Sintesi di derivati ​​antivirale Tetrahydrocarbazole da fotochimica e acido-catalizzata CH funzionalizzazione via intermedi perossidi (CHIPS)

Chemistry

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Gulzar, N., Klussmann, M. Synthesis of Antiviral Tetrahydrocarbazole Derivatives by Photochemical and Acid-catalyzed C-H Functionalization via Intermediate Peroxides (CHIPS). J. Vis. Exp. (88), e51504, doi:10.3791/51504 (2014).

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Abstract

Introduction

La funzionalizzazione diretta di legami CH è un obiettivo importante e in piedi a lungo in chimica organica 1. Tali trasformazioni possono essere molto potenti per snellire sintesi salvando passi, tempo e materiale rispetto ai metodi convenzionali che richiedono l'introduzione e la rimozione di attivare o dirigere gruppi. Pertanto, la funzionalizzazione di legami CH è anche interessante per la chimica verde 2. In condizioni di ossidazione, due legami CH o un CH e un legame eteroatomo-H può essere trasformato in legami CC e C-eteroatomo, rispettivamente (Figura 1) 3-9. Spesso queste reazioni di accoppiamento ossidativo richiedono ossidanti sintetici, catalizzatori costosi o alte temperature. Pertanto, molti tentativi di sviluppare metodi che utilizzano catalizzatori economici, condizioni benigne e ossigeno o aria come ossidante morsetto 10.

Figura 1 Figura 1. Reazioni di accoppiamento ossidativo. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Molti composti organici reagiscono lentamente con l'ossigeno dall'aria in reazioni di autossidazione che può funzionalizzare legami CH inserendo efficacemente O 2, formando una porzione idroperossido 11,12. Processi di autossidazione sono utilizzati su scala industriale di composti ossigenati generati da cariche idrocarburiche, ma autossidazione è anche un processo indesiderato se porta alla decomposizione di composti o materiali pregiati. In alcuni casi, ad esempio etere etilico, idroperossidi formate in aria possono anche essere esplosivi. Recentemente, abbiamo scoperto una reazione che utilizza un autossidazione per formare un nuovo legame CC da legami CH, senza necessità di un redox-attiva catalizzatore 13,14 15. La reazione, tuttavia, è limitato a xanthene e alcuni composti correlati che vengono facilmente ossidati sotto una atmosfera di ossigeno ed i prodotti hanno applicazioni finora non trovati. Tuttavia ispirato da questa scoperta, abbiamo sviluppato un metodo di accoppiamento ossidativo correlati che utilizza il principio della CH funzionalizzazione via perossidi intermedi (chips) di sintetizzare derivati ​​farmacologicamente attive indolici 16.

Indoli, soprattutto tetrahydrocarbazoles 1, può essere facilmente ossidato a idroperossidi 2 in presenza di ossigeno singoletto 17-19, che può essere generato utilizzando un sensibilizzante e luce visibile 20. A hydrporzione operoxide potrebbero servire come un gruppo uscente, se attivato da catalisi acida e consentire l'introduzione di un nucleofilo 21,22. Idroperossidi sono anche noti per sottoporsi acido catalizzata reazioni di riarrangiamento come utilizzato nella sintesi industriale del fenolo da cumene, il processo Hock 23. Con attenti studi di ottimizzazione, siamo riusciti a trovare le condizioni per favorire la reazione di sostituzione desiderata con N-nucleofili come aniline 3 oltre i percorsi di decomposizione indesiderate riarrangiamento 16. Qui, descriviamo questa procedura CHIPS due fasi in dettaglio, utilizzando solo la luce visibile, un sensibilizzatore, ossigeno e acido. Tra i prodotti selezionati sono derivati ​​indolici 4, che mostrano elevata attività antivirale o inibiscono il fattore di crescita vascolare endoteliale (VGF), che può essere importante per la terapia tumorale 24-26.

