硝苯地平——常用药背后的有机化学

 

硝苯地平($nifedipine$),一种著名的降压药、抗心绞痛药。$1975$ 年,德国拜尔公司开发了这种药物,并很快向意、英、法、德、日、巴西等国的市场出售。$1991$ 年,硝苯地平控释制剂在中国被批准生产。

(上图:硝苯地平片。此处仅作示意,并没有推销该品牌的意思)

它的化学结构如下。其结构包含一个二氢吡啶环,这是作为二氢吡啶类钙拮抗剂的特征性结构;包含一个与苯环相连的硝基,对应其抗心绞痛的功能。

作为一种钙拮抗剂,硝苯地平通过与钙离子通道上的某些蛋白结合,导致钙离子通道的构象发生变化,从而阻止钙离子进入细胞内。随后,细胞内的钙离子浓度降低,钙离子参与的生理反应随之停止。血管平滑肌细胞内钙离子浓度降低,其结果就是降低了血管平滑肌的张力,使外周血管扩张,从而起到降低血压的作用。

(上图:细胞膜上的钙离子通道)

同时,阻止钙离子内流还可以防止细胞内钙离子超载,从而减少粥样硬化斑块中钙离子的沉积,避免由此导致的细胞死亡。另外,其抗心绞痛的机理与硝酸甘油类似,即通过舒张外周血管降低左心室的负荷,减少心肌耗氧,进而使心绞痛得以缓解。

目前,工业上合成硝苯地平一般采用一步合成法,以邻硝基苯甲醛乙酰乙酸甲酯($\ce{CH3COCH2CO2Me}$)为原料,在甲醇与氨水中回流即可制得:

或许你和我一样,在看到这个反应时第一感觉是非常奇怪。当时另我非常疑惑的是,产物底下的那个二氢吡咯环到底是怎么形成的呢?

事实上,这里用到了一个著名的人名反应——$Hantzsch$ 吡咯合成反应。这个反应的通式如下:

如果将所得产物用 $HNO_{3}$ 氧化,随后在脱羧,即可制得 $2,4,6$ 三取代的吡啶:

这个反应可以非常方便地得到吡啶衍生物,产率一般也不低,因此在有机合成中得到了极为广泛的应用。各种“地平”(英语后缀 $-dipine$)类心脑血管药物几乎都是用这个反应制取的,除了硝苯地平外,还有尼莫地平尼卡地平非洛地平等药物,它们构成了人类对抗心脑血管疾病的一支中坚力量。

(上图:各种“地平”类心脑血管药物大同小异的结构)

借用 $Hantzsch$ 反应的机理,我们就能分析硝苯地平合成反应的巧妙历程。首先,邻硝基苯甲醛与 $1$ 分子乙酰乙酸甲酯发生 $Knoevenagel$ 缩合,得到第一个反应中间体:

另有 $1$ 分子乙酰乙酸甲酯与 $1$ 分子 $\ce{NH3}$ 反应,生成第二个中间体 $\beta-$亚氨基酯:

随后,两个中间体发生 $Micheal$ 加成反应,生成第三个反应中间体:

这个中间体随即关环,得到二氢吡啶衍生物完成反应:

最终产率可以达到 $50\%$ 左右。