青蒿素的化学合成研究进展

付彦辉，钟俊，罗素琴，侯庆伟，王国成，战明哲

（1.内蒙古医科大学药学院，呼和浩特 010110；2.天士力控股集团有限公司研究院化学药物研究所，天津 300410；3.郑州大学化学与分子工程学院，郑州 450001）

青蒿素的化学合成研究进展

付彦辉1，2，钟俊2，罗素琴1，侯庆伟2，王国成2，战明哲3

（1.内蒙古医科大学药学院，呼和浩特 010110；2.天士力控股集团有限公司研究院化学药物研究所，天津 300410；3.郑州大学化学与分子工程学院，郑州 450001）

青蒿素是中国学者在20世纪70年代初从药用植物黄花蒿（Artemisia annua L.）中分离得到的抗疟有效成分，是含内过氧基团的倍半萜内酯化合物（图1），是目前世界上最有效的治疗脑型疟疾和抗氯喹恶性疟疾的药物，由于具有速效和低毒的特点，已成为世界卫生组织推荐的治疗疟疾的首选药物[1-2]。2011年9月，中国中医科学院首席研究员屠呦呦因在青蒿素的发现及应用于疟疾治疗方面的杰出贡献，获得了拉斯克-狄贝基临床医学研究奖，这是中国生物医学界迄今为止获得的世界级最高级大奖[3]。这说明随着时间推移，青蒿素这一研究成果不仅没有被人们遗忘，相反却越来越显示出她是中国科学家在近代对健康卫生事业的一项杰出贡献[4]。近年来发现青蒿素除具有抗疟作用外，还有多种其他的药理作用，包括抗细菌脓毒症、放疗增敏、抗菌增敏、抗肿瘤[5]等作用。

目前药用青蒿素是从中药青蒿即植物黄花蒿的叶和花蕾中分离获得的，由于青蒿的采购、收获，直至工厂加工提取，环节较多，费时费力，而且不同采集地和不同采集期青蒿品质有很大差别。同时，大量采集自然资源，必然会破坏环境和生态平衡，导致资源枯竭。因此对青蒿素进行化学全合成研究，具有重要的经济和社会意义。目前，青蒿素化学合成有全合成和半合成2种，全合成的原料（图 2）主要是廉价易得的香茅醛（citronellal）、柠檬烯（isolimonene）、薄荷酮（pulegone）、β-蒎烯（β-pinene）、异胡薄荷醇（isopulegol）等，半合成原料主要是青蒿酸。笔者分别对青蒿素的化学全合成和半合成的研究进展进行综述。

1 化学全合成

青蒿素是一种含有内过氧桥结构的新型倍半萜内酯，有一个包括过氧化物在内的1，2，4-三烷结构单元，它的分子中还包括7个手性中心，化学全合成难度大。1983年，Schmil G Hofheinz W首次报道了以（－）-2-异胡薄荷醇为原料全合成青蒿素[6]，1981年，中国科学院上海有机所经过5年的研究，解决了架设过氧桥难题，在1986年终于完成了香茅醛到青蒿素的全合成[7-8]。这是最早报道的2个全合成路线，后期又陆续出现了以柠檬烯[9-10]、薄荷酮[11]、β-蒎烯[12]、异胡薄荷醇[6,13]和环己烯酮[14]为原料的全合成路线。2012年，Silas P.Cook[19]课题组报道了以环己烯酮为原料，一共5步合成青蒿素全合成路线总收率可达14%。

1.1 香茅醛为原料

1986年，周维善等[7-8]以香茅醛为原料经13步合成了青蒿素，实现了青蒿素的立体选择性的全合成（图3）。该方法首次采用在氧气和四碘四氯荧光素存在下对中间体 12a采用光氧化的方法引入过氧桥，随后通过高氯酸酸化以总收率不到 1%制得青蒿素。该路线首次实现了青蒿素的立体选择性全合成，虽然该路线步骤长，总收率低，但这也为青蒿素的全合成研究奠定了坚实基础。