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Protocol

1. Sintesi di Tetrahydrocarbazole idroperossidi

  1. La formazione del idroperossido viene rallentato se il tetrahydrocarbazole è molto colorato. In questo caso, purificarlo per ricristallizzazione usando toluene / pentano o mediante cromatografia su colonna per ottenere un materiale di partenza incolore. Per purificazione mediante cromatografia su colonna, imballare una colonna con uno strato inferiore di gel di silice e uno strato superiore di allumina. Mettere il tetrahydrocarbazole sulla sommità della colonna ed eluire con toluene. Tutti i sottoprodotti di colore giallo e nero indesiderati sono adsorbiti sulla colonna e tetrahydrocarbazole incolore di eluizione. Subito evaporare il solvente e conservare il prodotto bianco purificato sotto un'atmosfera di argon al buio.
  2. Pesare 1 g di tetrahydrocarbazole o di un tetrahydrocarbazole sostituito (1, sintetizzato secondo metodi riportati 16) in un pallone da 250 ml. Aggiungere 100 ml di toluene a questo pallone.
  3. Pesare Rosa Bengala (2mg) e inserirlo nella miscela di reazione di cui sopra.
  4. Aggiungere un ancoretta e coprire il pallone con setti.
  5. Aggiungere un palloncino ossigeno attraverso il setto; questa mantiene una pressione positiva di ossigeno nell'atmosfera sulla reazione.
  6. Irradiare la miscela di reazione con una lampada da 23 watt.
  7. Controllare l'avanzamento della reazione mediante cromatografia su strato sottile (TLC, utilizzando una miscela di esano / acetato di etile in rapporto 70:30, il valore f R delle idroperossidi qui descritti è compreso tra 0,2 e 0,3) o da 1 H NMR da una campione prelevato (evapora il solvente su un evaporatore rotante e disciogliere il residuo in DMSO-d6). I tempi di reazione possono variare a seconda della sorgente di luce e la purezza del materiale di partenza, come già in parte 1.1. In generale, l'integrale conversione delle tetrahydrocarbazoles 1 richiede 3 ore.
  8. Filtrare il solido precipitato dopo la completa conversione del materiale di partenza. Lavaggio del solido può essere fatta con pentano per rimuovere la maggior parte deiil toluene, ma non è necessario per la purificazione.
  9. Essiccare il solido isolato sotto pressione ridotta.

ATTENZIONE: Anche se non abbiamo mai sperimentato alcun problema a lavorare con o manipolazione dei composti descritti in questo lavoro, le precauzioni devono essere prese quando si lavora con perossidi. In particolare, dovrebbe essere evitato il più possibile esporre perossidi pulito per riscaldare o per mescolarle con metalli o sali metallici. Esibirsi tali reazioni dietro uno scudo esplosione è raccomandato.

. 2 Giunto Reazione - Metodo A Utilizzo 10 mol% acido trifluoroacetico in metanolo

  1. Pesare il idroperossido (0,49 mmol, 1,0 equiv. Dal punto 1) e il nucleofilo desiderato anilina (0,49 mmol, 1,0 equiv.) In una fiala di 12 ml o un pallone a fondo tondo adatto.
  2. Aggiungere 10 ml di metanolo e successivamente 3,74 ml di acido trifluoroacetico (TFA, 0,049 mmol, 0.1 equiv.) Per flaconcino o pallone a fondo tondo.
  3. Chiudere il contenitore con un tappo eagitare la miscela di reazione a temperatura ambiente per 4 ore.
    Variante workup A1 (per i prodotti che precipitano nel corso della reazione):
  4. Filtrare il solido precipitato per ottenere il prodotto desiderato. Lavare il prodotto con metanolo (3 x 0,5 ml).
  5. Per ottenere una seconda frazione di prodotto, si evapora il metanolo dal filtrato. Sciogliere il prodotto grezzo in 5 ml di acetato di etile a 40 ° C, poi raffreddare a temperatura ambiente e aggiungere 3-5 ml di pentano Il prodotto puro precipita.
  6. Combinare le diverse frazioni di prodotto e asciugare sotto alto vuoto.
    Variante iter A2 (per i prodotti che non precipitano):
  7. Si evapora il solvente subito dopo la reazione utilizzando un evaporatore rotante e purificare il residuo mediante cromatografia su colonna come specificato (gel di silice, esano / acetato di etile / trietilammina) per ottenere il prodotto desiderato.

