Síntese de Antiviral tetrahidrocarbazole Derivativos por fotoquímica e catalisada por ácido CH funcionalização via Peróxidos intermediários (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

A funcionalização direta de ligações CH é um importante e longo objetivo de pé em química orgânica 1. Tais transformações podem ser muito poderosos, a fim de agilizar a síntese salvando etapas, tempo e material em comparação com os métodos convencionais que exigem a introdução e remoção de ativar ou dirigir grupos. Portanto, a funcionalização de ligações CH também é atraente para a química verde 2. Sob condições oxidantes, duas ligações CH ou um CH e uma ligação heteroátomo-H pode ser transformado para CC e ligações C-heteroátomo, respectivamente (Figura 1) 3-9. Muitas vezes, estas reacções de acoplamento oxidativo requerem oxidantes sintéticos, catalisadores caros ou altas temperaturas. Portanto, muitas são feitas tentativas de desenvolver métodos que usam catalisadores baratos, condições benignas e oxigénio ou ar como oxidante terminal 10.

Figura 1 Figura 1. Reações de acoplamento oxidativo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Muitos compostos orgânicos reagem lentamente com o oxigénio do ar, em reacções de auto-oxidação que podem funcionalizar ligações CH eficazmente por inserção de O 2, que formam uma porção de hidroperóxido 11,12. Processos de auto-oxidação são utilizados em escala industrial para os compostos oxigenados gerados a partir de matérias primas de hidrocarbonetos, mas também a auto-oxidação é um processo indesejável se conduzir à decomposição dos compostos ou materiais valiosos. Em alguns casos, por exemplo, éter dietílico, hidroperóxidos formados no ar podem também ser explosiva. Recentemente, descobrimos uma reação que utiliza um auto-oxidação para formar uma nova ligação CC de ligações CH, sem necessidade de um catalisador redox-ativo 13,14 15. A reacção, no entanto, é restrita a poucos xanteno e compostos relacionados, que são facilmente oxidados, sob uma atmosfera de oxigénio e os produtos têm aplicações até agora não encontrado. No entanto inspirado por esta descoberta, foi desenvolvido um método de acoplamento oxidativo relacionado que utiliza o princípio da CH funcionalização via peróxidos intermediários (chips) para sintetizar derivados de indol farmacologicamente activos 16.

Índoles, especialmente tetrahidrocarbazoles 1, podem ser facilmente oxidados a hidroperóxidos de 2, na presença de oxigénio atómico 17-19, o que pode ser gerado usando um sensibilizador e de luz visível de 20. A hidrporção operoxide pode, em princípio, actuar como um grupo de saída, se activada por catálise ácida e permitem a introdução de um nucleófilo 21,22. Os hidroperóxidos são também conhecidos por sofrerem reacções de rearranjo de catálise ácida, como utilizado na síntese industrial de fenol de cumeno, o processo Hock 23. Através de estudos de otimização cuidadosos, podemos encontrar condições para favorecer a reação de substituição desejado com N-nucleófilos como anilinas 3 ao longo dos caminhos de decomposição indesejados por rearranjo 16. Aqui, descrevemos este procedimento CHIPS em duas etapas em detalhes, usando apenas a luz visível, um sensibilizador, oxigênio e ácido. Entre os produtos seleccionados são derivados do indol 4, que apresentam uma elevada actividade anti-viral ou inibem o factor de crescimento endotelial vascular (FCV), que pode ser importante para a terapia de tumores 24-26.

