Síntesis de derivados Antiviral tetrahidrocarbazol por fotoquímica y catalizada por ácido CH funcionalización a través de intermedios peróxidos (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 funcionalización directa de enlaces CH es un importante y una meta permanente en química orgánica 1. Tales transformaciones pueden ser muy poderosos a fin de racionalizar la síntesis por el ahorro de pasos, el tiempo y el material en comparación con los métodos convencionales que requieren la introducción y extracción de la activación o dirigir grupos. Por lo tanto, la funcionalización de enlaces CH también es atractivo para la química verde 2. En condiciones oxidativas, dos enlaces CH o uno CH y un enlace heteroátomo-H puede ser transformado a enlaces CC y C-heteroátomo, respectivamente (Figura 1) 3-9. A menudo, estas reacciones de acoplamiento oxidativo requieren oxidantes sintéticos, catalizadores caros o altas temperaturas. Por lo tanto, se hicieron muchos intentos para desarrollar métodos que utilizan catalizadores baratos, las condiciones benignas y oxígeno o aire como oxidante terminal de 10.

Figura 1 Figura 1. Reacciones de acoplamiento oxidativo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Muchos compuestos orgánicos reaccionan lentamente con el oxígeno del aire en las reacciones de autooxidación que puede funcionalizar enlaces CH mediante la inserción eficaz de O 2, formando un resto hidroperóxido de 11,12. Procesos de autooxidación se utilizan a escala industrial a los compuestos oxigenados generados a partir de materias primas de hidrocarburos, pero auto-oxidación es también un proceso no deseado si conduce a la descomposición de compuestos o materiales valiosos. En algunos casos, por ejemplo éter dietílico, hidroperóxidos formados en el aire pueden también ser explosivo. Recientemente, hemos descubierto una reacción que utiliza un auto-oxidación para formar un nuevo enlace CC de enlaces CH y sin necesidad de un catalizador redox-activo 13,14 15. La reacción, sin embargo, está restringida a xanteno y unos pocos compuestos relacionados que se oxidan fácilmente bajo una atmósfera de oxígeno y los productos tienen aplicaciones que hasta ahora no se han encontrado. No obstante inspirado por este descubrimiento, hemos desarrollado un método de acoplamiento oxidativo relacionado que utiliza el principio de CH funcionalización a través de intermedios peróxidos (chips) para sintetizar derivados de indol farmacéuticamente activas 16.

Los indoles, especialmente tetrahidrocarbazoles 1, puede ser fácilmente oxidado a hidroperóxidos 2 en presencia de oxígeno singlete 17-19, que puede ser generada usando un sensibilizador y la luz visible 20. A hydrfracción operoxide puede, en principio, actúan como un grupo saliente si son activados mediante catálisis ácida y permite la introducción de un nucleófilo 21,22. Los hidroperóxidos son también conocidos a someterse a reacciones de transposición catalizada por ácido como se utiliza en la síntesis industrial de fenol a partir de cumeno, el procedimiento de Hock 23. Por los estudios de optimización cuidadosos, podríamos encontrar las condiciones para favorecer la reacción de sustitución deseada con N-nucleófilos como anilinas 3 más de las vías de descomposición indeseadas por reordenamiento 16. Aquí se describe este procedimiento CHIPS de dos pasos en detalle, usando sólo la luz visible, un sensibilizador, oxígeno y ácido. Entre los productos seleccionados son derivados de indol 4, que muestran una alta actividad antiviral o inhiben el factor de crecimiento endotelial vascular (VGF), que puede ser importante para la terapia de tumores 24-26.

