论文总字数：17189字

摘 要

穿心莲为爵床科类植物，而穿心莲内酯为二萜内酯类天然产物，穿心莲属在中药的清热解毒、凉血消肿等作用疗效中扮演着重要角色。通过现代药理学实验研究，了解到穿心莲内酯及其衍生物拥有免疫刺激、保肝利胆、消炎抗菌、抗肿瘤、抗病毒感染等作用效果。

穿心莲内酯的化学式为C₂₀H₃₀O₅。现代药理学研究表明，穿心莲内酯衍生物时常作为选择性药理学活性药物作用，表现出广泛的药理学活性和特定结构特征。本论文工作是探索一条合适的，在这些衍生物合成过程中的重要中间体化合物A-4的合成线路。起初，以穿心莲内酯为原料，用TBS保护成化合物A-2；再利用CF₃COOH选择性地脱去C-19位的保护基，从而得到化合物A-3；最终，在TEMPO/BAIB催化氧化体系下，将化合物A-3的C-19位羟基氧化成羧基，得到目标化合物A-4。在研究过程中在溶剂、反应温度、反应时间、以及投料比等各个方面进行了研究对比，得出了每步实验的最优条件，总产率可达~40%。

关键词：穿心莲内酯 抗肿瘤 衍生物 结构改造

Design and Synthesis of Andrographolide Derivatives

Abstract

Andrographolide is one of the main diterpenoid compounds，which were extracted from acanthaceae plant Andrographis paniculata (Burm.f.）Nees. In traditional Chinese Medicine (TCM)，it is referred to exert its efficacy by heat-clearing and detoxicating，blood-cooling and detumescence and so on. Modern pharmacological studies have shown that andrographolide and its derivatives function as dephlogistication and antibiosis，anti-viral infection，anti-tumor，immune-stimulating and so on.

The chemical formula of andrographolide is C₂₀H₃₀O₅. Vast researches have shown that andrographolide derivatives exhibit very broad-spectrum pharmacological activity and the specific structural features sometimes function as selective pharmacological activity. This project is to design，synthesize and discover novel andrographolide derivatives for specific pharmacological aims. In this thesis，we design a synthetic route to synthesize the important intermediate of compound A-4. Firstly，we use andrographolide as raw materials to produce compound A-2 by TBS. Then，selectively removing the protection of C-19 by CF₃COOH was carried out to form compound A-3. At last，19-hydroxyl of compound A-3 was oxidized to carboxyl,which was followed by the catalytic oxidation system of TEMPO and BAIB to produce the target compound A-4. In addition，various reaction conditions were conducted for optimum paramters，such as solvents，reaction temperature，reaction time，the ratios of reactants，and etc. The total yield for 4 steps is ~40%.