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Protocol

1. Síntese de tetrahidrocarbazole hidroperóxidos

  1. A formação do hidroperóxido é abrandado se o tetra é muito colorido. Neste caso, purificá-lo por recristalização usando tolueno / pentano ou por cromatografia em coluna para obter um material de partida incolor. Para a purificação por cromatografia em coluna, numa coluna de embalar com uma camada inferior de sílica gel e uma camada superior de alumina. Coloque o tetrahidrocarbazole no topo da coluna e elui-se com tolueno. Todos os subprodutos coloridos amarelo e preto indesejados são adsorvidos sobre a coluna e eluindo tetrahidrocarbazole incolor. Evapora-se imediatamente o solvente e armazenar o produto branco purificado sob uma atmosfera de árgon no escuro.
  2. Pesar 1 g de tetra ou de um tetra-hidrocarbazole substituo (1, sintetizado de acordo com os métodos relatados 16) em um frasco de 250 ml. Adicionam-se 100 ml de tolueno para este balão.
  3. Pesar Rosa Bengala (2mg) e adicioná-lo à mistura da reacção acima.
  4. Adicionar uma barra de agitação e cobrir o recipiente com septos.
  5. Adicionar um balão de oxigênio através do septo; este mantém uma pressão positiva de atmosfera de oxigénio na reacção.
  6. Irradiar a mistura reaccional com uma lâmpada de 23 watt.
  7. Verificar o progresso da reacção por cromatografia em camada fina (TLC, utilizando uma mistura de hexano / acetato de etilo na proporção de 70:30, o valor de R f dos hidroperóxidos aqui descritas está compreendida entre 0,2 e 0,3) ou por 1 H-RMN a partir de um amostra recolhida (evapora-se o solvente em um evaporador rotativo e dissolve-se o resíduo em DMSO-d6). Os tempos de reacção podem variar dependendo da fonte de luz e a pureza do material de partida, tal como mencionado na parte 1.1. Geralmente, a conversão completa do tetrahidrocarbazoles uma leva de 3 hr.
  8. Filtrar o precipitado sólido após a conversão completa do material de partida. A lavagem do sólido pode ser feito com pentano a fim de remover a maior parteo tolueno, mas não é necessário para a purificação.
  9. Seca-se o sólido isolado sob pressão reduzida.

ATENÇÃO: Apesar de nunca experimentou qualquer problema em trabalhar com ou manusear os compostos descritos neste trabalho, devem ser tomadas precauções quando se trabalha com peróxidos. Em particular, deve ser evitada, tanto quanto possível para expor peróxidos puro ao calor ou ao misturá-los com metais ou sais metálicos. Performance de tais reações por trás de um escudo explosão é recomendado.

. Reacção de acoplamento 2 - Método A Utilizando 10 mol% de ácido trifluoroacético em Metanol

  1. Pesar o hidroperóxido (0,49 mmol, 1,0 equiv. Do passo 1) e o nucleófilo desejado anilina (0,49 mmol, 1,0 equiv.) Para um frasco de 12 mL ou um frasco de fundo redondo adequado.
  2. Adicionar 10 ml de MeOH e posteriormente 3,74 mL de ácido trifluoroacético (TFA, 0,049 mmol, 0,1 equiv.) Para o frasco ou frasco de fundo redondo.
  3. Fechar o recipiente com uma tampa eagita-se a mistura de reacção à temperatura ambiente durante 4 horas.
    Variante de processamento A1 (para produtos que precipitam ao longo do curso da reacção):
  4. Filtrar o sólido precipitado para se obter o produto desejado. Lavar o produto com metanol (3 x 0,5 ml).
  5. Para se obter uma segunda fracção de produto, evapora-se o metanol a partir do filtrado. Dissolve-se o produto bruto em 5 ml de acetato de etilo a 40 ° C, depois arrefece-se até à temperatura ambiente e adicionar 3-5 mL de pentano O produto puro precipita.
  6. Combine as diferentes frações do produto e secá-las sob alto vácuo.
    A manipulação variante A2 (para produtos que não precipitam):
  7. Evapora-se o solvente imediatamente após a reacção utilizando um evaporador rotativo e purifica-se o resíduo por cromatografia em coluna, como especificado (gel de sílica, hexano / acetato de etilo / trietilamina) para se obter o produto desejado.

3 A reacção de acoplamento -. Método BUsando o ácido acético

  1. Pesar o hidroperóxido (0,49 mmol, 1,0 equiv. Do passo 1) e o nucleófilo desejado anilina (0,49 mmol, 1,0 equiv.) Para um frasco de 12 mL ou um frasco de fundo redondo adequado.
  2. Adicionar 10 ml de ácido acético (AcOH) para o para o frasco ou balão de fundo redondo.
  3. Fechar o recipiente com uma tampa e agita-se a mistura de reacção à temperatura ambiente durante 4 horas.
    Variante de processamento B1 (para produtos que precipitam ao longo do curso da reacção):
  4. Filtrar o sólido precipitado para se obter o produto desejado. Lavar o produto com AcOH (3 x 0,5 ml).
  5. Para se obter uma segunda fracção de produto, evapora-se o ácido acético a partir do filtrado. Dissolve-se o produto bruto em 5 ml de acetato de etilo a 40 ° C, depois arrefece-se até à temperatura ambiente e adicionar 3-5 mL de pentano O produto puro precipita.
  6. Combine as diferentes frações do produto e secá-las sob alto vácuo.
    A manipulação variante B2
  7. Evapora-se o solvente imediatamente após a reacção utilizando um evaporador rotativo e purifica-se o resíduo por cromatografia em coluna, como especificado (gel de sílica, hexano / acetato de etilo / trietilamina) para se obter o produto desejado.

