R esearch Development of Epibatidine, A New Type of Non-addicted Analgesic Compound Dong Jingchao, Wang Bing#, Chen Tieming, Li Runtao (School of Pharmaceutical Sciences, Beijin Medical University #School of Beijing Medicine Sciences, Beijin Medical University Beijing 100083) Abstract Research development about synthetic method, structure-activity relationship and pharmacological activity of Epibatidine, a new type of non-addicted analgesic compound, has been reviewed since 1995. Key words Epibatidine, non-addiction, analgesic, total synthesis, structure-activity relationship 摘要 着重综述了从 1995 年以来，对新一类非成瘾性镇痛药物 Epibatidine 在合成方法，构效关系，药理活性等方面的研究进展。 关键词 Epibatidine, 非成瘾性镇痛活性，全合成，构效关系 非成瘾性镇痛化合物 Epibatidin e研究进展* 董径超 王玢# 程铁明 李润涛** (北京医科大学药学院, #北京京医科大学基础医学院 北京 100083)
Epibatidine1 是 1992 年 Daly 等人[1]从南美厄瓜多尔名为 epipedbatertricolor 的毒蛙皮肤中提取的一种新天然物。它是具有氮杂二环庚烷体系的特殊结构的化合物。更令人惊奇的是该化合物还具有一个在动物体中极为罕见的结构单元——氯代吡啶环。生物活性试验[1]发现该化合物的镇痛活性是吗啡的 200-500 倍，但作用机制与吗啡及其类似物不同，不是通过阿片受体、而是通过尼古丁(nicotine)受体起作用。 由于该化合物具有如此强的镇痛活性、如此独特的化学结构和不同的作用机制，自然界中含量又极少，所以立即引起各国学者的关注。自 Daly 首次报道以来，有关 epibatidine 及其类似物的合成及药理研究迅速开展。几年来，不但发现了多种全合成 epibatidine 的途径，而且在研究过程中还发现了一些新试剂和新方法。高连勋[2a]、Szantay 等[2b]曾对 1995 年以前的全合成工作进行了综述，本文重点对 1995 年以来有关 epibatidine 及其类似物的合成方法,构效关系和药理活性研究进行概述。 1 Epibatidine 及其类似物的全合成研究 对于 Epibatidine 及其类似物的合成关键是骨架氮杂二环庚烷体系的构成。有关骨架构成及其官能团转化的方法可归纳为如下四类： 1.1 Diels-Alder 环加成法 Diels-Alder 环加成法主要有两种，即[4+2]加成[3-16]和[3+2]加成[17-19]。 1.1.1 [4+2]加成 该方法是以吡咯环为二烯体与不同的亲二烯体进行[4+2]环加成反应构成 epibatidine 的骨架(式 1)。
由于吡咯是一个 56 p 体系的芳香分子，作为二烯体直接与亲二烯体反应非常困难[2c]，为使反应顺利进行，多数是在氮原子上引入烷氧羰基使其活化,其中以叔丁氧羰基(Boc)[5]效果最好，它的引入不但可以使吡咯环方便地与亲二烯体反应，而且在环化加成后容易脱去。亲二烯体通常是连有吸电子取代基的炔类化合物(表 1)近来 Gonalez 等[20-22]将吡咯环转化成锇类复合物，使吡咯环的反应活性增强很多，可以与不太活泼的烯类亲二烯体发生反应(式 2)。另外，温度也是影响该反应的一个重要因素，高温易导致加成产物的热分解[4].利用该合成法可以方便地构成 epibatidine 的分子骨架，通过改变亲二烯体的结构可以合成出不同的 epibatidine 衍生物，尤其是利用芳炔类化合物作为亲二烯体，能在构成骨架的同时将芳环引入，使合成路线大大简化。不足之处是形成的骨架中含有双键,还需要采取适当方法加以还原。
1.1.2 [3+2]环加成 最近，Pandey 等人[17-19]利用[3+2]环加成反应作为合成 epibatidine 的关键反应成功地合成了 epibatidine 及其衍生物。其方法是将四氢吡咯转化成 1-苄基-2,5-二(三甲硅基)吡咯烷,该中间体可以方便地与含吡啶环的烯类亲二烯体进行 1,3-偶极环加成反应，合成不含双键的氮杂二环[2.2.1]庚烷体系(式 3)[17,18]。而且可以通过改变 1,3-偶极体环的大小，方便地合成 epibatidine 的扩环类似物。为 epibatidine 及其衍生物的合成提供了一种有效的方法。