Key Words: andrographolide; anti-tumor; derivatives; structure modification

目 录

摘 要 1

Abstract 1

第一章 文献综述 1

1.1 穿心莲内酯 1

1.1.1 穿心莲内酯的概述 1

1.1.2 穿心莲内酯的制备方法^[1] 1

1.1.3 穿心莲内酯的药理作用 2

1.2 穿心莲内酯衍生物 4

第二章 实验部分 8

2.1 合成路线设计 8

2.2 实验仪器和实验试剂 8

2.2.1 实验仪器 8

2.2.2 实验试剂 9

2.3 实验步骤 9

2.3.1 化合物A-1的合成 9

2.3.2 化合物A-2的合成 10

2.3.3 化合物A-3 的合成 10

第三章 结果与讨论 12

3.1 化合物A-1的合成方法研究 12

3.1.1反应溶剂对产物收率的影响 12

3.2化合物A-2的合成方法研究 13

3.2.1 脱保护试剂的选择对产物收率的影响 13

3.3 化合物A-3的合成方法研究 13

3.4.3 投料比对产物收率的影响 13

第四章 总结与展望 15

致 谢 18

第一章 文献综述

1.1 穿心莲内酯

1.1.1 穿心莲内酯的概述

穿心莲(Andrographis paniculata (Burm.f.）Nees)，产自中国台湾、中国大陆以及印度地区，是一种中药^[1]，为爵床科植物穿心莲的主要活性成分之一，且其主要的有效成分是内酯类化合物。而穿心莲内酯（andrographolide）是穿心莲的主要二萜类内酯成分之一，是属于二萜内酯类天然产物的一种药物，具有抗病毒、抗心血管疾病、抗炎、抗癌、抗菌等功效，所以人们将其称为天然抗生素药物^[2]。当今时代，人们在进行医学的相关研究时发现，穿心莲内酯及其衍生物具有抗肿瘤、消炎抗菌、抗病毒感染、免疫刺激、抗肿瘤、保肝利胆等作用。尽管穿心莲内酯服从于五规则，并被赋予了引人关注的药效团，且这样的药效团又显示有多样的药理学作用活动并在广泛疾病范围内存在治疗的潜力，但穿心莲内酯低水溶性以及相对较低的脂溶性导致其较弱的能效以及不充分的治疗能效，还限制了其应用前景。为了改善穿心莲内酯的生化性能以及药物学特征，近年来，相继报道出大量穿心莲内酯的衍生物及其药理活性功能方面的研究；例如，14-酰氧基穿心莲内酯衍生物及其抗菌剂和/或抗癌活性，14-苯氧基-穿心莲内酯衍生物及其FXR拮抗活性，脱水穿心莲内酯衍生物及其抗病毒活性，19-叔丁基二甲基硅烷、19-三苯甲基化衍生物及其细胞活性。^[3]

图1-1 穿心莲内酯的化学结构及其碳原子编号

Fig. 1-1 the chemical structure of andrographolide and the serial number of its carbon atom

中文名：穿心莲内酯

英文名：Andrographolide

CAS: 5508-58-7

化学式：C₂₀H₃₀O₅

1.1.2 穿心莲内酯的制备方法^[4]

使用95%乙醇浸泡穿心莲叶，再用活性炭对乙醇浸泡取液进行脱色，将脱色液进行蒸馏，回收乙醇，静置浓缩液，得到的就是穿心莲粗晶品，加入粗晶15倍量的95%乙醇，使其加热溶解，再进行一次活性炭脱色，然后趁热过滤，静置，使之重结晶，此时，会有淡黄色重结晶品出现，最后，再进行一次洗涤，分别用蒸馏水、氯仿、甲醇洗涤，从而得到穿心莲内酯的成品。相对于生药进行比率计算，其总收率为1-1.5%。

1.1.3 穿心莲内酯的药理作用

1.1.3.1 抗肿瘤作用

综合国内外学者的相关研究报告发现，穿心莲内酯对肿瘤细胞存在较好的抑制作用。Rajagopal等^[5]科研学者研究发现，对于多种肿瘤细胞系而言，穿心莲内酯拥有很好的抵抗作用效果。在通常情况下，普遍认为，只有当穿心莲内酯及其衍生物必拥有完整的五元内酯环结构的前提之下，才能发挥其抑制肿瘤细胞增殖的效果，此外，Δ12，13双键、Δ8，17双键及C-14羟基或成环也是穿心莲内酯存在活性的相关的基团。

一些相关的抗肿瘤报道中^[6]，对于研究穿心莲内酯衍生物在食道癌方面的药理实验研究时发现，穿心莲内酯衍生物在对食管癌Ec9706细胞的增生方面以及克隆的形成方面，均存在非常明显的抑制作用，可以达到阻滞细胞周期G0/G1期的作用效果，并通过下调bcl2，激活caspase9、caspase3诱导Ec9706细胞凋亡。与此同时，我们在进行体外研究时发现，在结肠癌HCT-8和前列腺癌PC-3、HCT-116细胞、乳腺癌MCF-7细胞、食管癌Ec9706细胞等肿瘤细胞的增殖活性方面，穿心莲内酯均存在一定抑制作用。