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Representative Results

Síntese de 1 - (5-nitroindolin-1-il) -2,3,4,9-tetra-hidro-1H-carbazole (4a):

Sintetizado de acordo com o Método A, R f = 0,63 (hexano / acetato de etilo 70:30).

Purificação: Purifica-se o produto utilizando o Método A, variante adsorvido A1 (passos 2.4, 2.5, 2.6). Laranja sólida, Rendimento: 95%.

1 H RMN (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 RMN (125 MHz, DMSO-d6): δ 156,5 (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 + calculada. para C 20 H 19 N 3 O 2 Na 1 [M + Na] +: 356,136948; encontrado: 356,137207.

Figura 2
Figura 2. Representante um espectro de H-RMN de 4a (500 MHz, DMSO-d6). Clique aqui para ver a laversão rger desta figura.

Figura 3
Figura 3. Representante 13 C-RMN espectro de 4a (125 MHz, DMSO-d6). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Síntese de 4 - (6-bromo-2 ,3,4,9-tetra-hidro-1H-carbazol-1-ilamino) benzonitrilo (4b):

Sintetizado de acordo com o Método A, tempo de reacção foi de 12 h, R f = 0,44 (iso-hexano / acetato de etilo 70:30).

Purificação: Purificação: Purifica-se o produto utilizando o Método A, variante adsorvido A1 (passos 2.4, 2.5, 2.6). Rendimento: 80%.

1 HRMN (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 RMN (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 - (El) (m / z): M + calculada para C 19 H 16 N 3 Br 1 Na 1, 388,041988; encontrado 388,041996.

Síntese de 4 - (2,3,4,9-tetra-hidro-1H-carbazol-1-ilamino) benzonitrilo (4c):

Sintetizado de acordo com Meth od B, R f = 0,62 (hexano / acetato de etilo 70:30).

Purificação: Purificação: Purifica-se o produto de acordo com o método B, variante de processamento B1 (passos 3.4, 3.5, 3.6), sólido branco. Rendimento: 80%.

1 H RMN (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 RMN (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 + calculada para C 19 H 17 N 3 1 de Na [M + Na] +: 310,131469, encontrado:. 310,131446

Síntese de 6-bromo-N-fenil-2 ,3,4,9-tetra-hidro-1H-carbazol-1-amina (4d):

Sintetizado de acordo com o método B, o tempo de reacção foi de 12 h, R f = 0,79 (hexano / acetato de etilo 70:30).

Purificação: Purificação: Purifica-se o produto de acordo com o método B, variante de processamento B2 (passos 3.7), utilizando uma mistura eluente de hexano, acetato de etilo e trietilamina (90:5:5) para cromatografia em coluna. Sólido branco. Rendimento: 60%.

1 H RMN (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 RMN (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 + calculada. para C 18 H 17 N 2 Br 1 1 Na [M + Na] +: 363,046740; encontrado: 363.046458

Figura 4
Figura 4. Síntese de derivados tetrahidrocarbazole por CH funcionalização através de peróxidos intermediários (chips).s :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51504/51504fig4highres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Estes resultados representativos demonstrar como tetrahidrocarbazoles pode ser convenientemente funcionalizados por CH funcionalização via peróxidos intermediários (chips). Este método permite a síntese de produtos de acoplamento da anilina com nucleófilos, incluindo compostos farmacologicamente activos, num procedimento em duas fases (Figura 4).

O primeiro passo é a oxidação photocatalyzed bem conhecido de tetra (1) ou os seus derivados com oxigénio elementar 17,19, dando um hidroperóxido 2. Se realizada em tolueno, os hidroperóxidos precipitar e pode ser convenientemente isolado por meio de filtração. Purificação adicional não é necessária.

