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方法文章

稳定双环氮杂环丙烷离子的制备及其开环反应用于合成氮杂环化合物

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DOI:

10.3791/57572

2018年8月22日

本文内容

摘要

通过2-[4-甲苯磺酰氧基丁基]氮杂环丙烷生成双环氮杂环丙烯𬭩离子,例如1-氮杂双环[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐,并利用该中间体与多种亲核试剂发生区域选择性和立体专一性的环扩增反应,制备取代的哌啶和氮杂环庚烷。这一高效的方法使我们能够合成多种含氮杂环化合物,包括天然产物如枫碱(fagomine)、抗疟碱类似物(febrifugine analogue)和巴兰醇(balanol)。

摘要

通过氮杂环丙烷环中的氮原子对适当的离去基团进行分子内亲核进攻,从而消除离去基团,生成双环氮杂环丙烯𬭩离子。此类双环氮杂环丙烯𬭩离子,特别是1-氮杂双环[3.1.0]己烷和1-氮杂双环[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐,在亲核试剂对氮杂环丙烷环的开环反应中表现出重要用途;该过程通过释放环张力,区域选择性和立体专一性地生成相应的环扩增氮杂环化合物,例如吡咯烷、哌啶和氮杂环庚烷,并在环上引入多种取代基。本文报道了一种简便且高效的方法,用于制备稳定的1-氮杂双环[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐,并通过亲核试剂选择性地进攻桥碳或桥头碳原子,分别得到哌啶环和氮杂环庚烷环。该合成策略使我们能够高效地构建含有哌啶和氮杂环庚烷结构单元的生物活性天然产物,包括sedamine、allosedamine、fagomine和balanol。

引言

在三元环化合物中,氮杂环丙烷的环张力能与环丙烷和氧杂环丙烷相似,可通过开环反应生成多种含氮的环状和非环状化合物1,2,3。然而,氮杂环丙烷的性质和反应活性取决于环上氮原子的取代基。当氮原子上连有吸电子基团时4,该类氮杂环丙烷被称为"活化的氮杂环丙烷",其本身即具有足够的活性,无需额外的活化试剂即可与亲核试剂发生反应。另一方面,氮原子上带有给电子取代基的"非活化的氮杂环丙烷"则非常稳定,对亲核试剂呈惰性,除非其被转化为氮杂环丙鎓离子(如Ia所示,图1a5,6,7。非活化氮杂环丙烷的开环反应受多种因素影响,包括氮杂环丙烷C2和C3碳上的取代基、用于活化氮杂环丙烷环的亲电试剂以及进攻的亲核试剂。由于氮杂环丙鎓离子极易与亲核试剂发生开环反应,因而无法被分离和表征,但通过使用非亲核性抗衡阴离子,已可通过光谱学方法观测到其生成及特性5,8,9,10。合适的亲核试剂对氮杂环丙鎓离子进行区域选择性和立体选择性开环反应,可生成具有重要价值的含氮非环状分子(PiPii5,6,7,8,9,10

类似地,双环氮杂环丙烯离子(Ib)可能通过氮杂环丙烷环上的氮原子对离去基团进行分子内亲核进攻而生成(图1b)。随后,该中间体通过释放环张力与进入的亲核试剂发生环扩增反应。双环氮杂环丙烯离子的形成及其稳定性取决于多种因素,如取代基、环的大小以及溶剂体系9。氮杂环丙烷环扩增反应的区域选择性和立体选择性是其合成应用中的关键方面,其结果取决于起始底物中取代基的性质以及所用亲核试剂的特性。

