RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
Spanish
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Las bisaziridinas contiguas que contenían aziridinas no activadas y activadas se sintetizaron mediante aziridinaciones organocatalíticas asimétricas y luego se sometieron a reacciones quimioselectivas de apertura de anillo en condiciones ácidas o básicas. El anillo de aziridina no activado se abre con nucleófilos menos reactivos en condiciones ácidas, mientras que el anillo de aziridina activada se abre con nucleófilos más reactivos en condiciones básicas.
Las aziridinas, una clase de moléculas orgánicas reactivas que contienen un anillo de tres miembros, son sintones importantes para la síntesis de una gran variedad de compuestos diana funcionalizados que contienen nitrógeno a través de la apertura de anillo regiocontrolada de aziridinas sustituidas por C. A pesar del tremendo progreso en la síntesis de aziridina durante la última década, el acceso eficiente a las bisaziridinas contiguas sigue siendo difícil. Por lo tanto, estábamos interesados en sintetizar bisaziridinas contiguas que llevan un conjunto electrónicamente diverso de N-sustituyentes más allá de la columna vertebral única de aziridina para reacciones regioselectivas de apertura de anillo con diversos nucleófilos. En este estudio, las bisaziridinas contiguas quirales se prepararon mediante aziridinación asimétrica organocatalítica de (E)-3-((S)-1-((R)-1-feniletil)aziridina-2-il)acrilaldehído quiral con N-Ts-O-tosil o N-Boc-O-tosil hidroxilamina como fuente de nitrógeno en presencia de (2S)-[difenil(trimetilsililoxi)metil]pirrolidina como organocatalizador quiral. También se demuestran aquí ejemplos representativos de reacciones regioselectivas de apertura de anillos contiguas de bisaziridinas con una variedad de nucleófilos como azufre, nitrógeno, carbono y oxígeno, y la aplicación de bisaziridinas contiguas a la síntesis de pirrolidinas quirales multisustituidas por hidrogenación catalizada por Pd.
El diseño racional de pequeñas moléculas orgánicas con diversos sitios reactivos que controlan con precisión la selectividad del producto es un objetivo clave en la síntesis orgánica moderna y la química verde 1,2,3,4,5,6,7,8. Para lograr este objetivo, nos interesaba la síntesis modular de aziridinas. Las aziridinas son de interés para la mayoría de los químicos orgánicos, debido a su marco estructuralmente importante9 con un conjunto electrónicamente diverso de N-sustituyentes que pueden conducir a reacciones regioselectivas de apertura de anillo con múltiples nucleófilos 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19, y variadas actividades farmacológicas como propiedades antitumorales, antimicrobianas y antibacterianas. A pesar de los avances en la química de la aziridina, la aziridina no activada y la aziridina activada tienen síntesis independientes y reacciones de apertura de anillo en la literatura20.
Por lo tanto, nuestro objetivo fue sintetizar bisaziridinas contiguas que comprenden tanto las aziridinas no activadas como las activadas. Estas bisaziridinas contiguas se pueden utilizar para racionalizar sistemáticamente un patrón quimioselectivo de apertura de anillo basado en las siguientes propiedades electrónicas de las dos aziridinas diferentes y su reactividad a nucleófilos 20,21,22,23,24: a) aziridinas activadas, en las que los sustituyentes que retiran electrones estabilizan conjugativamente la carga negativa sobre el nitrógeno, reaccionan fácilmente con múltiples nucleófilos a permitir productos abiertos con anillo; b) las aziridinas no activadas, en las que el nitrógeno se une a los sustituyentes donantes de electrones, son considerablemente inertes hacia los nucleófilos; por lo tanto, se requiere un paso de preactivación con un activador adecuado (principalmente ácidos de Brønsted o Lewis) para permitir los productos abiertos en anillo en altos rendimientos20,21,25,26.
