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 av Enantiopure ikke-aktiverte aziridiner og syntese av Biemamid B, D og epiallo-Isomuscarine

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

Summary

I denne studien forbereder vi begge enantiomerer av aziridin-2-karboksylat, som brukes i asymmetrisk syntese av alkaloider, inkludert biemamid B og D, og (-)-epiallo-isomuskarin.

Abstract

Nitrogenholdige heterocykleaziridiner er syntetisk svært verdifulle for fremstilling av azacykliske og acykliske molekyler. Det er imidlertid svært vanskelig og arbeidskrevende å lage aziridiner i optisk rene former i stor skala for å bruke asymmetrisk syntese av azaforbindelser. Heldigvis oppnådde vi både enantiomerer (2R)- og (2S)-aziridin-2-karboksylater med elektron-donating α-metylbenzyl gruppe på ring nitrogen som ikke-aktiverte aziridiner. Disse startende aziridinene har to distinkte funksjonelle grupper-svært reaktiv tre-medlem ring og allsidig karboksylat. De gjelder i ringåpning eller ringtransformasjon med aziridin og i funksjonell gruppetransformasjon til andre fra karboksylat. Begge disse enantiomerene ble brukt til fremstilling av biologisk viktige amino acykliske og / eller aza-heterocykliske forbindelser på en asymmetrisk måte. Nærmere bestemt beskriver denne rapporten den første hensiktsmessige asymmetriske syntesen av både enantiomerer av 5, 6-dihydrouracil-type marine naturlige produkter biemamid B og D som potensielle TGF-β hemmere. Denne syntesen besto av regio- og stereoselektiv ringåpningsreaksjon av aziridin-2-karboksylat og påfølgende dannelse av 4-aminoteterahydropyrimidin-2,4-dione. Et annet eksempel i denne protokollen omhandlet en svært stereoselektiv Mukaiyama-reaksjon av aziridine-2-karboksylat og silyl enol eter, etter intramolekylær aziridin ringåpning for å gi enkel og facile tilgang til (-)-epiallo-isomuskarin.

Introduction

Små ringer som består av cyklopropaner, oksiraner og aziridiner finnes i ulike forbindelser som naturlige produkter og legemidler 1,2. De brukes først og fremst som startmaterialer som utnytter ringstammen. Blant de tre-ring forbindelsene har aziridin blitt studert mindre omfattende på grunn av ustabilitet og ukontrollerbar reaktivitet3. Som vist i de elektrostatiske potensielle kartene (figur 1), gjør en gruppe festet til aziridinring-nitrogenet, enten elektron-donerende eller elektron-tiltrekkende, grunnleggende nitrogen forskjellig. Denne forskjellen gir en slående kontrast til reaktivitet og selektivitet av de tilsvarende aziridinene.

Figure 1
Figur 1: Kjemiske strukturer av "aktiverte" og "ikke-aktiverte" aziridiner og elektrostatiske potensielle kart over deres representative eksempler N-metylaziridin, og N-acetylaziridin4. Denne figuren er endret med tillatelse fra Ranjith et al.4. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Når ring nitrogen har en elektron-trekkende gruppe, for eksempel sulfonat, fosfonat og karbamat, kaller vi det "aktivert" aziridin. Dette er lett reaktivt med nukleofile for å kompensere for ustabiliteten med et begrenset omfang av regiokjemi. Disse aktiverte aziridinene fremstilles gjennom ulike katalytiske metoder og brukes som startmateriale. Mye av den nylige aziridinkjemien har håndtert disse aktiverte aziridinene. Imidlertid lider aktiverte aziridiner visse restriksjoner som følge av deres ustabilitet og begrensede reaksjonsomfang av ringåpningen. På den annen side er aziridiner som bærer elektron-donerende substituenter, som alkyl eller erstattet alkylgrupper, ved ring nitrogen kalt "ikke-aktivert"4, relativt stabile under de fleste omstendigheter og kan bli igjen på benken i lang tid uten betydelig nedbrytning. De nukleofile ringåpningsreaksjonene av ikke-aktivert aziridin oppstår via dannelsen av aziridiniumioner. De fleste reaksjoner av aziridin ringåpning og ringtransformasjoner fortsetter på en svært regiokjemisk måte. Imidlertid diskuterer svært få litteraturrapporter utarbeidelsen av optisk rene ikke-aktiverte aziridiner med substituenter ved C2- ellerC3-stillingene 5,6.