2010年，Yadav[15]也报道了以香茅醛为起始原料的全合成路线（图4），该路线通过脯氨酸衍生物和3，4-二羟基苯甲酸乙酯共催化的香茅醛和甲基乙烯基甲酮（MVK）的1，4 -不对称加成合成中间体2b，随后经分子内羟醛缩合可得到不饱和醛酮中间体3b。3b与甲基格氏试剂加成，得到非对映异构体4b和4b'的混合物，该混合物在SnCl4存在下环烯化得到关键中间体5b。化合物5b和9-BBN经立体选择性不对称硼氢化、氧化可以85%收率和90%制得伯醇6b。6b经两步氧化成相应酸8b后再与碘甲烷甲酯化制得关键前体9b，9b最后经过光氧化反应等一共12步反应合成了青蒿素。该路线关键前体9b的总收率可达13%，但由于最后一步光氧化的收率较低只有25%，总收率为5%。

1.2 异胡薄荷醇为原料

1983 年，Schmid等[6]首次报道了以异胡薄荷醇为起始原料的青蒿素化学全合成（图5）。保护的异胡薄荷醇化合物2c 经硼氢化、氧化能以80%收率得到目标（8R）-二醇化合物3c和10%的（8S）-非对映异构体。3c的伯醇用苄基保护，再用PDC将仲醇氧化得到酮5c。5c通过LDA在酮羰基邻位锂化，再与（E）-（3-碘-1-甲基-1-丙烯）-三甲基硅烷进行取代，得到的烷基化产物的非对映异构体的比例为6︰1，目标化合物6c为主要构型，收率为62%。酮6c与10当量的甲氧基（三甲基硅基）甲基锂在－78℃下加成，能以8︰1的比例得到主要异构体7c，收率为89%，该立体选择性是动力学拆分的结果。7c脱苄后再经氧化和内酯化得到烯丙基硅烷8c，8c经m-CPBA氧化，以72%的收率得到酮9c，9c再经四丁基氟化铵脱硅得到异构体10c。他们对10c采用氧气法氧化时，只能以5︰1的比例和60%的收率得到过氧醇11c。他们随后参考文献方法[16]，改对10c采用光氧化方法，设法得到中间体12c来合成青蒿素。在制备中间体12c时，反应产物复杂，无法分离鉴定12c，因此他们直接将反应混合物用于下一步青蒿素的合成，并最终通过结晶得到青蒿素，该步收率可达30%。该路线通过11步反应实现了青蒿素的立体选择性全合成，总收率为3%。

1996年，Mauricio等[13]报道了另外一条以异胡薄荷醇为原料的全合成路线（图6）。他们直接对异胡薄荷醇进行硼氢化氧化，以7︰1的比例得到主要的非对映异构体1d。随后他们也对1d的伯羟基进行苄基保护、PDC氧化步骤，以46%的收率得到酮3d，随后再经三步罗宾逊环化反应以21%的收率得到关键中间体5d。5d的合成他们基本参考文献的步骤，只做了很少的改进，比如将更高效的氧化剂吡啶重铬酸代替之前的铬酸。5d经氢化脱苄以59%的收率得到主要的顺式稠环异构体6d，6d经PDC氧化能以91%的收率得到相应的酮酸7d，7d的结构经X-射线单晶衍射确认化合物的各手性中心的立体构型与异胡薄荷醇是一致的。至此，推断出此路线在整个合成过程中所有中间体的手性中心可保持不变。随后用甲基锂对酮酸7d的羰基进行加成得到叔醇8d。8d为一对非对映异构体混合物，可直接用于对甲苯磺酸催化的脱水反应，得到重要的中间体二氢青蒿酸9d及其立体异构体。通过HPLC分离得到中间体9d，收率为43%，最后采用Roth氧化方法，经O2光照氧化得到青蒿素。该合成路线以带2个手性中心的胡薄荷醇为起始原料，通过控制反应条件，实现了青蒿素的立体选择性合成，总收率低于1%。

