專利名稱:D-熒光素化學(xué)合成方法及裝置的制作方法
專利說明D-熒光素化學(xué)合成方法及裝置 本發(fā)明屬化學(xué)合成領(lǐng)域,涉及D-熒光素的化學(xué)合成方法和反應(yīng)裝置。D-熒光素是依賴ATP的生物發(fā)光反應(yīng)的底物,生物發(fā)光的原理是螢光素酶在Mg2++、O2和ATP存在的條件下,催化D-熒光素形成氧化型熒光素,在反應(yīng)過程中發(fā)出光子的一個(gè)酶反應(yīng)過程,反應(yīng)式表示為
因反應(yīng)中的ATP是所有生物的能量來源,在一定條件下,發(fā)出光的強(qiáng)度與反應(yīng)系統(tǒng)中的ATP量成正比,因此生物發(fā)光法可廣泛應(yīng)用于生物材料的檢測(cè),如法醫(yī)學(xué)中超微量的定量檢測(cè)和衛(wèi)生檢測(cè)中的衛(wèi)生狀況評(píng)估和微生物數(shù)量的快速檢測(cè),另外由于熒光素酶基因作為一個(gè)報(bào)告基因,在分子生物學(xué)上有廣泛的應(yīng)用,因此,熒光素酶-熒光素生物發(fā)光的應(yīng)用具有很大的市場(chǎng),D-熒光素作為一種生物發(fā)光反應(yīng)的底物,隨著生物發(fā)光方法應(yīng)用的增加,其需求量越來越大。因D-熒光素是一種立體異構(gòu)體,在一些溶劑中容易氧化解旋并見光分解,國(guó)際國(guó)內(nèi)產(chǎn)品不僅價(jià)格高,而且貨期長(zhǎng),國(guó)內(nèi)產(chǎn)品含量低,發(fā)光系數(shù)不高。
D-熒光素的化學(xué)合成最初由White等人于1963年用茴香胺(ρ-anisidine)通過八步法合成,總得率為5.8%。1963年Seto亦用茴香胺(ρ-anisidine)通過五步法合成了D-熒光素,總得率為6.5%。后來White等人從2-氨基-6-甲氧基-苯并噻唑通過四步法合成了D-熒光素,得率達(dá)到13.9%,這種方法于1978年被Seto等人證明為一種很方便的并可大規(guī)模制備D-熒光素的方法,其得率基本保持了小試的水平,此法必須先制備一種羧基試劑,實(shí)際上總共為五步。1992年,日本的Yoshiaki Toya等人從2-氨基-6-甲氧基-苯并噻唑通過三步法合成了D-熒光素,總得率達(dá)到36%,1993年,日本的Nobutaka Suzuki等人從2-氨基-6-甲氧基-苯并噻唑通過PEG助溶的四步法合成D-熒光素,總得率為49%。
在文獻(xiàn)資料中,關(guān)于D-熒光素的化學(xué)合成途徑較新的方法都是以2-氨基-6-甲氧基-苯并噻唑?yàn)樵?,在氰基化脫甲基化后通過與D-半胱氨酸進(jìn)行縮合而成,關(guān)于氰化反應(yīng),YoshiakiToya等人的合成方法中,用無水氯化亞銅和isoAmNO(亞硝化異戊酯)來合成一種亞硝酰復(fù)合物(CuCl2.NO),此物質(zhì)為乙腈(CH3CN)-聚乙二醇(PEG)200復(fù)合物中的2-氨基苯并噻唑的Sandmyer反應(yīng)服務(wù)。2-氨基苯并噻唑在乙腈溶液中不完全溶解,PEG的加入可使其完全溶解。乙腈(CH3CN)-聚乙二醇(PEG)200得到了最好的結(jié)果,當(dāng)用CuBr2代替CuCl2時(shí),溴化反應(yīng)溫度(110℃)比氯化反應(yīng)時(shí)(140℃)低,氯化-氰化反應(yīng)的單步最高得率為79%,而溴化-氰化反應(yīng)的單步最高得率為70%。
對(duì)于脫甲基反應(yīng),可用鹽酸吡啶法進(jìn)行,最初的方法是向吡啶溶液中通入新制的鹽酸氣體,并加入2-氰基-6-甲氧基苯并噻唑進(jìn)行,而相對(duì)較新的方法是2-氰基-6-甲氧基苯并噻唑與鹽酸吡啶在高溫(200℃)通氮?dú)獾拿芊夤苤蟹磻?yīng)45min進(jìn)行。
