CC BY
82
Низкомолекулярные соединения
УДК 547.918:547
НОВЫЕ СПОСОБЫ ОДНОСТАДИЙНОГО СИНТЕЗА АЛЛОБЕТУЛИНА, БЕНЗОАТА И ФТАЛАТА АЛЛОБЕТУЛИНА
© В.А. Левданский12 , А.В. Левданский1, Б.Н. Кузнецов1’2
1 Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск, 660049 (Россия). E-mail: inm@icct.ru
2Сибирский федеральный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск,
660041 (Россия)
Установлено, что кипячение в среде толуола или п-ксилола бересты коры березы, пропитанной ортофосфорной или серной кислотой, сопровождается превращением в аллобетулин содержащегося в бересте бетулинола. Максимальный выход аллобетулина достигает 21-22% от массы а.с. бересты. Предложены новые способы одностадийного синтеза из бетулинола 3-О-бензоата аллобетулина и 3-О-фталата аллобетулина с выходом 89-92%.
Ключевые слова: береста, бетулинол, изомеризация, аллобетулин, синтез, 3-О-бензоат аллобетулина, 3-О-фталат ал-лобетулина.
Введение
Аллобетулин (19,28-эпоксиолеанан-3-ол) - пентациклический тритерпеноид олеананового ряда, и его эфиры обладают разнообразной биологической активностью [1, 2].
Известные многостадийные способы синтеза аллобетулина включают стадии выделения бетулинола из бересты и его изомеризации в присутствии кислотных катализаторов. Используются двухстадийные и одностадийные способы изомеризации бетулинола в аллобетулин. Известный двухстадийный способ основан на обработке бетулинола кипящей муравьиной или уксусной кислотой в присутствии серной и последующем омылении образовавшегося формиата или соответственно ацетата аллобетулина гидроксидом калия [3]. Одностадийная изомеризация бетулинола в галогеноводородных кислотах приводит к образованию побочного продукта - 20,28-эпокси-19ßH-лупан-3ß-ола, что существенно снижает выход аллобетулина [4]. В одну стадию аллобетулин может быть получен в условиях гетерогенного катализа при кипячении бетулинола в ди-хлорметане с азотнокислым железом или хлорным железом, адсорбированным на силикагеле [5], а также изомеризацией бетулинола в присутствии растворенной или нанесенной на инертный носитель ортофос-форной кислотой [6].
Целью исследований являлась разработка новых способов одностадийного синтеза аллобетулина непосредственно из бересты коры березы и его последующей трансформации в бензоат и фталат аллобетулина.
Экспериментальная часть
В качестве исходного сырья использовали внешнюю часть коры березы (бересту) Betula pendula Roth., заготовленную в июле 2008 г. в окрестностях Красноярска. Бересту измельчали до частиц размером менее 2 мм и высушивали при 105 °С до влажности менее 1%. Химический состав бересты (% мас.): бетулин 35,8, суберин 39,8, лигнин 13,1, целлюлоза 3,6, зола 2,4.
Методика получения аллобетулина из бересты в присутствии ортофосфорной кислоты. В колбу объемом 500 мл, снабженную обратным холодильником, помещают 10 г измельченной бересты, пропитывают ее
* Автор, с которым следует вести переписку.
20 мл ортофосфорной кислоты, заливают 200 мл толуола и кипятят в течение 4 ч. Ход реакции изомеризации контролируют, отбирая пробы из реакционной колбы методом ТСХ на пластиках Silufol, в системе хлороформ - метанол - муравьиная кислота (100 : 2 : 0,З). Горячий раствор аллобетулина в толуоле отделяют от коры фильтрованием, затем полностью отгоняют толуол на ротационном испарителе, остаток разбавляют З0-70 мл воды и отфильтровывают. Полученный продукт перекристаллизовывают из этанола. Выход аллобетулина в виде белых кристаллов составил 2,1 г, или 21 мас.% от массы бересты. Состав аллобетулина (C30HWO2) подтвержден элементным анализом. Найдено: C, % S2,17; S1,S3; H, % 11,01; 10,7З. Вычислено: C, % S^; H, % 11,31.
В п-ксилоле продолжительность получения аллобетулина из бересты составляла 3 ч. Выход аллобетули-на составил 2,3 г или 23 мас.% от массы бересты. Состав аллобетулина (C^H^O^ подтвержден элементным анализом. Найдено: C, % S1,09; S1,76; H, % 11,4S; 11,12. Вычисленно: C, % S!^; H, % 11,31.