El presente estudio describe el diseño racional de bisaziridinas contiguas como bloques de construcción quirales a través de la organocatálisis libre de metales de transición y la síntesis de diversas moléculas ricas en nitrógeno utilizando herramientas de modelado predictivo para reacciones de apertura de anillo de bisaziridinas. Este estudio tiene como objetivo estimular el avance de métodos prácticos para la construcción de compuestos bioactivos enriquecidos con nitrógeno y productos naturales y la polimerización de aziridinas.
Los detalles de todos los productos sintetizados (1-5), incluida la estructura, los espectros completos de RMN, la pureza óptica y los datos HRMS-MALDI, se proporcionan en el Archivo Suplementario 1.
1. Síntesis de 3-(aziridina-2-il)acril aldehído (1a)
2. Síntesis de bisaziridina contigua (2a)
3. Síntesis del compuesto 3
4. Síntesis del compuesto 4
5. Apertura selectiva del anillo de aziridinas no activadas: Síntesis de 5d
6. Apertura selectiva del anillo de aziridinas activadas: Síntesis de 5f
7. Hidrogenación catalizada por PD de aziridinas contiguas: Síntesis de 5h
8. Análisis del polarímetro

9. Análisis de RMN de 1H y 13C
Para investigar la posibilidad de preparar una bisaziridina contigua, (E)-3-((S)-1-((R)-1-feniletil)aziridina-2-il)acrilaldehído (1a) se sintetizó primero como sustrato modelo de acuerdo con el procedimiento mencionado en el paso 1 (Figura 1)28.

Figura 1: Síntesis de 1a como sustrato modelo. El producto 1a se sintetizó a partir de (R)-1-((R)-1-feniletil)aziridina-2-carbaldehído utilizando (trifenilfosforanilideno)acetaldehído como reactivo. Esta figura está adaptada de Mao et al.28 y Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Posteriormente, se realizó aziridinación de 1a para obtener bisaziridinas contiguas (2a y 2b) bajo las siguientes condiciones óptimas de reacción 29,30,31,32,33,34,35 (paso 2 y Figura 2): a) Para la síntesis de 2a: 1a (1,0 mmol), catalizador BS (7 mol%), BocNHOTs como fuente de nitrógeno (equivalente a 1,1), NaOAc como base (equivalente a 1,5), EtOAc (0,3 M) durante 24 h a temperatura ambiente; b) Para la síntesis de 2b: 1a (1,0 mmol), catalizador BS (7 mol%), TsNHOTs como fuente de nitrógeno (equivalente a 1,1), NaOAc como base (equivalente a 1,5), THF (0,3 M) durante 7 h a temperatura ambiente.

Figura 2: Síntesis de bisaziridinas contiguas (2a y 2b). Los productos 2a y 2b se sintetizaron a partir de 1a en dos pasos, utilizando BS como catalizador en el primer paso y BocNHOTs o TsNHOTs como reactivo en el segundo paso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Después de la construcción de bisaziridinas enantioenriquecidas con restos de aziridina no activadas y activadas, se prepararon varias moléculas enriquecidas con nitrógeno (5a-g) mediante reacciones regioselectivas de apertura de anillo con diversos nucleófilos. En la Tabla 1 se resumen ejemplos representativos de las reacciones de apertura en anillo de las bisaziridinas.
