Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Fremstilling af enantiopure ikke-aktiverede aziridiner og syntese af biemamid B, D og epiallo-isomuscarin

Published: June 13, 2022 doi: 10.3791/63705
Automatic Translation
1, 1
1Department of Chemistry, Hankuk University of Foreign Studies

Summary

I denne undersøgelse forbereder vi både enantiomerer af aziridin-2-carboxylat, som anvendes i den asymmetriske syntese af alkaloider, herunder biemamid B og D, og (-) -epiallo-isomuscarin.

Abstract

Nitrogenholdige heterocykliske aziridiner er syntetisk meget værdifulde til fremstilling af azacykliske og acykliske molekyler. Det er imidlertid meget vanskeligt og besværligt at fremstille azariridiner i optisk rene former i stor skala for at anvende asymmetrisk syntese af azaforbindelser. Heldigvis opnåede vi med succes både enantiomerer (2R)- og (2S)-aziridin-2-carboxylater med den elektrondonerende α-methylbenzylgruppe ved ringkvælstof som ikke-aktiverede aziridiner. Disse startende aziridiner har to forskellige funktionelle grupper - stærkt reaktiv treledet ring og alsidig carboxylat. De kan anvendes i ringåbning eller ringtransformation med aziridin og i funktionel gruppetransformation til andre fra carboxylat. Begge disse enantiomerer blev anvendt til fremstilling af biologisk vigtige amino acykliske og / eller aza-heterocykliske forbindelser på en asymmetrisk måde. Specifikt beskriver denne rapport den første hensigtsmæssige asymmetriske syntese af både enantiomerer af 5, 6-dihydrouracil-type marine naturlige produkter biemamid B og D som potentielle TGF-β hæmmere. Denne syntese bestod af regio- og stereoselektiv ringåbningsreaktion af azieridin-2-carboxylat og efterfølgende dannelse af 4-aminoteterahydropyrimidin-2,4-dion. Endnu et eksempel i denne protokol behandlede en meget stereoselektiv Mukaiyama-reaktion af aziridin-2-carboxylat og silylenolether efter intramolekylær aziridinringåbning for at give let og letkøbt adgang til (-) epiallo-isomuscarin.

Introduction

Små ringe bestående af cyclopropaner, oxiriner og aziridiner findes i forskellige forbindelser såsom naturlige produkter og lægemidler 1,2. De bruges primært som udgangsmaterialer, der udnytter deres ringstamme. Blandt de tre-ringforbindelser er azieridin blevet undersøgt mindre omfattende på grund af dets ustabilitet og ukontrollable reaktivitet3. Som vist i de elektrostatiske potentialekort (figur 1) gør en gruppe knyttet til azieridinring-nitrogen, hvad enten det er elektrondonerende eller elektrontiltrækkende, nitrogenets grundlæggende karakter anderledes. Denne forskel giver en slående kontrast til reaktiviteten og selektiviteten af de tilsvarende aziridiner.

Figure 1
Figur 1: Kemiske strukturer af "aktiverede" og "ikke-aktiverede" aziridiner og elektrostatiske potentialekort over deres repræsentative eksempler N-methylaziridin og N-acetylaziridin4. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Ranjith et al.4. Klik her for at se en større version af denne figur.

Når ringkvælstofet har en elektronudtagende gruppe, såsom sulfonat, fosfonat og carbamat, kalder vi det "aktiveret" aziridin. Dette er let reaktivt med nukleofiler for at kompensere for dets ustabilitet med et begrænset omfang af regiokemi. Disse aktiverede aziridiner fremstilles gennem forskellige katalytiske metoder og anvendes som udgangsmateriale. Meget af nyere aziridinkemi har behandlet disse aktiverede aziridiner. Aktiverede aziridiner lider imidlertid visse begrænsninger som følge af deres ustabilitet og begrænsede reaktionsomfang af ringåbningen. På den anden side er aziridiner, der bærer elektrondonerende substituenter, som alkyl eller substituerede alkylgrupper, ved ringkvælstof kaldet "ikke-aktiveret"4, relativt stabile under de fleste omstændigheder og kan efterlades på bænken i lang tid uden signifikant nedbrydning. De nukleofile ringåbningsreaktioner af ikke-aktiveret aziridin forekommer via dannelsen af aziridiniumioner. De fleste reaktioner af aziridinringåbning og ringtransformationer fortsætter på en meget regiokemisk måde. Imidlertid diskuterer meget få litteraturrapporter fremstillingen af optisk rene ikke-aktiverede aziridiner med substituenter på C2- eller C3-positionerne 5,6.

