Summary
Het huidige protocol beschrijft een gedetailleerde benchtop-katalytische methode die een uniek geboryleerd derivaat van ibuprofen oplevert.
Abstract
Niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen (NSAID's) behoren tot de meest voorkomende geneesmiddelen die worden gebruikt om pijn en ontsteking te beheersen en te behandelen. In 2016 werd een nieuwe klasse van borium gefunctionaliseerde NSAID's (bora-NSAID's) gesynthetiseerd onder milde omstandigheden via de koper-gekatalyseerde regioselectieve boracarboxylering van vinyl arenen met behulp van koolstofdioxide (CO2-ballon) en een diboron-reductiemiddel bij kamertemperatuur. Deze oorspronkelijke methode werd voornamelijk uitgevoerd in een dashboardkastje of met een vacuümguitstuk (Schlenk-lijn) onder strenge lucht- en vochtvrije omstandigheden, wat vaak leidde tot onherleidbare reactieresultaten als gevolg van sporenonzuiverheden. Het huidige protocol beschrijft een eenvoudigere en handigere benchtop-methode voor het synthetiseren van een representatieve bora-NSAID, bora-ibuprofen. Een Suzuki-Miyaura kruiskoppelingsreactie tussen 1-broom-4-isobutylbenzeen en vinylboronzuur pinacol-ester produceert 4-isobutylstyreen. Het styreen wordt vervolgens regioselectief boracarboxyleerd om bora-ibuprofen, een α-aryl-β-borylpropionzuur, te voorzien van een goede opbrengst op een schaal van meerdere grammen. Deze procedure maakt het bredere gebruik van kopergekatalyseerde boracarboxylatie in synthetische laboratoria mogelijk, waardoor verder onderzoek naar bora-NSAID's en andere unieke boor-gefunctionaliseerde medicijnachtige moleculen mogelijk wordt.
Introduction
Organoboronverbindingen worden al meer dan 50 jaar strategisch gebruikt in de chemische synthese 1,2,3,4,5,6. Reacties zoals hydroboratie-oxidatie 7,8,9,10, halogenatie 11,12, aminatie 13,14 en Suzuki-Miyaura kruiskoppeling 15,16,17 hebben geleid tot belangrijke multidisciplinaire innovaties in de chemie en aanverwante disciplines. De Suzuki-Miyaura-reacties zijn bijvoorbeeld goed voor 40% van alle koolstof-koolstofbindingsreacties in het streven naar kandidaat-farmaceutische geneesmiddelen18. De Suzuki-Miyaura kruiskoppelingsreactie produceert vinyl arenen in één stap van de gehalogeneerde arene voorloper19. Deze groenere katalytische strategie is waardevol ten opzichte van traditionele Wittig-syntheses uit aldehyden die een slechte atoomeconomie hebben en een stoichiometrisch trifenylfosfineoxide-bijproduct produceren.
Er werd voorspeld dat een regioselectieve hetero(element)carboxylering van vinylarenen directe toegang zou bieden tot nieuwe hetero(element)-bevattende niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen (NSAID's), waarbij CO2 direct in de synthese zou worden gebruikt. Hetero(element)carboxyleringsreacties waren echter uiterst zeldzaam en waren beperkt tot alkynyl- en allenylsubstraten vóór 201620,21,22. De uitbreiding van de boracarboxylatiereactie naar vinylarenen zou borium-gefunctionaliseerde NSAID's opleveren, en op borium gebaseerde farmaceutische kandidaten (figuur 1) hebben aan populariteit gewonnen, zoals blijkt uit recente beslissingen van de FDA om de chemotherapeutische bortezomib, de antischimmel tavaborole en de ontstekingsremmende crisaborole goed te keuren. De Lewiszuurgraad van boor is interessant vanuit het oogpunt van medicijnontwerp vanwege het vermogen om Lewisbasen gemakkelijk te binden, zoals diolen, hydroxylgroepen op koolhydraten of stikstofbasen in RNA en DNA, omdat deze Lewis-basen een belangrijke rol spelen in fysiologische en pathologische processen23.
Deze katalytische benadering van boracarboxylatie is gebaseerd op borylcupratie van het alkeen door een Cu-boryl-tussenproduct, gevolgd door CO2-insertie in het resulterende Cu-alkylintermediair. Laitar et al. rapporteerden de borylcupratie van styreenderivaten door het gebruik van (NHC)Cu-boryl24, en de carboxylering van Cu-alkylsoorten is ook aangetoond25. In 2016 ontwikkelde het Popp-lab een nieuwe synthetische aanpak om milde difunctionalisatie van vinylarenen te bereiken met behulp van een (NHC) Cu-borylkatalysator en slechts 1 atm gasvormig CO226. Met behulp van deze methode wordt de farmacofoor van het α-arylpropionzuur in één stap benaderd en kan een nieuwe onontgonnen klasse van boorgemodificeerde NSAID's worden bereid met een uitstekende opbrengst. In 2019 verbeterden katalytische additieven de katalysatorefficiëntie en verbreedden ze de reikwijdte van het substraat, inclusief de bereiding van nog eens twee nieuwe geboryleerde NSAID's27 (figuur 1).