Tabla 1: Anillos regioselectivos de bisaziridinas con nucleófilos diversos. Esta tabla está adaptada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
En presencia del ácido de Lewis ZnCl2, el átomo de azufre de 1-fenil-5-mercaptotetrazol y en medios ácidos NH4Cl, la amina de la anilina ataca el átomo C3 menos obstaculizado de las aziridinas 3b y 4b para proporcionar los productos correspondientes 5a y 5b, respectivamente 36,37,38,39,40,41,42 (Tabla 1 , entradas 1 y 2). El producto 5c se sintetizó cuando el átomo de nitrógeno de N-metilenamina equivalente43, que se produjo a partir de 1,3,5-trietilhexahidro-1,3,5-triazina en presencia de ZnBr2 como catalizador, ataca la aziridina no activada sobre la aziridina 3b activada sin reaccionar, seguida de una reacción de cierre de anillo (Tabla 1 , entrada 3). Sorprendentemente, el control regioquímico en la apertura del anillo de las aziridinas no activadas puede lograrse mediante la selección de un grupo protector N apropiado, como el grupo Ts o Boc, en las aziridinas activadas (Tabla 1, entradas 4 y 5). Presumiblemente, el patrón diferencial de apertura del anillo puede atribuirse a la geometría de los modos de activación tras la protonación (es decir, interacciones secundarias) (Figura 3). La interacción secundaria entre el átomo de nitrógeno de la aziridina no activada y el átomo de nitrógeno adyacente de la sulfonamida en la posición C2' puede haber ocurrido, creando un ambiente quiral estéricamente congestionado; el consiguiente ataque nucleofílico del acetato sobre el átomo C3 menos obstaculizado44,45,46 habría llevado a la formación del producto cinético 5d (Tabla 1, entrada 4). Por otro lado, la interacción secundaria entre el protón del ion aziridinio y el oxígeno carbonilo puede implicar la construcción de una circunstancia más flexible y menos congestionada estéricamente, lo que lleva a la formación del producto termodinámico 5ea través del ataque nucleofílico 20,21,22,23,24,25,26 de acetato en el átomo C2 más sustituido (Tabla 1, entrada 5). En particular, varios nucleófilos, como S, N, C y O, atacaron favorablemente la aziridina no activada en condiciones ligeramente ácidas (Tabla 1, entradas 1-5).

Figura 3: Interacciones secundarias plausibles para las reacciones selectivas de apertura de anillo de bisaziridinas contiguas . (A) El ataque nucleofílico del acetato sobre el átomo C3 menos obstaculizado habría dado lugar a la formación de productos cinéticos 5d. (B) El ataque nucleofílico del acetato sobre el átomo C2 más sustituido habría dado lugar a la formación del producto termodinámico 5e. Esta figura está adaptada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La reacción selectiva de apertura del anillo de aziridina protegida con N-Ts se puede lograr con azida (N 3ˉ) para proporcionar el producto deseado 5f, ya que la azida proporciona acceso al átomo C3' menos obstaculizado47,48,49 (Tabla 1, entrada 6). Además, la isoxazolina N-óxido 5g se sintetizó a través de la formación de un éster de β-hidroxi-α-nitro y el ataque nucleofílico sucesivo del átomo de oxígeno nitronato en el átomo C3' del anillo de aziridina activado, mientras que el aldehído bisaziridinil contiguo reaccionó con nitroacetato de etilo e imidazol50 (Tabla 1, entrada 7). En particular, las reacciones preferenciales de apertura de anillo de las fracciones de aziridina activadas ocurrieron en condiciones básicas (Tabla 1, entradas 6 y 7).
En presencia de Pd(OH)2/C,H2 (1 atm) y Boc2O, el aldehído bisaziridinil contiguo se convirtió fácilmente en el compuesto pirrolidina quiral multisustituido 5ha través de las siguientes reacciones consecutivas51 (Tabla 1, entrada 8 y Figura 4).

Figura 4: Ilustración esquemática para la síntesis de pirrolidina quiral. Esta cifra ha sido modificada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Datos de caracterización de los productos
Algunos picos importantes en los datos espectrales de RMN 1H (Figura 5, Figura 6, Figura 7, Figura 8, Figura 9, Figura 10 y Figura 11) de los compuestos son los siguientes. El pico del aldehído hidrógeno aparece a ≥9.00 ppm. Los picos de los hidrógenos de alqueno aparecen en el rango de 5.00-7.00 ppm. Los picos de los hidrógenos de aziridina aparecen en ≤3.50 ppm. En el caso de la bisaziridina, los hidrógenos aparecen individualmente. Generalmente, los picos de los hidrógenos de los otros grupos alquilo aparecen a ≤3.00 ppm. En el caso de Boc y TBS, los picos de hidrógeno son generalmente estacionarios y aparecen como singletes a ≤2.00 ppm. En el caso del compuesto de apertura de anillo de bisaziridina, los picos de hidrógeno del grupo alquilo aparecen individualmente. Todos los detalles de los productos se proporcionan en el Archivo Suplementario 1 (espectros completos de RMN, pureza óptica y datos HRMS-MALDI).
