การสังเคราะห์ Tryptamine จาก Tryptophan

สวัสดีครับวันนี้ผมจะมาเล่าเทคนิคการสังเคราะห์ ทริปตามีน (Tryptamine) ซึ่งสามารถนำไปสังเคราะห์อนุพันธ์อื่น ๆ ที่น่าสนใจมากมายเช่น harmine และ Tryptoline เป็นต้น ด้วยวิธีการ Decarboxylation หรือการทำลายพันธะ Carboxylic acid ออกจาก molucole ในรูปของ CO2 ซึ่งจากการศึกษาผ่านแหล่งอ้างอิงหลากหลายที่ เช่น erowid และ sciencemaddness forum พบว่า Concept หลัก ๆ ของการ Decarboxylation คือการใช้ความร้อน แต่! โมเลกุลของ Tryptophan ค่อนข้างมีความเสถียร ดังนั้นต้องใช้พลังงานสูง (high activation energy) ในการทำลายพันธะ Carboxylic acid ซึ่งการใช้พลังงานสูงจะก่อให้เกิดการ Oxidation จนเกิด indole-3-pyruvic acid และอาจเกิด pyrolysis จนเกิด 3-methyl indole หรือ indole ได้ จึงมีการใช้ ketone เข้ามาช่วยในการ Decarboxylation โดยสามารถใช้ activation energy ที่ต่ำกว่าในการเกิดปฏิกิริยา Decarboxylation เช่น จากเดิมใช้อุณหภูมิ 300c อาจลดได้เหลือ 165c

Ketonic decarboxylation

ในการ Decarboxylation สำหรับ Tryptophan สามารถใช้ Ketone ได้หลายชนิด โดย ketone จะเกิดการสร้าง imine กับ amine เดิมของ Tryptophan เกิดเป็น Schiff base intermediates และจะถูก hydrolysed โดย hydrochloric acid (HCl) หรือ sodium hydroxide (NaOH) ให้กลับมาเป็น amine เหมือนเดิม และเสียพันธะ Carboxylic acid ไป ในรูปของ CO2 byproduct

อ้างอิงรูปภาพจาก 

www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0731708506001762

Acetophenone (Solvent, Catalyst)

Ketone ที่นิยมที่สุดคือ Acetophenone ซึ่งตัวมันเองสามารถใช้เป็นตัวทำละลายที่มีจุดเดือดสูงถึง 202c และก็เป็น Ketone catalyst ไปในตัวด้วย ทำให้การใช้ Acetophenone ในการ Decarboyxlation สำหรับ Tryptophan และ amino acid อีกหลายประเภทนั้นได้ผลลัพธ์ ดีที่สุด อ้างอิงจาก Subject: Solvant-free Decarboxylation of Amino-acid : sciencemadness.org ได้รายงานว่าสามารถ Reflux เพียงแค่ 30 นาที และได้ Yield มากถึง 100% แต่ถ้าจะให้ผมเดา ๆ แล้วคงอยู่ที่ 60%-95% ขึ้นอยู่กับ Workup ด้วย

Xylene (Solvent) + Methyl Etyl Ketone (Catalyst)

Solvent ที่นิยมเป็นอันดับรองลงมา หากไม่สามารถหา Acetophenone ได้ ก็คือ Xylene ซึ่งมีจุดเดือดระหว่าง 138-144c ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของหมู่ Methyl ที่เกาะอยู่กับวงแหวน Benzene ว่าอยู่ในตำแหน่ง Ortho, Meta หรือ Para ซึ่ง ortho-xylene มีจุดเดือดอยู่ที่ 144c ส่วน meta-xylene มีจุดเดือดอยู่ที่ 139c และ para-xylene มีจุดเดือดอยู่ที่ 138c ทำให้ Xylene ความจริงแล้วก็ไม่ได้ดีมากเท่าไหร่ แต่พอจะไปไหวอยู่บ้าง โดยอาศัย Methyl Etyl Ketone (MEK) เป็น ketone ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst)

จากการทดลองของผม Xylene สามารถทำอุณหภูมิได้ถึงเพียงแค่ 140c (reflux) ซึ่งอาจจะต้องใช้เวลาหลายสัปดาห์ในการทำปฏิกิริยา สอดคล้องกับ erowid.org ซึ่งจากปัญหาก็จะนำไปสู่ solvent ที่หาง่ายและมีจุดเดือดที่สูงกว่า ซึ่งก็คือ "Turpentine" หรือน้ำมันสน นั่นเอง

Turpentine (Solvent) + Methyl Etyl Ketone หรือ Carvone (Catalyst)

Turpentine หรือ น้ำมันสน นั้นมีจุดเดือดที่ 150-180c ซึ่งสูงกว่า Xylene แต่ในตลาดน้ำมันสนก็มีหลายเกรดด้วยกัน ทำให้การใช้ turpentine อาจก่อให้เกิด Side-product เยอะ หากใช้ turpentine ที่เกรดไม่ได้บริสุทธิ์มาก ซึ่งอาจะใช้ Carvone หรือ MEK เป็น Catalyst ก็ได้

