張瑤瑤,彭文舉,黃 杰,楊世龍,羅 杰,丁 偉,丁 瑜,朱 磊

(1.湖北工程學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.孝感市中心醫(yī)院，湖北 孝感 432000)

胃潰瘍是一種臨床上發(fā)病率和復(fù)發(fā)率均較高的慢性消化系統(tǒng)疾病，可引發(fā)胃穿孔、胃出血、癌變等并發(fā)癥。質(zhì)子泵抑制劑是目前治療消化性胃潰瘍最先進(jìn)的一類藥物[1]，主要原理是通過抑制壁細(xì)胞膜的H-K交換進(jìn)而抑制壁細(xì)胞分泌胃酸的功能，并清除幽門螺旋桿菌[2-4]。目前國內(nèi)市面上的質(zhì)子泵抑制劑主要包括埃索美拉唑、泮托拉唑、蘭索拉唑、雷貝拉唑鹽等[5-11]。其中，埃索美拉唑應(yīng)用最為廣泛，具有起效快、作用強(qiáng)、更持久等優(yōu)點(diǎn)[12]。埃索美拉唑鎂或埃索美拉唑鈉作為左旋異構(gòu)體鹽，具有藥物代謝受基因多態(tài)影響弱、個(gè)體差異小、抑制酸分泌強(qiáng)、無藥物耐受等優(yōu)異特性[13]，因此該類物質(zhì)市場(chǎng)需求大。

目前制備埃索美拉唑的方法主要分為拆分法和不對(duì)稱氧化法[14-20]。拆分法成本高、收率低，限制了其工業(yè)生產(chǎn)效益。另一種方法為不對(duì)稱催化氧化法，其關(guān)鍵在于制備出成本低、性能優(yōu)異的催化劑，經(jīng)過不對(duì)稱催化奧美拉唑硫醚底物獲得手性單一S-奧美拉唑[21-23]，并采用各種表征手段確定產(chǎn)物構(gòu)型及純度[24-29]。Mahale等[30]使用10-樟腦氧氮雜環(huán)丙烷作為手性氧化試劑選擇性氧化硫醚，但終產(chǎn)物對(duì)映體選擇性并不高。Codexis實(shí)驗(yàn)室[31]成功設(shè)計(jì)了B-V加氧酶，催化前手性奧美拉唑硫醚氧化成S-奧美拉唑亞砜，在氧氣條件下得到高對(duì)映體選擇性手性產(chǎn)物。

Scheme 1

工業(yè)生產(chǎn)埃索美拉唑均是在有機(jī)相中進(jìn)行，易造成環(huán)境污染。但水相中催化反應(yīng)存在傳質(zhì)困難、催化效率低、催化劑難回收等問題，N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)具有溫度響應(yīng)性，可在室溫下溶于水，升溫從水相中析出，應(yīng)用于催化劑載體便可實(shí)現(xiàn)催化劑的溫控分離及便捷回收，實(shí)現(xiàn)催化劑水相高效催化和有效重復(fù)使用[32-34]，從而解決環(huán)境污染問題。以PNIPAAm為載體構(gòu)建的酶催化可用于生物體內(nèi)水相環(huán)境中各類化學(xué)反應(yīng)，位點(diǎn)分離、疏水間隔是酶催化體系的重要特征。響應(yīng)型聚合物通過在溶液中圍繞催化活性位點(diǎn)自組裝，可形成一種仿酶空腔的納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而模擬生物酶的高效催化性能。

將溫敏材料和手性氨基酸進(jìn)行可控聚合制備出單鏈嵌段聚合物，利用金屬鈦鹽與氨基酸的配位作用，結(jié)合分子內(nèi)疏水作用促使單鏈嵌段聚合物發(fā)生自單鏈折疊形成納米反應(yīng)器。采用現(xiàn)代表征手段對(duì)催化劑在水溶液中的形貌進(jìn)行表征，將催化劑用于純水相中研究不對(duì)稱催化氧化奧美拉唑性能。反應(yīng)結(jié)束后，通過升溫實(shí)現(xiàn)催化劑的便捷回收，考察催化劑回收及重復(fù)使用性能，模擬出工業(yè)制備埃索美拉唑最優(yōu)催化路線。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

WZZ—2S/2SS型數(shù)字式自動(dòng)旋光儀；Agilent 8453型紫外光譜儀；Bruker Drx 400 HMz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Vertex 70型紅外光譜儀；Alltech型凝膠色譜儀；Agilent 1100型高效液相色譜儀。

