Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Cercosporin-Photocatalyzed [4+1]- och [4+2]-Annulations av azoalkener under lindriga förhållanden

Published: July 17, 2020 doi: 10.3791/60786
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1, 1, 2, 1
1Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, 2School of Pharmaceutical Science, Jiangnan University
* These authors contributed equally

Summary

Nya vägar för syntes av kvävehaltiga heterocykler som använder cercosporin som en metallfri fotokatalyst utvecklades.

Abstract

Intresset för kvävehaltiga heterocykler har ökat snabbt i det syntetiska samhället eftersom de är viktiga motiv för nya läkemedel. Traditionellt var de syntetiseras genom termiska cycloaddition reaktioner, medan idag, fotokatalys föredras på grund av de milda och effektiva förhållanden. Med detta fokus är en ny fotokatalytisk metod för syntes av kvävehaltiga heterocykler mycket önskvärt. Här rapporterar vi ett protokoll för biosyntesen av cercosporin, som kan fungera som en metall-fri photocatalyst. Vi illustrerar sedan cercosporin-photocatalyzed protokoll för syntes av kväve-innehållande heterocycles 1,2,3-tiodiazoler genom annulation av azoalkenes med KSCN och syntes av 1,4,5,6-tetrahydropyridazines [4+2] genom cyclodimerization av azoalkenes under milda förhållanden, respektive. Som ett resultat finns det en ny bro mellan den mikrobiella jäsningsmetoden och organisk syntes på ett milt, kostnadseffektivt, miljövänligt och hållbart sätt.

Introduction

Kvävehaltiga heterocykler har dragit stor uppmärksamhet eftersom de inte bara är viktiga skelett för ett brett spektrum av naturliga produkter med bioverksamhet, men också syntetiska prekursorer för agrokemikalier och läkemedelsmolekyler1,2. Bland de olika N-heterocykler, 1,2,3-tiodiazoler3,,4 och 1,4,5,6-tetrahydropyridazines5,6 är de viktigaste molekylerna, som används som mångsidiga intermediärer i den syntetiska kemin (Figur 1). N Eftersom modifiering av deras funktionella grupper alltid inducerar särskiljande farmakologiska aktiviteter, har omfattande ansträngningar ägnats åt att utveckla effektiva strategier för syntes av kvävehaltiga heterocykler och de var mestadels syntetiseras genom termisk cycloaddition reaktioner7,8,9,10. Numera, för att uppfylla kraven på hållbar utveckling och grön kemi, har fotokatalys utövat stor betydelse och fördelar11,12,13,14, som omfattar effektivitet15,,16,1717,18,19 och undvikande av stökiometriska reagenser föraktivering 20,,21. De kraftfulla och mångsidiga intermediärerna med fyra enheter, azoalkener (1,2-diaza-1,3-dienes)22,23,24,25,26,27,28,29, har använts som prekursorer i metallbaserade Ru(bpy)3Cl2-fotokatalyserade reaktioner med hög verkningsgrad för annlering av halogenohydrazin och ketokarbonyler30. Dessutom användes det också i det metallfria Eosin Y-fotokatalyserat systemet, men ger den önskade produkten i endast 7% avkastning. Eftersom metallfria fotokatalyster visar stor fördel jämfört med övergången metall-baserade photocatalysts, när det gäller miljöfaktorn samt billigare priser18,19, är det mycket viktigt att utveckla nya metallfria fotokatalytiska system för syntes av N-heterocykler. N

Cercosporin31,32,33,34,35, hypocrellin36,,37,38,39,,40, elsokomor41 och phleichrome42,43 (figur 2) tillhör perylenequinonoid pigment (PQPs) i naturen och produceras av endofytiska svampar, som har undersökts i stor utsträckning när det gäller deras fotofysiska och fotobiologiska egenskaper, och tillämpas i fotodynamisk terapi och fotofysisk diagnos, på grund av deras starka absorption i UV-vis-regionen och unika egenskaper av fotosensibilisering36,44,45,46,47. Vid bestrålning kan dessa PQPs uppmanas att upphetsad tillstånd och sedan generera aktiva arter genom energiöverföring (EnT) och elektronöverföring (ET)35,38,44,48,49,50,485151,52,53,54. Således föreställde vi oss att dessa naturliga PQPs kan användas som "metall-fri" photocatalysts att driva organiska reaktioner, som sällan har undersökts55,56,57,58,59.

Häri rapporterar vi protokollet för biosyntesen av cercosporin från vätskejäsning och tillämpar det sedan som en metallfri fotokatalyst för [4+1] ansynuleringsreaktion av azoalkener och KSCN, samt [4+2] cyklotimering av azoalkener, som levererar 1,2,3-tiodiazoler och 1,4,5,6- tetrahydropyridazines med hög verkningsgrad under milda förhållanden, respektive (figur 3).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OBS: α-Halo- N-acyl-hydrazones har utarbetats enligt en publicerad procedur60.N Alla lösningsmedel och andra kemiska reagenser erhölls från kommersiella källor utan ytterligare rening. Vi beskrev först syntesen av α-Halo- N-acyl-hydrazones och biosyntesen av cercosporin som en metall-fri photocatalyst.N Därefter illustrerade vi protokollen från cercosporin-photocatalyzed reaktioner för syntesen av 1,2,3-tiodiazoler och 1,4,5,6-tetrahydropyridazines.

