N叔丁氧羰基哌嗪制备工艺研究之令狐文艳创作.docx

1、N叔丁氧羰基哌嗪制备工艺研究之令狐文艳创作摘要令狐文艳本文介绍了N-叔丁氧羰基哌嗪，它是属于哌嗪类单取代化合物。此类药物与传统有机药物相比较具有高效的药理活性。在有机合成中，作为活泼的医药中间体，可进一步合成许多类型的有机化合物。具有很强的研究意义。N-叔丁氧羰基哌嗪合成是由哌嗪出发，与冰醋酸发生成盐反应，无水乙醇作为溶剂，再加入二碳酸二叔丁酯通过酰化反应得到N-叔丁氧羰基哌嗪粗品。在反应过程中需要严格控制pH值和温度，以此来减少副产物的生成。后处理中，以乙酸乙酯为萃取剂，除去未反应的原料与其他杂质。最后得到合格的N-叔丁氧羰基哌嗪产品。经实验过程分析，实验数据验证。得出N-叔丁氧羰基哌嗪的一

2、些物化性质，可以看出此工艺具有一定的可行性，产品质量稳定，优于其它工艺路线。有着广阔的市场效益和经济利润。关键词：N-叔丁氧羰基哌嗪； 哌嗪； 二碳酸二叔丁酯； 医药中间体；AbstractThis article describes the N-tert-butoxycarbonyl piperazine, it belongs to a single substituted piperazine compounds. These drugs compared with traditional organic drugs with high pharmacological activity.

3、 In organic synthesis, as the active pharmaceutical intermediates, further synthesis of many types of organic compounds. Research has a strong meaning. N-tert-butoxycarbonyl piperazine piperazine synthesized by starting with the acetic acid salt reaction occurs, anhydrous ethanol as solvent, then ad

4、d the second di-tert-butyl carbonate obtained by acylation of N-tert-butoxycarbonyl piperazine crude. In the reaction process, the need for strict control of pH value and temperature, in order to reduce the by-product formation. After treatment with ethyl acetate as extracting agent to remove unreac

5、ted raw materials, isomers and by-products and other impurities. Finally, access to qualified N-Boc piperazine-based products. The experimental process analysis, experimental data. Obtained N-tert-butoxycarbonyl piperazine some of the physical and chemical properties, can be seen that this process i

6、s feasible, stable product quality, better than the other process routes. Has a broad market efficiency and economic profit.Key words: N-tert-butoxycarbonyl piperazine; piperazine; two-di-tert butyl carbonate; pharmaceutical intermediates;第一章前言11.1哌嗪单取代化合物用途及市场消费状况11.1.1用途11.1.2市场消费状况21.1.3市场前景21.2哌

7、嗪单取代化合物的合成方法及现况31.2.1主要合成方法31.2.2 现状31.3N-叔丁氧羰基哌嗪工艺合成路线41.3.1哌嗪乙酸的合成41.3.2 N-叔丁氧羰基哌嗪的合成41.4本课题研究目的及意义41.5 N-叔丁氧羰基哌嗪选题依据41.5.1 N-叔丁氧羰基哌嗪简介41.5.2常见哌嗪类单取代化合物的工艺路线4第二章实验部分62.1实验原理62.1.1哌嗪乙酸的合成62.1.2 N-叔丁氧羰基哌嗪的合成62.2实验仪器与试剂62.2.1实验仪器62.2.2实验试剂72.3实验步骤及现象72.3.1哌嗪乙酸的合成72.3.2 N-叔丁氧羰基哌嗪的合成72.3.3后处理82.4分析方法82

8、.4.1纸层析法分析原理82.4.2熔点测定的原理9第三章实验结果与讨论103.1实验结果103.1.1原料投料量：103.1.2产品量：103.2实验结果分析103.2.1反应时间对产率的影响103.2.2反应温度对产率的影响103.2.3其他有利于反应的条件113.3试剂的选择113.3.1溶剂的选择依据：113.3.2冰醋酸11第四章结论12致谢13参考文献14第一章前言N-叔丁氧羰基哌嗪属于哌嗪类单取代化合物。哌嗪单取代化合物由于其特殊的结构成为众多药物合成中的关键中间体。因此，合成哌嗪类单取代化合物具有非常重要的药学价值及经济价值。1.1哌嗪单取代化合物用途及市场消费状况1.1.1用