Dette dokumentet viser vellykket fremstilling av α-metylbenzyl gruppeholdig chiral aziridine-2-karboksylat derivater, spesielt (-)-mentolyl (1R)-fenylethylaziridin-2-karboksylater som sin diastereomeriske blanding, fra reaksjonen av 2,3-dibromopropionat og (1R)-fenyletylamin. Fra denne diastereomeriske blandingen ble enantiopure (1R)-fenyletyl-(2R)- og (2S)-aziridin-2-karboksylater som deres (-)-mentolylstere oppnådd i optisk rene former ved selektiv rekrystallisering fra MeOH og n-pentan på multi-hundre kilo skalaer (figur 1)7. Disse (-)-mentolyl estere kan lett konverteres til deres etyl eller metyl estere ved transesterifisering i nærvær av magnesium eller kaliumkarbonat7. Disse forbindelsene kan også enkelt fremstilles på en laboratorieskala fra reaksjonene av alkyl 2,3-dibromopropionater eller vinyltriflate av α ketoester med chiral 2-fenylethylamine etterfulgt av separasjon av diastereomerisk blanding ved hjelp av enkel blitskolonnekromatografi8.

Når vi har enantiopure chiral aziridine-2-karboksylat, kan vi syntetisere ulike sykliske og acykliske nitrogenholdige biologisk viktige målmolekyler basert på funksjonelle gruppetransformasjoner av karboksylat og svært regio- og stereoselektiv aziridin-ringåpningsreaksjoner 6,9,10. Den første hensiktsmessige asymmetriske syntesen ble brukt for både enantiomerer av 5, 6-dihydrouracil-type marine naturlige produkter biemamid B og D som potensielle TGF-β hemmere11,12. For det andre ble den diastereoselektive syntesen av β-(aziridin-2-yl)-β-hydroksy ketoner oppnådd ved Mukaiyama aldol-reaksjon av optisk ren 1-(1-fenyletyl)-aziridin-2-karboksaldehyd og ulike enolsilaner i nærvær av ZnCl2, i høyt utbytte (>82 %) med nesten perfekt stereoselektivitet (98:2 dr) via en chelateringskontrollert overgangstilstand. Disse ble brukt til asymmetrisk syntese av epiallo-isomuscarine alkaloider 13,14,15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syntese av den diastereomeriske blandingen av kiral aziridin (-)-mentolyl ester derivat (1)

