Artykuł metodologiczny

Łatwy dostęp do alifatycznych sulfonamidów przy użyciu chlorków sulfamoylu w aktywacji światłem widzialnym

2.2K wyświetleń

DOI:

10.3791/61384

28 lipca 2020

W tym artykule

Podsumowanie

Prezentowany tutaj jest protokół łatwej syntezy alifatycznych sulfonamidów przy użyciu chlorków sulfamoylu, (TMS)3SiH i Eozyny Y pod wpływem promieniowania światłem niebieskim.

Streszczenie

Sulfonamidy są dominującymi motywami w sprzedawanych lekach i produktach naturalnych. Ich synteza cieszy się dużym zainteresowaniem przemysłu farmaceutycznego ze względu na ich unikalne właściwości biologiczne. Ostatnio opracowano kilka metod syntezy sulfonamidów arylowych, ale niewiele wysiłku skupiono na opracowaniu jednoetapowych metodologii dostępu do sulfonamidów otoczonych dwiema grupami alkilowymi. Protokół ten opisuje praktyczną i łatwą metodę hydrosulfamoylacji netto alkenów z niedoborem elektronów przy użyciu chlorków sulfamoylu jako prekursorów rodników pod aktywacją światłem niebieskim. Ta praktyczna i ekonomiczna metodologia jest przeprowadzana w obecności niezawierającego metalu fotokatalizatora Eozyny Y i wykorzystuje światło jako czyste i bezśladowe źródło energii. Procedura jest skalowalna, wykazuje szeroką tolerancję grupy funkcyjnej i może być stosowana do funkcjonalizacji na późnym etapie. Wszystkie odczynniki użyte w tym protokole są dostępne w handlu. Prosta konfiguracja reakcji, brak pracy i łatwe oczyszczanie pokazują wygodę tego protokołu. Reakcję najlepiej zastosować do alkenów z niedoborem elektronów.

Wprowadzenie

W ciągu ostatnich dziesięcioleci, sulfonamidy pojawiały się w szerokim zakresie biologicznie aktywnych cząsteczek i są częstym motywem w farmaceutykach i agrochemikaliach1,2. Początkowo stosowany do celów przeciwbakteryjnych3,4, zastosowanie tego motywu w odkrywaniu leków zostało rozszerzone na liczne choroby, w tym raka, zaburzenia OUN, cukrzycę, demencję i HIV5,6,7,8,9,10, 11. Sulfonamidy wyróżniają się jako metabolicznie stabilne bioizostery kwasów karboksylowych i karboksyamidów, przy czym N-H pKa jest przestrajany przez różne wzorce podstawiania12,13,14,15.

Tradycyjnie, sulfonamidy są syntetyzowane przez podstawienie chlorku sulfonylu przez aminę16,17. Synteza chlorków sulfonylu często opiera się na wieloetapowej procedurze z wykorzystaniem trudnych warunków, takich jak silne utleniacze. Podczas gdy opracowano łagodniejsze jednoetapowe protokoły instalacji półproduktów chlorku sulfonylu18,19, projekt jednoetapowej transformacji w celu uzyskania dostępu do sulfonamidów jest wysoce pożądany.

W ostatnich dziesięcioleciach opracowano potężne strategie syntezy (hetero)arylowych sulfonamidów, przy użyciu metali przejściowych, katalizy fotoredoks lub katalizatorów organicznych20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34. Niemniej jednak jednoetapowa synteza analogów alifatycznych pozostaje niedostatecznie zbadana35,36,37,38,39,40. Godnym uwagi wyjątkiem jest elektrochemiczne sprzężenie oksydacyjne amin i tioli, zgłoszone przez Noëla i współpracowników41. Interesowała nas komplementarna strategia funkcjonalizacji na późnym etapie, pozwalająca na bezpośrednie przyłączanie dostępnych na rynku chlorków sulfamoylu do niedrogich olefin, aby uzyskać produkty hydrosulfamoylacji netto pod aktywacją światłem widzialnym. W szczególności proces ten wymaga generowanego in situ rodnika sulfamoylowego i odpowiedniego donora atomów wodoru.

