Introduction
Die direkte Funktionalisierung von CH-Bindungen ist eine wichtige und langjährige Ziel in der organischen Chemie ein. Solche Transformationen können, um durch Einsparung von Syntheseschritten, Zeit und Material im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, die die Einführung und Entfernung zu aktivieren oder zu dirigierende Gruppen erfordern rationalisieren sehr mächtig sein. Daher ist auch die Funktionalisierung von CH-Bindungen attraktiv für grüne Chemie 2. Unter oxidativen Bedingungen, zwei CH-Bindungen oder eine CH-und einem Heteroatom-Bindung für CC und C-Heteroatom-Bindungen, die jeweils (1) 3-9 umgewandelt werden. Oft sind diese oxidative Kupplung erfordern synthetische Antioxidantien, teure Katalysatoren oder hohen Temperaturen. Daher sind viele Versuche unternommen, um Methoden, die billige Katalysatoren, gutartige Bedingungen und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel verwenden 10 zu entwickeln.
Abbildung 1. Oxidative Kupplungsreaktionen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Viele organische Verbindungen langsam mit Sauerstoff aus der Luft in Autoxidationsreaktionen die CH-Bindungen durch die effektive Einsetzen O 2, bilden eine Einheit Hydroperoxid 11,12 funktionalisieren kann. Autoxidation Prozesse im industriellen Maßstab erzeugt sauerstoffhaltigen Verbindungen aus Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien verwendet, aber Autoxidation ist auch ein unerwünschter Prozess, wenn es um die Zersetzung des wertvollen Verbindungen oder Materialien führt. In einigen Fällen, beispielsweise Diethylether, Hydroperoxide in Luft gebildet werden, können auch explosiv sein. Kürzlich entdeckten wir eine Reaktion, die eine Autoxidation nutzt, um eine neue CC-Bindung von CH-Bindungen, ohne der Notwendigkeit einer redox-aktive Katalysator 13,14 bilden 15 substituiert sind. Die Reaktion ist jedoch beschränkt auf Xanthen und einige verwandte Verbindungen, die sich leicht unter einer Atmosphäre von Sauerstoff und die Produkte oxidiert werden bisher nicht gefunden Anwendungen. Trotzdem durch diese Entdeckung inspiriert, bezogen oxidative Kupplung Methode, die das Prinzip der CH-Funktionalisierung nutzt über Zwischen Peroxide (CHIPS), pharmazeutisch wirksame Indol-Derivate synthetisieren 16 entwickelten wir.
Indole, Tetrahydrocarbazolen insbesondere 1, können leicht oxidiert werden, um 2 in Gegenwart von Singulett-Sauerstoff 17-19, die Verwendung eines Sensibilisators für sichtbares Licht und 20 erzeugt werden kann, Hydroperoxide. Ein hydroperoxide Einheit kann im Prinzip wirken als Abgangsgruppe, wenn durch Säurekatalyse aktiviert und damit für die Einführung eines Nucleophils 21,22. Hydroperoxide sind auch bekannt, unterzogen säurekatalysierte Umlagerung Reaktionen im industriellen Synthese von Phenol aus Cumol, dem Hock-Verfahren 23 verwendet. Durch sorgfältige Optimierung Studien haben wir Bedingungen, um die gewünschte Substitutionsreaktion mit N-Nucleophilen wie Aniline 3 über die unerwünschten Zersetzungswege durch Umlagerung 16 begünstigen finden konnte. Hier beschreiben wir dieses Zwei-Schritt-Verfahren im Detail CHIPS mit nur sichtbares Licht, einen Sensibilisator, Sauerstoff und Säure. Unter den ausgewählten Produkte sind Indolderivate 4, die eine hohe antivirale Aktivität zeigen oder Hemmung des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VGF), die für die Tumortherapie 24-26 wichtig sein kann.
