Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Bereiding van enantiopure niet-geactiveerde aziridines en synthese van biemamide B, D en epiallo-isomuscarine

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

Summary

In deze studie bereiden we zowel enantiomeren van aziridine-2-carboxylaat, die worden gebruikt in de asymmetrische synthese van alkaloïden, waaronder biemamide B en D, als (-)-epiallo-isomuscarine.

Abstract

Stikstofhoudende heterocyclus aziridines zijn synthetisch zeer waardevol voor de bereiding van azacyclische en acyclische moleculen. Het is echter erg moeilijk en arbeidsintensief om aziridines in optisch zuivere vormen op grote schaal te maken om asymmetrische synthese van azaverbindingen toe te passen. Gelukkig hebben we met succes zowel enantiomeren (2R)- als (2S)-aziridine-2-carboxylaten bereikt met de elektron-donerende α-methylbenzylgroep aan de ringstikstof als niet-geactiveerde aziridines. Deze beginnende aziridines hebben twee verschillende functionele groepen - zeer reactieve drieledige ring en veelzijdig carboxylaat. Ze zijn toepasbaar in ringopening of ringtransformatie met aziridine en in functionele groepstransformatie naar anderen van carboxylaat. Beide enantiomeren werden gebruikt bij de bereiding van biologisch belangrijke amino-acyclische en/of aza-heterocyclische verbindingen op een asymmetrische manier. In het bijzonder beschrijft dit rapport de eerste geschikte asymmetrische synthese van beide enantiomeren van 5, 6-dihydrouracil-type mariene natuurlijke producten biemamide B en D als potentiële TGF-β-remmers. Deze synthese bestond uit regio- en de stereoselectieve ringopeningsreactie van aziridine-2-carboxylaat en daaropvolgende vorming van 4-aminoteterahydropyrimidine-2,4-dion. Een ander voorbeeld in dit protocol behandelde een zeer stereoselectieve Mukaiyama-reactie van aziridine-2-carboxylaat en silyl-enolether, na intramoleculaire aziridine-ringopening om gemakkelijke en gemakkelijke toegang tot (-)-epiallo-isomuscarine te bieden.

Introduction

Kleine ringen bestaande uit cyclopropanen, oxiranen en aziridines worden aangetroffen in verschillende verbindingen zoals natuurlijke producten en geneesmiddelen 1,2. Ze worden voornamelijk gebruikt als uitgangsmateriaal dat hun ringsoort exploiteert. Van de drieringsverbindingen is aziridine minder uitgebreid bestudeerd vanwege de instabiliteit en oncontroleerbare reactiviteit3. Zoals te zien is in de elektrostatische potentiaalkaarten (figuur 1), maakt een groep die is gekoppeld aan de aziridinering-stikstof, of het nu gaat om elektronendonerend of elektron-aantrekkend, de basiciteit van stikstof anders. Dit verschil vormt een opvallend contrast met de reactiviteit en selectiviteit van de overeenkomstige aziridines.

Figure 1
Figuur 1: Chemische structuren van "geactiveerde" en "niet-geactiveerde" aziridines en elektrostatische potentiaalkaarten van hun representatieve voorbeelden N-methylaziridine en N-acetylaziridine4. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Ranjith et al.4. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Wanneer de ringstikstof een elektronenonttrekkingsgroep heeft, zoals sulfonaat, fosfonaat en carbamaat, noemen we het "geactiveerde" aziridine. Dit is gemakkelijk reactief met nucleofielen om de instabiliteit ervan te compenseren met een beperkte reikwijdte van de regiochemie. Deze geactiveerde aziridines worden bereid via verschillende katalytische methoden en gebruikt als uitgangsmateriaal. Veel van de recente aziridinechemie heeft te maken gehad met deze geactiveerde aziridines. Geactiveerde aziridines lijden echter aan bepaalde beperkingen als gevolg van hun instabiliteit en beperkte reactiebereik van de ringopening. Aan de andere kant zijn aziridines met elektron-donerende substituenten, zoals alkyl- of gesubstitueerde alkylgroepen, aan de ringstikstof genaamd "niet-geactiveerd"4, onder de meeste omstandigheden relatief stabiel en kunnen ze lange tijd op de bank worden gelaten zonder significante afbraak. De nucleofiele ringopeningsreacties van niet-geactiveerd aziridine treden op via de vorming van aziridiniumionen. De meeste reacties van aziridine ringopening en ringtransformaties verlopen op een zeer regiochemische manier. Er zijn echter zeer weinig literatuurrapporten die de bereiding van optisch zuivere niet-geactiveerde aziridines met substituenten op de C2- of C3-positie 5,6 bespreken.