VARNING: All manipulering ska utföras försiktigt med handskar, labbrock och skyddsglasögon. Det rekommenderas starkt att noggrant läsa MSDS för varje kemisk och lösningsmedel som används i dessa reaktioner och reningsprocessen. Kemikalier kan vägas ut på en balans på bänken. Alla organiska reaktioner bör ställas in i rökhuven och reningsprocessen bör också utföras i en rökhuva.

1. Beredning av α-Halo-N-acyl-hydrazoner

  1. Väg ut 10 mmol keton och 10 mmol bensoylhydrat i en kolv.
  2. Tillsätt 20 ml CH3OH i kolven.
  3. Utrusta kolven med en gummipropp och en omrörningsstång.
  4. Injicera 0,25 ml HCl långsamt i blandningen.
  5. Inkubera kolven i luften i rumstemperatur i 4 timmar.
  6. Samla fällningen efter reaktion genom filtrering och tvätta med aceton.
  7. Torka produkten genom vakuum och identifiera genom NMR.

2. Beredning av cercosporin

  1. Ladda en 3 L skaka kolv med 1 L S-7 medium.
  2. Inokulera den cercosporinproducerande stammen56 i skakkolven.
  3. Odling blandningen under ljusförhållanden vid 135 r/min, 25 °C i 2 veckor.
  4. Sätt jäsningsbuljongen att dammsuga filtrering med hjälp av en vakuumpump för att få supernatant och pellet.
  5. Samla pelleten och torka den i en frystork.
  6. Extrahera pelleten och supernatanten separat med 3 x 50 ml diklormetan.
  7. Kombinera de organiska faserna och tvätta med vatten 2-3 gånger.
  8. Koncentrera den organiska fasen under vakuum.
  9. Återupplösa återstoden med analytisk metanol och filtrera genom ett 0,18 μm organiskt mikrofiltreringsmembran.
  10. Rena cercosporin med en Sephadex LH-20 kolumn och identifiera av HPLC.

3. Beredning av 1,2,3-tiodiazoler

  1. Väg ut α-Halo- N-acyl-hydrazone (0,2 mmol, 1,0 eq), 1 mg cercosporin (0,002 mmol, 0,01 hästdjur), 27 mg tBuOK (1,2 hästdjur) och 39 mg KSCN (2 ekver) i ett 10 ml Schlenk-badkar utrustat med gummipropp och omrörningsstång.N
  2. Rena Schlenk röret med Nolla2 tre tider.
  3. Injicera torr CH3CN (2 mL) till Schlenkröret.
  4. Sätt Schlenk röret på en 5 W blå LED från botten för 16 h.
  5. Tvätta med 4 x 15 ml mättad NaCl-lösning och kombinera vattenfasen.
  6. Re-extrahera vattenfasen med 4 x 15 ml etylacetat.
  7. Kombinera ekologisk fas och torka med vattenfri Na2SO4.
  8. Ta bort lösningsmedlet med vakuumförångare.
  9. Rena produkten 3 med kiselgelkolonnkromatografi (eluent, petroleum: etylacetat = 10:1) och identifiera genom NMR.

4. Beredning av 1,4,5,6-tetrahydropyridazine

  1. Väg ut α-Halo- N-acyl-hydrazone (0,5 mmol), 2,7 mg cercosporin (0,01 hästdjur) och 195 mg Cs2CON3 (1,2 hästdjur) i ett 10 ml Schlenk-badkar utrustat med gummipropp och en omrörningsbar.
  2. Rena Schlenk röret med N2 tre tider.
  3. Injicera CH3CN/H2O (10:1, 2 ml) till Schlenkröret.
  4. Sätt Schlenk röret på en 5 W blå LED från botten för 16 h.
  5. Tvätta med 4 x 15 ml mättad NaCl-lösning och kombinera vattenfasen.
  6. Re-extrahera vattenfasen med 4 x 15 ml etylacetat.
  7. Kombinera ekologisk fas och torka med vattenfri Na2SO4.
  8. Ta bort lösningsmedlet med vakuumförångare.
  9. Rena produkten 4 med kiselgelkolonnkromatografi (eluent, petroleum: etylacetat = 10:1) och identifiera genom NMR.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Syntes av α-Halo-N-acyl-hydrazoner: De syntetiseras enligt protokoll 1.

Syntes av cercosporin: Det syntetiserades och renades enligt protokoll 2. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 14,82 (s, 2H, ArH), 7,06 (s, 2H, ArH), 5,57 (s, 2H, CH2), 4,20 (s, 6H, 2OCH3), 3,62-3,57 (m, 2H, CH2), 3,42-3,37 (m, 2H, CH2), 2,93-2,88 (m, 2H, CH2), 0,63 (d, 6H, J = 8 Hz, 2CH3) (figur 4). 13. C NMR (101 MHz, CDCl3): δ ppm 207.0, 181.8, 167.4, 163.4, 152.8, 135.4, 130.6, 127.9, 112.9, 109.3, 108.2, 92.6, 68.1, 61.2, 42.2, 19.3. HRMS (ESI-Q-TOF) exakta massa calcd för C29H25O10 [M-H]- 533.1448, hittade 533.1468.

