氯霉素合成路线及其主反应条件

氯霉素合成路线及其主反应条件
中间产物最好写结构式哦.

一、目的要求
1.熟悉溴化、Delepine反应、乙酰化、羟甲基化、Meerwein-Ponndorf-Verley羰基还原、水解、拆分、二氯乙酰化等反应的原理.
2. 掌握各步反应的基本操作和终点的控制.
3. 熟悉氯霉素及其中间体的立体化学.
4. 了解播种结晶法拆分外消旋体的原理,熟悉操作过程.
5. 掌握利用旋光仪测定光学异构体质量的方法.
二、实验原理
氯霉素的化学名为1R,2-（-）-1-对硝基苯基-2-二氯乙酰胺基-1,3-丙二醇,（1R,2R）-（-）-p-nitropHenyl-2-dichloroacetamido-1,3-propanediol.氯霉素分子中有两个手性碳原子,有四个旋光异构体.化学结构式为：


上面四个异构体中仅1R,2R（-）〔或D（-）苏阿糖型〕有抗菌活性,为临床使用的氯霉素.
氯霉素为白色或微黄色的针状、长片状结晶或结晶性粉末,味苦.mp.149~153℃.易溶于甲醇、乙醇、丙酮或丙二醇中,微溶于水.比旋度〔α〕25-25.5°（乙酸乙酯）；〔α〕D25+18.5°~21.5°（无水乙醇）.
合成路线如下：
三、实验方法
（一）对硝基α-溴代苯乙酮的制备
在装有搅拌器、温度计、冷凝管、滴液漏斗的 250 mL四颈瓶中,加入对硝基苯乙酮10 g,氯苯75 mL,于25~28℃搅拌使溶解.从滴液漏斗中滴加溴9.7 g .首先滴加溴2~3滴,反应液即呈棕红色,10 min内褪成橙色表示反应开始；继续滴加剩余的溴,约1~1.5 h加完,继续搅拌1.5 h,反应温度保持在25~28℃.反应完毕,水泵减压抽去溴化氢约30 min,得对硝基α-溴代苯乙酮氯苯溶液,备用.
注释：
1. 制备氯霉素的二、实验原理除以对硝基苯乙酮为原料的二、实验原理（对酮法）外,还有成肟法、苯乙烯法、肉桂醇法、溴苯乙烯法以及苯丝氨酸法等.
2. 冷凝管口上端装有气体吸收装置,吸收反应中生成的溴化氢.
3. 所用仪器应干燥,试剂均需无水.少量水分将使反应诱导期延长,较多水分甚至导致反应不能进行.
4. 若滴加溴后较长时间不反应,可适当提高温度,但不能超过50℃,当反应开始后要立即降低到规定温度.
5. 滴加溴的速度不宜太快,滴加速度太快及反应温度过高,不仅使溴积聚易逸出,而且还导致二溴化合物的生成.
6. 溴化氢应尽可能除去,以免下步消耗六亚甲基四胺.
思考题：
1. 溴化反应开始时有一段诱导期,使用溴化反应机理说明原因?操作上如何缩短诱导期?
2. 本溴化反应不能遇铁,铁的存在对反应有何影响?
（二）对硝基α-溴化苯乙酮六亚甲基四胺盐的制备
在装有搅拌器、温度计的 250 mL三颈瓶中,依次加入上步制备好的对硝基α-溴代苯乙酮和氯苯20 mL,冷却至15℃以下,在搅拌下加入六亚甲基四胺（乌洛托品）粉末8.5 g,温度控制在28℃以下,加毕,加热至35~36℃,保温反应1 h,测定终点.如反应已到终点,继续在35~36℃反应20 min,即得对硝基α-溴代苯乙酮六亚甲基四胺盐（简称成盐物）,然后冷至16~18℃,备用.
注释：
1. 此反应需无水条件,所用仪器及原料需经干燥,若有水分带入,易导致产物分解,生成胶状物.
2. 反应终点测定：取反应液少许,过滤,取滤液1 mL,加入等量4% 六亚甲基四胺氯仿溶液,温热片刻,如不呈混浊,表示反应已经完全.