Wstępne badania wykazały, że bezpośrednia redukcja pojedynczego elektronu chlorku N,N-dimetylosulfamoilu (Eczerwony = -1,59 V w porównaniu z nasyconą elektrodą kalomelową (SCE) w MeCN)42 jest trudniejsza niż dla chlorku metanosulfonylu (Ered = -1,30 V w porównaniu z SCE w MeCN)43, co jest obserwacją zachęcającą do zidentyfikowania alternatywnego sposobu aktywacji w celu wytworzenia rodników sulfamoylowych. Zainspirowani pracą Chatgilialoglu z 1988 roku44, wierzyliśmy, że tris(trimetylosililo)silan może działać zarówno jako źródło rodników sililowych zdolne do aktywacji chlorków sulfamoylu, jak i jako donor atomów wodoru. Naświetlanie światłem niebieskim jest niezbędne do przebiegu tej reakcji, podczas gdy Eozyna Y jest korzystna, ale nie niezbędna.

Ta praktyczna i opłacalna jednoetapowa metoda toleruje liczne grupy funkcyjne, umożliwiając tym samym dostęp do szerokiej gamy nowych alkilosulfonamidów, w tym kompleksu sulfonamidów zawierających cyklobutyl-spirooksydodole, które są cennymi elementami budulcowymi dla odkrywania leków. W ramach wyzwań stojących przed branżami dążącymi do uniknięcia skomplikowanych, nadmiernie zaprojektowanych i kosztownych procesów, transformacja ta nie jest wrażliwa na tlen ani wilgoć, wykorzystuje fotokatalizator niezawierający metalu i jest prosta w obsłudze. Co więcej, wykorzystanie niebieskiego światła jako inicjatora tej przemiany chemicznej sprawia, że protokół ten jest ekologiczny i zrównoważony.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

UWAGA: Wszystkie chemikalia używane w tym protokole muszą być traktowane ostrożnie. Prosimy o uważne zapoznanie się z kartami charakterystyki substancji niebezpiecznych (MSDS) rozpuszczalników i odczynników stosowanych w niniejszym protokole. (TMS)3Wykazano, że SiH, chlorek dimetylosulfamoilu, MeCN, EtOAc i krzemionka są toksyczne,, drażniące, rakotwórcze i łatwopalne. Standardowe środki bezpieczeństwa w laboratorium są istotne dla obchodzenia się z tymi chemikaliami. Wszystkie manipulacje muszą być wykonywane w wentylowanym laboratoryjnym dygestoriach i obowiązkowe jest stosowanie odpowiednich środków ochrony osobistej (PPE), w tym fartucha laboratoryjnego, okularów ochronnych i rękawic nitrylowych.

1. Hydrosulfamoylacja alkenów z niedoborem elektronów

  1. Dodaj mieszadło magnetyczne do fiolki o pojemności 7 ml.
  2. Odważyć 73,5 mg N-fenyloakrylamidu (0,50 mmol, odpowiednik 1,0) i 1,7 mg fotokatalizatora eozyny Y (0,0025 mmol, 0,5 mol%) i dodać oba do tej samej fiolki.
  3. Kolejno dodać 3,0 ml MeCN, 309 μl (TMS)3SiH (1,0 mmol, 2,0 ekwiwalent) i 134 μl chlorku N,N-dimetylosulfamoilu (1,25 mmol, 2,5 ekwiwalent) za pomocą strzykawki. Zakręcić fiolkę zakrętką.
  4. Umieść fiolkę w fotopudełku wyposażonym w niebieską lampę LED o mocy 18 W (λ = 450 nm) i wentylator.
  5. Energicznie mieszać emulsję z prędkością 1 000 obr./min przez 4 godziny.