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Protocol
1. Synthese von Tetrahydrocarbazol Hydroperoxide
- Die Bildung des Hydroperoxids wird verlangsamt, wenn die tetrahydrocarbazol sehr gefärbt. In diesem Fall reinigt es durch Umkristallisation unter Verwendung von Toluol / Pentan oder durch Säulenchromatographie, um eine farblose Ausgangsmaterial zu erhalten. Zur Reinigung durch Säulenchromatographie Packung eine Säule mit einer unteren Schicht von Kieselgel und einer oberen Schicht aus Aluminiumoxid. Setzen Sie den tetrahydrocarbazol oben auf der Säule und Elution mit Toluol. Alle unerwünschten gelb und schwarz gefärbte Nebenprodukte werden auf der Säule und farblos ist tetrahydrocarbazol eluting adsorbiert. Sofort das Lösungsmittel verdampft und zu speichern, die das gereinigte weiße Produkt unter einer Argonatmosphäre im Dunkeln.
- Man wiegt 1 g tetrahydrocarbazol oder eines substituierten tetrahydrocarbazol (1, synthetisiert gemäß berichteten Verfahren 16) in einen 250 ml-Kolben. 100 ml Toluol zu diesen Kolben.
- Abwiegen Rose Bengal (2mg) hinzugefügt, und es in dem obigen Reaktionsgemisch.
- Fügen Sie einen Rührstab und die Flasche mit Septum zu decken.
- In einer Sauerstoffballon durch die Scheidewand; Das hält einen Überdruck von Sauerstoffatmosphäre auf die Reaktion.
- Bestrahlen der Reaktionsmischung mit einer 23-Watt-Lampe.
- Überprüfen Sie den Fortschritt der Reaktion durch Dünnschichtchromatographie (TLC unter Verwendung eines Gemischs von Hexan / Ethylacetat im Verhältnis 70:30, das R f-Wert der hier beschriebenen Hydroperoxide zwischen 0,2 und 0,3) oder 1 H-NMR von A Probe entnommen (dampfe das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt und der Rückstand in DMSO-d6 auflösen). Reaktionszeiten können in Abhängigkeit von der Lichtquelle und der Reinheit des Ausgangsmaterials variieren kann, wie in Teil 1.1 erwähnt. Generell vollständigen Wandlung der Tetrahydrocarbazolen 1 dauert 3 Stunden.
- Filtern Sie die ausgefallene Feststoff nach der vollständigen Umwandlung des Ausgangsmaterials. Waschen des Feststoff kann mit Pentan, um die meisten entfernen getan werdendas Toluol, ist aber nicht für die Reinigung erforderlich.
- Trocknen unter reduziertem Druck die isolierte Feststoff.
ACHTUNG: Obwohl wir nie ein Problem im Umgang mit oder den Umgang mit den in dieser Arbeit beschriebenen Verbindungen erfahren, sollten Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit Peroxiden genommen werden. Insbesondere sollte sie so weit wie möglich, saubere Peroxide zu erwärmen oder um sie mit Metallen oder Metallsalzen zu mischen aussetzen vermieden werden. Die Durchführung solcher Reaktionen hinter einem Schutzschild wird empfohlen.
. 2-Kupplung - Methode A mit 10 Mol-% Trifluoressigsäure in Methanol
- Wiegen Sie das Hydroperoxid (0,49 mmol, 1,0 Äquiv. Aus Schritt 1) und das gewünschte Anilin Nucleophil (0.49 mmol, 1.0 Äquiv.) In ein 12 ml Fläschchen oder eine geeignete Rundkolben.
- 10 ml MeOH und anschließend 3,74 ul Trifluoressigsäure (TFA, 0.049 mmol, 0.1 Äquiv.) In das Fläschchen oder Rundkolben.
- Schließen Sie den Behälter mit einer Kappe undrührt man bei Raumtemperatur für 4 Stunden.
Aufarbeitung Variante A1 (für Produkte, die über den Verlauf der Reaktion ausfallen): - Filtern des ausgefällten Feststoff, um das gewünschte Produkt zu erhalten. Mit Methanol (3 x 0,5 ml) waschen Sie das Produkt.
