Summary
En 2-azid-1-nitrat-ester kan konverteras till den motsvarande 2-azid-1-trichloroacetimidate i en one-pot-procedur. Målet med manuskriptet är att påvisa nyttan av mikrovågsugn reaktorn i kolhydrat syntes.
Abstract
Målet med följande procedur är att ge en demonstration av one-pot omvandlingen av en 2-azid-1-nitrat-ester till en trichloroacetimidate glycosyl givare. Efter azid-nitrering av en glycal, kan vara hydrolyserad produkt 2-azid-1-nitrat ester under mikrovågsugn-assisted bestrålning. Denna omvandling uppnås vanligen med hjälp av starkt nukleofil reagenser och längre reaktionstider. Mikrovågsugn bestrålning inducerar hydrolys, i avsaknad av reagenser, med korta reaktionstider. Efter spjälkning omvandlas den mellanliggande anomera alkoholen, i samma kruka, till den motsvarande 2-azid-1-trichloroacetimidate.
Introduction
På grund av sin utbredning i molekylärbiologi varit kolhydrater långvariga mål för kemisk syntes. 1 , 2 , 3 kärnan i alla framgångsrika syntetiska kampanj är rätt distribution av glycosylation reaktioner att bygga oligosackarid kedjan. 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 inte överraskande, det finns ett stort antal metoder för att installera glycosidic obligationer. 13 , 14 the Koenigs-Knorr metod är en av de tidigaste kända förfaranden och innebär koppling en glycosyl klorid eller metylbromid med en alkoholhaltiga komponenten, vanligtvis under tungmetall (kvicksilver eller silver) aktivering. 15 relaterade glycosyl fluorider först introducerades som givare 1981 av gruppen Mukaiyama och har hittat utbredd tillämpning på grund av deras ökade termiska och kemiska stabilitet. 16 på den motsatta änden av reaktivitet spektrumet är glycosyl jodider, som är betydligt mer reaktiv än andra halogenider. Ökad reaktivitet åtföljs av ökad stereocontrol, bestämt när bildar α-länkade oligosackarider. 17 förutom ”haloglycosides”, thioglycosides har hittat brett utility, delvis på grund av sin användarvänlighet bildandet, stabilitet till en mängd reaktion villkor, och aktiveringen med elektrofil reagenser. 18
De metoder som beskrivs ovan fokus på konvertera en anomera alkohol till en ”icke-syre” som innehåller, latent lämnar gruppen som är aktiverad och i slutändan på flykt av en alkohol från en acceptor molekyl. Anomera Syreaktivering fokuserar som beskrivs av Schmidt skolan, på konvertera C1 syre själv, till en lämnar gruppen. 19 denna metod är den mest kraftfulla och används ofta i kemiska glycosylation reaktioner. Trichloroacetimidate givare är lätt beredda från en reducerande socker och trichloroacetonitrile i närvaro av en bas som kaliumkarbonat (K2CO3) eller 1,8-diazabicyklo [5.4.0] undec-7-ene (DBU). Dessa arter är sedan aktiveras med hjälp av Lewis syror. 20
Vi har nyligen rapporterat att 2-azid-1-trichloroacetimidate givare kan framställas direkt från glycals. Processen omfattar en två reaktion, one-pot förfarande från 2-azid-1-nitrat estrar. 21 detta detaljerade protokoll är avsett att hjälpa utövare att framgångsrikt slutföra omvandlingen i hög avkastning. Av särskilt intresse är det första steget i den sekvensen, som fokuserar på termisk spjälkning under mikrovågsugn - assisted värme. Vi hoppas också att ge en visuell handledning om anställa mikrovågsugn reaktorer i organisk syntes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. representant mikrovågsugn-Assisted spjälkning
- Placera den azid nitrat estern (1.0 motsv., 0,2 mmol) i en 8 mL injektionsflaska för reaktion av mikrovågsugn. Omfattningen av reaktionen kan ökas till flera mmol utan någon negativ inverkan på reaktion framsteg.