1.3 异柠檬烯为原料

1990 年，Ravindranathan等[9]以异柠檬烯为原料，利用分子内Diels-Alder反应完成了青蒿素的立体选择性合成（图7）。首先，（+）-异柠檬烯经9-BBN的选择性硼氢化、氧化以70%的收率得到非对映体混合物醇3e。该混合物在该步及随后两步反应中都无需分离，因为在后续的反应中可进行构型转化。醇3e在汞和醋酸钠作用下与1-乙氧基2-甲基-1，3-丁二烯反式醚化，得到烯醇醚4e。0.01 mol·L-1的4e甲苯溶液，在少量吡啶和催化量对苯二酚作用下，经封管加热210℃反应72 h，进行分子内Diels-Alder反应，最后能以6︰4的比例和25%～30%的收率得到立体异构体5e。醚5e经m-CPBA环氧化和LiAlH4还原得到醇6e。随后6e下经RuCl3-NaIO3在CC14-CH3CN-H2O体系中氧化以70︰30的比例和60%的收率得到一对立体异构体内酯7e，这2异构体可通过硅胶柱色谱分离。内酯7e混合物可经过甲醇钠-甲醇加热进行构型转化，以6︰4 的比例得到α和β2种构型。其中β构型内酯7e经1当量NaOH水解开环得到羧酸阴离子8e，8e再经NaIO4氧化断键以55%的收率得到醛酮化合物9e，到该步的总收率为10%。9e经重氮甲烷甲基化得到关键的中间体10e，10e结构经谱图鉴定与文献[8]报道一致，再参考该文献方法即可得到最终产物青蒿素。首次采用分子内Diels-Alder反应构建青蒿素分子骨架，并实现了立体选择性合成，同时采用的原料异柠檬烯也比较便宜易得。

2003年，Yadav等[10]也采用异柠檬烯为原料，通过分子间自由基反应和Wittig反应，实现了青蒿素的全合成（图8）。他们使用二环己基硼烷对异柠檬烯进行选择性硼氢化，以82%的收率得到醇3f，再经琼斯试剂氧化得到相应的酸4f。不饱和酸4f和KI，I2在NaHCO3溶液中反应，能以68︰32（β/α）比例得到C-3不同构型的碘内酯异构体，总收率为70%。通过分离可得到目标异构体5f，随后5f和甲基烯丙基酮、三（三甲基硅基）硅烷（TTMSS）在AIBN作用下，发生自由基加成反应，以72%的收率得到相应的烷基化内酯6f，6f为无法分离的C-7不同构型立体异构体混合物，比例为8︰2（β/α）。6f经乙二硫醇保护，能以定量收率得到硫缩酮内酯异构体混合物7f和7f'。6f经乙二硫醇的保护后，使得主要异构体7f能够分离得到。随后7f经水解，重氮甲烷甲酯化，以50%的收率得到羟基酯8f。8f经PCC氧化后得到酮酯9f，其结构得到NOE的进一步验证。9f经Wittig反应以45%的收率得到甲基烯丙基醚10f。10f再经HgCl2，CaCO3脱除硫醇保护，以80%收率得到关键中间体11f。最后参考周维善等[8]报道的方法，经光氧化和 70%HClO4水解得到最终产物青蒿素。相比Ravindr-anathan[9]的合成路线，该路线收率和立体选择性有所提高，总收率低于1%。