Eerdere boracarboxyleringsreacties van alkenen konden alleen worden bereikt onder strenge lucht- en vochtvrije omstandigheden met behulp van een geïsoleerde N-heterocyclisch-carbeen-geligeerde koper(I)-prekatalysator (NHC-Cu; NHC = 1,3-bis(cyclohexyl)-1,3-dihydro-2 H-imidazol-2-ylideen, ICy). Een benchtop-methode waarbij geboryleerd ibuprofen kan worden gesynthetiseerd met behulp van eenvoudige reagentia zou wenselijker zijn voor de synthetische gemeenschap, wat ons ertoe aanzet reactieomstandigheden te ontwikkelen die de boracarboxylering van vinylarenen, met name 4-isobutylstyreen, mogelijk maken om voort te gaan van de in situ generatie van een NHC-Cu-prekatalysator en zonder de noodzaak van een dashboardkastje. Onlangs werd een boracarboxyleringsprotocol gemeld met behulp van imidazoliumzouten en koper(I)-chloride om in situ een actieve NHC-geligeerde koper(I)katalysatorte genereren 28. Met behulp van deze methode werd α-methylstyreen geboracarboxyleerd om een geïsoleerde opbrengst van 71% van het gewenste product te geven, zij het met behulp van een dashboardkastje. Geïnspireerd door dit resultaat werd een aangepaste procedure bedacht om tert-butylstyreen te boracarboxyleren zonder gebruik te maken van een met stikstof gevuld dashboardkastje. Het gewenste boracarboxylated tert-butylstyreen product werd geproduceerd met 90% opbrengst op een schaal van 1,5 g. Gelukkig kan deze methode worden toegepast op 4-isobutylstyreen om een bora-ibuprofen NSAID-derivaat met matige opbrengst te produceren. De farmacofoor met α-arylpropionzuur is het kernmotief onder NSAID's; Daarom zijn synthetische strategieën die directe toegang tot dit motief mogelijk maken, zeer wenselijke chemische transformaties. Hierin wordt een synthetische route gepresenteerd om toegang te krijgen tot een uniek bora-ibuprofen NSAID-derivaat uit een overvloedig, goedkoop 1-broom-4-isobutylbenzeenuitgangsmateriaal (~ $ 2,50 / 1 g) met matige opbrengst in twee stappen, zonder de noodzaak van een dashboardkastje.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Synthese van 4-isobutylstyreen door Suzuki-kruiskoppeling van 1-broom-4-isobutylbenzeen met vinylboronzuur pinacolester
- Voeg 144 mg palladium(0) tetrakistriphenylfosfine (5 mol%, zie de materiaaltabel), 1,04 g watervrij kaliumcarbonaat (2 eq) en een magnetische roerstaaf (0,5 in x 0,125 inch) toe aan een injectieflacon met scintillatie van 40 ml en sluit vervolgens af met een overdrukdop. Sluit de verzegeling van de injectieflacon volledig in met elektrische tape.
- Reinig het reactiemengsel met argon gedurende 2 minuten. Voeg na de 2 minuten 1,07 g 1,07 g 1-broom-4-isobutylbenzeen (1 eq, zie materiaaltabel) toe, voeg vervolgens 13 ml watervrij tetrahydrofuraan (THF) toe dat is verkregen uit een oplosmiddelzuiveringssysteem (of een niet-koolzuurpot) met continue argonstroom en begin vervolgens met magnetisch roeren.
OPMERKING: Argongas kan worden vervangen door droog stikstofgas. - Voeg 1,5 ml argon-gesparged gedeïoniseerd water toe aan de oplossing, gevolgd door 0,72 ml vinylboronzuur pinacolester (1,5 eq, zie tabel met materialen), en spoel het reactiemengsel vervolgens met argon gedurende nog eens 5 minuten.
- Zodra het argonzuiveren voorbij is, verhit je het reactiemengsel gedurende 24 uur op 85 °C op een roerhete plaat (zie de materiaaltabel).
- Verwijder na 24 uur een klein aliquot uit het reactiemengsel, verdun het met 2 ml dichloormethaan en voer vervolgens dunnelaagchromatografie (TLC, UV-visualisatie) uit met behulp van hexaan om de voltooiing van de reactie te garanderen (R f = 0,9 reactant, Rf = 0,91 product).
- Reinig het reactiemengsel met argon gedurende 2 minuten. Voeg na de 2 minuten 1,07 g 1,07 g 1-broom-4-isobutylbenzeen (1 eq, zie materiaaltabel) toe, voeg vervolgens 13 ml watervrij tetrahydrofuraan (THF) toe dat is verkregen uit een oplosmiddelzuiveringssysteem (of een niet-koolzuurpot) met continue argonstroom en begin vervolgens met magnetisch roeren.
- Na bevestiging van 1-broom-4-isobutylbenzeenconsumptie, voeg het reactiemengsel toe aan een 125 ml scheidingstrechter en voeg vervolgens 30 ml gedeïoniseerd water toe.
- Extract 3x met 5 ml dichloormethaan, voeg de organische extracten toe aan een erlenmeyer van 125 ml (zie materiaaltabel) en gooi vervolgens de waterige laag weg.
- Breng de organische extracten over in een 125 ml scheidingstrrechter, was met 30 ml pekel (een waterige verzadigde natriumchlorideoplossing) en gooi de pekel weg.