1.1.3.2 解热、抗炎作用

研究表明，机体由于肺炎双球菌以及溶血性乙型链球菌的存在，而引起体温升高的现象，若使用穿心莲内酯类药物，可对这一现象起到一定的延缓和抑制作用。在分别对家兔和大叔进行药理实验时，得到以下结论：2，4-二硝基苯酚引起发热的大鼠或因伤寒、副伤寒菌苗引起发热家兔，在注射入穿心莲内酯相关药物，则穿心莲内酯会明显起到清热作用效果，另外，对同时受到肺炎双球菌和溶血性链球菌培养物感染，引起发热的家兔，穿心莲内酯能够延迟体温上升的时间，并对体温上升的程度有削弱作用。在临床试验中，为了抑制下丘脑中PEG₂ 和cAMP的含量升高，通常注射穿琥宁注射液，利用其清热作用进行解热，内毒素结构能够被该注射液直接损毁，与此同时，可以对介导释出的大量炎症因子如癌症细胞的坏死因子以及白介素的活性进行抑制而起到拮抗内毒素的效果^[7]。

一些前炎症蛋白的表达可以被穿心莲内酯抑制，在基因表达研究中，对核因子，这些前炎症蛋白存在有连接位的作用，通过使用穿心莲内酯，可以抑制NF-κB与DNA的联结，进而起到了抵抗炎症的作用，降低了如COX-2的前炎症蛋白的表达。对穿心莲内酯的研究进展及临床应用相关研究的学者^[8]在文章中指出，对小鼠巨噬细胞研究中发现，在巨噬细胞产生NO过程中，穿心莲内酯会对其产生一定的抑制效果。上海中科院科研工作者^[9]使用穿心莲内酯进行了生物化学相关实验研究，研究表明穿心莲内酯在对p50蛋白上第62位、处于还原状态的半胱氨酸进行修饰时，会以一种共价结合的形式存在，这样的结合，可以阻断NF-κB二聚体跟特定DNA调控序列的连接，在这样一个实验中，我们便可以从分子机制上解释穿心莲内酯是如何进行抵抗炎症的作用过程了。

1.1.3.3 抗病毒作用

通过文献的搜索，发现对HKV病毒、EBOV病毒以及RSV病毒^[10]，穿心莲内酯会产生拮抗效果。在体外，穿心莲内酯具有抗HIV特性：穿心莲内酯及其衍生物对HI抵抗作用^[11]，是通过对蛋白原转化酶1和7（PC1，PC7）及Furin蛋白酶的活性的不同程度上存在抑制作用而达到的。同时，穿心莲内酯及其衍生物还可通过抑制HIV-1是的使得细胞周期失去动态平衡，使感染者体内的淋巴细胞CD₄ 含量增高，随后，病毒包膜糖基蛋白的裂解被阻滞致使病毒细胞的破坏，进而保护细胞不被病毒入侵。穿心莲内酯能与齐多夫定共同作用，通过反转录酶的抑制活性而对外周血单核细胞中复制HIV-1的行为进行妨碍。

1.1.3.4 免疫调节作用

穿心莲内酯及其衍生物是一种免疫刺激剂^[12]，可通过影响NK、巨噬细胞及细胞因子分泌，调节机体非特异免疫功能，达到免疫作用。南京医科大学研究者^[13]研究发现对豚鼠注射莲必治注射液，能提高其单核巨噬细胞对鸡红细胞的吞噬率并提高人外周血中NK细胞进而杀伤细胞K562的活性，促进LAK细胞的生长、增加细胞表型，增加LAK细胞的杀伤效应时间，还能致使人外周血单核细胞干扰素（IFN-α、IFN-γ、TNF-α）的产生，从而提高机体的免疫功能。

1.1.3.5 对心血管系统的作用^[14]

穿心莲内酯可以抗缺血再灌注损伤和抗心肌缺血、调脂、抗动脉粥样硬化、保护血管内皮细胞、抗血小板聚集、降血压和预防血管形成术后再狭窄以及改善血液流变性等作用。

1.1.3.6 保肝利胆作用

分别对大鼠、豚鼠进行的试验后发现，使用穿心莲内酯后可使他们去氧胆酸量、胆酸、胆盐和胆汁流量的数量明显增加，而使由于扑热息痛引起的胆酸、胆汁等分泌物的减少发生逆转，使肝功能得到感受^[15]。人体由于使用可卡因，使得肝脏受到急性伤害的这种情况，可通过使用穿心莲内酯，利用其保肝机制加上穿心莲内酯抑制脂质过氧化反应作用，使得组织中生成氧自由基的数量下降^[16]，从而达到最终的保护作用。穿心莲内酯的使用能够让存在于血清和肝脏中的TG数量明显减少，同时，还可以改善肝脂肪变性程度和炎症活动程度，使肝匀浆和血清的MDA提高肝脏SOD活性降低，所以，穿心莲内酯可明显作用抗脂质过氧化，在防治非酒精性脂肪性肝炎的方面有很好的前景^[17]。

