揮發(fā)性有機(jī)溶劑使用 9, 10。 離子

11、液體的另一個(gè)特點(diǎn)是 “ 可設(shè)計(jì)性 ” 。 尤其值得一提的是 ,這些 “ 可設(shè)計(jì) ” 的軟介質(zhì)材料可通過(guò)組合適當(dāng)?shù)年庩?yáng)離子部分 , 或在陰陽(yáng)離子中引入適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)功能性 基團(tuán) ,可調(diào)整相應(yīng)離子液體的物理化學(xué)性能 11, 12。 除了可調(diào)的物理化學(xué)性能 , 也可通過(guò)改變離子液體 的陰陽(yáng)離子部分 , 來(lái)調(diào)控它們與不同有機(jī)溶劑的不互溶性 , 從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物與可循環(huán)使用催化劑兩相 之間的分離 13 15。 對(duì)復(fù)雜分子如核苷和氨基酸等化合物溶解性能的提高 , 將會(huì)使這些生物活性化合物在溫和的條件下就能實(shí)現(xiàn)有效的結(jié)構(gòu)改造 16 18。 另 外 , 離子液體在許多有機(jī)合成中還可以作為催 化劑 、 催化發(fā)生器來(lái)

12、提高反應(yīng)的效率 , 而且對(duì)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的選擇性也具有非常重要的影響19, 20, 從而引 起了有機(jī)化學(xué)家們極大的興趣 。 本文主要對(duì)近年來(lái)離子液體介質(zhì)中核苷化學(xué)合成方面取得的進(jìn)展進(jìn)行了綜述 。 1離子液體對(duì)核苷溶解性能的提高自從 1959年第一個(gè)有效的核苷抗病毒藥物碘苷 (IDU 問(wèn)世以來(lái) , 核苷類藥物在病毒性疾病的治療中一直占有統(tǒng)治地位 。 但是 一 些 療 效 優(yōu) 良 的 核 苷 藥 物 ,如 用 于 治 療 單 純 皰 疹 病 毒 (HSV 的 阿 昔 洛 韋 (ACV 和其它類似的無(wú)環(huán)核苷在水中的溶解度卻非常小 , 通常要使用有機(jī)溶劑溶解 。 鑒于離子液體特殊的物理化學(xué)性能 , Ku

13、mar 等 17分別研究了胸苷 (Thymidine 在離子液體 1-甲氧基乙基 -3-甲基咪唑四 氟硼酸鹽 (MOEMIM ·BF 4 、1-甲氧基乙基 -3-甲基咪唑三氟乙酸鹽 (MOEMIM ·TFA 、 1-甲氧基乙基 -3-甲 基咪唑六氟磷酸鹽 (MOEMIM ·PF 6 、1-甲氧基乙基 -3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽 (MOEMIM ·Tf 2N 、 1-甲氧基乙基 -3-甲基咪唑甲烷磺酸鹽 (MOEMIM ·OMs 的溶解性 。 結(jié)果表明 , 疏水性離子液體 MOEMIM ·PF 6和 MOEMIM ·Tf

14、 2N , 以 及 親 水 性 離 子 液 體 MOEMIM ·BF 4對(duì) 胸 苷 溶 解 度 很 小 , 而 MOEMIM ·TFA 和 MOEMIM ·OMs 則表現(xiàn)出了良好的溶解性 。 以上結(jié)果表明 , 陽(yáng)離子的改變對(duì)胸苷的溶解影響非常小 , 而在陽(yáng)離子相同的條件下 , 陰離子的改變可大大改變其溶解性能 。 研究還發(fā)現(xiàn) , 胸苷在離子液體 1-丁基 -3-甲基咪唑三氟乙酸鹽 (BMIM ·TFA 和乙基吡啶三氟乙酸鹽 (EtPy ·TFA 中同樣具有 較 大 的 溶 解 度 (圖1 , 而這 2種離子液體的陰離子同為三氟乙酸根 , 這進(jìn)一

15、步證明陰離子的種類對(duì)離子液體的物理化學(xué) 性能具有重要的影響 21。 研究還發(fā)現(xiàn) , 對(duì)胸苷溶解性高的 MOEMIM ·OMs 、MOEMIM ·TFA 、 BMIM ·TFA 和 EtPy ·TFA , 同樣對(duì)腺苷 (Adenosine 、 胞苷 (Cytidine 和鳥苷 (Guanosine 3種核苷表現(xiàn)出良好的溶解性能 。 其中 MOEMIM ·OMs 和 MOEMIM ·TFA 對(duì) 3種核苷的溶解性最好 ,且上述所有離子液體對(duì) 3種核 苷的溶解性明顯高于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑 DMF 和吡啶 (圖 2 ,這是由于甲磺酸鹽和三氟乙酸鹽離