- Breng de organische laag over in een erlenmeyer van 125 ml, voeg vervolgens 5 g natriumsulfaat toe en draai de kolf gedurende ten minste 20 s.
- Filtreer de oplossing met behulp van een Buchner-trechter (zie materiaaltabel) vacuüm in een filterkolf van 125 ml.
- Breng de organische laag over in een kolf met ronde bodem van 100 ml en concentreer de reactie vervolgens gedurende 15-30 minuten in een vacuüm (afhankelijk van de vacuümsterkte) om een lichtgele viskeuze olie te verkrijgen.
- Onderwerp het ruwe reactiemengsel aan kolomchromatografie met 50 g SilicaFlash P60-silicagel (zie de materiaaltabel) en zuiver hexaan als eluent om zuiver 4-isobutylstyreen (1) te verkrijgen (figuur 2).
OPMERKING: Voor de huidige studie was de opbrengst 89% (gemiddeld van drie reacties). Het 4-isobutylstyreen wordt onderworpen aan polymerisatie bij kamertemperatuur onder licht, dus eenmaal geïsoleerd, moet het product in het donker bij of onder −20 °C worden bewaard totdat het nodig is. Indien nodig kan een kleine hoeveelheid butylhydroxytolueen (BHT) worden toegevoegd om de polymerisatie te remmen. BHT heeft geen invloed op de efficiëntie van kopergekatalyseerde boracarboxylatie.
2. Grootschalige synthese van bora-ibuprofen in een dashboardkastje
OPMERKING: Deze reactie werd voorbereid in een met stikstof gevuld dashboardkastje (zie de tabel met materialen). Alle chemicaliën werden gedroogd of gezuiverd voordat ze in de doos werden geplaatst. Het 4-isobutylstyreen werd vriezen-pomp-ontdooid voor gebruik. Alle injectieflacons en glaswerk werden vóór gebruik gedurende ten minste 24 uur gedroogd en verwarmd in een oven (180 °C). De koperen prekatalysator (ICyCuCl) werd bereid volgens een eerder gepubliceerd rapport29.
- Voeg 160 mg ICyCuCl (5 mol%), 131 mg trifenylfosfine (5 mol%), 1,92 g natriumtert-butoxide (2 eq), 20 ml watervrije, ontgaste THF en een 0,5 in x 0,125 in magnetische roerstaaf toe aan een scintillatieflacon van 20 ml, sluit vervolgens af met een luchtdicht septum en roer de resulterende oplossing gedurende 20 minuten.
- Breng na 20 minuten de katalysatoroplossing over in een spuit van 60 ml en steek de naald in een septum.
- Voeg 2,79 g bis(pinacolato)diboron (1,1 eq), 1,87 ml 4-isobutylstyreen (1 eq), 140 ml THF en een 2 in x 0,3125 in magnetische roerstaaf toe aan een 500 ml kolf met ronde bodem, sluit af met een septum en plak vervolgens rond het septum totdat de afdichting is ingekapseld.
- Verwijder de 500 ml rondbodemkolf met de styreenoplossing en de 60 ml spuit met de katalysatoroplossing uit het dashboardkastje en ga naar een zuurkast.
OPMERKING: Na bereiding moeten de 500 ml rondbodemkolf en katalysatoroplossingsspuit onmiddellijk uit het dashboardkastje worden verwijderd. Het styreensubstraat wordt onderworpen aan polymerisatie in THF en de katalysatoroplossing ontleedt bij langdurig staan of bij blootstelling aan lucht.- Begin met het reinigen van de 500 ml kolf met ronde bodem met koolstofdioxide (kurkdroog) (zie de materiaaltabel). Voeg na 5 minuten de katalysatoroplossing gedurende 30 s toe, spoel nog eens 10 minuten en roer de reactie vervolgens gedurende 3 uur bij omgevingstemperatuur.
- Spoel na 3 uur de kolf met de ronde bodem opnieuw schoon met kooldioxide (kurkdroog) (zie de materiaaltabel) gedurende 15 minuten en roer vervolgens gedurende 33 uur op kamertemperatuur.
- Na voltooiing van de reactie concentreert u het reactiemengsel in een vacuüm en verzuurt u vervolgens met 30 ml waterig HCl (1,0 M).
- Voeg 50 ml diethylether toe aan de rondbodemkolf met de aangezuurde reactieoplossing, draai de oplossing gedurende ten minste 10 s, breng de oplossing over in een 500 ml scheitrechter en scheid de organische en waterige lagen door de waterige laag toe te voegen aan een erlenmeyer van 1.000 ml.
- Extraheer de organische laag (8x) met 50 ml verzadigd NaHCO3 en breng de waterige extracten over in een erlenmeyer van 1.000 ml.
- Verzuur de gecombineerde waterige lagen in de erlenmeyer van 1.000 ml met 12 M HCl (tot pH ≤ 1,0 met lakmoespapier) en breng de oplossing over in een schone scheidingstrechter van 1.000 ml.
- Extraheer de waterige oplossing (8x) met 50 ml dichloormethaan en breng de organische extracten over in een schone erlenmeyer van 1.000 ml.