上述制備D-熒光素的反應(yīng)途徑復(fù)雜,要求反應(yīng)條件苛刻,反應(yīng)設(shè)備要求高,且難以控制,D-熒光素的總得率不高。針對(duì)目前制備D-熒光素的反應(yīng)所存在的問題,本發(fā)明的目的是提供一種操作簡(jiǎn)便、在中等規(guī)模的條件下可高得率地合成D-熒光素的方法及反應(yīng)裝置。
本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在較為簡(jiǎn)便的條件下高效合成D-熒光素,且發(fā)光系數(shù)高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品,達(dá)到Sigma公司L-9504熒光素產(chǎn)品的水平,而價(jià)格大大低于Sigma公司的熒光素產(chǎn)品。
本發(fā)明按以下步驟進(jìn)行1.D-熒光素化學(xué)合成的簡(jiǎn)便反應(yīng)裝置本反應(yīng)裝置包括一置于一高溫油浴加熱裝置上的三口燒瓶,三口燒瓶一側(cè)邊開口接有抽真空和通氮?dú)獾墓艿?,另一?cè)邊開口密封,中間開口接一冷凝管,冷凝管的廢氣出口連接有一廢氣吸收器。
2.D-熒光素的合成方法將2-氰基-6-甲基苯并噻唑(2-Cyano-6-methoxybenzothiazoe)(C9H6N2OS,F(xiàn)W=190.2)(99%)和鹽酸吡啶(Pyridine hydrochloride)(98%)在高溫下反應(yīng)脫甲基后,通過提取和柱層析純化后,再與水合D-半胱氨酸(D-Cystine.HCl.H2O)在堿性混合溶劑中縮合成D-熒光素(C11H8N2O3S2,F(xiàn)W=280.3),酸化提取后,通過離心真空干燥即可合成可用的D-熒光素,總得率達(dá)到40%以上。
具體步驟如下2.1脫甲基反應(yīng)D-熒光素的反應(yīng)原材料為2-氰基-6甲氧基苯并噻唑(99%,NEW JERSEY,USA1-800-ACROS-01)鹽酸吡啶(98%,ACROS ORGANICS),反應(yīng)比例為2-氰基-6甲氧基苯并噻唑∶鹽酸吡啶=1∶(1~3),反應(yīng)溫度為180~250℃,環(huán)境為抽真空通氮?dú)?,反?yīng)時(shí)間為0.5~3h。
2.2脫甲基目標(biāo)產(chǎn)物的提取脫甲基反應(yīng)后的產(chǎn)物用1∶(1~3)的乙酸乙酯和冰水洗滌反應(yīng)后混合物三次,每次的用量約為反應(yīng)原材料的50~100倍。通過萃取有機(jī)層后用旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)儀進(jìn)行濃縮干燥。
2.3脫甲基產(chǎn)物的純化脫甲基后的目標(biāo)產(chǎn)物純化是用80~400目的粗孔硅膠進(jìn)行柱層析,層析柱最好用帶三通的可加壓式層析純化柱。用5∶(1~3)氯仿/乙酸乙酯做洗脫溶劑,對(duì)直徑為25mm高為250mm的層析柱,洗脫流速為1~10ml/min,通過HTLC(高效薄層層析)檢測(cè),收集目標(biāo)產(chǎn)物純度較高的部份,合并之后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)濃縮干燥。
2.4純化后的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸的縮合反應(yīng)純化后的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸水合物在堿性混合溶劑中于室溫下避光反應(yīng)10~30min,用鹽酸調(diào)pH至1~6,通過1000~15000r/min室溫條件下離心10~20min.收集沉淀,并將此沉淀在真空條件下干燥,即可得純度為40~60%的D-熒光素產(chǎn)品。
2.5合成的D-熒光素產(chǎn)品的成份分析用氣質(zhì)聯(lián)用的方法進(jìn)行成份分析。