1.1.3.7 抗糖尿病作用

药理实验证明，穿心莲内酯能使正常鼠血糖含量降低，而且最大效果比患有糖尿病的实验鼠明显^[18]。给正常的实验鼠注射有效剂量（1.5mg/kg）的穿心莲内酯，正常鼠由静脉葡萄糖耐受试验诱导的血糖浓度的增加得到明显减缓。而穿心莲内酯也能降低缺乏胰岛素的糖尿病鼠的血糖水平。

1.1.3.8 抗生育作用

在进行小鼠实验时发现，对小鼠注射有穿心莲注射液时，穿心莲内酯对着床和早、中、晚妊娠存在非常明显的抑制作用效果，在临床试验中，对4-6个月的孕妇进行引产，其成功率高达96%，同时，穿心莲煎剂的多种给药方法均能有中止妊娠的作用^[19]。实验还发现，人早期妊娠胎盘绒毛会因为穿心莲内酯丁二酸单醋钠盐的注射使用而受到损伤^[20]。另外，穿心莲内酯会影响男性精子的形成^[21]。

1.2 穿心莲内酯衍生物

穿心莲内酯衍生物，即对穿心莲内酯的某些具高活性的药效基团进行改造，得到的一系列穿心莲内酯类的化合物。

穿心莲内酯的化学结构以反式十氢萘环为母核，环外具有端头双键以及α,β-不饱和-γ-丁内酯结构。宏观上，整个分子可以视为一个柔性结构母核通过 C-11和C-12与一个刚性结构相连，其中刚性结构环外α,β-不饱和-γ-丁内酯在C-12,13位双键的作用下使得C-13、C-14、C-16处于同一平面，键角均约在 120°， 导致内酯环张力增大，结构稳定性降低，另外酯基还有易开环水解的特性；结构中含有三个羟基，分别是C-3位仲羟基，C-14位烯丙位仲羟基和C-19位伯羟基，其中以C-14位烯丙位仲羟基的化学性质最为活泼，在羟基氧化过程中会发生烯丙位的双键迁移，或在碱性较强的环境下会发生羟基消去甚至消去后双键迁移。可见，穿心莲内酯多官能团的分子结构决定其化学性质较为活泼，在结构改造上有较大空间^[22]。

1.2.1、 Michael 加成反应

1970到1980年，秦国伟等^[23]为了增加穿心莲内酯的亲水性，使用穿心莲内酯或脱水穿心莲内酯当原料，在其结构上引进亲水性基团，并使其与亚硫酸氢钠加成，制成注射液 (莲必治) ，并使用于临床，通过临床试验，发现能很好治疗上呼吸道感染等疾病。21世纪初徐浩和黄文龙等^[24]利用Michael加成反应，合成得到16个穿心莲内酯硝甲基衍生物（Fig. 1-2），通过初步的活性评价，证明这些新化合物对肿瘤活性便显出不同的抑制作用。

图1-2 穿心莲内酯衍生物2~3的合成

Fig. 1-2 Synthesis of andrographolide derivatives 2~3

1.2.2、氧化、还原、酯化和醚化反应

四川中药研究所^[25]为了增加其水溶性，提高生物利用度，使药效增强，将穿心莲内酯作为原料，为最终得到脱水穿心莲内酯的琥珀酸半酯钠盐，使用酯化反应与琥珀酸酐进行合成反应。

印度学者课题组^[26]为了研究抗肿瘤活性研究和初步构效关系研究，在对大量文献及进行查阅总结后，对穿心莲内酯依次进行了脱水、还原、氧化以及酯化等反应，通过一系列的反应，研究得到穿心莲内酯类似物(Fig. 1-3)的合成化合物，通过研究，还发现氧化8，17位双键而得到的穿心莲内酯衍生物对肿瘤活性的抑制作用没有发生变化；而在对8，17 位双键进行氧化后，再酯化羟基，使衍生物活性明显提高；先酰化3个羟基再修饰 8，17位的环氧则使活性下降。

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