78-98-8 / 甲基乙二醛的主要制備方法

背景及概述^[1-2]

甲基乙二醛化學(xué)式CH3COCHO。分子量72.06。黃色流動(dòng)液體。有辛辣氣味、吸濕性。沸點(diǎn)72℃，相對(duì)密度1.045524，折光率1.400217.5。溶于水，溶于醚和苯呈黃色，溶于醇為無(wú)色。極易聚合為黏稠性半固體，溶于水，放出熱量，又恢復(fù)為單體溶液。加熱形成黃綠色氣體，在封閉管中能維持?jǐn)?shù)天。商品一般為20%～40%水溶液。對(duì)石蕊試紙略顯酸性。甲基乙二醛是人體內(nèi)正常的代謝產(chǎn)物，可由碳水化合物、脂質(zhì)及蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)生，正常生理情況下它在人體內(nèi)的合成量極低，而在高血糖狀態(tài)下如糖尿病患者體內(nèi)會(huì)顯著增高，甲基乙二醛是一種高活性化合物并具有細(xì)胞毒性。早在1958年，人們發(fā)現(xiàn)丙酮醛不僅具有抗瘧疾、抗病毒的作用而且有抗腫瘤的效應(yīng)，隨后人們從體外、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及臨床患論證了甲基乙二醛的抗腫瘤作用。

抗腫瘤機(jī)制^[2]

甲基乙二醛具有極高的活性，能夠與蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子反應(yīng)并對(duì)其修飾，從而導(dǎo)致細(xì)胞功能改變。研究表明，甲基乙二醛具有多種細(xì)胞毒性作用，如抑制細(xì)胞生長(zhǎng)、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、抑制酶的活性以及激活信號(hào)通路等。甲基乙二醛在多種類型腫瘤組織中的含量比正常組織中低，在干擾乙二醛酶或者加入乙二醛酶抑制后可出現(xiàn)明顯的腫瘤抑制作用，而這一抑制作用是通過(guò)升高甲基乙二醛濃度實(shí)現(xiàn)的。甲基乙二醛可通過(guò)抑制增殖、誘導(dǎo)凋亡、抑制腫瘤轉(zhuǎn)移以及增強(qiáng)機(jī)體的免疫力和提高對(duì)現(xiàn)有抗腫瘤藥物的敏感性等方面發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)。

1. 抑制增殖

早在19世紀(jì)60年代，甲基乙二醛就被認(rèn)為是天然的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子，是一種抑素，能夠阻止細(xì)胞分裂。甲基乙二醛能夠抑制人白血病HL-60細(xì)胞的生長(zhǎng)，并能夠抑制接種了艾式腹水癌(ehrlichascitescarcinoma，EAC)細(xì)胞、白血病L4946細(xì)胞、腺癌細(xì)胞及肉瘤S180細(xì)胞等的荷瘤小鼠體內(nèi)腫瘤的生長(zhǎng)，說(shuō)明丙酮醛能夠抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。研究表明，其抑制增殖的機(jī)制在于它能夠抑制蛋白質(zhì)的合成，丙酮醛能夠修飾RNA的鳥苷酸殘基導(dǎo)致蛋白質(zhì)聚合體穩(wěn)定性下降，從而阻滯蛋白質(zhì)合成的起始過(guò)程。丙酮醛還能夠與DNA的瞇基殘基端發(fā)生反應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修飾，從而使DNA雙鏈斷裂、形成DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)物等抑制DNA的合成，同時(shí)甲基乙二醛也會(huì)輕微的影響RNA的合成。隨后人們發(fā)現(xiàn)，甲基乙二醛可以通過(guò)影響代謝進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖，一方面，丙酮醛能夠干預(yù)腫瘤細(xì)胞的糖酵解過(guò)程，研究表明，用2mmol/L和5mmol/L的甲基乙二醛作用于ECA細(xì)胞后，葡糖糖的利用分別被抑制50%和80%，乳酸生成量分別被抑制55%和90%，并發(fā)現(xiàn)甲基乙二醛能夠極大地抑制惡性腫瘤細(xì)胞中3-磷酸甘油醛脫氫酶的活性，由于腫瘤細(xì)胞賴以生存及快速增殖的原料來(lái)自于其活躍的低氧糖酵解過(guò)程，因而甲基乙二醛能夠有效并特異地抑制其增殖；另一方面，甲基乙二醛直接抑制線粒體氧化呼吸過(guò)程，主要是通過(guò)抑制線粒體復(fù)合物I參與的電子鏈傳遞導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的氧耗和ATP的生成減少?gòu)亩鴺O大地削減了能量供應(yīng)。此外，甲基乙二醛還能阻止細(xì)胞由DNA合成前期(G1期)向DNA合成期(S期)轉(zhuǎn)變，它首先下調(diào)前列腺癌PC3細(xì)胞周期蛋白cyclinD1的表達(dá)，繼而下調(diào)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶2(cyclin-dependentkinase2，cdk2)和cdk4，使視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白(retinoblastomaprotein，pRB)去磷酸化最終導(dǎo)致G1期阻滯、生長(zhǎng)停止。因此，甲基乙二醛能夠通過(guò)抑制蛋白質(zhì)、DNA合成，抑制腫瘤細(xì)胞的糖酵解和氧化磷酸化過(guò)程以及調(diào)節(jié)細(xì)胞周期等抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。

