第十一章_药物合成路线设计概要

第12章药物合成路线设计概要Ch.12.OutlineofSyntheticDesignforDrugIntroduction•CollegeofChemical&PharmaceuticalEngineering药物的合成官能团的引入与转化分子骨架的构建卤化反应、硝化反应、磺化反应、烃基化反应、酰基化反应、氧化反应、还原反应缩合反应、重排反应、周环反应以及C-原子上的烃基化和酰基化反应一、基本概念和常用术语导言•药物合成路线设计是针对预定药物的合成而开展的一项综合性，并带有策略性的研究过程，在对可能的合成方法比较评价基础上，确定合理、有效的合成路线。•设计原理符合合成化学的逻辑学。•逆合成分析（antisyntheticanalysis）是最有效的方法。逆合成分析法:目标分子出发，采用逆向切断、连接、重排和官能团的引入、转化、消去等化学操作，直至将其变换、倒推为合成子等价试剂的分析方法。TM中间体1中间体2中间体3......原料图示为OOHOOHOOOHCRO2CHHRO2CHHOORO2CHHOOOHCRO2C+示例•目标分子（targetmolecule,TM）：拟合成的化合物，中间体、最终化合物均可。•合成子（synthon）：构建目标分子活性碎片，可以是离子、自由基或者中性分子。——接受电子的合成子（acceptor），即a-合成子——提供电子的合成子（donor），即d-合成子•等价试剂（equivalentreagent）：在合成中充当合成子的中性化合物。SomedifferenttypeofsynthonandequivalentreagentTypeofsynthonExampleEquivalentreagentFunctionalgroupd0MeSMeSHSHd1-CNKCNCNd2-CH2-CHOCH3CHOCHOd3-CC-NH2LiCC-NH2NH2d-synthonRdMeMeLia0+PMe2ClPMe2PMe2a1Me2C+-OHMe2C=OC=Oa2+CH2COCH3BrCH2COCH3C=Oa3+CH2-CH=COORCH2=CH-COORCOORa-synthonRaMe+Me3S+Br-•逆向切断（antitheticaldisconnection）：目标化合物的某一C-C化学键断开，剖析成两个合成子的操作•逆向连接（antitheticconnection）：将目标分子中两个适当的碳原子键连起来NBrNCH3CH3CNNBrCNNCH3CH3BrNCH3CH3NBrCN+CO2HO•逆向重排（antitheticrearrangement）：目标分子相关化学键打开，再重新组装。•逆向官能团转换（antitheticfunctionalgroupinterconversion,FGI）：目标分子的特定官能团转换为另一与之关联的官能团OOOEtOOHCO2HCN•逆向官能团添加（antitheticfunctionalgroupaddition,FGA）：在目标分子的特定的位置增加一个官能团的操作。•逆向官能团的消除（antitheticfunctionalgroupremoval）：目标分子中特定官能团除去的操作。NBrNCH3CH3NBrNCH3CH3CNOCHOO二、合成路线评价的原则•结构明确的目标分子合成途径的确定，是极端重要的。例如：甾体类化合物其骨架的化学合成，按照逐步增加原子的方法来完成此工作，其合成路线将多达6.2×1023条，数量十分惊人。评价合成路线优劣，主要考虑四个方面。一）步骤尽可能的少，产率尽可能的高•采用会聚式，尽可能避免采用线性途径OMeOaddadaOMeO+OOMgBr+OOOEtOOEtOO+OMeOMeOCrO3/H2SO4OMeOMgBrOHMeOOOMeOOOOMeO•“一锅法”合成和多重构建是另外两种减少反应步骤的途径。