Syntes av 4-Fenyl-1,2,3-tiodiazol (3a): Det syntetiserades och renades med protokoll 3 med 88% avkastning. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 8,66 (s, 1H), 8,07-8,05 (m, 2H), 7,55-7,44 (m, 3H) (figur 5). 13. C NMR (100 MHz, CDCl3): δ ppm 162.9, 130.8, 129.9, 129.4, 129.2, 127.4 (Figur 6). HRMS (ESI-Q-TOF) exakt massa calcd för C8H7N2S [M + H]+ 162.0330, hittade 163.0349.

Syntes av 4-(4-Fluorofenyl)-1,2,3-tiodiazol (3b): Det syntetiserades och renades med protokoll 3 med 72% avkastning. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 8,60 (s, 1H), 8,09-8,02 (m, 2H), 7,19-7,19 (m, 2H). 13. C NMR (100 MHz, CDCl3): δ ppm 164,3-161,9 (d, JC-F = 240 Hz), 161,3, 133,6, 129,8 (d, JC-F = 9,0 Hz), 127,8 (d, JC-F = 3,0 Hz), 116,7 (d, JC-F = 22,0 Hz). HRMS (ESI-Q-TOF) exakta massa calcd för C8H6FN2S [M + H]+ 181.0196, hittade 181.0191.

Syntes av 4-(4-klorfenyl)-1,2,3-tiodiazol (3c): Det syntetiserades och renades med protokoll 3 med 87% avkastning. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 8,65 (s, 1H), 8,00 (d, J = 8 Hz, 2H), 7,50 (d, J = 8 Hz, 2H). 13. C NMR (100 MHz, CDCl3): δ ppm 162.6, 135.5, 132.4, 129.4, 128.9, 128.7. HRMS (ESI-Q-TOF) exakta massa calcd för C8H6ClN2S [M + H]+ 196.9940, hittade 196.9940.

Syntes av 4-(4-Bromophenyl)-1,2,3-tiodiazol(3d): Det syntetiserades och renades med protokoll 3 med 78% avkastning. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 8,66 (s, 1H), 7,94 (d, J = 8 Hz, 2H), 7,65 (d, J = 8 Hz, 2H). 13. C NMR (100 MHz, CDCl3): δ ppm 161.2, 134.3, 132.7, 130.4, 129.6, 119.1. HRMS (ESI-Q-TOF) exakt massa calcd för C8H6BrN2S [M + H]+ 240.9435, hittade 240.9429.

Syntes av (3,6-Diphenyl-5,6-dihydropyridazin-1(4H)-yl)(fenyl)methanon (4a): Det syntetiserades och renades med protokoll 4 med 80% avkastning. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 7,84-7,82 (m, 2H), 7,60-7,58 (m, 2H), 7,49-7,44 (m, 3H), 7,33-7,30 (m, 5H), 7,26-7,24 (m, 1H), 7,18 (d, J = 8 Hz, 2H), 6,09 (s, 1H), 2,71-2,67 (m, 1H), 2,43-2,16 (m, 3H) (figur 7).

Syntes av (3,6-Bis(4-fluorofenyl)-5,6-dihydropyridazin-1(4H)-yl)(fenyl)methanone (4b): Det syntetiserades och renades med protokoll 4 med 72% avkastning. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 7,80-7,78 (m, 2H), 7,57-7,55 (m, 2H), 7,52-7,43 (m, 3H), 7,16-7,12 (m, 2H), 7,03-6,97 (m, 4H), 6,05 (s, 1H), 2,69-2,65 (m, 1H), 2,40-2,25 (m, 2H), 2,18-2,13 (m, 1H). 13. C NMR (100 MHz, CDCl3): δ ppm 170,2, 163,4 (d, 1JC-F = 248,1 Hz), 162,0 (d, 1JC-F = 244,1 Hz), 146,0, 135,5 (d, 4JC-F = 3,1 Hz), 135,1, 133,2 (d, 4JC-F = 3,2 Hz), 130,4, 129,9, 127,5, 127,2 (d, 3JC-F = 8,2 Hz), 127,1 (d, 3JC-F = 8,0 Hz), 115,7 (d, 2JC-F = 21,5 Hz), 115,4 (d, 2JC-F = 21,6 Hz), 50,9, 24,0, 18,7. 19 år . F NMR (376 MHz, CDCl3) (ppm) -111,7, -115,5. HRMS (ESI-Q-TOF) exakta massa calcd för C23H19F2N2O [M + H]+ 377.1465, hittade 377.1482.

Syntes av (3,6-Bis(4-klorfenyl)-5,6-dihydropyridazin-1(4H)-yl)(fenyl)methanone (4c): Det syntetiserades och renades med protokoll 4 med 70% avkastning. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 7,78 (d, J = 4 Hz, 2H), 7,50-7,43 (m, 5H), 7,30-7,26 (m, 5H), 7,10 (d, J = 8 Hz, 2H), 6,03 (s, 1H), 2,68-2,63 (m, 1H), 2,39-2,26 (m, 2H), 2,20-2,11 (m, 1H). 13. C NMR (100 MHz, CDCl3): δ ppm 170,2, 145,8, 138,3, 135,4, 135,3, 134,9, 133,2, 130,5, 129,9, 129,0, 128,6, 127,5, 126,9, 126,6, 51,2, 29,7, 19,8, 18,6. HRMS (ESI-Q-TOF) exakt massa calcd för C23H19Cl2N2O [M + H]+ 409.0874, hittade 409.0864.