Dit artikel toont de succesvolle bereiding van α-methylbenzylletgroep-bevattende chirale aziridine-2-carboxylaatderivaten, met name (-)-mentholyl (1R)-fenylethylaziridine-2-carboxylaten als diastereomere mengsel, uit de reactie van 2,3-dibroompropionaat en (1R)-fenylethylamine. Uit dit diastereomere mengsel werden enantiopure (1R)-fenylethyl-(2R)- en (2S)-aziridine-2-carboxylaten als hun (-)-mentholylesters in optisch zuivere vormen verkregen door selectieve herkristallisatie van MeOH en n-pentaan op schaal van meerdere honderd kilo's (figuur 1)7. Deze (-)-mentholylesters kunnen gemakkelijk worden omgezet in hun ethyl- of methylesters door verestering in aanwezigheid van magnesium- of kaliumcarbonaat7. Deze verbindingen kunnen ook gemakkelijk op laboratoriumschaal worden bereid uit de reacties van alkyl 2,3-dibroompropionaten of de vinyltriflate van α-ketoester met chirale 2-fenylethylamine gevolgd door scheiding van het diastereomere mengsel met behulp van eenvoudige flashkolomchromatografie8.

Zodra we enantiopure chirale aziridine-2-carboxylaat hebben, kunnen we verschillende cyclische en acyclische stikstofhoudende biologisch belangrijke doelmoleculen synthetiseren op basis van functionele groepstransformaties van carboxylaat en zeer regio- en stereoselectieve aziridine-ringopeningsreacties 6,9,10. De eerste geschikte asymmetrische synthese werd toegepast voor beide enantiomeren van 5, 6-dihydrouracil-type mariene natuurlijke producten biemamide B en D als potentiële TGF-β-remmers11,12. Ten tweede werd de diastereoselectieve synthese van β-(aziridin-2-yl)-β-hydroxyketonen bereikt door Mukaiyama aldolreactie van optisch zuivere 1-(1-fenylethyl)-aziridine-2-carboxaldehyde en verschillende enolsilaan in aanwezigheid van ZnCl2, in hoge opbrengst (>82%) met bijna perfecte stereoselectiviteit (98:2 dr) via een chelatiegecontroleerde overgangstoestand. Deze werden gebruikt voor de asymmetrische synthese van epiallo-isomuscarine alkaloïden 13,14,15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Synthese van het diastereomere mengsel van chiraal aziridine (-)-mentholylesterderivaat (1)