- Lös den azid-nitrat estern i 20% aq. aceton (0,1 M, 2,0 mL). Lägg till pyridin (5.0 motsv., 0,08 mL, 1,0 mmol) i reaktionskärlet. Cap mikrovågsugn bestrålning injektionsflaskan och placera reaktion fartyget i en mikrovågsugn reaktorn hålighet.
- Bestråla lösningen vid 120 ° C under 15 minuter under omrörning och med fasta hålltid. Håll tid motsvarar hur länge bestrålning sker vid den angivna temperaturen och resulterande trycket. Värm alla reaktioner rapporterade temperatur över en 2-minuters rampning period. Övervaka temperaturen genom en inbyggd IR-sensor.
- Efter 15 min, analysera reaktionsblandningen med tunnskiktskromatografi (TK) för att bekräfta konsumtion av utgångsmaterialet. Använd 1:1 etylacetat/hexanes som eluenten.
- Visualisera TLC plattan med ceric ammonium molybate fläcken. Rf på reaktant och produkten varierar, men att minska alkohol är generellt 0,05 till 0,1 lägre Rf än reaktant.
2. bildandet av trichloroacetimidate
- Efter fullständig konsumtion av utgångsmaterialet, avdunsta lösningsmedlet till en minskad volym med ett flygbolag. Sedan späd med (diklormetan) CH2Cl2 (1,0 mL) och Använd en spruta för att ta bort vatten lager. När vatten lagret avlägsnas, cool reaktionsblandningen att 0 ° C med ett is-vatten-bad.
- Lägg sedan till DBU (10 eq, 0,3 mL, 1,9 mmol) och 2,2,2-trichloroacetonitrile (50 eq, 1,0 mL, 10 mmol) reaktionskärlet. Båda reagenser läggs i överskott och minst 1 motsvarande för base och 1 motsvarande 2,2,2-trichloroacetonitrile behövs.
- Tillåta reaktionsblandningen att röra samtidigt som uppvärmning till rumstemperatur. Övervaka reaktionen av TLC att bekräfta konsumtion av utgångsmaterialet.
- Använd 1:1 etylacetat/hexanes som eluenten. Visualisera TLC plattan med ceric ammonium molybate fläcken. Rf på reaktant och produkten kommer att variera.
- Efter fullständig konsumtion av utgångsmaterial, överföra reaktionsblandningen till en återhämtning-kolv och koncentrera sig blandningen i vakuum vid 30 ° C. Avdunstning av lösningsmedel kommer att ge en rå ljusgul till brun olja.
- Rena råa produkten genom kolonnkromatografi kiselgel med en kolumn med 1,5 cm i kromatografi och 1:4 etylacetat/hexanes som eluent. Den imidate fysisk form varierar från molekyl för molekyl.
Figur 1. Representativa exempel på one-pot omvandlingen av 2-azid-1-nitrat estrar till 2-azid-1-trichloroimidates. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den teknik som beskrivs häri visades på en pool av tre 2-azid-1-nitrat estrar. I varje fall var det första steget av reaktionen fullständig inom 20 minuter.