- Voeg 50 g natriumsulfaat toe aan de organische extractieoplossing en draai de kolf gedurende ten minste 20 s.
- Filtreer de organische extractieoplossing door een Buchner-trechter en vang deze op in een schone filtratiekolf van 1.000 ml.
- Concentreer de reactie in een vacuüm gedurende 15-30 minuten (afhankelijk van de vacuümsterkte) om een lichtgele viskeuze olie te verkrijgen.
- Los het residu op in 10 ml heptaan van HPLC-kwaliteit en bewaar het vervolgens een nacht in een vriezer (−20 °C) om zuivere gerekristalliseerde bora-ibuprofen te produceren (figuur 1).
OPMERKING: In deze studie was de bora-ibuprofenopbrengst 62% (gemiddeld van twee reacties).
3. Benchtop grootschalige synthese van bora-ibuprofen
OPMERKING: Deze reactieprocedure werd uitgevoerd zonder gebruik te maken van een met stikstof gevuld dashboardkastje. Alle chemicaliën werden gebruikt zoals ontvangen of gesynthetiseerd zonder verdere zuivering (drogen, destilleren, enz.). Alle injectieflacons en glaswerk werden vóór gebruik gedurende ten minste 24 uur in een oven (180 °C) gedroogd en verwarmd en onder argon afgekoeld tot kamertemperatuur onmiddellijk vóór de reactie-instelling.
- Voeg 334 mg ICyH•Cl (13 mol%), 2,92 g natriumtert-butoxide (3 eq) en een 0,5 in x 0,125 in magnetische roerstaaf toe aan een injectieflacon met scintillatie van 20 ml, sluit vervolgens af met een luchtdicht septum en spoel onmiddellijk gedurende 5 minuten met argon.
- Voeg 20 ml watervrije, ontgaste THF via een spuit toe aan de 20 ml scintillatieflacon met het ligand- en basemengsel, spoel de resulterende oplossing gedurende 5 minuten met argon en roer vervolgens nog eens 30 minuten.
- Voeg 119 mg CuCl (12 mol%) en een 0,5 in x 0,125 in magnetische roerstaaf toe aan een scintillatieflacon van 20 ml, sluit af met een luchtdicht septum en spoel onmiddellijk met argon gedurende 5 minuten. Na het roeren van de ligandoplossing (uit stap 3.1.1) gedurende 30 minuten, voegt u deze toe aan de CuCl-scintillatieflacon onder een positieve argonstroom en roert u vervolgens de resulterende oplossing gedurende 1 uur.
OPMERKING: Zorg er bij het wegen van de CuCl voor dat u deze direct in het midden van de bodem van de scintillatieflacon plaatst, omdat deze de neiging heeft vast te komen te zitten rond de binnenste hoekranden van de injectieflacon, wat resulteert in een slechte oplossing in de ligandoplossing.
- Voeg 5,08 g bis(pinacolato)diborium (2 eq) en 2 x 0,3125 inch toe. magnetische roerstaaf naar een 500 ml kolf met ronde bodem en verzegel met een septum en sluit vervolgens de septumafdichting in met zwarte elektrische tape. Voeg na verzegeling 140 ml THF en 1,78 ml 4-isobutylstyreen (1 eq) toe aan de kolf en spoel vervolgens gedurende 5 minuten met argon.
- Reinig de 500 ml kolf met ronde bodem met droge kooldioxide onmiddellijk na de argonzuivering. Voeg vervolgens de katalysatoroplossing (uit stap 3.1.2) gedurende 30 s toe, blijf gedurende 15 minuten met droog kooldioxide spoelen en roer de reactie vervolgens gedurende 16 uur bij omgevingstemperatuur.
- Concentreer het reactiemengsel gedurende 15-30 minuten in een vacuüm na voltooiing van de reactie en verzuur vervolgens met 30 ml waterig HCl (1,0 M).
- Voeg 50 ml diethylether toe aan de rondbodemkolf met de aangezuurde reactieoplossing, draai de oplossing gedurende ten minste 10 s, breng de oplossing over in een 500 ml scheitrechter, scheid organische en waterige lagen en voeg de waterige laag toe aan een erlenmeyer van 1.000 ml.
- Extraheer de organische laag (8x) met 50 ml verzadigd NaHCO3 en breng de waterige extracten over in een erlenmeyer van 1.000 ml.
- Verzuur de gecombineerde waterige lagen in de erlenmeyer van 1.000 ml met 12 M HCl (tot pH ≤ 1,0 met lakmoespapier) en breng de oplossing over in een schone scheidingstrechter van 1.000 ml.
- Extraheer de waterige oplossing (8x) met 50 ml dichloormethaan en breng de organische extracten over in een schone erlenmeyer van 1.000 ml.
- Voeg 50 g natriumsulfaat toe aan de organische extractieoplossing en draai de kolf gedurende ten minste 20 s.
- Filtreer de organische extractieoplossing door een Buchner-trechter en vang deze op in een schone filtratiekolf van 1.000 ml. Breng het filtraat over in een kolf met ronde bodem.
- Concentreer de reactie in een vacuüm gedurende 15-30 minuten (afhankelijk van de vacuümsterkte) om een lichtgele viskeuze olie te verkrijgen.