Dette papir viser den vellykkede fremstilling af α-methylbenzylgruppe-indeholdende chiral aziridin-2-carboxylatderivater, specifikt (-)-mentolyl (1R)-phenylethylaziridin-2-carboxylater som dets diastereomere blanding, fra reaktionen af 2,3-dibromopropionat og (1R) -phenylethylamin. Fra denne diastereomere blanding blev enantiopure (1R)-phenylethyl-(2R)- og (2S)-aziridin-2-carboxylater som deres (-)-mentolylestere opnået i optisk rene former ved selektiv omkrystallisation fra MeOH og n-pentan på multi-hundrede kilo skalaer (figur 1)7. Disse (-)-mentolestere kan let omdannes til deres ethyl- eller methylestere ved omesterificering under tilstedeværelse af magnesium- eller kaliumcarbonat7. Disse forbindelser kan også let fremstilles på laboratorieskala ud fra reaktionerne af alkyl 2,3-dibrompropionater eller vinyltriflatet af α-ketoester med chiral 2-phenylethylamin efterfulgt af adskillelse af den diastereomere blanding ved anvendelse af simpel flashkolonnekromatografi8.

Når vi har enantiopure chiral aziridin-2-carboxylat, kan vi syntetisere forskellige cykliske og acykliske nitrogenholdige biologisk vigtige målmolekyler baseret på funktionelle gruppetransformationer af carboxylat og stærkt regio- og stereoselektive aziridinringsåbningsreaktioner 6,9,10. Den første hensigtsmæssige asymmetriske syntese blev anvendt på både enantiomerer af 5, 6-dihydrouracil-type marine naturlige produkter biemamid B og D som potentielle TGF-β hæmmere11,12. For det andet blev den diastereoselektive syntese af β-(aziridin-2-yl)-β-hydroxy ketoner opnået ved Mukaiyama aldol-reaktion af optisk ren 1-(1-phenylethyl)-aziridin-2-carboxaldehyd og forskellige enolsilianer i nærværelse af ZnCl2 i højt udbytte (>82%) med næsten perfekt stereoselektivitet (98: 2 dr) via en kelationskontrolleret overgangstilstand. Disse blev anvendt til asymmetrisk syntese af epiallo-isomuscarinalkaloider 13,14,15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntese af den diastereomere blanding af chiral aziridin (-)-mentolesterderivat (1)

  1. Der tilsættes 2,3-dibrompropan (-)-mentolester 1a (5,0 g, 13,58 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk omrøringsstang til en ovntørret 250 ml tohalset rundbundet kolbe i nitrogen (N2)-atmosfære.
  2. Vandfrit acetonitril (60 ml) tilsættes til reaktionskolben med en lufttæt sprøjte.
  3. Reaktionsblandingen afkøles derefter ved 0 °C ved hjælp af et isbad, og reaktionsblandingen omrøres i 5 min.
  4. Kaliumcarbonat (5,6 g, 40,74 mM, 3,0 equiv) tilsættes i reaktionsblandingen ved samme temperatur og omrøres i 30 min.
  5. Der tilsættes (2R)-phenylethylamin (2,0 ml, 16,29 nM, 1,2 equiv) dråbevis ved stuetemperatur (RT), og reaktionsblandingen omrøres i 12 timer.
  6. Reaktionsforløbet ved hjælp af tyndtlagskromatografi overvåges ved anvendelse af 9:1 v/v hexan:ethylacetat (EtOAc; Rf = 0,4) som elueret.
  7. Når reaktionen er afsluttet, filtreres blandingen over filterpapir (porestørrelse 70 mm).
  8. Derefter tilsættes vand (30 ml) i det organiske filtrat og ekstraheres det organiske lag med Et2O (2 x 50 ml) to gange ved hjælp af en skilletragt.
  9. De kombinerede organiske ekstrakter over 7,5 g vandfri Na2SO4 tørres, og der koncentreres i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper.
    BEMÆRK: Nu opnås en rå blanding af diastereomer chiral aziridin indeholdende begge isomerer af (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat og (S)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (4,1 g, 90%).
  10. Isolering af chiral aziridin (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl 1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (2) ved en selektiv krystallisationsmetode
    1. Der tilsættes 8,7 g af den rå blanding af chiral aziridin (-)-mentolester 1-derivat og opløses i 70 ml methanol til en ovntørret 250 ml rundhalset kolbe med en hals.
    2. Reaktionsblandingen opvarmes nu op til 70 °C ved hjælp af et varmtvandsbad, hvorefter reaktionsblandingen afkøles ved -10 °C, indtil der dannes fast krystal.
    3. Den faste forbindelse filtreres over et filterpapir (porestørrelse 70 mm) for at opnå 2,2 g (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl 1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (2) ester.
    4. Filtratopløsningen koncentreres igen i vakuo (<15 mbar) ved anvendelse af en roterende fordamper, 50 ml ethanol opløses i den resterende reaktionsblanding og omkrystalliseres ved -10 °C for at opnå 1,2 g (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl 1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (2).
    5. På dette tidspunkt skal du bruge den anden alkoholethanol på samme måde som methanol.
    6. Efter omkrystallisation filtreres igen over et filterpapir (porestørrelse 70 mm), koncentreres den resterende rå 5,3 g filtratopløsning fuldstændigt i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper og tilsættes 50 ml pentancarbonhydridopløsningsmiddel.
    7. Den resterende reaktionsopløsning opbevares ved -15 °C.
      BEMÆRK: Nu opnås en fast forbindelse på næsten 1,9 g (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylatester (3).
    8. Efter opnåelse af krystaller koncentreres opløsningen igen i vakuo (<15 mbar) ved anvendelse af en roterende fordamper og opløses i 30 ml pentancarbonhydridopløsningsmiddel.
    9. Omkrystalliseres igen ved -15 °C for at opnå 0,8 g (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylatester (2').
  11. Opnåelse af (R)-ethyl-1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (3)
    1. Der tilsættes (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (2) (0,167 g, 0,57 mM) og en magnetisk omrøringsstang til en ovntørret 25 ml tohalset rundbundet kolbe under nitrogen (N2) atmosfære.
    2. Der tilsættes 1,8 ml ethanol til reaktionskolben med en lufttæt sprøjte, og den omrøres ved RT.
    3. Derefter tilsættes kaliumcarbonat (0,40 g, 20,28 mmol, 4,0 equiv) og omrøres ved RT i 2 dage.
    4. Reaktionsforløbet overvåges ved hjælp af tyndtlagskromatografi (eluent, 8:2 v/v, hexan:ethylacetat (EtOAc), Rf = 0,6).
    5. Når reaktionen er afsluttet, filtreres blandingen over filterpapir (porestørrelse 70 mm), tilsættes derefter vand (5 ml) i det organiske filtrat og ekstraheres det organiske lag medCH2Cl2 (2 x 15 ml) to gange ved hjælp af en skilletragt.
    6. De kombinerede organiske ekstrakter over 3,0 g vandfri Na2SO4 tørres, og der koncentreres i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper.
    7. Det rå produkt renses ved normalfasekolonnekromatografi på silicagel (70-230 mesh) for at give et rent produkt (R)-ethyl 1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (3) (950 mg, 88%). Rf (30% EtOAc/hexan = 0,50).