| EWG=吸电子基团
表 1 N-取代吡咯与亲二烯体的加成反应
N-取代吡咯 | 亲二烯体 | 氮杂环庚烯骨架 | 产率 | 参考文献
1.2 分子内 1,4-取代环合法[23-38]。 用这类方法构成 epibatidine 分子骨架是目前该领域使用最多的方法，该方法比较经典，它一般采用合适构象的氨基环己烷衍生物，通过分子内 1,4-取代来形成氮桥。所谓合适构象，一般要求 1 位氨基和对位的离去基处于反式，在这种情况下，根据环己烷中芳环与氨基的不同取向可以形成 endo 或 exo 式的 epibatidine(式 4)[28]。该方法中氨基上取代基的性质及其对位离去基的性质将直接影响氮桥的形成及收率(表 2)。
表 2 分子内 1,4-取代环合法构建 epibatidine 分子骨架
前体 | 产物 | 产率 | 参考文献
Epibatidine 的 endo 式异构体在假竖键位置上有较大的取代基团，在热力学上是不稳定的，易于转化成热力学上更稳定的 exo 式天然产物。在化学合成中，将其在 t-BuOK/t-BuOH 条件下回流 30h 即可得到 exo 式产物[31](式 5)。 在用分子内 1,4-取代环合法中，采用不对称合成技术，立体定向性地合成 epibatidine 及其类似物是近年来的又一进展。方法一是通过引入手性诱导中心来控制立体合成[26,38]，如 Hiroya,K.等人[26]用手性 2,5-环己烯-1,4-二醇通过手性诱导使得反应基团只能从它的凸面进攻，从而达到立体选择合成 epibatidine 的目的(式 6)： 方法二是通过手性催化剂进行不对称合成的[32,37]，如 KosugiH 等人[37]用手性 b-羟基亚砜化物 a 使外消旋体 2 不对称质子化得(R)-2，进而合成 epibatidine(式 7)： 试剂与条件:i,t-BuOK,Ac2O,THF;ii,MeLi(2equ.),Et2O,0°C,15min;iii,a,CH2Cl2,(2.5equ.),-90-60°C 式 7 1.3 分子重排反应合成法 中科院上海药物研究所白东鲁等人[39-40]以易得的托品酮为起始原料，巧妙地利用 Favorskii 缩环重排作为关键反应，构成氮杂二环[2.2.1]庚烷骨架，为 epibatidine 的合成又提供了一种方便的方法(式 8)[40]。 1.4 生物合成法法 Davis 及 Olivo 等人[41,42]最近报道用微生物发酵的方法来将官能团引入到 epibatidine 氮桥骨架上(式 9)。 Davis 等人用四种不同的真菌(Beauveriabassiana,Rhizopusnigricans,Aspergillusochraceus,及 Rhizopusarrhizus)分别氧化不同的氮取代六员、七员和八员碳环，结果能在 2 位或 3 位上引入羟基或羰基(表 3)[41]。
表 3 用微生物氧化氮桥六元碳环所得到产物的构型及产率：
原料 | 微生物 | 产物 | 产率% | 绝对构型 | ee(%)
13 | B.bassiana | 16 | 46 | (1S) | 51
13 | R.nigricans | 16 | 20 | 未定 | 未定
14 | B.bassiana | 17 | 10 | （1S) | 26
14 | R.nigricans | 17 | 62 | (1S) | 28
15 | B.bassiana | 18 | 28 | (1R) | 5
15 | R.nigricans | 18 | 14 | (1S) | 36
15 | R.arrhizus | 18 | 5 | (1S) | 31
14 | B.bassiana | 19 | 0 |  |
14 | R.nigricans | 19 | 27 | (1S) | 42
15 | B.bassiana | 20 | 0 |  |
15 | R.nigricans | 20 | 8 | (1S) | 57
15 | R.arrhizus | 20 | 18 | (1S) | 22