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Protocol

1. Síntesis de tetrahidrocarbazol hidroperóxidos

  1. La formación del hidroperóxido se ralentiza si el tetrahidrocarbazol está muy coloreado. En este caso, purificarlo por recristalización usando tolueno / pentano o por cromatografía en columna para obtener un material de partida incoloro. Para la purificación por cromatografía en columna, el paquete de una columna con una capa inferior de gel de sílice y una capa superior de la alúmina. Ponga la tetrahidrocarbazol en la parte superior de la columna y se eluye con tolueno. Todos los subproductos de color amarillo y negro no deseados son adsorbidos en la columna y se eluye tetrahidrocarbazol incoloro. Inmediatamente se evapora el disolvente y almacenar el producto blanco purificada bajo una atmósfera de argón en la oscuridad.
  2. Pesar 1 g de tetrahidrocarbazol o de un tetrahidrocarbazol sustituido (1, sintetizado de acuerdo con métodos reportados 16) en un matraz de 250 ml. Añadir 100 ml de tolueno a este matraz.
  3. Pesar Rosa de Bengala (2mg) y añadirlo a la mezcla de reacción anterior.
  4. Añadir una barra de agitación y cubrir el recipiente con tabiques.
  5. Añadir un balón de oxígeno a través del tabique; esto mantiene una presión positiva de atmósfera de oxígeno en la reacción.
  6. Irradiar la mezcla de reacción con una lámpara de 23 vatios.
  7. Comprobar el progreso de la reacción por cromatografía en capa fina (TLC, usando una mezcla de hexano / acetato de etilo 70:30 en relación; el valor de Rf de los hidroperóxidos descritos en el presente documento es entre 0,2 y 0,3) o por 1 H RMN de un muestra tomada (se evapora el disolvente en un evaporador rotatorio y el residuo se disuelve en DMSO-d6). Los tiempos de reacción pueden variar dependiendo de la fuente de luz y la pureza del material de partida, como se menciona en la parte 1.1. En general, la conversión total de tetrahidrocarbazoles 1 toma 3 horas.
  8. Se filtra el sólido precipitado después de la conversión completa del material de partida. Lavado del sólido se puede hacer con pentano con el fin de eliminar la mayor parte deel tolueno, pero no es necesario para la purificación.
  9. Secar el sólido aislado a presión reducida.

PRECAUCIÓN: A pesar de que nunca he experimentado ningún problema en trabajar con o manipulación de los compuestos descritos en este trabajo, se deben tomar precauciones cuando se trabaja con peróxidos. En particular, debe evitarse en la medida de lo posible para exponer peróxidos aseados para calentar o para mezclarlos con metales o sales metálicas. Se recomienda llevar a cabo tales reacciones detrás de un escudo de la explosión.

. 2 Reacción de acoplamiento - Método A Uso de 10% en moles de ácido trifluoroacético en metanol

  1. Pesar el hidroperóxido de (0,49 mmol, 1,0 equiv. Desde el paso 1) y el nucleófilo deseado anilina (0,49 mmoles, 1,0 equiv.) En un vial de 12 ml o un matraz de fondo redondo adecuado.
  2. Añadir 10 ml de MeOH y, posteriormente, 3,74 l de ácido trifluoroacético (TFA, 0,049 mmoles, 0,1 equiv.) Al vial o matraz de fondo redondo.
  3. Cerrar el recipiente con un tapón yse agita la mezcla de reacción a temperatura ambiente durante 4 h.
    El tratamiento variante A1 (para productos que precipitan en el transcurso de la reacción):
  4. Se filtra el sólido precipitado para obtener el producto deseado. Se lava el producto con metanol (3 x 0,5 ml).
  5. Para obtener una segunda fracción de producto, se evapora el metanol del filtrado. Disolver el producto bruto en 5 ml de acetato de etilo a 40 ° C, luego se enfría hasta temperatura ambiente y añadir 3-5 ml de pentano El producto puro precipita.
  6. Combinar las diferentes fracciones de producto y secar bajo alto vacío.
    El tratamiento variante A2 (para productos que no precipitan):
  7. Evaporar el disolvente directamente después de la reacción mediante el uso de un evaporador rotatorio y purificar el residuo por cromatografía en columna como se especifica (gel de sílice, hexano / acetato de etilo / trietilamina) para obtener el producto deseado.

3 reacción de acoplamiento -. Método BUsando ácido acético

  1. Pesar el hidroperóxido de (0,49 mmol, 1,0 equiv. Desde el paso 1) y el nucleófilo deseado anilina (0,49 mmoles, 1,0 equiv.) En un vial de 12 ml o un matraz de fondo redondo adecuado.
  2. Añadir 10 ml de ácido acético (AcOH) a la que el vial o matraz de fondo redondo.
  3. Cierre el recipiente con una tapa y se agita la mezcla de reacción a temperatura ambiente durante 4 h.
    El tratamiento variante B1 (para productos que precipitan en el transcurso de la reacción):
  4. Se filtra el sólido precipitado para obtener el producto deseado. Se lava el producto con AcOH (3 x 0,5 ml).
  5. Para obtener una segunda fracción de producto, se evapora el ácido acético a partir del filtrado. Disolver el producto bruto en 5 ml de acetato de etilo a 40 ° C, luego se enfría hasta temperatura ambiente y añadir 3-5 ml de pentano El producto puro precipita.
  6. Combinar las diferentes fracciones de producto y secar bajo alto vacío.
    Variante Workup B2
  7. Evaporar el disolvente directamente después de la reacción mediante el uso de un evaporador rotatorio y purificar el residuo por cromatografía en columna como se especifica (gel de sílice, hexano / acetato de etilo / trietilamina) para obtener el producto deseado.