Figur 2. Representativt exempel på hydrolys (1 ->2), och one-pot konvertering av 2-azid-1-nitrat ester av 1 (1->3). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
(2S,3R,4S,5S,6R)-2-(((2R,3S,4R,5R,6R)-4-acetoxy-2-(acetoxymethyl)-5-azido-6-(imino(2l3-trichloran-2-yl)methoxy)tetrahydro-2H-pyran-3-yl)oxy)-6-(acetoxymethyl)tetrahydro-2H-pyran-3,4,5-triyl triacetat (3) En blandning av 11:1:6 (alfa manno- / alfa gluko-/ beta gluko-) konfigurerade azidonitrate estrar 1 (1,0 motsv., 0,133 g, 0,20 mmol) upplöstes i 20% aq. aceton (2,0 mL) och behandlades med pyridin (5.0 motsv., 1.0 mmol, 0,8 mL). Reaktionen var värms upp av mikrovågsugn bestrålning till 120 ° C i 10 min. Reaktionsblandningen var därefter kyls till 0 ° C och behandlade med CH2Cl2 (1,0 mL). Vattenskiktet reaktion togs bort. Sedan lades reaktionen DBU (10 motsv., 0,3 mL, 1,9 mmol) och 2,2,2-trichloroacetonitrile (50 motsv., 1,0 mL, 10 mmol). 15 reaktion var tillåten att värma till rt. Efter fullständig konsumtion av utgångsmaterialet var blandningen koncentrerade i vakuum. Råoljan renades genom flash kromatografi (10:3 - 1:1 hexanes / EtOAc) att ge en 5:1 (gluko-/ manno-) blandning av alpha imidate produkter 3 (0,133 g, 0.174 mmol, 87% totalt). Under dessa reaktionsbetingelser är manno-konfigurerad utgångsmaterialet mer motståndskraftiga mot hydrolys som tidigare nämnts. I denna reaktion, > 95% av gluko-konfigurerad utgångsmaterialet konverterades framgångsrikt till alpha imidate 3 medan 62% av manno-konfigurerade utgångsmaterial konverterades till imidate produkt. Spektroskopiska data kommit överens med tidigare rapporterade data21. Som en blandning av komplexa c-2 isomerer: 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8,64 (s, 1 H), 6,46 (d, J = 3,6 Hz, 1 H), 5,54 (m, J = 9,6 Hz), 5,33 (d, J = 3,6 Hz), 5.11 (dd, J = 10,6 Hz, J = 7,9 Hz), 5,04 (dd, J = 9,6, 3,6 Hz), 4,93 (dd, J = 10.6, 3,6 Hz, 1 H), 4,49 (d, J = 7,9 Hz, 1 H), 4,48 (m, 1 H), 4.10 (m, 4 H), 3,85 (m, 2 H), 2.14 (s, 3 H), 2,09 (s, 3 H,), 2,06 (s, 3 H), 2,02 (s, 6 H), 1,99 (s, 3 H), 1,95 (s, 3 H); 13 C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 171,2, 170,4, 170,2, 170,1, 169,4, 169,2, 169,0, 162,1, 101,3, 92,9, 76,6, 71,2, 70,9, 70,8, 69,8, 69,5, 69,2, 66,7, 61,5, 60,8, 21,1, 21,0, 20,7, 20,6.
Figur 3. Representativt exempel på hydrolys (4 ->5), och one-pot konvertering av 2-azid-1-nitrat ester 4 (4->6). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
((3aR,4R,7R,7aR)-7-azido-6-hydroxy-2,2-dimethyltetrahydro-4H-[1,3]dioxolo[4,5-c]pyran-4-yl)methyl acetat (6). Azidonitrate ester 4 (1,0 motsv., 0,150 g, 0.451 mmol) i en lösning av 1:4 vatten/aceton (4,0 mL) och pyridin (5.0 motsv., 0,18 mL, 2,26 mmol) värmdes av mikrovågsugn bestrålning till 110 ° C i 10 min. Då var reaktionen injektionsflaska var koncentrerat under en luftström att minska lösningsmedel blandningen till ~1/2 sin ursprungliga volym. Råolja reaktionsblandningen lades CH2Cl2 (4,0 mL). Vattenskiktet reaktion togs bort. Då lades reaktionen DBU (2.0 motsv., 0,14 mL, 0.90 mmol) och 