2. Monitorowanie konwersji materiału wyjściowego za pomocą chromatografii cienkowarstwowej (TLC)

  1. Rozpuścić 1 mg N-fenyloakrylamidu w 1 ml dichlorometanu (DCM). Pobrać próbkę tego roztworu na płytce TLC (lewe i środkowe miejsce).
  2. Pobrać próbkę 50 μl podwielokrotności mieszaniny reakcyjnej i przenieść ją do fiolki o pojemności 1,5 ml zawierającej 50 μl DCM. Pobrać próbkę tego roztworu na płytkę TLC (środkowe i prawe miejsce).
  3. Dodać mieszaninę rozpuszczalników pentanu i octanu etylu (eluent: 80/20 pentan/octan etylu) do komory TLC.
  4. Uruchom płytkę TLC w komorze tak, aż czoło rozpuszczalnika znajdzie się w odległości 0,5 cm od górnej części płytki.
  5. Wyjąć płytkę z komory, wysuszyć ją pod powietrzem i wystawić na działanie światła UV (λ = 254 nm) pod lampą (wartości Rf: Materiał wyjściowy = 0,4; Iloczyn = 0,2).

3. Praca i oczyszczanie

  1. Przenieść mieszaninę reakcyjną do kolby okrągłodennej o pojemności 25 ml i zagęścić mieszaninę pod zmniejszonym ciśnieniem za pomocą wyparki obrotowej (150 obr./min; do 20 mbar) wyposażonej w łaźnię wodną, podgrzaną do temperatury 40 °C w celu otrzymania ropy naftowej.
  2. Kondycjonować kolumnę krzemionkową (wielkość porów 60 A, wielkość cząstek siatki 230–400, 12 g), przepuszczając 60 ml pentanu przez kolumnę za pomocą strzykawki.
  3. Rozcieńczyć ropę naftową w 2 ml DCM i przenieść roztwór na kolumnę.
  4. Przeprowadzić elucję gradientową na zautomatyzowanej kolumnie (EtOAc w pentanie od 0/100 do 100/0 przez 20 minut) i monitorować za pomocą UV-VIS (254 nm) w celu elucji związków.
  5. Zebrać frakcje w probówkach i monitorować zebrane frakcje za pomocą TLC (patrz punkt 2).
  6. Próbka podwielokrotności zebranych frakcji na płytce TLC.
  7. Uruchomić płytkę TLC w komorze, aż czoło rozpuszczalnika prawie dotrze do górnej części płytki i porównać wartości Rf (patrz krok 2.5).
  8. Zebrać pożądane frakcje zgodnie z analizą TLC i stężyć roztwór pod zmniejszonym ciśnieniem na wyparce obrotowej (150 obr./min; mniej niż 20 mbar) wyposażonej w łaźnię wodną podgrzaną do temperatury 40 °C.
  9. Rozpuścić 5 mg produktu w 0,6 ml CDCl3 i dodać ten roztwór do probówki do spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR).
  10. Uruchom 1 H NMR i 13C NMR i porównaj widma z informacjami wymienionymi poniżej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Sekwencja wytworzyła pożądany produkt hydrosulfamoylowany z wydajnością 83% (106 mg, 0,41 mmol) w postaci białawego ciała stałego. Strukturę i czystość można ocenić za pomocą widm 1H i 13C NMR (Rysunek 1, Rysunek 2). Dokładniej rzecz ujmując, w 1 H i 13C NMR zanik dwóch charakterystycznych pików alkenowych i pojawienie się dwóch pików alifatycznych są charakterystyczne dla dodania chlorku N,N-dimetylosulfamoilu do alkenu. Spektro...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Ten prosty w obsłudze protokół wykorzystuje dostępne na rynku podłoża. Atmosfera azotu, jak również surowe warunki wolne od wody nie są wymagane, aby reakcja przebiegała z wysoką wydajnością, co świadczy o łatwości tego protokołu. Reakcje te często zachodzą w ciągu 4 godzin w temperaturze pokojowej, chociaż niektóre mniej reaktywne chlorki sulfamoilu wymagały dodatkowego czasu.