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Representative Results

Síntesis de 1 - (5-nitroindolin-1-il) 2,3,4,9-tetrahidro-1H-carbazol (4a):

Sintetizado de acuerdo con el Método A, Rf = 0,63 (hexano / acetato de etilo 70:30).

Purificación: Purificar el producto mediante el uso de Método A, variante estudio diagnóstico A1 (pasos 2.4, 2.5, 2.6). Naranja sólido, Rendimiento: 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), 2.9-2.2 (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 + calc. para C 20 H 19 N 3 O 2 Na 1 [M + Na] +: 356.136948; encontrado: 356.137207.

Figura 2
Figura 2. Representante espectro de 1H-RMN de 4a (500 MHz, DMSO-d6). Haga clic aquí para ver a laversión rger de esta figura.

Figura 3
Figura 3. Representante espectro 13C-NMR de 4a (125 MHz, DMSO-d6). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Síntesis de 4 - (6-bromo-2 ,3,4,9-tetrahidro-1H-carbazol-1-ilamino) benzonitrilo (4b):

Sintetizado de acuerdo con el Método A, tiempo de reacción fue 12 horas, Rf = 0,44 (isohexano / acetato de etilo 70:30).

Purificación: Purificación: Purificar el producto mediante el uso de Método A, variante estudio diagnóstico A1 (pasos 2.4, 2.5, 2.6). Rendimiento: 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 - (EI) (m / z): M + calculado para C 19 H 16 Br 1 N 3 Na 1, 388,041988; encontrado 388.041996.

Síntesis de 4 - (2,3,4,9-tetrahidro-1H-carbazol-1-ilamino) benzonitrilo (4c):

Sintetizado de acuerdo con Meth desde B, Rf = 0,62 (hexano / acetato de etilo 70:30).

Purificación: La purificación: Purificar el producto mediante el método B, variante estudio diagnóstico B1 (pasos 3.4, 3.5, 3.6), sólido blanco. Rendimiento: 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 + calculado para C 19 H 17 N 3 Na 1 [M + Na] +: 310,131469, encontrado:. 310,131446

Síntesis de 6-bromo-N-fenil-2 ,3,4,9-tetrahidro-1H-carbazol-1-amina (4d):

Sintetizado de acuerdo con el Método B, tiempo de reacción fue de 12 h, Rf = 0,79 (hexano / acetato de etilo 70:30).

Purificación: Purificación: Purificar el producto mediante el uso de Método B, variante estudio diagnóstico B2 (pasos 3.7), utilizando una mezcla eluyente de hexano, acetato de etilo y trietilamina (90:5:5) para cromatografía en columna. Sólido blanco. Rendimiento: 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, en ppm;

HR-MS (ESIpos) m / z: M + calc. para C 18 H 17 Br 1 N 2 Na 1 [M + Na] +: 363.046740; encontrado: 363.046458

Figura 4
Figura 4. Síntesis de derivados de tetrahidrocarbazol por CH funcionalización a través de intermedios peróxidos (chips).s :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51504/51504fig4highres.jpg "target =" _blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Estos resultados representativos demuestran cómo tetrahidrocarbazoles pueden ser convenientemente funcionalizados por CH funcionalización a través de intermedios peróxidos (chips). Este método permite la síntesis de productos de acoplamiento con nucleófilos de anilina, incluyendo compuestos farmacéuticamente activos, en un procedimiento de dos etapas (Figura 4).

El primer paso es una oxidación fotocatalizada bien conocido de tetrahidrocarbazol (1) o sus derivados con oxígeno elemental 17,19, dando un hidroperóxido 2. Si se realiza en tolueno, los productos de hidroperóxido precipitan y pueden ser convenientemente aislados por filtración. La purificación adicional no es necesario.