2. 誘導(dǎo)凋亡

近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，甲基乙二醛發(fā)揮抗腫瘤作用最主要的途徑是通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，研究表明，將甲基乙二醛作用于包括前列腺癌細(xì)胞、肝癌細(xì)胞、肉瘤細(xì)胞等在內(nèi)的多種惡性腫瘤細(xì)胞后，細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生極大改變并裂解、細(xì)胞內(nèi)DNA碎片增多并形成凋亡小體等。甲基乙二醛誘發(fā)凋亡的機(jī)制有以下幾種。

(1)甲基乙二醛能使細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactiveoxygenspecies，ROS)水平升高，甲基乙二醛在糖基化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的超氧化物陰離子和過(guò)氧化氫以及它對(duì)ROS清除酶類的抑制分別從增加來(lái)源與減少去路兩方面提高了細(xì)胞內(nèi)ROS的生成量。升高的ROS可作為上游信號(hào)分子激活分裂原激活的蛋白激酶p38(p38MAPK)、p42/44MAPK信號(hào)通路介導(dǎo)細(xì)胞凋亡；同時(shí)ROS的產(chǎn)生還能觸發(fā)線粒體釋放細(xì)胞色素c，進(jìn)而激活細(xì)胞凋亡蛋白酶caspase-3、caspase-9，并下調(diào)DNA修復(fù)酶聚腺苷二磷酸–核糖聚合酶(PARP)進(jìn)一步損傷細(xì)胞。

(2)甲基乙二醛作為強(qiáng)大的糖化劑能夠與蛋白質(zhì)等其他胞內(nèi)重要成分發(fā)生糖化反應(yīng)產(chǎn)生晚期糖化終末產(chǎn)物(AGEs)，其中，精氨嘧啶(AP)是甲基乙二醛修飾蛋白質(zhì)的精氨酸殘基后主要的產(chǎn)物之一，它能夠在激活核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(nuclearfactor-KappaB)信號(hào)通路，觸發(fā)線粒體凋亡機(jī)制的同時(shí)上調(diào)凋亡蛋白Bax(Bcl-2-associatedXprotein)、下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2(B-celllymphoma-2)和Bcl-XL的表達(dá)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增加；AP還能通過(guò)直接破壞細(xì)胞骨架蛋白肌動(dòng)蛋白actin和微管蛋白α-tubulin來(lái)促進(jìn)凋亡。

(3)在對(duì)肉瘤的研究中發(fā)現(xiàn)，甲基乙二醛在降低線粒體復(fù)合物I活性的過(guò)程中，除了能極大地降低ATP的產(chǎn)生外，還能夠降低線粒體跨膜電位，進(jìn)而改變線粒體膜通透性，釋放線粒體促凋亡因子細(xì)胞色素c，最終破壞線粒體膜的完整性并導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，甲基乙二醛能夠通過(guò)直接或間接的方式激活凋亡信號(hào)通路以及線粒體凋亡途徑促進(jìn)凋亡。另外，甲基乙二醛對(duì)DNA殘基進(jìn)行糖化修飾形成的MGDN加合物能夠激活核酸內(nèi)切酶類，對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾后，蛋白質(zhì)的生物活性與穩(wěn)定性會(huì)受到一定影響，甚至?xí)坏鞍酌阁w識(shí)別而降解，這些也是丙酮醛促進(jìn)凋亡的原因之一。