Методика получения аллобетулина из бересты в присутствии серной кислоты. В колбу объемом З00 мл, снабженную обратным холодильником, помещают 10 г измельченной бересты, пропитывают ее 1З мл 3070% серной кислоты, заливают 200 мл толуола или п-ксилола и кипятят в течение 2,0-4,З ч. Ход реакции изомеризации контролируют методом ТСХ на пластиках Silufol, отбирая пробы из реакционной колбы, элю-ент - смесь хлороформ - метанол - муравьиная кислота (100 : 2 : 0,З). Горячий раствор аллобетулина отделяют от остатка коры фильтрованием, затем растворитель полностью отгоняют на ротационном испарителе, остаток разбавляют З0-70 мл воды и отделяют фильтрованием. Полученный аллобетулин перекристаллизо-вывают из этанола. Выход аллобетулина в виде белых кристаллов составил 1,7-2,2 г или 17-22 мас.% от массы бересты. Состав аллобетулина подтвержден элементным анализом.
Методика получения 3-О-бензоата аллобетулина. В круглодонную колбу объемом 2З0 мл, снабженную насадкой для сбора выделяющейся в процессе реакции воды, загружают 4,42 г (0,01 моль) бетулинола, заливают 7З мл толуола (предварительно высушенного над натрием), 3,бб г (0,03 моль) бензойной кислоты, З мл ортофосфорной кислоты и кипятят на воздушной бане в течение 7 ч. По мере кипячения наблюдалось выделение воды в насадке. После прекращения выделения воды нагревание заканчивают. Толуол отгоняют на ротационном испарителе, остаток разбавляют S0-100 мл этилового спирта, добавляют активированный уголь марки АУ, переносят в круглодонную колбу объемом 2З0 мл, снабженную обратным холодильником и кипятят в течение 1З-20 мин. Затем горячий раствор быстро отфильтровывают от угля, концентрируют до З0-б0 мл, переносят в стакан и оставляют кристаллизоваться. Выход продукта с Тпл 197-19S °C составил 4,S6 г (S9 %). Чистота продукта подтверждена методом ТСХ на пластинках Silufol (элюент - смесь гексана с хлороформом в соотношении З : 1). Состав бензоата аллобетулина (С37НмО3) подтвержден данными элементного анализа. Найдено: C, % S^^ S1,37; H, % 10,02, 9,71. Вычислено: C, % S1,32; H, % 9,S9.
Методика получения 3-О-фталата аллобетулина. В колбу объемом 2З0 мл, снабженную обратным холодильником, загружают 4,42 (0,01 моль) бетулинола, 3,7 г (0,02З моль) фталевого ангидрида, добавляют 10 мл ортофосфорной кислоты и заливают 70 мл бутилового спирта. Смесь кипятят на воздушной бане в течение 1б ч. Затем бутиловый спирт отгоняют под вакуумом. Кубовый остаток разбавляют дистиллированной водой, нейтрализуют гидроксидом натрия, затем трижды экстрагируют диэтиловым эфиром. Эфирный экстракт промывают дистиллированной водой и сушат над безводным сернокислым натрием. Затем эфир отгоняют в вакууме. Выход продукта с Тпл = 240-242 °С составил З,43 г (92%). Чистота продукта подтверждена методом ТСХ на пластинках Silufol. Состав 3Ю-фталата аллобетулина (С^Н^О^ определен методом элементного анализа. Найдено (%): С 77,43; 77,21; Н 9,З2; 9,73. Вычислено (%): С 77,29; Н 9,бб.
Методики съемки ИК и ЯМР спектров. ИК-спектры записаны на Фурье ИК-спектрометре Vector-22 фирмы Bruker в таблетках с KBr (3 мг образца/300 мг KBr). Спектры ^ЯМР сняты на спектрометре Bruker AM-400 (200 МГц) в дейтерохлороформе. В качестве внутреннего стандарта использован остаточный сигнал протонов хлороформа (5н=7,30 м.д).
Элементный анализ выполнен на элементном анализаторе Flash E АТМ-1112 (Thermo Quest Italia).
Результаты и обсуждение
Одностадийный синтез аллобетулина из бересты. При синтезе аллобетулина кислотной изомеризацией бетулинола пятичленный цикл бетулинола, содержащий изопропеновую группу, изомеризуется в шестичленный цикл по схеме:
Задача исследования состояла в подборе условий, обеспечивающих совмещение процессов экстракции бетулинола из бересты и его кислотной изомеризации в аллобетулин.