Olivo 等人[42]的研究结果表明，用 B.bassiana 氧化 21,22a-c 和 23 可以得到较高产率的 endo 式羟基化产物 24,25a-c,26，这说明用苯甲酰基和苯磺酰基作为这三种氮环上氮的取代基，可以有利于 B.bassiana 氧化(式 10)。 该方法避免了冗长，繁琐的化学操作步骤，它的进一步完善将为该类化合物的合成提供更为简便的方法。 2 构效关系研究 尽管 epibatidine 具有很强的镇痛活性，但是毒副作用也很大。为了保留活性,降低毒副作用，人们从不同的方面对 epibatidine 进行了结构改造和构效关系研究.结果如下： 2.1 构型对活性的影响 Epibatidine 具有三个手性中心,氮桥的存在使它具有四个对映体，研究表明，天然的左旋 epibatidine 与合成出来的右旋体以及外消旋体具有大致相同的活性，而 endo 异构体比 exo 异构体活性低[43,53]。 桥头氮原子上的取代基对活性的影响 Daly 等人[52]合成了一系列桥头氮原子取代的 epibatidine 衍生物(式 11)。Shen 等人[53]对化合物 1, 27a, 28a 进行生物活性试验，结果表明：桥头氮原子的烷基化对活性影响不大，但是酰基化会使活性降低，这说明生物碱自身的碱性条件对活性有相当大的影响。 2.2 氯代吡啶基的改变对活性的影响 将氯代吡啶基用不同的芳香基代替，或用不同的烷基替换都会降低活性，特别是当氯代吡啶环上氯原子去掉时，活性明显降低。Daly 等人报道 epibatidine 的又一类似物 epiboxidine(化合物 29)[56]，该化合物是将 2-位上的氯代吡啶环换成 methylisoxazoly，生物活性试验结果表明，epiboxidine 的镇痛活性虽比 epibatidine 低 10 倍，但毒性却降低了 20 倍，这说明(+/-)-epiboxidine 对神经节尼古丁受体有着比 epibatidine 更强的选择性。 2.3 环的大小对活性的影响 氮杂二环环的大小，对药理活性也有影响。现在已经合成出了 30,31,32,33 这些二环扩大的衍生物[39,54,55]。镇痛活性试验结果表明[39,54]，epibatidine 用 10 m g / kg 的剂量就能引起小鼠显著的镇痛活性，30a 和 30b 用 40 m g / kg 剂量时能显示显著的镇痛活性，而 30c 在 190 m g /Kg 的剂量时才能表现出镇痛活性.若将 30a 中的亚甲基换成羰基即为化合物 31，即使在 4mg / kg 的剂量时也不显示镇痛活性。化合物 32 的镇痛活性比 epibatidine 低得多，33 的镇痛活性则比 epibatidine 低 2500 倍[54]。这表明，与氯代吡啶环相连一侧的二碳桥部分的结构特征对于尼古丁受体的分子识别至关重要。 从上述初步的构效关系研究可以发现:桥环及氮原子上取代基的改变对镇痛活性有较大影响，7-位氮原子上连接氢或甲基时活性增强。2-氯吡啶基用其它芳香基代替时活性降低。增大桥环也不利于活性增强。 3 药理学研究 在 F11 细胞系(源于脊髓背角神经元，是研究疼痛的理想模型)上所做的研究发现：(+/-)epibatidine 作用于尼古丁受体可引起 P 物质释放增多，从而导致镇痛[50]。而在体(invivo)研究则发现通过鞘内注射的方式给予(+/-)-epibatidine 可导致血压升高、心率加快、对疼痛反应增强热伤害性刺激回缩阈延长，但最后一种效应只在大剂量用药时方出现且持续时间较短。(+/-)epibatidine 引起的心血管效应可被尼古丁受体拮抗剂 a-lobeline 选择性取消，而另一种尼古丁受体拮抗剂 methyllycaconitine 选择性取消其镇痛效应，因此推测脊髓内可能存在(+/-)epibatidine 的不同结合位点。应用氚标记的 epibatidine 鞘内注射的方法证实了上述推测[49]。最近通过系统给予特异性拮抗剂的方法发现参与(+/-)epibatidine 镇痛效应的是 a 4 b 2 型受体，而 a-BGTX 敏感型受体几乎不起作用[47]。 和尼古丁的镇痛效应不同，无论是急性还是慢性应用(+/-)-epibatidine 均不出现明显的耐受，且和尼古丁之间不存在交叉耐受。作为一种镇痛药，(+/-)-epibatidine 有很多优势，但不容忽视的是它可同时激动外周神经节细胞以及运动终板上的尼古丁受体，由此引发一些副作用，从而在一定程度上限制了其临床应用。 4.结束语 在临床上，镇痛药物的成瘾性问题一直得不到很好的解决。国内外有关专家一直认为，寻找结构全新的先导物和新作用机制的化合物是解决镇痛药物成瘾性问题的突破口。因此，epibatidine 这种结构新颖，作用机制又不同于临床上常用的镇痛药物，且研究结果已证明具有非成瘾性的化合物的发现，为非成瘾性镇痛药物的研究带来了曙光。自 epibatidine 被发现以来的短短六年中，在 Epibatidine 及其衍生物的合成方法、构效关系及作用机制等方面都作了大量的工作。在此基础上，通过进一步深入研究，有望开发出一类新的非成瘾性镇痛药物。 5 参考文献 [1]SpandTF; GarraffoHM; EdwardsMW; DalyJW, J.Am. 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