9、途哌嗪及其单取代化合物是一类非常重要化工原料和医药中间体，广泛应用于镇咳药、抗过敏药、抗精神病类药物、抗菌药物等领域。哌嗪及其衍生物是这些药物合成的主要原料。1) 镇咳药左羟基丙哌嗪左羟基丙哌嗪(1evodropropizine)全称(4-苯基-1-哌嗪基)-丙二醇，是由意大利Dompe公司开发的镇咳药，于1988年首次上市1。它是当时世界上唯-上市的手性镇咳药，无一般镇咳药的中枢镇静作用，无依赖性，安全性好，临床使用结果表明优于目前国内的镇咳药。2) 抗过敏药盐酸西替利嗪盐酸西替利嗪(Cetirizine Hydrochlori-de)化学名为()2-2-4-(4- 氯苯基)苯甲基1-哌嗪基

10、乙氧基乙酸二盐酸盐，由比利时UCB公司开发，于1987年上市。它具有多种抗过敏作用，主要用于治疗呼吸道、 皮肤和眼睛的过敏性疾病，包括季节性过敏性鼻炎、非季节性变应性枯草热、眼睛过敏时的结膜炎以及哮喘2、3。 3) 抗精神病类药物癸氟奋乃静、三氟拉嗪、哌拉西林4) 哌嗪类抗菌药物环丙沙星、洛美沙星、哌拉西林、利福平、伊曲康唑(1traconzole)和沙帕康唑(Saperoonazole)。5) 其他药物雷诺嗪、硫乙哌丙嗪(Thiethyl perazine)、乙胺嗪(Diethylcarbamazine)1.1.2市场消费状况全球药品市场的规模从1970年的 1217 .7亿美元，上升至20

11、01年的4300亿美元，在1996 -1999年间世界药品市场约增长5.5，2005年将达到5400亿美元。医药化学品的分子结构一般比较复杂，合成步骤也多。最近在国外开发一些高效、性能好的医药新品种中，大都引入了杂环结构，其生物活性或性能明显提高。主要杂环有咪唑、噻唑、三唑、吡啶、嘧啶、哌嗪和三嗪等和它们的一些衍生物。由此得出，全球药品市场对杂环化合物具有一定的需求。目前，国内对哌嗪类的需求量将达到4000t左右，年进口量高达3000t左右。随着我国加入WTO，2002一2007年国内诺氟沙星、环丙沙星和利福平的大量出口，据不完全统计，3种药物的出口量年增长率在30%以上，而且未来几年出口前景

12、更加看好。我国已经成为世界氟喹诺酮类药物的生产基地，许多新产品源源不断地被开发与生产，目前己经投入生产的还有氧氟沙星、依诺沙星、洛美沙星、氟罗沙星、蕙氟沙星、芦氟沙星、左旋氧氟沙星等，另外一些新型的氟喹诺酮类药物如培氟沙星、托氟沙星、司氟沙星、巴罗沙星、二氟沙星、斯帕沙星等也在开发之中6。这些药物许多品种是以哌嗪或其衍生物为原料合成的，另外直接以哌嗪为原料可以合成多种新药，如抗高血压药物特拉唑嗪、镇咳药物依普拉酮和齐培丙醇、抗精神病药物哌泊溴烷、抗组胺药物依普罗醇等1.1.3市场前景“九五”和“十五”期间我国新型喹诺酮类药物，特别是氟哌酸和吡哌酸生产发展迅速，对哌嗪类的需求量大幅增加。2000