2. Regio- og stereoselektiv azieridinringåbning ved azidnukleofil til total syntese af biemamid B og biemamid D

  1. Syntese af (R)-ethyl-2-azido-3-(((R)-1-phenylethyl)amino)propanoat (5)
    1. Overførsel (500 mg, 2,20 mM, 1,0 equiv) chiral (S)-ethyl 1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (4) og en magnetisk omrøringsstang til en ovntørret 50 ml tohalset rundbundet kolbe i åben atmosfære.
    2. Der tilsættes 50% vandig ethanol (15 ml) til reaktionsblandingen.
    3. Reaktionsblandingen afkøles ved 0 °C, og der tilsættes koncentreret svovlsyre (36 N) dråbevis for at opretholde næsten pH 4,0, og der omrøres i 5 min.
    4. Natriumazid (370 mg, 5,70 mM, 2,5 ækvivalent) tilsættes ved 0 °C, og reaktionsblandingen omrøres i 10 minutter ved samme temperatur og opvarmes derefter ved RT.
    5. Derefter tilsættes AlCl3∙6H2O (55 mg, 0,22 mM, 0,1 equiv) som katalysator ved samme RT og tillades omrøring i yderligere 3 timer.
    6. Reaktionsforløbet overvåges ved hjælp af tyndtlagskromatografi (eluent, 6:4 v/v, hexan:ethylacetat (EtOAc), Rf = 0,2).
    7. Sluk reaktionsblandingen med to portioner 20 ml mættet NaHCO3.
    8. Derefter filtreres den rå blanding over en celitpude med ethanol (2 x 10 ml).
    9. Reaktionsblandingen koncentreres i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper.
    10. Det organiske lag ekstraheres medCH2Cl2 (2 x 50 ml) to gange ved hjælp af en skilletragt.
    11. Tør derefter det kombinerede organiske lag over 5,0 g vandfri Na2SO4 i 5 min.
    12. Koncentrer det rå organiske lag i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper for at få råd til et rå azidprodukt.
    13. Råproduktet renses med normalfasekolonnekromatografi på silicagel (70-230 mesh) ved eluering med 40% EtOAc/hexan (Rf = 0,20) for at opnå 490 mg (90% udbytte) (R)-ethyl 2-azido-3-((((R)-1-phenylethyl)amino)propanoat (5) som en tyktflydende væske.
  2. Syntese af (9H-Fluoren-9-yl)methyl(3-(((R)-3-methyl-2,4-dioxo-1-((R)-1 phenylethyl)hexahydro pyrimidin-5-yl)amino)-3-oxopropyl)carbamat (7)
    1. 150 mg chiral (R)-5-amino-3-methyl-1-((R)-1-phenylethyl) dihydropyrimidin-2,4(1H,3H)-dione (6) (150 mg, 0,60 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk omrøringsstang til en ovntørret 25 ml tohalset rundbundet kolbe under N2 atmosfære.
    2. Der tilsættes tørCH2Cl2 (15,0 ml) til reaktionskolben med en lufttæt sprøjte.
    3. Reaktionsblandingen afkøles derefter ved 0 °C ved hjælp af et isbad, og reaktionsblandingen omrøres i 5 min.
    4. Tilsæt Fmoc-beta-alanin (377 mg, 1,20 mM, 2,0 equiv) og DIPEA (0,67 ml, 3,64 mM, 6,0 equiv) ved 0 °C og rør det i 5 min.
    5. Der tilsættes EDCI (347 mg, 1,82 mM, 3,0 equiv) og HOBt (165 mg, 1,21 mM, 2,0 equiv) til reaktionsblandingen ved 0 °C, og der omrøres i 10 minutter ved samme temperatur.
    6. Reaktionsblandingen opbevares ved RT, og der omrøres yderligere 8 timer.
    7. Reaktionsforløbet overvåges ved hjælp af tyndtlagskromatografi under anvendelse af (2:8 v/v, hexan:ethylacetat (EtOAc), Rf = 0,4) som eluent.
    8. Sluk reaktionsblandingen med vand (10 ml).
    9. Vask det kombinerede organiske lag med saltlage (15 ml), og ekstraher derefter det organiske lag medCH2Cl2 (2 x 20 ml) to gange ved hjælp af en skilletragt.
    10. Tør derefter det kombinerede organiske lag over 5,0 g vandfri Na2SO4 i 5 minutter og koncentrer det i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper.
    11. Det rå produkt renses med normalfasekolonnekromatografi på silicagel (70-230 mesh) ved eluering med 80% EtOAc/hexan (Rf = 0,40) for at give 295 mg (7) (90% udbytte).