Brak konieczności dopracowywania i łatwość etapu oczyszczania za pomocą chromatografii kolumnowej krzemionki sprawiaj...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ten projekt otrzymał dofinansowanie z programu Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań i innowacji w ramach umowy grantowej nr 721902 Marie Skłodowska-Curie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AcetonitrylSigma Aldrich34851do HPLC, ≥ 99,9%
Biotage#
Czarne polipropylenowe nakrętkiFisherbrand
15394789-Niebieska LEDHepatoChemP201-18-2 450 nm 18W-Rurka
kapilarnaSigma AldrichZ114960objętość 5-25 i mikro; L
Eosin YSigma AldrichE4009Zawartość barwnika ~ 99 %
EtOAcSigma Aldrich34858do HPLC, ≥ 99,7%
GraceResolv LOK flash cartridgeGrace5171343
Mieszadło magnetyczneBiotage
355543-N,N-dimetylosulfamoilu chlorekSigma Aldrich
domowej roboty--
PentanSigma Aldrich34956do HPLC, ≥ 99.0%
Photoredox BoxHepatoChemHCK1006-01-016-TLC
Żel krzemionkowy 60 F254Merck105554blachy aluminiowe 20 x 20 cm
Tris(trimetylosililo)silanCombi-BlocksQF-2110-Uchwyt
na fiolkęHepatoChemHCK1006-01-020-Szklana
śruba do fiolki 7mlSamcoT101/V3-
D186252-N-fenyloakryloamid