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 溫敏型仿酶催化劑的制備

依次稱取L-苯丙氨酸10 mmol,三乙胺11 mmol，溶解于20 mL無水二氯甲烷中，0 ℃下緩慢滴加30 mL溶有丙烯酰氯(11 mmol)的二氯甲烷溶液。滴加完畢后，緩慢升高溫度至室溫，繼續(xù)反應(yīng)2～8 h。反應(yīng)結(jié)束后，向反應(yīng)液中添加10 mL飽和NH4Cl溶液，CH2Cl2(2×5 mL)萃取水層，有機(jī)層用30 mL飽和NaHCO3洗滌，Na2SO4干燥，濃縮得淡黃色油狀液體。硅膠柱層析(洗脫劑：乙酸乙酯/正己烷=1/1,V/V)純化得目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)率72%；IRν:3283,3063,3030,2959,1732,1659,1632,1543,1406,1316,1296,1268,1191,1126,1066,1031,986,965,915,748,700,668,605,576,516,489 cm-1。

RAFT制備溫敏型手性氨基酸嵌段聚合物：分別取NIPAAm(50 mmol)和上述已制備的含有碳碳雙鍵的手性氨基酸化合物(10 mmol)溶于無水甲醇中，將溶液轉(zhuǎn)移到Schlenk管中，硫代丙酸卞酯0.0330 g(0.2 mmol)和AIBN 0.0052 g(0.03 mmol)加入到反應(yīng)液中。N2保護(hù)下，將反應(yīng)液置于60 ℃反應(yīng)24 h，反應(yīng)結(jié)束后，真空濃縮反應(yīng)液，多倍過量乙醚做沉淀劑處理反應(yīng)液，得到淡黃色固體產(chǎn)物，30 ℃真空干燥，得手性氨基酸嵌段聚合物PN50A10。

表1 5種不同親疏水比例催化劑表征Table 1 Characterization of five catalysts with different hydrophilic and hydrophobic ratios

Scheme 2

取4 mmol上述制備的PN50A10溶于無水二氯甲烷中，待溶解充分后加入2 mmol四異丙基鈦酸酯，室溫反應(yīng)8 h。旋干溶劑，加入2 mL四氫呋喃溶解產(chǎn)物，2滴水振蕩，減壓抽濾后旋干溶劑，適量乙醚反復(fù)沉淀得到黃色固體沉淀，30 ℃下，真空干燥得到催化劑TiIV-PNxAy，產(chǎn)率86%；IR:3423,3062,2965,1728,1614,1556,1454,1395,1135,1105,1044,924,836,675,617,558,511 cm-1。

(2) 5-甲氧基-2-[(4-甲氧基-3,5-二甲基-2-吡啶基)甲硫基]-1H-苯并咪唑的合成

取10 mmol 2-氯甲基-3,5-二甲基-4甲氧基吡啶鹽酸鹽和10.5 mmol 5-甲氧基-2-巰基苯并咪唑溶于40 mL甲苯中，溶液轉(zhuǎn)移至100 mL反應(yīng)釜中，加入0.4 mmol四甲基溴化銨(TBAB)，緩慢滴加2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %的氫氧化鈉溶液，將反應(yīng)釜置于60oC反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻到室溫，調(diào)節(jié)pH至7～8之間，靜置分層。采用甲苯(3×10 mL)萃取水層，合并有機(jī)相，熱水洗滌，減壓濃縮，降溫結(jié)晶，減壓抽濾，60 ℃真空干燥。得到白色固體，收率86%；1H NMR(CDCl3,500 MHz)δ:2.23～2.31(s,6H),3.78(s,3H),3.83(s,3H),4.35(s,2H),6.80～6.81(dd,2H),7.03(s,1H),7.40(s,1H) ,8.26(s,1H)；13C NMR(CDCl3,125 MHz)δ:165.1,156.0,148.4,126.4,125.5,111.0,60.1,55.8,35.1,13.4,11.3。

(3) 埃索美拉唑的合成

向10 mL反應(yīng)瓶中加入適量催化劑TiIV-PNxAy，取1 mL溶劑將催化劑溶解后，加入1 mmol的底物5-甲氧基-2-[[(4-甲氧基-3,5-二甲基-2-吡啶基)甲基]硫基]-1H-苯并咪唑硫醚。反應(yīng)瓶置于25℃條件下恒溫，緩慢滴加1.2 mmol 30 %H2O2(TCL檢測(cè))。剩余溶劑用CH2Cl2(3×10 mL)萃取，濃縮得到紅色油狀液體，加入少量丙酮析出固體、過濾、甲醇洗滌，得到白色固體，硅膠柱層析(洗脫劑：甲醇/二氯甲烷=2/8,V/V)純化得埃索美拉唑，收率95%;1H NMR(CDCl3,500 MHz)δ:2.06～2.16(s,6H),3.54(s,3H),3.78(s,3H),4.73～4.76(AB-system,2H),6.87～6.90(dd,2H),7.48(d,1H),8.14(s,1H)；13C NMR(125 MHz,CDCl3)δ:164.2,157.2,151.5,149.5,148.6,126.8,126.2,113.9,60.5,59.7,55.6,13.2,11.3。