OH+H2NNH2O+HOHOOHONHNHOOHO2NADPHHOHHH二）使用可信的反应。充分利用人名反应，开发和拓展文献方法•合理的合成子有助于选择对应的等价分子，如人名反应等经典反应的应用是切断的首选。如乙烯基烯丙基醚的合成。路线1更可行。•5-羟基-3-庚酮的合成分析，路线ⅱ更可行O(1)(2)(1)(2)O+O+OHO+OH+BrOOHadOOH+HO+OHO+OSiMe3(i)(ii)•异丁基苯的合成，酰基化-还原优于烃基化•天然产物伊菠胺全合成中的Beckmann反应+BrOFGAO+OCldisHNOMeMeOHHOTIPSOOMeMeOHHOTIPSNHO逆向重排三）选择廉价、易得的原料•i．6个碳原子以内的脂肪族化合物，更多情况下是4个碳原子以内，包括卤代烃、醇、醛、酮、酸、胺、烯、炔等，如乙醇、丙醇、丁烯、碘甲烷、丙酮；•ii．五~六元脂环族化合物和对应的一些衍生物，如环己醇、环戊酮、环戊二烯等；•iii．芳香族化合物，如苯、萘、蒽等，以及一些芳杂环，如噻吩、呋喃、吡啶等，含有1-4碳原子的取代苯等；•iv．一些天然产物，如碳水化合物、α-氨基酸、甘油、甾体、萜类等。在选择原料时，还需要考虑其稳定性、安全性、和不对称性。四）合成便于操作•埃索美拉唑（Esomeprazole）为一种手性药物，是腺苷三磷酸酶抑制剂，用于胃溃疡的治疗。在小规模合成中，通过HPLC来分离获得。规模化生产，用常现青霉菌BPFC386进行生物氧化，高选择性地获得单一异构体。NHNSONMeOMeOMeMeNNSONMeOMeMe2Mg2+NHNSNMeOMeOMeMePenicilliumfrequentansBPFC386三、指导优势切断的规律•1．合成步骤尽量短•2．切断处的逆反应应该是产率高和成功率高的反应，如人名反应。•3．优先切断C-X键，尤其是在双基团切断时和影响选择性的基团切断时。•4．根据分子中官能团的相互关系，确定C-C键的切断。优先：如果可能的话，目标最简化——分子的中部——分子的交叉点——分子中侧链与环的键合处对称性原则——对称部分先切断•5．官能团的转换可以使切断变的容易，要首先考虑分子中不稳定部分。•6．切断后合成子的等价原料易于获得，不论是购买还是制备。•合成路线的评价原则从策略上为逆合成分析确定了需要考虑的主要因素。从官能团开始是明智的选择，但切断答案是没有“唯一性”。指导正确切断的规则包括：Syntheticstrategy——OrderruleforAr.compds.directn.RuleOabfirsta,thenbO2NNO2OMefirstelectron-withdrawingClF3CClCl3CFGIClH3CFGImaychangedirectionpropertyClCNClN2applictiondiazoniumgoupForsomedifficutintroducedgroups,noneedtodisconnect,e.g.CH3O•榆树皮甲虫信息素中间体4-甲基-3-庚醇，有利切断只有(2)•抗惊厥药芬苏美（phesuximide)，切断从N-C键开始•哮喘药沙丁胺醇（Salbutamol），始于乙酰水杨酸(1)(3)(2)+OHOHClMgO+NPhOOMeHO2CCO2HPhFGINCCO2HPhCHNCO2HPh+CO2HPhCNFGACHO+CNCO2EtHOHONHBu-tOHHOHONHBu-tOFGIHOHOBrOFGIHOHOOHOHOOCl+FGIAcOHOO四、含单官能团的化合物的逆合成分析•单官能团化合物切断包括C-X键、C-C键。C-X的切断是最简单，涉及C-C键的切断，显然要比判断C-X切断困难一些。