Bibliografia

  1. Feng, M., Tang, B., Liang, S. H., Jiang, X. Sulfur Containing Scaffolds in Drugs: Synthesis and Application in Medicinal Chemistry. Current Topics in Medicinal Chemistry. 16, 1200-1216 (2016).
  2. Drews, J. Drug discovery: a historical perspective. Science. 287, 1960-1964 (2000).
  3. Wainwright, M., Kristiansen, J. E. On the 75th anniversary of Prontosil. Dyes Pigments. 88, 231-234 (2011).
  4. Zaffiri, L., Gardner, J., Toledo-Pereyra, L. H. History of antibiotics. From Salvarsan to Cephalosporins. Journal of Investigative Surgery. 25, 67-77 (2012).
  5. Casini, A., Scozzafava, A., Mastrolorenzo, A., Supuran, C. T. Sulfonamides and Sulfonylated Derivatives as Anticancer Agents. Current Cancer Drug Targets. 2, 55-75 (2002).
  6. Shah, S. A., Rivera, G., Ashfaq, M. Recent Advances in Medicinal Chemistry of Sulfonamides. Rational Design as Anti-Tumoral, Anti-Bacterial and Anti-Inflammatory Agents. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. 13, 70-86 (2013).
  7. Smith, B. R., Eastman, C. M., Njardarson, J. T. Beyond C, H, O, and N! Analysis of the Elemental Composition of U.S. FDA Approved Drug Architectures. Journal of Medicinal Chemistry. 57, 9764-9773 (2014).
  8. Ilardi, E. A., Vitaku, E., Njardarson, J. T. Data-Mining for Sulfur and Fluorine: An Evaluation of Pharmaceuticals to Reveal Opportunities for Drug Design and Discovery. Journal of Medicinal Chemistry. 57, 2832-2842 (2014).
  9. Bag, S., et al. Sulfonamides as multifunctional agents for Alzheimer's disease. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 25, 626-630 (2015).
  10. Gao, H. D., Liu, P., Yang, Y., Gao, F. Sulfonamide-1,3,5-triazine–thiazoles: discovery of a novel class of antidiabetic agents via inhibition of DPP-4. RSC Advances. 6, 83438-83447 (2016).
  11. Apaydın, S., Török, M. Sulfonamide derivatives as multi-target agents for complex diseases. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 29, 2042-2050 (2019).
  12. Pinter, T., Jana, S., Courtemanche, R. J. M., Hof, F. Recognition Properties of Carboxylic Acid Bioisosteres: Anion Binding by Tetrazoles, Aryl Sulfonamides, and Acyl Sulfonamides on a Calix[4]arene Scaffold. The Journal of Organic Chemistry. 76, 3733-3741 (2011).
  13. Ballatore, C., Huryn, D. M., Smith, A. B. III Carboxylic Acid (Bio)Isosteres in Drug Design. ChemMedChem. 8, 385-395 (2013).
  14. Lassalas, P., et al. Structure Property Relationships of Carboxylic Acid Isosteres. Journal of Medicinal Chemistry. 59, 3183-3203 (2016).
  15. Şanli, N., Şanli, S., Özkan, G., Denizlic, A. Determination of pKa values of some sulfonamides by LC and LC-PDA methods in acetonitrile-water binary mixtures. Journal of the Brazilian Chemical Society. 21, 1952-1960 (2010).
  16. Bahrami, K., Khodaei, M. M., Soheilizad, M. Direct Conversion of Thiols to Sulfonyl Chlorides and Sulfonamides. The Journal of Organic Chemistry. 74, 9287-9291 (2009).
  17. Veisi, H., Ghorbani-Vaghei, R., Hemmati, S., Mahmoodi, J. Convenient One-Pot Synthesis of Sulfonamides and Sulfonyl Azides from Thiols Using N-Chlorosuccinimide. Synlett. 16, 2315-2320 (2011).
  18. Rawner, T., Knorn, M., Lutsker, E., Hossain, A., Reiser, O. Synthesis of Trifluoromethylated Sultones from Alkenols Using a Copper Photoredox Catalyst. The Journal of Organic Chemistry. 81, 7139-7147 (2016).
  19. Bagal, D. B., et al. Trifluoromethylchlorosulfonylation of Alkenes:Evidence for an Inner-Sphere Mechanism by a Copper Phenanthroline Photoredox Catalyst. Angewandte Chemie International Edition. 54, 6999(2015).
  20. Yin, J., Buchwald, S. L. Palladium-Catalyzed Intermolecular Coupling of Aryl Halides and Amides. Organic Letters. 2, 1101-1104 (2000).
  21. Burton, G., Cao, P., Li, G., Rivero, R. Palladium-Catalyzed Intermolecular Coupling of Aryl Chlorides and Sulfonamides under Microwave Irradiation. Organic Letters. 5, 4373-4376 (2003).
  22. Shaabani, A., Soleimani, E., Rezayan, A. H. A novel approach for the synthesis of alkyl and aryl sulfonamides. Tetrahedron Letters. 48, 2185-2188 (2007).
  23. Baffoe, J., Hoe, M. Y., Touré, B. B. Copper-Mediated N-Heteroarylation of Primary Sulfonamides: Synthesis of Mono-N-heteroaryl Sulfonamides. Organic Letters. 12, 1532-1535 (2010).