(4) 埃索美拉唑鈉的合成

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

(1) FT-IR

采用FT-IR表征了聚N-異丙基丙烯酰胺PNIPAAm(a)；新鮮溫敏型氨基酸鈦催化劑TiIV-PN50A10(b)，回收催化劑TiIV-PN50A10(b′)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可得，溫敏聚合物PNIPAAm在3309 cm-1和3072 cm-1表現(xiàn)出—CONH—中—NH—的特征峰，在2973，2930 cm-1表現(xiàn)出—CH—CH—中—CH—的特征峰，在2876 cm-1表現(xiàn)出—CH(CH3)2中—CH3的特征峰，1653 cm-1和1540 cm-1表現(xiàn)出—CH(CH3)2中—CH—的伸縮振動(dòng)峰，與之前所報(bào)道一致[32](圖a)。上述這些特征峰在催化劑TiIV-PN50A10中依然存在，證明催化劑結(jié)構(gòu)中含有溫敏單元聚合物。此外，催化劑TiIV-PN50A10在704 cm-1出現(xiàn)金屬Ti—O—Ti配位的特征峰，證明金屬鈦成功配位到氨基酸單元的氮原子上(圖1b)，催化劑結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)回收后的催化劑同樣進(jìn)行紅外表征，結(jié)果表明，回收后的催化劑與新鮮催化劑結(jié)構(gòu)吻合，催化劑在反應(yīng)前后，結(jié)構(gòu)并未被破壞(圖1b′)。

ν/cm-1圖1 聚合物PNIPAAm(a)，新鮮催化劑TiIV-PN50A10(b)和回收催化劑TiIV-PN50A10(b′)FT-IR譜圖Figure 1 FT-IR spectra of PNIPAAm(a),fresh TiIV-PN50A10(b),TiIV-PN50A10 reused for six times(b′)

2.2 催化劑性能

(1) 5種催化劑性能比較

為了篩選出性能優(yōu)越的催化劑，將5種不同親疏水比例催化劑用于水相催化奧美拉唑的不對(duì)稱氧化反應(yīng)，其結(jié)果如下表2所示，各催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如圖2所示。

由表2可得，不同親疏水比例中，催化劑TiIV-PN50A10的催化效果最好，所得到的收率和對(duì)映體選擇性均最高(收率達(dá)到95%，對(duì)映體選擇性高達(dá)98%)，幾乎可實(shí)現(xiàn)硫醚定量轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)手性亞砜產(chǎn)物。當(dāng)減少親水端比例時(shí)，所形成的納米反應(yīng)器外層親水基團(tuán)減少，不能很好的將疏水底物硫醚包裹進(jìn)疏水納米反應(yīng)空腔內(nèi)部，因此導(dǎo)致催化劑TiIV-PN30A10和TiIV-PN40A10的催化效果均有所下降。增加親水端比例時(shí)，催化劑TiIV-PN60A10和TiIV-PN70A10中疏水活性中心減少，催化活性減弱，反應(yīng)相同時(shí)間，產(chǎn)率和對(duì)映選擇性均下降。綜上，選擇催化劑TiIV-PN50A10進(jìn)行催化反應(yīng)性能考察。

表2 不同親疏水比例催化劑應(yīng)用于純水相不對(duì)稱奧美拉唑氧化反應(yīng)Table 2 The asymmetric omeprazole oxidation catalyzed by different catalysts in water

如圖2所示，溫敏型催化劑在反應(yīng)開始時(shí)，均表現(xiàn)出較低的催化效率。直至90 min后，反應(yīng)速率迅速增大，隨后反應(yīng)速率呈線性增長(zhǎng)。這一趨勢(shì)表明，催化劑在水中形成納米反應(yīng)器，反應(yīng)初期，硫醚底物緩慢進(jìn)入納米反應(yīng)器內(nèi)部，當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定后，疏水空腔內(nèi)部的底物與活性中心急劇碰撞，從而加快反應(yīng)速率，表現(xiàn)出酶催化的特性。因此，該法制備的催化劑表現(xiàn)出極高的催化效率，可大大提高工藝生產(chǎn)效率，并解決環(huán)境污染問題。

Time/min圖 2 各催化劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)Figure 2 Kinetic curves of asymmetric omeprazole oxidation catalyzed by different catalysts in water

(2) 溶劑效應(yīng)

為了觀察催化劑在水中反應(yīng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，采用動(dòng)力學(xué)研究反應(yīng)過程。反應(yīng)溶劑對(duì)于催化反應(yīng)過程中納米反應(yīng)器的構(gòu)筑至關(guān)重要，因此，研究了不同溶劑中催化劑的催化性能，結(jié)果如表3所示。