在我们早期的研究中,成功制备了1-azoniabicyclo[3.1.0]hexane对甲苯磺酸盐Ib(n = 1),其后续的环扩增反应生成了吡咯烷和哌啶(PiiiPiv,n = 1,图18。作为我们对双环氮杂环丙烷𬭩离子化学持续研究的一部分,本文描述了1-azoniabicyclo[4.1.0]heptane对甲苯磺酸盐Ib(n = 2)的形成,作为代表性示例。该化合物由2-(4-对甲苯磺酰氧基丁基)氮杂环丙烷制得,其环扩增反应由亲核试剂引发,得到具有多种环上取代基的有价值哌啶和氮杂环庚烷(PiPii,n = 2,图111。由对映体纯的氮杂环丙烷4-[(R)-1-(R)-1-苯乙基)氮杂环丙烷-2-基]丁烷-1-醇(1)进行的环扩增反应,实现了取代氮杂环化合物的不对称合成,这些化合物可用于构建具有哌啶和氮杂环庚烷骨架的生物活性分子。该合成方法已应用于多种化合物的制备,范围从简单的2-氰甲基哌啶5f、2-乙酰氧甲基哌啶5h和3-羟基氮杂环庚烷6j,到更复杂的分子,包括光学纯形式的天然产物如fagomine(9)、febrifugine类似物(12)和balanol(1511

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方案

1. (6R)-1-[(R)-1-苯乙基]-1-氮杂双环[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐(4)的合成

  1. 4-(的合成R)-[1-(R)-1-苯乙基)氮杂环丙-2-基]丁基 4-甲基苯磺酸酯 (2)
    1. 加入100 mg的4-[(R)-1-((R)-1-苯乙基)氮杂环丙烷-2-基]丁烷-1-醇(1)12 (0.46 mmol,1.0 当量),140 µL 三乙胺(Et3N,1.0 mmol,2.2 当量)和磁力搅拌子加入氮气保护下的干燥25 mL双口圆底烧瓶中(N2)气氛。
    2. 加入无水二氯甲烷(CH₂Cl₂)2Cl2使用密封注射器向反应烧瓶中加入5 mL。
    3. 将反应混合物置于冰浴中冷却至0 °C,并搅拌5分钟。
    4. 添加 p向反应混合物中加入对甲苯磺酸酐(164 mg,0.50 mmol,1.10 当量),继续搅拌 45 分钟。
    5. 将反应混合物升温至室温(RT),搅拌30分钟。
    6. 使用薄层色谱法(TLC)监测反应,展开剂为正己烷:乙酸乙酯(EtOAc)(1:1 v/v,比移值 Rf 以0.55的溶剂作为洗脱剂。
    7. 起始醇完全消耗后 1,用水(5 mL)淬灭反应混合物。用CH2Cl2 (3 × 15 mL),用无水硫酸钠(Na₂SO₄)干燥合并的有机相2SO4)10 分钟,然后浓缩 在真空中 使用旋转蒸发仪。
    8. 通过快速柱层析纯化粗产物,以正己烷:乙酸乙酯(2:1 至 1:2,v/v)梯度洗脱,得到 165 mg(0.44 mmol,96% 收率)的 4-(R)-[1-(R)-1-苯乙基)氮杂环丙-2-基]丁基 对甲苯磺酸酯 (Rf = 0.55,己烷:乙酸乙酯(1:1 v/v))的黏稠液体。
  2. (6的合成R)-1-[(R)-1-苯乙基-1-azoniabicyclo[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐4)
    1. 转移5 mg新鲜制备的 2 在核磁管中加入氘代乙腈3 (CD3中国台湾,300 µL。
    2. 将上述溶液在室温下放置24小时,以实现完全转化为(6R)-1-[(R)-1-苯乙基-1-azoniabicyclo[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐 4.
    3. 监测转化过程 24 通过核磁共振(NMR)谱在CD中3不同时间点(10 分钟、1、5、7 和 24 小时)的 CN。

