通过α-亚氨基-γ-内酯与亚烷基吡唑啉酮的有机催化环加成高效构建类药双螺环骨架

摘要

通过简单的有机催化1,3-偶极环加成反应，可不对称合成对映体富集的双螺环[γ-丁内酯-吡咯烷-4,4'-吡唑啉酮]骨架。

摘要

双螺环骨架是许多具有多样且显著生物活性的天然产物中的重要结构亚基之一。最近，我们开发了一种高效的有机催化策略，可便捷地获得多种对映体富集的双螺[γ-丁内酯-吡咯烷-4,4'-吡唑啉酮]骨架。本文中，我们展示了一种通过有机催化1,3-偶极环加成反应不对称合成含两个螺环碳中心的类药物双螺环化合物的详细实验方案。首先制备螺环化前体α-亚氨基-γ-丁内酯和亚烷基吡唑啉酮，随后在双功能方酰胺有机催化剂存在下进行环加成反应，以高收率和优异的立体选择性得到目标双螺环产物。采用手性高效液相色谱（HPLC）测定产物的对映体纯度，并通过质子核磁共振（¹H NMR）分析其非对映体比例（d.r.值）。产物的绝对构型通过X射线单晶衍射分析确定。该合成策略使科研人员能够以高收率以及优异的非对映和对映选择性制备多种结构多样的双螺环骨架。

引言

手性螺环化合物广泛存在于天然产物、手性配体和有机金属配合物中，因其结构复杂性和生物活性而成为备受关注的合成目标^1,2,3。特别是双螺环骨架，其特征为具有两个刚性螺原子的三个环结构，是许多具有重要生物活性的天然产物中的结构子单元^4,5。因此，构建具有立体控制、光学纯的双螺环骨架化合物在过去几十年中引起了广泛关注。已有大量螺环化合物及其衍生物通过有机金属方法和有机催化方法成功合成，例如不对称环加成反应，如1,3-偶极环加成和Diels-Alder反应^6,7,8。然而，这些分子大多为单螺环结构，而双螺环结构的报道较少，且主要集中于基于吲哚的双螺环化合物的构建。

为了获得结构更多样化的双螺环化合物，已探索了环加成合成子在不对称构建螺环中心方面的多功能性^9,10,11。特别是利用双功能方酰胺有机催化剂，亚甲胺叶立德^12,13,14（例如α-亚氨基-γ-内酯）与偶极亲合物（例如亚烷基吡唑啉酮）^15,16,17能够通过简单的1,3-偶极环加成反应构建含多个立体中心的双螺环骨架，使其成为理想的螺环化合成子（图1）。在优化了有机催化剂结构和反应溶剂后，该环加成过程能够以高收率、优异的对映选择性和非对映选择性高效地得到目标产物。此外，该反应对多种官能团取代的环加成合成子具有较广的结构耐受性¹⁸。这一新方法通过简单的有机催化环加成反应，为合成含有两个季碳螺环中心的多种高度官能团化的类药物分子提供了高效途径，为这类化合物面向结构多样性导向的合成应用提供了新的前景。

方案

警告：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。所用化学品和溶剂均为试剂级，未经进一步纯化。所有涉及对空气或水分敏感的试剂或中间体的反应均在氩气气氛下进行。

1. α-芳亚甲基吡唑啉酮物种的制备

1. 制备 吡唑酮类
   1. 在室温下，用量筒向250 mL圆底烧瓶中加入40 mL冰醋酸。在搅拌下，向溶液中加入肼（1当量，1.58 mol/L）和乙酰乙酸甲酯（1当量，1.58 mol/L）。将烧瓶装配回流冷凝管。
      注意：使用该浓度是因为较低的浓度会导致反应速率减慢。
   2. 将反应瓶置于油浴中，搅拌条件下加热至 120 °C，持续 3 小时。反应完成后，将反应瓶冷却至室温，用磁力搅拌子回收器取出磁力搅拌子。使用旋转蒸发仪在 60 °C 下浓缩反应混合物。注意避免因负压导致反应混合物溅出。
   3. 向反应烧瓶中加入20 mL去离子水，将溶液转移至分液漏斗中。用乙酸乙酯（30 mL）萃取水相3次。合并分液漏斗中的有机相，再用饱和食盐水（50 mL）洗涤2次。
   4. 将合并的有机相用无水硫酸钠干燥1小时，然后通过重力过滤除去硫酸钠。
   5. 在减压条件下，于35 °C使用旋转蒸发仪除去溶剂。
   6. 除去所有溶剂后，在进行第4节时加入吡唑酮类物质。
2. 制备 α-芳亚甲基吡唑啉酮
   1. 加入吡唑酮（1当量，0.49 mol/L）、苯甲醛（1当量，0.49 mol/L）、氧化镁（0.5 g，0.6当量）和磁力搅拌子至一个在氮气氛围下预干燥的100 mL圆底烧瓶中₂ 大气
   2. 使用密封注射器向反应瓶中加入无水乙腈（40 mL），然后安装回流冷凝管。将反应瓶置于油浴中，于120 °C下搅拌加热12小时。
   3. 通过薄层色谱（TLC）监测反应进程，使用石油醚:乙酸乙酯（2:1 [v/v]，比移值 R_f 以0.86的溶剂作为洗脱剂。
   4. 反应完成后，将反应瓶冷却至室温。通过硅藻土柱过滤除去氧化镁。
   5. 使用旋转蒸发仪在减压条件下于35 °C除去多余的乙腈。将残留物通过硅胶柱色谱纯化，以石油醚:乙酸乙酯（10:1 至 8:1 [v/v]）洗脱，得到粗产物。
   6. 将粗产物加入装有磁力搅拌子的100 mL锥形瓶中，然后加入最小体积的95%乙醇。将锥形瓶置于加热板上，加热至微沸，直至固体完全溶解。将锥形瓶从加热板上取下，静置，缓慢冷却，期间不进行任何搅拌。
      注意：当混合物冷却至室温时，相应的α-芳亚甲基吡唑啉酮将以纯晶体形式析出。