  1. Tilsett 2,3-dibromopropan (-)-mentol ester 1a (5,0 g, 13,58 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk omrøringsstang i en ovnstørket 250 ml tohalset rundbunnsflaske under nitrogen (N2) atmosfære.
  2. Tilsett vannfri acetonitril (60 ml) i reaksjonsflasken ved hjelp av en lufttett sprøyte.
  3. Avkjøl deretter reaksjonsblandingen ved 0 °C ved hjelp av et isbad og rør reaksjonsblandingen i 5 min.
  4. Tilsett kaliumkarbonat (5,6 g, 40,74 mM, 3,0 equiv) i reaksjonsblandingen ved samme temperatur og la det røre i 30 minutter.
  5. Tilsett (2R)-fenylethylamine (2,0 ml, 16,29 nM, 1,2 equiv) på en dråpevis måte ved romtemperatur (RT) og la reaksjonsblandingen røre i 12 timer.
  6. Overvåk fremdriften av reaksjonen ved hjelp av tynn lagkromatografi ved å bruke 9:1 v/v heksan:etylacetat (EtOAc; Rf = 0,4) som eluent.
  7. Etter at reaksjonen er fullført, filtrer blandingen over filterpapir (porestørrelse 70 mm).
  8. Tilsett deretter vann (30 ml) i det organiske filtratet og trekk ut det organiske laget med Et2O (2 x 50 ml) to ganger ved hjelp av en separerende trakt.
  9. Tørk de kombinerte organiske ekstraktene over 7,5 g vannfri Na2SO4 og konsentrer deg i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper.
    MERK: Nå en rå blanding av diastereomerisk chiral aziridin som inneholder begge isomerer av (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridine-2-bil og (S)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (4,1 g, 90%) oppnås.
  10. Isolering av kiral aziridin (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl 1-(R)-1- fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (2) ved en selektiv krystalliseringsmetode
    1. Tilsett 8,7 g av råoljeblandingen av kiral aziridin (-)-Mentol ester 1 derivat og oppløs i 70 ml metanol til en ovnstørket 250 ml enkelthalset rundbunnsflaske.
    2. Varm nå reaksjonsblandingen opp til 70 °C ved hjelp av et varmtvannsbad, og avkjøl deretter reaksjonsblandingen ved -10 °C til det dannes fast krystall.
    3. Filtrer den faste forbindelsen over et filterpapir (porestørrelse 70 mm) for å oppnå 2,2 g (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl 1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (2) ester.
    4. Konsentrer filtratoppløsningen igjen i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper, løs opp 50 ml etanol i den gjenværende reaksjonsblandingen og rekrystalliser ved -10 °C for å oppnå 1,2 g (R)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl 1-(R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (2).
    5. På dette tidspunktet, bruk den andre alkohol etanol på samme måte som metanol.
    6. Etter rekrystallisering, filtrer igjen over et filterpapir (porestørrelse 70 mm), konsentrer den gjenværende råen 5,3 g filtratoppløsning helt i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper, og tilsett 50 ml pentanhydrokarbonløsningsmiddel.
    7. Hold den gjenværende reaksjonsløsningen ved -15 °C.
      MERK: Nå oppnås en solid forbindelse på nesten 1,9 g (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylatstere (3).
    8. Etter å ha oppnådd krystaller, konsentrer løsningen igjen i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper og oppløs den i 30 ml pentanhydrkarbonløsningsmiddel.
    9. Rekrystalliser igjen ved -15 °C for å oppnå 0,8 g (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-metylcyclohexyl1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksyl ester (2').
  11. Oppnå (R)-etyl 1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (3)
    1. Tilsett (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (2) (0,167 g, 0,57 mM) og en magnetisk rørestang inn i en ovnstørket 25 ml tohalset rundbunnsflaske under nitrogen (N2) atmosfære.
    2. Tilsett 1,8 ml etanol i reaksjonsflasken ved hjelp av en lufttett sprøyte og rør den ved RT.
    3. Tilsett deretter kaliumkarbonat (0,40 g, 20,28 mmol, 4,0 equiv) og rør det på RT i 2 dager.
    4. Overvåk fremdriften av reaksjonen ved hjelp av tynn lagkromatografi (eluent, 8:2 v/v, heksan:etylacetat (EtOAc), Rf = 0,6).
    5. Etter at reaksjonen er fullført, filtrer blandingen over filterpapir (porestørrelse 70 mm), tilsett deretter vann (5 ml) i det organiske filtratet og trekk ut det organiske laget med CH2Cl2 (2 x 15 ml) to ganger ved hjelp av en separerende trakt.
    6. Tørk de kombinerte organiske ekstraktene over 3,0 g vannfri Na2SO4 og konsentrer deg i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper.
    7. Rens råproduktet ved normal fasekolonnekromatografi på silikagel (70-230 mesh) for å ha råd til et rent produkt (R)-etyl 1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (3) (950 mg, 88%). Rf (30 % EtOAc/heksan = 0,50).