- Los het residu op in 10 ml heptaan van HPLC-kwaliteit en bewaar het vervolgens een nacht in een vriezer (−20 °C) om zuivere gerekristalliseerde bora-ibuprofen te produceren (figuur 1).
OPMERKING: Voor de huidige studie was de opbrengst van bora-ibuprofen 59%.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het 4-isobutylstyreen werd gekenmerkt door 1 H en 13C NMR spectroscopie. De bora-ibuprofen werd gekenmerkt door 1H, 13C en 11B NMR-spectroscopie om de productstructuur te bevestigen en de zuiverheid te beoordelen. De belangrijkste gegevens voor deze verbindingen worden in deze sectie beschreven.
De spectrale gegevens komen goed overeen met de structuur van 4-isobutylstyreen (1) (figuur 2). Het 1H NMR-spectrum verkregen in CDCl 3 (figuur 3) toont het karakteristieke AMX-splitsingspatroon dat wordt gezien voor monosubstitute styreenderivaten. Deze resonanties worden waargenomen als een doublet bij 5,17 (d, J = 10,9 Hz, 1H), een doublet bij 5,69 (d, J = 17,6 Hz, 1H) en een doublet van doubletten bij 6,62-6,78 (dd, J = 10,9, 17,6 Hz, 1H). Een tweede kenmerkend kenmerk is het iso-butylmethineproton, dat verschijnt als een nonet op 2,37-2,52 (m, 2H) met overeenkomstige methylgroepen op 0,89 (d, J = 6,6 Hz, 6H)30. De negen waargenomen resonanties in het 13C NMR-spectrum komen overeen met literatuurwaarden30 (figuur 4).
De synthese van 4-isobutylstyreen via dit protocol produceert het product betrouwbaar met een opbrengst van 89% (gemiddeld van drie reacties, schaal van 5 mmol); Afwijking van een van de belangrijkste reactieomstandigheden, zoals de temperatuur en tijd, heeft echter een aanzienlijke invloed op de efficiëntie van de reactie. De reactie moet worden verwarmd tot niet minder dan 85 °C. De voltooiing van de reactie moet door TLC op of na 24 uur worden geverifieerd.
De spectrale gegevens komen goed overeen met de structuur van het boracarboxylproduct (2) (figuur 5). Net als bij het vorige substraat vertoont het 1H NMR-spectrum verkregen in CDCl3 (figuur 6) een ABX-splitsingspatroon, maar dit patroon treedt op als gevolg van diastereotopische methyleenprotonen die voortkomen uit het nieuw gegenereerde benzylische stereogene centrum. De AB-resonanties worden waargenomen als een doublet van doubletten bij 1,53 (dd, J = 16,0, 9,1 Hz, 1H) en 1,29 (dd, J = 16,0, 7,6 Hz, 1H), terwijl de X-resonantie wordt waargenomen bij 3,82 (dd, J = 9,1, 7,6 Hz, 1H). De laatste resonantie is afgeschermd, wat consistent is met een methineproton alfa tot twee sp 2-koolstofatomen. Een andere reeks significante resonanties zijn bij 1,12 (s, 6H) en 1,11 (s, 6H), overeenkomend met magnetisch inequivalente methylgroepen aan de twee zijden van het pinacolato-boorgedeelte26.
Het 13C NMR-spectrum van boracarboxylated product 2 (figuur 7) toont een zeer breed signaal bij 16 ppm, wat kenmerkend is voor een quadrupolair verbrede koolstof gebonden aan het boor. Een andere significante resonantie is bij 180,8 ppm, overeenkomend met de carbonylkoolstof van de vrije carbonzuurgroep.
Het 11B NMR-spectrum (figuur 8) toont een enkele brede resonantie bij 33,0 ppm, wat kenmerkend is voor een driewaardige boronische ester.
De synthese van bora-ibuprofen via dit protocol produceert het product betrouwbaar met een opbrengst van 62% (gemiddeld van twee reacties, 2,05 g geïsoleerd); deze reactie is echter veel gevoeliger dan de vorige Suzuki-kruiskoppelingsreactie. Elke afwijking van het gerapporteerde protocol zal resulteren in aanzienlijk verminderde opbrengsten. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan de luchtgevoelige aard van deze reactie. Met behulp van het benchtop-protocol levert de grootschalige synthese van bora-ibuprofen het gewenste product een opbrengst van 59% (1,95 g geïsoleerd), vergelijkbaar met de dashboardkastjemethode.