3. Stereoselektiv Mukaiyama aldolreaktion med chiral aziridin-2-carboxaldehyd og dets regio- og stereoselektive aziridinringåbning ved intern hydroxynukleofil til total syntese af (-)- epiallo-somuscarin (17)

  1. Syntese af (S)-4-hydroxy-4-((R)-1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-yl)butan-2-on (12)
    1. Overførsel (R)-1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carbaldehyd (10) (140 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk rørestang til en ovntørret 25 ml tohalset rundbundet kolbe under N2 atmosfære.
    2. Der tilsættes tørCH3CN (4,0 ml) til reaktionskolben med en lufttæt sprøjte.
    3. Reaktionsblandingen afkøles derefter ved -20 °C ved hjælp af et isacetonbad, og reaktionsblandingen omrøres i 5 min.
    4. Der tilsættes vandfritZnCl2 (108 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) til reaktionsblandingen ved -20 °C, og der omrøres i 5 min.
    5. Derefter tilsættes trimethyl(prop-1-en-2-yloxy)silan (11) (104 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) opløst i tørCH3CN (3,0 ml) til reaktionsblandingen ved -20 °C dråbevis, og reaktionsblandingen omrøres i 1 time ved samme temperatur.
    6. Reaktionsforløbet overvåges ved hjælp af tyndtlagskromatografi med 8:2 v/v hexan:ethylacetat (EtOAc), Rf = 0,2) som eluent.
    7. Sluk reaktionsblandingen med mættet NaHCO3 (4 ml).
    8. Ekstraher det organiske lag med EtOAc (2 x 15 ml) to gange ved hjælp af en skilletragt.
    9. Det kombinerede organiske lag tørres med 3,0 g vandfrit Na2SO4, og det koncentreres i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper.
    10. Det rå produkt renses med normalfasekolonnekromatografi på silicagel (70-230 mesh) ved eluering med 80% EtOAc/hexan, (Rf = 0,20) for at give 58 mg (S)-4-hydroxy-4-((R)-1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-yl)butan-2-on) (12) (85% udbytte).
  2. Syntese af (R)-N-(((2R,3 S,5 R)-3-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-methyltetra hydrofuran-2-yl)methyl)-1-phenylethanamin (15)
    1. Overførsel (S)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-4-((R)-1-((R)-1-phenylethyl) aziridin-2-yl)butan-2-one (13) (400 mg, 1,15 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk rørestang til en ovntørret 25 ml tohalset rundbundet kolbe under N2 atmosfære.
    2. Der tilsættes vandfri THF (50 ml) til reaktionskolben med en lufttæt sprøjte.
    3. Reaktionsblandingen afkøles ved -78 °C ved hjælp af et tørisacetonbad og omrøres i 5 min.
    4. Derefter tilsættes lithiumtri-sec-butylborohydrid (L-selectrid) (1 M opløsning i THF) (2,3 ml, 2,0 equiv) dråbevis i reaktionsblandingen ved -78 °C og omrøres i yderligere 25 min.
    5. Reaktionsblandingen opvarmes til RT og omrøres i 8 timer.
    6. Overvåg reaktionens fremskridt ved TLC ved hjælp af 30% EtOAc /hexan (Rf = 0,40) som eluent.
    7. Efter fuldstændigt forbrug af forbindelse 13 slukkes reaktionsblandingen med 0,1 M NaOH (5 ml).
    8. Ekstraher det organiske lag med EtOAc (3 x 15 ml), vask derefter med saltlage (15 ml).
    9. Det organiske lag tørres over 3,0 g vandfrit Na2SO4, og der koncentreres i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper.
    10. Det rå produkt renses med normalfasekolonnekromatografi på silicagel (70-230 mesh, eluent, 8:2 v/v, hexan:ethylacetat (EtOAc), Rf = 0,2) for at opnå en ren forbindelse (15) (382 mg, 95% udbytte).
  3. Syntese af (-)-epiallo-isomuscariniodid (17)
    1. Overfør forbindelse 16 (20 mg, 0,15 mM, 1,0 ækvivalent) og en magnetisk omrøringsstang til en ovntørret 10 ml rundbundet kolbe under N2 atmosfære.
    2. Der tilsættes 3 ml EtOAc-reaktionskolbe med en lufttæt sprøjte.
    3. Derefter tilsættes methyliodid (0,4 ml, 3,0 mM) til reaktionsblandingen ved RT.
    4. Der tilsættes 1,2,2,6,6-pentamethylpiperidin (PMP) (0,05 ml, 0,3 mM, 2,0 equiv) til reaktionsblandingen ved 0 °C.
    5. Derefter opbevares reaktionsblandingen ved RT og lades omrøre yderligere 16 timer.
    6. Opløsningsmidlet inddampes i vakuo (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper for at give råproduktet.
    7. Der vaskes tre gange ved tilsætning (3 x 5 ml) 10 % MeOH i EtOAc til den rå reaktionsblanding.
    8. Derefter vaskes råblandingen med n-pentan (5 ml) og koncentreres under vakuum (<15 mbar) ved hjælp af en roterende fordamper for at opnå rent (-)-epiallo-isomuscariniodid (17) (32 mg, 68%).