2. α-亚氨基-γ-内酯类化合物的合成

1. 将α-氨基-γ-丁内酯氢溴酸盐（1当量，0.41 mol/L）、硫酸镁（1当量，0.41 mol/L）、三乙胺（1当量，0.41 mol/L）和一枚磁力搅拌子加入至氮气氛围下预烘干的100 mL圆底烧瓶中₂ 大气
2. 向反应瓶中加入36 mL无水二氯甲烷，使用密封注射器操作。室温下搅拌反应混合物1小时。向溶液中加入相应的噻吩-2-甲醛（1.1当量，0.45 mol/L），继续搅拌12小时。
3. 通过薄层色谱（TLC）监测反应进程，以石油醚:乙酸乙酯（4:1 [v/v]）作为洗脱剂，直至内酯物种完全消耗。随后使用孔径为30−50 μm的滤纸过滤反应混合物。
4. 向所得混合物中加入5 mL去离子水，分离有机层与水相。用水相部分用二氯甲烷（30 mL）萃取2次。将有机层合并至分液漏斗中，用饱和食盐水（50 mL）洗涤2次。
5. 将合并的有机相用无水硫酸钠干燥1小时，然后通过重力过滤除去硫酸钠。在减压条件下，使用旋转蒸发仪于35 °C下除去溶剂。
6. 去除所有溶剂后，在执行第4节时加入α-亚氨基-γ-内酯物种。

3. 双功能方酸酰胺催化剂 C5¹⁹ 的合成

注意：有机催化剂 5C 的合成方法见图 2。

1. 3-((3,5-双(三氟甲基)苯基)氨基)-4-甲氧基环丁-3-烯-1,2-二酮（化合物1）的制备
   1. 加入3,4-二甲氧基环丁-3-烯-1,2-二酮（1当量，0.63 mol/L）、3,5-双(三氟甲基)苯胺（1.1当量，0.69 mol/L）、20 mL甲醇和一根磁力搅拌子，置于氮气氛围下，在一个烘干的100 mL圆底烧瓶中进行反应₂ 大气
   2. 在室温下搅拌混合物48小时。黄色沉淀物的形成表明反应正在进行。
   3. 将反应液通过装有滤纸的漏斗过滤，并用甲醇（15 mL）洗涤固体产物3次。将黄色固体在真空条件下干燥过夜，得到黄色固体状终产物。
2. 催化剂C5的合成
   1. 加入3-((3,5-双(三氟甲基)苯基)氨基)-4-甲氧基环丁-3-烯-1,2-二酮（化合物1；1当量，0.2 mol/L）、(S)-(6-甲氧基喹啉-4-基)((1S,2R,4S,5R)-5-乙烯基奎宁环-2-基)甲胺（化合物2；1当量，0.2 mol/L）以及一枚磁力搅拌子，置于25 mL圆底烧瓶中，在N₂氛围下进行后续操作₂ 大气
   2. 使用密封注射器加入无水二氯甲烷（5 mL），室温下搅拌反应混合物 48 小时。
   3. 通过薄层色谱（TLC）监测反应进程，使用二氯甲烷:甲醇（10:1 [v/v]，R_f 以0.49的溶剂作为洗脱剂。反应完成后，在40 °C下使用旋转蒸发仪浓缩反应混合物。
   4. 通过硅胶柱层析纯化残余物，以二氯甲烷:甲醇（20:1 [v/v]）为洗脱剂，得到目标产物。