  1. Voeg 2,3-dibroompropaan (-)-menthol ester 1a (5,0 g, 13,58 mM, 1,0 equiv) en een magnetische roerstaaf toe aan een ovengedroogde kolf met twee hals en ronde bodem onder stikstof (N2).
  2. Voeg watervrije acetonitril (60 ml) toe aan de reactiekolf met behulp van een luchtdichte spuit.
  3. Koel vervolgens het reactiemengsel af op 0 °C met behulp van een ijsbad en roer het reactiemengsel gedurende 5 minuten.
  4. Voeg kaliumcarbonaat (5,6 g, 40,74 mM, 3,0 equiv) toe aan het reactiemengsel bij dezelfde temperatuur en laat gedurende 30 minuten roeren.
  5. Voeg (2R)-fenylethylamine (2,0 ml, 16,29 nM, 1,2 equiv) druppelsgewijs toe bij kamertemperatuur (RT) en laat het reactiemengsel gedurende 12 uur roeren.
  6. Monitor de voortgang van de reactie met behulp van dunne laag chromatografie met behulp van 9:1 v/v hexaan:ethylacetaat (EtOAc; Rf = 0,4) als eluent.
  7. Nadat de reactie is voltooid, filtreert u het mengsel over filtreerpapier (poriegrootte 70 mm).
  8. Voeg vervolgens water (30 ml) toe aan het organische filtraat en extraheer de organische laag met Et2O (2 x 50 ml) twee keer met behulp van een scheitrechter.
  9. Droog de gecombineerde organische extracten over 7,5 g watervrij Na2SO4 en concentreer in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper.
    OPMERKING: Nu wordt een ruw mengsel van diastereomere chirale aziridine verkregen dat beide isomeren van (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat en (S)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (4,1 g, 90%) bevat.
  10. Isolatie van chirale aziridine (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl 1-((R)-1- fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (2) door een selectieve kristallisatiemethode
    1. Voeg 8,7 g van het ruwe mengsel van chirale aziridine (-)-mentholester 1-derivaat toe en los op in 70 ml methanol in een in de oven gedroogde kolf met ronde bodem met één hals.
    2. Verwarm het reactiemengsel nu tot 70 °C met behulp van een warmwaterbad en koel het reactiemengsel vervolgens af op -10 °C totdat zich een vast kristal vormt.
    3. Filtreer de vaste verbinding over een filterpapier (poriegrootte 70 mm) om 2,2 g (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl 1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (2) ester te verkrijgen.
    4. Concentreer de filtraatoplossing opnieuw in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper, los 50 ml ethanol op in het resterende reactiemengsel en herkristalliseer bij -10 °C om 1,2 g (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl 1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (2) te verkrijgen.
    5. Gebruik op dit moment de andere alcoholethanol op dezelfde manier als methanol.
    6. Filtreer na herkristallisatie opnieuw over een filterpapier (poriegrootte 70 mm), concentreer de resterende ruwe 5,3 g filtraatoplossing volledig in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper en voeg 50 ml van een pentaankoolwaterstofoplosmiddel toe.
    7. Houd de resterende reactieoplossing bij -15 °C.
      OPMERKING: Nu wordt een vaste verbinding van bijna 1,9 g (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaatester (3) verkregen.
    8. Na het verkrijgen van kristallen, concentreert u de oplossing opnieuw in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper en lost u deze op in 30 ml pentaankoolwaterstofoplosmiddel.
    9. Herkristalliseer opnieuw bij -15 °C om 0,8 g (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaatester (2') te verkrijgen.
  11. Verkrijgen van (R)-ethyl 1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (3)
    1. Voeg (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-(R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (2) (0,167 g, 0,57 mM) en een magnetische roerstaaf toe aan een in de oven gedroogde 25 ml tweehalskolf met ronde bodem onder stikstof (N2) atmosfeer.
    2. Voeg 1,8 ml ethanol toe aan de reactiekolf met een luchtdichte spuit en roer deze op RT.
    3. Voeg vervolgens kaliumcarbonaat (0,40 g, 20,28 mmol, 4,0 equiv) toe en roer het gedurende 2 dagen op RT.
    4. Monitor de voortgang van de reactie met behulp van dunne laag chromatografie (eluent, 8:2 v/v, hexaan:ethylacetaat (EtOAc), Rf = 0,6).
    5. Nadat de reactie is voltooid, filtert u het mengsel over filtreerpapier (poriegrootte 70 mm), voegt u vervolgens water (5 ml) toe aan het organische filtraat en extraheert u de organische laagmet CH2 Cl 2 (2 x 15 ml) twee keer met behulp van een scheitrechter.
    6. Droog de gecombineerde organische extracten over 3,0 g watervrij Na2SO4 en concentreer in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper.
    7. Zuiver het ruwe product door normale fasekolomchromatografie op silicagel (70-230 mesh) om een zuiver product (R)-ethyl 1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (3) (950 mg, 88%) te bieden. Rf (30% EtOAc/hexaan = 0,50).