2. Regio og stereoselektiv aziridin ringåpning ved azidekjerne for total syntese av biemamid B og biemamid D

  1. Syntese av (R)-etyl 2-azido-3-(((R)-1-fenyletyl)amino)propanoat (5)
    1. Overføring (500 mg, 2,20 mM, 1,0 equiv) av chiral (S)-etyl 1-((R)-1-fenylethyl)aziridin-2-karboksylat (4) og en magnetisk rørestang i en ovnstørket 50 ml tohalset rundbunnsflaske under åpen atmosfære.
    2. Tilsett 50% vandig etanol (15 ml) til reaksjonsblandingen.
    3. Avkjøl reaksjonsblandingen ved 0 °C og tilsett konsentrert svovelsyre (36 N) dråpevis for å opprettholde nesten pH 4.0, og rør i 5 min.
    4. Tilsett natriumazid (370 mg, 5,70 mM, 2,5 equiv) ved 0 °C og la reaksjonsblandingen røre i 10 minutter ved samme temperatur og deretter varme ved RT.
    5. Tilsett deretter AlCl3∙6H2O (55 mg, 0,22 mM, 0,1 equiv) som katalysator ved samme RT og la det røre i ytterligere 3 timer.
    6. Overvåk fremdriften av reaksjonen ved hjelp av tynn lagkromatografi (eluent, 6:4 v/v, heksan:etylacetat (EtOAc), Rf = 0,2).
    7. Slukk reaksjonsblandingen med to porsjoner 20 ml mettet NaHCO3.
    8. Filtrer deretter råoljeblandingen over en celittpute med etanol (2 x 10 ml).
    9. Konsentrer reaksjonsblandingen i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper.
    10. Trekk ut det organiske laget med CH2Cl2 (2 x 50 ml) to ganger ved hjelp av en separasjonstrakt.
    11. Tørk deretter det kombinerte organiske laget over 5,0 g vannfri Na2SO4 i 5 min.
    12. Konsentrer det rå organiske laget i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper for å ha råd til et råazidprodukt.
    13. Rense råproduktet med normal fasekolonnekromatografi på silikagel (70-230 mesh) ved å eluting med 40% EtOAc / heksan (Rf = 0,20) å ha råd til 4 90 mg (90 % utbytte) av (R)-etyl 2-azido-3-(((R)-1-fenyletyl)amino)propanoat (5) som en viskøs væske.
  2. Syntese av (9H-Fluoren-9-yl)metyl(3-((R)-3-metyl-2,4-dioxo-1-((R)-1 fenyletyl)heksahydro pyrimidin-5-yl)amino)-3-oksopropyl)karbamat (7)
    1. Overfør 150 mg chiral (R)-5-amino-3-metyl-1-((R)-1-fenyletyl) dihydropyrimidin-2,4(1H,3H)-dione (6) (150 mg, 0,60 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk rørestang inn i en ovnstørket 25 ml tohalset rundbunnsflaske under N2-atmosfære .
    2. Tilsett tørr CH2Cl2 (15,0 ml) på reaksjonsflasken ved hjelp av en lufttett sprøyte.
    3. Avkjøl deretter reaksjonsblandingen ved 0 °C ved hjelp av et isbad og rør reaksjonsblandingen i 5 min.
    4. Tilsett 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 minutter.
    5. Tilsett EDCI (347 mg, 1,82 mM, 3,0 equiv) og HOBt (165 mg, 1,21 mM, 2,0 equiv) til reaksjonsblandingen ved 0 °C og la den røre i 10 minutter ved samme temperatur.
    6. Hold reaksjonsblandingen ved RT og la den røre i ytterligere 8 timer.
    7. Overvåk fremdriften av reaksjonen ved hjelp av tynn lagkromatografi ved hjelp av (2:8 v/v, heksan:etylacetat (EtOAc), Rf = 0,4) som eluent.
    8. Slukk reaksjonsblandingen med vann (10 ml).
    9. Vask det kombinerte organiske laget med saltlake (15 ml), og trekk deretter ut det organiske laget med CH2Cl2 (2 x 20 ml) to ganger ved hjelp av en separerende trakt.
    10. Tørk deretter det kombinerte organiske laget over 5,0 g vannfri Na2SO4 i 5 min og konsentrer det i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper.
    11. Rens råproduktet med normal fasekolonnekromatografi på silikagel (70-230 mesh) ved å eluting med 80% EtOAc / heksan (Rf = 0,40) for å ha råd til 295 mg (7) (90% utbytte).