Na segunda etapa, o hidroperóxido 2 é tratado com uma anilina 4 por substituição catalisada por ácido. Dependendo do nucleófilo anilina, a acidez para a etapa final tem de ser ajustadas. Ou as quantidades catalíticas de ácido trifluoroacético (TFA) em metanol como solvente são utilizados, ou a reacção é realizada em ácido acético como solvente, sem qualquer catalisador adicional. Alguns dos produtos do segundo passo de precipitação, bem como (4a - c), caso em que uma grande quantidade de produto pode ser isolado por meio de filtração e sem purificação adicional é necessária. O rendimento pode ser aumentado por evaporação do solvente a partir do licor mãe e recristalização do resíduo sólido. Se o produto não precipitar (4d), a cromatografia do produto impuro em coluna é usado para purificação.

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Discussion

Em resumo, foi possível demonstrar que uma ligação CH em tetrahidrocarbazoles pode ser convenientemente funcionalizado para gerar produtos de CN de acoplamento num processo de dois passos.

O primeiro passo é a oxidação photocatalyzed bem conhecido de tetra (1) ou os seus derivados com oxigénio elementar 17,19, dando um hidroperóxido 2. Se realizada em tolueno, os hidroperóxidos precipitar e pode ser convenientemente isolado por meio de filtração. Purificação adicional não é necessária.

O segundo passo é uma reacção de substituição nucleofilica catalisada por ácido. Uma lógica mecanicista para este passo é mostrado na Figura 5. Electrófilo activo 6 Acredita-se que seja formado por imina-enamina-tautomerização, auxiliado por catálise ácida. Potencialmente, o hidroperóxido 2 é protonado e perde o peróxido de hidrogénio em condições ácidas, formando carbocation 5. Tautomerização leva a uma carbocação mais estabilizada 6 e a reacção com o nucleófilo para o produto final 4, restaurando o núcleo indol aromático.

Figura 5
Figura 5. Sugestão mecanicista para a transformação catalisada por ácido de hidroperóxidos 2 para o produto final 4.
Dependendo da natureza electrónica do nucleófilo anilina, as condições da reacção tem de ser modificado. Para anilinas electrões muito pobres, por exemplo, contendo um grupo nitro, quantidades catalíticas de ácido trifluoroacético em metanol é o método de escolha. Por moderadamente electrões anilinas pobres, por exemplo, com substituintes de halogéneo, o ácido acético como solvente, sem catalisador ácido adicional é o método de escolha.ftp_upload/51504/51504fig5highres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Um passo crítico no âmbito do protocolo é a fotooxigenação do material de partida tetra ao hidroperóxido. Com escuro tetra amarelo ou preto, como às vezes recebidos de fontes comerciais, a oxidação fotossensibilizado ou não funciona ou apenas em rendimentos muito baixos. Em tais casos, o material de partida tem de ser purificado, tal como descrito no protocolo acima (passo 1.1).

A reacção é até agora limitado a tetra ou alguns seus derivados. Ele não é bem sucedida com indol, no entanto, 2,3-di-substituído com Índoles podem ser empregues, se os substituintes de alquilo são cadeias mais longas do que metilo. A lista de produtos acessíveis conhecidos foi publicado. 16

O significado no que diz respeito aos métodos existentes reside nas condições suaves, a simplicidade of purificação, a sustentabilidade ea acessibilidade dos produtos farmacologicamente ativos. As reacções não necessitam de temperaturas elevadas ou de grupos de protecção e podem proporcionar os produtos de acoplamento 4 em rendimentos elevados dentro de 5-6 horas. Purificação especial ou secagem de materiais de partida e solventes, geralmente não é necessário. A estratégia para funcionalizar ligações CH via substituição de peróxidos intermediários (fichas) formados pela ação do oxigênio tem um grande potencial para a química sustentável - apenas catalisadores, oxigênio e luz visível são obrigatórios. Entre os produtos seleccionados são os derivados de indole farmaceuticamente activos 4b - d. 4d do produto é notável, uma vez que é ativo contra o vírus do papiloma humano, vírus da hepatite C e inibe o fator de crescimento endotelial vascular 24-26.

A estratégia de CHIPS, em princípio, ser aplicada a uma variedade de diferentes substratos classes. Outras investigações sobre o mecanismo de reação e extensões deste método para acessar outros produtos sinteticamente interessantes são agora o foco de nossos esforços contínuos.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

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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