Природные продукты, содержащие фосфор, играют разнообразную и незаменимую роль в природе, с широким значением в экологии, сельском хозяйстве, медицине и промышленности1. Фосфор является важным элементом в живых системах и широко присутствует в биомакромолекулах, таких как ДНК, РНК иАТФ-2. Структурное разнообразие фосфорсодержащих соединений лежит в основе их центральных функций в клеточном метаболизме, передаче сигналов и передаче энергии3.
Внутри экосистем фосфорсодержащие природные продукты (например, фосфолипиды и нуклеотиды) поддерживают рост, размножение и реакцию организмов на изменения окружающей среды, тем самым составляя фундаментальную основу жизненных процессов. Фосфорсодержащие соединения широко используются как эффективные гербициды. Они способствуют улучшению урожайности и качества урожая, а также помогают удовлетворить потребности растущего населения мира. Глифосат — репрезентативныйпример 4,5. Эти соединения широко распространены среди природных организмов, включая растения, животных, грибов и бактерии, и служат важными источниками фосфора в различныхэкосистемах 6.
Отличительной чертой фосфонатов является углеродно-фосфорная (P-C) связь. Эта кость значительно более стабильна, чем связь P-O в обычных фосфатных эфирах. В результате метаболиты, содержащие фосфонаты, сохраняются в условиях, которые легко гидролизируют фосфатные эфиры и остаются активными в широком спектре биохимическихпроцессов 7,8,9. Например, 2-аминоэтилфосфоновая кислота стала первым натуральным продуктом, идентифицированным с P-C связью. Это соединение обладает высокой устойчивостью к гидролизу, в том числе при сильно кислых условиях. Он также обладает исключительной термической стабильностью и остаётся целым даже при условияхгорения 10. Фосфонаты часто ингибируют ключевые ферменты, имитируя структуру фосфатных моноэфиров или карбоксилатов. С помощью этой мимикрии они модулируют важные метаболические пути. Их функциональные функции разнообразны. В морских экосистемах фосфонаты также являются альтернативным источником фосфора и способствуют его циклу11. Благодаря этим свойствам фосфонаты представляют значительный интерес в экологических, сельскохозяйственных и биомедицинских исследованиях; Фосфомицин — хорошо известный пример клинически значимого соединения, содержащего фосфор12,13.
В совокупности фосфонатные натуральные продукты стали основным направлением как в академическом, так и в промышленных исследованиях. Этот интерес отражает их центральную роль в науках о жизни и их практическую значимость. Это также способствовало прогрессу в их синтезе, изучении механизмов действия и в разработке биосинтетических, зелёных химических и устойчивых технологий.
Реакция Михаэлиса-Арбузова (Арбузова) — это нуклеофильное замещение между алкилгалогенидом и триалкилфосфитом. Это один из самых широко используемых методов построения связей C(sp³)-P. С момента открытия в начале XX века эта реакция изучалась более века. Это остаётся стандартным подходом к синтезу органофосфонатных эфиров. Ключевое преобразование включает реакцию фосфитного эфира с алкилгалогенидом. Этот процесс образует фосфорилированный продукт и формирует новую связь P-C. Впервые о реакции сообщил немецкий химик Адольф Михаэлис в 1898 году. Позже она была систематически и популяризирована российским химиком Александром Ерминингельдовичем Арбузовым в начале XX века, от которого реакция получила своё название15. Общая схема реакции показана ниже.
(RO)3P+R′X → (RO)2P(=O) R′+RX
(R)-2,3-дигидроксипропилфосфоновая кислота — редкий промежуточный метаболит, производимый Streptomyces16. На сегодняшний день он обнаружен только у этих микроорганизмов. Для дальнейших исследований его химических свойств и потенциальных применений соединение было химически синтезировано в этой работе.
Эта синтетическая стратегия обеспечивает эффективный доступ к (R)-2,3-дигидроксипропилфосфоновой кислоте. Также создаётся платформа для получения структурно связанных фосфонных кислот. Целевая хиральная фосфоновая кислота получалась поэтапным путём. Этот путь включал активацию спирта на основе бромирования, формирование Арбузова C-P-связи, депротекторную защиту для регенерации вицинального диола и окончательную деэтерификацию для получения свободной фосфонной кислоты.
Обзор установленных реакций образования C-P-связей подтверждает использование реакции Михаэлиса-Арбузова для этого синтеза. Альтернативные методы включают нуклеофильное прибавление (например, реакция Пудовика), металло-катализируемое взаимодействие и реакции фосфорных анионов при сильно базовыхусловиях 17,18. Эти подходы часто накладывают более строгие ограничения на допустимость функциональных групп и параметры реакции. Они также могут создавать конкурирующие пути или стереохимические осложнения при формировании связей C(sp 3)-P 18.
В отличие от этого, реакция Арбузова представляет собой нуклеофильное замещение между алкилгалогенидом и триалкилфосфитом19. Он напрямую обеспечивает химически прочную связь C(sp3)-P, и её механизм хорошо изучен. При оптимизированных условиях реакция обычно управляема и может ограничить образование ненужных побочных продуктов. Он особенно эффективен при использовании многих первичных алкилгалогенидов. Полученные фосфонатные (или фосфинатные) эфиры являются стабильными промежуточными продуктами и хорошо подходят для последующего депротектора и дальнейшей манипуляции функциональной группой.
Впоследствии исследователи стремились оптимизировать условия реакции Михаэлиса-Беккера. Рассматривались различные стратегии. Среди них были внедрение фазопереносных катализаторов и использование ионных жидкостей в качестве каталитических среды20,21. Эти модификации привели к значительному улучшению эффективности реакции и общей производительности.
Для хиральных, многофункциональных субстратов, использованных в этой работе, реакция Арбузова помогает сохранить углеродную структуру и стереохимическую информацию, унаследованную от исходного материала. Метод является зрелым и воспроизводимым, что способствует разработке стандартизированного и передаваемого протокола. Исходя из этого, учитывая эффективность, селективность, область применения субстрата и оперативную надёжность, мы выбрали реакцию Арбузова для построения ключевой C-P-связи в этом синтезе.
Фосфонаты и связанные с ними фосфорорганофосфорные соединения содержат стабильную C-P-связь и могут имитировать структурные и электронные особенности фосфатных эфиров и карбоксилатов. Это свойство лежит в основе их широкой полезности в медицинской химии, что иллюстрируется клинически используемыми агентами, такими как фосфомицин и фоскарнет. Реакция Арбузова остаётся краеугольным подходом к получению таких соединений через реакцию фосфитных эфиров с алкилгалогенидами. В этом исследовании он был реализован в многоступенчатой последовательности для доступа к (R)-2,3-дигидроксипропилфосфоновой кислоте из прекурсора, полученного на основе хирального глицерола.
Этот протокол предназначен для исследователей в области органического синтеза, медицинской химии и химической биологии, которым необходим надёжный доступ к хиральным фосфоническим кислотам для исследований структуры и активности и биосинтетических исследований.