Syntes av (3,6-Bis(4-bromofenyl)-5,6-dihydropyridazin-1(4H)-yl)(fenyl)methanone (4d): Det syntetiserades och renades med protokoll 4 med 82% avkastning. 1. H NMR (400 MHz, CDCl3): δ ppm 7,78 (d, J = 8 Hz, 2H), 7,52-7,40 (m, 9H), 7,04 (d, J = 8 Hz, 2H), 6,01 (s, 1H), 2,67-2,62 (m, 1H), 2,39-2,25 (m, 2H), 2,20-2,11 (m, 1H). 13. C NMR (100 MHz, CDCl3): δ ppm 170,2, 145,9, 138,9, 135,8, 134,8, 132,0, 131,6, 130,5, 129,9, 127,5, 127,2, 126,9, 119,6, 121,2, 51,3, 29,7, 19,8, 18,5. HRMS (ESI-Q-TOF) exakta massa calcd för C23H19Br2N2O [M + H]+ 498.9845, hittade 498.9799.

Dessa representativa resultat visar hur 4-aryl-1,2,3-tiodiazoler och 1,4,5,6-tetrahydropyridazines bekvämt kan syntetiseras av cercosporin-katalyserade fotokatalytiska reaktioner från α-Halo-N-acyl-hydrazone (Figur 8).

4-aryl-1,2,3-tiodiazoler erhölls med dessa villkor: 1 (0,2 mmol), KSCN (0,4 mmol), tBuOK (0,24 mmol), CH3CN (2,0 mL), cercosporin (1 mol%), 5 W blå LED, 16 h, vid rumstemperatur under O2 atmosfär (Figur 3 och figur 8). Förfarandet var lämpligt för substrat som bär både elektron-donera och elektron-accepterande grupper på fenylringen, vilket ger de önskade produkterna med måttlig till god avkastning.

1,4,5,6-tetrahydropyridazines erhölls med dessa villkor: 1 (0,5 mmol), Cs2CO3 (1,2 hästv) och cercosporin (1 mol%) i blandningen av MeCN och H2O (10:1) under N2-atmosfär (figur 3 och figur 8). De önskade produkterna erhölls i god till utmärkt avkastning.

Figure 1
Figur 1: Bioaktiva molekyler med N-heterocykler motiv. Anpassad med tillstånd från Zhang Y., Cao Y., Lu L. S., Zhang S. W., Bao W. H., Huang S. P., Rao Y. J. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-och [4+2]-Anteckningar av Azoalkenes: Photocatalytic Tillgång till 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivat, Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721, (2019). Copyright (2019) American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Representativa perylenequinonoidpigment i naturen. Anpassad med tillstånd från Zhang Y., Cao Y., Lu L. S., Zhang S. W., Bao W. H., Huang S. P., Rao Y. J. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-och [4+2]-Anteckningar av Azoalkenes: Photocatalytic Tillgång till 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivat, Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721, (2019). Copyright (2019) American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Cercosporin-katalyserad syntes av 1,2,3-thiaddiazoler och 1,4,5,6- Tetrahydropyridazines. Anpassad med tillstånd från Zhang Y., Cao Y., Lu L. S., Zhang S. W., Bao W. H., Huang S. P., Rao Y. J. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-och [4+2]-Anteckningar av Azoalkenes: Photocatalytic Tillgång till 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivat, Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721, (2019). Copyright (2019) American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: 1H-NMR-spektrum av cercosporin (400 MHz, CDCl3). Omtryckt med tillstånd från Zhang Y., Cao Y., Lu L. S., Zhang S. W., Bao W. H., Huang S. P., Rao Y. J. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-och [4+2]-Anteckningar av Azoalkenes: Photocatalytic Tillgång till 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivat, Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721, (2019). Copyright (2019) American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Representativt 1H-NMR-spektrum på 3a (400 MHz, CDCl3). Omtryckt med tillstånd från Zhang Y., Cao Y., Lu L. S., Zhang S. W., Bao W. H., Huang S. P., Rao Y. J. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-och [4+2]-Anteckningar av Azoalkenes: Photocatalytic Tillgång till 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivat, Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721, (2019). Copyright (2019) American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Representativt 13C-NMR-spektrum på 3a (400 MHz, CDCl3). Omtryckt med tillstånd från Zhang Y., Cao Y., Lu L. S., Zhang S. W., Bao W. H., Huang S. P., Rao Y. J. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-och [4+2]-Anteckningar av Azoalkenes: Photocatalytic Tillgång till 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivat, Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721, (2019). Copyright (2019) American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: Representativt 1H-NMR-spektrum på 4a (400 MHz, CDCl3). Omtryckt med tillstånd från Zhang Y., Cao Y., Lu L. S., Zhang S. W., Bao W. H., Huang S. P., Rao Y. J. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-och [4+2]-Anteckningar av Azoalkenes: Photocatalytic Tillgång till 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivat, Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721, (2019). Copyright (2019) American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8: Cercosporin-Katalyserad syntes av 4-aryl-1,2,3-tiodiazoler och 1,4,5,6-tetrahydropyridazines. Anpassad med tillstånd från Zhang Y., Cao Y., Lu L. S., Zhang S. W., Bao W. H., Huang S. P., Rao Y. J. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-och [4+2]-Anteckningar av Azoalkenes: Photocatalytic Tillgång till 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivat, Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721, (2019). Copyright (2019) American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kvävehaltiga heterocykler är viktiga motiv för många nya läkemedel och syntetiserades traditionellt genom termiska cycloadditionreaktioner. På grund av stort intresse, en ny fotokatalytisk metod för syntes av dessa föreningar är mycket önskvärt. För att dra nytta av de utmärkta fotosensitiseringsegenskaperna hos cercosporin applicerade vi cercosporin som en metallfri fotokatalyst i två kategorier av annulationsreaktioner för att syntetisera kvävehaltiga heterocykler.

