高蕊蕊，楊曉琳，李春江，鞏超彥，逯曉青，賀潤麗

(山西中醫(yī)藥大學(xué)，山西 晉中 030619)

一種有內(nèi)源性活性因子的雜環(huán)分子——2,3-吲哚醌衍生物廣泛存在于人體體液[1]，海洋生物組織，藥用植物青黛、甘藍(lán)、大青葉和板藍(lán)根中，其化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單明晰，分子量較小，是制備抗癌新藥靛玉紅的前驅(qū)體、染料的中間體[2]。劉娜等[3]研究證實(shí)，2,3-吲哚醌衍生物能夠抑制乳腺癌細(xì)胞的增殖并且保護(hù)正常細(xì)胞，提高免疫和抗氧化能力，起到抗癌功效。張芳等[4]研究發(fā)現(xiàn)2,3-吲哚醌衍生物能減輕H2O2導(dǎo)致的多巴胺(DA)能細(xì)胞氧化損傷，為預(yù)防和治療相關(guān)功能失調(diào)疾病提供了新思路。2,3-吲哚醌衍生物還具有抗衰老、抗抑郁、抗帕金森、抗阿爾茨海默病、抗動脈粥樣硬化、抗病毒、抑菌、生殖保護(hù)等作用[5-10]。

早在2002年，Rossiter[11]利用溴化銅和乙酸乙酯催化2-吲哚酮首先生成中間體2,2-二溴代吲哚酮，然后在甲醇水溶液中水解回流2 h合成2,3-吲哚醌衍生物，發(fā)現(xiàn)其在癌癥治療方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Yadav等[12]利用摩爾濃度10%的CeCl3·7H2O和2-碘?；郊姿釋⑦胚崛〈镌谝译嫠芤褐写呋趸癁檫胚狨苌?，收率在85%以上。西北大學(xué)的劉建利教授課題組[13]利用苯胺(或苯胺衍生物)、水合三氯乙醛、鹽酸羥胺反應(yīng)生成中間體異亞硝基乙酰苯胺及其衍生物，然后加入濃硫酸關(guān)環(huán)生成吲哚醌及其衍生物。也有學(xué)者以吲哚酮和苯甲醛衍生物為原料，在微波輻射條件下經(jīng)縮合反應(yīng)成功合成具有較強(qiáng)抗腫瘤作用的吲哚醌衍生物[如3-(3-甲氧基-4-羥基)苯亞甲基吲哚-2-酮][7,14]。Jiro等[15]通過兩步法由吲哚制備靛紅：首先5-氰基吲哚與氫化鈉、二甲基乙酰胺(DMAC)、鹵代烷反應(yīng)生成中間體1-烷基-5-氰基吲哚；然后中間體在N-溴代丁二酰亞胺-二甲基亞砜(NBS-DMSO)體系中生成1-烷基-5-氰基吲哚醌，收率可達(dá)90%。

天然的吲哚醌類生物堿不易提取分離、收率較低，而傳統(tǒng)的人工合成方法存在步驟多[15-17]、反應(yīng)條件苛刻、原料昂貴等問題，因此，開發(fā)一種簡便、低成本、高收率的2,3-吲哚醌衍生物的合成方法勢在必行。Rossiter[11]發(fā)現(xiàn)，2-吲哚酮衍生物芐位上的氫原子具有一定的活性，在甲醇水溶液中加熱即可得到相應(yīng)取代基的2,3-吲哚醌衍生物?；诖?，作者采用一步法，通過醋酸銅 [Cu(OAc)2]催化2-吲哚酮衍生物芐位上氫原子得到相應(yīng)碳自由基，然后經(jīng)氧氣氧化成過氧自由基[18-19]，最后脫去1分子水合成2,3-吲哚醌衍生物。以5-氯-2-吲哚酮(Ⅰa)、5-溴-2-吲哚酮(Ⅰb)、6-氯-2-吲哚酮(Ⅰc)為原料合成相應(yīng)的2,3-吲哚醌衍生物的路線如圖1所示。

圖1 2,3-吲哚醌衍生物的合成路線Fig.1 Synthetic route of 2,3-indolequinone derivatives

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

所用試劑均為分析純，國藥集團(tuán)。

XR4型顯微熔點(diǎn)測定儀(溫度未經(jīng)校正)，上海光學(xué)儀器廠；Vario EL型元素分析儀，德國Elementar公司；INOVA-400MHz型核磁共振儀，美國Varian公司；Nicolet iS10型傅立葉紅外光譜儀(KBr壓片)，美國賽默飛公司；MAT95XP型高分辨質(zhì)譜(ESI)，美國菲尼根公司。