2. Regio en stereoselectieve aziridine ringopening door azide nucleofiel voor de totale synthese van biemamide B en biemamide D

  1. Synthese van (R)-ethyl 2-azido-3-(((R)-1-fenylethyl)amino)propanoaat (5)
    1. Breng (500 mg, 2,20 mM, 1,0 equiv) chiraal (S)-ethyl 1-(R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (4) en een magnetische roerstaaf over in een ovengedroogde kolf met twee hals en ronde bodem onder open atmosfeer.
    2. Voeg 50% waterige ethanol (15 ml) toe aan het reactiemengsel.
    3. Koel het reactiemengsel af op 0 °C en voeg geconcentreerd zwavelzuur (36 N) druppelsgewijs toe om bijna pH 4,0 te behouden en roer gedurende 5 minuten.
    4. Voeg natriumazide (370 mg, 5,70 mM, 2,5 equiv) toe bij 0 °C en laat het reactiemengsel gedurende 10 minuten bij dezelfde temperatuur roeren en vervolgens opwarmen op RT.
    5. Voeg vervolgens AlCl3∙6H2O (55 mg, 0,22 mM, 0,1 equiv) toe als katalysator bij dezelfde RT en laat nog eens 3 uur roeren.
    6. Monitor de voortgang van de reactie met behulp van dunne laag chromatografie (eluent, 6:4 v/v, hexaan:ethylacetaat (EtOAc), Rf = 0,2).
    7. Doof het reactiemengsel met twee porties 20 ml verzadigde NaHCO3.
    8. Filter vervolgens het ruwe mengsel over een celietpad met ethanol (2 x 10 ml).
    9. Concentreer het reactiemengsel in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper.
    10. Extraheer de organische laag met CH2Cl2 (2 x 50 ml) twee keer met behulp van een scheitrechter.
    11. Droog vervolgens de gecombineerde organische laag gedurende 5,0 g watervrij Na2SO4 gedurende 5 minuten.
    12. Concentreer de ruwe organische laag in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper om een ruw azideproduct te bieden.
    13. Zuiver het ruwe product met normale fasekolomchromatografie op silicagel (70-230 mesh) door elueren met 40% EtOAc/hexaan (Rf = 0,20) om 490 mg (90% opbrengst) (R)-ethyl 2-azido-3-(((R)-1-fenylethyl)amino)propanoaat (5) als een viskeuze vloeistof te verkrijgen.
  2. Synthese van (9H-Fluoren-9-yl)methyl(3-(((R)-3-methyl-2,4-dioxo-1-((R)-1 fenylethyl)hexahydro pyrimidin-5-yl)amino)-3-oxopropyl)carbamaat (7)
    1. Breng 150 mg chirale (R)-5-amino-3-methyl-1-(R)-1-fenylethyl) dihydropyrimidine-2,4(1H,3H)-dion (6) (150 mg, 0,60 mM, 1,0 equiv) en een magnetische roerstaaf over in een ovengedroogde kolf met twee hals en ronde bodem onder N2 atmosfeer.
    2. Voeg droog CH2Cl2 (15,0 ml) toe aan de reactiekolf met een luchtdichte spuit.
    3. Koel vervolgens het reactiemengsel af op 0 °C met behulp van een ijsbad en roer het reactiemengsel gedurende 5 minuten.
    4. Voeg Fmoc-beta-alanine (377 mg, 1,20 mM, 2,0 equiv) en DIPEA (0,67 ml, 3,64 mM, 6,0 equiv) toe bij 0 °C en roer het gedurende 5 minuten.
    5. Voeg EDCI (347 mg, 1,82 mM, 3,0 equiv) en HOBt (165 mg, 1,21 mM, 2,0 equiv) toe aan het reactiemengsel bij 0 °C en laat gedurende 10 minuten bij dezelfde temperatuur roeren.
    6. Houd het reactiemengsel op RT en laat nog eens 8 uur roeren.
    7. Monitor de voortgang van de reactie met behulp van dunne laag chromatografie met behulp van (2:8 v/v, hexaan:ethylacetaat (EtOAc), Rf = 0,4) als eluent.
    8. Doof het reactiemengsel met water (10 ml).
    9. Was de gecombineerde organische laag met pekel (15 ml) en extraheer vervolgens de organische laag met CH2Cl2 (2 x 20 ml) twee keer met behulp van een scheitrechter.
    10. Droog vervolgens de gecombineerde organische laag over 5,0 g watervrij Na2SO4 gedurende 5 minuten en concentreer het in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper.
    11. Zuiver het ruwe product met normale fasekolomchromatografie op silicagel (70-230 mesh) door te eluteren met 80% EtOAc / hexaan (Rf = 0,40) om 295 mg (7) (90% opbrengst) te betalen.

