Het huidige protocol beschrijft een gedetailleerde benchtop-katalytische methode die een uniek geboryleerd derivaat van ibuprofen oplevert.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Het huidige protocol beschrijft een gedetailleerde benchtop-katalytische methode die een uniek geboryleerd derivaat van ibuprofen oplevert.
Niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen (NSAID's) behoren tot de meest voorkomende geneesmiddelen die worden gebruikt om pijn en ontsteking te beheersen en te behandelen. In 2016 werd een nieuwe klasse van borium gefunctionaliseerde NSAID's (bora-NSAID's) gesynthetiseerd onder milde omstandigheden via de koper-gekatalyseerde regioselectieve boracarboxylering van vinyl arenen met behulp van koolstofdioxide (CO2-ballon) en een diboron-reductiemiddel bij kamertemperatuur. Deze oorspronkelijke methode werd voornamelijk uitgevoerd in een dashboardkastje of met een vacuümguitstuk (Schlenk-lijn) onder strenge lucht- en vochtvrije omstandigheden, wat vaak leidde tot onherleidbare reactieresultaten als gevolg van sporenonzuiverheden. Het huidige protocol beschrijft een eenvoudigere en handigere benchtop-methode voor het synthetiseren van een representatieve bora-NSAID, bora-ibuprofen. Een Suzuki-Miyaura kruiskoppelingsreactie tussen 1-broom-4-isobutylbenzeen en vinylboronzuur pinacol-ester produceert 4-isobutylstyreen. Het styreen wordt vervolgens regioselectief boracarboxyleerd om bora-ibuprofen, een α-aryl-β-borylpropionzuur, te voorzien van een goede opbrengst op een schaal van meerdere grammen. Deze procedure maakt het bredere gebruik van kopergekatalyseerde boracarboxylatie in synthetische laboratoria mogelijk, waardoor verder onderzoek naar bora-NSAID's en andere unieke boor-gefunctionaliseerde medicijnachtige moleculen mogelijk wordt.
Organoboronverbindingen worden al meer dan 50 jaar strategisch gebruikt in de chemische synthese 1,2,3,4,5,6. Reacties zoals hydroboratie-oxidatie 7,8,9,10, halogenatie 11,12, aminatie 13,14 en Suzuki-Miyaura kruiskoppeling 15,16,17 hebben geleid tot belangrijke multidisciplinaire innovaties in de chemie en aanverwante disciplines. De Suzuki-Miyaura-reacties zijn bijvoorbeeld goed voor 40% van alle koolstof-koolstofbindingsreacties in het streven naar kandidaat-farmaceutische geneesmiddelen18. De Suzuki-Miyaura kruiskoppelingsreactie produceert vinyl arenen in één stap van de gehalogeneerde arene voorloper19. Deze groenere katalytische strategie is waardevol ten opzichte van traditionele Wittig-syntheses uit aldehyden die een slechte atoomeconomie hebben en een stoichiometrisch trifenylfosfineoxide-bijproduct produceren.
Er werd voorspeld dat een regioselectieve hetero(element)carboxylering van vinylarenen directe toegang zou bieden tot nieuwe hetero(element)-bevattende niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen (NSAID's), waarbij CO2 direct in de synthese zou worden gebruikt. Hetero(element)carboxyleringsreacties waren echter uiterst zeldzaam en waren beperkt tot alkynyl- en allenylsubstraten vóór 201620,21,22. De uitbreiding van de boracarboxylatiereactie naar vinylarenen zou borium-gefunctionaliseerde NSAID's opleveren, en op borium gebaseerde farmaceutische kandidaten (figuur 1) hebben aan populariteit gewonnen, zoals blijkt uit recente beslissingen van de FDA om de chemotherapeutische bortezomib, de antischimmel tavaborole en de ontstekingsremmende crisaborole goed te keuren. De Lewiszuurgraad van boor is interessant vanuit het oogpunt van medicijnontwerp vanwege het vermogen om Lewisbasen gemakkelijk te binden, zoals diolen, hydroxylgroepen op koolhydraten of stikstofbasen in RNA en DNA, omdat deze Lewis-basen een belangrijke rol spelen in fysiologische en pathologische processen23.