3. Stereoselektiv Mukaiyama aldol reaksjon med chiral aziridine-2-karboksaldehyd og dens regio og stereoselektive aziridin ring-åpning av intern hydroksy nukleofil for total syntese av (-)- epiallo-somuscarine (17)

  1. Syntese av (S)-4-hydroksy-4-((R)-1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-yl)butan-2-en (12)
    1. Overføring (R)-1-((R)-1-fenylethyl)aziridin-2-karbaldehyd (10) (140 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk rørestang i en ovntørket 25 ml tohalset rundbunnsflaske under N2 atmosfære.
    2. Tilsett tørr CH3CN (4,0 ml) i reaksjonsflasken ved hjelp av en lufttett sprøyte.
    3. Avkjøl deretter reaksjonsblandingen ved -20 °C ved hjelp av et is-acetonbad og rør reaksjonsblandingen i 5 minutter.
    4. Tilsett ZnCl2 vannfri (108 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) til reaksjonsblandingen ved -20 °C og la den røre i 5 min.
    5. Tilsett deretter trimetyl(prof.1-en-2-yloxy)silan (11) (104 mg, 0,8 mM, 1,0 equiv) oppløst i tørr CH3CN (3,0 ml) til reaksjonsblandingen ved -20 °C på en dråpevis måte og la reaksjonsblandingen røre i 1 time ved samme temperatur.
    6. Overvåk fremdriften av reaksjonen ved hjelp av tynn lagkromatografi ved hjelp av 8:2 v/v heksan:etylacetat (EtOAc), Rf = 0,2) som eluent.
    7. Slukk reaksjonsblandingen med mettet NaHCO3 (4 ml).
    8. Trekk ut det organiske laget med EtOAc (2 x 15 ml) to ganger ved hjelp av en separerende trakt.
    9. Tørk det kombinerte organiske laget med 3,0 g vannfri Na2SO4 og konsentrer det i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper.
    10. Rense råproduktet med normal fasekolonnekromatografi på silikagel (70-230 nett) ved å elutere med 80% EtOAc/heksan, (Rf = 0,20) å ha råd til 58 mg (S)-4-hydroksy-4-((R)-1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-yl)butan-2-en) (12) (85% utbytte).
  2. Syntese av (R)-N-(((2R,3 S,5 R)-3-((tert-butyldimetylsilyl)oksy)-5-metyltetra hydrofuran-2-yl)metyl)-1-fenylethanamin (15)
    1. Overføring (S)-4-((tert-butyldimetylsifyll)oxy)-4-((R)-1-((R)-1-fenyletyl) aziridin-2-yl)butan-2-en (13) (400 mg, 1,15 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk rørestang inn i en ovnstørket 25 ml tohalset rundbunnsflaske under N2-atmosfære .
    2. Tilsett vannfri THF (50 ml) i reaksjonsflasken ved hjelp av en lufttett sprøyte.
    3. Avkjøl reaksjonsblandingen ved -78 °C ved hjelp av et tørt isacetonbad og la det røre i 5 minutter.
    4. Tilsett deretter litiumtri-sec-butylborohydrid (L-selectride) (1 M-løsning i THF) (2,3 ml, 2,0 equiv) dråpevis inn i reaksjonsblandingen ved -78 °C og la det røre i ytterligere 25 minutter.
    5. Varm reaksjonsblandingen til RT og la den røre i 8 timer.
    6. Overvåk fremdriften av reaksjonen ved hjelp av TLC ved hjelp av 30% EtOAc /hexane (Rf = 0,40) som eluent.
    7. Etter fullstendig forbruk av forbindelsen 13, slukk reaksjonsblandingen med 0,1 M NaOH (5 ml).
    8. Trekk ut det organiske laget med EtOAc (3 x 15 ml), vask deretter med saltlake (15 ml).
    9. Tørk det organiske laget over 3,0 g vannfri Na2SO4 og konsentrer deg i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper.
    10. Rens råproduktet med normal fasekolonnekromatografi på silikagel (70-230 mesh, eluent, 8:2 v/v, heksan:etylacetat (EtOAc), Rf = 0,2) for å ha råd til en ren forbindelse (15) (382 mg, 95% utbytte).
  3. Syntese av (-)-epiallo-isomuskarinjodid (17)
    1. Overfør forbindelsen 16 (20 mg, 0,15 mM, 1,0 equiv) og en magnetisk rørestang inn i en ovnstørket 10 ml rundbunnsflaske under N2 atmosfære.
    2. Tilsett 3 ml EtOAc reaksjonsflaske ved hjelp av en lufttett sprøyte.
    3. Tilsett deretter Metyljodid (0,4 ml, 3,0 mM) til reaksjonsblandingen ved RT.
    4. Tilsett 1,2,2,6,6-pentamethylpiperidine (PMP) (0,05 ml, 0,3 mM, 2,0 equiv) til reaksjonsblandingen ved 0 °C.
    5. Hold deretter reaksjonsblandingen ved RT og la den røre i ytterligere 16 timer.
    6. Fordamp løsningsmidlet i vacuo (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper for å gi råproduktet.
    7. Vask tre ganger ved å tilsette (3 x 5 ml) 10% MeOH i EtOAc til råreaksjonsblandingen.
    8. Vask deretter råoljeblandingen med n-Pentane (5 ml) og konsentrer under vakuum (<15 mbar) ved hjelp av en roterende fordamper for å oppnå ren (-)-epiallo-isomuskarinjodid (17) (32 mg, 68%).