3. 对硝基α-溴代苯乙酮六亚甲基四胺盐在空气中及干燥时极易分解,因此制成的复盐应立即进行下步反应,不宜超过12 h.
4. 复盐成品：mp.118~120℃（分解）.
思考题：
1. 对硝基-α-溴代苯乙酮与六亚甲基四胺生成的复盐性质如何?
2. 成盐反应终点如何控制?根据是什么?
（三）对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐的制备
在上步制备的成盐物氯苯溶液中加入精制食盐3 g,浓盐酸17.2 mL,冷至6~12℃,搅拌3~5 min,使成盐物呈颗粒状,待氯苯溶液澄清分层,分出氯苯.立即加入乙醇37.7 mL,搅拌,加热,0.5 h后升温到32~35℃,保温反应5 h.冷至5℃以下,过滤,滤饼转移到烧杯中加水19 mL,在32~36℃搅拌30 min,再冷至-2℃,过滤,用预冷到2~3℃的6 mL乙醇洗涤,抽干,得对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐（简称水解物）,mp.250℃（分解）,备用.
注释：
1. 对硝基-α-溴代苯乙酮与六亚甲基四胺（乌洛托品）反应生成季铵盐,然后在酸性条件下水解成对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐.该反应称Delepine反应.
加入精盐在于减小对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐的溶解度.
3. 成盐物水解要保持足够的酸度,所以与盐酸的摩尔比应在3以上.用量不仅导致生成醛等副反应（Sommolet反应）,而且对硝基-α-氨基苯乙酮游离碱本身亦不稳定,可发生双分子缩合,然后在空气中氧化成紫红色吡嗪化合物.此外,为保持水解液有足够酸度,应先加盐酸后加乙醇,以免生成醛等副反应.
4. 温度过高也易发生副反应,增加醛等副产物的生成.
思考题：
1. 本实验中Delepine反应水解时为什么一定要先加盐酸后加乙醇,如果次序颠倒,结果会怎样?
2. 对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐是强酸弱碱生成的盐,反应需保持足够的酸度,如果酸度不足对反应有何影响?
(四) 对硝基-α-乙酰胺基苯乙酮的制备
在装有搅拌器、回流冷凝器、温度计和滴液漏斗的 250 mL四颈瓶中,放入上步制得的水解物及水20 mL,搅拌均匀后冷至0~5℃.在搅拌下加入醋酐9 mL.另取40% 的醋酸钠溶液29 mL,用滴液漏斗在
30 min内滴入反应液中,滴加时反应温度不超过15℃.滴毕,升温到14~15℃,搅拌1 h（反应液始终保持在pH 3.5~4.5）,再补加醋酐1mL,搅拌10 min,测定终点.如反应已完全,立即过滤,滤饼用冰水搅成糊状,过滤,用饱和碳酸氢钠溶液中和至pH 7.2~7.5,抽滤,再用冰水洗至中性,抽干,得淡黄色结晶（简称乙酰化物）,mp.161~163℃.
注释：
1. 该反应需在酸性条件下（pH 3.5~4.5）进行,因此必须先加醋酐,后加醋酸钠溶液,次序不能颠倒.
2. 反应终点测定：取反应液少许,加入NaHCO3中和至碱性,于40~45℃温热30 min,不应呈红色.若反应未达终点,可补加适量的醋酐和醋酸钠继续酰化.
乙酰化物遇光易变红色,应避光保存.
思考题：
1. 乙酰化反应为什么要先加醋酐后加醋酸钠溶液,次序不能颠倒 ?
2. 乙酰化反应终点怎样控制,根据是什么?
(五) 对硝基-α-乙酰胺基-β-羟基苯丙酮的制备
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计的250 mL三颈瓶中,投入乙酰化物及乙醇15 mL,甲醛4.3 mL,搅拌均匀后用少量NaHCO3饱和溶液调pH 7.2~7.5.搅拌下缓慢升温,大约40 min达到32~35℃,再继续升温至36~37℃,直到反应完全.迅速冷却至0℃,过滤,用25 mL冰水分次洗涤,抽滤,干燥得对硝基-α-乙酰胺基-β-羟基苯丙酮（简称缩合物）,mp.166~167℃.