ClClHNOClClNH2OCl+FGIClClNO2ClClClCHOMgBr+HNMe2O12CHO+Me2CuLiOHCHFGIOHMgBr+HCHOMgBrO+CO2H(3)(1)(2)FGI/FGACO2EtEtO2C(1)disMgBrFGIOH(2)disCHOH+(3)disCHOH+FGICN(2)disCNCH3CH2CH3CH2+(3)disCN+OadO+O+BrOOHC+RMgBrROH1.Et2O2.H3O+O+2CuLiO五、含两个官能团的化合物逆合成分析•官能团之间的相对位置，主要讨论：1,2-二官能团1,3-二官能团1.4-二官能团1,5-二官能团1,6-二官能团等五类化合物。一）1,2-二官能团•充分利用sp2杂化碳的性质，包括——烯碳上的不完全氧化——烯碳上亲电加成的卤官能团化——羰基碳的氰加成——羰基化合物α-氧化——羰基碳的卤化以及安息香反应OOHFGIOHadFGIPPh3+OOHFGINMgOThpadOHCN+i-BuCO2HFGI/FGAi-BuCNOHi-BuOHCNi-BuCNi-BuCNMeI+NOHPhPhNOEtONHOEtBrO++MgClNNHCO2EtOEtTBSOHHOBrCO2EtEtOHTBSOHO+NBS二）1,3-二官能团化合物•Aldol缩合、Claisen缩合、Dieckmann缩合、Reformatsky反应、Mannich反应等经典反应来构建。•Aldol缩合R1R2RHOORNR2OROR1OROOORClOR醛酮羧酸衍生物强弱强弱烯醇化变化趋势亲电性变化趋势OHCHOadCHOCHOOHdaCHOHHOH+HCHHO+OHCHO+HC+OOdaOPhOPhOHOPhOPhOH+OPhPhOOPhPhOHOPhPhOHOCHO+OOOFGIOOOOHadOOOO+Claisen缩合、Dieckmann缩合CO2EtOCO2EtOCO2Et+NH2MeCNOFGINH2MeCNOHOadNH2MeCNOHO+MeONCOHNH2+OOOOadOOOOOEtOOOOOMeOOCOOOOOOHHHHadOOOOOOHHHOOOOOOHHH•Reformatsky反应、Mannich反应CO2EtOHCHO2EtOHad+CO2EtZnBrONMe2OadNMe2O+H2CNOOHCHO+NHMe2三）1,4-二官能团化合物•1,4-二官能团化合物在切断分子时，总是要求极性异常的合成子，即极性反转的合成子，如负酰基、正α-碳（羰基）。硝基烷烃能够作为酰基负离子的等价试剂。α-卤代羰基化合物可作为正α-碳（羰基）合成子的等价分子。R2R1OO(1)(2)(2)(1)R2R1OO+R2R1OO+R1OR1OR2OBrCNorO2NR2其他极性反转的例子还有：实例H3CPhOOFGAH3CPhOOEtO2CH3CCO2EtOOPhO+H3CCO2EtOOPhO+BradH3COPhOH3COPhOHBr++PhHSSFGAPhSSOCO2EtFGIOCO2EtHOadOOCO2EtadOOCO2EtOOCO2EtBrOCO2HOMethylenomycin注意：二官能团化合物在逆合成分析中切断的规律视官能团之间位置为奇数关系和偶数关系的不同而有所差异，其规律可概括为三点：•i.合成奇数关系的二官能团化合物，只需要自身极性的合成子；•ii.合成偶数关系的二官能团化合物时，则需要一些极性翻转的合成子；•iii．奇数关系的受体合成子（如a1和a3）以及偶数关系的供给体合成子（如d2和d4）均有极性翻转的合成子。四）1,5-二官能团化合物1,5-二官能团化合物是一种奇数关系的体系，那么合成子使用自身的极性即可，通常为d2与a3合成子来构建这类分子。Micheal加成OOCOOEtOOCOOEtadOOCOOEt+OCH3OOadOCH3OO+OOOCH3OMeOOOMeOOOadOO+MeOOOO+Robinson环合成反应催眠镇静药格鲁米特（Glutethimide）中间体OOOOOOOHadOOOHOOOOOOadOOO+O+CNCNEtadCNCNEt+CNCNEt+利用羰基化合物的烯醇锂盐、烯醇硅醚和烯胺实现1,5-二官能团化合物的构建。OOMeOGF