3 Coupling Reaction -. Metodo BCon acido acetico

  1. Pesare il idroperossido (0,49 mmol, 1,0 equiv. Dal punto 1) e il nucleofilo desiderato anilina (0,49 mmol, 1,0 equiv.) In una fiala di 12 ml o un pallone a fondo tondo adatto.
  2. Aggiungere 10 ml di acido acetico (AcOH) relativa alla fiala o pallone a fondo tondo.
  3. Chiudere il contenitore con un tappo e agitare la miscela di reazione a temperatura ambiente per 4 ore.
    Variante workup B1 (per i prodotti che precipitano nel corso della reazione):
  4. Filtrare il solido precipitato per ottenere il prodotto desiderato. Lavare il prodotto con AcOH (3 x 0,5 ml).
  5. Per ottenere una seconda frazione di prodotto, evaporare l'acido acetico dal filtrato. Sciogliere il prodotto grezzo in 5 ml di acetato di etile a 40 ° C, poi raffreddare a temperatura ambiente e aggiungere 3-5 ml di pentano Il prodotto puro precipita.
  6. Combinare le diverse frazioni di prodotto e asciugare sotto alto vuoto.
    Variante Workup B2
  7. Si evapora il solvente subito dopo la reazione utilizzando un evaporatore rotante e purificare il residuo mediante cromatografia su colonna come specificato (gel di silice, esano / acetato di etile / trietilammina) per ottenere il prodotto desiderato.

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Representative Results

Sintesi di 1 - (5-nitroindolin-1-il) -2,3,4,9-tetraidro-1H-carbazolo (4a):

Sintetizzata secondo il Procedimento A, R f = (esano / acetato di etile 70:30) 0.63.

Purificazione: Purificare il prodotto utilizzando il metodo A, variante iter A1 (i punti 2.4, 2.5, 2.6). Arancione solido, Resa: 95%.

1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 10.90 (s, 1H), 7.97 (dd, J = 8.9 Hz, J = 2.4 Hz, 1H), 7.86 (d, J = 2.2 Hz, 1H), 7.42 (d, J = 7.8 Hz, 1H), 7.27 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 7.05 (t, J = 7.8 Hz, 1H), 6.97 (t, J = 7.8 Hz, 1H), 6.53 (d , J = 8.9 Hz, 1H), 5,21-5,19 (m, 1H), 3,68-3,63 (q, J = 18.7 Hz, J = 9.3 Hz, 1H), 3,47-3,41 (q, J = 17.8 Hz, J = 8.8 Hz, 1H), 3.05 (t, J = 8.6 Hz, 2H), 2,70-2,64(M, 2H), 2,09-2,02 (m, 2H), 1,91-1,85 (m, 2H), ppm;

13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): 156.5 δ (q), 136,3 (q), 136,2 (q), 131,5 (q), 130,7 (q), 126,6 (q), 126,4 (t), 121,1 ( t), 120.1 (t), 118.3 (t), 118,0 (t), 111,6 (q), 111,1 (t), 104.0 (t), 49,9 (t), 48,8 (s), 26.3 (s), 26.1 ( s), 21.9 (s), 20.4 (s) ppm;

HR-MS (ESIpos) m / z: M + calcd. per C 20 H 19 N 3 O 2 Na 1 [M + Na] +: 356,136948; trovati: 356,137207.

Figura 2
Figura 2. Rappresentante 1 H-NMR spettro di 4a (500 MHz, DMSO-d6). cliccate qui per vedere a laversione rger di questa figura.

Figura 3
Figura 3. Rappresentante 13 C-NMR spettro di 4a (125 MHz, DMSO-d6). cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Sintesi di 4 - (6-bromo-2 ,3,4,9-tetraidro-1H-carbazol-1-ylamino) benzonitrile (4b):

Sintetizzata secondo il metodo A, tempo di reazione era 12 hr, R f = (acetato isoesano / etile 70:30) 0.44.

Purificazione: Purificazione: Purificare il prodotto utilizzando il metodo A, variante iter A1 (punti 2.4, 2.5, 2.6). Resa: 80%.

1 HNMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 11.14 (s, 1H), 7.61 (s, 1H), 7.49 (d, J = 8.5 Hz, 2H), 7.26 (d, J = 8.5 Hz, 2H), 7.16 (t, J = 8.6 Hz, 2 H), 6.81 (d, J = 8.6 Hz, 2H), 4,88-4,90 (m, 1H), 2,68-2,71 (m, 1H), 2,58-2,61 (m, 1H) , 1,98-2,03 (m, 1H), 1,89-1,92 (m, 1H), 1,81-1,83 (m, 2H) ppm;

13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ 151,2 (q), 135.4.0 (q), 134,7 (q), 133,4 (t), 128,4 (t), 123,5 (t), 120.7 (q), 120.2 (t), 113.0 (t), 110,8 (q), 110.5 (q), 95.7 (q), 45.3 (q), 29.0 (s), 20.4 (s), 19.7 (s) ppm;

HR-MS - (EI) (m / z): M + calcd per C 19 H 16 Br 1 N 3 Na 1, 388,041988; trovato 388,041996.