2. 1-氮杂双环[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐扩增的一般步骤

  1. 使用步骤 1.1.1 至 1.1.7 制备相应的对甲苯磺酸酯 2.
  2. 将上述粗品对甲苯磺酸酯和磁力搅拌子加入一个经烘箱干燥的25 mL圆底烧瓶中。
  3. 加入无水CH3使用气密注射器将4.0 mL CN加入反应瓶中。
  4. 向反应混合物中加入相应的亲核试剂(1.37 mmol,3.0 当量),搅拌 8–15 小时。
  5. 用水(5 mL)淬灭反应混合物,用 CH2Cl2 (3 × 15 mL),用无水 Na 干燥合并的有机相2SO4 并浓缩 在真空中 使用旋转蒸发仪。
  6. 使用己烷:乙酸乙酯(19:1 至 7:3,v/v)通过柱层析纯化粗产物,得到纯净的环扩增产物。
    注意:除以下化合物外,所有化合物均采用上述方法合成 6j (条目 j, 表1).
    注意:干燥的 CH3CN 通过从氢化钙(CaH₂)中蒸馏制备。2在N下2 大气。氰化钠属于已知最毒的物质之一,具有剧毒性,须在化学通风橱内并采取适当安全防护措施的条件下使用。氰化钠的淬灭通过高锰酸钾(KMnO₄)进行。4)溶液。

3. (S)-1-[(R)-1-苯乙基]氮杂环庚烷-3-醇(6j)的合成

  1. 转移4-(R)-[1-(R将)-1-苯乙基)氮丙啶-2-基]丁基对甲苯磺酸酯(100 mg,0.27 mmol,1.0 当量)和磁力搅拌子加入装有回流冷凝管的已烘干25 mL圆底烧瓶中。
  2. 使用注射器向反应瓶中加入1,4-二噁烷(4 mL)。
  3. 向反应混合物中加入0.4 mL 2.0 M氢氧化钠溶液(NaOH,0.80 mmol,3.0当量),加热回流2.0小时。
  4. 用水(4 mL)淬灭反应混合物,用 CH2Cl2 (4 × 15 mL),用无水 Na 干燥合并的有机相2SO4 并浓缩 在真空中 使用旋转蒸发仪。
  5. 使用己烷:乙酸乙酯(2:1 至 1:1 (v/v))作为洗脱剂,通过柱层析纯化粗产物(Rf = 0.60,己烷:乙酸乙酯(1:1,v/v)洗脱,得到46 mg的(S)-1-[(R)-1-苯乙基]氮杂环庚烷-3-醇(0.21 mmol,79%产率)。

4. [(2R,3R,4R)-3,4-双(苄氧基)-1-(S)-1-苯乙基哌啶-2-基]甲基乙酸酯 (8) 的合成:

  1. 转移 (3R,4R)-3,4-双(苄氧基)-4-[(R)-1-(S)-1-苯乙基)氮杂环丙烷-2-基]丁烷-1-醇(7)(220 mg,0.51 mmol,1.0 当量),180 µL Et3N(1.27 mmol,2.5 当量)和磁力搅拌子加入至氮气氛围下的烘干25 mL双颈圆底烧瓶中2 大气
  2. 加入无水CH2Cl2 使用密封注射器向反应瓶中加入(4 mL)。
  3. 将反应混合物在 0 °C 下冷却,并搅拌 5 分钟。
  4. 添加 p加入对甲苯磺酸酐(200 mg,0.61 mmol,1.20 当量)至反应混合物中,继续搅拌 45 分钟。
  5. 将反应混合物升温至室温,搅拌30分钟。
  6. 通过薄层色谱(TLC)监测反应进程,展开剂为正己烷:乙酸乙酯(7:3 v/v,Rf 以0.60的溶剂作为洗脱剂。
  7. 酒精完全消耗后 7,用水(5 mL)淬灭反应混合物,用CH2Cl2 (3 × 15 mL),用无水 Na 干燥合并的有机相2SO4 并浓缩 在真空中 使用旋转蒸发仪。
  8. 将上述粗产物对甲苯磺酸酯和磁力搅拌子转移至一个已烘干的25 mL圆底烧瓶中。
  9. 加入无水CH3使用密封注射器将4 mL CN加入反应瓶中。
  10. 向反应混合物中加入125 mg乙酸钠(NaOAc,1.53 mmol,3.0当量),搅拌12小时。
  11. 用水(5 mL)淬灭反应混合物,用 CH2Cl2 (3 × 15 mL),用无水 Na 干燥合并的有机相2SO4 并浓缩 在真空中 使用旋转蒸发仪。
  12. 通过柱层析纯化粗产物,洗脱液为正己烷:乙酸乙酯(9:1 至 4:1,v/v),得到纯品化合物 8(200 mg,83% 收率)。