13、年我国哌嗪类的总消费量约为2600t5，其中氟哌酸对哌嗪类的消费量约1000t,吡哌酸消费量800t，磷酸哌嗪和利福平等消费量约400t；医药行业共消费哌嗪类约2200t左右。橡胶促进剂对哌嗪类的消费量约300t；其他方面消费量约100t。我国现有氟哌酸和吡哌酸生产企业近五十家4，预计今后氟哌酸年生产能力约为2000t吡哌酸生产能力约1600t，因此预计我国医药行业对哌嗪类的年需求量将达到3500t以上。此外随着我国精细化工的迅速发展，哌嗪类在其他领域的应用将会得到不断的拓展，特别是合成树脂、表面活性剂、橡胶硫化促进剂、抗氧化剂等领域对哌嗪类的需求增长速度较快。1.2哌嗪单取代化合物的合成方法

14、及现况1.2.1主要合成方法1) 烷基哌嗪类单取代化合物； 哌嗪的烷基化反应中，由于是连串反应，所得物同时有单取代、双取代及反应原料的混合物。为了获得高收率的N-单烷基化产物，应当对原料配比、反应时间、反应温度、加入催化剂的种类等反应条件进行优化。国内N-甲基哌嗪和N-乙基哌嗪的合成主要以哌嗪为原料，进行氮烷基化反应来得到，但原料哌嗪的价格高造成生产成本较高，与国外竞争没有优势。而醇的催化胺化平台技术，以N-甲基(乙基)-N-13-羟乙基乙二胺为原料，可以高选择性的合成N-甲基哌嗪和N-乙基哌嗪，在成本上具有很大优势。2) 苯基哌嗪类单取代化合物；N-苯基哌嗪是合成低毒中枢性非成瘾性镇咳药1-

15、苯基-4-(2，3-二羟基丙基)哌嗪，和高效低毒、口服有效的广谱抗体表及体内真菌药物1-乙酰基-4-(4-羟基苯基)哌嗪的重要中间体。主要合成方法是以苯胺与二乙醇胺为原料，在浓盐酸及少量三氧化二铝催化作用下，发生缩合反应，得到苯基哌嗪。该法原料易得，操作简单，工业化可行性大。用于合成无取代基的苯基哌嗪的合成。3) 酰基哌嗪类单取代化合物的。由于哌嗪有两个活性相同的氨基，采用一般的酰化方法进行酰化反应，就会得到较多的双酰化哌嗪副产物。所以，N-单酰基哌嗪的合成关键是如何减少双酰化物的生成。pH值、溶剂、温度是单酰化反应的主要影响因素。通常采用的是先保护一个氨基后再酰化和脱保护的方法，如甲酰基保护

16、法、乙氧基保护法以及成盐保护法等。1.2.2现状哌嗪及其衍生物的医学药物开发时间并不长，短短几年里，已经有十几种新药相继问世。国外对含哌嗪环的化合物的合成以及医学上的应用比较早。目前， 国外的各大医药公司、新药研发机构、高校科研机构越来越重视这一系列化合物的研发，已经研发了数百种用于临床实验的含哌嗪环的化合物，其中合成的新药开发占每年全球上市新药的257。我国在这一项目上起步较晚，目前的研发过程 多数以国外的药物为基础，通过改变现有药物的结构而达到开发新功能，提高药效。其中，中国药科大学、郑州大学等几所高校取得了显著成效，有些已经应用于临床。国内科学家也通过改变已有化合物的结构，使新合成的化合

17、物具有更高的药物活性。 1.3N-叔丁氧羰基哌嗪工艺合成路线本实验采用改进后的合成方法，以哌嗪、醋酸(醋酸解离出的部分质子与哌嗪中的氨基结合，降低哌嗪上氨基的活性，提高了选择性)作为原料，无水乙醇作为溶剂，然后用二碳酸二叔丁酯取代，生成N-叔丁氧羰基哌嗪。比起一般方法，反应步骤有所减少，能较好的提高收率，其工艺合成路线如下：1.3.1哌嗪乙酸的合成1.3.2N-叔丁氧羰基哌嗪的合成1.4本课题研究目的及意义近年来，哌嗪类化合物发展迅速，在有机合成和医学中的应用已引起了有机化学界和药学界的广泛关注，哌嗪环与传统的有机药物相比，具有更好氮平衡的对称结构。在有机合成中，作为活泼中间体，含哌嗪环的化合