2,2,2-trichloroacetonitrile (10 motsv., 0,45 mL, 4,51 mmol) vid 0 ° C. På 30 min. var reaktionen koncentrerad till en mörk bruna råolja. Råoljan var passerade en plugg av kiselgel i en tratt med filter och koncentrerad då renas genom flash kromatografi (2:5 EtOAc/hexanes) att ge en 34:1 blandning (alpha/beta) imidate 6 (0.189 g, 0.438 mmol, > 95%) som en gul olja. Spektroskopiska data kommit överens med tidigare rapporterade data21. Rƒ 0,26 (1:3 EtOAc/hexanes); [Α] D20 +6.63 ° (c 0,3, CHCl3); IR (tunn film, cm-1) 3943.02, 3689.98, 3053.89, 2986.53, 2684.50, 2409.92, 2304.81, 2115.20, 1735.63, 1674.77, 1616.82, 1421.56, 1265.14, 741.47, 705.37; 1H NMR (400 MHz, CDCl3): alfa anomer δ8.75 (s, 1 H), 6.34 (d, J = 3,4 Hz, 1 H), 4.48 (dd, 1 H, J = 5.5, 7,9 Hz, 1 H), 4.44-4.24 (m, 4 H), 3,76 (dd, J = 3.4, 7,7 Hz, 1 H), 2.04 (s, 3 H), 1,54 (s, 3 H), 1,36 (s, 3 H); 13C (100 MHz, CDCl3): δ170.69, 160.47, 110,54, 94.34, 90,67, 73.35, 72,32, 68.13, 63.13, 60.11, 27,92, 26,00, 20,75; HRQ-TOF/MS (m/z): Beräknat årligt belopp för [M+Na]+, C13H17Cl3N4O6, 453.0111, hittade 453.1277.
Figur 4. Representativt exempel på hydrolys (7 ->8), och one-pot konvertering av 2-azid-1-nitrat ester av 7 (7->9). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
2R,3S,4R,5R,6R)-2-(acetoxymethyl)-5-azido-6-(2,2,2-trichloro-1-iminoethoxy)tetrahydro-2H-pyran-3,4-diyl diacetat och (2R,3S,4R,5S,6R)-2-(acetoxymethyl)-5-azido-6-(2,2,2-trichloro-1-iminoethoxy)tetrahydro-2H-pyran-3,4-diyl diacetat (9). En 1:14.4:27.4 (beta gluko- / alfa manno- / alfa gluko-) blandning av triacetat 7 (1,0 motsv., 0.438 g, 1.164 mmol) i en lösning av 1:4 vatten/aceton (10,0 mL) och pyridin (5.0 motsv., 0.47 mL, 5.82 mmol) värmdes av mikrovågsugn bestrålning vid 120 ° C under 20 min. Sedan var injektionsflaskan reaktion koncentrerat under en luftström att minska den ursprungliga mängden lösningsmedel blandning till ~1/2 av dess ursprungliga volym. Råolja reaktionsblandningen lades CH2Cl2 (10,0 mL). Vattenskiktet reaktion togs bort. Då lades reaktionen DBU (1,0 motsv., 0,18 mL, 1.164 mmol) och 2,2,2-trichloroacetonitrile (10 motsv., 1,2 mL, 11.64 mmol) vid 0 ° C. På 1 h, reaktionen var en ljusorange och pH reaktion blandning var 7. Ytterligare DBU (1,0 motsv., 0,18 mL, 1.164 mmol) var lagt och reaktionen snabbt vände dess karakteristiska mörkbrun färg. På 3 h var reaktionen koncentrerad till mörkt bruna råolja. Råoljan renades genom flash kromatografi (2:5 EtOAc/hexanes) att ge en 1: 1.7 gluko- / manno - konfigurerad blandning av alpha imidate 9 (0.3758 g, 0.790 mmol, 68%) som en gul olja. Spektroskopiska data kommit överens med tidigare rapporterade data21. 1 H NMR (400 MHz, CDCl3): som en komplex blandning av isomerer: δ 8,68 (s), 6,51 (d, J = 3,7 Hz), 5,51 (m), 5.13 (m), 5.09 (dd, J = 10.3, 3,7 Hz), 4,24 (dd, J = 12,0, 3,8 Hz), 4.19-4,15 (m) 4,09 (dd, J = 12,0, 1.8 Hz), 2,02 (s) , 2,00 (s), 1,98 (s), 1,97 (s); 13 C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 170,5, 170,0 169,8, 169,5, 160,7, 92,9, 90,7, 70,0, 69,8, 69,7, 67,7, 61,4, 20,7, 20,6, 20,5.