4. Karakterisering av alle produkter

  1. Karakteriser alle de nye forbindelsene ved 1H, 13C NMR spektroskopi og høyoppløselig massespektrometri (HRMS)7,8,11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Her rapporterer vi syntesen av enantiopure aziridine-2-karboksylater. Den diastereomeriske blandingen av (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (2) og (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (3) (4,1 g, 90 %) ble fremstilt i kvantitativt utbytte fra 2,3 -dibromopropan (-)-mentolyl ester og (1R)-fenylethylamine som vist i Figur 2. Den vellykkede selektive krystalliseringsmetoden ga opphav til enantiopure former for hver isomer, (R)-(1R,2 S,5 R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl1-((R)-1-fenylethyl)aziridin-2-karboksylat (2) fra MeOH og (S)-(1R,2S,5R)-2-isopropyl-5-metylcyklohexyl1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-2-karboksylat (3) fra n-pentan i figur 3 . Denne protokollen gjelder for produksjon av flere hundre kilo enantiopure aziridine-2-karboksylater. Transesterifiseringsreaksjoner av enten 2 eller 3 ved bruk av enten Mg eller kaliumkarbonat med alkoholer som MeOH og EtOH ga tilsvarende alkyl ester av kirale aziridin-2-karboksylater. Chiral aziridin etyl ester (3) ble også lett fremstilt fra reaksjonen av 2,3-dibromopropan etyl ester og (1R)-fenylethylamine etterfulgt av flash kolonne kromatografi. Denne prosedyren utføres enkelt i laboratoriet for å få noen gram av de tilsvarende kirale aziridin-2-karboksylater.

Vi oppnådde nukleofil ringåpningsreaksjon av kiral etyl 1-((R)-1-fenyletyl)aziridin-(2S)-karboksylat med N3 ga etyl (2R)-azido-3-((R)-1-fenylethyl)amino)propanoat på en regioselectiv og stereoselectiv måte10. Dette enantiopure azido-propionatet (5) ble syklisert til 5-amino-hexahydro-pyrimidin-2,4-dione (6) som ble konvertert for syntese av felles strukturell kjerne (9H-Fluoren-9-yl)metyl (3-((R)-3-metyl-2,4-dioxo-1-((R)-1 fenyletyl)hexahydro pyrimidin-5-yl)amino)-3-oxopropyl)karbamat (7) biemamid B og D vist i figur 4. Fra denne kjernemoiety 7 kan syntesen av 5,6-dihydrouracil som inneholder biemamider B (8) og D (9), som er potensielle TGF-β hemmere, oppnås som vist i figur 4.