18、物可以进一步合成许多类型有机化合物，这些化合物大多具有高效的药理活性，有些已经开发成为临床药物。新出现的哌嗪类药物主要有：镇咳药左羟基丙哌嗪，抗过敏药盐酸西替利嗪，精神类药物癸氟奋乃静，三氟拉嗪；抗菌药环丙沙星，洛美沙星，伊曲康唑等等。N-叔丁氧羰基-哌嗪是近年来出现的一类新型哌嗪类医药中间体，对其制备工艺和应用前景研究和开发是目前研究的热点课题。1.5N-叔丁氧羰基哌嗪选题依据1.5.1N-叔丁氧羰基哌嗪简介N-叔丁氧羰基哌嗪又名1-叔丁氧羰基哌嗪、 哌嗪-1-甲酸叔丁酯。作为医药中间体在医药领域具有广泛的用途。微溶于水,易溶于乙酸乙酯。熔点为47,其分子式为C9H18N202。1.5.2常

19、见哌嗪类单取代化合物的工艺路线1)N-甲基哌嗪的合成N-甲基哌嗪（MPP）是一个重要的医药化工原料8。在制药业，MPP用于合成甲哌利福霉素、环丙沙星等抗菌药、安眠镇静等药物。其合成方法，一般是以哌嗪为原料，通过甲基化试剂在其中的一个氮原子上引入甲基，其合成的难点是哌嗪分子中有两个等同的氮原子，但只能在其中一个上引入甲基得到MPP9。2)1-叔丁氧羰基-4-（4,5-二氨基-3-甲基苯基）哌嗪的合成工艺该方法以价廉、低毒的碘化亚铜为催化剂、乙二醇为催化剂配体、磷酸钾为碱性介质、异丙醇为溶剂，由4-碘-2-甲基-6-硝基苯胺经一步氨基化反应，得到了1-叔丁氧羰基-4-(4-氨基-3-甲基-5-硝基

20、苯基)哌嗪，再进一步还原得到1-叔丁氧羰基-4-(4，5-二氨基-3-甲基苯基)哌嗪，反应条件温和、步骤少、路线短、收率高、成本低，优势明显。3)取代基N-叔丁氧羰基BOC作为取代基的优点外观：白色结晶或液体。熔点：22-24。沸点:70-72。密度4：1.02g/cm。叔丁氧羰基(Boc)作为氨基的重要保护基团在有机合成中已有广泛应用，其脱保护反应的研究不仅决定了合成的成败，而且也会影响反应能否继续进行，因此是合成反应中及其重要的环节。N-BOC作为保护基的优点有：1)价格便宜2)无强烈刺激性气味，对人体无毒害作用。但对直接接触皮肤会引起过敏，可用水冲洗。3)在温和条件下增加脱保护的产率,并

21、能形成低沸点的产物。4)作为保护基，N-BOC脱保护几乎可以定量。通过种种分析考虑，认为N-叔丁氧羰基哌嗪具有很大的研究价值，合成N-叔丁氧羰基哌嗪具有非常重要的药学价值及经济价值，市场潜力很大，故以此作为选题依据。第二章实验部分2.1实验原理2.1.1哌嗪乙酸的合成第一步反应哌嗪作原料，醋酸、无水乙醇作溶剂，生成哌嗪乙酸。属于成盐反应。2.1.2N-叔丁氧羰基哌嗪的合成第二步反应为酰化反应（在有机物分子中的氧、氮、碳、硫等原子上引入酰基的反应称为酰化反应），二碳酸二叔丁酯从中间断裂，在N上引入酰基。反应生成N-叔丁氧羰基哌嗪。2.2实验仪器与试剂2.2.1实验仪器表2-1 实验仪器名称生产厂