Известно, что высокий выход бетулинола достигается при экстракции бересты неполярными органическими растворителями, например толуолом [7].
Показано, что при кипячении в толуоле или п-ксилоле измельченной бересты, пропитанной серной или ортофосфорной кислотой, одновременно с экстракцией бетулинола происходит и его изомеризация в аллобетулин. Выход аллобетулина из бересты составляет 21-23 масс %.
Установлено, что оптимальная продолжительность одновременно протекающих процессов экстракции бетулинола толуолом и превращения его в аллобетулин составляет 4 ч. Использование в качестве растворителя п-ксилола сокращает оптимальную продолжительность процесса до 3 ч.
Проведена серия экспериментов по получению аллобетулина из бересты в среде толуола и п-ксилола в присутствии серной кислоты. Концентрацию серной кислоты варьировали от 30 до 70%, продолжительность обработки - от 3 до 4,5 ч (табл. 1, 2).
Таблица 1. Выход аллобетулина в зависимости от концентрации серной кислоты, используемой для пропитки бересты, и продолжительности ее кипячения в толуоле
Пример Концентрация И2В04 Продолжительность реакции, ч Выход аллобетулина, %*
1 70 3,0 18
2 60 3,0 19
3 50 3,5 22
4 40 4,0 21
5 30 4,5 20
от массы абс. сух. бересты
Таблица 2. Выход аллобетулина в зависимости от концентрации серной кислоты, используемой для пропитки бересты, и продолжительности ее кипячения в п-ксилоле
Пример Концентрация И2В04 Продолжительность реакции, ч Выход аллобетулина, %*
1 70 2,0 17
2 60 2,0 18
3 50 2,5 21
4 40 3,0 22
5 30 4,0 21
от массы абс. сух. бересты
+
н
Как видно из данных, представленных в таблицах 1 и 2, при использовании в качестве растворителя толуола с температурой кипения 110 °С максимальный выход аллобетулина (21-22% мас.) достигается при использовании 40-50% серной кислоты и продолжительности процесса 3-4 ч. Повышение температуры процесса получения аллобетулина при замене толуола на п-ксилол с температурой кипения 138 °С приводит к сокращению его продолжительности до 3 ч.
Установлено, что при использовании серной кислоты с концентрацией более 50% выход аллобетулина падает и увеличивается количество смолообразных продуктов.
Состав аллобетулина (С30Н50О2), полученного из бересты в присутствии ортофосфорной и серной кислот, подтвержден элементным анализом, а его строение - ИК и ЯМР-спектрами. ИК-спектр аллобетулина
(рис. 1) аналогичен спектру образца сравнения. В :И ЯМР-спектре бетулинола имеются сигналы двух протонов концевой двойной связи (4,71 и 4,59 м.д.), характерной для всех производных бетулинола, имеющих изопропенильную группу. В :И ЯМР-спектре аллобетулина (рис. 2) сигналы перечисленных выше протонов отсутствуют, что свидетельствует о полном превращении бетулинола в аллобетулин.
Рис. 1. ИК-спектр аллобетулина
Рис. 2. ЯМР 1Н спектр аллобетулина
Одностадийный синтез бензоата и фталата аллобетулина из бетулинола. Известные способы получения эфиров аллобетулина являются многостадийными. Они включают реакции изомеризации бетулинола в аллобетулин и последующего ацилирования ангидридами или хлорангидридами кислот в среде пиридина по вторичной гидроксильной группе [1].
С целью разработки одностадийного способа синтеза из бетулинола эфиров аллобетулина изучены превращения бетулинола в органических растворителях в присутствии бензойной кислоты и фталевого ангидрида с добавкой ортофосфорной кислоты. Бетулинол был выделен из бересты известным методом [8]. В качестве образца сравнения использовали аллобетулин, полученный изомеризацией бетулинола в бутаноле в присутствии ортофосфорной кислоты [6].