16、子液體中 含氧陰離子與核苷形成了氫鍵 , 提高了它們對(duì)核苷的溶解性能 15。2離子液體中核苷羥基的保護(hù)核苷的改造通常涉及分子中的羥基和氨基 , 而核苷化學(xué)存在的重要問(wèn)題之一就是這些功能化基團(tuán) 的 (選擇性 保護(hù)及脫保護(hù) 。 酰化是羥基和氨基保護(hù)常用的手段 , 但傳統(tǒng)的方法往往用時(shí) 過(guò) 長(zhǎng) , 操作繁 雜 , 產(chǎn)率低下 , 而且選擇性不高 。 Uzagare 等 18以 1-甲基咪唑?yàn)閴A , 4-二氨基吡啶 (DMAP 為催化劑 , 在離子液體介質(zhì)條件下 , 研究了 2-脫氧核苷 (2 -脫氧腺苷 、 2 -脫氧胞苷 、 2 -脫氧鳥苷 中羥基和氨基的 全?；?, 發(fā) 現(xiàn) 在 摩 爾 比 為 6

17、 6 0. 2的 乙 酸 酐 、1-甲 基 咪 唑 和 DMAP 存 在 下 , 3種 核 苷 在 離 子 液 體 MOEMIM ·OMs 介質(zhì)中的全乙?；磻?yīng)只需不到 1. 5h 的時(shí)間 , 產(chǎn)率就能達(dá)到 87%以上 (式 1 ; 而 2-脫 氧腺苷和 2 -脫氧胞苷的苯酰化 , 以及 2 -脫氧鳥苷的異丁?；磻?yīng) , 在沒有催化劑 DMAP 存在下在 2h內(nèi)就能完成 , 且產(chǎn)率均在 85%以上 , 產(chǎn)物只需經(jīng)乙酸 乙 酯 萃 取 、 去 溶 劑 和 干 燥 等 簡(jiǎn) 單 處 理 就 能 得 到 純·904·http :/www. hxtb. org 化學(xué)通報(bào) 2

18、011年 第 74卷 第 5期化 。 對(duì)上述全苯?；?2 -脫氧腺苷和 2 -脫氧胞苷 , 以及全異丁酰化的 2-脫氧鳥苷進(jìn)行可控性的水 解 ,就可得到相應(yīng) N -?；?2 -脫氧核苷 , 從而實(shí)現(xiàn)了氨基的選擇性保護(hù) 。 圖 1胸苷在不同離子液體中的溶解性 Fig. 1Solubility analysis of thymidinein different ionicliquids圖 2腺苷 (A 、 胞苷 (C 和鳥苷 (G 在離子 液體和有機(jī)溶劑中的溶解性比較 Fig. 2Solubility comparison of adenosine , cytidineand guanosin

19、e in ILs and organicsolvents http： / / www. hxtb. org 化學(xué)通報(bào) 2011 年 第 74 卷 第 5 期 · 413· （7） （8） （9） 5 離子液體中核苷糖基與堿基的偶合 糖基與堿基的偶合是核苷合成的關(guān)鍵， 但通常采用的偶合方法普 遍 存 在 反 應(yīng) 時(shí) 間 長(zhǎng)、 擇 性 差、 選 產(chǎn) ， 41 42 率低、 使用昂 貴 催 化 劑 等 缺 陷， 且 使 用 有 毒 的 有 機(jī) 溶 劑， 顯 與 綠 色 化 學(xué) 的 要 求 不 符 而 明 等 43 。 Zare 以 Cs 2 CO 3 為堿性催化劑， 在離子液 體

20、 為 介 質(zhì) 中， 核 苷 堿 基 （ 嘧 啶 和 嘌 呤 ） 與 ， 使 -不 飽 和 的 羧 酸 酯在微波輻射作用下， 在不到 15min 的時(shí)間合成了相應(yīng)的無(wú)環(huán)核苷化合物 （ 式 9 ） ， 產(chǎn)率均在 69% 以上， · 414· 化學(xué)通報(bào) 2011 年 第 74 卷 第 5 期 http： / / www. hxtb. org DMSO） 中 進(jìn) 行， 其中在離子液體 BMIM·Br 溶劑中， 產(chǎn)率高達(dá) 93% ， 同 樣 的 反 應(yīng) 在 有 機(jī) 溶 劑 （ DMF、 但 反 而且產(chǎn)率最高也只有 62% ， 而在二甲苯中則只有 21% 的收率。 應(yīng)時(shí)間會(huì)增

