方俊民臺灣大學：化學研究所謝俊結Shie, Jiun-JieJiun-JieShie2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/51937本論文主要分成兩大部分：在第一部分內容中，我們將闡述實驗室所開發出新形態有機反應，並應用於一系列特定化合物之合成。其中包含多取代苯并噻吩、噻吩化合物的製備以及醛類官能基轉換之水溶液反應。在第二部分的內容將鎖定於設計與合成新型SARS冠狀病毒蛋白酶抑制劑。 在第一部分的研究，首先討論2-噻吩乙酮與一系列羰基化合物之交叉式偶合反應。探討以二碘化銩、二碘化釤或二碘化釤搭配六甲基磷醯胺等不同試劑對於反應性及其反應型態進行比較討論。 同時我們也利用二碘化銩或二碘化釤/六甲基磷醯胺試劑促使2-噻吩甲酸乙酯及酮類化合物進行二次還原性親電性加成反應，獲得高度立體選擇性之偶合化合物，並且藉由進行脫水反應、聯繼性氧化反應-電子環化反應-氧化反應，便可合成多種不同取代基的苯并噻吩化合物及含噻吩之多環化合物。依相同模式也能應用於合成新型光變色物質---含噻吩之三烯化合物。 在水相有機反應方面，我們則將有機醛類化合物在水溶液中成功進行官能基轉換成氰類(nitriles)、醯胺類 (amides)、吖嗪類 (azines)、三嗪類 (triazines)及四唑類 (tetrazoles)等相對應化合物。並且利用簡單過濾、沉澱與洗滌的實驗操作步驟，便可完成分離純化。 在論文第二部分中，我們著重於以分子結構為基礎下，設計及其合成各類型SARS病毒蛋白酶抑制分子，利用螢光抑制活性測試系統，快速篩選具有抑制效果分子，並且由一系列細胞內測試，證實這些分子對於正常細胞並無毒性條件下，有效抑制SARS病毒複製。我們同時也建立相關抑制分子資料庫，希望在未來運用於一些其他新興病毒的蛋白酶抑制研究上，希望在快速篩選機制下，從中獲得設計修飾抑制分子相關訊息。This thesis is composed of two parts: the first part is to develop the novel organic synthetic methodology, such as the preparation of polysubstituted thiophenes, benzothiophenes and transformation of organic aldehydes in aqueous solution. The second part is to design and synthesize the SARS-CoV 3CL protease inhibitors. Part I. Development of novel synthetic methodology First, we describe the comparative study of TmI2, SmI2, and SmI2/ HMPA in the cross-coupling reactions of 2-acetylthiophene with carbonyl compounds. The reaction mode of TmI2 is found to be similar to that of SmI2/HMPA, but different from that of SmI2. By a similar procedure, we have developed a three-step procedure for the preparation of polysubstituted benzothiophenes and the related sulfur-containing polycyclic aromatic compounds. By the promotion of SmI2/HMPA or TmI2, thiophene-2-carboxylate underwent a double- electrophilic reaction effectively with a variety of ketones, followed by acid-catalyzed dehydration and oxidative aromatization, to give a series of sulfur-containing polycyclic aromatic compounds that are not easily prepared by other approaches. This method is also applicable to the preparation of a novel photochromic system of 4,5-dialkenylthiophenes. In another study, we have explored a new methodology using one-pot tandem reactions for the direct conversion of aldehydes to amides, tetrazoles, and triazines, via addition of H2O2, NaN3/ZnBr2, and dicyandiamide/KOH to the intermediate nitriles. These reactions are conducted smoothly by an initial treatment with iodine in aqueous ammonia, and the desired products are obtained simply by extraction or filtration. Part II. Design and synthesis of SARS-CoV 