Först rapporterade vi protokollet av cercosporin-photocatalyzed [4 +1] annulation av azoalkenes med KSCN under standardförhållanden: α-halo-N-acyl-hydrazone 1 (0,2 mmol), tBuOK (1 .2 hästdjur), KSCN 2 (2 häst, cercosporin (0,01 hästdjur), torr CH3CN (2 ml) och de resulterande blandningarna utsattes för 5 W blå LED för 16 timmar under en O2-atmosfär. KSCN funktionaliseras som en ambident nukleofil enhet här. Cercosporin, tBuOK, blått ljus och O2 var alla förutsättningar för denna reaktion. CH3 CN levererade den bästa avkastningen av produkten och 0,01 häst. av cercosporin var det optimerade förhållandet.

För det andra rapporterade vi protokollet för cercosporin-photocatalyzed [4 +2] annulering av azoalkenes under standardförhållanden: α-halo-N-acyl-hydrazone 1 (0,5 mmol), Cs2CO3 (1,2 hästdjur), cercosporin (0,01 hästdjur) (CH3CN/H2O = 10:1) 2 ml, och de resulterande blandningarna utsattes för en 5 W blå LED för 16 h under en N2 atmosfär. Kontrollexperimenten har gjorts för [4+2]-reaktionen som den var för [4+1]-reaktionen. I detta protokoll var tillsats av vatten och Cs2CO3 avgörande för självkondenseringen av α-halo- N-acyl-hydrazone.N Förhållandet mellan vatten och Cs2CO3 var också avgörande för att ge bästa avkastning för produkten.

Sammanfattningsvis har vi rapporterat biosyntesprotokollet för cercosporin och sedan tillämpat det som en metallfri fotokatalyst för syntes av N-heterocykler 4-aryl-1,2,3-tiodiazoler och 1,4,5,6-tetrahydropyaziridnes under lindriga förhållanden, genom [4+1] annulering av azoalkener med KSCN och [4+2] annulering av azoalkener. N Dessa reaktioner använde sig av kostnadseffektiv 5 W LED och kunde bearbetas enkelt, som levererade en ny ansökan i syntes. Viktigast av allt, vi byggde en bro mellan biosyntes och organisk syntes för design av N-heterocykler på ett milt, kostnadseffektivt, miljövänligt och hållbart sätt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Vi tackar för Kinas nationella viktiga FoU-program (2018YFA0901700), Natural Science Foundation i Jiangsu-provinsen (Grants No. BK20160167), Thousand Talents Plan (Young Professionals), Fundamental Research Funds for the Central Universities (JUSRP51712B), National First-class Discipline Program of Light Industry Technology and Engineering (LITE2018-14) och Postdoctoral Foundation in Jiangsu Province (2018K153C) för finansieringsstödet.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2,4'-Dibromoacetophenone ENERGY D0500850050
2'-bromo-4-chloroacetophenone ENERGY A0500400050
2-Bromo-4'-fluoroacetophenone ENERGY A050037-5g
2-Bromoacetophenone ENERGY A0500870050
4-Bromobenzhydrazide ENERGY B0103390010
4-Chlorobenzhydrazide ENERGY D0511130050
4-Fluorobenzhydrazide ENERGY B010461-5g
5 W blue LED PHILIPS 29237328756
Benzoyl hydrazine ENERGY D0500610250
CH2Cl2 SINOPHARM 80047360
CH3CN SINOPHARM S3485101
CH3OH SINOPHARM 100141190
Cs2CO3 ENERGY E060058-25g
Ethyl acetate SINOPHARM 40065986
freeze dryer LABCONCO 7934074
HPLC Agilent 1260 Infinity II
KSCN ENERGY E0104021000
Na2SO4 SINOPHARM 51024461
organic microfiltration membrane SINOPHARM 92412511
S-7 medium Gluose 1g; Fructose 3g; Sucrose 6g; Sodium acetate 1g; Soytone 1g; Phenylalanine 5mg; Sodium benzoate 100mg; 1M KH2P04 buffer ph6.8; Biotin 1mg; Ca(NO3)2 6.5mg; Pyridoxal 1mg; Calcium pantothenate 1mg; Thiamine 1mg; MnCl2 5mg; FeCl3 2mg; Cu(NO3)2 1mg; MgSO4 3.6mg; ZnSO4 2.5mg
Schlenk tub Synthware F891910
sephadex LH-20 column GE 17009001
shaker Lab Tools BSH00847
silica gel ENERGY E011242-1kg
tBuOK ENERGY E0610551000
vacuum bump Greatwall SHB-III
vacuum evaporator