4. Karakterisering af alle produkter

  1. Karakteriserer alle de nye forbindelser ved 1H, 13C NMR-spektroskopi og højopløsnings massespektrometri (HRMS)7,8,11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Her rapporterer vi syntesen af enantiopure-aziridin-2-carboxylater. Den diastereomere blanding af (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (2) og (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (3) (4,1 g, 90%) blev fremstillet i kvantitativt udbytte fra 2,3-dibromopropan (-)-mentolester og (1 R)-phenylethylamin som vist i kvantitativt udbytte fra 2,3-dibromopropan (-)-mentolester og (1R)-phenylethylamin som vist i Figur 2. Den vellykkede selektive krystallisationsmetode gav anledning til enantiopurformer af hver isomer, (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (2) fra MeOH og (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-2-carboxylat (3) fra n-pentan i figur 3 . Denne protokol gælder for fremstilling af flere hundrede kilo enantiopure-azieridin-2-carboxylater. Transesterificeringsreaktioner på enten 2 eller 3 under anvendelse af enten Mg eller kaliumcarbonat med alkoholer som MeOH og EtOH gav tilsvarende alkylester af chiral aziridin-2-carboxylater. Chiral aziridinethylester (3) blev også let fremstillet ud fra reaktionen af 2,3-dibrompropanethylester og (1R)-phenylethylamin efterfulgt af flashkolonnekromatografi. Denne procedure udføres let i laboratoriet for at få et par gram af de tilsvarende chirale aziridin-2-carboxylater.

Vi opnåede nukleofil ringåbningsreaktion af chiral ethyl 1-((R)-1-phenylethyl)aziridin-(2S)-carboxylat medN3-udbyttet ethyl (2R)-azido-3-((R)-1-phenylethyl)amino)propanoat på en regioselektiv og stereoselektiv måde10. Dette enantiopure azido propionat (5) blev cykliseret til 5-amino-hexahydro-pyrimidin-2,4-dion (6), som blev omdannet til syntese af fælles strukturel kerne (9H-Fluoren-9-yl)methyl(3-((R)-3-methyl-2,4-dioxo-1-((R)-1 phenylethyl)hexahydro pyrimidin-5-yl)amino)-3-oxopropyl)carbamat (7) af biemamid B og D vist i figur 4. Ud fra denne kernedel 7 kunne syntesen af 5,6-dihydrouracil indeholdende biemamider B (8) og D (9), som er potentielle TGF-β hæmmere, opnås som vist i figur 4.