- Um eine zweite Produktfraktion erhalten, dampft das Methanol aus dem Filtrat. Löse das Rohprodukt in 5 ml Ethylacetat bei 40 ° C, dann auf Raumtemperatur abkühlen, und fügen Sie 3-5 ml Pentan Das reine Produkt ausfällt.
- Kombinieren der verschiedenen Fraktionen des Produkts und trocknen im Hochvakuum.
Aufarbeitung Variante A2 (für Produkte, die nicht ausfallen müssen): - Dampfe das Lösungsmittel direkt nach der Reaktion durch Verwendung eines Rotationsverdampfers und der Rückstand wird durch Säulenchromatographie wie angegeben (Kieselgel, Hexan / Essigsäureethylester / Triethylamin), um das gewünschte Produkt zu erhalten.
3-Kupplung -. Verfahren BMit Essigsäure
- Wiegen Sie das Hydroperoxid (0,49 mmol, 1,0 Äquiv. Aus Schritt 1) und das gewünschte Anilin Nucleophil (0.49 mmol, 1.0 Äquiv.) In ein 12 ml Fläschchen oder eine geeignete Rundkolben.
- 10 ml Essigsäure (AcOH), um die in das Fläschchen oder Rundkolben.
- Der Behälter ist mit einem Deckel gegeben und das Reaktionsgemisch bei Raumtemperatur für 4 Stunden.
Aufarbeitung Variante B1 (für Produkte, die über den Verlauf der Reaktion ausfallen): - Filtern des ausgefällten Feststoff, um das gewünschte Produkt zu erhalten. Mit AcOH (3 x 0,5 ml) waschen Sie das Produkt.
- Um eine zweite Fraktion des Produkts zu erhalten, verdampfen die Essigsäure aus dem Filtrat. Löse das Rohprodukt in 5 ml Ethylacetat bei 40 ° C, dann auf Raumtemperatur abkühlen, und fügen Sie 3-5 ml Pentan Das reine Produkt ausfällt.
- Kombinieren der verschiedenen Fraktionen des Produkts und trocknen im Hochvakuum.
Aufarbeitung Variante B2 - Dampfe das Lösungsmittel direkt nach der Reaktion durch Verwendung eines Rotationsverdampfers und der Rückstand wird durch Säulenchromatographie wie angegeben (Kieselgel, Hexan / Essigsäureethylester / Triethylamin), um das gewünschte Produkt zu erhalten.
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Representative Results
Synthese von 1 - (5-nitroindolin-1-yl) -2,3,4,9-tetrahydro-1H-carbazol (4a):
Nach Verfahren A, R f = 0,63 (Hexan / Ethylacetat 70:30) synthetisiert.
Reinigung: Reinigen Sie das Produkt nach Methode A, Aufarbeitung Variante A1 (Schritte 2.4, 2.5, 2.6). Orangefarbenen Feststoff, Ausbeute: 95%.
1 H-NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 10.90 (s, 1H), 7,97 (dd, J = 8,9 Hz, J = 2,4 Hz, 1H), 7,86 (d, J = 2,2 Hz, 1H), 7,42 (d, J = 7,8 Hz, 1H), 7,27 (d, J = 8,0 Hz, 1H), 7,05 (t, J = 7,8 Hz, 1H), 6,97 (t, J = 7,8 Hz, 1H), 6,53 (d , J = 8,9 Hz, 1H), 5,21-5,19 (m, 1H), 3,68 bis 3,63 (q, J = 18,7 Hz, J = 9,3 Hz, 1H), 3,47 bis 3,41 (q, J = 17,8 Hz, J = 8,8 Hz, 1H), 3,05 (t, J = 8,6 Hz, 2H), 2,70 bis 2,64(M, 2H), 2,09-2,02 (m, 2H), 1,91-1,85 (m, 2H) ppm;
13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ 156,5 (q), 136,3 (q), 136,2 (q), 131,5 (q), 130,7 (q), 126,6 (q), 126,4 (t), 121,1 ( t), 120,1 (t), 118,3 (t), 118,0 (t), 111,6 (q), 111,1 (t), 104,0 (t), 49.9 (t), 48.8 (s), 26.3 (s), 26.1 ( s), 21.9 (s), 20.4 (s) ppm;
HR-MS (ESIpos) m / z: M + ber.. für C 20 H 19 N 3 O 2 Na 1 [M + Na] +: 356,136948; gefunden: 356,137207.