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Majumdar, K. C., Chattopadhyay, S. K. Heterocycles in Natural Product Synthesis. ed, , 1st ed, Wiley-VCH. (2011).
  2. Taylor, R. D., MacCoss, M., Lawson, A. D. Rings in drugs. Journal of Medicinal Chemistry. 57 (14), 5845-5859 (2014).
  3. Bakulev, V. A., Dehaen, W. The Chemistry of 1,2,3-Thiadiazoles. , John Wiley & Sons. (2004).
  4. Dong, W. L., Liu, Z. X., Liu, X. H., Li, Z. M., Zhao, W. G. Synthesis and antiviral activity of new acrylamide derivatives containing 1,2,3-thiadiazole as inhibitors of hepatitis B virus replication. European Journal of Medicinal Chemistry. 45 (5), 1919-1926 (2010).
  5. Combs, D. W., Reese, K., Phillips, A. Nonsteroidal Progesterone-Receptor Ligands. 1. 3-Aryl-1-Benzoyl-1,4,5,6-Tetrahydropyridazines. Journal of Medicinal Chemistry. 38 (25), 4878-4879 (1995).
  6. Combs, D. W., et al. Nonsteroidal Progesterone-Receptor Ligands. 2. High-Affinity Ligands with Selectivity for Bone Cell Progesterone Receptors. Journal of Medicinal Chemistry. 38 (25), 4880-4884 (1995).
  7. Xu, S. L., Chen, R. S., Qin, Z. F., Wu, G. P., He, Z. J. Divergent Amine-Catalyzed [4+2] Annulation of Morita-Baylis-Hillman Allylic Acetates with Electron-Deficient Alkenes. Organic Letters. 14 (4), 996-999 (2012).
  8. Ishikawa, T., Kimura, M., Kumoi, T., Iida, H. Coupled Flavin-Iodine Redox Organocatalysts: Aerobic Oxidative Transformation from N-Tosylhydrazones to 1,2,3-Thiadiazoles. ACS Catalysis. 7 (8), 4986-4989 (2017).
  9. Chen, J. F., Jiang, Y., Yu, J. T., Cheng, J. TBAI-Catalyzed Reaction between N-Tosylhydrazones and Sulfur: A Procedure toward 1,2,3-Thiadiazole. Journal of Organic Chemistry. 81 (1), 271-275 (2016).
  10. Liu, B. B., Bai, H. W., Liu, H., Wang, S. Y., Ji, S. J. Cascade Trisulfur Radical Anion (S3(*-)) Addition/Electron Detosylation Process for the Synthesis of 1,2,3-Thiadiazoles and Isothiazoles. Journal of Organic Chemistry. 83 (17), 10281-10288 (2018).
  11. Staveness, D., Bosque, I., Stephenson, C. R. J. Free Radical Chemistry Enabled by Visible Light-Induced Electron Transfer. Accounts of Chemical Research. 49 (10), 2295-2306 (2016).
  12. Corrigan, N., Shanmugam, S., Xu, J. T., Boyer, C. Photocatalysis in organic and polymer synthesis. Chemical Society Reviews. 45 (22), 6165-6212 (2016).
  13. Shaw, M. H., Twilton, J., MacMillan, D. W. C. Photoredox Catalysis in Organic Chemistry. Journal of Organic Chemistry. 81 (16), 6898-6926 (2016).
  14. Marzo, L., Pagire, S. K., Reiser, O., Konig, B. Visible-Light Photocatalysis: Does It Make a Difference in Organic Synthesis? Angewandte Chemie-International Edition. 57 (32), 10034-10072 (2018).
  15. Prier, C. K., Rankic, D. A., MacMillan, D. W. C. Visible Light Photoredox Catalysis with Transition Metal Complexes: Applications in Organic Synthesis. Chemical Reviews. 113 (7), 5322-5363 (2013).
  16. Reckenthaler, M., Griesbeck, A. G. Photoredox Catalysis for Organic Syntheses. Advanced Synthesis & Catalysis. 355 (14-15), 2727-2744 (2013).
  17. Nicewicz, D. A., Nguyen, T. M. Recent Applications of Organic Dyes as Photoredox Catalysts in Organic Synthesis. ACS Catalysis. 4 (1), 355-360 (2014).
  18. Pitre, S. P., McTiernan, C. D., Scaiano, J. C. Understanding the Kinetics and Spectroscopy of Photoredox Catalysis and Transition-Metal-Free Alternatives. Accounts of Chemical Research. 49 (6), 1320-1330 (2016).
  19. Romero, N. A., Nicewicz, D. A. Organic Photoredox Catalysis. Chemical Reviews. 116 (17), 10075-10166 (2016).
  20. Albini, A., Fagnoni, M. Photochemically-Generated Intermediates in Synthesis. , John Wiley & Sons. (2013).
  21. Chen, J. R., Hu, X. Q., Lu, L. Q., Xiao, W. J. Exploration of Visible-Light Photocatalysis in Heterocycle Synthesis and Functionalization: Reaction Design and Beyond. Accounts of Chemical Research. 49 (9), 1911-1923 (2016).
  22. Attanasi, O. A., et al. Cultivating the Passion to Build Heterocycles from 1,2-Diaza-1,3-dienes: the Force of Imagination. European Journal of Organic Chemistry. 19, 3109-3127 (2009).
  23. Attanasi, O. A., Filippone, P. Working twenty years on conjugated azo-alkenes (and environs) to find new entries in organic synthesis. Synlett. 10, 1128-1140 (1997).
  24. Deng, Y., Pei, C., Arman, H., Dong, K., Xu, X., Doyle, M. P. Syntheses of Tetrahydropyridazine and Tetrahydro-1,2-diazepine Scaffolds through Cycloaddition Reactions of Azoalkenes with Enol Diazoacetates. Organic Letters. 18 (22), 5884-5887 (2016).