2.6合成的D-熒光素產(chǎn)品的發(fā)光分析用50mmol/L,pH為7.8的甘氨酰甘氨酸緩沖液配成0.5mg/mL的溶液,并抽真空通氮?dú)夂?,避光條件下-20℃低溫保存,用時(shí)解凍后在發(fā)光系統(tǒng)中加入60μL0.5mg/mL的熒光素溶液,立即置于生物發(fā)光儀中檢測(cè)發(fā)光值。實(shí)施例1關(guān)于D-熒光素的簡(jiǎn)便合成裝置本反應(yīng)裝置由一個(gè)可在較大范圍內(nèi)較為精確調(diào)節(jié)(0~300℃)的溫控裝置和高溫油浴加溫系統(tǒng)、抽真空通氮?dú)鈿怏w調(diào)節(jié)系統(tǒng)和帶冷凝管4和廢氣吸收裝置的三口燒瓶2反應(yīng)系統(tǒng)組成。整個(gè)反應(yīng)裝置除氮?dú)夤?yīng)瓶、抽真空裝置和溫度調(diào)控裝置外,其余均置于通風(fēng)櫥中。
如
圖1所示,其中的高溫油浴系統(tǒng),可用在可調(diào)電爐1(500W)上用不銹鋼鍋6盛蓖麻油(約2000mL),通過溫度傳感器3來精細(xì)調(diào)節(jié)溫度;用三口燒瓶2(500mL)的左邊開口進(jìn)行抽真空通氮?dú)猓虚g開口用來加樣和冷卻循環(huán),右邊開口用來取樣檢測(cè)(孔C檢測(cè));冷卻循環(huán)用一般的水冷凝管4即可,廢氣吸收可用干燥的氯化鈣5來進(jìn)行。
實(shí)施例2關(guān)于D-熒光素的合成方法1.脫甲基反應(yīng)稱取940mg 2-氰基-6-甲氧基苯并噻唑(2-Cyano-6-methoxybenzothiazoe)(99%)和1000~3060mg鹽酸吡啶(Pyridine hydrochloride)(98%)放入小試管中,抽真空通氮?dú)夂蠓湃肟烧{(diào)溫的高溫油浴反應(yīng)瓶中,在190~220℃保溫1~3小時(shí)后,停止加溫終止反應(yīng),待冷卻后進(jìn)行脫甲基目標(biāo)產(chǎn)物的提取。
2.脫甲基目標(biāo)產(chǎn)物的提取用200mL~400mL冰水加入上述反應(yīng)管中,并加入100mL~200mL乙酸乙酯,振勻之后,用分液漏斗萃取有機(jī)層,水層再用100mL~200mL乙酸乙酯進(jìn)行兩次提取,用200mL~400mL冰水洗滌有機(jī)層一次,合并有機(jī)層后,通過旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)儀干燥得1480mg黃紅色物質(zhì)。
3.脫甲基產(chǎn)物的純化在直徑為20mm高為350mm的有機(jī)可加壓層析柱中加入80~120目的粗孔硅膠,制成純化用層析柱,將上述干燥后的黃紅色脫甲基產(chǎn)物(810mg)混合少量硅膠置于層析柱的頂端,用氯仿∶乙酸乙酯為5∶1~3的混合溶劑作為洗脫溶劑,在流速為2.5ml/min的條件下收集50管,每管10mL,真空濃縮并用薄層層析法(簡(jiǎn)稱TLC)檢測(cè),合并第9~14管得淡黃色物質(zhì)380mg,在TLC板上呈單一斑點(diǎn),合并其它管得黃色物質(zhì)409mg,在TLC板上為兩個(gè)斑點(diǎn),兩者共789mg,回收率達(dá)97.4%。
4.純化后的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸的縮合反應(yīng)稱取(100~160)mg D-Cystine.HCl.H2O(C3H7NO2S.HCl,F(xiàn)W=175.6)和100mg上述柱層析純化后脫甲基產(chǎn)物,抽真空通氮?dú)夂螅?.5mL~4mL堿性乙醇溶劑(亦須抽真空通氮?dú)?在室溫下避光反應(yīng)10~60min,用鹽酸調(diào)pH至1~6,通過10000r/min室溫條件下離心10min.收集沉淀,并將此沉淀在避光的真空條件下干燥,即可得154.6mg D-熒光素產(chǎn)品,得率為103.6%。
