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

该一锅法三组分偶极环加成反应可便捷地获得高度官能化的双螺环化合物。此类化合物含有重要的骨架结构，已在多种具有重要生物活性的天然产物中发现。我们可应用这种有机催化环加成反应，一步合成或构建含有两个手性螺环中心的双螺环骨架。

该反应具有高产率和优异的立体选择性。反应开始前，必须确保所有试剂和溶剂均为干燥状态。此外，环加成反应应在氩气或氮气氛围下进行。

本实验操作将由我实验室的研究生 Yaping Cheng 演示。配制吡唑酮时，向装有磁力搅拌子的 250 毫升圆底烧瓶中加入 45 毫升冰醋酸。在室温下搅拌溶液，同时分别加入等摩尔量的肼和乙酰乙酸乙酯各一当量。

然后，为烧瓶装上回流冷凝管。将反应烧瓶置于油浴中，在搅拌条件下加热至120摄氏度，持续三小时。待烧瓶冷却至室温后，使用搅拌子回收器取出磁力搅拌子。

使用旋转蒸发仪在 60 摄氏度下浓缩反应混合物。然后，向反应瓶中加入 20 毫升去离子水，并将溶液转移至分液漏斗中。用 30 毫升乙酸乙酯分三次萃取水相。

将分液漏斗中的有机相合并，用50毫升盐水洗涤两次。将合并的有机相用无水硫酸钠干燥一小时。然后，通过重力过滤除去硫酸钠。

在35摄氏度、减压条件下，使用旋转蒸发仪除去溶剂，以分离得到吡唑啉酮。为制备α-亚芳基吡唑啉酮，将一当量的吡唑啉酮、一当量的苯甲醛、0.6当量的氧化镁以及一根磁力搅拌子加入至一个在氮气氛围下干燥的100毫升圆底烧瓶中。使用密封性良好的注射器加入40毫升无水乙腈，并为反应烧瓶装配回流冷凝管。

将反应瓶置于油浴中加热至120摄氏度，同时搅拌12小时。使用石油醚与乙酸乙酯按2:1比例配制的洗脱剂，通过薄层色谱法（TLC）监测反应进程。当吡唑啉酮完全消耗后，将反应瓶冷却至室温。

然后，使用硅藻土柱过滤除去氧化镁。在35摄氏度下减压条件下，用旋转蒸发仪除去过量的乙腈。通过硅胶柱层析纯化残留物。

用石油醚和乙酸乙酯洗脱，得到粗产物。将粗产物加入至一个100毫升锥形瓶中，放入磁力搅拌子，并加入最小体积的95%乙醇。将锥形瓶置于加热板上，加热并搅拌至微沸，直至固体完全溶解。

然后，将烧瓶从加热板上取下，在无搅拌条件下缓慢冷却，以析出α-芳亚甲基产物的纯晶体。制备α-亚氨基-γ-内酯时，在氮气氛围下，向一个经烘箱干燥的100毫升圆底烧瓶中加入等摩尔量的α-亚氨基-γ-丁内酯氢溴酸盐、硫酸镁、三乙胺以及一枚磁力搅拌子。使用密封性良好的注射器向反应烧瓶中加入36毫升无水二氯甲烷，于室温下搅拌反应混合物1小时。

然后，向溶液中加入1.1当量的目标噻吩二甲醛，继续搅拌12小时。使用石油醚与乙酸乙酯按4:1比例配制的洗脱剂，通过薄层色谱（TLC）监测反应进程，直至内酯物种完全消耗。随后，使用孔径为30至50微米的滤纸过滤反应混合物。

接下来，向所得混合物中加入5毫升去离子水，并将有机层与水相分离。用30毫升二氯甲烷对水相萃取两次。将分液漏斗中的有机层合并，并用50毫升饱和食盐水洗涤两次。

将合并的有机相用无水硫酸钠干燥一小时。通过重力过滤去除硫酸钠。然后，在35摄氏度下减压条件下使用旋转蒸发仪除去溶剂。

在氮气氛围下，向一个经烘箱干燥的15毫升圆底烧瓶中加入一当量的α-芳亚甲基吡唑啉酮、1.2当量的α-亚氨基-γ-内酯以及一枚磁力搅拌子。使用密封性良好的注射器向反应烧瓶中加入10毫升无水乙醚。然后向溶液中加入0.1当量的双功能方酸酰胺催化剂，并在40摄氏度下搅拌反应混合物。

通过薄层色谱（TLC）监测反应进程。以石油醚与乙酸乙酯按4:1比例配制的混合液作为洗脱剂。反应完成后，在40摄氏度下使用旋转蒸发仪浓缩混合物。

使用石油醚与乙酸乙酯按4:1比例配制的洗脱液，通过硅胶柱层析纯化残余物，得到最终产物。使用400兆赫核磁共振波谱仪，通过氢谱和碳谱对最终产物进行表征。采用手性高效液相色谱柱测定产物的对映体过量值。

此处展示了双功能方酸酰胺催化剂的代表性合成过程。对不同有机催化剂的筛选结果表明，C5 具有优异的立体选择性和最高的产率。进一步优化溶剂发现，乙醚在该合成过程中更为适宜。

使用优化后的模型反应条件，成功测试了两种具有不同官能团的螺环化合成子的多种取代基，以良好至优异的产率和立体选择性得到了目标双螺环化合物。通过氢谱和碳谱核磁共振波谱确认了双螺环产物的结构。此处展示了外消旋体和手性化合物 3E 的代表性高效液相色谱图。

化合物3E的X射线晶体学分析揭示其绝对构型为5S, 6R, 7R, 13R。此处展示了3E的单晶结构。在开始反应前，务必确保所有试剂和溶剂均为干燥状态。

此外，该反应应在氩气或氮气氛围中进行。通过此类药物类似物的双螺环化合物的制备，我们可以研究其生物学活性，以探索其在蛋白质和细胞水平上的潜在影响及其在药物发现中的应用。借助新的策略，研究人员能够探索这些双螺环化合物可能的生物学功能、其对蛋白质组学和细胞活动的影响以及交联作用机制。