3CL protease inhibitors Severe acute respiratory syndrome (SARS) is an emerging infectious disease caused by a novel variant of coronavirus (SARS-CoV). Currently, no effective drug exists to treat SARS-CoV infection. In this study, we have explored efficient methods to synthesize nearly 700 compounds, including AG7088 and its analogs. Although the previous reports in the literature have predicted AG7088 may show antiviral activities against SARS 3CL protease, it turns out to be inactive by the cell-based assay. However, by our primary screening using fluorescence assay, we have found a number of potent 3CL protease inhibitors with various core structures, such as conjugated ester, indanol amide, aniline amide, thiazine, C2-symmetric diol and benzotriazole. On the basis of these results, we thus set the specific aims to discover more potent 3CL protease inhibitors, such as peptidomimetic, unsaturated esters and anilide compounds. The most potent inhibitor 92 is an anilide derived from 2-chloro-4-nitroaniline, L-phenylalanine and 4-(dimethylamino)benzoic acid. This anilide is a competitive inhibitor of the SARS-CoV 3CL protease with Ki = 0.03 μM. Another protease inhibitor 68o with an inhibition constant of 0.52 μM is obtained by condensation of the Phe-Phe dipeptide α,β-unsaturated ester with 4-(dimethylamino)cinnamic acid. The cell-based assays also indicate that 68o is a nontoxic anti-SARS agent with an EC50 value of 0.18 μM.目錄……………………………………………………………………….i 圖目錄………………………………………..…………………………vii 表目錄……………………………………………...…………………..xiii 流程目錄……………………………………………………………….xix 簡稱用語對照表……………………………………………………….xxi 中文摘要……………………………………………………...………xxiv 英文摘要………………………………………...……………………xxvi 第一部分 新型態有機反應之開發與研究 引言………………………………………………………………………1 本文部分 第一章 噻吩羰類化合物之二碘化釤與二碘化銩反應研究與應用 基本介紹 1.1 鑭系金屬性質介紹………………………………………………….4 1.1.1 鑭系金屬氧化還原性質……………………………………..4 1.1.2 鑭系金屬的離子半徑………………………………………..6 1.1.3 鑭系金屬離子其他性質……………………………………..7 1.1.4鑭系金屬離子的毒性………………………………………...8 1.2 鑭系金屬在有機合成上的運用…………………………………...10 1.2.1 官能基的轉變………………………………………………10 1.2.2 碳-碳鍵的生成……………………………………………...13 1.3 二碘化釤的介紹…………………………………………………...16 1.3.1二碘化釤的製備…………………………………………….17 1.3.2二碘化釤的基本性質……………………………………….17 1.3.3 二碘化釤的應用……………………………………………18 結果與討論……………………………………………………………..26 1.4 二碘化釤/六甲基磷醯胺系統促進噻吩甲酸乙酯與酮類 三成份還原性偶合反應研究……………………………………..27 1.4.1噻吩甲酸乙酯與苯乙酮三成份還原性偶合反應研究…….27 1.4.2 噻吩甲酸乙酯與環酮類三成份還原性偶合反應研究…….28 1.4.3噻吩甲酸乙酯與多取代苯甲基苯酮三成份還原性偶 合反應研究…………………………………………………30 1.5 二碘化釤/六甲基磷醯胺促進聯繼性二次還原親電性偶合 反應之反應機構探討…………………………………………......31 1.6 溶劑選擇與添加劑對二碘化釤的影響: 六甲基磷醯胺的 角色扮演……………………………………………………………34 1.6.1 溶劑的影響…………………………………………………34 1.6.2 添加劑的影響………………………………………………36 1.7 噻吩羰基化合物之二碘化銩、二碘化釤與二碘化釤 /六甲基磷醯胺反應的比較研究……………………………...