Figuur 1: Medicinale relevantie van organoboronverbindingen. (A) De carbonzuurgroep bevat niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen. (B) FDA-goedgekeurde boorbevattende geneesmiddelen. C) Boorhoudende NSAID-analogen (bora-NSAID's). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Synthese van 4-isobutylstyreen (1) via de Suzuki kruiskoppelingsreactie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: 1 H NMR-spectrum van 4-isobutylstyreene (1). Het 1H NMR-spectrum werd verkregen in CDCl3. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: 13C NMR-spectrum van 4-isobutylstyreene (1). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Synthese van bora-ibuprofen (2) via handschoenenkastje en benchtop boracarboxyleringsmethoden. De opbrengst van bora-ibuprofen was respectievelijk 62% en 59% door de handschoenkastje- en boracarboxyleringsmethoden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: 1H NMR-spectrum van bora-ibuprofen (2). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: 13C NMR-spectrum van bora-ibuprofen (2). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: 11B NMR-spectrum van bora-ibuprofen (2). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Derivatisatie van bora-ibuprofen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het 4-isobutylstyreen (1) werd efficiënt verkregen via een Suzuki-kruiskoppelingsreactie uit goedkope, in de handel verkrijgbare 1-broom-4-isobutylbenzeen en vinylboronzuur pinacolester. In vergelijking met de Wittig-benadering maakt deze reactie de productie van het gewenste styreen op een milieuvriendelijkere manier en met een betere atoomeconomie mogelijk. Reactiemonitoring via TLC was cruciaal om volledige conversie van het 1-broom-4-isobutylbenzeensubstraat te garanderen, omdat reacties die niet tot volledige conversie overgingen, leidden tot een moeilijke flitschromatografische scheiding van het substraat en de producten.
De boracarboxylering van 4-isobutylstyreen met een NHC-koper(I)-katalysator bij omgevingstemperatuur met behulp van een pinacolato diboron-reductiemiddel onder een atmosfeer van gasvormig CO 2 leverde bora-ibuprofen (2) met een hoge opbrengst op. Het is belangrijk op te merken dat het styreen rigoureus moet worden ingevroren-pomp-ontdooid31 om ervoor te zorgen dat er geen dioxygeen in de oplossing achterblijft, vermoedelijk als gevolg van koper(I)-aerobe ontleding32, wat leidt tot verminderde reactiviteit en ongewenste bijproducten zoals formele hydroboratie van het styreen. De katalysator moet snel aan het reactiemengsel worden toegevoegd vanwege de luchtgevoelige aard van de katalysator. Een veelbetekenend teken dat dioxygeen de reactie heeft verontreinigd, is de evolutie van een hemelsblauwe reactiekleur. Reacties die op de juiste manier evolueren naar een hoge opbrengst, zullen troebel wit worden met een lichtroze tint na de toevoeging van de katalysatoroplossing en zullen vervolgens bruin en uiteindelijk lichtgroen worden nadat de reactie gedurende 3 uur of langer aan CO2 is blootgesteld. De boracarboxyleringsreactie kan een zachte opwarming tot 45 °C verdragen, maar hogere temperaturen leiden tot verminderde opbrengsten27.
De reactie kan niet gedurende enige tijd worden opgeslagen en moet onmiddellijk worden gezuiverd. De resulterende eindkleur van een succesvolle boracarboxyleringsreactie is bruin of lichtgroen. Reacties die niet onmiddellijk worden gezuiverd, zullen hemelsblauw worden als gevolg van koperoxidatie met gelijktijdige productafbraak. Productisolatie is nog steeds mogelijk, maar er zullen verminderde opbrengsten optreden. bora-Ibuprofen kan niet worden geïsoleerd door kolomchromatografie van welk type dan ook (bijv. Silicagel, Florisil) en moet worden geïsoleerd volgens het hierboven beschreven zuur-base workup-protocol. Eenmaal geïsoleerd, is bora-ibuprofen, evenals vele andere vergelijkbare α-aryl-β-boryl proprionzuurderivaten die tot nu toe zijn bestudeerd, een luchtstabiele witte vaste stof. Sporenhoeveelheden diboronreductiemiddel blijven vaak achter na de eerste zuur-base workup. Een tweede zuur-base workup gevolgd door de tweede herkristallisatie in heptaan verwijdert vaak sporenonzuiverheden om analytisch zuivere producten te leveren.
De benchtop boracarboxylatiemethode is handiger en gemakkelijker uit te voeren dan de dashboardkastjemethode, terwijl vergelijkbare reactieresultaten worden geproduceerd. Toch zijn er enkele bekende beperkingen verbonden aan de benchtop-methode. De reactie moet worden uitgevoerd onder vochtvrije en luchtvrije omstandigheden. Om de vochtgevoeligheid verder te begrijpen, werd een boracarboxyleringsreactie uitgevoerd met behulp van de benchtop-methode met "natte" THF (een zeer zuivere fles van 4 L die eerder werd geopend) voor zowel de in situ katalysatorvoorbereiding als de reactiestappen. In dit geval werd slechts een NMR-opbrengst van 2% van het gewenste product verkregen. Vervolgens werd een reactie uitgevoerd waarbij de katalysatoroplossing werd bereid met watervrij THF (oplosmiddelsysteem gedroogd), terwijl de resterende THF die in de reactie werd gebruikt "nat" was. Een bescheiden stijging tot een NMR-opbrengst van 13% van het boracarboxylproduct werd waargenomen. Het is duidelijk dat sporen van onvoorzien water de reactie negatief beïnvloeden, vooral tijdens pre-/actief-katalysatorvorming. Met behulp van het benchtop-protocol zonder een Ar-purge (of N 2-purge) van de reactieoplossing voorafgaand aan de introductie van CO2-gas, werd een NMR-opbrengst van 46% (versus 66% met Ar-purge) verkregen. Een tweede identieke reactieopstelling leverde echter een NMR-opbrengst op van slechts 17%, wat suggereert dat onvoorziene zuurstof / lucht de reactie op verschillende onreproduceerbare manieren beïnvloedt.