Deze katalytische benadering van boracarboxylatie is gebaseerd op borylcupratie van het alkeen door een Cu-boryl-tussenproduct, gevolgd door CO2-insertie in het resulterende Cu-alkylintermediair. Laitar et al. rapporteerden de borylcupratie van styreenderivaten door het gebruik van (NHC)Cu-boryl24, en de carboxylering van Cu-alkylsoorten is ook aangetoond25. In 2016 ontwikkelde het Popp-lab een nieuwe synthetische aanpak om milde difunctionalisatie van vinylarenen te bereiken met behulp van een (NHC) Cu-borylkatalysator en slechts 1 atm gasvormig CO226. Met behulp van deze methode wordt de farmacofoor van het α-arylpropionzuur in één stap benaderd en kan een nieuwe onontgonnen klasse van boorgemodificeerde NSAID's worden bereid met een uitstekende opbrengst. In 2019 verbeterden katalytische additieven de katalysatorefficiëntie en verbreedden ze de reikwijdte van het substraat, inclusief de bereiding van nog eens twee nieuwe geboryleerde NSAID's27 (figuur 1).
Eerdere boracarboxyleringsreacties van alkenen konden alleen worden bereikt onder strenge lucht- en vochtvrije omstandigheden met behulp van een geïsoleerde N-heterocyclisch-carbeen-geligeerde koper(I)-prekatalysator (NHC-Cu; NHC = 1,3-bis(cyclohexyl)-1,3-dihydro-2 H-imidazol-2-ylideen, ICy). Een benchtop-methode waarbij geboryleerd ibuprofen kan worden gesynthetiseerd met behulp van eenvoudige reagentia zou wenselijker zijn voor de synthetische gemeenschap, wat ons ertoe aanzet reactieomstandigheden te ontwikkelen die de boracarboxylering van vinylarenen, met name 4-isobutylstyreen, mogelijk maken om voort te gaan van de in situ generatie van een NHC-Cu-prekatalysator en zonder de noodzaak van een dashboardkastje. Onlangs werd een boracarboxyleringsprotocol gemeld met behulp van imidazoliumzouten en koper(I)-chloride om in situ een actieve NHC-geligeerde koper(I)katalysatorte genereren 28. Met behulp van deze methode werd α-methylstyreen geboracarboxyleerd om een geïsoleerde opbrengst van 71% van het gewenste product te geven, zij het met behulp van een dashboardkastje. Geïnspireerd door dit resultaat werd een aangepaste procedure bedacht om tert-butylstyreen te boracarboxyleren zonder gebruik te maken van een met stikstof gevuld dashboardkastje. Het gewenste boracarboxylated tert-butylstyreen product werd geproduceerd met 90% opbrengst op een schaal van 1,5 g. Gelukkig kan deze methode worden toegepast op 4-isobutylstyreen om een bora-ibuprofen NSAID-derivaat met matige opbrengst te produceren. De farmacofoor met α-arylpropionzuur is het kernmotief onder NSAID's; Daarom zijn synthetische strategieën die directe toegang tot dit motief mogelijk maken, zeer wenselijke chemische transformaties. Hierin wordt een synthetische route gepresenteerd om toegang te krijgen tot een uniek bora-ibuprofen NSAID-derivaat uit een overvloedig, goedkoop 1-broom-4-isobutylbenzeenuitgangsmateriaal (~ $ 2,50 / 1 g) met matige opbrengst in twee stappen, zonder de noodzaak van een dashboardkastje.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Synthese van 4-isobutylstyreen door Suzuki-kruiskoppeling van 1-broom-4-isobutylbenzeen met vinylboronzuur pinacolester
2. Grootschalige synthese van bora-ibuprofen in een dashboardkastje
OPMERKING: Deze reactie werd voorbereid in een met stikstof gevuld dashboardkastje (zie de tabel met materialen). Alle chemicaliën werden gedroogd of gezuiverd voordat ze in de doos werden geplaatst. Het 4-isobutylstyreen werd vriezen-pomp-ontdooid voor gebruik. Alle injectieflacons en glaswerk werden vóór gebruik gedurende ten minste 24 uur gedroogd en verwarmd in een oven (180 °C). De koperen prekatalysator (ICyCuCl) werd bereid volgens een eerder gepubliceerd rapport29.