3. Stereoselectieve Mukaiyama aldol reactie met chirale aziridine-2-carboxaldehyde en Zijn regio en stereoselectieve aziridine ring-opening door interne hydroxy nucleofiel voor de totale synthese van (-)- epiallo-somuscarine (17)

  1. Synthese van (S)-4-hydroxy-4-((R)-1-((R)-1-fenylethyl)aziridin-2-yl)butan-2-one (12)
    1. Breng (R)-1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carbaldehyde (10) (140 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) en een magnetische roerstaaf over in een ovengedroogde 25 ml tweehalskolf met ronde bodem onder N2 atmosfeer.
    2. Voeg droge CH3CN (4,0 ml) toe aan de reactiekolf met behulp van een luchtdichte spuit.
    3. Koel vervolgens het reactiemengsel af op -20 °C met behulp van een ijs-acetonbad en roer het reactiemengsel gedurende 5 minuten.
    4. Voeg ZnCl2 watervrij (108 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) toe aan het reactiemengsel bij -20 °C en laat gedurende 5 minuten roeren.
    5. Voeg vervolgens trimethyl(prop-1-en-2-yloxy)silaan (11) (104 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) opgelost in droge CH3CN (3,0 ml) toe aan het reactiemengsel bij -20 °C op druppelsgewijze wijze en laat het reactiemengsel gedurende 1 uur bij dezelfde temperatuur roeren.
    6. Monitor de voortgang van de reactie met behulp van dunne laag chromatografie met behulp van 8:2 v/v hexaan:ethylacetaat (EtOAc), Rf = 0,2) als eluent.
    7. Doof het reactiemengsel met verzadigd NaHCO3 (4 ml).
    8. Extraheer de organische laag met EtOAc (2 x 15 ml) twee keer met behulp van een scheitrechter.
    9. Droog de gecombineerde organische laag met 3,0 g watervrij Na2SO4 en concentreer deze in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper.
    10. Zuiver het ruwe product met normale fasekolomchromatografie op silicagel (70-230 mesh) door elueren met 80% EtOAc/hexaan, (Rf = 0,20) om 58 mg (S)-4-hydroxy-4-((R)-1-(R)-1-1-fenylethyl)aziridin-2-yl)butan-2-one) (12) (85% opbrengst) te veroorloven.
  2. Synthese van (R)-N-((2R,3 S,5 R)-3-(tert-butyldimethylsilyl)oxy)-5-methyltetra hydrofuraan-2-yl)methyl)-1-fenylethanamine (15)
    1. Breng (S)-4-((tert-butyldimethylsilyl)oxy)-4-((R)-1-(R)-1-fenylethyl) aziridin-2-yl)butan-2-one (13) (400 mg, 1,15 mM, 1,0 equiv) en een magnetische roerstaaf over in een ovengedroogde kolf met twee hals en ronde bodem in een ovengedroogde kolf met twee hals en onder N2 atmosfeer.
    2. Voeg watervrije THF (50 ml) toe aan de reactiekolf met behulp van een luchtdichte spuit.
    3. Koel het reactiemengsel af op -78 °C met behulp van een droogijs-acetonbad en laat gedurende 5 minuten roeren.
    4. Voeg vervolgens lithium tri-sec-butylborohydride (L-selectride) (1 M oplossing in THF) (2,3 ml, 2,0 equiv) druppelsgewijs toe aan het reactiemengsel bij -78 °C en laat nog eens 25 minuten roeren.
    5. Verwarm het reactiemengsel tot RT en laat 8 uur roeren.
    6. Monitor de voortgang van de reactie door TLC met behulp van 30% EtOAc/hexaan (Rf = 0,40) als eluent.
    7. Doof na het volledige verbruik van verbinding 13 het reactiemengsel met 0,1 M NaOH (5 ml).
    8. Extraheer de organische laag met EtOAc (3 x 15 ml) en was vervolgens met pekel (15 ml).
    9. Droog de organische laag over 3,0 g watervrij Na2SO4 en concentreer in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper.
    10. Zuiver het ruwe product met normale fasekolomchromatografie op silicagel (70-230 mesh, eluent, 8:2 v/v, hexaan:ethylacetaat (EtOAc), Rf = 0,2) om een zuivere verbinding (15) (382 mg, 95% opbrengst) te bieden.
  3. Synthese van (-)-epiallo-isomuscarinejodide (17)
    1. Breng verbinding 16 (20 mg, 0,15 mM, 1,0 equiv) en een magnetische roerstaaf over in een ovengedroogde kolf met ronde bodem onder N2-atmosfeer .
    2. Voeg 3 ml EtOAc-reactiekolf toe met een luchtdichte spuit.
    3. Voeg vervolgens methyljodide (0,4 ml, 3,0 mM) toe aan het reactiemengsel bij RT.
    4. Voeg 1,2,2,6,6-pentamethylpiperidine (PMP) (0,05 ml, 0,3 mM, 2,0 equiv) toe aan het reactiemengsel bij 0 °C.
    5. Houd vervolgens het reactiemengsel op RT en laat nog eens 16 uur roeren.
    6. Verdamp het oplosmiddel in vacuo (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper om het ruwe product te geven.
    7. Was driemaal door (3 x 5 ml) 10% MeOH in EtOAc toe te voegen aan het ruwe reactiemengsel.
    8. Was vervolgens het ruwe mengsel met n-pentaan (5 ml) en concentraat onder vacuüm (<15 mbar) met behulp van een roterende verdamper om zuiver (-)-epiallo-isomuscarinejodide (17) (32 mg, 68%) te bereiken.