En el segundo paso, el hidroperóxido 2 se trata con una anilina 4 por sustitución catalizada por ácido. Dependiendo de la nucleófilo anilina, la acidez para el paso final tiene que ser afinado. Se utilizan Bien cantidades catalíticas de ácido trifluoroacético (TFA) en metanol como disolvente, o la reacción se realiza en ácido acético como disolvente sin ningún catalizador adicional. Algunos de los productos de la segunda etapa de precipitar así (4a - c), en cuyo caso una gran cantidad de producto se puede aislar por filtración y ninguna purificación adicional es necesaria. El rendimiento se puede aumentar por evaporación del disolvente de las aguas madres y la recristalización del residuo sólido. Si el producto no precipita (4d), cromatografía en columna del producto bruto se usa para la purificación.

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Discussion

En resumen, hemos podido demostrar que un enlace CH en tetrahidrocarbazoles puede ser convenientemente funcionalizado para generar productos CN-acoplamiento en un procedimiento de dos pasos.

El primer paso es una oxidación fotocatalizada bien conocido de tetrahidrocarbazol (1) o sus derivados con oxígeno elemental 17,19, dando un hidroperóxido 2. Si se realiza en tolueno, los productos de hidroperóxido precipitan y pueden ser convenientemente aislados por filtración. La purificación adicional no es necesario.

La segunda etapa es una reacción de sustitución nucleófila catalizada por ácido. Una razón mecanicista para este paso se muestra en la Figura 5. Se cree que el electrófilo activo 6 para ser formado por imina-enamina-tautomerización, ayudada por catálisis ácida. Potencialmente, el hidroperóxido 2 es protonada y pierde peróxido de hidrógeno bajo condiciones ácidas, formando carbocatión 5. Tautomerización conduce a un carbocatión más estabilizada 6 y la reacción con el nucleófilo al producto final 4, restaurando el núcleo indol aromático.

La figura 5
Figura 5. Sugerencia mecanicista para la transformación catalizada por ácido de hidroperóxidos 2 hasta el producto final 4.
Dependiendo de la naturaleza electrónica del nucleófilo anilina, las condiciones de la reacción tienen que ser modificados. Para anilinas muy pobre en electrones, por ejemplo, que lleva un grupo nitro, cantidades catalíticas de ácido trifluoroacético en metanol es el método de elección. Para electrones moderadamente anilinas pobres, por ejemplo, teniendo sustituyentes de halógeno, ácido acético como disolvente y sin catalizador ácido adicional es el método de elección.ftp_upload/51504/51504fig5highres.jpg "target =" _blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Un paso crítico en el protocolo es el fotooxigenación del material de partida tetrahidrocarbazol al hidroperóxido. Con tetrahidrocarbazol amarillo oscuro o negro, ya que a veces obtenido en el mercado, la oxidación fotosensibilizada o bien no funciona o sólo en muy bajos rendimientos. En tales casos, el material de partida tiene que ser purificado como se describe en el protocolo anterior (paso 1.1).

La reacción es hasta ahora limitada a tetrahidrocarbazol o algunos derivados de los mismos. No tiene éxito con indol, sin embargo, 2,3-dialquil-indoles sustituidos se pueden emplear si los sustituyentes alquilo son cadenas más largas que de metilo. Una lista de los productos accesibles conocidos ha sido publicado. 16

La importancia con respecto a los métodos existentes radica en las condiciones suaves, el O simplicidadpurificación f, la sostenibilidad y la accesibilidad de los productos farmacéuticamente activos. Las reacciones no se requieren temperaturas elevadas o grupos de protección y pueden pagar los productos de acoplamiento 4 con altos rendimientos dentro de 5-6 horas. Especial purificación o secado de materiales de partida y disolventes generalmente no es necesario. La estrategia para funcionalizar enlaces CH vía sustitución de peróxidos intermedios (CHIPS) formadas por la acción del oxígeno tiene un gran potencial para la química sostenible - sólo se requieren catalizadores, oxígeno y luz visible. Entre los productos seleccionados son los derivados de indol farmacéuticamente activos 4b - d. 4d producto es digno de mención, ya que es activo contra el virus del papiloma humano, virus de la hepatitis C e inhibe el factor de crecimiento endotelial vascular 24-26.

La estrategia de los chips debería ser aplicable a una variedad de diferentes CLAS sustrato en principioses. Otras investigaciones sobre el mecanismo de reacción y extensiones de este método para acceder a otros productos sintéticamente interesantes son ahora el foco de nuestros esfuerzos en curso.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que 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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