Abbildung 2. Vertreter 1 H-NMR-Spektrum von 4a (500 MHz, DMSO-d6). Bitte klicken Sie hier, um eine la ansehenrger Version dieser Figur.
Abbildung 3. Vertreter 13 C-NMR-Spektrum von 4a (125 MHz, DMSO-d6). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Synthese von 4 - (6-Brom-2 ,3,4,9-tetrahydro-1H-carbazol-1-ylamino)-benzonitril (4b):
Nach Verfahren A synthetisiert, die Reaktionszeit betrug 12 h, R f = 0.44 (Isohexan / Essigsäureethylester 70:30).
Reinigung: Reinigung: Reinigen Sie das Produkt nach Methode A, Aufarbeitung Variante A1 (Schritte 2.4, 2.5, 2.6). Ausbeute: 80%.
1 HNMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 11,14 (s, 1H), 7,61 (s, 1H), 7,49 (d, J = 8,5 Hz, 2H), 7,26 (d, J = 8,5 Hz, 2H), 7.16 (t, J = 8,6 Hz, 2 H), 6,81 (d, J = 8,6 Hz, 2H), 4,88-4,90 (m, 1H), 2,68-2,71 (m, 1H), 2,58-2,61 (m, 1H) , 1,98-2,03 (m, 1H), 1,89-1,92 (m, 1H), 1,81-1,83 (m, 2H) ppm;
13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ 151,2 (q), 135.4.0 (q), 134,7 (q), 133,4 (t), 128,4 (t), 123,5 (t), 120,7 (q), 120,2 (t), 113,0 (t), 110,8 (q), 110,5 (q), 95,7 (q), 45.3 (q), 29.0 (s), 20.4 (s), 19,7 (s) ppm;
HR-MS - (EI) (m / z): M + berechnet für C 19 H 16 N 3 Br 1 1 Na, 388,041988; 388,041996 gefunden.
Synthese von 4 - (2,3,4,9-Tetrahydro-1H-carbazol-1-ylamino)-benzonitril (4c):
Nach Meth synthetisiert od B, R f = 0,62 (Hexan / Ethylacetat 70:30).
Reinigung: Reinigung: Reinigen Sie das Produkt nach Methode B, Aufarbeitung Variante B1 (Schritte 3.4, 3.5, 3.6), weißer Feststoff. Ausbeute: 80%.
1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 10,89 (s, 1H), 7,48 (d, J = 8,6 Hz, 2H), 7,43 (d, J = 7,8 Hz, 1H), 7,29 (d, J = 8,0 Hz, 1H), 7,13 (d, J = 8,1 Hz, 1H), 7,05 (t, J = 7,2 Hz, 1H), 6,96 (t, J = 7,2 Hz, 1H), 6,81 (d, J = 8,8 Hz , 2H), 4,88 bis 4,87 (m, 1H), 2,75-2,70 (m, 1H), 2,64-2,59 (m, 1H), 2,02-1,96 (m, 1H), 1,95-1,90 (m, 1H), 1,87 -1.80 (m, 2H) ppm;
13 C-NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ 151,2, 136,0, 133,5, 133,3, 126,4, 121,0, 120,6, 118,1, 117,8, 111,1, 110,5, 95,4, 45,2, 28,9, 20,6, 19,6 ppm;
e_content "> HR-MS (ESIpos) m / z: M + berechnet für C 19 H 17 N 3 Na 1 [M + Na] +: 310,131469; gefunden:. 310,131446Synthese von 6-Brom-N-phenyl-2 ,3,4,9-tetrahydro-1H-carbazol-1-amin (4d):
Nach Verfahren B synthetisiert, die Reaktionszeit betrug 12 h, R f = 0,79 (Hexan / Ethylacetat 70:30).