Vi utførte stereoselektiv Mukaiyama aldol reaksjon av chiral aziridine-2-karboksaldehyd (10) med silyl enol ether 11 for å gi β-(aziridin-2-yl)-β-hydroksy keton 12 i høyt utbytte (85%) med fremragende diastereoselectivity (>98:2). Den selektive reduksjonen av forbindelsen 13 som en TBS-beskyttet form på 12 med L-selectride (1,1 equiv.) ved -78 °C ga opphav til uventet tetrahydrofuran 15 i 15% utbytte sammen med forventet alkohol 14. Den samme reaksjonen med dobbelt så mye L-selectride (2,0 equiv.) ved -78 °C etterfulgt av omrøring ved romtemperatur i 8 timer, ga 15 i 95 % utbytte sammen med den reduserte hydroksyforbindelsen 14 i 5 % utbytte. Denne forbindelsen 15 ble avledet fra den regioselektive ringåpningen av aziridin av en intern hydroksygruppe som nukleofil i 14. Utnyttelse av denne forbindelsen 15 gir en ny rute for syntesen av (-)-epiallo-isomuskarin (17) på en effektiv måte (figur 5).

For karakterisering av alle forbindelsene ble 1H og 13C NMR spektroskopi og massespektrometri (HRMS-ESI) brukt til å bekrefte strukturen og vurdere renheten til produktene. Nøkkeldata for representative forbindelser er beskrevet i Tilleggsfil 1.

Figure 2
Figur 2: Tilberedning av (-)-mentolyl (1R)-fenyletyl-(2R)-(2) og (2S)-aziridine-2- karboksylat 2' fra 2,3-dibromopropan (-)-mentolyl ester (1a)7,13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Tilberedning av både enantiomer av (-)-mentolyl (2R)- og (2S)-aziridin-2- karboksylat og etyl (2R)-aziridin-2-karboksylat via trans-esterifisering (3) som representativt eksempel 7,13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Regioselektiv ringåpning av etyl (2S)-aziridin-2-karboksylat (4) via azidekjerneofil etterfulgt av sekvensielle reaksjoner for total syntese av biemamid B (8) og biemamid D (9)11. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Stereoselektiv Mukaiyama aldol-reaksjon av kiral aziridin-2-karboksaldehyd (10) og silyl enol eter (11) som gir en adduct 12 og dens regio- og stereoselektive transformasjoner for den totale syntesen av (-)-epiallo-isomuscarine (17)13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Se figur 6 til 16 for 1H og 13C NMR spektra av representative forbindelser 7,8,11.

Figure 6
Figur 6: 1H og 13C NMR spektra av 2. Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: 1H og 13C NMR spektra av 3. Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: 1H og 13C NMR spektra av 5. Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist11. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: 1H og 13C NMR spektra av 6. Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist11. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 10
Figur 10: 1H og 13C NMR spektra av 7. Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist11. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 11
Figur 11: 1H og 13C NMR spektra av Biemamid B (8). Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist11. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 12
Figur 12: 1H og 13C NMR spektra av Biemamid D (9). Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist11. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.11. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 13
Figur 13: 1H og 13C NMR spektra av 12. Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist13. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 14
Figur 14: 1H og 13C NMR spektra på 13. Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist13. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 15
Figur 15: 1H og 13C NMR spektra på 15. Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist13. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 16
Figur 16: 1H og 13C NMR spektra av (-)-epiallo-isomuskarin (17). Kjemiske skift og relative integrasjoner av karakteristiske protoner og karboner er vist13. Denne figuren er endret med tillatelse fra Srivastava et al.13. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfil 1: Spektraldata for alle forbindelser i dette manuskriptet. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Aziridiner som nitrogenholdige heterocykler med tre medlemmer har et enormt potensial for syntetiske startsporter eller mellomprodukter for å forberede nitrogenrike organiske molekyler. Basert på gruppelageret ved ring nitrogen, er de klassifisert som "aktivert" og "ikke-aktiverte" aziridiner hvis kjemiske reaktivitet og selektivitet er forskjellige. Imidlertid er svært begrensede metoder tilgjengelige for å forberede denne verdifulle aziridinen i optisk aktiv form.