1.2 2,3-吲哚醌衍生物的合成

在裝有蛇形回流冷凝管、磁力攪拌器、溫度計(jì)的5 mL三頸圓底燒瓶中加入0.25 mmol取代2-吲哚酮和0.012 5 mmol(2.3 mg)Cu(OAc)2，橡膠塞密封瓶口，連接油泵將圓底燒瓶抽真空后換成氧氣球，使氧氣充滿整個(gè)圓底燒瓶；然后迅速加入1.0 mL干燥的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。將裝好原料的圓底燒瓶置于50 ℃恒溫油浴中不斷攪拌，采用薄層色譜法(TLC)分析監(jiān)測生成物，反應(yīng)完全后，將反應(yīng)混合液冷卻至室溫，加30 mL乙醚進(jìn)行稀釋，用飽和食鹽水洗滌5～6次，加入少量無水Na2SO4干燥，減壓濃縮，得到固體2,3-吲哚醌衍生物粗品，經(jīng)柱層析(乙酸乙酯∶石油醚=1∶2，體積比)分離，晾干，即得2,3-吲哚醌衍生物純品，稱重后計(jì)算收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 2,3-吲哚醌衍生物的結(jié)構(gòu)表征

分別以5-氯-2-吲哚酮(Ⅰa)、5-溴-2-吲哚酮(Ⅰb)、6-氯-2-吲哚酮(Ⅰc)為原料，合成得到3種目標(biāo)產(chǎn)物Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc，其表征數(shù)據(jù)如下(1HNMR選取δ2.61作為內(nèi)標(biāo)，13CNMR選取δ39.4作為內(nèi)標(biāo))：

5-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱa)：橘紅色晶體，m.p. 245～247 ℃，收率82%。IR,ν,cm-1:3 440(N-H),3 094、3 086(苯環(huán)上H),1 745、1 703(2個(gè)羰基),1 616、1 550(芳雜環(huán)的骨架振動);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.07(s,1H),7.54(d,J=8.0 Hz,1H),7.48(s,1H),6.85(d,J=8.0 Hz,1H);13CNMR(100 MHz，DMSO-d6),δ:183.4,159.2,149.2,137.3,126.8,124.2,119.2,113.8;HRMS(ESI),m/z:[M+Na]+calcd for C8H4ClNO2Na:204.265 5,Found:204.265 0。分子式C8H4ClNO2，分子量181.265 3。理論值：ω(C)=53.38%，ω(H)=2.21%，ω(N)=7.75%，ω(O)=17.66%；計(jì)算值：ω(C)=53.37%，ω(H)=2.23%，ω(N)=7.73%，ω(O)=17.46%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

5-溴-2,3-吲哚醌(Ⅱb)：橘紅色晶體，m.p. 236～238 ℃，收率80%。IR,ν,cm-1: 3 387(N-H)，3 004、3 073(苯環(huán)上H),1 703、1 699(2個(gè)羰基),1 608、1 450(芳雜環(huán)的骨架振動);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.10(s，1H)，7.70(d，J=8.0 Hz，1H)，7.62(s，1H)，6.83(d，J=8.0 Hz，1H)；13CNMR(100 MHz,DMSO-d6),δ:183.2,159.0,149.6,140.0,126.9,119.6,114.31,114.28;HRMS(ESI)，m/z：[M+Na]+calcd for C8H4BrNO2Na：270.913 3，F(xiàn)ound：270.913 6。分子式C8H4BrNO2，分子量245.931 9。理論值：ω(C)=42.49%，ω(H)=1.77%，ω(N)=6.20%，ω(O)=14.16%；計(jì)算值：ω(C)=42.51%，ω(H)=1.75%，ω(N)=6.17%，ω(O)=14.20%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