3. 抑制侵襲、黏附能力

腫瘤細(xì)胞的黏附、遷移以及侵襲能力是腫瘤進(jìn)行轉(zhuǎn)移的必備的關(guān)鍵因素。甲基乙二醛能夠抑制肝癌Huh-7和HepG2細(xì)胞的黏附與侵襲能力，這一抑制作用是由抑癌基因p53介導(dǎo)的，當(dāng)p53被抑制或干擾后則不存在這一抑制作用。甲基乙二醛能促進(jìn)p53轉(zhuǎn)運(yùn)至核內(nèi)增強(qiáng)它的轉(zhuǎn)錄活性，并將Y220C突變型p53恢復(fù)至野生型p53所具有的構(gòu)象和活性，隨著野生型p53功能的恢復(fù)腫瘤細(xì)胞的移動(dòng)和侵襲受到抑制，而恢復(fù)p53功能已被推薦為抗腫瘤治療的一種，因此甲基乙二醛能夠通過(guò)p53途徑抑制肝癌的轉(zhuǎn)移。

4. 免疫調(diào)節(jié)

免疫調(diào)節(jié)已被認(rèn)為是預(yù)防和治療腫瘤的另一種選擇，免疫系統(tǒng)的防御機(jī)制主要是通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)免疫激活機(jī)體免疫應(yīng)答來(lái)清除腫瘤細(xì)胞，預(yù)防腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)。研究表明，甲基乙二醛能夠增加肉瘤180細(xì)胞小鼠模型體內(nèi)巨噬細(xì)胞的數(shù)量和吞噬能力以及殺傷性T細(xì)胞的產(chǎn)生和殺傷作用，增強(qiáng)小鼠的細(xì)胞免疫以抵抗腫瘤，同時(shí)小鼠體內(nèi)一些免疫調(diào)節(jié)因子和表面受體：干擾素-γ(IFN-γ)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、IL-6、Toll樣受體-4(TLR-4)以及TLR-9也的表達(dá)出現(xiàn)明顯的升高。甲基乙二醛主要通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞集落刺激因子促進(jìn)巨噬細(xì)胞的產(chǎn)生，p38MAPK、NF-κB信號(hào)通路也參與其中。因此，甲基乙二醛在增強(qiáng)巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的活性以及通過(guò)免疫調(diào)節(jié)抵抗腫瘤過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

5. 提高化療藥物敏感性

乙二醛酶I的高表達(dá)會(huì)引起多柔比星、依托泊苷、絲裂霉素C及其他化療藥物的多重耐藥。研究發(fā)現(xiàn)，許多對(duì)現(xiàn)有的臨床化療藥物多重耐藥的人類腫瘤細(xì)胞系中乙二醛酶I的mRNA水平普遍較高，上調(diào)非多重耐藥的腫瘤細(xì)胞內(nèi)乙二醛酶I的表達(dá)量后該細(xì)胞也會(huì)出現(xiàn)多重耐藥現(xiàn)象。乙二醛酶I高表達(dá)引起化療藥物的多重耐藥的具體機(jī)制現(xiàn)在尚不清楚，但可以肯定的是與甲基乙二醛密切相關(guān)，將乙二醛酶I抑制劑對(duì)溴苯甲基谷胱甘肽環(huán)戊二酯作用于細(xì)胞后，細(xì)胞內(nèi)甲基乙二醛含量明顯升高，且細(xì)胞重新獲得對(duì)抗腫瘤藥物的敏感性。另外，有文獻(xiàn)報(bào)道，甲基乙二醛能夠通過(guò)激活蛋白激酶C(proteinkinaseC，PKC)的δ亞基來(lái)增強(qiáng)順鉑對(duì)骨髓瘤細(xì)胞的殺傷作用，聯(lián)合丙酮醛可將順鉑的抗腫瘤效應(yīng)放大約4倍。

分解^[2]