注释：
1. 本反应碱性催化的pH值不宜太高,pH 7.2~7.5较适宜.pH过低反应不易进行,pH大于7.8时有可能与两分子甲醛形成双缩合物.
甲醛的用量对反应也有一定影响,如甲醛过量太多,亦有利于双缩合物的形成；用量过少,可导致一分子甲醛与两分子乙酰化物缩合.

为了减少上述副反应,甲醛用量控制在过量40%左右（摩尔比约为1 ：1.4）为宜.
2. 反应温度过高也有双缩合物生成,甚至导致产物脱水形成烯烃.
3. 反应终点测定：用玻棒蘸取少许反应液于载玻片上,加水1滴稀释后置显微镜下观察,如仅有羟甲基化合物的方晶而找不到乙酰化物的针晶,即为反应终点（约需3 h）.
思考题：
1. 影响羟甲基化反应的因素有那些?如何控制?
2. 羟甲基化反应为何选用NaHCO3作为碱催化剂?能否用NaOH,为什么?
3. 羟甲基化反应终点如何控制?
（六）异丙醇铝的制备
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计的三颈瓶中依次投入剪碎的铝片2.7 g,无水异丙醇63 mL和无水三氯化铝0.3 g.在油浴上回流加热至铝片全部溶解,冷却到室温,备用.
注释：
1. 所用仪器、试剂均应干燥无水.
2. 回流开始要密切注意反应情况,如反应太剧烈,需撤去油浴,必要时采取适当降温措施.
3. 如果无水异丙醇、无水三氯化铝质量好,铝片剪得较细,反应很快进行,约需1-2 h,即可完成.
(七) DL-苏阿糖型-1-对硝基苯基-2-氨基-1,3-丙二醇的制备
在上步制备异丙醇铝的三颈瓶中加入无水三氯化铝1.35 g,加热到44~46℃,搅拌30 min.降温到30℃,加入缩合物10 g.然后缓慢加热,约30 min内升温到58~60℃,继续反应4 h.冷却到10℃以下,滴加浓盐酸70 mL.滴毕,加热到70~75℃,水解2 h（最后0.5 h加入活性炭脱色）,趁热过滤,滤液冷至5℃以下,放置1 h.过滤析出的固体,用少量20% 盐酸（预冷至5℃以下）8 mL洗涤.然后将固体溶于12 mL水中,加热到45℃,滴加15% NaOH溶液到pH 6.5~7.6.过滤,滤液再用15% NaOH调节到pH 8.4~9.3,冷却至5℃以下,放置1 h.抽滤,用少量冰水洗涤,干燥,得DL-苏阿糖型-1-对硝基苯基-2-氨基-1,3-丙二醇（DL-氨基物）,mp.143~145℃.
注释：
1. 滴加浓盐酸时温度迅速上升,注意控制温度不超过50℃.滴加浓盐酸促使乙酰化物水解,脱乙酰基,生成DL-氨基物盐酸盐,反应液中盐酸浓度大致在20%以上,此时AL(OH)3形成了可溶性的AlCl3-HCl复合物,而DL-氨基物盐酸盐在50℃以下溶解度小,过滤除去铝盐.
2. 用20% 盐酸洗涤的目的是除去附着在沉淀上的铝盐.
3. 用15% NaOH溶液调节反应液到pH 6.5~7.6,可以使残留的铝盐转变成AL(OH)3絮状沉淀过滤除去.
4. 还原后所得产物除DL-苏阿糖型异构体外,尚有少量DL-赤藓糖型异构体存在.由于后者的碱性较前者强,且含量少,在pH 8.4~9.3时,DL-苏阿糖型异构体游离析出,而DL-赤藓糖型异构体仍留在母液中而分离.
思考题：
1. 制备异丙醇铝的关键有哪些?
2. Meerwein-Ponndorf-Verley还原反应中加入少量AlCl3有何用?
3. 试解释异丙醇铝—异丙醇还原DL-对硝基-α-乙酰胺基-β-羟基苯丙酮主要生成DL-苏阿糖型氨基物的理由.
4. 还原产物1-对硝基苯基-2-乙酰氨基-1,3-丙二醇水解脱乙酰基,为什么用HCl而不用NaOH水解?水解后产物为什么用20 %盐酸洗涤?