Было показано, что при обработке бетулинола в толуоле бензойной кислотой в присутствии ортофос-форной кислоты наряду с изомеризацией пятичленного цикла происходит ацилирование по вторичной гидроксильной группе по схеме:
Выход бензоата аллобетулина с Тпл.197-198 °С составил 89%. В аналогичных условиях при взаимодействии бетулинола в бутиловам спирте с фталевым ангидридом в присутствии ортофосфорной кислоты получен с выходом 92% 3-О-фталат аллобетулина с Тпл 240-242 °С:
+
Структура полученного 3-О-бензоата аллобетулина и 3-О-фталата аллобетулина подтверждена ИК и ЯМР 'И-спектрами. При сравнении ИК-спектров аллобетулина (рис. 1), 3-О-бензоата аллобетулина (рис. 3) и 3-О-фталата аллобетулина (рис. 4) видно, что в ИК-спектрах 3-О-бензоата аллобетулина и 3-О-фталата аллобетулина отсутствует широкая полоса поглощения в области 3429 см-1, соответствующая валентным колебаниям гидроксильной группы, и появляется новая полоса поглощения карбонильной группы сложных эфиров при 1702 см-1 и 1716 см-1, соответственно для 3-О-бензоата аллобетулина и 3-О-фталата аллобетулина.
В ЯМР ^-спектрах 3-О-бензоата аллобетулина (рис. 5) и 3-О-фталата аллобетулина (рис. 6) отсутствуют сигналы двух протонов концевой двойной связи при 4,71 и 4,59 м.д., характерные для всех производных бетулинола, что свидетельствует об изомеризации бетулинола в аллобетулин. Одновременно с этим в области 7,49-7,68 м.д. появляются сигналы протонов, характерные для ароматических заместителей. Наблюдаемые сигналы протонов в области 6,87-7,65 м.д. характерны для ароматических протонов.
Рис. 3. ИК-спектр 3-О-бензоата аллобетулина
Рис. 4. ИК-спектр 3-О-фталата аллобетулина
Рис. 5. ЯМР 1И-спектр 3-О-бензоата аллобетулина
Рис. 6. ЯМР 1Н-спектр 3-О-фталата аллобетулина
Заключение
Осуществлен подбор условий одностадийного синтеза аллобетулина из бересты коры березы, обеспечивающих совмещение процессов экстракции бетулинола из бересты и его кислотной изомеризации в аллобетулин.
Установлено, что максимальный выход аллобетулина достигает 22-23% от массы абс. сух. бересты в среде толуола и п-ксилола в присутствии добавок ортофосфорной или серной кислот.
Разработаны одностадийные способы синтеза из бетулинола 3-О-бензоата аллобетулина и 3-О-фталата аллобетулина с выходом 89-92% основанные на совмещении реакций изомеризации бетулинола в аллобетулин и ацилирования последнего по вторичной гидроксильной группе в присутствии ортофосфорной кислоты.
Список литературы
1. Флехтер О.Б., Медведева Н.И., Карачурина Л.Т., Балтина Л.А., Галин Ф.З., Зарудий Ф.С, Толстиков Г.А. Синтез и фармакологическая активность эфиров бетулина, бетулиновой кислоты и аллобетулина // Химикофармацевтический журнал. 2005. Т. 39. №8. С. 9-12.
2. Толстикова Г.А., Флехтер О.Б., Шульц Э.Э., Балтина Л.А., Толстиков А.Г. Бетулин и его производные. Химия и биологическая активность // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. №13. С. 1-30.
3. Barton D.H.R., Holness N.J. Triterpenoids. Part V. Some Relative Configuration in rings C.D. and E. of the P-Amyrin and the Lupeol Group of Triterpenoids // J. Chem. Soc. 1952. Pp. 78-92.
4. Errington S.G., Chisalberti E.L., Jefferies P.R. The Chemistry of the Euphorbiaceae. XXIV. Lup-20(29)-ene-3p,16p,28-triol from Beyeria brevifolia var. brevifolia // Austr. J. Chem. 1976. V. 29. N8. P. 1809-1814.
5. Lavoie Serge, Pichette Andre, Garneau Francois-Xavier, Girard Michel, Gaudet Daniel. Synthesis of betulin derivatives with solid supported reagents (Laseve, Univ. du Quebec a Chicoutimi, 555 boul. Univ., Chicoutimi, Quebec, Can-
ada, G7H 2B1) // Synth. Commun. 2001. V. 31. №10. С. 1565-1571.
6. Патент 2174126 РФ. Способ получения аллобетулина / А.Н. Кислицын, А.Н. Трофимов. Опубл. 27.09.2001.
7. Патент 2192879 РФ. Способ получения бетулина / Ю.И. Стернин / опубл. 20.11.2002.
8. Патент 2340624 РФ. Способ получения бетулина / В.А. Левданский, А.В. Левданский, Б.Н. Кузнецов. Опубл. 10.12.2008.
Поступило в редакцию 11 июня 2009 г.