Figur 5. 1 H och 13C Spectra 3. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. 1 H och 13C Spectra 6. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. 1 H och 13C spektra av 9. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollet beskrivs i denna handledning ger en metod för att konvertera nitrat estrar till användbar, reaktiva funktionalitet. I en vidare mening har anställa en mikrovågsugn reaktor att slutföra särskilda manövrer under loppet av en kolhydrat syntes potential att göra svåra transformationer lättköpt och rutin. Vårt mål i denna handledning är att visa hur att hantera kolhydrater i samband med mikrovågsugn bestrålning.
När det gäller den överordnade reaktionen, har tidigare ansträngningar att uppnå spjälkning vanligtvis förlitat sig på starkt nukleofil reagenser och längre reaktionstider. Styrkan i den teknik som beskrivs häri är att mikrovågsugnen ger motorstarka värme i en mycket kort intervall, vilket möjliggör kvantitativa manipulation av en anomera nitrat ester. Hittills har metoden fungerar bäst med föreningar som är glukos som konfigurerats på C2 dvs ”ekvatoriella” alkohol på denna position. Föreningar som har ”axiella” mannos konfiguration på C2 måste genomgå långvarig bestrålning, eftersom de är resistenta mot hydrolys. Medan reaktionen sker i närvaro av bas för att binda den syra som produceras i den de-nitrering, base kan uteslutas för molekyler som inte är sura labila. Dessutom kan reaktionstider ökas för att hydrolysera molekyler som är resistenta mot reaktion (dvs. peracetylated sockerarter). När det gäller vattenrening, kan du rena alkohol som framställs efter mikrovågsugn reaktionen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingen konkurrerande finansiella intressen.
Acknowledgments
Författarna vill erkänna Vanderbilt University och Institutet för kemisk biologi för ekonomiskt stöd. Mr. Berkley Ellis och Prof. John McLean erkänns för högupplöst massa spektralanalys.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 230 400 mesh silica gel | SiliCycle Inc | R10030B | |
| TLC plates | SiliCycle Inc | TLG-R10014B-527 | |
| Ceric ammonium molybdate | Sigma-Aldrich | A1343 | |
| Solvent Still | Mbraun | MB-SPS-800 | |
| Infared spectrometer | Thermo | Thermo Electron IR100 | |
| Nuclear Magnetic Resonance | Bruker | 400, 600 MHz | |
| LC/MS | Thermo/Dionex | Single quad, ESI | |
| HRMS | Agilent | Synapt G2 S HDMS | |
| Microwave reactor | Anton Parr | Anton Parr G10 Monowave 200 | |
| DBU | Sigma-Aldrich | 139009 | |
| CCl3CN | Sigma-Aldrich | T53805 | |
| Pyridine | Sigma-Aldrich | 270970 | |
| Acetone | Fisher Scientific | A18-20 | Tech. grade |
| Phase separator | Biotage | 120-1901-A | |
| Rotary evaporator | Buchi | R-100 |
References
- Nicolaou, K. C., Mitchell, H. J. Adventures in Carbohydrate Chemistry: New Synthetic Technologies, Chemical Synthesis, Molecular Design, and Chemical Biology A list of abbreviations can be found at the end of this article. Telemachos Charalambous was an inspiring teacher at the Pancyprian Gymnasium, Nicosia, Cyprus. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 40 (9), 1576-1624 (2001).
- Danishefsky, S. J., Allen, J. R. From the laboratory to the clinic: A retrospective on fully synthetic carbohydrate-based anticancer vaccines. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 39 (5), 836-863 (2000).
- Nicolaou, K. C., Hale, C. R. H., Nilewski, C., Ioannidou, H. A. Constructing molecular complexity and diversity: total synthesis of natural products of biological and medicinal importance. Chemical Society Reviews. 41 (15), 5185-5238 (2012).