表3 不同溶劑的影響Table 3 The effect of different solvents

由表3可見，溶劑為水時(shí)，催化劑TiIV-PN50A10效果最好。在水溶液中，催化劑溶解性良好，在水中分子內(nèi)疏水作用力下可自折疊形成納米反應(yīng)器，疏水活性中心包裹在納米反應(yīng)器內(nèi)部。加入有機(jī)反應(yīng)底物奧美拉唑硫醚后，在疏水驅(qū)動(dòng)力下，底物進(jìn)入納米反應(yīng)器內(nèi)部被大量富集。水相氧化劑雙氧水緩慢進(jìn)入納米反應(yīng)器內(nèi)部，與足量硫醚劇烈碰撞，從而加速反應(yīng)進(jìn)行，納米反應(yīng)器可有效阻止氧化劑過量形成砜。因此，催化劑TiIV-PN50A10在水中相比有機(jī)溶劑可獲得更高的產(chǎn)率和對(duì)映體選擇性，表現(xiàn)出仿生催化特性。催化劑在有機(jī)溶劑中不能通過自組裝形成納米反應(yīng)器，因此，有機(jī)相催化反應(yīng)效率低、對(duì)映體選擇性差。

(3) 其它底物

將性能最優(yōu)催化劑用于不同底物的考察，結(jié)果如表4所示。由表4可得，催化劑TiIV-PN50A10應(yīng)用于不同底物均具有良好的催化效果，在純水相反應(yīng)體系中，室溫條件下，反應(yīng)3 h均能得到較高的產(chǎn)率和對(duì)映體選擇性。蘭索拉唑反應(yīng)3 h實(shí)現(xiàn)92%的收率和97%的對(duì)映體選擇性，因此該類催化劑在水溶液中可自組裝形成納米反應(yīng)器，疏水底物進(jìn)入納米反應(yīng)器空腔，實(shí)現(xiàn)高效催化，解決了催化劑水相催化傳質(zhì)差、效率低等問題，表現(xiàn)出仿生催化的特性。同時(shí)，奧美拉唑亞砜、蘭索拉唑亞砜、泮托拉唑亞砜和雷貝拉唑亞砜均屬手性藥物，該法可制備出高收率、高對(duì)映體選擇性手性產(chǎn)物，在工業(yè)中具有很好的應(yīng)用前景。

表4 不同底物應(yīng)用于純水相不對(duì)稱催化氧化反應(yīng)Table 4 Results of asymmetric oxidation over different substrates

(4) 催化劑循環(huán)性

將經(jīng)過升溫、洗滌、干燥后回收的催化劑重新置于水溶液中溶解后，加入反應(yīng)物開始重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后分離催化劑和產(chǎn)物，計(jì)算產(chǎn)率和對(duì)映體選擇性等。

催化劑TiIV-PN50A10重復(fù)使用5次，產(chǎn)物埃索美拉唑的產(chǎn)率基本保持不變，對(duì)映體選擇性可維持在94%以上。將催化劑配制成濃度為0.5 mg/mL的水溶液，測(cè)量其升溫和降溫過程中紫外透光率的變化，結(jié)果表明，催化劑具有良好的溫度響應(yīng)性，經(jīng)過反復(fù)升溫降溫，其紫外響應(yīng)信號(hào)依然靈敏。該項(xiàng)研究表明，通過RAFT法制備得到的溫敏型手性氨基酸鈦催化劑可實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

(1) 以自然界中來源廣泛的手性氨基酸和工業(yè)化溫敏材料N-異丙基丙烯酰胺為原料，采用RAFT法，制備出系列溫敏型聚合物PNxAy，并利用金屬配位作用得到溫敏型氨基酸鈦催化劑TiIV-PNxAy，制備方法簡(jiǎn)單，工業(yè)可操作性強(qiáng)。

(2) 將催化劑用于純水相不對(duì)稱硫醚氧化反應(yīng)中，僅1.0 mol%催化劑反應(yīng)3 h，即實(shí)現(xiàn)埃索美拉唑收率達(dá)95%，對(duì)映體選擇性高達(dá)98%。可定量獲得手性單一的埃索美拉唑藥物，表現(xiàn)出仿生催化特性，詳細(xì)探究了催化劑親疏水比例、動(dòng)力學(xué)、溶劑等影響因素，得到最優(yōu)催化反應(yīng)體系。

(3) 催化劑室溫下可很好的溶于水，升溫即可從水相中的析出，實(shí)現(xiàn)催化劑的溫控便捷回收和重復(fù)使用，實(shí)驗(yàn)室可重復(fù)使用5次以上。