Sintesi di 4 - (2,3,4,9-tetraidro-1H-carbazol-1-ylamino) benzonitrile (4c):

Sintetizzato secondo Meth od B, R f = (esano / acetato di etile 70:30) 0.62.

Purificazione: Purificazione: Purificare il prodotto utilizzando il metodo B, la variante iter B1 (punti 3.4, 3.5, 3.6), solido bianco. Resa: 80%.

1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 10.89 (s, 1H), 7.48 (d, J = 8.6 Hz, 2H), 7.43 (d, J = 7.8 Hz, 1H), 7.29 (d, J = 8.0 Hz, 1H), 7.13 (d, J = 8.1 Hz, 1H), 7.05 (t, J = 7.2 Hz, 1H), 6.96 (t, J = 7.2 Hz, 1H), 6.81 (d, J = 8.8 Hz , 2H), 4,88-4,87 (m, 1H), 2,75-2,70 (m, 1H), 2,64-2,59 (m, 1H), 2,02-1,96 (m, 1H), 1,95-1,90 (m, 1H), 1.87 -1.80 (m, 2H) ppm;

13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ 151,2, 136,0, 133,5, 133,3, 126,4, 121,0, 120,6, 118,1, 117,8, 111,1, 110,5, 95,4, 45,2, 28,9, 20,6, 19,6 ppm;

e_content "> HR-MS (ESIpos) m / z: M + calcd per C 19 H 17 N 3 Na 1 [M + Na] +: 310,131469; trovati:. 310,131446

Sintesi di 6-bromo-N-fenil-2 ,3,4,9-tetraidro-1H-carbazol-1-ammina (4d):

Sintetizzata secondo il Procedimento B, tempo di reazione era di 12 h, R = f (esano / acetato di etile 70:30) 0,79.

Purificazione: Purificazione: Purificare il prodotto utilizzando il metodo B, variante workup B2 (passi 3.7), utilizzando una miscela eluente esano, acetato di etile e trietilammina (90:5:5) per cromatografia su colonna. Bianco solido. Resa: 60%.

1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 11.10 (s, 1H), 7.59 (d, J = 1.7 Hz, 1H), 7.26 (d, J = 8.56 Hz, 1 H), 7.15 (dd, J = 8.51 Hz, J = 1.90 Hz, 1 H), 7.10 (t, J = 7.4 Hz, 2H), 6.73 (d, J = 7.9 Hz, 2H), 6.56 (t, J = 7.3 Hz, 1H), 5.97 (d, J = 8.9 Hz, 1H), 4.79- 4,77 (m, 1H), 2,70-2,66 (m, 1H), 2,62-2,57 (m, 1H), 2,02-1,93 (m, 2H), 1,85-1,77 (m, 2H), ppm;

13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ 147,8, 136,8, 134,7, 128,5, 123,1, 120,1, 115,8, 113.0, 112.6, 110.6, 110.0, 45.9, 28.9, 20.5, 19.9, ppm;

HR-MS (ESIpos) m / z: M + calcd. per C 18 H 17 Br 1 N 2 Na 1 [M + Na] +: 363,046740; trovati: 363.046458

Figura 4
Figura 4. Sintesi di derivati ​​tetrahydrocarbazole da CH funzionalizzazione mediante perossidi intermedi (CHIPS).s :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51504/51504fig4highres.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Questi risultati dimostrano come rappresentativi tetrahydrocarbazoles possono essere comodamente funzionalizzati da CH funzionalizzazione via perossidi intermedi (CHIPS). Questo metodo permette di sintetizzare prodotti accoppiati con nucleofili anilina, compresi i composti farmaceuticamente attivi, in un procedimento a due fasi (Figura 4).

Il primo passo è un noto ossidazione photocatalyzed di tetrahydrocarbazole (1) o suoi derivati ​​con ossigeno elementare 17,19, dando un idroperossido 2. Se eseguita in toluene, i prodotti idroperossido precipitano e possono essere convenientemente isolati mediante filtrazione. Ulteriore purificazione non è necessario.

Nella seconda fase, l'idroperossido 2 viene trattato con una anilina 4 per sostituzione acido-catalizzata. A seconda del nucleofilo anilina, l'acidità per la fase finale deve essere perfezionato. Entrambi quantità catalitiche di acido trifluoroacetico (TFA) in metanolo come solvente si usano, o la reazione viene eseguita in acido acetico come solvente senza catalizzatore aggiuntivo. Alcuni dei prodotti del secondo passo precipitato così (4a - c), nel qual caso una grande quantità di prodotto può essere isolato per filtrazione e nessuna purificazione supplementare è necessario. Il rendimento può essere aumentato per evaporazione del solvente dalle acque madri e ricristallizzazione del residuo solido. Se il prodotto non precipita (4d), cromatografia su colonna del prodotto grezzo viene usato per la purificazione.