Reinigung: Die Reinigung: Reinigen des Produkts durch Verwendung von Verfahren B, Aufarbeitung Variante B2 (Schritte 3.7), mit einem Laufmittelgemisch aus Hexan, Ethylacetat und Triethylamin (90:5:5) zur Säulenchromatographie. Weißer Feststoff. Ausbeute: 60%.
1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 11.10 (s, 1H), 7,59 (d, J = 1,7 Hz, 1H), 7,26 (d, J = 8,56 Hz, 1 H), 7.15 (dd, J = 8.51 Hz, J = 1,90 Hz, 1 H), 7,10 (t, J = 7,4 Hz, 2H), 6,73 (d, J = 7,9 Hz, 2H), 6,56 (t, J = 7,3 Hz, 1H), 5,97 (d, J = 8,9 Hz, 1H), 4.79- 4,77 (m, 1H), 2,70-2,66 (m, 1H), 2,62-2,57 (m, 1H), 2,02-1,93 (m, 2H), 1,85 bis 1,77 (m, 2H), ppm;
13 C-NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ 147,8, 136,8, 134,7, 128,5, 123,1, 120,1, 115,8, 113,0, 112,6, 110,6, 110,0, 45,9, 28,9, 20,5, 19,9, ppm;
HR-MS (ESIpos) m / z: M + ber.. für C 18 H 17 N 2 Br 1 1 Na [M + Na] +: 363,046740; gefunden: 363.046458
Abbildung 4. Synthese von Tetrahydrocarbazolderivate durch CH-Funktionalisierung über Zwischen Peroxide (CHIPS).s :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51504/51504fig4highres.jpg "target =" _blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Diese repräsentativen Ergebnisse zeigen, wie Tetrahydrocarbazolen kann bequem durch CH-Funktionalisierung über Zwischen Peroxide (CHIPS) funktionalisiert werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Synthese von Kupplungsprodukte mit Anilin Nukleophilen, einschließlich der pharmazeutisch aktiven Verbindungen, in einem Zwei-Schritt-Verfahren (Fig. 4).
Der erste Schritt ist eine bekannte photokatalysierte Oxidation tetrahydrocarbazol (1) oder seinen Derivaten mit elementarem Sauerstoff 17,19, was eine 2-hydroperoxid. Wenn in Toluol durchgeführt wird, das Hydroperoxid Produkte aus und können in geeigneter Weise durch Filtration isoliert werden. Eine weitere Reinigung ist nicht erforderlich.
Im zweiten Schritt wird das Hydroperoxid 2 mit einem Anilin
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Discussion
Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass eine CH-Bindung in Tetrahydrocarbazolen bequem funktionalisiert werden, um CN-Kupplungsprodukte in einem zweistufigen Verfahren zu erzeugen.
Der erste Schritt ist eine bekannte photokatalysierte Oxidation tetrahydrocarbazol (1) oder seinen Derivaten mit elementarem Sauerstoff 17,19, was eine 2-hydroperoxid. Wenn in Toluol durchgeführt wird, das Hydroperoxid Produkte aus und können in geeigneter Weise durch Filtration isoliert werden. Eine weitere Reinigung ist nicht erforderlich.
Der zweite Schritt ist eine Säure-katalysierte nucleophile Substitution. Eine mechanistische Erklärung für diesen Schritt ist in Fig. 5 gezeigt. Das aktive Elektro 6 wird angenommen, dass durch Imin-Enamin-Tautomerie gebildet werden, durch Säurekatalyse unterstützt. Möglicherweise ist das Hydroperoxid 2 protoniert und verliert Wasserstoffperoxid unter sauren Bedingungen unter Bildung Carbokationen-5. Tautomerisierung führt zu einer stabilisierten Carbo 6 und die Reaktion mit dem Nucleophil auf dem Endprodukt 4, die Wiederherstellung der aromatischen Indol-Kerns.