Vi udførte stereoselektiv Mukaiyama aldolreaktion af chiral aziridin-2-carboxaldehyd (10) med silylenolether 11 for at give β-(aziridin-2-yl)-β-hydroxy keton12 i højt udbytte (85%) med fremragende diastereoselektivitet (>98: 2). Den selektive reduktion af forbindelse 13 som en TBS-beskyttet form af 12 med L-selectrid (1,1 equiv.) ved -78 °C gav anledning til uventet tetrahydrofuran 15 i 15% udbytte sammen med den forventede alkohol 14. Den samme reaktion med dobbelt så meget L-selektrid (2,0 ækvivalent) ved -78 °C efterfulgt af omrøring ved stuetemperatur i 8 timer gav 15 i 95% udbytte sammen med den reducerede hydroxyforbindelse 14 i 5% udbytte. Denne forbindelse 15 blev afledt af den regioselektive ringåbning af aziridin af en intern hydroxygruppe som en nukleofil i 14. Anvendelse af denne forbindelse 15 giver en ny vej til syntese af (-)-epiallo-isomuscarin (17) på en effektiv måde (figur 5).

Til karakterisering af alle forbindelserne blev 1H og 13C NMR-spektroskopi og massespektrometri (HRMS-ESI) anvendt til at bekræfte strukturen og vurdere produkternes renhed. Nøgledata for repræsentative forbindelser er beskrevet i supplerende fil 1.

Figure 2
Figur 2: Fremstilling af (-)-mentolyl (1R)-phenylethyl-(2R)-(2) og (2S)-aziridin-2- carboxylat 2' fra 2,3-dibrompropan (-)-mentolylester (1a)7,13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Fremstilling af både enantiomer af (-)-mentolyl (2R)- og (2S)-aziridin-2-carboxylat og ethyl (2R)-aziridin-2-carboxylat via transesterificering (3) som et repræsentativt eksempel 7,13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Regioselektiv ringåbning af ethyl (2S)-aziridin-2-carboxylat (4) via azidnukleofil efterfulgt af sekventielle reaktioner for den samlede syntese af biemamid B (8) og biemamid D (9)11. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Stereoselektiv Mukaiyama aldolreaktion af chiral aziridin-2-carboxaldehyd (10) og silylenolether (11), der giver en addukt 12 og dens regio- og stereoselektive transformationer for den samlede syntese af (-)-epiallo-isomuscarin (17)13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Der henvises til figur 6-16 for 1H og 13C NMR-spektre for repræsentative forbindelser 7,8,11.

Figure 6
Figur 6: 1H og 13C NMR spektre af 2. Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: 1H og 13C NMR spektre af 3. Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: 1H og 13C NMR spektre af 5. Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist11. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 9
Figur 9: 1H og 13C NMR spektre af 6. Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist11. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 10
Figur 10: 1H og 13C NMR spektre af 7. Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist11. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 11
Figur 11: 1H og 13C NMR-spektre af Biemamid B (8). Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist11. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 12
Figur 12: 1H og 13C NMR-spektre af Biemamid D (9). Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist11. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.11. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 13
Figur 13: 1H og 13C NMR spektre af 12. Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist13. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 14
Figur 14: 1H og 13C NMR spektre af 13. Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist13. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 15
Figur 15: 1H og 13C NMR spektre af 15. Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist13. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 16
Figur 16: 1H og 13C NMR-spektre af (-)-epiallo-isomuscarin (17). Kemiske skift og relative integrationer af karakteristiske protoner og carbonatomer er vist13. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Srivastava et al.13. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende fil 1: Spektraldata for alle forbindelser i dette manuskript. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Azieridiner som nitrogenholdige treledede heterocykler har et enormt potentiale for syntetiske startkampe eller mellemprodukter til fremstilling af nitrogenrige organiske molekyler. Baseret på gruppen, der bærer ved ringkvælstoffet, klassificeres de som "aktiverede" og "ikke-aktiverede" aziridiner, hvis kemiske reaktivitet og selektivitet er forskellige. Imidlertid er der meget begrænsede metoder til rådighed til at forberede denne værdifulde aziridin i en optisk aktiv form.

Protokollen i dette papir beskriver en metode til at forberede enantiopure ikke-aktiverede aziridiner i stor skala. Først blev både enantiopurementolylestere af (2R) og (2S) -aziridin 2-carboxylater med en chiral 2-methylbenzylgruppe ved ringnitrogen fremstillet som en diastereomer blanding. Derefter blev enantiopurerne (2R)-aziridin-2-carboxylat og (2S)-aziridin-2-carboxylat selektivt krystalliseret fra sekventiel anvendelse af opløsningsmidler MeOH og n-pentan. Denne protokol var gældende for at forberede begge enantiopure-aziridin-2-carboxylater op til multi-hundrede kilo skalaer, hvis det er nødvendigt. Transesterificering til ethyl- og methylestere fra mentolylester blev let udført ved anvendelse af enten Mg eller kaliumcarbonat med de tilsvarende alkoholer såsom MeOH og EtOH. Fremstilling af chiral aziridinmethyl eller ethylester på laboratoriegramskala blev også udført uden for reaktionen af ethyl-2,3-dibrompropanoat og (1R)-phenylethylamin efterfulgt af flashkolonnekromatografi.