5.合成的D-熒光素產(chǎn)品的成份分析將合成的D-熒光素產(chǎn)品(1#和2#)和Sigma L9504D-熒光素和上海熒光素樣品進(jìn)行氣質(zhì)聯(lián)用成份分析,其結(jié)果如下表1合成的D-熒光素產(chǎn)品氣質(zhì)聯(lián)用分析
注R.T表示物質(zhì)的保留時(shí)間,M表示物分子量,236+44表示分子量為280的物質(zhì),D-熒光素的分子量為280.2。
結(jié)果表明合成熒光素中M為236+44組份的物質(zhì)比SigmaL9504更多,而上海熒光素測(cè)不出M為236+44組份的物質(zhì)。
6.合成的D-熒光素產(chǎn)品的發(fā)光分析將SigmaL9504D-熒光素、上海產(chǎn)熒光素和自合成的D-熒光素(1#和2#),用50mmol/LGB(甘氨酰甘氨酸緩沖液)配成0.5mg/mL的溶液,并抽真空通氮?dú)夂?,避光條件下-20℃低溫保存,在發(fā)光系統(tǒng)中加入60μl熒光素溶液,并于生物發(fā)光儀中檢測(cè)發(fā)光值,其結(jié)果見表2。
表2合成D-熒光素鈉發(fā)光活力測(cè)定
注表中數(shù)據(jù)為*1#為于-20℃放置2天的1#,再和新配的Sigma L9504 D-熒光素同時(shí)測(cè)量的發(fā)光值。
結(jié)果表明自合成的D-熒光素鈉的發(fā)光活力比上海產(chǎn)熒光素鈉發(fā)光比活力強(qiáng)許多,和Sigma L9504 D-熒光素相比,比活力更好一些或至少不低于Sigma L9504 D-熒光素。
實(shí)施例3關(guān)于D-熒光素的合成方法1.甲基反應(yīng)(2002,6/17)稱取949mg 2-氰基-6-甲氧基苯并噻唑(2-Cyano-6-methoxybenzothiazoe)(99%)和1000mg鹽酸吡啶(Pyridine hydrochloride)(98%)放入小試管中,抽真空通氮?dú)夂蠓湃肟烧{(diào)溫的高溫油浴反應(yīng)瓶中,在200℃保溫1小時(shí)后,停止加溫終止反應(yīng),待冷卻后進(jìn)行脫甲基目標(biāo)產(chǎn)物的提取。
2.甲基目標(biāo)產(chǎn)物的提取用200mL冰水加入上述反應(yīng)管中,并加入100mL乙酸乙酯,振勻之后,用分液漏斗萃取有機(jī)層,水層再用100mL乙酸乙酯進(jìn)行兩次提取,用200mL冰水洗滌有機(jī)層一次,合并有機(jī)層后,通過旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)儀干燥得776mg黃紅色物質(zhì)。
3.脫甲基產(chǎn)物的純化在直徑為25mm高為25cm的有機(jī)可加壓層析柱中加入200~300目的粗孔硅膠,制成純化用層析柱,將上述干燥后的黃紅色脫甲基產(chǎn)物(739mg)混合少量硅膠置于層析柱的頂端,用氯仿∶乙酸乙酯為5∶1的混合溶劑作為洗脫溶劑,在流速為1.0ml/min的條件下收集30管,每管10mL,真空濃縮并用薄層層析法(簡(jiǎn)稱TLC)檢測(cè),合并第13-14管得淡黃色物質(zhì)199mg,在TLC板上呈單一斑點(diǎn),第1 5~22管物質(zhì)干燥后得497 mg,兩者共696mg,回收率達(dá)94.2%。
4.純化后的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸的縮合反應(yīng)及提取稱取100mg D-Cystine.HCl.H2O和120mg上述柱層析純化后脫甲基產(chǎn)物,抽真空通氮?dú)夂?,?.0mL堿性甲醇溶劑(亦須抽真空通氮?dú)?在室溫下避光反應(yīng)10min,用鹽酸調(diào)pH至1.0,通過10000r/min室溫條件下離心10min.收集沉淀,并將此沉淀在避光的真空條件下干燥,即可得165.7mgD-熒光素產(chǎn)品,實(shí)際得率為理論值的104.1%(簡(jiǎn)稱3#)。