4. Karakterisering van alle producten

  1. Karakteriseer alle nieuwe verbindingen door 1H, 13C NMR-spectroscopie en hoge-resolutie massaspectrometrie (HRMS)7,8,11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Hier rapporteren we de synthese van enantiopure aziridine-2-carboxylaten. Het diastereomere mengsel van (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (2) en (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-(R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (3) (4,1 g, 90%) werden in kwantitatieve opbrengst bereid uit 2,3 -dibroompropaan (-)-mentholylester en (1R)-fenylethylamine zoals aangegeven in Figuur 2. De succesvolle selectieve kristallisatiemethode gaf aanleiding tot enantiopurevormen van elk isomeer, (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (2) uit MeOH en (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-methylcyclohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-carboxylaat (3) uit n-pentaan in figuur 3 . Dit protocol is van toepassing op de productie van enkele honderden kilo's enantiopure aziridine-2-carboxylaten. Transesterificatiereacties van 2 of 3 met mg- of kaliumcarbonaat met alcoholen zoals MeOH en EtOH leverden overeenkomstige alkylester van chirale aziridine-2-carboxylaten op. Chirale aziridine-ethylester (3) werd ook gemakkelijk bereid uit de reactie van 2,3-dibroompropaan-ethylester en (1R)-fenylethylamine gevolgd door flashkolomchromatografie. Deze procedure wordt gemakkelijk in het laboratorium uitgevoerd om een paar gram van de overeenkomstige chirale aziridine-2-carboxylaten te krijgen.

We bereikten nucleofiele ringopeningsreactie van chirale ethyl 1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-(2S)-carboxylaat met N3 opgeleverd ethyl (2R)-azido-3-(((R)-1-fenylethyl)amino)propanoaat op een regioselectieve en stereoselectieve manier10. Dit enantiopure azidopropionaat (5) werd gecycliseerd tot 5-amino-hexahydro-pyrimidine-2,4-dion (6) dat werd omgezet voor de synthese van gemeenschappelijke structurele kern (9H-Fluoren-9-yl)methyl(3-(((R)-3-methyl-2,4-dioxo-1-((R)-1 fenylethyl)hexahydro pyrimidin-5-yl)amino)-3-oxopropyl)carbamaat (7) van biemamide B en D weergegeven in figuur 4. Uit dit kerndeel 7 kon de synthese van 5,6-dihydrouracil met biemamiden B (8) en D (9), die potentiële TGF-β-remmers zijn, worden bereikt, zoals weergegeven in figuur 4.