5. “氨基醇”盐酸盐碱化时为什么要二次碱化?
(八) D -（-）-1-对硝基苯基-α-氨基-1,3-丙二醇的制备
1. 拆分
在装有搅拌器、温度计的250 mL三颈瓶中投入DL-氨基物5.3 g,L-氨基物2.1 g,DL-氨基物盐酸盐16.5 g和蒸馏水78 mL.搅拌,水浴加热,保持温度在61~63℃反应约20 min,使固体全部溶解.然后缓慢自然冷却至45℃,开始析出结晶.再在70 min内缓慢冷却至29~30℃,迅速抽滤,用热蒸馏水3 mL（70℃）洗涤,抽干,干燥,得微黄色结晶（粗L-氨基物）,mp.157~159℃.滤液中再加入DL-氨基物4.2 g,按上法重复操作,得粗D-氨基物.
2. 精制
在100 mL烧杯中加入D-或L-氨基物4.5 g,1 mol / L稀盐酸25 mL.加热到30~35℃使溶解,加活性炭脱色,趁热过滤.滤液用15% NaOH溶液调至pH 9.3,析出结晶.再在30~35℃保温10 min,抽滤,用蒸馏水洗至中性,抽干,干燥,得白色结晶,mp.160~162℃.
3. 旋光测定
取本品2.4 g,精密称定,置100 mL容器中加1 mol / L盐酸（不需标定）至刻度,按照旋光度测定法测定（《中国药典》1995版二部附录38页）,应为（+）/（-）1.36º~（+）/（-）1.40º.
根据旋光度计算：含量 % = (100×α) /（2×2.4×29.5）×100%
其中：α= 旋光度
29.5 = 换算系数
2 = 管长为2 dm
2.4 = 样品的百分浓度
注释：
1. DL-氨基物盐酸盐的制备：在250 mL烧杯中放置DL-氨基物30 g,搅拌下加入20% 盐酸39 mL（浓盐酸22 mL,水17 mL）.加毕,置水浴中加热至完全溶解,放置,自然冷却,当有固体析出时不断缓慢搅拌,以免结块.最后冷至5℃,放置1 h,过滤,滤饼用95% 乙醇洗涤,干燥,即得DL-氨基物盐酸盐.
2. 固体必须全溶,否则结晶提前析出.
3. 严格控制降温速度,仔细观察初析点和全析点,正常情况下初析点为45~47℃.
（九）氯霉素的制备
在装有搅拌器、回流冷凝器、温度计的100 mL三颈瓶中,加入D-氨基物4.5 g,甲醇10 mL和二氯乙酸甲酯3 mL.在60~65℃搅拌反应1 h,随后加入活性炭0.2 g,保温脱色3 min,趁热过滤,向滤液中滴加蒸馏水（每分钟约1 mL的速度滴加）至有少量结晶析出时停止加水,稍停片刻,继续加入剩余蒸馏水（共33 mL）.冷至室温,放置30 min,抽滤,滤饼用4 mL蒸馏水洗涤,抽干,105℃干燥,即得氯霉素,mp.149.5~153℃.
注释：
1. 反应必须在无水条件下进行,有水存在时,二氯乙酸甲酯水解成二氯乙酸,与氨基物成盐,影响反应的进行.
2. 二氯乙酰化除用二氯乙酸甲酯作为酰化剂外,二氯乙酸酐、二氯乙酸胺、二氯乙酰氯均可作酰化剂,但用二氯乙酸甲酯成本低,酰化收率高.
3. 二氯乙酸甲酯的质量直接影响产品的质量,如有一氯或三氯乙酸甲酯存在,同样能与氨基物发生酰化反应,形成的副产物带入产品,致使熔点偏低.
4. 二氯乙酸甲酯的用量略多于理论量,以弥补因少量水分水解的损失,保证反应完全.
思考题：
1. 二氯乙酰化反应除用二氯乙酸甲酯外,还可用哪些试剂,生产上为何采用二氯乙酸甲酯?
2. 二氯乙酸甲酯的质量和用量对产物有何影响?
3. 试对我国生产氯霉素的合成路线和其他合成路线作一评价.
（十）结构确证
1. 红外吸收光谱法、标准物TLC对照法.
2. 核磁共振光谱法.