  24. DeBergh, J. R., Niljianskul, N., Buchwald, S. L. Synthesis of Aryl Sulfonamides via Palladium-Catalyzed Chlorosulfonylation of Arylboronic Acids. Journal of the American Chemical Society. 135, 10638-10641 (2013).
  25. Yang, B., et al. Synthesis of N-arylsulfonamides through a Pd-catalyzed reduction coupling reaction of nitroarenes with sodium arylsulfinates. Organic & Biomolecular Chemistry. 16, 8150-8154 (2018).
  26. Chen, Y., Murray, P. R. D., Davies, A. T., Willis, M. C. Direct Copper-Catalyzed Three-Component Synthesis of Sulfonamides. Journal of the American Chemical Society. 140, 8781-8787 (2018).
  27. Kim, T., McCarver, S. J., Lee, C., MacMillan, D. W. C. Sulfonamidation of Aryl and Heteroaryl Halides through Photosensitized Nickel Catalysis. Angewandte Chemie International Edition. 57, 3488-3492 (2018).
  28. Chan, W. Y., Berthelette, C. A mild, efficient method for the synthesis of aromatic and aliphatic sulfonamides. Tetrahedron Letters. 43, 4537-4540 (2002).
  29. 1-Sulphonyl piperidine derivatives. , WO 2004/024698A1 (2004).
  30. Hydroxamic acid derivatives as metalloprotease inhibitors. , WO 2005/117882A2 (2005).
  31. C5-c6 oxacyclic-fused thiadiazine dioxide compounds as BACE inhibitors, compositions, and their use. , WO 2012/138734A1 (2012).
  32. Joyard, Y., Papamicaël, C., Bohn, P., Bischoff, L. Synthesis of Sulfonic Acid Derivatives by Oxidative Deprotection of Thiols Using tert-Butyl Hypochlorite. Organic Letters. 15, 2294-2297 (2013).
  33. Shavnya, A., Coffey, S. B., Hesp, K. D., Ross, S. C., Tsai, A. S. Reaction of Alkyl Halides with Rongalite: One-Pot and Telescoped Syntheses of Aliphatic Sulfonamides, Sulfonyl Fluorides, and Unsymmetrical Sulfones. Organic Letters. 18, 5848-5851 (2016).
  34. Wang, M., Fan, Q., Jiang, X. Metal-free construction of primary sulfonamides through three diverse salts. Green Chemistry. 20, 5469-5473 (2018).
  35. Wallentin, C. J., Nguyen, J. D., Finkbeiner, P., Stephenson, C. R. J. Visible Light-Mediated Atom Transfer Radical Addition via Oxidative and Reductive Quenching of Photocatalysts. Journal of the American Chemical Society. 134, 8875-8884 (2012).
  36. Jiang, H., Cheng, Y., Zhang, Y., Yu, S. Sulfonation and Trifluoromethylation of Enol Acetates with Sulfonyl Chlorides Using Visible-Light Photoredox Catalysis. European Journal of Organic Chemistry. 24, 5485-5492 (2013).
  37. Liu, X., Cong, T., Liu, P., Sun, P. Visible light-promoted synthesis of 4-(sulfonylmethyl)isoquinoline-1,3(2H,4H)-diones via a tandem radical cyclization and sulfonylation reaction. Organic & Biomolecular Chemistry. 14, 9416-9422 (2016).
  38. Pagire, S. K., Paria, S., Reiser, O. Synthesis of β-Hydroxysulfones from Sulfonyl Chlorides and Alkenes Utilizing Visible Light Photocatalytic Sequences. Organic Letters. 18, 2106-2109 (2016).
  39. Alkan-Zambada, M., Hu, X. Cu-Catalyzed Photoredox Chlorosulfonation of Alkenes and Alkynes. The Journal of Organic Chemistry. 84, 4525-4533 (2019).
  40. Luo, Q., Mao, R., Zhu, Y., Wang, Y. Photoredox-Catalyzed Generation of Sulfamyl Radicals: Sulfonamidation of Enol Silyl Ether with Chlorosulfonamide. The Journal of Organic Chemistry. 84, 13897-13907 (2019).
  41. Laudadio, G., et al. Sulfonamide Synthesis through Electrochemical Oxidative Coupling of Amines and Thiols. Journal of the American Chemical Society. 141, 5664-5668 (2019).
  42. Hell, S. M., et al. Silyl Radical-Mediated Activation of Sulfamoyl Chlorides Enables Direct Access to Aliphatic Sulfonamides from Alkenes. Journal of the American Chemical Society. 142, (2020).
  43. Ignat’ev, N., Kucherina, A., Sartori, P. Comparative Electrochemical Fluorination of Ethanesulfonyl Chloride and Fluoride. Acta Chemica Scandinavica. 53, 1110-1116 (1999).
  44. Chatgilialoglu, C., Griller, D., Rossini, S. Amino- and Alkoxysulfonyl Radicals. The Journal of Organic Chemistry. 54, 2734-2737 (1989).
  45. Hell, S. M., et al. Hydrosulfonylation of Alkenes with Sulfonyl Chlorides under Visible Light Activation. Angewandte Chemie International Edition. 59, 11620-11626 (2020).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Alkeny ubogie w elektronybezmetalowy fotokatalizatorEozyna Yfunkcjonalizacja na p nym etapietolerancja grup funkcyjnychskalowalna syntezahydrosulfamoilowanie
Film wkrótce dostępny

Powiązane artykuły