21、長(zhǎng)， Paoli 等44在合成碳環(huán)胸苷時(shí)采用 環(huán) 戊 醇 環(huán) 氧 化 合 物 的 樟 腦 磺 酸 （ CSA） 酯 與 核 苷 堿 基 偶 合， 這 在 步反應(yīng)中以 Cs 2 CO 3 為催化劑， 離子液體 BMIM·BF 4 為反應(yīng)介質(zhì)， 100W 的微波輻射 4min， 以 即得目標(biāo)產(chǎn) 產(chǎn)率在 58 70% 之間， 較有機(jī)溶劑 DMF 作溶劑的傳統(tǒng)合成方法， 大大縮短了反應(yīng)時(shí)間， 產(chǎn)率 物（ 式 10） ， 也提高了 5 6 倍。 （10） 6 離子液體中寡核苷酸的合成 近年來(lái)， 科學(xué)界對(duì)人工合成寡核苷酸的需求越來(lái)越多， 它們不僅能滿足基因組學(xué)的研究， DNA 和 為 46 45

22、， RNA 的人工合成創(chuàng)造條件， 。 因 此， 核 苷 酸 的 有 效 而且已在疾病的 診 斷 與 治 療 方 面 得 到 了 應(yīng) 用 寡 規(guī)模合成已成為核苷化學(xué)家們的重要研究?jī)?nèi)容之一。 雖然固相合成法在寡核苷酸的合成中取得了較大的成功， 但其不 溶 性 的 聚 合 物 固 載 相 給 多 相 反 應(yīng) 而且這些固載相材料價(jià)格較高， 合成用于 治 療 疾 病 的 寡 核 苷 酸， 料 成 本 原 條件的控制造成了很大困難， 47 。而在可 溶 性 聚 合 物 （ 如 聚 乙 二 醇 等 ） 擔(dān) 載 條 件 下 合 成 此 類 化 合 物， 中 30 40% 用于固載相材料 存 在擔(dān)載容量低、 反

23、應(yīng)物溶解度差、 產(chǎn)物純 化 復(fù) 雜 等 缺 陷 48 。 Donga 等49采 用 離 子 液 體 擔(dān) 載 底 物 的 方 法 -脫氧胞苷偶合 （ 式 11 ） ， 合成寡核苷酸， 將羥基功能化離子液體 HEMIM·BF 4 與 5 位丁二?；?2 得到 可合成二核苷磷酸酯中間體， 再經(jīng)氧 離子液體擔(dān)載的核苷化合物與 1. 5 倍摩爾量不同的亞磷酰胺反應(yīng)， 化和脫保護(hù)基處理中間體， 就得到了二核苷酸， 按照類似的方法可以得到三核苷酸和四核苷酸等。其中 在合成離子液體擔(dān)載核苷的步驟中， 物 只 需 在 乙 酸 乙 酯 沉 淀 后， 氯 仿 和 水 的 兩 相 萃 取 就 能 得 到

24、純 產(chǎn) 經(jīng) 化。這種方法可提供高純度的每步產(chǎn)物， 是大規(guī)模生產(chǎn)寡核苷酸的有效方法之一。 （11） 7 結(jié)語(yǔ) 近年的研究表明， 離子液體是核苷化學(xué)中的有效溶劑， 它對(duì)核苷化合物的良好溶解性能使得反應(yīng)在 溫和的條件下就可完成， 而且消耗溶劑更少、 反應(yīng)時(shí)間更短、 合成效率更高。具體來(lái)說(shuō)， 離子液體在核苷 核苷糖基部分和堿基部分的改造、 核苷糖基與堿基的偶合和寡核苷酸的合成 羥基和氨基的選擇性保護(hù)、 http： / / www. hxtb. org 化學(xué)通報(bào) 2011 年 第 74 卷 第 5 期 · 415· 方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)， 與傳統(tǒng)的合成方法相比， 大大縮短了時(shí)間， 化

25、 了 操 作， 高 了 產(chǎn) 率， 合 成 核 簡(jiǎn) 提 是 使部分在常規(guī)條件下不能發(fā)生的反應(yīng)得以順利進(jìn)行， 但 苷化合物較為理想的方法。借助離子液體介質(zhì)， 對(duì)部分核苷化合物的合成反應(yīng)效果不明顯， 其原因有待進(jìn)一步研究。 離子液體特殊的性能， 使得它在核苷化合物的合成中展現(xiàn)出 了 光 明 的 前 景。 通 過(guò) 離 子 液 體 與 其 它 現(xiàn)代合成技術(shù)（ 如微波、 超聲、 固相反應(yīng)等） 交叉與綜合， 可以拓展核苷合成的新方法。隨著離子液體結(jié) 構(gòu)與性能之間關(guān)系的進(jìn)一步研究， 結(jié)合不斷發(fā)展的現(xiàn)代合成新技術(shù)， 離子液體將會(huì)在核苷化學(xué)領(lǐng)域得到 更加廣泛的應(yīng)用。 參 1 D M Huryn， Okab. Ch

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