5. Mechanistische Vorschlag für die Säure-katalysierte Umwandlung von Hydroperoxiden 2 zu dem Endprodukt 4.
Abhängig von der elektronischen Natur des Nucleophils Anilin, die Bedingungen der Reaktion modifiziert werden. Für sehr schlechte Elektronen Aniline, z. B. die eine Nitro-Gruppe, katalytischer Mengen von Trifluoressigsäure in Methanol ist die Methode der Wahl. Für mäßig elektronen schlechte Aniline, z. B. Lager Halogensubstituenten Essigsäure als Lösungsmittel ohne zusätzliche Säure-Katalysator ist die Methode der Wahl.ftp_upload/51504/51504fig5highres.jpg "target =" _blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Ein kritischer Schritt im Protokoll ist das Photooxygenierung der tetrahydrocarbazol Ausgangsmaterial zum Hydroperoxid. Mit dunkelgelb oder schwarz tetrahydrocarbazol, wie manchmal aus kommerziellen Quellen erhalten, die photosensibilisierte Oxidation entweder nicht funktioniert oder nur in sehr geringen Ausbeuten. In solchen Fällen ist das Ausgangsmaterial, wie im obigen Protokoll (Schritt 1.1) beschrieben, gereinigt werden.
Die Reaktion wird so weit tetrahydrocarbazol oder einigen Derivaten davon. Es ist nicht erfolgreich Indol jedoch substituierten 2,3-Dialkyl Indolen eingesetzt werden, wenn die Alkyl-Substituenten sind als längere Ketten Methyl werden. Eine Liste der bekannten zugängliche Produkte wurde veröffentlicht. 16.
Die Bedeutung in Bezug auf bestehende Methoden liegt in den milden Bedingungen, die Einfachheit of Reinigung, die Nachhaltigkeit und die Zugänglichkeit von pharmazeutisch aktiven Produkten. Die Reaktionen erfordern keine erhöhten Temperaturen oder Schutzgruppen und können die 4 Kupplungsprodukte in hohen Ausbeuten innerhalb von 5-6 Stunden leisten. Besondere Reinigung oder Trocknung der Ausgangsmaterialien und Lösungsmittel ist im allgemeinen nicht erforderlich. Die Strategie, die CH-Bindungen durch Substitution von Zwischen Peroxide (CHIPS), die durch Einwirkung von Sauerstoff gebildet funktionalisieren birgt ein großes Potenzial für eine nachhaltige Chemie - nur Katalysatoren, Sauerstoff-und sichtbares Licht benötigt werden. Unter den ausgewählten Produkten werden die pharmazeutisch aktive Indol-Derivate 4b - d. Produkt 4d ist bemerkenswert, da es gegen humane Papilloma-Virus, Hepatitis-C-Virus aktiv und sperrt den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor 24-26.
Die Strategie des CHIPS sollte grundsätzlich für eine Vielzahl von verschiedenen Substrat classes. Weitere Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus und Erweiterungen dieser Methode auf andere synthetisch interessante Produkte zuzugreifen sind jetzt der Schwerpunkt unserer laufenden Anstrengungen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1,2,3,4-Tetrahydrocarbazole | Sigma Aldrich | T12408 | If coloured, purification may be necessary. See Protocol 1.1 |
| Methanol | Sigma Aldrich | 322415 | 99.8% purity |
| 4-Nitroaniline | Acros Organics | 128371000 | 99% purity |
| Trifluoroacetic acid | Sigma Aldrich | T6508 | 99% purity |
| Acetic acid | J. T. Baker | JTB RS 426960101 | 99-100% purity |
| Aniline | Merck | 8222560100 | |
| 4-Aminobenzonitrile | Sigma Aldrich | 147753 | 98% purity |
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