5. (3R,4R)-3-叠氮基-1-[(R)-1-苯乙基]氮杂环庚烷-4-醇 (14) 的合成:

  1. 转移(R)-1-[(S)-1-(R)-1-苯基乙基)氮杂环丙烷-2-基]丁烷-1,4-二醇 (13)(235 mg,1.0 mmol,1.0 当量),0.35 mL Et3将N(2.50 mmol,2.5当量)和磁力搅拌子加入氮气氛围下的烘干25 mL双颈圆底烧瓶中。
  2. 加入无水CH2Cl2 使用密封注射器向反应瓶中加入(8 mL,0.12 M)。
  3. 将反应混合物在 0 °C 下冷却,并搅拌 5 分钟。
  4. 添加 p加入对甲苯磺酸酐(359 mg,1.10 mmol,1.10 当量)至反应混合物中,继续搅拌 45 分钟。
  5. 通过 TLC 监测反应进程,展开剂为正己烷 : 乙酸乙酯(1:1 v/v,Rf 以0.40的溶剂作为洗脱剂。
  6. 起始醇完全消耗后 13,用水(10 mL)淬灭反应混合物,用CH2Cl2 (3 × 15 mL),用无水 Na 干燥合并的有机相2SO4 并浓缩 在真空中 使用旋转蒸发仪。
  7. 将上述粗品对甲苯磺酸酯和磁力搅拌子加入一个经烘箱干燥的25 mL圆底烧瓶中。
  8. 加入无水CH3使用密封注射器将乙腈(8 mL,0.12 M)加入反应瓶中。
  9. 向反应混合物中加入 214 mg NaOAc(3.30 mmol,3.30 当量),搅拌 12 小时。
  10. 用水(10 mL)淬灭反应混合物,用 CH2Cl2 (15 mL,3次),用无水Na干燥合并的有机相2SO4 并浓缩 在真空中 使用旋转蒸发仪。
  11. 使用柱层析纯化粗产物,洗脱液为正己烷:乙酸乙酯(9:1 至 4:1,v/v),得到纯品化合物 14 (133 mg,产率51%)。

6. 所有产物的表征

  1. 通过1H、13C核磁共振波谱和高分辨质谱(HRMS)对所有新化合物进行表征。

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结果

4-[(的反应R)-1-(R)-1-苯乙基)氮丙啶-2-基]丁烷-1-醇 (1)12p-甲苯磺酸酐和三乙胺在CH中2Cl2 在室温下反应1.0小时,得到相应的2-(4-对甲苯磺酰氧基丁基)氮丙啶 2 产率为96%11. 1化合物的 H NMR(400 MHz)谱图 2 在 CD中3不同时间间隔的 CN 显示了 2-(4-对甲苯磺酰氧基丁基)氮丙啶的转化 2 至1-氮杂二环[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐 4. 在所有向低场位移的峰中,2.34 ppm 处出现一个明显的四重峰(J = 6.5 Hz)的...

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讨论

哌啶和氮杂环庚烷是许多挽救生命的药物和抗生素中含量最丰富的两类含氮杂环结构,其中包括多种具有生物活性的天然产物16。为了获得具有不同取代基的对映体纯哌啶(5)和氮杂环庚烷(6),我们开发了一种高效的合成方法:首先由对映体纯的2-(4-羟丁基)氮杂环丙烷制备1-氮杂双环[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐,随后在桥碳或桥头碳上发生区域特异性的亲核进攻。该氮杂双环中间体可通过将相应的2-(4-对甲苯磺酰氧基丁基)氮杂环丙烷溶解于乙腈中简便地制得。本方法的关键在于能否高效地制备出在目标位置具有适当取代基、且以纯异构体形式存在的起始氮杂环丙烷。利用该方法,我们成功合成了2-氰基哌啶(5f)、2-乙酰氧甲基哌啶(5h)和3-羟基氮杂环庚烷(6j)等代表性化合物,并均以光学纯形式获得。

所有报道化合物的分析数据均与文献值高度一致,这表明从氮杂双环(4)...