We voerden stereoselectieve Mukaiyama-aldolreactie uit van chiraal aziridine-2-carboxaldehyde (10) met silyl-enolether 11 om β-(aziridin-2-yl)-β-hydroxy keton12 in hoge opbrengst (85%) met uitstekende diastereoselectiviteit (>98:2) te verkrijgen. De selectieve reductie van verbinding 13 als een TBS-beschermde vorm van 12 met L-selectride (1,1 equiv.) bij -78 °C gaf aanleiding tot onverwachte tetrahydrofuraan 15 in 15% opbrengst samen met de verwachte alcohol 14. Dezelfde reactie met tweemaal de hoeveelheid L-selectride (2,0 equiv.) bij -78 °C gevolgd door roeren bij kamertemperatuur gedurende 8 uur, leverde een opbrengst van 15 in 95% op, samen met de verminderde hydroxyverbinding 14 in 5% opbrengst. Deze verbinding 15 werd afgeleid van de regioselectieve ringopening van aziridine door een interne hydroxygroep als nucleofiel in 14. Het gebruik van deze verbinding 15 biedt een nieuwe route voor de synthese van (-)-epiallo-isomuscarine (17) op een efficiënte manier (figuur 5).

Voor de karakterisering van alle verbindingen werden 1H- en 13C NMR-spectroscopie en massaspectrometrie (HRMS-ESI) gebruikt om de structuur te bevestigen en de zuiverheid van de producten te beoordelen. De belangrijkste gegevens voor representatieve verbindingen worden beschreven in aanvullend dossier 1.

Figure 2
Figuur 2: Bereiding van (-)-mentholyl (1R)-fenylethyl-(2R)-(2) en (2S)-aziridine-2- carboxylaat 2' uit 2,3-dibroompropaan (-)-mentholylester (1a)7,13. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Bereiding van zowel enantiomeer van (-)-mentholyl (2R)- en (2S)-aziridine-2- carboxylaat, als ethyl (2R)-aziridine-2-carboxylaat via transverestering (3) als representatief voorbeeld 7,13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Regioselectieve ringopening van ethyl (2S)-aziridine-2-carboxylaat (4) via azidenucleofiel gevolgd door sequentiële reacties voor de totale synthese van biemamide B (8) en biemamide D (9)11. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Stereoselectieve Mukaiyama aldol reactie van chirale aziridine-2-carboxaldehyde (10) en silyl enol ether (11) die een adduct 12 en zijn regio- en stereoselectieve transformaties opleveren voor de totale synthese van (-)-epiallo-isomuscarine (17)13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Zie de figuren 6 tot en met 16 voor 1H en 13C NMR spectra van representatieve verbindingen 7,8,11.

Figure 6
Figuur 6: 1H en 13C NMR spectra van 2. Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: 1H en 13C NMR spectra van 3. Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: 1H en 13C NMR spectra van 5. Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond11. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: 1H en 13C NMR spectra van 6. Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond11. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 10
Figuur 10: 1H en 13C NMR spectra van 7. Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond11. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 11
Figuur 11: 1H en 13C NMR spectra van Biemamide B (8). Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond11. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 12
Figuur 12: 1H en 13C NMR spectra van Biemamide D (9). Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond11. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 13
Figuur 13: 1H en 13C NMR spectra van 12. Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond13. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 14
Figuur 14: 1H en 13C NMR spectra van 13. Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond13. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 15
Figuur 15: 1H en 13C NMR spectra van 15. Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond13. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 16
Figuur 16: 1H en 13C NMR spectra van (-)-epiallo-isomuscarine (17). Chemische verschuivingen en relatieve integraties van karakteristieke protonen en koolstofatomen worden getoond13. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Srivastava et al.13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullend bestand 1: Spectrale gegevens van alle verbindingen in dit manuscript. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Aziridines als stikstofhoudende drieledige heterocycli hebben een enorm potentieel voor synthetische start martials of tussenproducten om stikstofrijke organische moleculen te bereiden. Op basis van de groep die stikstof aan de ring draagt, worden ze geclassificeerd als "geactiveerde" en "niet-geactiveerde" aziridines waarvan de chemische reactiviteit en selectiviteit verschillend zijn. Er zijn echter zeer beperkte methoden beschikbaar om deze waardevolle aziridine in een optisch actieve vorm te bereiden.