3. Benchtop grootschalige synthese van bora-ibuprofen
OPMERKING: Deze reactieprocedure werd uitgevoerd zonder gebruik te maken van een met stikstof gevuld dashboardkastje. Alle chemicaliën werden gebruikt zoals ontvangen of gesynthetiseerd zonder verdere zuivering (drogen, destilleren, enz.). Alle injectieflacons en glaswerk werden vóór gebruik gedurende ten minste 24 uur in een oven (180 °C) gedroogd en verwarmd en onder argon afgekoeld tot kamertemperatuur onmiddellijk vóór de reactie-instelling.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het 4-isobutylstyreen werd gekenmerkt door 1 H en 13C NMR spectroscopie. De bora-ibuprofen werd gekenmerkt door 1H, 13C en 11B NMR-spectroscopie om de productstructuur te bevestigen en de zuiverheid te beoordelen. De belangrijkste gegevens voor deze verbindingen worden in deze sectie beschreven.
De spectrale gegevens komen goed overeen met de structuur van 4-isobutylstyreen (1) (figuu...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het 4-isobutylstyreen (1) werd efficiënt verkregen via een Suzuki-kruiskoppelingsreactie uit goedkope, in de handel verkrijgbare 1-broom-4-isobutylbenzeen en vinylboronzuur pinacolester. In vergelijking met de Wittig-benadering maakt deze reactie de productie van het gewenste styreen op een milieuvriendelijkere manier en met een betere atoomeconomie mogelijk. Reactiemonitoring via TLC was cruciaal om volledige conversie van het 1-broom-4-isobutylbenzeensubstraat te garanderen, omdat rea...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen te hebben.
We willen graag de National Science Foundation CAREER and MRI-programma's (CHE-1752986 en CHE-1228336), het West Virginia University Honors EXCEL Thesis Program (ASS & ACR), de West Virginia University Research Apprenticeship (RAP) en Summer Undergraduate Research Experience (SURE) -programma's (ACR) en de Brodie-familie (Don en Linda Brodie Resource Fund for Innovation) bedanken voor hun genereuze steun aan dit onderzoek.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 125 mL filtratiekolf | ChemGlass | ||
| 20 mL flacon met drukontlastingsdop | ChemGlass | ||
| 4-isobutylbroombenzeen | Matrix scientific | 8824 | |
| Watervrij kaliumcarbonaat | Beantown chemicals | 124060 | |
| Watervrij natriumsulfaat | Oakwood | 44702 | |
| Bis(pinacolato)diboron | Boron Molecular chemicals | BM002 | |
| Buchner trechter met rubberadapter | ChemGlass | ||
| Kooldioxidegas (Botdroog) | Mateson | Tygon buis verbindt cilinderregelaar met naald gebruikt voor reactie purgen | |
| KOPER(I) CHLORIDE, REAGENT GRADE, 97% | Aldrich | 212946 | |
| Dichloormethaan - hoge zuiverheid | Fisher | D37-20 | |
| Di-ethylether - hoge zuiverheid | Fisher | E138-20 | |
| Erlenmyer kolf, 125 mL | ChemGlass | CG-8496-125 | |
| filterpapier | Fisher | ||
| Heptaan | Fisher | H360-4 | |
| Zoutzuur | Fisher | AC124635001 | |
| IKA roerende hotplate | Fisher | 3810001 RCT Basic MAG | |
| Met stikstof gevulde handschoenenkast | MBRAUN | ||
| Palladium(0) tetrakistrifenylfosfine | Ark Pharm | ||
| SilicaFlash P60 silicagel | SiliCycle | R12030B | |
| Natriumbicarbonaat | Fisher | S233-3 | |
| Natrium tert-butoxide | Fisher | A1994222 | |
| Tetrahydrofuraan - hoge zuiverheid | Fisher | T425SK-4 | Gedroogd op een GlassContours oplosmiddelzuiveringssysteem |
| Trifenylfosfine | Sigma | T84409 | |
| Vacuum/gas manifold | Gebaten voor handschoenenkast boracarboxylatie reactie opstelling | ||
| Vinylboorzuur pinacolester | Oxchem |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.