  25. Guo, C., Sahoo, B., Daniliuc, C. G., Glorius, F. N-heterocyclic carbene catalyzed switchable reactions of enals with azoalkenes: formal [4+3] and [4+1] annulations for the synthesis of 1,2-diazepines and pyrazoles. Journal of American Chemistry Society. 136 (50), 17402-17405 (2014).
  26. Attanasi, O. A., et al. Interceptive [4+1] annulation of in situ generated 1,2-diaza-1,3-dienes with diazo esters: direct access to substituted mono-, bi-, and tricyclic 4,5-dihydropyrazoles. Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 8331-8338 (2014).
  27. Li, J., Huang, R., Xing, Y. K., Qiu, G., Tao, H. Y., Wang, C. J. Catalytic Asymmetric Cascade Vinylogous Mukaiyama 1,6-Michael/Michael Addition of 2-Silyloxyfurans with Azoalkenes: Direct Approach to Fused Butyrolactones. Journal of the American Chemical Society. 137 (32), 10124-10127 (2015).
  28. Huang, R., Chang, X., Li, J., Wang, C. J. Cu(I)-Catalyzed Asymmetric Multicomponent Cascade Inverse Electron-Demand Aza-Diels-Alder/Nucleophilic Addition/Ring-Opening Reaction Involving 2-Methoxyfurans as Efficient Dienophiles. Journal of the American Chemical Society. 138 (12), 3998-4001 (2016).
  29. Tong, M. C., et al. Catalytic asymmetric synthesis of [2,3]-fused indoline heterocycles through inverse-electron-demand aza-Diels-Alder reaction of indoles with azoalkenes. Angew Chemistry International Edition English. 53 (18), 4680-4684 (2014).
  30. Yu, J. M., Lu, G. P., Cai, C. Photocatalytic radical cyclization of alpha-halo hydrazones with beta-ketocarbonyls: facile access to substituted dihydropyrazoles. Chemistry Communication (Camb.). 53 (38), 5342-5345 (2017).
  31. Kuyama, S., Tamura, T. Cercosporin. A pigment of Cercosporina kikuchii Matsumoto et Tomoyasu. I. Cultivation of fungus, isolation and purification of pigment. Journal of the American Chemical Society. 79 (21), 5725-5726 (1957).
  32. Kuyama, S., Tamura, T. Cercosporin. A pigment of Cercosporina kikuchii Matsumoto et Tomoyasu. II. Physical and chemical properties of cercosporin and its derivatives. Journal of the American Chemical Society. 79 (21), 5726-5729 (1957).
  33. Daub, M. E. Resistance of fungi to the photosensitizing toxin, cercosporin. Phytopathology. 77 (11), 1515-1520 (1987).
  34. Jalal, M. A. F., Hossain, M. B., Robeson, D. J., Vanderhelm, D. Cercospora-Beticola Phytotoxins - Cebetins That Are Photoactive, Mg2+-Binding, Chlorinated Anthraquinone Xanthone Conjugates. Journal of the American Chemical Society. 114 (15), 5967-5971 (1992).
  35. Daub, M. E., Ehrenshaft, M. The photoactivated Cercospora toxin cercosporin: Contributions to plant disease and fundamental biology. Annual Review of Phytopathology. 38 (1), 461-490 (2000).
  36. Diwu, Z. J., Lown, J. W. Photosensitization with Anticancer Agents. 14. Perylenequinonoid Pigments as New Potential Photodynamic Therapeutic Agents - Formation of Tautomeric Semiquinone Radicals. Journal of Photochemistry and Photobiology A-Chemistry. 69 (2), 191-199 (1992).
  37. Hu, Y. Z., An, J. Y., Jiang, L. J., Chen, D. W. Spectroscopic Study on the Photoreduction of Hypocrellin-a - Generation of Semiquinone Radical-Anion and Hydroquinone. Journal of Photochemistry and Photobiology A-Chemistry. 89 (1), 45-51 (1995).
  38. Hu, Y. Z., Jiang, L. J., Chiang, L. C. Characteristics of the reaction between semiquinone radical anion of hypocrellin A and oxygen in aprotic media. Journal of Photochemistry and Photobiology A-Chemistry. 94 (1), 37-41 (1996).
  39. Zhang, M. H., et al. Study of electron transfer interaction between hypocrellin and N,N-diethylaniline by UV-visible, fluorescence, electron spin resonance spectra and time-resolved transient absorption spectra. Journal of Photochemistry and Photobiology A-Chemistry. 96 (1-3), 57-63 (1996).
  40. He, Y. Y., An, J. Y., Jiang, L. J. pH Effect on the spectroscopic behavior and photoinduced generation of semiquinone anion radical of hypocrellin B. Dyes and Pigments. 41 (1-2), 79-87 (1999).
  41. Li, C., et al. Photophysical and photosensitive properties of Elsinochrome A. Chinese Science Bulletin. 51 (9), 1050-1054 (2006).
  42. So, K. K., et al. Improved production of phleichrome from the phytopathogenic fungus Cladosporium phlei using synthetic inducers and photodynamic ROS production by phleichrome. Journal of Bioscience and Bioengineering. 119 (3), 289-296 (2015).