1.4 薄荷酮为原料

1992年，Avery等[17]以薄荷酮为原料，经10步反应，实现了青蒿素立体选择性全合成（图9）。薄荷酮经碱性的H2O2环氧化反应得到环氧化物2h，再经苯硫酚钠反Aldol反应，消除丙酮得到苯硫醚酮3h。3h 在CH2Cl2中，－78℃条件下经m-CPBA氧化得到亚砜4h。参考Roush[11]等的方法，他们先将亚砜4h在LDA和HMPA的作用下与2-（2-溴乙基）-2，5，5-三甲基-1，3-二氧六环烷基化，得到混合物直接用铝汞齐脱硫，能以70%的收率得到C-2不同构型的非对映体混合物（β/α = 9︰1）6h。在通过生成烯丙基负离子与DMF反应，制备不饱和醛8h时，为了提高立体选择性，他们将酮6h与甲苯磺酰肼反应，转化为相应的腙7h。腙7h无需分离纯化，直接抽干用于下步反应，不但可避免水解和异构化，而且能够定量转化。腙7h在四甲基乙二胺和4当量的正丁基锂作用下，得到红色的烯丙基负离子溶液直接与DMF反应，能立体选择性的以70%收率，得到不饱和醛8h，生成的很少量2α异构体也很容易在柱色谱时除去。为提高反应图7异柠檬烯为起始原料的青蒿素化学全合成路线1中国的立体选择性，他们采用大位阻的三（三甲基硅烷基）铝乙醚络合物（TTAE）作为亲核试剂，对不饱和醛8h直接进行1，2加成，生成的醇直接用醋酐/DMPA现场酰化，能以88%的收率得到单一的异构体9h。通过尝试不同锂试剂摸索Claisen重排条件，最终采用9h在3当量二乙胺锂（LDEA）作用下进行重排制备10h。10h不经分离直接一锅法，在2当量的LDA作用下与碘甲烷在羧基α位烷基化得到重要中间体11h，2步总收率为63%。11h的二氯甲烷溶液中加入硫酸水溶液脱去保护，再直接用O3一锅法氧化，能以33%～39%的收率得到青蒿素。此路线的关键步骤包括不饱和醛8h的和11h的合成，前者通过三甲基硅烷负离子对α，β-不饱和醛的立体选择性加成得到，后者通过串联Claisen酯-烯醇重排和烷基化得到。最后11h采用一锅法经酸性硅胶脱保护和O3氧化，多步环化等复杂的过程，最终得到青蒿素，总收率为5%。

1.5 以β-蒎烯为原料

1993年，Liu等[18]报道了以β-蒎烯为起始原料，全合成青蒿素的方法，而且该方法明显区别于以往已报道的方法（图10）。参考文献方法[19]，β-蒎烯通过3步反应，可很方便转化为关键起始原料烯酮酯1i，3步总收率可达65%。（+）-烯酮酯1i和异戊二烯在氯化锌的催化作用下发生Diels-Alder反应，能选择性并且定量的得到含有目标分子的主要骨架的化合2i。2i在5，10，15，20-四（4-羟苯基）-21H，23H-卟吩（TPP）、醋酐、DMAP和吡啶共同作用下，经钨灯光氧化，以90%的收率得到双键迁移的烯二酮3i。3i用1，2-乙二硫醇和三氟化硼乙醚，在－10℃下，可选择性保护3i中的α，β不饱和酮羰基，以98%的收率得到硫缩酮4i。4i用碘化锂在2，4，6-三甲基吡啶中回流，脱去羰甲氧基，以91%收率得到酮5i。随后5i与对甲苯磺酸和乙二醇在苯中回流分水，得到具有环己烷骨架的缩酮6i，6i为一对立体异构体混合物，无需纯化先后在对甲苯磺酸丙酮溶液和氢氧化钠甲醇溶液作用下得到二烯酮7i，总收率为80%。随后通过4步反应将7i中的酮羰基立体选择性地转化为11i中的甲基。首先7i经Wittig反应得到烯酮醚混合物8i，混合物在对甲苯磺酸存在下，在丙酮水溶液中回流，可水解得到相应的非对映异构体醛混合物。该醛混合物在NaOH甲醇水溶液中可全部转化为热力学上更稳定构型9i。然后醛9i再经LiAlH4还原，甲磺酰化得到甲磺酰酯10i，随后仍用LiAlH4还原，得到二烯硫缩酮11i，4步总收率为73%。随后11i用HgCl2在乙腈水溶液中脱去硫醇保护得到二烯酮12i，12i在NaBH+和CeCl3共同作用下，得到1，2还原的醇13i。醇13i通过Mitsunobu反应得到相应的苯甲酸酯14i，3步总收率为82%。14i中的异丙烯基随后通过9-BBN选择性硼氢化、Jones氧化及CH3I甲酯化3 步反应，以66%的收率得到单一构型的丙酸酯15i。15i再通过NaBH4和二氯化镍现场生产的硼化镍除去苯甲酸酯，以70%的收率和9︰5的比例得到2个异构体16i和17i。由于两异构体无法分离，所以16i和17i的混合物在经三氟乙酸和氧气处理后，再以亚甲蓝作为光敏剂进行光氧化，该步能以30%的收率得到最终产品青蒿素。该路线采用分子间Diels-Alder反应可以很方便地在一开始就构建主要的青蒿素分子骨架，随后逐一对骨架中的官能团进行转化，并最后通过光氧化得到青蒿素，总收率为5%。