…..40 1.7.1 研究動機……………………………………………………40 1.7.2 2-噻吩甲醛10之二碘化銩、二碘化釤與二碘化釤 /六甲基磷醯胺反應比較研究……………..………...……..43 1.7.3 2-噻吩乙酮14之二碘化銩、二碘化釤與二碘化釤 /六甲基磷醯胺反應比較研究………………..………...…..44 1.7.4 二碘化銩、二碘化釤與二碘化釤/六甲基磷醯胺促進 2-噻吩乙酮14與羰類化合物之反應機構………………..47 1.7.5 2-噻吩甲酸乙酯1之二碘化銩、二碘化釤與二碘化釤 /六甲基磷醯胺反應比較研究………………...……………48 1.8 多取代基苯并噻吩化合物之合成………………………………...50 1.8.1苯并噻吩類化合物之合成策略：連續性氧化- 電子重排環化-芳香化反應………………………………..51 1.8.2多取代苯并噻吩類化合物、含硫之聚環芳香族化合物 之合成………………………………………………………52 1.9 衍生應用: 新型光變色分子---含噻吩三烯類系統化合物 之合成及性質研究…………………………………………………54 1.9.1 設計概念……………………………………………………54 1.9.2 含噻吩三烯類化合物之合成………………………………55 1.9.3 含噻吩三烯類系統化合物之光變色性質研究……………56 1.9.4 捕捉中間體研究:Dials-Alder反應………………………..58 1.9.5取代基效應對於含噻吩三烯類化合物之光變色性質 影響研究……………………………………………………60 1.10 研究結論………………………………………………………….63 第二章 水相有機反應研究……………………………………………64 基本介紹 2.1 什麼是「綠色化學」？……………………………………….…..64 2.1.1「綠色化學」中的溶劑……………………………………..66 2.2 水相化學反應……………………………………………………...69 2.2.1 水的特殊結構與性質………………………………………69 2.2.2 水溶液反應在有機合成上的運用…………………………71 結果與討論……………………………………………………………..75 2.3 醛類化合物水相官能基置換反應研究…………………………...75 2.3.1前言………………………………………………………….75 2.3.2醛類化合物置換為腈類之水溶液反應…………………….75 2.4 醣類化合物之水溶液官能基轉換反應…………………………...79 2.5 醛類化合物一鍋式官能基置換之水溶液反應…………………...86 2.5.1 醛類直接置換為醯胺化合物之水溶液反應………………87 2.5.2 醛類直接置換為四唑類(tetrazoles)化合物 之水溶液反應……………………………………………....90 2.5.3 醛類直接置換為三嗪類(triazine)化合物 之水溶液反應………………………………………………92 2.6 微波技術在水相反應的運用……………………………………...97 2.6.1微波技術基本理論介紹………………………………….....97 2.6.2微波技術在有機合成的應用……………………………...100 2.6.3微波技術促進一鍋式官能基置換水溶液反應…………...101 2.7其他水溶液有機反應之研究……………………………………..103 2.8 研究結論………………………………………………………….112 第一部分綜合結論……………………………………………………113 實驗部分與光譜資料…………………………………………………115 第一部分參考資料……………………………………………………188 第二部分 抑制SARS病毒蛋白酶分子設計與研究 引言…………………………………………………………………....204 基本介紹 第三章 SARS基本介紹與國際間SARS研究成果…………………206 3.1 SARS的起源與病徵………………………………………………206 3.2 SARS病毒現形：冠狀病毒………………………………………207 3.3 SARS冠狀病毒基因定序…………………………………………212 3.4 SARS冠狀病毒蛋白酶解析………………………………………215 3.5對抗SARS病毒研究方向………...………………………………219 3.5.1 感染SARS病患目前治療模式………………………..….219 3.5.2 國際間對抗SARS病毒研究成果…………………..…….220 3.6 抑制SARS病毒蛋白酶研究……………………………………..222 3.6.1 設計合成SARS病毒蛋白酶抑制分子……………...…....222 3.6.2分子的抑制活性測試---螢光抑制測試 (Fluorescence-Based Assay)…………………………….....223 結果與討論……………………………………………………………226 第四章 合成AG7088分子及其衍生物與抑制SARS 病毒蛋白酶之研究…………………………………………..226 4.1 研究背景與動機………………………………………………….226 4.2 AG7088全合成………………………………………………......229 4.3 有效率合成AG7088重要中間物………………………….…….236 4.3.1改良含不對稱en-US二碘化釤二碘化銩苯并噻吩光變色系統SmI2TmI2benzothiophenephotochromic systemSARS[SDGs]SDG3thesis