- Zhu, X., Schmidt, R. R. New principles for glycoside-bond formation. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 48 (11), 1900-1934 (2009).
- Danishefsky, S. J., Bilodeau, M. T. Glycals in organic synthesis: The evolution of comprehensive strategies for the assembly of oligosaccharides and glycoconjugates of biological consequence. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 35 (13-14), 1380-1419 (1996).
- Bongat, A. F., Demchenko, A. V. Recent trends in the synthesis of O-glycosides of 2-amino-2-deoxysugars. Carbohydr. Res. 342 (3-4), 374-406 (2007).
- Feizi, T., Fazio, F., Chai, W. C., Wong, C. H. Carbohydrate microarrays - a new set of technologies at the frontiers of glycomics. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (5), 637-645 (2003).
- Palmacci, E. R., Plante, O. J., Seeberger, P. H. Oligosaccharide synthesis in solution and on solid support with glycosyl phosphates. Eur. J. Org. Chem. (4), 595-606 (2002).
- Stallforth, P., Lepenies, B., Adibekian, A., Seeberger, P. H. 2009 Claude S. Hudson Award in Carbohydrate Chemistry. Carbohydrates: a frontier in medicinal chemistry. J. Med. Chem. 52 (18), 5561-5577 (2009).
- Danishefsky, S. J., Mcclure, K. F., Randolph, J. T., Ruggeri, R. B. A Strategy for the Solid-Phase Synthesis of Oligosaccharides. Science. 260 (5112), 1307-1309 (1993).
- Demchenko, A. V. Stereoselective chemical 1,2-cis O-glycosylation: From 'sugar ray' to modern techniques of the 21st century. Synlett. (9), 1225-1240 (2003).
- Fraserreid, B., Wu, Z. F., Udodong, U. E., Ottosson, H. Armed-Disarmed Effects in Glycosyl Donors - Rationalization and Sidetracking. J. Org. Chem. 55 (25), 6068-6070 (1990).
- Bohe, L., Crich, D. A propos of glycosyl cations and the mechanism of chemical glycosylation; the current state of the art. Carbohydr. Res. 403, 48-59 (2015).
- Toshima, K., Tatsuta, K. Recent Progress in O-Glycosylation Methods and Its Application to Natural-Products Synthesis. Chem. Rev. 93 (4), 1503-1531 (1993).
- Koenigs, W., Knorr, E. Ueber einige Derivate des Traubenzuckers und der Galactose. Chem. Ber. 34 (1), 957-981 (1901).
- Mukaiyama, T., Murai, Y., Shoda, S. An Efficient Method for Glucosylation of Hydroxy Compounds Using Glucopyranosyl Fluoride. Chem. Lett. (3), 431-432 (1981).
- Meloncelli, P. J., Martin, A. D., Lowary, T. L. Glycosyl iodides. History and recent advances. Carbohydrate Research. 344 (9), 1110-1122 (2009).
- Lian, G., Zhang, X., Yu, B. Thioglycosides in carbohydrate research. Carbohydr. Res. 403, 13-22 (2015).
- Schmidt, R. R., Kinzy, W. Anomeric-Oxygen Activation for Glycoside Synthesis - the Trichloroacetimidate Method. Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry. 50, 21-123 (1994).
- Schmidt, R. R., Toepfer, A. Glycosylation with highly reactive glycosyl donors: efficiency of the inverse procedure. Tetrahedron Lett. 32 (28), 3353-3356 (1991).
- Keith, D. J., Townsend, S. D. Direct, microwave-assisted substitution of anomeric nitrate-esters. Carbohydr. Res. 442, 20-24 (2017).
- Bukowski, R., et al. Synthesis and Conformational Analysis of the T-Antigen Disaccharide(B-D-Gal-(1->3)-a-D-GalNAc-OMe). Eur. J. Org. Chem. 14, 2697-2705 (2001).