4. 双螺环化合物的不对称合成

1. 干燥一个装有磁力搅拌子的50 mL圆底反应瓶。将反应瓶从烘箱中取出后，在使用前用惰性气体吹扫使其冷却至室温。
2. 向50 mL圆底烧瓶中加入α-亚苄基吡唑啉酮（1 mmol，1当量，0.1 mol/L）和α-亚氨基-γ-内酯（1.2 mmol，1.2当量，0.12 mol/L），并在氮气氛围下进行反应。₂ 大气
3. 使用密封注射器向反应瓶中加入无水乙醚（10 mL）。然后向溶液中加入相应的有机催化剂（0.1当量，0.01 mol/L），并在40 °C下搅拌反应混合物。
4. 通过薄层色谱（TLC）监测反应进程，使用石油醚:乙酸乙酯（4:1 [v/v]，R_f 以0.51的溶剂作为洗脱剂。
   注意：使用手持式254 nm紫外灯观察起始原料和产物的斑点。
5. 反应完成后，使用旋转蒸发仪在 40 °C 下浓缩反应混合物。
6. 通过硅胶柱层析纯化残余物，以石油醚:乙酸乙酯（4:1 [v/v]）为洗脱剂，得到最终产物。
7. 通过以下方式表征最终产物： ¹H 和 ¹³C核磁共振谱使用400 MHz核磁共振波谱仪测定。使用手性色谱柱测定产物的对映体过量（ee）值。

结果

在25 °C条件下，考察了多种氢键供体双功能有机催化剂在二氯甲烷（DCM）中的催化效果（表1）。有机催化剂的代表性合成路线见图1。对不同有机催化剂的筛选结果（表1，条目1-6）表明，催化剂C5具有优异的立体选择性（94% ee，>20:1 d.r.，条目5）和最佳收率（85%收率）。进一步优化溶剂（表1，条目7-11）发现，乙醚（Et₂O）在此合成过程中更为适宜。

值得注意的是，为了考察该反应的普适性，在优化的模型反应条件下，成功测试了多种带有不同官能团的双螺环化合成子的各类取代基，均以良好至优异的产率和立体选择性得到了目标双螺环产物。吡唑啉酮1a的适用范围包括：将α-芳亚基上的苯基替换为多种芳基、萘基和噻吩基；在3-位含有乙基、癸...

讨论

双螺[γ-丁内酯-吡咯烷-4,4'-吡唑啉酮]骨架的成功制备依赖于多个因素。

该一锅法不对称环加成反应的关键步骤是双功能方酰胺催化剂对α-芳亚甲基吡唑啉酮1a和环状亚胺酯2a的协同活化。这一过程通过催化剂作为氢键供体与两个反应底物之间形成多个分子间氢键而实现。因此，在所筛选的多种氢键供体型双功能有机催化剂中，由于具有较大的空间位阻，C5表现出最优的立体选择性。该方法在模型反应中使用10 mol%的催化剂。此外，底物与催化剂均需具备良好的溶解性，这一点至关重要。因此，选用乙醚（Et₂O）作为最优溶剂，不仅可确保底物和催化剂在室温下完全溶解，还能实现高效产率和高立体选择性的顺利环加成反应。值得注意的是，反应体系中若存在水，将导致立体选择性显著降低。为确保合成成功，反应开始前必须严格检测所有试剂和溶剂的干燥程度。

该环加成反应适用于多种取代的α-亚芳亚基吡唑啉酮。具体而言，α-亚芳亚基上带有不同芳基的取代基均具有良好的耐受性。由于在1,3-偶极...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
乙腈，无水，99.9%	Innochem (中国)	A0080
α-氨基-γ-丁内酯氢溴酸盐，98%	Alfa Aesar	B23148
3,5-双(三氟甲基)苯胺，98+%	Adamas	48611B
二氯甲烷，99.5%	Greagent	G81014H
3,4-二甲氧基环丁-3-烯-1,2-二酮，98+%	Leyan (中国)	1062550
乙醇，99.5%	Greagent	G73537B
乙酸乙酯，99.5%	Greagent	G23272L
乙醚，无水，99.5%	Greagent	G69159B
乙酰乙酸乙酯，98%	TCI	A0649
4-氟苯甲醛，98%	Innochem (中国)	A24295
冰乙酸，99.5%	Greagent	G73562B
氧化镁，99+%	Alfa Aesar	44733
硫酸镁，98%	Greagent	G80872C
甲醇，99.5%	Greagent	G75851A
石油醚	Greagent	G84208D
苯肼，98%	Innochem (中国)	A57671
(S)-(6-甲氧基喹啉-4-基)((1S,2R,4S,5R)-5-乙烯基奎宁环-2-基)甲胺	DAICEL Group	111240
硫酸钠，无水，99%	Greagent	G82667A
2-噻吩甲醛，98%	J & K scientific (中国)	124605
三乙胺，99%	J & k scientific (中国)	432915