ตัวทำละลายอื่น ๆ

เช่น Dimethyl sulfoxide (DMSO), Cyclohexanone หรือ Cyclohexanol ก็สามารถนำมาใช้งานได้ดีเทียบเท่าหรือดีกว่า Turpentine

ขั้นตอนในการสังเคราะห์

เริ่มจากการใช้ Tryptophan ระหว่าง 6-10g กรัมต่อตัวทำละลายประมาณ 100ml เนื่องจากสัดส่วนที่ดีช่วยให้ Tryptamine ซึ่งเป็น Product สามารถละลายในตัวทำละลายได้มากที่สุด และช่วยให้มี Contact surface กับตัวทำละลายได้มากที่สุด ซึ่งส่งผลโดยตรงกับปฏิกิริยา Decarboxylation

จากนั้นเติม Ketone Catalyst (กรณีที่ไม่ได้ใช้ตัวทำละลาร Acetophenone) ปริมาณระหว่าง 3-6ml เพื่อให้เพียงพอต่อการทำปฏิกิริยาเพื่อเกิดเป็น imine intermediate ซึ่งบางครั้ง Ketone ที่มีจุดเดือดต่ำ เช่น MEK ก็อาจจะระเหยไประหว่างการ Reflux ได้ จึงต้องใส่ปริมาณไปเผื่อ ๆ

ค่อย ๆ ให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิประมาณ 160 - 190c ไม่เกินนี้ เพราะอาจจะทำให้เกิดการเสื่อมสภาพ (Decomposition) ของ Tryptamine เมื่อเจออุณหภูมิที่สูงเกินไป เมื่อปฏิกิริยา Decarboxylation เริ่มขึ้นจะเกิดเป็นเสียงคล้ายกับการ "ทอด" หรือการเดือดของน้ำมัน และเกิดฟองอากาศเล็ก ๆ จำนวนมาก ซึ่งก็คือ CO2 จากหมู่ Carboxylic Acid ที่ถูกนำออก ซึ่ง Reaction Mixture จะค่อย ๆ ใสขึ้น เนื่องจากเริ่มแรก Tryptophan ซึ่งมีหมู่ Carboxylic Acid จะมีความเป็นขั้ว (Polar) มากกว่าตัวทำละลายอินทรีย์ (Organic Solvent) ที่ใช้ ซึ่งมักไม่มีขั้ว (Non-polar) ซึ่งจะทำให้ Reaction Mixture ไม่ใส และขุ่น เนื่องจาก Tryptophan ไม่ได้ถูกละลายลงไปในตัวทำละลาย หรือถูกละลายลงไปน้อยมาก แต่เมื่อปฏิกิริยา Decarboxylation เกิดขึ้นและเกิดเป็น imine 1 และ 2 ซึ่งไม่มีหมู่ Carboxylic Acid อยู่ จะเสียความเป็นขั้วไปจึงสามารถละลายลงในตัวทำละลายอินทรีย์ที่มีขั้วน้อยหรือไม่มีขั้วได้

เมื่อไม่มีฟองอากาศจากก๊าซ CO2 เกิดขึ้นแล้ว ก็สามารถหยุดปฏิกิริยาได้ และจะไปสู่ขั้นตอนการ Work up เพื่อ Hydrolysis imine กลับไปเป็น imine และ Freebase

Work Up

ในขั้นตอนต่อไปนี้จะใช้ Benzoic acid ผสมลงใน Reaction Mixture เพื่อให้เกิด Tryptamine Benzoate ซึ่งมีขั้วมากกว่าเดิม โดย Benzoic acid จะทำปฏิกิริยา Acid-catalyzed hydrolysis กับ imine เกิดเป็น Freebase จากนั้นจะเกิดการ Protonation โดย Benzoic acid เกิดเป็น Tryptamine Benzoate และจะตกผลึกออกจากตัวทำละลายที่ใช้ หากใช้ Turpentine เป็นตัวทำละลาย ก็สามารถเติม Benzoic acid ลงไปได้เลย เนื่องจากสามารถละลายได้ในตัวทำละลายดังกล่าว แต่หากเป็น Acetophenone หรือ ตัวทำละลายอื่น อาจจะต้องผสม Benzoic acid ลงไปใน Acetone ก่อน แล้วจึงเทลงไปใน Reaction Mixture

กรอง Tryptamine Benzoate ออก และทำการ freebase ด้วย NaOH ในน้ำกลั่น ซึ่ง Tryptamine Freebase จะไม่ละลายในน้ำ จึงสามารถถูกกรองออกได้ทันทีหลังจาก Freeze Precipitation จะได้ผลึกซึ่งมีความบริสุทธิ์มากกว่าการสกัดแบบ liquid to liquid extraction หรือการสกัดแบบสองเฟส ด้วย acid solution เช่น Acetic acid หรือ HCl ซึ่งจะถูกสกัดด้วยตัวทำละลายอินทรีย์อีกครั้ง โดยฟอร์มของ Freebase แบบที่มี Impurities สูงมักจะมีลักษณะเป็นน้ำมัน ซึ่งตกผลึกยากมาก จนถึงขั้นเป็นไปไม่ได้

ขอให้ทุกคนสนุกกับเคมีอินทรีย์ครับ :)

อ้างอิง: 

www.erowid.org/archive/rhodium/chemistry/tryptophan.html