22、家JHS-1/60电子恒速搅拌器（60W）R206旋转蒸发器SHB-循环水式多用真空泵（180W）LP202A型电子天平101型电热鼓风干燥箱C型玻璃仪器气流烘干器杭州仪表电机有限公司上海申生科技有限公司郑州长城科工贸有限公司常熟市百灵天平仪器有限公司北京市永光明医疗仪器厂郑州长城科工贸有限公司2.2.2实验试剂表2-2 实验试剂试剂分子式纯度生产厂家无水哌嗪C4H10N2AR常州花山化工有限公司冰乙酸CH3COOHAR天津市永大化学试剂开发中心乙酸乙酯CH3COOC2H5AR天津市永大化学试剂有限公司氧氢化钠NaOHAR上海市苏懿化学试剂有限公司丙酮CH3COCH3AR上海市苏懿化学试剂有限

23、公司氯化钠NaClAR天津市永大化学剂开发中心无水硫酸钠Na2SO4AR天津市永大化学试剂有限公司甲苯C6H5CH3AR上海市苏懿化学试剂有限公司无水乙醇CH3CH2OHAR天津市永大化学试剂有限公司二碳酸二叔丁酯C10H18O5AR天津市永大化学试剂开发中心2.3实验步骤及现象2.3.1哌嗪乙酸的合成无水乙醇(116.31mL)，哌嗪20g，哌嗪粉碎后投入反应釜三口烧瓶，搅拌全溶后，滴加2小时冰醋酸62.64g(59.71m)，温度控制在30以下，滴加20g(19.06mL)后，冰醋酸全部倒入三口烧瓶中，搅拌15分钟，滴加配置好的乙醇水溶液(无水乙醇77.17g+111.2g)，反应搅拌1.

24、5h。操作现象：加入粉碎后的哌嗪，用无水乙醇作溶剂，搅拌后变为淡黄色。2.3.2N-叔丁氧羰基哌嗪的合成配置好BOC无水乙醇混合液(50g70g)后，当三口烧瓶内物料降至05时，开始滴加混合液，滴加过程中，温度控制在05之间，时间在2.53小时，滴加完毕后，继续控制温度在05反应5小时结束。抽滤，取出液体，固体放置。操作现象： 1)随着滴加时间的延长，溶液变为乳白色，当冰醋酸全部倒入后，变为白色溶液2)滴加醇/水溶液时，白色渐渐退去，渐变为暗灰色澄清溶液。3)反应1.5小时时，配置BOC/无水乙醇溶液，烧杯壁很凉，可以得出此为吸热现象。4)加BOC反应1.5小时后，出现白色絮状物，随时间增长，

25、白色絮状物增多。5)抽滤时，得到白色絮状物和暗灰色液体。液体进行减压蒸馏(注：温度控制在60以下)，蒸出醇/水量因该在250-270g，将釜内液体(70-80g)加水15g后，分别用35、25、20g甲苯各提取一次，甲苯层合并，回收甲苯下次套用。水相加40%碱调pH11后，反应5小时以上(温度控制在05之间)。操作现象：1)用甲苯提取时，液体分为两层，液体变透明澄清。 2)配置碱溶液时，烧杯壁发热，出现放热现象。加入100m左右碱时，pH约为11。试纸为深紫色。3)加碱后，溶液变暗。当搅拌反应一半时，溶液中出现透明晶体，pH变低。2.3.3后处理用乙酸乙酯萃取三次，第一次80g，第二次50g，

26、第三次35g,(中途测pH，若偏低，适当补加碱)，合并乙酸乙酯相，分别用欠饱和的食盐水：20g，15g，10g洗三次，再用10g水洗一次，乙酸乙酯层加无水硫酸钠干燥，搅拌干燥4-5小时，过滤。滤液脱乙酸乙酯，最后进行减压蒸馏，温度控制在60以下完后，将釜内液体放出冷冻，结晶固体，装袋后放置在冷柜冷藏。2.4分析方法本实验用纸层析法检测第一步反应哌嗪乙酸是否反应完全。2.4.1纸层析法分析原理纸层析法又称纸色谱法。以纸为载体的色谱法。固定相一般为纸纤维上吸附的水分，流动相为不与水相溶的有机溶剂；仪器：碘瓶 毛细管 碘板试剂：甲醇 氨水 二氯甲烷操作步骤：1）配置溶液表2-3 溶液比例溶液二氯甲烷