1.6 环己烯酮为原料

2012年，Cook课题组[12]报道了一条非常简洁的青蒿素全合成路线（图11），他们以廉价易得的环己烯酮为起始原料，通过使用串联反应等策略，避免使用保护基，通过5步合成得到青蒿素，总收率可达10%以上。此路线合成主要步骤包括5步：首先，通过联苯亚膦酰胺为配体，三氟甲磺酸铜为催化剂催化二甲基锌对环己烯酮进行共轭加成，再一锅进行对巴豆基溴的烷基化，以61%的收率得到酮2j（trans-cis=7︰1，91%ee）。随后2j和对甲苯磺酰肼反应生成相应的腙，再由正丁基锂低温锂化得到烯丙基负离子，该负离子用DMF淬灭可得到α,β-不饱和醛3j，总收率为72%。然后3j和硅基缩酮6j在Et2AlCl或Me2AlCl作用下，发生[4 + 2]环化反应得到原酸酯4j的4种不可分离的非对映异构体的混合物（10︰4︰1︰1），总收率大于95%，而且最大制备量可达50 g。这4个异构体无需分离，可直接用于下步反应，因为该化合物的3个手性中心的2个的构型不影响最后青蒿素的合成。原酸酯4j以PdCl2作为催化剂，直接用H2O2水溶液氧化，能以90%的收率得到烯烃氧化产物，其中甲基酮5j的收率为61%。该步直接在 H2O2水溶液中氧化，操作简单而且催化剂回收方便。最后，利用钼酸铵催化 H2O2现场分解得到的单线态的氧先对 5j进行氧化，然后在酸存在下将氧化物中间体最终转化为青蒿素，总收率在29%～42%之间。该合成路线比较简洁，成本较以往合成路线有大幅降低，总收率高达14%，并且最终可以放大到几十克规模，有望实现规模化生产。

2 化学半合成

通过前面总结可知，通过全合成方法来合成青蒿素，通常路线较长，因此总收率较低，成本也居高不下。因此利用具有适宜青蒿素骨架的青蒿素前体（图12），如青蒿酸（arteannuicacid）、青蒿素B（arteannuin B）、青蒿烯（artemisitene）等，采用半合成方法，可以有效减少合成步骤。目前半合成方法研究大都集中在生物合成方面，采用的中间体也多达十几种[14]。笔者将总结青蒿素的化学半合成方法，由于青蒿酸在黄花蒿中含量高，具有适宜的化学构象，因此目前化学半合成方法大都以青蒿酸为原料。此外，青蒿素B是黄花蒿中最丰富的杜松交酯[20]，上海有机化学研究所和美国纽约州立大学也以青蒿素B为前体进行了不少研究。

1986年，周维善等[6-7]首次报道了青蒿素全合成，同年，Jung等[21]就尝试以青蒿酸为原料合成青蒿素（图13）。他们将青蒿酸用LiBH4和NiC12·6H2O还原双键得到2k，再经臭氧氧化得到酮醛化合物3k，收率为75%。3k在HClO4作用下发生环合反应，以52%的收率得到烯醇内酯4k。遗憾的是，作者尝试了很多氧化方法，最终没有成功得到青蒿素。但是他们得到了青蒿素重要的代谢产物脱氧青蒿素5k，并通过单晶确定了其结构，同时这也为以后研究青蒿素的半合成奠定了一定的基础。