Los datos espectrales restantes de RMN de los productos que se muestran en la Tabla 1 se incluyen en el Archivo Suplementario 1 (5a-c, 5e y 5g).

Figura 5: Datos espectrales para el espectro de RMN 1a: (A) 1H. (B) Espectro de RMN de 13C. Picos notables en el espectro de RMN 1H: Los picos a 6.56 y 6.38 ppm corresponden a los hidrógenos de alqueno entre la aziridina y el aldehído. Además, el pico a 9,47 ppm corresponde al aldehído hidrógeno. Esta figura está adaptada de Mao et al.28. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Datos espectrales para el espectro de RMN 2a: (A) 1H. (B) Espectro de RMN de 13C. Picos notables en el espectro de RMN 1H: El pico a 9.16 ppm indica que el aldehído permanece intacto. El pico a 1,48 ppm corresponde a los hidrógenos Boc. En comparación con los datos de espectro de 1a, los picos de hidrógeno de alqueno han desaparecido; Sin embargo, los picos de los hidrógenos de aziridina generados se detectan en el rango de 1.25-1.72 ppm. Esta figura está adaptada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: Datos espectrales para el espectro de RMN 3a: (A) 1H. (B) Espectro de RMN de 13C. Picos notables en el espectro de RMN 1 H: El pico a 1.42 ppm corresponde al hidrógeno del alcohol en el alcohol etílico adyacente a la aziridina, lo que indica que el aldehído en 2a se redujo a alcohol etílico. Además, los picos a 4.00 y 3.54 ppm representan los hidrógenos de metileno en el alcohol etílico. Esta figura está adaptada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8: Datos espectrales para el espectro de RMN 4a: (A) 1H. (B) Espectro de RMN de 13C. Picos notables en el espectro de RMN 1H: Los picos a 0,90 y 0,07 ppm corresponden a los hidrógenos TBS. Esta figura está adaptada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9: Datos espectrales para 5d: (A) espectro de RMN 1H. (B) Espectro de RMN de 13C. Picos notables en el espectro de RMN 1H: El pico a 2,13 ppm corresponde a los hidrógenos metílicos del acetato. Los picos a 4,43 y 4,15 ppm corresponden a los hidrógenos de metileno adyacentes al acetato, formados después de la apertura del anillo de aziridina por el ácido acético. Por lo tanto, los picos a 2.13, 3.11, 4.15 y 4.43 ppm son evidencia directa de la reacción de apertura del anillo. Esta figura está adaptada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 10: Datos espectrales para 5f: (A) espectro de RMN de 1H. (B) Espectro de RMN de 13C. Picos notables en el espectro de RMN 1H: El pico a 4.95 ppm corresponde al protón amina. El pico a 3,72 ppm corresponde al hidrógeno unido al carbono unido a la azida. Estos picos son evidencia directa de la apertura del anillo de la aziridina que lleva el grupo -Ts por N3ˉ nucleófilo. Esta figura está adaptada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 11: Datos espectrales para 5h: (A) espectro de RMN de 1H. (B) Espectro de RMN de 13C. Picos notables en el espectro de RMN 1 H: Los picos en 1.70, 1.99, 3.32, 3.45 y 3.65 ppm corresponden a los hidrógenos de pirrolidina. El pico del protón amina adyacente al grupo -Ts se superpone con otros grupos fenilo a 7,30 ppm. Estos picos demuestran la apertura del anillo y la hidrogenación de la bisaziridina y la posterior formación de nuevos compuestos cíclicos. Esta figura está adaptada de Rhee et al.52. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Archivo complementario 1: La estructura, los espectros de RMN, la pureza óptica y los datos HRMS-MALDI de los productos sintetizados. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Los autores no tienen nada que revelar.
Las bisaziridinas contiguas que contenían aziridinas no activadas y activadas se sintetizaron mediante aziridinaciones organocatalíticas asimétricas y luego se sometieron a reacciones quimioselectivas de apertura de anillo en condiciones ácidas o básicas. El anillo de aziridina no activado se abre con nucleófilos menos reactivos en condiciones ácidas, mientras que el anillo de aziridina activada se abre con nucleófilos más reactivos en condiciones básicas.