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披露

作者声明不存在竞争性财务利益。

致谢

本工作由韩国国家研究基金会(NRF-2012M3A7B4049645)和韩国外大研究基金(2018)资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
薄层色谱法 (TLC)Merck100390
紫外光Sigma-AldrichZ169625-1EA
Bruker AVANCE III HD (400 MHz) 核磁共振波谱仪BrukerNA
JASCO P-2000JASCOP-2000用于旋光测定
高分辨质谱 / MALDI-TOF/TOF 质谱分析AB SCIEX4800 Plus 高分辨质谱
(2R)-1-[(1R)-1-苯乙基]-2-氮杂环丙烷甲酸 (–)-薄荷醇酯,98%Sigma-Aldrich57,054-0
(2S)-1-[(1R)-1-苯乙基]-2-氮杂环丙烷甲酸 (–)-薄荷醇酯Sigma-Aldrich57,051-6
三乙胺DAEJUNG8556-4400-1LCAS 号:121-44-8
二氯甲烷SAMCHUNM0822-18LCAS 号:75-09-2
对甲苯磺酸酐Sigma-Aldrich259764-25GCAS 号:4124-41-8
正己烷SAMCHUNH0114-18LCAS 号:110-54-3
乙酸乙酯SAMCHUNE0191-18LCAS 号:141-78-6
硫酸钠SAMCHUNS1011-1kgCAS 号:7757-82-6
氘代乙腈 (acetonitrile-d3)Cambridge Isotope Laboratories, Inc15G-744-25gCAS 号:2206-26-0
乙腈SAMCHUNA0127-18LCAS 号:75-05-8
1,4-二氧六环SAMCHUND0654-1kgCAS 号:123-91-1
氢氧化钠DUKSANA31226-1kgCAS 号:1310-73-2
乙酸钠Alfa Aesar11554-250gCAS 号:127-09-3
氢化铝锂TCIL0203-100gCAS 号:16853-85-3
四氢呋喃SAMCHUNT0148-18LCAS 号:109-99-9
叠氮化钠D.S.P703301-500gCAS 号:26628-22-8
氟化铯aldrich18951-0250-25gCAS 号:13400-13-0
四丁基溴化铵aldrich426288-25gCAS 号:1643-19-2
碘化钠aldrich383112-100gCAS 号:7681-82-5
氰化钠Acros Organics424301000-100gCAS 号:143-33-9
硫氰酸钠aldrich467871-250gCAS 号:540-72-7
甲醇钠aldrich156256-1LCAS 号:124-41-4
苄胺Alfa AesarA10997-1000gCAS 号:100-46-9
苯酚TCIP1610-500gCAS 号:108-95-2
苯甲酸钠Alfa AesarA15946-250gCAS 号:532-32-1
氘代氯仿 (chloroform-d)Cambridge Isotope Laboratories, IncDLM-7TB-100S/16H-239, 100gCAS 号:865-49-6
六氘代二甲基亚砜 (dimethyl sulfoxide-d6)Cambridge Isotope Laboratories, IncDLM-10-25, 25gCAS 号:2206-27-1
甲醇SAMCHUNM0585-18LCAS 号:67-56-1
茚三酮Alfa AesarA10409-250gCAS 号:485-47-2
磷钼酸水合物TCIP1910-100gCAS 号:51429-74-4
对甲氧基苯甲醛aldrichA88107-5gCAS 号:123-11-5

参考文献

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