Protokollen i dette dokumentet beskriver en metode for å forberede enantiopure ikke-aktiverte aziridiner i stor skala. I begynnelsen ble både enantiopure mentolyl estere av (2R) og (2S)-aziridin 2-karboksylater med en chiral 2-metylbenzylgruppe ved ring nitrogen tilberedt som en diastereomerisk blanding. Deretter ble enantiopures (2R)-aziridin 2-karboksylat og (2S)-aziridin 2-karboksylat selektivt krystallisert fra sekvensiell bruk av løsningsmidler MeOH og n-pentan. Denne protokollen var anvendelig for å forberede både enantiopure aziridine-2-karboksylater opp til multi-hundre kilo skalaer, om nødvendig. Transesterifisering til etyl- og metylstere fra mentolylstere ble lett utført ved å bruke enten Mg eller kaliumkarbonat med tilsvarende alkoholer som MeOH og EtOH. Forberedelse av chiral aziridin metyl eller etyl ester på et laboratorium gram-skala ble også utført i ro fra reaksjonen av etyl 2,3-dibromopropanoat og (1R) -fenylethylamine etterfulgt av flash kolonne kromatografi.

Når disse enantiopure aziridin-2-karboksylater var i våre hender, var vi i stand til å oppnå asymmetrisk syntese av ulike biologisk viktige aminer og aza-heterocykler i optisk rene former. For å bruke denne aziridin-2-karboksylat som forrett, er to viktige reaksjoner involvert. Den ene er funksjonell gruppeendring av karboksylat til andre, og den andre er aziridin-ringåpning eller ringtransformasjon i regio- og stereospesifikk oppførsel. På grunnlag av disse syntetiske strategiene var vi i stand til å forberede mange verdifulle sykliske og asykliske aza-molekyler på en svært effektiv måte.

I dette dokumentet presenterer vi syntesen av noen biologisk viktige molekyler, inkludert biemamid B og D, og (-)-epiallo-isomuskarin. Disse eksemplene viste hvor sprudlende vi kunne forberede målmolekyler på en asymmetrisk måte fra enantiopure aziridin 2-karboksylater via svært effektiv endring av ring substituent ved C2 og regio- og stereovalgive aziridin ringåpninger.

Den første hensiktsmessige asymmetriske syntesen av både enantiomerer av 5, 6-dihydrouracil-type marine naturlige produkter biemamid B og D som potensielle TGF-β inhibitorer ble utført på en svært effektiv måte. Denne syntesen består av regio- og stereoselektiv ringåpningsreaksjon av aziridin-2-karboksylat ved azidekjernefil som et viktig skritt og den påfølgende dannelsen av 4-aminoteterahydropyrimidin-2,4-dione. Et annet syntetisk mål presentert i denne protokollen er (-)-epiallo-isomuscarine. Syntesen av denne alkaloiden ble initiert av en svært stereoselektiv Mukaiyama-reaksjon av aziridin-2-karboksaldehyd og silyl enol eter. Deretter ble den resulterende ketonen redusert til en hydroksy gruppe som angrep den reaktive aziridinringen som en kjerne for å lede målet med 2-aminometyltetrahydrofuran som en strukturell kjerne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer at det ikke var noen interessekonflikt i denne studien.

Acknowledgments

Denne forskningen ble støttet av National Research Foundation of Korea (NRF-2020R1A2C1007102 og 2021R1A5A6002803) med Center for New Directions in Organic Synthesis og en 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

Kjemi utgave 184
Fremstilling av Enantiopure ikke-aktiverte aziridiner og syntese av Biemamid B, D og <em>epiallo-Isomuscarine</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