Når disse enantiopure-aziridin-2-carboxylater var i vores hænder, var vi i stand til at opnå asymmetrisk syntese af forskellige biologisk vigtige aminer og aza-heterocykler i optisk rene former. For at anvende dette azieridin-2-carboxylat som starter er to nøglereaktioner involveret. Den ene er funktionel gruppeændring af carboxylat til andre, og den anden er aziridinringåbning eller ringtransformation på regio- og stereospecifikke måder. På baggrund af disse syntetiske strategier var vi i stand til at forberede mange værdifulde cykliske og acykliske aza-molekyler på en yderst effektiv måde.

I dette papir præsenterer vi syntesen af nogle få biologisk vigtige molekyler, herunder biemamid B og D og (-) epiallo-isomuscarin. Disse eksempler viste, hvor effektivt vi kunne forberede målmolekyler på en asymmetrisk måde fra enantiopure aziridin 2-carboxylater via meget effektiv ændring af ringsubstituenten ved C2 og regio- og stereoselektive aziridinringåbninger.

Den første hensigtsmæssige asymmetriske syntese af begge enantiomerer af 5, 6-dihydrouracil-type marine naturlige produkter biemamid B og D som potentielle TGF-β hæmmere blev udført på en yderst effektiv måde. Denne syntese består af regio- og stereoselektiv ringåbningsreaktion af aziridin-2-carboxylat ved azidnukleofil som et nøgletrin og dets efterfølgende dannelse af 4-aminoteterahydropyrimidin-2,4-dione. Endnu et syntetisk mål præsenteret i denne protokol er (-)-epiallo-isomuscarin. Syntesen af denne alkaloid blev initieret af en stærkt stereoselektiv Mukaiyama reaktion af azieridin-2-carboxaldehyd og silyl enolether. Derefter blev den resulterende keton reduceret til en hydroxygruppe, der angreb den reaktive aziridinring som en nukleofil for at lede målet med 2-aminomethyltetrahydrofuran som en strukturel kerne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at der ikke var nogen interessekonflikt i denne undersøgelse.

Acknowledgments

Denne forskning blev støttet af National Research Foundation of Korea (NRF-2020R1A2C1007102 og 2021R1A5A6002803) med Center for New Directions in Organic Synthesis og et HUFS Grant 2022.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
(2R)-1-[(1R)-1-Phenylethyl]-2-aziridinecarboxylic acid (-)-menthol ester, 98% Sigma-Aldrich 57054-0
(2S)-1-[(1R)-1-Phenylethyl]-2-aziridinecarboxylic acid (-)-menthol ester Sigma-Aldrich 57051-6
1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride TCI 424331-25 g CAS No: 25952-53-8
1,4-Dioxane SAMCHUN D0654-1 kg CAS No: 123-91-1
1-Hydroxybenzotriazole hydrate Aldrich 219-989-7-50 g CAS No: 123333-53-9
2,6-Lutidine Alfa Aesar A10478-AP, 500 mL CAS No: 108-48-5
Acetonitrile SAMCHUN A0127-18  L CAS No: 75-05-8
Acetonitrile-d3 Cambridge Isotope Laboratories, 15G-744-25 g CAS No: 2206-26-0
Aluminum chloride hexahydrate Aldrich 231-208-1, 500 g CAS No : 7784-13-6
Bruker AVANCE III HD (400 MHz) spectrometer Bruker NA
Chloroform-d Cambridge Isotope Laboratories,  100 g CAS No: 865-49-6
Dichloromethane SAMCHUN M0822-18 L CAS No: 75-09-2
Dimethyl sulfoxide-d6 Cambridge Isotope Laboratories, 25 g CAS No: 2206-27-1
Ethanol EMSURE  1009831000,1L CAS No: 64-17-5
Ethyl acetate SAMCHUN E0191-18 L CAS No: 141-78-6
High resolution mass spectra/MALDI-TOF/TOF Mass Spectrometry AB SCIEX 4800 Plus High resolution mass spectra
JASCO P-2000 JASCO P-2000 For optical rotation
Lithium aluminum hydride TCI L0203-100 g CAS No: 16853-85-3
L-Selectride, 1 M solution in THF Acros 176451000, 100 mL CAS No: 38721-52-7
Methanol SAMCHUN M0585-18 L CAS No: 67-56-1
N-[(9H-Fluoren-9-ylmethoxy)carbonyl]-β-alanine TCI F08825G-5 g CAS No: 35737-10-1
N-Ethyldiisopropylamine Aldrich 230-392-0, 100 mL CAS No: 7087-68-5
n-Hexane SAMCHUN H0114-18 L CAS No: 110-54-3
Ninhydrin Alfa Aesar A10409-250 g CAS No: 485-47-2
p-Anisaldehyde aldrich A88107-5 g CAS No: 123-11-5
Phosphomolybdic acid hydrate TCI P1910-100 g CAS No: 51429-74-4
Sodium azide D.S.P 703301-500 g CAS No: 26628-22-8
Sodium Hydride 60% dispersion in mineral oil Sigma-Aldrich 452912-100 G CAS No: 7646-69-7
Sodium hydroxide DUKSAN A31226-1 kg CAS No: 1310-73-2
Sodium sulfate SAMCHUN S1011-1 kg CAS No: 7757-82-6
Thin Layer Chromatography (TLC) Merck 100390
Tert-Butyldimethylsilyl trifluoromethanesulfonate, 98% Aldrich 274-102-0, 25 g CAS NO: 69739-34-0
Tetrahydrofuran SAMCHUN T0148-18 L CAS No: 109-99-9
Triethylethylamine DAEJUNG 8556-4400-1 L CAS No: 121-44-8
UV light Korea Ace Sci TN-4C 254 nm
Zinc chloride, anhydrous, 98+% Alfa Aesar A16281-22100 g CAS No : 7646-85-7