In de toekomst verwacht de Popp Group dat bora-ibuprofen en andere boracarboxylverbindingen toegang zullen bieden tot een groot aantal andere gefunctionaliseerde ibuprofenderivaten (figuur 9), waardoor hun studie als potentiële therapeutische middelen voor pijnbestrijding 33,34,35,36,37 of andere farmaceutische toepassingen mogelijk wordt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen te hebben.
Acknowledgments
We willen graag de National Science Foundation CAREER and MRI-programma's (CHE-1752986 en CHE-1228336), het West Virginia University Honors EXCEL Thesis Program (ASS & ACR), de West Virginia University Research Apprenticeship (RAP) en Summer Undergraduate Research Experience (SURE) -programma's (ACR) en de Brodie-familie (Don en Linda Brodie Resource Fund for Innovation) bedanken voor hun genereuze steun aan dit onderzoek.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 125 mL filtration flask | ChemGlass | ||
| 20 mL vial with pressure relief cap | ChemGlass | ||
| 4-isobutylbromobenzene | Matrix scientific | 8824 | |
| Anhydrous potassium carbonate | Beantown chemicals | 124060 | |
| Anhydrous sodium sulfate | Oakwood | 44702 | |
| Bis(pinacolato)diboron | Boron Molecular chemicals | BM002 | |
| Buchner funnel with rubber adaptor | ChemGlass | ||
| Carbon dioxide gas (Bone dry) | Mateson | Tygon tubing connects cylinder regulator to needle used for reaction purging | |
| COPPER(I) CHLORIDE, REAGENT GRADE, 97% | Aldrich | 212946 | |
| Dichloromthane - high purity | Fisher | D37-20 | |
| Diethyl ether - high purity | Fisher | E138-20 | |
| Erlenmyer Flask, 125 mL | ChemGlass | CG-8496-125 | |
| filter paper | Fisher | ||
| Heptane | Fisher | H360-4 | |
| Hydrochloric acid | Fisher | AC124635001 | |
| IKA stirring hot plate | Fisher | 3810001 RCT Basic MAG | |
| Nitrogen filled glove box | MBRAUN | ||
| Palladium(0) tetrakistriphenylphosine | Ark Pharm | ||
| SilicaFlash P60 silica gel | SiliCycle | R12030B | |
| Sodium bicarbonate | Fisher | S233-3 | |
| Sodium tert-butoxide | Fisher | A1994222 | |
| Tetrahydrofuran - high purity | Fisher | T425SK-4 | Dried on a GlassContours Solvent Purification System |
| Triphenylphosphine | Sigma | T84409 | |
| Vacuum/gas manifold | Used for glovebox boracarboxyaltion reaction setup | ||
| Vinylboronic acid pinacol ester | Oxchem |
References
- Bose, S. K., et al. First-row d-block element-catalyzed carbon-boron bond formation and related processes. Chemical Reviews. 121 (21), 13238-13341 (2021).
- Hemming, D., Fritzemeier, R., Westcott, S. A., Santos, W. L., Steel, P. G.
- Taniguchi, T. Boryl radical addition to multiple bonds in organic synthesis. European Journal of Organic Chemistry. 2019 (37), 6308-6319 (2019).
- Budiman, Y. P., Westcott, S. A., Radius, U., Marder, T. B. Fluorinated aryl boronates as building blocks in organic synthesis. Advanced Synthesis & Catalysis. 363 (9), 2224-2255 (2021).
- Wang, M., Shi, Z. Methodologies and strategies for selective borylation of C-Het and C-C bonds. Chemical Reviews. 120 (15), 7348-7398 (2020).
- Tian, Y. -M., Guo, X. -N., Braunschweig, H., Radius, U., Marder, T. B. Photoinduced borylation for the synthesis of organoboron compounds: Focus review. Chemical Reviews. 121 (7), 3561-3597 (2021).
- Brown, H. C., Rathke, M. W., RogiC´, M. M., De Lue, N. R. Organoboranes for synthesis. 9. Rapid reaction of organoboranes with iodine under the influence of base. A convenient procedure for the conversion of alkenes into iodides via hydroboration. Tetrahedron. 44 (10), 2751-2762 (1988).
- Shegavi, M. L., Bose, S. K. Recent advances in the catalytic hydroboration of carbonyl compounds. Catalysis Science and Technology. 9 (13), 3307-3336 (2019).
- Clay, J. M., Vedejs, E. Hydroboration with pyridine borane at room temperature. Journal of the American Chemical Society. 127 (16), 5766-5767 (2005).
- Mao, L., Bose, S. K. Hydroboration of enynes and mechanistic insights. Advanced Synthesis & Catalysis. 362 (20), 4174-4188 (2020).
- Pattison, G.
- Zhu, C., Falck, J. R. Transition metal-free ipso-functionalization of arylboronic acids and derivatives. Advanced Synthesis & Catalysis. 356 (11-12), 2395-2410 (2014).
- Chen, J., Li, J., Dong, Z. A review on the latest progress of Chan-Lam coupling reaction. Advanced Synthesis & Catalysis. 362 (16), 3311-3331 (2020).