1989年，吴毓林等[22,24]也以青蒿酸为原料合成了青蒿素（图14），他们先用重氮甲烷甲酯化，再经NaBH4/NiCl2还原可得到双氢青蒿素甲酯2L，最后经LiAlH4还原可得到青蒿醇3L。青蒿醇经臭氧环化反应，得到环状烯醇醚4L。4L在低温下以亚甲基蓝为光敏剂光照氧化后用三甲基硅三氟甲磺酸酯处理以62%的收率得到了脱氧青蒿素5L。5L_最后经RuCl3和高碘酸钠氧化得到最终产物青蒿素，该路线的总产率在35%～53%之间。该合成路线较简便，条件易于控制，总收率可达37%，是一条具有工业化价值的合成路线。

1992年，Peter[25]报到了另外一条用青蒿酸或青蒿素B经关键中间体3n合成青蒿素的半合成路线（图15），并在1998年[26]，他们对该路线又进行了进一步优化。首先，青蒿素B经（PPh3）3RhCl催化氢化，以57%的收率得到1n。再经正丁基锂和WCl6脱氧得到3n。当使用青蒿酸为起始原料时，同样用（PPh3）3RhCl催化氢化，可得到2n，再经CrO3氧化也可得到关键中间体3n。他们尝试将3n通过直接氧化重排的方法合成青蒿素，但通过多次尝试，该方法没有成功。随后他们将3n先经臭氧化开环，再经二甲硫醚处理，以93%的收率得到酮醛4n。4n其与1，2-双（三甲基硅氧基）乙烷在催化剂Me3SiOTf作用，保护酮羰基得到缩酮5n。5n经萘基钠还原消除，再用MOMCl淬灭烯醇负离子得到6n。6n最后经酸催化的光氧化以32%的收率得到青蒿素。此合成路线一方面阐述了青蒿素B和青蒿素之间的联系，另一方面优化了以青蒿酸为原料的半合成路线，在后者的合成过程中利用立体选择性的氧化，区域选择性的保护等新型的方式。

2011年，上海有机所伍贻康等[27]（图16），首先参考Peter[25]等的方法制备了关键醛原料1m。然后，醛1m经NaBH4还原可定量得到醇2m，再经对甲苯磺酰氯酯化和LiBH4还原，得到环氧物4m。环氧化物4m在H2O2和钼类催化剂作用下以74%的收率生成β-羟基氢过氧化物5m，避免出现对应异构体产生不同构型的分离问题。5m和p-TsOH在CH2Cl2作溶剂的条件下发生温和的分子内缩酮交换反应得到8m，随后在脱羰基青蒿素的合成中，成功的用PhI（OAc）2、I2条件代替光照氧化条件关环，收率近70%。最后，参考Ye等[23]氧化方法得到青蒿素。此路线在C-12位引入过氧化氢自由基且没有利用单线态氧化是新的突破，另外他们利用C-10位的亚甲基构建青蒿素中最后一个环，这是另一个新的突破。从化合物1m最终7步合成青蒿素总收率为14%。

2012年，据新华社报道上海交通大学的张万斌等[28]研发出一种常规的化学半合成方法高效合成青蒿素（图 17）。该方法[29]以青蒿酸为起始原料，通过还原得到二氢青蒿素，然后在一种特定催化剂作用下，可在无需光照氧化条件下，将其高效氧化为过氧化二氢青蒿酸，最后经氧化重排以接近60%总收率得到青蒿素。该方法合成路线短，收率高，而且无需光照等特殊化学条件，有望实现大规模工业化生产。

3 展望

青蒿素作为世界卫生组织推荐的抗疟疾特效药，世界各国都在加紧开展青蒿素及其衍生物的开发研究。但是，长期稳定和大量地供应青蒿素成为各国科学家面临的严峻考验。虽然青蒿素的化学全合成还没实现商业应用，但是经过科学家几十年的努力，全合成研究已取得一些突破性的进展。同时，在化学半合成方面，利用常规化学合成方法实现了青蒿素的高效人工半合成，使青蒿素有望可以实现大规模工业化生产。如果顺利实现工业化生产，有望解决困扰世界医药产业界三十多年的青蒿素高效人工合成重大难题，使青蒿素类药物更加便宜、易得，造福数亿患者。

摘编自《中国药学杂志》2014年10期：795～805页，图、表、参考文献已省略。