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pitzer, K. S. Strain energies of cyclic hydrocarbons. Science. 101 (2635), 672 (1945).
  2. Dudev, T., Lim, C. Ring strain energies from ab initio calculations. Journal of the American Chemical Society. 120 (18), 4450-4458 (1998).
  3. D'hooghe, M., Ha, H. -J. Synthesis of 4- to 7-Membered Heterocycles by Ring Expansion. , Springer. Berlin/Heidelberg, Germany. (2016).
  4. Ranjith, J., Ha, H. -J. Synthetic applications of aziridinium ions. Molecules. 26 (6), 1744 (2021).
  5. Sweeney, J. B. Aziridines: epoxides' ugly cousins. Chemical Society Reviews. 31 (5), 247-258 (2002).
  6. Stankovic, S., et al. Regioselectivity in the ring opening of non-activated aziridines. Chemical Society Reviews. 41 (2), 643-665 (2012).
  7. Lee, W. K., Ha, H. -J. Highlights of the chemistry of enantiomerically pure aziridine-2-carboxylates. Aldrichimica Acta. 36 (2), 57-63 (2003).
  8. Tranchant, M. J., Dalla, V., Jabin, I., Decroix, B. Reaction of vinyl triflates of α-keto esters with primary amines: efficient synthesis of aziridine carboxylates. Tetrahedron. 58 (42), 8425-8432 (2002).
  9. Ha, H. -J., Jung, J. -H., Lee, W. K. Application of regio- and stereoselective functional group transformation of chiral aziridine-2-carboxylate. Asian Journal of Organic Chemistry. 3 (10), 1020-1035 (2014).
  10. Kim, Y., et al. Preparation of 2,3-diaminopropionate from ring opening of aziridine-2-carboxylate. Tetrahedron Letters. 46 (25), 4407-4409 (2005).
  11. Srivastava, N., Macha, L., Ha, H. -J. Total synthesis and stereochemical revision of biemamides B and D. Organic Letters. 21 (22), 8992-8996 (2019).
  12. Zhang, F., et al. Biemamides A-E, inhibitors of the TGF-β pathway that block the epithelial to mesenchymal transition. Organic Letters. 20 (18), 5529-5532 (2018).
  13. Srivastava, N., Ha, H. -J. Highly efficient and stereoselective Mukaiyama Aldol reaction with chiral aziridine-2-carboxaldehyde and its synthetic applications. Asian Journal of Organic Chemistry. 11 (1), 2021005671 (2021).
  14. Kempter, I., et al. Synthesis and structural characterization of the isomuscarines. Tetrahedron. 70 (10), 1918-1927 (2014).
  15. Pirrrung, M. C., DeAmicis, C. V. Total synthesis of the muscarines. Tetrahedron Letters. 29 (2), 159-162 (1988).

Tags

Kemi udgave 184
Fremstilling af enantiopure ikke-aktiverede aziridiner og syntese af biemamid B, D og <em>epiallo-isomuscarin</em>
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Srivastava, N., Ha, H. J.… More

Srivastava, N., Ha, H. J. Preparation of Enantiopure Non-Activated Aziridines and Synthesis of Biemamide B, D, and epiallo-Isomuscarine. J. Vis. Exp. (184), e63705, doi:10.3791/63705 (2022).

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