5.合成的D-熒光素產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析將Sigma L9504D-熒光素、上海產(chǎn)熒光素和合成的)熒光素,用50mmol/LGB(甘氨酰甘氨酸緩沖液)配成0.5mg/mL的溶液,并抽真空通氮?dú)夂螅芄鈼l件下-20℃低溫保存,在發(fā)光系統(tǒng)中加入60μl熒光素溶液,并于生物發(fā)光儀中檢測(cè)發(fā)光值,另外將Sigma L9504D-熒光素、上海產(chǎn)熒光素和合成的D-熒光素取樣進(jìn)行氣質(zhì)聯(lián)用成份分析其結(jié)果見表3。
表3合成D-熒光素發(fā)光活力測(cè)定
注R.T表示物質(zhì)的保留時(shí)間,M表示物分子量,280和236(+44)表示分子量為280或可能為280的物質(zhì)(因在高溫下,280的物質(zhì)能變成236的物質(zhì),同時(shí)放出分子量為44(CO2)的物質(zhì)),兩者均可為D-熒光素。
結(jié)果表明自合成的D-熒光素的發(fā)光活力比上海產(chǎn)熒光素發(fā)光比活力強(qiáng)許多,和SigmaL9504 D-熒光素相比,發(fā)光比活力更好一些或稍低于Sigma L9504 D-熒光素的發(fā)光活力,這與反應(yīng)和提取條件有關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種D-熒光素化學(xué)合成的方法,其特征在于首先它由2-氰基-6-甲氧基苯并噻唑和鹽酸吡啶進(jìn)行高溫脫甲基反應(yīng),然后提取脫甲基反應(yīng)產(chǎn)物,經(jīng)柱層析純化,最后將純化的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸進(jìn)行縮合反應(yīng)后即可獲得D-熒光素產(chǎn)品。
2.權(quán)利要求1所述的D-熒光素化學(xué)合成的方法,其特征在于脫甲基反應(yīng)的比例為2-氰基-6-甲氧基苯并噻唑∶鹽酸吡啶=1∶(1~3),反應(yīng)條件是抽真空通入氮?dú)猓磻?yīng)溫度為180~250℃,反應(yīng)時(shí)間為0.5~3h。
3.權(quán)利要求1或2所述的D-熒光素化學(xué)合成的方法,其特征在于脫甲基反應(yīng)產(chǎn)物的提取、純化過程為(1)用乙酸乙酯和冰水加入脫甲基反應(yīng)產(chǎn)物,振勻后萃取有機(jī)層,水層再用乙酸乙酯萃取,合并有機(jī)層最后再用冰水洗滌有機(jī)層,有機(jī)層物質(zhì)通過旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)儀干燥得黃紅色物質(zhì);(2)用80~400目粗孔硅膠制成純化用層析柱,用5∶(1~3)的氯仿∶乙酸乙酯作洗脫溶劑,收集洗脫液,用薄層層析法檢測(cè),收集目標(biāo)產(chǎn)物純度較高的部分,合并之后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)濃縮干燥。
4.權(quán)利要求3所述的D-熒光素化學(xué)合成方法,其特征在于脫甲基反應(yīng)產(chǎn)物的提取過程所采用的乙酸乙酯和冰水的比例為1∶(1~3),每次的用量為反應(yīng)材料的50~100倍;(2)層析柱用帶三通的可加壓式層析柱,流速為1~5ml/min。
5.權(quán)利要求1或2所述的D-熒光素化學(xué)合成的方法,其特征在于純化后的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸的縮合反應(yīng)為將純化后的脫甲基反應(yīng)產(chǎn)物與D-半胱氨酸水合物在堿性乙醇溶劑中抽真空通入氮?dú)鈼l件下于室溫下避光反應(yīng)10~30min,用鹽酸調(diào)節(jié)pH至1~6,在1000~15000r/min下高速離心10~20min,收集沉淀,避光真空干燥。