Esta investigación fue apoyada por la subvención del Instituto de Ciencias Básicas de Corea (Centro Nacional de Instalaciones y Equipos de Investigación) financiada por el Ministerio de Educación (2022R1A6C101A751). Este trabajo también fue apoyado por las subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) (2020R1A2C1007102 y 2021R1A5A6002803).
| (R)-(+)-α,α-difenil-2-pirrolidinemetanol trimetilsilil éter | Sigma-Aldrich | 677191 reactivo | |
| (R)-1-((R)-1-feniletil)aziridina-2-carbaldehído | Imagene Co., Ltd. | reactivo | |
| (S)-(–)-α,α-Difenil-2-pirrolidinémetanol trimetilsilil éter | Sigma-Aldrich | 677183 reactivo | |
| (S)-2-(difenil((trim etilsilil)oxi)metil)pirrolidina | Sigma-Aldrich | 677183 | reactivo |
| (Trifenilfosforanideno) acetaldehído | Sigma-Aldrich | reactivo | de280933 |
| 1,2-dicloroetano | Sigma-Aldrich | 284505 | disolvente |
| AB Sciex 4800 Plus MALDI TOFTM (matriz de ácido 2,5-dihidroxibenzoico (DHB) | Sciex | Espectros de masas de alta resolución | |
| Ácido acético | Reactivo Sigma-Aldrich | A6283 | |
| Cloruro de amonio | Sigma-Aldrich | 254134 | reactivo |
| anilina | Sigma-Aldrich | reactivo132934 | |
| Autopol III polarímetro digital | Rudolph Investigación Polarímetro analítico | ||
| AVANCE III HD (400 MHz) espectrómetro | BrukerRMN espectrómetro | Bruker | |
| Ascend 500 (500 MHz) | Bruker | espectrómetro de RMN | |
| Celite 535 | Sigma-Aldrich | 22138 | Para almohadilla Celite |
| Diclorometano | Sigma-Aldrich | 270997 | disolvente |
| Di-terc-butil dicarbonato | Sigma-Aldrich | reactivo | 361941 |
| Acetato de etilo | Sigma-Aldrich | 270989 | disolvente |
| Nitroacetato de etilo | Sigma-Aldrich | 192333 reactivo | |
| Imidazol | Sigma-Aldrich | I2399 | reactivo |
| INOVA 400WB (400 MHz) | Varian | espectrómetro de resonancia magnética | |
| nuclear JMS-700 | JEOL | High resolución espectros de masas | |
| Metanol | Sigma-Aldrich | 322415 | disolvente |
| N-Boc-O-tosilhidroxilamina | Sigma-Aldrich | reactivo | de 775037 |
| P-2000 | Polarímetro JASCO | ||
| Hidróxido de paladio sobre carbono | Sigma-Aldrich | reactivo | de 212911 |
| Fenil-1H-tetrazol-5-tiol | Reactivo TCI | P0640 | |
| Gel de sílice | Sigma-Aldrich | 227196 | Para clromatografía flash |
| Gel de sílice en placas TLC Placa | TLC Merck | 60768 | |
| Acetato de sodio | Reactivo Sigma-Aldrich | S8750 | |
| Azida de sodio | Reactivo Sigma-Aldrich | S2002 | |
| Borohidruro de sodio | Reactivo | ||
| de 452882 Sigma-AldrichCarbonato de sodio | Sigma-Aldrich | S2127 | reactivo |
| terc-Butildimetilsililo cloruro | Sigma-Aldrich | 190500 | |
| Tetrahidrofurano | Sigma-Aldrich | 401757 | disolvente |
| Toluene | Sigma-Aldrich | 244511 | Bromuro |
| de zinc | Sigma-Aldrich Reactivo 230022 Sigma-Aldrich | ||
| Cloruro de zinc | Reactivo Sigma-Aldrich | 429430 |