6-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱc)：棕黃色固體,m.p. 240～241 ℃, 收率78%。IR,ν,cm-1:3 444(N-H)，2 987、3 098(苯環(huán)上H),1 739、1 713(2個(gè)羰基),1 630、1 580(芳雜環(huán)的骨架振動);1HNMR(400 MHz，DMSO-d6),δ:11.11(s,1H),7.46(d,J=8.0 Hz,1H),7.05(d,J=8.0 Hz,1H),6.87(s,1H);13CNMR(100 MHz,DMSO-d6),δ:183.0,159.4,151.8,142.3,126.2,122.7,116.8,112.2;HRMS(ESI)，m/z：[M+Na]+calcd for C8H4ClNO2Na：203.972 0，F(xiàn)ound：203.972 4。分子式C8H4ClNO2，分子量180.982 3。理論值：ω(C)=53.04%，ω(H)=2.21%，ω(N)=7.73%，ω(O)=17.68%；計(jì)算值：ω(C)=53.14%，ω(H)=2.18%，ω(N)=7.69%，ω(O)=17.58%；nC∶nH∶nN∶nO= 8∶4∶1∶2。

2.2 合成條件優(yōu)化

以5-氯-2-吲哚酮為模型化合物，考察合成條件(催化劑用量、氧化劑、反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間)對目標(biāo)產(chǎn)物5-氯-2,3-吲哚醌(Ⅱa)收率的影響，結(jié)果見表1。

由表1可知：(1)隨著催化劑Cu(OAc)2用量的增加(1#～5#)，收率先升高后降低，在Cu(OAc)2用量為5%時(shí)收率達(dá)到最高，為82%；反應(yīng)體系無催化劑時(shí)即使反應(yīng)24 h仍無產(chǎn)物生成；反應(yīng)體系催化劑用量較少(2%)時(shí)將反應(yīng)時(shí)間延長至16 h，收率仍在70%以下。因此，選擇催化劑Cu(OAc)2用量為5%。(2)固定催化劑Cu(OAc)2用量為5%，對反應(yīng)溶劑(C2H5OH、DMSO、DMF)和氧化劑(氧氣、空氣)進(jìn)行優(yōu)化(3#、6#～8#)，發(fā)現(xiàn)以DMF為反應(yīng)溶劑、氧氣為氧化劑時(shí)，5-氯-2,3-吲哚醌收率最高，為82%。(3)固定催化劑Cu(OAc)2用量為5%、DMF為反應(yīng)溶劑、氧氣為氧化劑，對反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化(3#、9#、10#)，發(fā)現(xiàn)降低反應(yīng)溫度至40 ℃時(shí)，即使延長反應(yīng)時(shí)間至20 h收率仍相對較低，升高反應(yīng)溫度到60 ℃，收率保持在80%，考慮到節(jié)能，選擇反應(yīng)溫度為50 ℃、反應(yīng)時(shí)間為12 h。

表1 合成條件的優(yōu)化

綜上，5-氯-2-吲哚酮合成5-氯-2,3-吲哚醌的最佳條件如下：催化劑Cu(OAc)2用量為5%、氧氣為氧化劑、DMF為反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度為50 ℃、反應(yīng)時(shí)間為12 h。

2.3 反應(yīng)機(jī)理分析

根據(jù)相關(guān)研究及本研究結(jié)果，針對取代2-吲哚酮合成2,3-吲哚醌衍生物這一化學(xué)反應(yīng)提出了一種合理的反應(yīng)機(jī)理(圖2)：第一步，取代2-吲哚酮在Cu2+的催化下生成碳自由基中間體1，同時(shí)Cu2+被還原為Cu+；第二步，碳自由基中間體1被氧氣氧化為過氧自由基中間體2；第三步，過氧自由基中間體2結(jié)合體系中H·生成取代過氧吲哚酮3；第四步，取代過氧吲哚酮3脫去1分子水生成產(chǎn)物2,3-吲哚醌衍生物。

圖2 取代2-吲哚酮合成2,3-吲哚醌衍生物的反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Synthetic mechanism of 2,3-indolequinone derivatives from substituted 2,3-indolione

3 結(jié)論

以含吸電子基2-吲哚酮為原料，通過醋酸銅催化氧氣氧化一步合成2,3-吲哚醌衍生物。以5-氯-2-吲哚酮為模型化合物，最佳合成條件如下：催化劑醋酸銅用量為5%、氧氣為氧化劑、N,N-二甲基甲酰胺為反應(yīng)溶劑、反應(yīng)溫度為50 ℃、反應(yīng)時(shí)間為12 h，在此條件下，5-氯-2,3-吲哚醌收率可達(dá)82%。該方法具有原料簡單環(huán)保、反應(yīng)條件溫和、收率較高等優(yōu)點(diǎn)。作為內(nèi)源性活性成分的吲哚醌及其衍生物在抗腫瘤、抑菌、精神治療等多方面有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，該合成方法將為醫(yī)藥界新藥的開發(fā)提供可靠的技術(shù)支撐。