- Rucker, R. P., Whittaker, A. M., Dang, H., Lalic, G. Synthesis of tertiary alkyl amines from terminal alkenes: Copper-catalyzed amination of alkyl boranes. Journal of the American Chemical Society. 134 (15), 6571-6574 (2012).
- Miyaura, N., Suzuki, A. Palladium-catalyzed cross-coupling reactions of organoboron compounds. Chemical Reviews. 95 (7), 2457-2483 (1995).
- Lennox, A. J. J., Lloyd-Jones, G. C. Selection of boron reagents for Suzuki-Miyaura coupling. Chemical Society Reviews. 43 (1), 412-443 (2014).
- Osakada, K., Nishihara, Y. Transmetalation of boronic acids and their derivatives: mechanistic elucidation and relevance to catalysis. Dalton Transactions. 51 (3), 777-796 (2022).
- Sharma, S., Das, J., Braje, W. M., Dash, A. K., Handa, S. A glimpse into green chemistry practices in the pharmaceutical industry. ChemSusChem. 13 (11), 2859-2875 (2020).
- Bhaskaran, S., Padusha, M. S. A., Sajith, A. M. Application of palladium based precatalytic systems in the Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions of chloro-heterocycles. ChemistrySelect. 5 (29), 9005-9016 (2020).
- Fujihara, T., Tani, Y., Semba, K., Terao, J., Tsuji, Y. Copper-catalyzed silacarboxylation of internal alkynes by employing carbon dioxide and silylboranes. Angewandte Chemie International Edition. 51 (46), 11487-11490 (2012).
- Tani, Y., Fujihara, T., Terao, J., Tsuji, Y. Copper-catalyzed regiodivergent silacarboxylation of allenes with carbon dioxide and a silylborane. Journal of the American Chemical Society. 136 (51), 17706-17709 (2014).
- Zhang, L., Cheng, J., Carry, B., Hou, Z. Catalytic boracarboxylation of alkynes with diborane and carbon dioxide by an N-heterocyclic carbene copper catalyst. Journal of the American Chemical Society. 134 (35), 14314-14317 (2012).
- Schwarz, J. Atypical Elements in Drug Design. , Springer International Publishing. Cham, Switzerland. (2016).
- Laitar, D. S., Tsui, E. Y., Sadighi, J. P. Copper(I) β-boroalkyls from alkene insertion: Isolation and rearrangement. Organometallics. 25 (10), 2405-2408 (2006).
- Mankad, N. P., Laitar, D. S., Sadighi, J. P. Synthesis, structure, and alkyne reactivity of a dimeric (carbene)copper(I) hydride. Organometallics. 23 (14), 3369-3371 (2004).
- Butcher, T. W., et al. Regioselective copper-catalyzed boracarboxylation of vinyl arenes. Organic Letters. 18 (24), 6428-6431 (2016).
- Perrone, T. M., et al. Beneficial effect of a secondary ligand on the catalytic difunctionalization of vinyl arenes with boron and CO2. ChemCatChem. 11 (23), 5814-5820 (2019).
- Knowlden, S. W., Popp, B. V. Regioselective boracarboxylation of α-substituted vinyl arenes. Organometallics. 41 (14), 1883-1891 (2022).
- Santoro, O., Collado, A., Slawin, A. M. Z., Nolan, S. P., Cazin, C. S. J. A general synthetic route to [Cu(X)(NHC)] (NHC = N-heterocyclic carbene, X = Cl, Br, I) complexes. Chemical Communications. 49 (89), 10483 (2013).
- Su, M., Huang, X., Lei, C., Jin, J. Nickel-catalyzed reductive cross-coupling of aryl bromides with vinyl acetate in dimethyl isosorbide as a sustainable solvent. Organic Letters. 24 (1), 354-358 (2022).
- JoVE. JoVE Science Education Database. Organic Chemistry. Degassing liquids with freeze-pump-thaw cycling. Journal of Visual Experiments. , Cambridge, MA. (2022).
- Li, D., Ollevier, T. Mechanism studies of oxidation and hydrolysis of Cu(I)-NHC and Ag-NHC in solution under air. Journal of Organometallic Chemistry. 906, 121025-121035 (2018).
- Hernández-Díaz, S., Rodríguez, L. A. G. Association between nonsteroidal anti-inflammatory drugs and upper gastrointestinal tract bleeding/perforation: An overview of epidemiologic studies published in the 1990s. Archives of Internal Medicine. 160 (14), 2093 (2000).
- Wolfe, M. M., Singh, G. Gastrointestinal toxicity of nonsteroidal antiinflammatory drugs. The New England Journal of Medicine. 340 (24), 1888-1899 (1999).
- Singh, G. Gastrointestinal tract complications of non-steroidal anti-inflammatory drug treatment in rheumatoid arthritis. A prospective observational cohort study. Archives of Internal Medicine. 156 (14), 1530-1536 (1996).
- Lichtenstein, D. R., Syngal, S., Wolfe, M. M. Nonsteroidal anti-inflammatory drugs and the gastrointestinal tract the double-edged sword. Arthritis & Rheumatism. 38 (1), 5-18 (1995).
- Singh, G., Triadafilopoulos, G. Epidemiology of NSAID induced gastrointestinal complications. The Journal of Rheumatology. 56, 18-24 (1999).