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Discussion

In sintesi, potremmo dimostrare che un legame CH in tetrahydrocarbazoles può essere comodamente funzionalizzato per generare prodotti CN-accoppiamento in una procedura in due fasi.

Il primo passo è un noto ossidazione photocatalyzed di tetrahydrocarbazole (1) o suoi derivati ​​con ossigeno elementare 17,19, dando un idroperossido 2. Se eseguita in toluene, i prodotti idroperossido precipitano e possono essere convenientemente isolati mediante filtrazione. Ulteriore purificazione non è necessario.

Il secondo passo è una reazione di sostituzione nucleofila acido-catalizzata. Una logica meccanicistica per questa fase è mostrato in Figura 5. L'elettrofilo attivo 6 si crede che sia formata da immina-enammina-tautomerizzazione, aiutato da catalisi acida. Potenzialmente, l'idroperossido 2 è protonata e perde acqua ossigenata in condizioni acide, formando carbocatione 5. Tautomerizzazione porta ad un carbocatione più stabile 6 e reazione con il nucleofilo al prodotto finale 4, ripristinando il nucleo indolo aromatica.

Figura 5
Figura 5. Suggerimento meccanicistici per la trasformazione acido-catalizzata di idroperossidi 2 al prodotto finale 4.
A seconda della natura elettronica del nucleofilo anilina, le condizioni di reazione devono essere modificati. Per aniline molto povera di elettroni, ad esempio recanti un gruppo nitro, quantità catalitiche di acido trifluoroacetico in metanolo è il metodo di scelta. Per moderatamente elettroni aniline poveri, ad esempio tenendo alogenati, acido acetico come solvente, senza catalizzatore acido supplementare è il metodo di scelta.ftp_upload/51504/51504fig5highres.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Un passo fondamentale all'interno del protocollo è il fotoossigenazione del materiale di partenza tetrahydrocarbazole al idroperossido. Con tetrahydrocarbazole giallo scuro o nero, come a volte ricevuto da fonti commerciali, l'ossidazione photosensitized o non funziona o solo in rese molto basse. In tal caso, il materiale di partenza deve essere purificato come descritto nel protocollo di cui sopra (passo 1.1).

La reazione è finora limitata a tetrahydrocarbazole o alcuni loro derivati. Non è successo con indolo, tuttavia, 2,3-dialchil sostituito indoli possono essere impiegati se i sostituenti alchilici sono catene superiori metile. Un elenco di prodotti accessibili noti è stato pubblicato 16.

La significatività rispetto ai metodi esistenti sta nelle condizioni blande, la semplicità odepurazione F, la sostenibilità e l'accessibilità dei prodotti farmacologicamente attivi. Le reazioni non necessitano di temperature elevate o gruppi di protezione e possono permettersi i prodotti di accoppiamento 4 in alte rese entro 5-6 ore. Purificazione speciale o essiccazione di materiali di partenza e solventi non è generalmente necessario. La strategia di funzionalizzare legami CH tramite la sostituzione di perossidi intermedi (CHIPS) formate dall'azione di ossigeno ha un grande potenziale per la chimica sostenibile - solo catalizzatori, l'ossigeno e la luce visibile sono obbligatori. Tra i prodotti selezionati sono i derivati ​​farmacologicamente attive indolici 4b - d. 4d prodotto è notevole, in quanto è attivo contro il virus del papilloma umano, il virus dell'epatite C e inibisce il fattore di crescita vascolare endoteliale 24-26.

La strategia di chip dovrebbe in linea di principio applicabile a una varietà di diverse clas substratoses. Ulteriori indagini sul meccanismo di reazione e le estensioni di questo metodo per accedere ad altri prodotti sinteticamente interessanti sono ora al centro dei nostri sforzi in corso.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1,2,3,4-Tetrahydrocarbazole Sigma Aldrich T12408 If coloured, purification may be necessary. See Protocol 1.1
Methanol Sigma Aldrich 322415 99.8% purity
4-Nitroaniline Acros Organics 128371000 99% purity
Trifluoroacetic acid Sigma Aldrich T6508 99% purity
Acetic acid J. T. Baker JTB RS 426960101 99-100% purity
Aniline Merck 8222560100
4-Aminobenzonitrile Sigma Aldrich 147753 98% purity

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