27、甲醇氨水（28%）比例13336.71比例25007.51注：一般采用第一种比例。将反应液在碘板左侧用毛细管滴一滴，在右侧滴一滴哌嗪，中间是反应液+哌嗪混合物。随后，放入配好溶液中，2/3处取出干燥。待干后，放入碘瓶中。带溶液分层后，可判断反应是否完全。2.4.2熔点测定的原理1）熔点的定义：固液两相的蒸气压相同而且等于外界大气压时的温度就是该固体物质的熔点。2）测熔点时几个概念：始熔、全熔、熔点距、物质纯度与熔点距关系。3）测定熔点实验关键是：由于毛细管法是间接测熔点方法，所以加热升温速度是本实验的关键，当接近熔点时升温速度一定要慢，应小于12/min；密切观察加热和熔化情况，及时记下温度变

28、化。经测定本实验的熔点为47，熔程为46484）毛细管法测熔点，用b形管测熔点装置（本实验使用）仪器：b型管（Thiele管）、100温度计、长玻璃管(60cm)、表面皿（中号）、切口橡皮塞、橡皮圈、 酒精灯药品：甘油第三章实验结果与讨论3.1实验结果本实验共做四批，每批两组。每批投料量相同，但所做的步骤在每一次中都有改进。最后所得产品也不同。实验数据如下表所示。3.1.1原料投料量：表3-1原料质量体积哌嗪20g无水乙醇239.06g302.61ml醋酸62.64g59.71mlBOC50g3.1.2产品量：表3-2实验序号产量收率熔点第一批25.4458.83%45第二批21.7750.3

29、4%37第三批26.8862.15%46第四批25.9660.02%483.2实验结果分析3.2.1反应时间对产率的影响1）在第一批试验和第二批实验时，采用两种方法进行反应。在滴加冰醋酸时间上有所区别，第一批滴加两小时，而第二批滴加半小时。第一批得到的产物重量比第二批多，熔点也高于第二批。2）在合成哌嗪乙酸时，若适当增加滴加反应时间，则有利于收率的增加。3.2.2反应温度对产率的影响1）在第三批和第四批中，在其他条件相同的情况下。采用两种方法进行实验，第三批的反应温度控制在3，而第四批控制在0左右。在于碱反应时第三批的固体为晶体小颗粒，而第四批为白色絮状物，两种现象均为正常通过产率可以看出，反

30、应温度在05之间，温度为3时，产物的重量高于温度为0左右时的。2）在合成N-叔丁氧羰基哌嗪时，若适当的增加温度，则可提高产量。3.2.3其他有利于反应的条件1）在实验中，要控制好温度。例如，在减压蒸馏中，温度要控制在60以下，否则温度过高会有产品蒸出。2）在试验中，用滴液漏斗滴加溶液时，速度不宜过快。否则会导致温度突然升高、溶液变混浊、反应不完全等情况产生。3）实验中，搅拌速度应适中，约300n/min。不宜过快。4）后处理中，无水硫酸钠在使用前应在干燥箱中干燥12小时，这样可以增强其干燥效果。3.3试剂的选择3.3.1溶剂的选择依据：1）无水哌嗪不溶于水，在无水乙醇中可以完全溶解。2）无水乙醇可以通过减压蒸馏从溶液中分离出来。3）无水乙醇的后处理比较简单。4）使用无水乙醇比较好控制反应温度。3.3.2冰醋酸由于哌嗪上有两个活性相同的氨基，所以反应时，需将一个“保护”起来不反应，选择性需要留下一个，反应完后在定量的去掉保护基，同时还不能影响分子中其他部分。而醋酸解离出的部分质子与哌嗪中的氨基结合，降低哌嗪上氨基的活性，提高了选择性第四章结论本实验以哌嗪、冰醋酸为原料，无水乙醇为溶剂先进行成盐反应，降低哌嗪环上N的活性，提高了下一步反应的选择性。然后，与二碳酸二叔丁酯发生酰化反应，BOC作为重要的氨基保护基团，增加了脱保护