6.權(quán)利要求3所述的D-熒光素化學(xué)合成的方法,其特征在于純化后的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸的縮合反應(yīng)為將純化后的脫甲基反應(yīng)產(chǎn)物與D-半胱氨酸水合物在堿性乙醇溶劑中抽真空通入氮?dú)鈼l件下于室溫下避光反應(yīng)10~30min,用鹽酸調(diào)節(jié)pH至1~6,在1000~15000r/min下高速離心10~20min,收集沉淀,避光真空干燥。
7.權(quán)利要求4所述的D-熒光素化學(xué)合成的方法,其特征在于純化后的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸的縮合反應(yīng)為將純化后的脫甲基反應(yīng)產(chǎn)物與D-半胱氨酸水合物在堿性乙醇溶劑中抽真空通入氮?dú)鈼l件下于室溫下避光反應(yīng)10~30min,用鹽酸調(diào)節(jié)pH至1~6,在1000~15000r/min下高速離心10~20min,收集沉淀,避光真空干燥。
8.一種完成權(quán)利要求1所述的D-熒光素化學(xué)合成的反應(yīng)裝置,其特征在于包括一置于高溫油浴加熱裝置上的三口燒瓶(500mL),三口燒瓶一側(cè)邊開口接有抽真空和通氮?dú)獾墓艿?,另一?cè)邊開口密封,中間開口接一冷凝管,冷凝管的廢氣出口連接有一廢氣吸收器。
9.權(quán)利要求8所述的D-熒光素化學(xué)合成的反應(yīng)裝置,其特征在于高溫油浴系統(tǒng),可用在可調(diào)電爐(1)(500W)上用不銹鋼鍋(6)盛蓖麻油(約2000mL),通過溫度傳感器(3)來精細(xì)調(diào)節(jié)溫度;用三口燒瓶(2)(500mL)的左邊開口進(jìn)行抽真空通氮?dú)猓虚g開口用來加樣和冷卻循環(huán),右邊開口用來取樣檢測(cè);冷卻循環(huán)用一般的水冷凝管(4)即可,廢氣吸收可用干燥的氯化鈣(5)來進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種化學(xué)合成D-熒光素的方法及合成裝置,屬化學(xué)合成領(lǐng)域。本發(fā)明通過將高純度的2-氰基-6-甲氧基苯并噻唑和鹽酸吡啶進(jìn)行高溫脫甲基反應(yīng),然后提取脫甲基反應(yīng)產(chǎn)物,經(jīng)柱層析純化,最后將純化的脫甲基產(chǎn)物與D-半胱氨酸進(jìn)行縮合反應(yīng)后即可獲得D-熒光素產(chǎn)品。本發(fā)明提供了一種操作簡(jiǎn)捷、在中等規(guī)模條件下可高得率地合成D-熒光素的方法及其反應(yīng)裝置,克服了目前D-熒光素反應(yīng)途徑復(fù)雜,反應(yīng)條件要求苛刻,反應(yīng)設(shè)備要求高,且難以控制的特點(diǎn),D-熒光素的得率可以達(dá)到60%以上,純度達(dá)50%以上,發(fā)光系數(shù)高于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品,達(dá)到Sigma L-9504產(chǎn)品的水平,但價(jià)格大大低于Sigma公司的D-熒光素產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C07D311/00GK1754881SQ20041005170
公開日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者吳慧清, 吳清平, 張菊梅, 郭偉鵬, 李程思 申請(qǐng)人:廣東省微生物研究所, 廣州環(huán)凱生物技術(shù)有限公司