Het protocol in dit artikel beschrijft een methode om op grote schaal enantiopure niet-geactiveerde aziridines te bereiden. Aanvankelijk werden zowel enantiopure-mentholylesters van (2R) als (2S)-aziridine 2-carboxylaten met een chirale 2-methylbenzyllengroep aan de ringstikstof bereid als een diastereonoom mengsel. Vervolgens werden de enantiopuren (2R)-aziridine 2-carboxylaat en (2S)-aziridine 2-carboxylaat selectief gekristalliseerd uit sequentieel gebruik van oplosmiddelen MeOH en n-pentaan. Dit protocol was van toepassing op de bereiding van beide enantiopure aziridine-2-carboxylaten tot multi-honderd kilo schalen, indien nodig. Verestering naar ethyl- en methylesters uit mentholylester werd gemakkelijk uitgevoerd door Mg- of kaliumcarbonaat te gebruiken met de overeenkomstige alcoholen zoals MeOH en EtOH. Bereiding van chirale aziridinemethyl- of ethylester op laboratoriumgramschaal werd ook op zijn gemak uitgevoerd uit de reactie van ethyl-2,3-dibroompropanoaat en (1R)-fenylethylamine gevolgd door flashkolomchromatografie.

Toen deze enantiopure aziridine-2-carboxylaten eenmaal in onze handen waren, waren we in staat om asymmetrische synthese van verschillende biologisch belangrijke amines en aza-heterocycli in optisch zuivere vormen te bereiken. Om dit aziridine-2-carboxylaat als starter te gebruiken, zijn twee belangrijke reacties betrokken. De ene is functionele groepsverandering van carboxylaat naar anderen, en de andere is aziridine-ringopening of ringtransformatie in regio- en stereospecifieke manieren. Op basis van deze synthetische strategieën waren we in staat om veel waardevolle cyclische en acyclische aza-moleculen op een zeer effectieve manier te bereiden.

In dit artikel presenteren we de synthese van enkele biologisch belangrijke moleculen, waaronder biemamide B en D, en (-)-epiallo-isomuscarine. Deze voorbeelden lieten zien hoe efferente we doelmoleculen op een asymmetrische manier konden bereiden uit enantiopure aziridine 2-carboxylaten via zeer efficiënte verandering van de ringsubstituent bij C2 en regio- en stereoselectieve aziridineringopeningen.

De eerste geschikte asymmetrische synthese van beide enantiomeren van 5, 6-dihydrouracil-type mariene natuurlijke producten biemamide B en D als potentiële TGF-β-remmers werd op een zeer efficiënte manier uitgevoerd. Deze synthese bestaat uit regio- en stereoselectieve ringopeningsreactie van aziridine-2-carboxylaat door azide-nucleofiel als een belangrijke stap en de daaropvolgende vorming van 4-aminoteterahydropyrimidine-2,4-dion. Een ander synthetisch doelwit dat in dit protocol wordt gepresenteerd, is (-)-epiallo-isomuscarine. De synthese van deze alkaloïde werd geïnitieerd door een zeer stereoselectieve Mukaiyama-reactie van aziridine-2-carboxaldehyde en silyl-enolether. Vervolgens werd het resulterende keton gereduceerd tot een hydroxygroep die de reactieve aziridine-ring aanviel als een nucleofiel om het doelwit te leiden met 2-aminomethyltetrahydrofuran als een structurele kern.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat er geen sprake was van belangenverstrengeling in deze studie.

Acknowledgments

Dit onderzoek werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF-2020R1A2C1007102 en 2021R1A5A6002803) met het Center for New Directions in Organic Synthesis en een 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

Chemie Nummer 184
Bereiding van enantiopure niet-geactiveerde aziridines en synthese van biemamide B, D en <em></em>epiallo-isomuscarine
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