甲基乙二醛的分解代謝有乙二醛酶、醛糖還原酶、醛脫氫酶以及羰基還原酶途徑等，最主要的分解途徑是乙二醛酶系統(tǒng)。乙二醛酶系統(tǒng)包括乙二醛酶I和乙二醛酶II，還原型谷胱甘肽為輔助因子。丙酮醛能夠與還原型谷胱甘肽經(jīng)非酶促反應(yīng)自發(fā)形成縮醛，它能與乙二醛酶I(glyoxalaseI，GLO1)的兩個(gè)活性位點(diǎn)結(jié)合，在乙二醛酶I催化作用下轉(zhuǎn)化成S-D-乳酸谷胱甘肽。繼而在乙二醛II(glyoxalaseII，GLO2)的作用下，S-D-乳酸谷胱甘肽被水解成D-乳酸，同時(shí)重新生成還原型谷胱甘肽并進(jìn)入乙二醛酶I催化的第一步反應(yīng)中被循環(huán)利用。D-乳酸能夠在線粒體中被2-羥基酸脫氫酶代謝合成丙酮酸。乙二醛酶I是甲基乙二醛分解過(guò)程中的關(guān)鍵酶，它的活性程度會(huì)直接影響甲基乙二醛濃度的高低。

制備^[3]

方法1：在500mL四頸瓶中加入160mL水、50mL丙酮、37.2mL冰醋酸及4.0g氯酸鉀，安裝好機(jī)械攪拌器、溫度計(jì)、回流冷凝管和長(zhǎng)頸滴液漏斗。開動(dòng)機(jī)械攪拌，將水浴溫度控制在60～75℃、瓶?jī)?nèi)溫度在60℃左右，用滴液漏斗滴加35.4mL溴，控制滴加速度，不使未反應(yīng)的溴累積。加溴畢，繼續(xù)反應(yīng)0.5h，待溶液顏色褪去后加入80mL冰水稀釋反應(yīng)液，并冷卻至10℃，然后加入100g無(wú)水碳酸鈉至剛果紅中性。分出油層，用8g無(wú)水氯化鈣干燥，減壓蒸餾，收集40～42℃/1733Pa的餾分，產(chǎn)率達(dá)63.5%(文獻(xiàn)為50%～51%)。將收集的餾分與DMSO按適當(dāng)?shù)呐淞媳燃尤氲?50mL的三頸瓶中，通入空氣，控制在適宜溫度下，電磁攪拌，回流反應(yīng)8h。反應(yīng)畢，常壓分餾，收集71.5～73.0℃的餾分，折光率n24.6D=1.3803(文獻(xiàn)n20D=1.4209)。

方法2：稱取二水合重鉻酸鉀89.4g(0.3mol)，用400mL水溶解，邊攪拌邊慢慢滴加濃硫酸63.9mL(1.2mol)，攪勻，冷卻后，轉(zhuǎn)移到滴液漏斗中。在1000mL的三頸瓶中，先加入1，2-丙二醇32.9mL(0.45mol)和1.0g硫酸錳做催化劑，然后在中間口接蒸餾裝置，一口接滴液漏斗，另一口插入帶玻塞的玻璃管，玻管的下口要插入到液面以下。先從玻管向三頸瓶中導(dǎo)入氮?dú)?，再用帶調(diào)壓器的電熱套給三頸瓶加熱。幾分鐘后，由滴液漏斗滴入上述配好的溶液，約50～70min滴完。

滴完后繼續(xù)加熱蒸餾15min(注意關(guān)上滴液漏斗的活塞)，收集約250mL黃綠色餾出液。餾出液用450mL無(wú)水乙醚分4次萃取，萃取后棄去水層，合并萃取液。用飽和碳酸氫鈉水溶液洗至中性，分出水層，醚層用無(wú)水硫酸鎂干燥4h。過(guò)濾，水浴45～50℃蒸去乙醚，然后沸水浴分餾，收集71～73℃的餾分，得到黃綠色帶有特殊臭味的液體，產(chǎn)率49%～50%。產(chǎn)物在0℃下通入氮?dú)獗４?。?jīng)檢驗(yàn)，該餾分能使希夫試劑顯紫紅色，使斐林試劑出現(xiàn)磚紅色沉淀，與2，4-二硝基苯阱生成橘紅色沉淀(在硝基苯中重結(jié)晶)，測(cè)其熔點(diǎn)為308～309℃(文獻(xiàn)為308～309℃)。經(jīng)純化，微量法測(cè)得丙酮醛的沸點(diǎn)為72℃(文獻(xiàn)為72℃)。

主要參考資料

[1] 化合物詞典

[2] 甲基乙二醛抗腫瘤機(jī)制的研究進(jìn)展

[3] 甲基乙二醛的合成研究