  43. Hudson, J. B., Imperial, V., Haugland, R. P., Diwu, Z. Antiviral activities of photoactive perylenequinones. Photochemistry and Photobiology. 65 (2), 352-354 (1997).
  44. Diwu, Z. J., Lown, J. W. Photosensitization by Anticancer Agents. 12. Perylene Quinonoid Pigments, a Novel Type of Singlet Oxygen Sensitizer. Journal of Photochemistry and Photobiology A-Chemistry. 64 (3), 273-287 (1992).
  45. Diwu, Z. J., Zimmermann, J., Meyer, T., Lown, J. W. Design, Synthesis and Investigation of Mechanisms of Action of Novel Protein-Kinase-C Inhibitors - Perylenequinonoid Pigments. Biochemical Pharmacology. 47 (2), 373-385 (1994).
  46. Guedes, R. C., Eriksson, L. A. Photophysics, photochemistry, and reactivity: Molecular aspects of perylenequinone reactions. Photochemical & Photobiological Sciences. 6 (10), 1089-1096 (2007).
  47. Mulrooney, C. A., O'Brien, E. M., Morgan, B. J., Kozlowski, M. C. Perylenequinones: Isolation, Synthesis, and Biological Activity. European Journal of Organic Chemistry. (21), 3887-3904 (2012).
  48. Daub, M. E., Hangarter, R. P. Light-induced production of singlet oxygen and superoxide by the fungal toxin, cercosporin. Plant Physiololgy. 73 (3), 855-857 (1983).
  49. Daub, M. E., Leisman, G. B., Clark, R. A., Bowden, E. F. Reductive Detoxification as a Mechanism of Fungal Resistance to Singlet Oxygen-Generating Photosensitizers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 89 (20), 9588-9592 (1992).
  50. Leisman, G. B., Daub, M. E. Singlet Oxygen Yields, Optical-Properties, and Phototoxicity of Reduced Derivatives of the Photosensitizer Cercosporin. Photochemistry Photobiology. 55 (3), 373-379 (1992).
  51. Bilski, P., Li, M. Y., Ehrenshaft, M., Daub, M. E., Chignell, C. F. Vitamin B6 (pyridoxine) and its derivatives are efficient singlet oxygen quenchers and potential fungal antioxidants. Photochemistry Photobiology. 71 (2), 129-134 (2000).
  52. Xing, M. Z., Zhang, X. Z., Sun, Z. L., Zhang, H. Y. Perylenequinones act as broad-spectrum fungicides by generating reactive oxygen species both in the dark and in the light. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 51 (26), 7722-7724 (2003).
  53. Weng, M., Zhang, M. H., Shen, T. Electron transfer interaction between hypocrellin A and biological substrates and quantitative analysis of superoxide anion radicals. Journal of the Chemical Society-Perkin Transactions. 2 (11), 2393-2397 (1997).
  54. Daub, M. E., Li, M., Bilski, P., Chignell, C. F. Dihydrocercosporin singlet oxygen production and subcellular localization: A possible defense against cercosporin phototoxicity in Cercospora. Photochemistry and Photobiology. 71 (2), 135-140 (2000).
  55. Zhang, S. W., et al. Perylenequinonoid-catalyzed photoredox activation for the direct arylation of (het)arenes with sunlight. Organic & Biomolecular Chemistry. 17 (17), 4364-4369 (2019).
  56. Zhang, Y., et al. Perylenequinonoid-Catalyzed [4+1]-and [4+2]-Annulations of Azoalkenes: Photocatalytic Access to 1, 2, 3-Thiadiazole/1, 4, 5, 6-Tetrahydropyridazine Derivatives. Journal of Organic Chemistry. 84 (12), 7711-7721 (2019).
  57. Li, J., et al. Cercosporin-Bioinspired Selective Photooxidation Reactions under Mild Conditions. Green Chemistry. 21 (22), 6073-6081 (2019).
  58. Tang, Z., et al. Cercosporin-bioinspired photoreductive activation of aryl halides under mild conditions. Journal of Catalysis. 380, 1-8 (2019).
  59. Li, J., Bao, W., Zhang, Y., Rao, Y. Cercosporin-photocatalyzed sp3 (C-H) Activation for the Synthesis of Pyrrolo[3,4-c]quinolones. Organic & Biomolecular Chemistry. 17 (40), 8958-8962 (2019).
  60. Wang, F., Chen, C., Deng, G., Xi, C. J. Concise Approach to Benzisothiazol-3(2H)-one via Copper-Catalyzed Tandem Reaction of o-Bromobenzamide and Potassium Thiocyanate in Water. Journal of Organic Chemistry. 77 (8), 4148-4151 (2012).

Tags

Kemi utgåva 161 Perylenequinonoid Cercosporin Fotokatalys 1,2,3-Thiadiazol 1,4,5,6-Tetrahydropyridazine Heterocykler
Cercosporin-Photocatalyzed [4+1]- och [4+2]-Annulations av azoalkener under lindriga förhållanden
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Icyishaka, P., Li, C., Lu, L., Bao,… More

Icyishaka, P., Li, C., Lu, L., Bao, W., Li, J., Zhang, Y., Rao, Y. Cercosporin-Photocatalyzed [4+1]- and [4+2]-Annulations of Azoalkenes Under Mild Conditions. J. Vis. Exp. (161), e60786, doi:10.3791/60786 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter